научная статья по теме РАСЧЕТ ФОРМЫ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ С ИЗНОСОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ Машиностроение

Текст научной статьи на тему «РАСЧЕТ ФОРМЫ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ С ИЗНОСОСТОЙКИМИ ПОКРЫТИЯМИ»

ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН

< 5, 2004

УДК 621.225

© 2004 г. Ивашенцев Г.А., Данилов Ю.С., Хохлов A.B.

РАСЧЕТ ФОРМЫ ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ С ИЗНОСОСТОЙКИМИ

ПОКРЫТИЯМИ

Разработана методика расчета формы поршневых колец в свободном состоянии с износостойкими покрытиями, позволяющая учитывать физико-механические свойства материала покрытия и скорректировать результаты расчета на 6%.

Срок службы поршневых колец определяется свойствами материала, конструкцией, геометрическими размерами и многими другими параметрами. Одним из важных параметров является форма в свободном состоянии. В большинстве методик [1-3] форма поршневого кольца в свободном состоянии определяется при решении уравнения чистого изгиба бруса малой кривизны, связанного с многочисленными допущениями, снижающими точность расчета и не учитывающими износостойкие покрытия. Однако, эксплуатация современных двигателей невозможна без применения износостойких покрытий поршневых колец. В качестве покрытий широко применяются хром, молибден, окись алюминия и т.д. Например, в комплекте поршневых колец двигателя КамАЗ, отвечающим требованиям экологических стандартов ЕЭК ООН EYRO-2, верхнее компрессионное поршневое кольцо имеет износостойкое покрытие наружной поверхности из молибдена, а нижнее компрессионное и маслосъемное кольца имеют хромовое покрытие. До настоящего времени методики расчета формы поршневых колец с износостойкими покрытиями в свободном состоянии не имеется. Предлагается методика для ортотропного кольца с одним или многослойными покрытиями.

Рассматривая поршневое кольцо как криволинейную пружину (рис. 1), определим его форму в свободном состоянии. Используя условие симметрии кольца относительно оси, проходящей через замок и спинку, в качестве расчетной схемы примем полукольцо, жестко защемленное одним концом и загруженное распределенной нагрузкой д(ф), приложенной к осевой линии кольца в радиальном направлении. Кольцо имеет высоту b, а его радиальная толщина t состоит из толщины основного материала ta и толщины покрытия tp, т.е. t = ta + tf. Задача решается с учетом следующих гипотез и допущений: справедлив принцип независимости действия сил; рассматриваемые тела имеют сплошное строение; поперечные сечения тела, плоские до деформации, остаются плоскими и после деформации, но наклоняются друг к другу под некоторым углом; продольные волокна не оказывают друг на друга давление в поперечном направлении и работают на простое растяжение и сжатие; во всех точках деформированного кольца напряжения меньше предела пропорциональности и предела упругости; материал подчиняется закону Гука; смещение упругой линии (нейтральной оси) деформированного кольца относительно геометрической оси мало.

Для решения задачи применим энергетический метод расчета перемещений поршневого кольца при переходе его из сжатого (рабочего) в свободное состояние, использующий теорему Бетти о взаимности работ и теорему Максвелла о взаимности перемещений, с помощью интеграла Мора [4]

El А = J MMds, (1)

s

\w\m\

о

Рис. 1

где Е1 - жесткость кольца при изгибе; А - перемещения интересующей точки периметра кольца; М - изгибающий момент в произвольном сечении от заданной распределенной нагрузки; М -изгибающий момент в произвольном о г сечении в зависимости от положения г единичного силового фактора на контуре кольца; ^ - длина дуги.

Распределенную нагрузку можно

представить полиномом Фурье д(ф) = q0

1 + а X (qk/q0) сов кф

к = 2

, где q0 - среднее дав-

ление, Н/м; а = 0,53726(г - 1) - коэффициент, зависящий от степени коррекции (от ношение давления в замке к среднему давлению г = qф = ^0), для грушевидной эпю ры с г = 2,86 [1] а = 1; qk - гармоники, зависящие от конфигурации эпюры радиаль ных давлений.

Изгибающий момент в произвольном сечении определится

п г п

1 qk

М

г п

= г2|q(ф) в1п(ф - у)йф = q0г2<| 1 + (1- а£)совф - а X

у ^ к = 2

к2-1 qo

совкф к

(2)

где г - радиус геометрической оси кольца, сжатого в цилиндре; £ = X [ (-1 )к qk/(k2 - 1)q0]

к=2

безразмерный параметр.

Выражения изгибающих моментов в зависимости от направления единичного силового фактора следующие (рис. 2):

вид а М = 1г[ 1 - сов(ф - у)]; вид б М = 1гв1п(ф - у).

(3)

Подставив (2) и (3) в (1) соответственно получим: тангенциальные перемещения и (рис. 2,а)

г, 2 ( 1-. . Е1и = q0г <!ф + —2"^(-фсовф + в1Пф) -

1 + а X

_1_<1к

Г2 (к2 - 1)2^.

к=2

в1п ф + а X

1 qк в1пкф к

=2 (к2 - 1 )2 ^

к=2

радиальные перемещения и (рис. 2,6)

Е1и = q0r

1 1-а£ .

1 + -- ф в1П ф -

1+а X

_1_Ъс

(к2 - 1 ) 2 qoJ

к=2

1 qk

сов ф + а >

к2-1 )2 qo

сов кф к (4)

к=2

Представим изгибную жесткость кольца Е1 через функцию /ф в виде

г/2

г/2 - г„

г/2

/ф = Ъ | Е(г)г2кфйг = ЪЕ0кф | г2йг + ЪЕркф | г'

йг =

-г/2

-г/2

г/2 - г

Ъкф

г Л3 г3"1

2-Ч + 8

8 (2 1р

3

(5)

п

п

п

Рис. 2

Рис. 3

где кф - безразмерный коэффициент заполнения материала кольца в окружном направлении, величина которого может меняться от 0 до 1, в данном случае кф = 1.

Так как при всех прочих равных условиях форма кольца зависит от изгибной жесткости (она изменяется в данной задаче), то для определения влияния покрытий кольца проанализируем ее изменение на примере определения радиального перемещения в замке из формулы (4). Для кольца без покрытий с равномерной эпюрой давления радиальное перемещение замка равно и = 2q0r /Е1, где 1 = Ы /12. Для ортотроп-ного кольца с одним покрытием и равномерной эпюрой давления радиальное перемещение замка определится и = 2q0rA/fф, где /ф рассчитывается по формуле (5).

В качестве примера рассчитаем радиальные перемещения в замке нижнего компрессионного поршневого кольца двигателя КамАЗ высотой 3 мм, радиальной толщиной 5 мм, диаметром цилиндра 120 мм без учета покрытия и с хромовым покрытием толщиной 0,12 мм. Модуль упругости основного материала специальный серый чугун) Е0 = 1,55 ■ 105 МПа, гладкого хромового покрытия Ер = 3 ■ 105 МПа, момент инерции кольца 31,25 мм4, среднее давление 450 Н/м. Радиальные перемещения в замке кольца без покрытия и = 2,364 ■ 10- м = 2,364 мм. Радиальные перемещения в замке кольца с хромовым покрытием и = 2,268 ■ 10- м = 2,268 мм, гдеfф = 5,15 Н ■ м . Следовательно, форма кольца с хромовым покрытием меньше формы кольца без учета покрытия на 6,1%.

По приведенным зависимостям определим форму нижнего компрессионного поршневого кольца в свободном состоянии двигателя КамАЗ без учета физико-механических свойств покрытия и с гладким хромовым покрытием. Степень коррекции кольца 1,4. Результаты расчета формы кольца в свободном состоянии приведены на рис. 3, где кривая 1 - приращения радиус-векторов формы в свободном состоянии кольца без учета покрытия, кривая 2 - с учетом хромового покрытия. Максимальные расхождения в радиус-векторах при 142° кольца составляют 0,187 мм (6,1%).

Таким образом, при расчете колец, имеющих износостойкое покрытие, необходимо учитывать величину и физико-механические свойства покрытия, позволяющие приблизить действительные параметры кольца к расчетным.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гинцбург Б.Я. Теория поршневого кольца. М.: Машиностроение, 1970. 272 с.

2. Энглиш К. Поршневые кольца. Т. 1. М.: Машгиз, 1962. 584 с.

3. Александров А.Я. О расчетном построении формы поршневых колец в свободном состоянии // Вестник машиностроения. 1965. < 4. С. 18-20.

4. Голицын Ю.А., Ивашенцев Г.А. Определение контура поршневого кольца в свободном состоянии с помощью интеграла Мора // Тр. Сарат. ин-та механизации сельского хозяйства. Ч. III. < 42. 1969. С. 85-89.

Саратов Поступила в редакцию 3.Х.2003

После переработки 21.IV.2004

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком