Научный журнал

Фундаментальные исследования

ISSN 1812-7339

"Перечень" ВАК

ИФ РИНЦ = 1,674

• Авторы
• Резюме
• Файлы
• Ключевые слова
• Литература

Прыгунов М.П. 1

---

1 ГОУ ВПО «Владимирский государственный университет», Владимир

В данной работе был проведён статистический анализ конструктивных размеров головок цилиндров дизелей с воздушным охлаждением, выпускаемых в России и за рубежом. Обработка проводилась для головок цилиндров 19 двигателей. Для удобства анализа конструктивных размеров головок цилиндров независимо от размеров последних были введены безразмерные величины – относительные размеры, равные отношению основных размеров головок цилиндров к диаметру цилиндра двигателя D. По результатам математического анализа выборки, построены кривые плотности вероятности нормального распределения относительных размеров. В результате выполненной работы найдены функции распределения параметров головок цилиндров как случайных величин. Полученные данные позволяют определить в первом приближении основные размеры головок цилиндров на стадии проектирования двигателя и сопоставить разрабатываемую конструкцию с существующими аналогами.

Статья в формате PDF

438 KB

головка цилиндра

теплонапряженность

1. Вознесенский Н.П., Логвиненко А.Я. О причинах разрушения и выборе материала головок цилиндров дизелей // Тракторы и сельхозмашины. – 1971. – №2. – С. 13‒14.

2. Математическая статистика: учеб. для вузов / В.Б. Горяинов, И.В. Павлов, Г.М. Цветкова и др.; Под ред. В.С. Зарубина, А.П. Крищенко. – М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2001. – 424 с. (Сер. Математика в техническом университете; Вып. XVII).

3. Математическое моделирование напряженно-деформированного состояния крышки цилиндра форсированного дизеля / Н.Д. Чайнов [и др.] // Грузовик &. – 2008. – №3. – С. 32‒35.

4. Поспелов Д.Р. Двигатели внутреннего сгорания с воздушным охлаждением. – Л.: Машиностроение, 1961. – 556 с.

5. Теория вероятностей и математическая статистика: Учеб. пособие для вузов / В.Е. Гмурман. – 9-е изд., стер. – М.: Высш. шк., 2003. – 479 с., ил.

6. Тракторные дизели: Справочник / Б.А. Взоров, А.В. Адамович, А.Г. Арабян и др.; Под общ. ред. Б.А. Взорова. – М.: Машиностроение, 1981. – 535 с., ил.

7. Чайнов Н.Д., Салтыков М.А., Раенко М.И., Мягков С.П. Особенности математического моделирования напряженно-деформированного состояния крышки цилиндра форсированного среднеоборотного дизеля // Двигателестроение. – 2006. – №4. – С. 8‒11.

Головка цилиндра - одна из самых сложных в конструктивном отношении и наиболее нагруженных деталей дизеля. Во время работы двигателя на головку одновременно действуют температурные и механические напряжения. Температура огневого днища головки со стороны камеры сгорания может превышать 300 ºС, кроме того, огневое днище имеет неравномерное распределение температур по радиусу и толщине. Одним из основных эксплуатационных дефектов головок цилиндров двигателей является образование сквозных трещин в межклапанных перемычках, а также перемычках между отверстием под форсунку и впускным или выпускным каналами. Главным видом нагружения головки цилиндра являются температурные воздействия, возникающие из-за неравномерного нагрева днища в осевом и радиальном направлениях в условиях несвободного расширения его элементов при работе двигателя.

В общем случае в головках цилиндров возникают следующие напряжения:

- монтажные напряжения от затяжки шпилек крепления;

- переменные напряжения от сил давления газов;

- переменные высокочастотные температурные напряжения, возникающие из-за колебания температуры на огневой поверхности головки. Из-за высокой частоты изменения параметров газа в быстроходных дизелях и тепловой инерции металла колебание температуры огневой поверхности имеет незначительную амплитуду;

- переменные термические напряжения, возникающие вследствие неравномерности нагрева, охлаждения и стесненной деформации отдельных участков головки цилиндра. По общепринятому мнению определяющую роль в разрушении головок цилиндров играют именно переменные температурные низкочастотные напряжения [1, 3, 7 и др.];

При проектировании головок цилиндров автомобильных и тракторных дизелей необходимо стремиться к соблюдению следующих основных требований [4]:

- температура головки во время работы двигателя не должна превышать критических значений для металла головки;

- минимальный градиент температур между отдельными зонами головки;

- достаточная жесткость и прочность под воздействием давления газов в цилиндре;

- интенсивный, равномерный теплоотвод от нагретых участков;

- технологичность конструкции головки.

К конструкции головки двигателя с воздушным охлаждением предъявляют дополнительные требования, обусловленные спецификой воздушного охлаждения:

- соответствие поверхности охлаждающих ребер количеству отводимой теплоты при заданном расходе охлаждающего воздуха;

- обеспечение высоких аэродинамических качеств оребренных поверхностей.

Рис. 1. Пояснительная схема к анализу конструктивных параметров головок цилиндров

С целью систематизации и обобщения информации о выборе конструктивных размеров головок цилиндров дизелей с воздушным охлаждением, выпускаемых в России и за рубежом, был проведён статистический анализ. Для удобства обработки конструктивных размеров головок цилиндров двигателей (рис. 1) независимо от размеров последних введем безразмерные величины - относительные размеры, равные отношению основных размеров головок цилиндров к диаметру цилиндра двигателя D, т.е.: К₁/D, К_2р/D, К₃/D, К₄/D, К_11р.ном/D, К₁₄/D, K₁₅/D, К_16р/D, K₁₇/D и K₁₈/D. Здесь К₁ - высота головки; К_2р - расстояние между осями клапанов, К₃ и К₄ - диаметр горловины газового канала выпускного и впускного соответственно; К_11р.ном - номинальная ширина перемычки между клапанными отверстиями; K₁₄ - ширина перемычки между форсуночным и выпускным отверстиями; K₁₅ - ширина перемычки между форсуночным и впускным отверстиями; К16р - толщина межклапанной перемычки; K₁₇ - толщина перемычки между форсуночным и выпускным отверстием; K₁₈ - толщина перемычки между форсуночным и впускным отверстием.

Обработка проводилась для головок цилиндров 19 двигателей отечественных и зарубежных производителей. В выборку записывались интересуемые параметры головок цилиндров. По результатам математической обработки этих выборок на рис. 2 построены кривые плотности вероятности нормального распределения указанных выше относительных размеров.

В таблице приведены результаты статистической обработки величин безразмерных параметров головок цилиндров: размах варьирования соответствующей характеристики R, выборочное среднее значение с 80 %-м доверительным интервалом, стандартное отклонение s, критерий Пирсона c2 и коэффициент вариации v. Выбранный нами 80 % доверительный интервал используется при расчете надежности двигателей. По коэффициенту вариации можно признать, что распределение основных величин является нормальным.

Проведённый анализ позволяет найти пределы изменений К₁, К_2р, К₃, К₄, К_11р.ном, К₁₄, К₁₅, К_16р, К₁₇ и К₁₈ в зависимости от диаметра цилиндра D для дизелей с воздушным охлаждением. Полученные данные позволяют определить в первом приближении основные размеры головок цилиндров на стадии проектирования двигателя и сопоставить разрабатываемую конструкцию с существующими аналогами.

Рис. 2. Плотность вероятности распределения:
а - К₁/D; б - K_2p/D; в - К₃/D, К₄/D и К₁₇/D, К₁₈/D; г - K_11p.ном/D и K₁₆/D; д - К14/D и К₁₅/D

Статистическая обработка относительных размеров головок цилиндров

Примечание. * - линейные размеры, отнесенные к диаметру цилиндра и умноженные на 10².

Рецензенты:

Кульчицкий А.Р., д.т.н., профессор, зам. главного конструктора по испытаниям ООО «Владимирский моторно-тракторный завод» г. Владимир;

Гоц А.Н., д.т.н., профессор кафедры тепловых двигателей и энергетических установок Владимирского государственного университета им. А. Г. и Н. Г. Столетовых Министерства образования и науки, г. Владимир.

Работа поступила в редакцию 07.07.2011.

Библиографическая ссылка