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, К2р/D, К3/D, К4/D, К11р.ном/D, К14/D, K15/D, К16р/D, K17/D и K18/D. Здесь К1 - высота головки; К2р - расстояние между осями клапанов, К3 и К4 - диаметр горловины газового канала выпускного и впускного соответственно; К11р.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, К2р, К3, К4, К11р.ном, К14, К15, К16р, 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 - K2p/D; в - К3/D, К4/D и К17/D, К18/D; г - K11p.ном/D и K16/D; д - К14/D и К15/D
Статистическая обработка относительных размеров головок цилиндров
|
Относительные размеры* |
Размах |
Среднее значение |
Стандартное |
Критерий Пирсона |
Коэффициент |
|
K1/D |
60...162,4 |
102,7 ± 1,3 |
21,6 |
0,17 |
0,210 |
|
K2p/D |
47,5...81,7 |
55,5 ± 0,5 |
8,1 |
0,41 |
0,146 |
|
K3/D |
28...41 |
34,8 ± 0,2 |
3,5 |
0,00 |
0,102 |
|
K4/D |
33,3...45,5 |
38,5 ± 0,2 |
3,5 |
0,15 |
0,090 |
|
K11p.ном/D |
13...45,9 |
23,7 ± 0,5 |
7,7 |
0,19 |
0,326 |
|
К14/D |
4,8...14,2 |
9,3 ± 0,2 |
3,5 |
0,07 |
0,377 |
|
K15/D |
4,2...11,1 |
7,1 ± 0,2 |
2,5 |
0,36 |
0,353 |
|
K16p/D |
17,7...39,3 |
27,0 ± 0,4 |
6,5 |
0,01 |
0,242 |
|
K17/D |
16,4...51,1 |
29,9 ± 0,5 |
8,0 |
0,05 |
0,266 |
|
K18/D |
16,4...41,2 |
29,1 ± 0,4 |
6,3 |
0,00 |
0,216 |
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.