Условия возникновения и развития кавитационных повреждений в деталях дизелей и методы их устранения Яковлев, Вячеслав Владимирович

Введение к работе

Актуальность. Проблема кавитационных повреждений основных ле-талей дизелей-втулок цилиндров, стенок цилинпровых полостей блоков, впервые была поставлена Центральным пизельным институтом как обусловленная несовершенством их конструктивного исполнения (возглавил это направление исслепований засл.пеятель науки и техники Российской Федерации д.т.н. проф. Н.Н.Иванченко).

Прелставление об эволюции и современном состоянии этого вопроса можно составить не только по работам ЦНИДИ, а также на ос -нове работ ЦНИТМаш; Проблемной лаборатории металловедения Уральского технического университета и др., из которых следует, что кавитационные повреждения конструкционных материалов становятся серьёзным препятствием, сдерживающим дальнейшее совершенствование двигателей.

Считается, что интенсивность кавитационных повреждений стенок деталей находится в прямой зависимости от интенсивности их колебаний, характеризуемых частотой, амплитудой, величиной возбуждающего ускорения. В райках упругости, т.е. в случае обра-ti:::u>: ;.<. орикций (связей), это положение является достовер -пни. Оно позволяет на периом этапе, например, с поцоп'ьи маг -нитостргкипонного ипб^атора решать испроси выбора кавитоцпон-нсстоикгх 'лаш'.у.илаъ, защитных покрытий, а также выбора антикоррозионных к антикапитационных щкеадок к охлаждавшей жид -кости к т.п. Окончательно же надёжность конструкции в этом

смысле определяется в результате длительных испытаний на этапе доводки.

Отсюда вытекает необходимость дальнейшего совершенствования исследований, каспющихся условий возникновения и развития капи -v' тационных повреждений в петалях пвигатолей. Основанием лля этого служат следующие соображения.

С момента образования "кавитационного рельефа" на поверхности стенки детали переход материала из одного механического сое -тояния в другое происходит теперь уже под совместным возпействи-ем кавитирующей жидкости и малых переменных напряжений,обусловленных её колебаниями.

Этот факт накладывает своеобразный отпечаток на характер распределения деформаций в повреждённом слое материала, С учётом его представляется возможным активно воздействовать на условия развития или стабилизации кавитационных повреждений путём изме -нений упруго-геометрических характеристик стенок деталей.

.4.

Цель - исследовать условия развиїия или стабилизации ка-витацконных повреждений в зависимости оі характера реформи -рованного состояния стенки, а точнее,- от формы её движения па коротком интервале времени, характеризуемом длительностью возбуждающего ускорения, и на этом основании разработать эффективные меры, позволяющие устранить или свести к минимуму вероятность возникновения кавиїациошшх повреждений.

Методы исследований. В качестве модели, задавшей механизм явления кавитации в настоящее время принята цилиндрическая оболочка, совершающая собственные высокочастотные колебания. Такие колебания удобно представить в виде квадратичной зависимости кинетической и потенциальной энергий от двух обобщенных координат: импульса и смешения. Пока смещения не столь интенсивны, чтобы вызвать нелинейную реакцию конструктивного элемента, квадратичная зависимость выполняется,, очень точно, и поэтомуцоіно легко понять, чю собственные колебания ДОЛКПП в общем случае сводится к гармонической модели.

3 этом случае не возникает необходимости ремть контактную динамическую задачу взаимодействия стенки втулки с поршнем во время его перекладки, т.к. предполагается, что распределение импульсной нагрузки по образующей втулки точно соот -ветствуст первой собственной форме сё колебаний.

Действительно, если мы уверены, что силы консервативны, то при анализе форм движения в вопросы динамики втулки стенки блока можно не углубляться. Если ке силы не консервативны, то использование форм собственных колебаний может привести как к правильным так и неправильним результатам. Но как это установить?

В работе формы движения определяются методом динамического тензометрирования стенок деталей непосредственно на работающем двигателе и на примерах моделей,способных, с одной стороны, воспроизводить явление кавитации, а с другой- допускать максимально простое описание происходящих процессов деформирования. Такими моделяїіи являются: в случае с втулкой цилиндров-балка на упругом основании (гипоіеза пропорциональности) и конхоида Никомеда; в случае с блоком-модель Ыенли.

5.

3 качестве меры возмущения на ограниченной интервале времени в данном случае выступают внутренние параметры состояния - переменные напряжения: 0...+ ^, 50іПа...0 или 0...+ (1, 5CLffla...O...- cj< 5G!ffla...O, т.е. независимо от форнь движения упругие силы возвращают сіенку детали к исходному состоянию. Одновременно с этим при тех же нагрузках в повреждённой казкгационным воздействием слое упругие силы могут быть не в сосюянии противодействовать возмущению.

Указанное различие кладется в основу анализа совместного воздействия на материал кавитирусігей жидкости и малых пере -менных напряжений. Поэтому для вывода о том, что поврекдён -ный слой обладает не одной лишь инерционной памятью, а также и наследственной, достаточно ограничиться одним квазисіати -чєским анализом, в котором полностью игнорируются инерцион -ные свойства.

Обладая сравнительной простатой, кзазксгагический анализ позволяет ввести в рассмотрение непосредственную причину активного развития или стабилизации кавитационкьх псврекдений.

Достоверность и с с л е ,; о в ;: і; . и.

Общей особенностью многочисленных экспериментальных исследований по кинетике навигационных повреждении, проводимых на виброустаиовках,является высокая скорость съема материала.При этом на кривой зависимости скорости эрозии от иреысни выделяют четыре различных участка (или обласіи).Наличие областей 1-3 исследователи объясняют начальным состоянием поверхности образца, ч-я до область "стационарной зрозии"-считается характеристикой собственно материала.

Останавливаясь на отой особенности, следует особо подчеркнуть, что 4-я область на указанной кривой представляет собой период развития повреждений,когда скорость эрозии в значительной сіепени уменьшается по сравнению с 1-3 периодами.и к этому имеется несколько причин. Количество воды, оставшейся во впадинах, образовавшихся в течение 3-го периода, являеіся фактором, ослабляющим, схлопывание кзвитационных пузырьков, и, вмесіе с тем, происходит разрежение скопления пузырьков вследствие гидродинамических эффектов над сильно повреждённой поверхностью.

Именно эта поверхность с шероховатостью,характеризуемой

б.

размерами в несколько длин зёрен (структурных элементев цатери-ала) обеспечивает элемент случайности как в пространстве так и во времени. Вследствие этого наии принимается решение о необходимости рандомизации условий проведения эксперимента.

С методической точки зрения эта задача выглядит как будто просто. Качественные изменения свойств поврекдённого материала, реализуется путём однократного приложения к образцу и снятия с него изгибавшей нагрузки.При этом форма повреждённой поверхности остаётся неизменной. Особые трудности возникают'при определении времени последующего кавшационного воздействия на этот образец с тем, чтобы дать количественную оценку факту приращения пластической деформации, проишедшеи в повреждённом слое.

Такая продолжительность воздействия между последовательными замерами, как постоянная величина для данных условий эксперимента, была установлена нами путём многократного (более чем сю -кратного) повторения кгзитационного воздействия на один и тот Ее образец (изменялись только время воздействия на него и схема его деформирования).

В результате рандомизации условий проведения эксперимента дисперсия оценки потерь массы деформированными и недеформировап-ными образцами была практически сведена к минимуму. Зю и позволило уверенно анализировать влияние переменных напряжений различной степени неоднородности на интенсивность развития навигационных повреждений.

Научная новизна .Получен отнеї на вопрос об условиях развития или стабилизации навигационных повреждений, возникающих под совместным воздействием квитирующей жидкости и малых переменных напряжений б < 50Ш1а.

Принципиально новым в этом вопросе является тот факт, что процесс деформирования стенки детали или образца с кавитацион-ныни повреждениями можеі быть продолжен обратимым путём из любого» состояния. 1ак, если из данного состояния производится малая догрузка fifi , то в повреждённой слое всегда найдутся такие её направления,что соответствующее приращение деформации frQ будет^- связано с б линейным законом упруго-пассивного деформирования

5б у - Eijmn ' OQmn у

где Ецтп -тензор упругих постоянных.

7.

При других направлениях догрузки в повреждённой слое могут воз- ' никнуть необратимые пластические деформации, и тогда выполняется другая зависимость дби^Звц » определявшая закон актив-ного-деформирования

О б у ~ Eijmn ' OQmn ,

где тензор Eijmn зависит вообще от истории навигационного воздействия и не совпадает с Eijmn .

В данной случае (при рассмотрении поведения втулки,стенки блока или лабораторного образца) удобно рассматривать не сами напряжения и деформации, а их обобщённые эквиваленты - форму деформации и амплитуду макронапряиений. Соответственно этому процессы нагружения и деформирования поврежденного кавитацион-ным воздействием материала и распределения деформаций внутри него рассматриваются нами в пространстве этих обобщённых параметров. Практически это выражается в том, что образец с навигационными повреждениями деформируется однократным приложением и снятием с него изгибавшей нагрузки, а качественные изменения свойств поврежденного материала,происходящие при этом, представля -югся как результат внешнего проявления микронапряжений,вызываемых макроскопической деформацией.

Этим качественным изменениям свойств повреждённого материала даётся количественная оценка, которая выражается величиной потерь массы соотверствующим образцом при его испытаниях с помощью магнигострикциошюго вибратора (путём сравнения результатов испытаний деформируемого и недефорцируемого образцов).

В итоге мы получаем условия развития или стабилизации ка -витационных повреждения стенки детали (конструкции) в зависимости от условий её деформирования, или что то не,- в зависимости 01 форцы-.е'ё.-движекпя периодического характера.

Практическая значимость .Рассматриваемые в работе навигационные повреждения (приводящие к опас -ным последствиям) развиваются под совместным воздействием на материал обоих слагаемых: кавитирующей жидкости и малых пере -ценных напряжений (d= 50...30 ШІа).

Основной особенностью названных напряжений является то, что они возникают как следствие деформаций, вызывающих кавитацию охлаждающей жидкости и навигационное воздействие на стенки деталей.

Поэтому нужно особо отметить,что с момента появления на по-

8.

верхности материала "кавитационного рельефа" эта проблема становится не адекваїной изучению влияния амплитуды и частот колебаний на интенсивность кавитациошшх повреждений.

Начиная с указанного момента на первый план выдвигаются уже не свойства инерционности, а природа связей материальных частиц. З качесіве іаких сзязей выступают определяющие соотношения теории пластичности, которые в определённой степени эк -зкваяенгны меняющимся связям в кавитационно поврежденном слое материала сіенки детали или образца при его деформировании.

Специфика этих менявшихся связей (в слое материала при ка-виїацконном воздействии на него) одновременно с услокне.чкеы конкретного анализа пластичности этого слоя, позволяет избежать многих трудностей при получении условий развития или стабилизации навигационных поврендений.в случае любого распределения деформаций в поврежденном слое стенки детали. Для этого достаточно ограничиться одним квазистатпческим анализом, в котором полностью игнорируются инерционные свойства, а в качестве меры возмуЕХ'Щ'.й на равных правах выступает форма деформации и ami -ллтуда иакронапрялений.

Однако эта мера монет служить критерием развития или ста -билизации каантационных повреждений только в том случае,если будет показана возможность простой оценки влияния этих п;іра -метров на интенсивность развития кавитационних повреждений. Такая оценка устанавливается из опита: образец-круглая пластинка, жёстко закреплённая по контуру,с кавитациониіши повреждениями иа рабочей поверхности,подвергается однократному деформированию путём приложения и снятия с неё изгибающей нагрузки. Тем самим учитываются изменения геометрии конструкции,вследствие сё деформирования,и распределение деформаций внутри поврежденного кавитационным воздействием слоя на её поверхности.

Іеперь становится определённее и сам эксперимент.Сравнительным испытаниям с помощью могнитострикционного вибраюра подвергались образцы, деформируемые (однократным приложением и снятием с них изгибающей нагрузки) по одной из схем:

i.d-o.

1. 0...+

2. О...-Cj = 50 Ш1а...О,

3. О...+ cJ = 50 Жа...0...-6 = 50 МПа...О.

Это решение задачи по шагам, каждый из которых определяется на основе дифференциально-линейной теории пластичности,но с

9.

учётоц изменения геометрии в конце каждого шага.При этой способ решения задачи поззоляет тщательно проверить и оценить получаемые результаты.

Р.:е а л и з а ц и я.Квазистатический подход к рекению дина-цической задачи и полученные на этой основе условия развития или стабилизации кавитационных повреждений используются в учебной процессе кафедры "Динаикка и прочность ыашш"АлтПУ, а также в исследовательской практике в ЩЩИ.

Вмесіе с тем, решение контактной динаш-леской задачи взаи -модействйя поршня с втулкой при соударении,анализ особенностей процесса деформирования конструктивных элементов,образующих отдельную цилиндровус полость в блоке,новая конструкция втулки цилиндра, сопротивление хрокового гальванопокрытия переиенниц нап -ряжениям и имитационному воздействие - используется в работе конструкторского бюро ПО "Еернаултрансыаш".

Апробация. Сснсвные результаты работ были доложены и обсуждались: в Центральной дизельном институте (ЩіІ-іДИ) ; на кафедре "Сопротивление материалов" короблестроительного института (г.Санкт-Петербург) ;в Проблемной лаборатории металловедения Уральского технического университета; на кафедрах "Двига і ели внутреннего сгорания" и "Динамика и прочность машин" Алтайского технического университета.

Публикаци и.По тепе диссертации опубликовано 8 печатных работ (в центральных журналах),получено :ешение о выдаче патента на изобретение.

Структура к обі. ё м работ ы. Диссертация состоит из введения, восьми глав,заклечения^изложена на 200 страницах машинописного текста, включает 65 рис.,список литературы 150 наименований отечественных и зарубежных источников.

На защиту выносятся:

1. Условия развития или стабилизации кавитационных повреждений и как следствие из этого:

2. Новая конструкция втулки цилиндров с деформативными свойствами, предупреждающими возникновение кавитационных повреждений в них.

3. Причины и методы устранения навигационных повреждений стенок цилиндровых полостей блоков.

4. Сопротивление хромового гальванопокрытия переценным напряжениям и навигационному воздействию.

ю.