Особливості розрахунків на міцність основних деталей механізму газорозподілу сучасних локомотивних енергетичних установок

05/01/2015 11:09am

Автор: Логвіненко О.А.

Категории: автоматизация

В статті виділено один з перспективних напрямків з підвищення паливної економічності та надійності сучасних локомотивних енергетичних установок, який полягає в удосконаленні конструкції їх механізмів приводу клапанів. Обґрунтована доцільність збільшення величини "час-переріз" за рахунок застосування високоефективних кулачків приводу впускних та випускних клапанів. Висвітлено особливості розрахунків на міцність основних деталей механізму газорозподілу сучасних локомотивних енергетичних установок. Зазначено необхідність їх проведення з урахуванням проявів динаміки в клапанному приводі.

 

О.А. Логвіненко

 Канд. техн. наук, доцент  

 

Особливості розрахунків на міцність основних деталей механізму газорозподілу
сучасних локомотивних енергетичних установок

Вступ. Залізничний транспорт  займає  провідне  місце  у задоволенні потреб виробничої сфери та населення у  перевезеннях,  є  важливим фактором  забезпечення  соціально-економічного  розвитку  України, укріплення її зовнішньоекономічних зв'язків. Його стабільне та ефективне функціонування є необхідною умовою для забезпечення обороноздатності, національної безпеки та цілісності держави. Існуюча структура управління  залізничним  транспортом,  стан виробничо-технічної   бази   залізниць   і   технологічний  рівень організації перевезень за  багатьма  параметрами  не  відповідають зростаючим  потребам суспільства та європейським стандартам якості надання транспортних послуг, перешкоджають підвищенню ефективності функціонування галузі та потребують реформування.
Постановка проблеми та її актуальність. Постановою Кабінету Міністрів України від 16 грудня 2009 р. № 1390 (в редакції постанови Кабінету Міністрів України  від 26 жовтня 2011 р. № 1106) була затверджена державна цільова програма реформування залізничного транспорту на 2010-2019 роки  в рамках якої одним із пріоритетних напрямків розвитку залізниць є підвищення паливної економічності та надійності локомотивних енергетичних установок (ЛЕУ) [1,2], що є актуальним на даний час для подальшого економічно ефективного функціонування залізничного транспорту України. Наряду з цим особливе місце займають дослідження, спрямовані на забезпечення  високого рівня техніко-економічних показників дизелів ЛЕУ.
Аналіз останніх досліджень і публікацій показав, що поряд з удосконаленням процесів в агрегатах наддуву, паливоподачі, сумішоутворення та згоряння, теплопередачі, актуальними є розробки з поліпшення якості газообмінних процесів в циліндрах, які в значній мірі залежать від характеристик функціонування кулачкового механізму газорозподілу (КМГР). При цьому, як перспективний, розглядається напрямок поліпшення техніко-економічних показників ЛЕУ шляхом їх модернізації на основі удосконалення конструкції КМГР за рахунок використання розподільних валів з принципово новими профілями кулачків привода впускних і випускних клапанів які  забезпечують (у порівнянні з серійними) суттєве збільшення “час-переріз” (ЧП)  клапанів при виконанні всіх вимог (газорозподілу, міцності, технології виготовлення, економічності) і задовільній динаміці, що характеризується відсутністю розривів в з’єднаннях деталей кінематичного ланцюга приводу клапанів [3]. В свою чергу прагнення до збільшення величини "час-переріз" за рахунок застосування високоефективних кулачків пов'язане зі значним підвищенням динамічних навантажень, що визначає необхідність проведення розрахунків на міцність основних деталей кулачкових механізмі газорозподілу на всіх етапах проектувальних робіт зі створення нових або модернізації існуючих енергетичних установок.
Метою статті є висвітлення особливостей розрахунків на міцність основних деталей клапанного приводу сучасних локомотивних енергетичних установок тепловозного парку залізниць України.
Викладення основного матеріалу. Загальною ознакою проведення  розрахунків на міцність за традиційними методиками, є використання для визначення діючих у приводі навантажень теоретичних законів руху клапанів, які повністю відповідають профілям кулачків розподільних валів [4,5].
Між тим  результати проведених досліджень [6] свідчать про суттєві відзнаки  теоретичних законів від реальних (які мають місце на працюючій енергетичній установці), що обумовлено впливом динамічних процесів, які інтегрально визначаються особливостями кінематичних, інерційних, пружно-дисипативних параметрів ланок механізму газорозподілу. Це обумовлює необхідність розробки нових підходів до розрахунків на міцність основних деталей КМГР, відповідних уточнених методик, які повинні ураховувати прояви динаміки приводу - базуватися на використанні реальних законів руху клапанів, отриманих експериментально для існуючих енергетичних установок або за допомогою математичного моделювання для тих, що створюються.
Нижче наведені відповідні розробки для проведення розрахунків на міцність найважливіших деталей КМГР: клапанних пружин, штанги на стійкість, кінематичної пари профіль кулачка-ролик штовхача на контактну міцність.
Величина контактних напружень в кінематичній парі кулачок-ролик штовхача механізму привода клапанів визначається за формулою Герца [7]:
,
де  k – передаточне відношення важільного механізму (наприклад, для механізму газорозподілу ЛЕУ Д80 k=1);
  - сумарна сила, яка стискає штангу (розрахунок її наводиться нижче);
E – зведений модуль пружності матеріалів ролика та кулачку. Для сталі  [8];
 – довжина лінії контакту (наприклад, для механізму газорозподілу ЛЕУ Д80 );
 - поточний кут тиску;
 – радіус ролика (наприклад, для механізму газорозподілу ЛЕУ Д80 );
R – поточний радіус профілю кулачка.
При цьому контролюється виконання умови , де  - припустимі контактні напруження, .
При проведенні розрахунків на міцність штанги - одної з найвідповідальніших деталей КМГР -  контролюється виконання умови:

де  - коефіцієнт запасу стійкості штанги. Для визначення  використовується формула [8]:

де  - критичне навантаження, при якому можлива втрата стійкості штанги.
В загальному випадку критичне навантаження визначається за формулою

де A- площа поперечного перерізу штанги;
     - критичне напруження, що виникає в матеріалі штанги і для кулачкового механізму газорозподілу ЛЕУ Д80 визначається за формулою Тетмаєра-Ясинського [7], яка приведена нижче

де  a,b – емпіричні коефіцієнти, які вибираються в залежності від матеріалу (наприклад для сталі );
 - гнучкість штанги, яка визначається за формулою
,                                         
де  v - коефіцієнт, що характеризує умови закріплення штанги; для шарнірного закріплення v=1      

l – довжина штанги (для штанги кулачкового механізму газорозподілу ЛЕУ Д80 вона складає 536 мм);
       i – радіус інерції, який визначається за формулою
,                                          
де F – площа поперечного перерізу штанги;
J – момент інерції, який визначається за формулою
,
де  d – зовнішній діаметр штанги  ;
        – внутрішній діаметр штанги  .
Для розрахунку   використовується формула

де  - відповідно сила інерції, сила пружної деформації пружини і сила відпрацьованих газів (ураховується для випускних клапанів).
За рекомендаціями літературних джерел [9], при конструюванні клапанних пружин рекомендується в першу чергу вибирати характеристику зміни сили пружини, яка повинна перевищувати максимальну величину від'ємної сили інерції в клапанному приводі на 60-100% з метою забезпечення безрозривної роботи механізму привода клапанів. Таким чином максимальну силу пружини вибирають зі співвідношення

де    - максимальна від'ємна сила інерції в клапанному приводі;
       - коефіцієнт запасу клапанної пружини за силами інерції, який повинен бути в межах   згідно з рекомендаціями [9].
На рис. 1-3 наведені результати розрахунку клапанних пружин, кінематичної пари профіль кулачка-ролик штовхача на контактну міцність, штанги на стійкість з урахуванням теоретичних і реальних законів руху клапанів механізму газорозподілу локомотивної енергетичної установки з середньообертовим дизелем Д80.
Висновки і перспективи подальшого використання. При традиційних підходах визначення  сил інерції, сил пружної деформації пружин та сил відпрацьованих газів  виконувалось з використанням теоретичних законів руху клапанів (відповідних переміщень та прискорень клапанів). Проте наведені вище положення обумовлюють доцільність проведення розрахунків на міцність основних деталей КМГР з урахуванням проявів динаміки їх клапанного приводу.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1
 

 

 

Рисунок 2

 

 

 

 

Рисунок 3

Список використаних джерел

1 Державна цільова програма реформування залізничного транспорту на 2010-2019 роки [затверджено постановою кабінету міністрів України від 16 грудня 2009 р. № 1390 (в редакції постанови кабінету міністрів України від 26 жовтня 2011 р. № 1106)] (Електронний ресурс).
2 Тартаковський Е.Д. Моделювання парку рухомого складу для регіональних перевезень [Текст] / Е.Д. Тартаковський, А.П. Фалендиш, А.М. Кучеренко, О.О. Родіонов // Збірник наукових праць Української державної академії залізничного транспорту. –  Харків: УкрДАЗТ, 2009. – Вип. 111. – С. 167-176.
3 Мороз В.І.  Новий підхід до профілювання газорозподільних кулачків форсованих тепловозних дизелів [Текст] / В.І. Мороз, О.В. Братченко, О.А. Логвіненко, К.В. Астахова  // Збірник наукових праць Української державної академії залізничного транспорту. –  Харків: УкрДАЗТ, 2010. – Вип. 119. – С. 110-116.
4  Мороз В.І. Нові підходи до розрахунків на міцність деталей клапанного привода форсованих транспортних дизелів з урахуванням проявів динаміки [Текст] / В.І. Мороз, О.В. Братченко, О.А. Логвіненко // Зб. наук. праць / ХарДАЗТ, 2000. – Вип. 44. – С. 35-39.
5 Двигатели внутреннего сгорания: Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей / В.П. Алексеев, В.Ф. Воронин и др.; Под общ. ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. М.: Машиностроение, 1990.- 288 с.
6 Мороз В.І.  Оцінка динаміки та ефективності клапанного привода тепловозного дизеля Д80 з серійними і дослідними кулачками [Текст] / В.І. Мороз, О.А. Логвіненко // Підвищення ефективності технології та техніки для виконання вантажно-розвантажувальних, будівельних і колійних робіт на залізничному транспорті // Міжвуз. зб. наук. праць / УкрДАЗТ, 2002. - Вип.  50. –  С. 33-38.
7 Авиационные и поршневые двигатели: кинематика, динамика и расчёт на прочность / под ред. Т.М. Мелькумова. – М.: Оборонгиз, 1950. – 870 с.
8 Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В. – 2-е изд., перераб. и доп. – Киев: Наук. думка, 1988. – 736 с.
9  Двигатели внутреннего сгорания: Конструирование и расчет на прочность поршневых и комбинированных двигателей / Под ред. А.С. Орлина, М.Г. Круглова. - М.: Машиностроение, 1984.- 384 с.

 


Презентация

Контакты

 

 

Контакты

НАШІ КОНТАКТИ:

[email protected]

[email protected]

м. Дніпро

тел. +38 (056) 794-36-74, +38 (056) 794-36-75

моб. +38 (050) 320 69 72

ISSN 20760507

Керівник проекту - Гриньов Володимир Анатолійович

Партнеры