Реферат: Поліпшення теплонапруженого стану головок циліндрів форсованих дизелів шляхом локального охолодження
1. Уточнено комплекс моделей теплонапруженого та деформованого стану головок циліндрів автотракторного та тепловозного дизелів, для випадку використання локального охолодження зони перетинки між отворами під сідла клапанів.
2. Вперше створено вузлову модель клапанного вузла з урахуванням взаємодії складових елементів.
3. Вперше отримано результати експериментально-розрахункової оцінки впливу локального повітряного охолодження на теплонапружений та деформований стан головки циліндрів та клапанного вузла форсованого дизеля.
Практичне значення одержаних результатів:
1. Для дослідження умов роботи пари стрижень клапана - направляюча втулка запропонована методика, яка надає можливість конструктору обирати раціональні значення зазору у парі стрижень клапана - направляюча втулка, знизити витрати мастила на вигоряння в клапанному механізмі та прогнозувати умови роботи цієї пари при збільшенні термомеханічного навантаження, характерного для сучасних форсованих дизелів.
2. Проведено комплексну оцінку ефективності і доцільності використання локального повітряного охолодження для поліпшення ТНС головки циліндру та клапанного вузла форсованих дизелів з урахуванням енергетичних витрат.
3. Сформульовані рекомендації з поліпшення ТНС клапанного вузла та головки циліндрів форсованих дизелів.
4. Зазначені результати передані для впровадження і використання ДП “Завод імені Малишева”, науково-дослідній лабораторії кафедри ДВЗ НТУ “ХПІ”, а також використовуються у навчальному процесі при підготовці студентів спеціальності 7.090210 - двигуни внутрішнього згоряння в НТУ “ХПІ”.
Особистий внесок здобувача
Особистий внесок здобувача складає:
- уточнення комплексу моделей теплонапруженого та деформованого стану головки циліндрів автотракторного дизеля 4ЧН 12/14 (СМД-23) та головки циліндру тепловозного дизеля 16ЧН 26/27 (Д80) для випадку використання локального охолодження зони перетинки між отворами під сідла клапанів;
- розробка вузлової моделі клапанного вузла з урахуванням взаємодії складових елементів;
- проведене експериментальне дослідження теплового стану пари стрижень клапана - направляюча втулка в умовах локального охолодження та визначення характеру зміни зазору в цій парі в залежності від режиму навантаження;
- експериментальне дослідження впливу матеріалу направляючої втулки (бронзового сплаву БрАЖ9-4) на тепловий стан пари стрижень клапана - направляюча втулка;
- експериментальне дослідження зміни тиску відпрацьованих газів в зазорі стрижень клапана - направляюча втулка залежно від режиму роботи дизеля;
- проведене розрахунково-експериментальне дослідження впливу локального повітряного охолодження деталей клапанного вузла та головки;
Апробація результатів дисертації
Результати дисертаційного дослідження доповідалися на XIII та ХV: Міжнародних науково-технічних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я (Харків, 2005 р., 2007 р.). Щорічно тези окремих положень дисертації було представлено на Міжнародному конгресі двигунобудівників (Крим – Рибаче - Україна, 2004 - 2007 р.).
Публікації. За темою дисертації опубліковано 16 робіт, з них 12 статей у фахових виданнях ВАК України та 4 патенти України.
Обсяг і структура роботи. Дисертація складається з вступу, 5 розділів, висновків, 2 додатків. Повний обсяг дисертації складає 239 сторінки; з них 25 ілюстрації за текстом; 65 ілюстрацій на 65 сторінках; 17 таблиць на 16 сторінках; 2 додатки на 22 сторінках; 79 найменувань використаних літературних джерел на 9 сторінках.
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі обґрунтовано актуальність теми дисертації з урахуванням тенденцій розвитку двигунобудування, зокрема використання технології автоматизованого проектування ДВЗ. Актуальність полягає в уточненні умов протікання теплообмінних процесів в парі стрижень клапана - направляюча втулка, в зоні міжклапанної перетинки головки циліндрів, у визначенні впливу на ці процеси локального охолодження.
У першому розділі визначено комплекс розрахункових моделей теплонапруженого та деформованого стану побудованих на основі методу скінчених елементів (МСЕ), який є найбільш розповсюдженим методом аналізу ТНС деталей ДВЗ. Розрахунковий аналіз проводиться з використанням програмного комплексу ANSYS.В розділі наводиться характеристика МСЕ та основні рівняння розрахункових моделей. Для розрахунку температурного поля головки циліндрів та клапанного вузла використовується рівняння стаціонарної теплопровідності у вигляді:
, (1)
, (2)
, (3)
, (4)
де t - температура; 
- внутрішнє джерело теплоти; 
- внутрішнє джерело теплоти, пропорційне температурі; 
- коефіцієнт тепловіддачі на поверхні S ; 
- температура середовища; 
, 
, 
- коефіцієнти теплопровідності в напрямку вісей анізотропії, для випадку ізотропії 
; 
,
,
- направляючі косинуси зовнішньої нормалі; q - тепловий потік на межі Sq .
Граничні умови (4) відповідають теплообміну з зовнішнім середовищем по закону Ньютона.
Для випадку граничних умов 3-го роду та відсутності внутрішніх джерел теплоти рішення знаходимо шляхом мінімізації відповідного функціоналу:
(5)
На сьогоднішній день основні труднощі з використанням математичних моделей теплового стану деталей головки циліндрів та клапанного вузла для практичних цілей полягають у складності визначення граничних умов 3-го роду
і 
. Процес уточнення потребує проведення комплексу взаємопов’язаних розрахунково-експериментальних досліджень. Складність поставленої задачі полягає також і у відсутності інформації в літературних джерелах про характер протікання реальних теплообмінних процесів в парі стрижень клапана – направляюча втулка, зоні міжклапанної перетинки, про вплив локального охолодження на ці процеси.
При рахунковому аналізі теплонапруженого та деформованого стану головки циліндрів та клапанного вузла розглядаються тільки ізотропні матеріали. Розрахунок напружено - деформованого стану клапанного вузла та головки циліндрів виконується за допомогою залежностей (6 - 8):
, (6)
де - вектор напруження;
- вектор деформацій; D - матриця жорсткості.
(7)