Файл: Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей..pdf

правок свыше пяти это снижение для высокопрочного чугуна достигает 20%. Кроме того, при правках происходит частичное перераспределение начальных остаточных напряжений в азоти­ рованном слое из-за пластических деформаций и образуется новая система внутренних напряжений в сечениях вала, которая может иметь высокие уровни и значительные зоны распространения при неравномерном нагреве пли относительной перегрузке вала. В этом случае возможно дополнительное разупрочнение вала н возникает опасность вторичных явлений в виде искривлений вала в условиях эксплуатации после определенного срока службы.

На КТЗ предполагается заменить горячую правку деформа­ цией вала при выборочном наклепе галтелей коренных шеек, исходя из величины биения шеек вала в горизонтальной плоскости при вращении вала в приспособлении на двух роликоподшипни­ ках [7].

КОНСТРУКТИВНЫЕ МЕРОПРИЯТИЯ ПО ПОВЫШЕНИЮ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ

КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ

Развитие направлений и методов исследований, осуществле­ ние которых является необходимым для создания надежной кон­ струкции вала для работы в течение длительного срока службы,

валов подвесного типа, выполняемых с относительно тонкими щеками из-за стремления уменьшить расстояния между цилинд­ рами, главное значение приобретают изгибные нагрузки. Напря­ жения, создаваемые крутящим моментом, обычно большого зна­ чения для прочности вала не имеют, если только крутильные ко­ лебания не попадают в резонанс с возмущающими нагрузками. Избежать таких резонансов позволяет установка гасителей или антивибраторов крутильных колебаний.

Коленчатый вал был полноопорный, без противовесов, выпол­ нен из высокопрочного чугуна с шаровидным графитом ВЧ 50-1,5 с последующим азотированием (толщина слоя 0,6—0,7 мм, твер­ дость на шейках HRC 40).

Некоторая компенсация потери усталостной прочности ввиду пониженных усталостных характеристик валов из высокопрочного чугуна по сравнению со стальными валами была получена путем увеличения перекрытия шеек вследствие значительного повыше­ ния диаметра коренных шеек. Однако полученная конструкция литого вала из чугуна оказалась недостаточно удачной как с точки зрения прочности, так и с точки зрения соотношений жесткости элементов колена; запас прочности в галтели в месте сопряжения шатунной шейки с первой щекой оказался относительно невысо­ ким (я <: 1,3), что привело к появлению разрушений.

Поломки валов имели усталостный характер, трещины вызы­ вались переменными изгибными напряжениями и развивались от галтели в месте сопряжения шатунной шейки с первой щекой (со стороны антнвпбратора). В последующей стадии трещины имели две разновидности (рис. 69): по щеке (преимущественно) и по шейке (отдельные случаи).

Исследовательские работы по повышению запаса прочности вала велись в двух основных направлениях — снижение напря­ женности и повышение усталостной прочности кблен.

Поиск и разработка новых конструктивных форм колен про­

шатунной шейки (рис. 70). Для каждого колена определялись: распределение и величины изгибных напряжений по профилю и по окружности шатунной и коренной шеек, коэффициенты концен­ трации напряжений. Испытания показали, что более высокие напряжения имело колено с исходными профилем галтели и жесткостью щеки. При этом было установлено слабое влияние отверстия (в коренной шейке) на снижение напряжений в средней части шатунной галтели, с явно выраженным максимумом в пло­ скости колена. При утолщении и расширении щеки неравномер­ ность распределения напряжений и их величины стали заметно

ниже (рис. 71, а, б).

В условиях ограниченных размеров шейки по длине оказалось целесообразней применять галтель сложного профиля с поднутре­ нием в щеку (рис. 71, б). При увеличенном радиусе галтели на

114

I

0ХЛ7.

Рис. 70. Улучшенный вариант конструкции колена вала двигателя 16ДН 23/30

Рис. 71. Распределение напряжений от радиальной нагрузки ко­ лена в галтели шатунной шейки (по профилю и окружности) при конструкции колена:

а — начальной; б — улучш енной

шейке R ~ 12 мм и малом радиусе поднутрения в щеку г = 4 мм можно перенести зону наибольших напряжений в щеку и одно­ временно уменьшить их из-за эффекта сжатия щеки радиальными

При сложном профиле галтели очень важно задать на чертеже границы участков с разными радиусами и строго'контролировать инструмент и галтели по согласованным шаблонам (с базой по поверхности щеки и шейки) при изготовлении.

ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННОГО СОСТОЯНИЯ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА

Статические испытания колен отдельных моделей коленчатого вала позволяют получить величины и распределение напряжений внутри колена под действием известной нагрузки, но величины напряжений, возникающих в опасных сечениях вала в условиях работающего двигателя, остаются неизвестными. Эти напряжения определить расчетным путем по разрезной схеме с достаточной точностью невозможно, так как в такой схеме не учитывается связь колена с остальным валом, что существенным образом изменяет условия его нагружения. Поэтому для определения действитель­ ных переменных напряжений вала было проведено его тензометрирование на работающем двигателе. Напряжения определялись с помощью тензодатчиков сопротивления с измерительной базой 5 мм, наклеиваемых непосредственно на галтели шатунных шеек в наиболее напряженных точках. Места расположения тензо­ датчиков на профиле галтели были выбраны по результатам пред­ варительного статического теизометрнроваиия отдельных колен вала на испытательной машине (рис. 731.

116

Тензометрирование коленчатого вала на работающем двигателе дает возможность определить характер распределения напряжений по его длине и выявить наличие дополнительных напряжений из-за возможных поперечных или продольных, а также крутиль­ ных колебаний. Особенно опасным с точки зрения возникновения колебательного процесса, приводящего к росту изгибных напря­ жений, является район первого колена вала, возможность разви­ тия колебательного процесса в котором обусловлена наличием значительной массы антивибратора крутильных колебаний, распо-

На рис. 74 показаны осциллограммы изменения напряжений на крайней (первой) галтели шатунной шейки первого колена двигателя 16ДН 23/30, записанные при резонансной частоте вращения двигателя и при устраненном резонансе колебаний и том же уровне рабочих нагрузок на вал от давления сгорания поочередно в двух цилиндрах (с углом развала 45°) и сил инерции кривошипно-шатунного механизма. Характерное повышение общего размаха переменных напряжений в этой галтели вала вследствие развития колебаний в зависимости от частоты вращения вала двигателя графически представлено на рис. 75. Аналогич­ ное, но меньшее увеличение напряжений при той же частоте вращения было отмечено во второй галтели шатунной шейки первого колена.

Расчетные оценки частот колебаний по возможным формам изгиба вала привели к следующей схеме колебательного процесса в районе первого колена. Первое колено с присоединенной массой

117