Файл: Совершенствование основных узлов турбопоршневых двигателей..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 18.06.2024
Просмотров: 155
Скачиваний: 1
1. Повреждения из-за недостаточного натяга вкладышей в под шипнике. При этом обычно имеет место неполное прилегание вкла дышей к постели, которое приводит в начальной стадии к появле нию износа и наклепа на поверхностях сопряжения, образова нию пятен схватывания и фретинг-коррозпи. Повреждения на сопряженных поверхностях вкладышей и постели особенно зна чительны в местах, расположенных ближе к стыкам, где увеличи ваются тангенциальные смещения и могут появляться зоны пе-
Рис. 91. Вид наружном поверхности вкладыша со сле дами наклепа и фретинг-коррозии при работе с недо статочным натягом
риодического контакта [8]. Вид наружной поверхности вкладыша с недостаточным начальным натягом после работы в коренном под шипнике судового дизеля в течение приблизительно 500 ч пред ставлен на рис. 91.
Следующая или одновременно развивающаяся стадия этого дефекта сборки узла — усталостное выкрашивание заливки вкла дыша на участках неполного прилегания. Наконец, при длитель ной работе вкладыша, не имеющего достаточного натяга посадки в постели, в результате местных прогибов возможно образование усталостных трещин в корпусе вкладыша (основе) и полное раз рушение вкладыша. Последняя стадия развития дефекта может сопровождаться задирами или заклиниванием подшипника из-за частичного смещения частей вкладыша, перекрытия ими подводя щего масляного канала и прекращения подачи смазки. В отдель ных случаях подобные аварийные состояния наблюдались в более ранней стадии и вызывались проворачиванием вкладышей из-за разрушения стопорящих их устройств, относительно слабых и часто неспособных фиксировать исходное положение вкладышей
148
4
в постели при явном недостатке натяга. Как правило, при этом серьезно повреждается и выходит из строя шейка коленчатого вала
инарушается форма отверстия постели.
2.Повреждения из-за недостаточной затяжки стыков крышки подшипн мка.
В этом случае не обеспечивается полная замкнутость разъемов силового контура постели. В зависимости от степени занижения усилия затяжки, т. е. значения ее фактического запаса в узле относительно минимального уровня начала раскрытия стыка, нарушение замкнутости будет происходить или сразу при начале работы подшипника, или спустя определенный период, по мере дополнительного падения начальных усилий в болтах, в част
ности из-за релаксации [1]. Наличие взаимных перемещений в разъемах ведет к появлению истирания и наклепа на стыковых поверхностях одновременно постели и вкладышей. Данный вид повреждений стыковых поверхностей узла в начальной стадии показан: для постели коренного подшипника — на рис. 92, а, для вкладышей — на рис. 92, б.
Возникновение и развитие перемещений в разъемах обусловли вает, в свою очередь, прогрессирующую дальнейшую потерю затяжки болтов и искажение начальной цилиндрической формы постели из-за уменьшения при износе и наклепе фактической исходной длины стягиваемых деталей узла. Такое уменьшение (при замерах по диаметру постели) достигало в ряде случаев 0,2— 0,3 мм после работы недостаточно затянутых подшипников в тече ние 500—1000 ч.
Конечной стадией данного дефекта узла могут быть нарушение условий гидродинамической смазки в подшипнике ввиду потери исходных зазоров из-за уменьшения вертикального размера отверстия постели с возможным прихватом и задиром вкладышей и шейки вала; разрушение деталей крепления разъемного контура постели или самого несущего контура, в частности крышки под шипника, из-за резкого нарушения силовой схемы узла при потере затяжки в условиях циклического нагружения.
Вид разрушений болтов крышки коренного подшипника (судо вого четырехтактного дизеля), происшедших вследствие недостатка начальной затяжки, показан на рис. 93. Время работы двигателя до аварии составило «^1200 ч. Размеры диаметра постели по вер тикали и расстояние между опорными поверхностями болтового соединения оказались меньше исходых вследствие износа и на клепа разъемов на 0,25— 0,28 мм.
3. Поломки из-за недостаточного начального уровня устало стной прочности несущего контура подшипника.
Не обеспеченный при проектировании необходимый запас уста лостной прочности для основных деталей подшипника, в том числе ввиду существенной неточности метода исходного расчета узла, приводит в условиях высоких циклических нагрузок, характер ных для подшипников форсированных дизелей, непосредственно
149
Рис. 92. Вид повреждений стыковых поверхно
стей при |
недостаточном уровне затяжки: |
|
а — разъемов |
постели |
коренного подшипника; 6 —ч |
|
стыков |
вклады ш ей |
Рис. 93. Вид разрушений болтов подшипника вслед ствие недостатка начальной затяжки
150
к наиболее тяжелым последствиям — разрушению деталей и аварии двигателя. В этом случае заметных предварительных стадий повреждений не наблюдается до появления усталостной трещины, которая затем достаточно быстро развивается и завер шается полным разрушением ослабленного пли перегруженного сечения. Вследствие значительных скоростей и нагрузок криво шипно-шатунного механизма дизеля при разрушении его деталей, как правило, существенно повреждаются смежные детали поршне вой группы и остова. Такие аварии приводят (за редким исключе нием) к необходимости замены ряда основных деталей__и узлов двигателя.
Рис. 94. Вид поверхности излома шатуна тепловозного двига теля 2Д100
На рис. 94 показана поверхность излома шатуна тепловозного двигателя 2Д100 после äH200 ч работы в эксплуатации из-за допущенного резкого перехода (галтели) в месте подрезки опорной площадки для гайки болтового соединения; отчетливо видны линии усталости с началом развития (очагом) от поверхности галтели. Разрушение сопровождалось серьезными повреждениями всего двигателя, что привело к необходимости замены блока цилиндров.
На рис. 95 приведены разрушения шатуна судового четырех тактного дизеля после 3500 ч работы (во время длительных испыта ний) из-за недостаточного запаса усталостной прочности крышки в районе подрезки под гайку шатунного болта, а также вследствие допущенного низкого запаса затяжки, не обеспечившего гаранти рованного замыкания разъемов постели при длительной работе двигателя.
Позднее для шатунов этого типа при серийном производстве были отмечены случаи разрушения в радиусе угловой подрезки шатуна подголовки шатунных болтов к стержню шатуна. Поломки оказались связанными с нарушением заданных размеров радиуса и требований к качеству поверхности (уменьшение радиуса сопря
151
жения с 4 до 2 мм и чистоты обработки с 6-го до 3—4-го классов при практическом отсутствии предусмотренного чертежом дробе наклепа на отдельных участках перехода из-за экранизации их
от дроби высокими головками неправильно поставленных техноло гических болтов).
Рис. 95. Вид разрушения шатуна судового дизеля по крышке нижней головки
Проведенная проверка всех выпущенных двигателей позволила выявить несколько случаев начальной стадии разрушений в вице появившихся усталостных трещин. На рис. 96 показам вид обна-
Рис. 96. Вид обнаруженной трещины в радиусе угловой подрезки шатуна под головки шатунных болтов вследствие допущенных технологических отклонений при изготовлении
ружейной трещины в радиусе угловой подрезки шатуна (под головки шатунных болтов) после работы на двигателе из-за рез кого уменьшения запаса прочности (приблизительно вдвое) вслед
152
ствие указанных отступлений при изготовлении. После тщатель ного контроля (магнитным методом) возвращенной партии шатунов и их исправления были исключены случаи поломок в эксплуа тации.
На рис. 97 показан вид разрушения крышки (подвески) корен ного подшипника дизеля 2Д100. Разрушения имели место в период серийного освоения двигателя н были обусловлены выполнением относительно резкого перехода (малым радиусом R 1 галтели)
Рис. 97. Вид разрушений крышки (подвески) коренного подшипника двигателя 2Д100 в радиусе угловой под резки крышки под гайку
в радиусе угловой подрезки крышки под головку болта. Этому способствовало при разработке чертежей узла отсутствие надежной расчетной оценки запаса усталостной прочности в данном сече нии, которое не входит как определяющее в обычную методику расчета крышки. По данным позднее проведенного уточненного расчета запас прочности составил в указанном сечении менее 1,2, по существу предопределив место разрушения.
Последующие улучшения конструкции заключались в увеличе нии радиуса перехода и чистоты обработки поверхности и измене нии формы крышки (первоначально на Харьковском заводе транс портного машиностроения им. В. А. Малышева) с образованием выступающих опорных бобышек (под болты) и исключением угло вой подрезки, которая была заменена более плавным неглубоким радиусным сопряжением, выполняемым в штамповке (с после дующей зачисткой и проверкой на отсутствие трещин). Для сто порения головки болта от проворачивания предусматривался специальный сегментный зуб с противоположной стороны (у внеш него края подвески). Одновременно была сделана замена материала подвески: стали 40 па сталь 38ХС. Внесенными изменениями минимальный запас прочности в опасном сечении был поднят более чем вдвое, и поломки полностью устранены.
153
Однако при аналогичной конструкции подвески, примененной на рядной модификации двигателя Д70 (6ЧН 24/27), имелся случай поломки из-за недостаточного качества изготовления радиусных сопряжений (выемок) у опорных бобышек под головки болтов
Рис. 98. Вид разрушенной подвески по радиусному пере ходу в районе болта:
а — р асполож ение трещины ; б — вид поверхности излома
и допущенных при изготовлении поверхностных дефектов, не
удаленных |
при зачистке криволинейных участков перехода |
(рис. 98, а, |
б). |
Важность проведения контроля качества материала в зонах повышенных напряжений (концентрации) подтверждается случа ями разрушения в эксплуатации подвесок коренных подшипни
154
ков на двигателе 11Д45 (16ДН 23/30), первоначально выполняемых литыми из стали 35Л. Относительно небольшие литейные дефекты из-за неметаллических включений, попавших в непосредственную близость к радиусу угловой подрезки, резко понижали исходный запас прочности (равный двум) до опасных пределов и вызывали
Рис. 99. Вид подвески с характерным изломом по угло вому переходу из-за дефектов металла при выполнении заготовки отливкой (вместо штамповки)
отдельные поломки (рис. 99). При переходе на штампованные подвески с улучшением выполнения и контроля угловых сопряже ний были полностью ликвидированы поломки в эксплуатации.
Таким образом, во всех приведенных выше случаях головок шатунов и подвесок разрушения имели явно усталостный харак тер, обусловленный высоким уровнем циклических нагрузок на коренные и шатунные подшипники дизелей.
РАСЧЕТ НА ПРОЧНОСТЬ И ЖЕСТКОСТЬ ПОДШИПНИКОВОГО РАЗЪЕМНОГО УЗЛА
При совершенствовании конструкции разъемных подшипнико вых узлов дизелей и обеспечении их более рационального проекти рования, а также необходимости обоснования требований при их изготовлении необходимо в первую очередь создать уточненный метод силового расчета узла в целом с учетом взаимодействия основных деталей и определить возникающие в них усилия, напряжения и деформации.
В поставленной задаче рассматривались шатунный и коренной разъемные подшипники подвесного типа (см. рис. 90). Несмотря
155
на внешнее конструктивное различие, они имеют аналогичные упругие и силовые схемы. Первым общим признаком обоих под шипников является то, что в каждом узле собственно крышка или отъемная часть контура постели присоединяется к остальной части подшипника заданным усилием затяжки. Вторым призна ком является наличие гарантированной неподвижной посадки вкладышей, устанавливаемых в отверстие постели с заданным натягом. Третьим признаком является применение в разъемах болтовых соединений, предназначенных для сборки и последу ющей затяжки стыков подшипника.
Таким образом, в обобщенном виде как объект расчета при раз работке методики, разъемный узел, представлялся состоящим из несущего контура постели в форме полной или частичной про ушины сложных ломаных очертаний с одним круговым отвер стием (гнездом), в котором установлена на неподвижной (прессо вой) посадке тонкостенная обечайка из двух половин — вклады шей. Упругое и силовое единство составного контура обеспечи вается гарантированным замыканием разъемов (при сборке) бол товым соединением с регламентированной начальной затяжкой.
Расчет представленных плоских контуров по формулам теории
упругости практически невыполним |
из-за неплавностн формы |
и аналитически различных кривых |
их внешнего очертания, |
а также из-за сложного характера нагрузки на внутренней по верхности подшипника при разных углах ее приложения (охвата) и направлениях действия.
Обоснование и выбор эквивалентной расчетной схемы
В целях возможности построения достаточно точного и одно временно доступного в практике силового расчета подшипниковых узлов в основу расчетной схемы была положена стержневая ана логия для средней (упругой) линии их плоских проушин —• посте лей [37]. Схема представляла как бы дальнейшее развитие и обобщение известной схемы проф. Р. С. Кинасошвили, принятой в виде круговой проушины-стержня для расчета кривошипных головок шатунов авиационных двигателей и распространенной затем на другие конструкции из-за отсутствия для них более при годных расчетных моделей. Однако применение исходной схемы для форм шатунных головок транспортных дизелей является
условным приемом, который |
приводит к |
большим неточностям |
в величинах определяемых |
напряжений |
и деформаций. Кроме |
того, в схеме не учтена возможность распространения ее на кон туры коренных подшипников даже для общих по форме участков собственно крышек.
Существенным отличием разработанного на КТЗ метода является найденное решение задачи перехода от заданного тела реальной проушины (полной или частичной) к ее эквивалентной раме по строгим правилам соответствия, включающим разделение,
156