Способ ускоренных испытаний поршня двигателя внутреннего сгорания на термоциклическую долговечность Советский патент 1990 года по МПК G01M13/00 

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при проведении ускоренных испытаний поршней двигателей внутреннего сгорания (ДВС) на термоциклическую дол говечность.

Цель изобретения - повышение достоверности информации о вероятностной оценке долговечности и сокращение продолжительности испытаний.

На фиг.1 показана схема испытательного стенда, реализующего предлагаемый способ; на фиг.2 - схема разбиения поршня на объемы с усредненными напряжениями.

Испытательный стенд (фиг.1) состоит из основания 1, рамы 2, тележ1

ки 3, роликов 4, размещенных на ра- &е 2. В Цилиндре 5 размещен и закреплен шпилькой 6 испытуемый поршень 7. Плита 8 размещена в тележке 3 и несет испытуемый поршень 7, На стойке 9 размещен экран 10 с галогенными лампами 11, которые образуют в целом нагреватель 12. Стенд имеет зону нагрева А и зону охлаждения Б, а привод тележки 3 осуществляется пневмоцилиндром 13.

На фиг.2 показана четверть сечения поршня (учитывая симметрию) с разбиением на объемы с усредненными напряжениями,

Способ осуществляется следующим образом.

сл

3 СД

о

с&

1575076

JUiH определения предельного -значения перепада температур при переходи поршня из -зоны нагрера в зону охлаждения определяют прежде всего максимальную температуру поршня путем термометрирования его или расчетным путем, например, методом конечных элементов, построив изотермы, а также определив число циклов до . разрушения. Определяют максимальную температуру и сравнивают ее с допустимой. Используя чертеж испытуемого поршня, условно разделяют его на объемы с одинаковыми усредненными напряжениями, используя для этого, например, метод конечных элементов. Эггим же методом определяют напряжения в каждом объеме поршня, установленного в двигателе с учетом газовых сил и термического нагружения, а для Поршня, установленного на испытательный стенд, только с учетом терми ч|еского нагружения.

Рассеяние энергии S в материале поршня за один цикл при термоцикли- ческом нагружении определяют по фор- Mvne:

S

п

I

у. W. Ti 1

(О

где V

W - относительное рассеяние энергии;

амплитудное значение потенциальной энергии в каждом объеме.

Амплитудное значение потенциальной энергии в каждом объеме определяют по формуле

6. V.

i

2Е

(2)

где 6.

V. амплитудное напряжение в объеме материала при терм циклическом нагружении; объем выделенного участка поршня; Е - модуль упругости материал

поршня.

Таким образом, используя (1) и (2), перед установкой поршня можно аналитически вычислить рассеяние энергии за период, равный полному ресурсу двигателя

m 1

Sp 3600 Тр

I.

fi Ј ч.

г

j

Р

V;

П)

где

fJ-

i 2,60

n . - J

rn

5

0

5

частота термоциклическо- го нагружения при работе двигателя (для двухтактного дизеля в знаменателе 2 отсутствует); число оборотов коленчатого вала;

ресурс двигателя до первого капитального ремонта, ч; m - число режимов работы

двигателя;

1 - число объемов, на которые разделен поршень, Суммирование проводится сначала

по всем объемам 1, а затем по всем

-режимам т.

За один час термоциклического нагружения на испытательном стенде в объеме материала поршня рассеивается количество энергии 1

1222 f

Z

Vv

6lv.

(A)

где Јэ частота термоциклического нагружения на испытательном стенде.

35

Продолжительность термического нагружения на испытательном стенде

исп

в часах определяют как отноше

ние энергии, рассеиваемой в материале поршня за период, равный полному ресурсу двигателя к величине энергии за один час термического нагружения m 1

I f. I

5

цеп

S3 LP

V; &1 V(5)

21 VK6

Поддерживая перепад температур за время испытаний Тисп постоянный, меньший предельного значения, обеспечивают рассеяние в материале поршня такого количества энергии, которое рассеивается за весь ресурс двигателя.

Из зависимости (5) следует, что ускорение достигается за счет увеличения амгатитуды напряжений (3

z

z

Jbi JljELlLL

f э i VK г v

1

Пример реализации способа для поршня двигателя 8ДВТ-330, Поршень изготовлен из алюминиевого сплава . Предельно допустимая темпера- тура для поршня из такого сплава - 350 С, При нагреве поршня на стенде галогенными лампами максимальная температура кромки поршня была 320°С а после охлаждения водой 65°С. Поршень условно был разбит на объемы с одинаковыми усредненными температурами (фиг.2). Учитывая кольцевую симметрию поршня, таких объемов было 47 Для каждого объема при различных режимах работы дизеля 8ДВТ-330 в эксплуатации вычислены амплитуды напряжений, а также амплитуды напряжений при перепаде температур на стенде 255°С. Ресурс двигателя 8ДВТ-330 до первого капитального ремонта - 6000 м.ч. По данным завода дизель 8ДВТ-330 при установке на трактор Т-330 40% работает на режиме макси- мального крутящего момента п, 865 , 40% на режиме номинальной мощности пг 1720 и около 20% - на минимальных оборотах холостого хода п з 650 ,

Используя зависимость (3), в поршне рассеивается энергия

О

jM30p 6000 t

SPf ,ц.

fi z: ч

1

1,05-10

2,474 -10 9 Дж 2,474 -10 кДж.

Экспериментально замеренные в точках температуры и напряжения в поршне после установки его на испытательный стенд показывают, что при частоте нагружения Јэ 0,15, в материале поршня за 1 ч рассеивается энергия

S3 ISJUJL Г VK 1VK1,05-10 1676193,4 Дж 1,676-Ю3 кДж.

Цро,|1ич;м111 ibHiu Tb п-рмнческиги на- .гружения при поддержании постоянного .перепада температур равна

Т, - bUblSL. . ,476 ч, 1,676.10

10

$ 2025 30 35

40

45

50

Способ ускоренных испытаний поршня ДВС позволяет повысить достоверность информации о вероятностной оценке долговечности поршня и ускорить наработку поршня при испытаниях до появления одинаковых отказов или предельного состояния. При испытании поршня на дизеле информацию о долговечности его получают через 4-5 лет работы дизеля в эксплуатации, в то время как по способу ускоренных испытаний подобную информацию получают за 1500-2000 ч.

Формула изобретения

Способ ускоренных испытаний поршня двигателя внутреннего сгорания на термоциклическую долговечность, заключающийся в том, что поршень устанавливают на испытательный стенд, создают термоциклические нагружения, нагревая и охлаждая днище поршня, регистрируют количество циклов нагружения до разрушения, о т л и ч а ю - щ и и с я тем, что, с целью повышения достоверности и сокращения продолжительности испытания, условно делят поршень на объемы с одинаковыми усредненными напряжениями, определяют предельное значение перепада температуры термоциклического нагру- жения, а продолжительность термического нагружения поршня после его установки на стенд определяют как отношение энергии, рассеиваемой в материале поршня за период, равный полному ресурсу двигателя, к величине энергии, рассеиваемой за один час термического нагружения, причем перепад температур поддерживают постоянным, меньшим предельного значения.

d 5x ь. л

Изобретение относится к двигателестроению, служит для испытания поршня двигателя на термоциклическую долговечность и позволяет повысить достоверность и сократить продолжительность испытаний. Это достигается тем, что перед испытанием определяют аналитически или экспериментально предельное значение перепада температур термоциклического нагружения, условно разделяют поршень на объемы с одинаковыми усредненными напряжениями, а после установки на стенд продолжительность термического нагружения устанавливают как отношение энергии, рассеиваемой в материале поршня за период, равный полному ресурсу двигателя, к энергии, рассеиваемой за 1 ч термического нагружения, а перепад температур поддерживают постоянным, меньшим предельного значения. 2 ил.