Повышение долговечности поршневой группы дизеля УТД-20 - курсовой

Содержание

Введение

1. Анализ существующей конструкции поршневой группы дизеля УТД-

1.1 Назначение и условия работы поршневой группы дизеля УТД-

1.2 Условия работы

1.3 Предъявляемы требования............................................................................. 5-

1.4 Устройство поршневой группы дизеля УТД-20, применяемы материалы и технологии.................................................................................................... 6-

1.5 Основные расчетные параметры

1.6 Оценка конструкции поршневой группы двигателя УТД-

2. Расчет форсунок масляного охлаждения................................................... 9-

3. Оценка разработанной конструкции

Заключение

Список литературы

ВВЕДЕНИЕ

Рост форсировки современных дизельных двигателей в значительной степени ограничивается работоспособностью поршневой группы, и прежде всего приемлемым уровнем температур и напряжений в поршне двигателя.

Несомненно, поршень является наиболее нагруженной деталью двигателя. Во время работы двигателя на поршень оказываются комбинированные механические и тепловые нагрузки. Разделить их невозможно, поскольку любой материал с повышением температуры меняет свои свойства. Поршень, легко выдерживающий существующие нагрузки при рабочей температуре двигателя, будет разрушен под воздействием не изменившихся механических нагрузок в случае перегрева двигателя.

Механические нагрузки на поршень

Во время работы двигателя на поршень оказываются значительные механические нагрузки, постоянно изменяющиеся как по направлению, так и по величине. Даже во время спокойного, равномерного движения автомобиля по обычной дороге коленчатый вал двигателя вращается со скоростью приблизительно 1500 об/мин, следовательно, в течение одной минуты поршень должен разогнаться до высокой скорости, остановиться и опять разогнаться в противоположном направлении 2000 раз в минуту, или 50 раз в секунду. Если принять, что средний ход поршня современного короткоходного двигателя равен 80 мм, за одну минуту поршень пройдёт 480 метров, то есть средняя скорость движения поршня в цилиндре равна 28,8 км/час.

Можно представить какие большие инерционные нагрузки действуют на поршень, даже если просто предположить что коленчатый вал двигателя вращается от постороннего источника энергии. Но на поршень также оказывается воздействие усилия сжимаемых газов на такте сжатия и особенно полезное воздействие расширяющихся газов на такте рабочего хода. Максимальное давление в камере сгорания высокофорсированного двигателя достигает 80 – 100 атмосфер, давление в камере сгорания обычного автомобиля 55 – 60 атмосфер. И если принять, что диаметр поршня среднего автомобиля равен 92 мм, в момент максимального давления поршень испытывает усилие от 5,3 до 6,6 тонн. Так что можно сказать, что поршень автомобиля, как и другие детали кривошипношатунного механизма, испытывает огромные механические нагрузки. Но беда не приходит одна, кроме значительных механических нагрузок, поршень также подвергается воздействию очень высоких температур.

Термические нагрузки на поршень

Откуда появляется тепло, оказывающее воздействие на поршень? Первый, но не основной, источник этот трение. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью, при этом он постоянно трётся о стенки цилиндров. Геометрия кривошипного механизма такова, что часть силы, прикладываемой к поршню, расходуется на прижатие поршня к стенкам цилиндра. И не смотря на качественную обработку поверхностей, как цилиндра, так и поршня, даже при наличии смазки, возникает достаточно большая сила трения.

Откуда появляется тепло, оказывающее воздействие на поршень? Первый, но не основной, источник этот трение. Во время работы двигателя поршень перемещается с большой скоростью, при этом он постоянно трётся о стенки цилиндров. Геометрия кривошипного механизма такова, что часть силы, прикладываемой к поршню, расходуется на прижатие поршня к стенкам цилиндра. И не смотря на качественную обработку поверхностей, как цилиндра, так и поршня, даже при наличии смазки, возникает достаточно большая сила трения.

Но в основном тепло, воздействующее на поршень, появляется при сгорании топливовоздушной смеси в цилиндре двигателя. Температура сгоревших в цилиндре газов может достигать 2000 - 2500С. Под воздействием таких высоких температур разрушаются все конструкционные материалы, из которых изготавливаются детали современных двигателей внутреннего сгорания. Поэтому необходимо отводить тепло от наиболее нагруженных в тепловом режиме деталей двигателя и, разумеется, от поршней.

Повышение среднего эффективного давления только на 0.1 Мпа приводит к увеличению температуры поршня на 11140 С, температуры колец - на 360 С, а при увеличении частоты вращения коленчатого вала дизеля на 100 мин-1 температура поршня возрастает на 360 С. В этих условиях использование масляного охлаждения поршней является наиболее эффективным способом повышения работоспособности цилиндропоршневой группы дизелей. Исходя из данной проблемы, в своем курсовом проекте, я решил усовершенствовать конструкцию поршневой группы дизельного двигателя УТД20, применяемого на БМП2, путем применения на данном двигателе струйного охлаждения внутренней поверхности поршня.

Общее количество тепла, выделенное во время работы двигателя, зависит от количества сгоревшего в цилиндрах двигателя топлива за единицу времени. А этот показатель, в свою очередь зависит от объёма цилиндров и от скорости вращения двигателя. Двигатель превращает в полезную механическую работу только небольшую часть энергии сгоревшего топлива. Некоторая часть тепла выводится из двигателя с горячими отработавшими газами остальноё тепло необходимо рассеять в окружающем пространств.

Если два тела имеют разную температуру, но тепло от более нагретого тела перемещается к менее нагретому телу, пока температура обоих тел не сравняется.

В автомобиле самым холодным телом, способным абсорбировать большое количество тепла, является окружающий воздух, следовательно, необходимо найти способ отвода тепла от нагретых деталей двигателя к окружающему воздуху. Поскольку весь земной шар всё равно не согреешь, можно считать, что окружающая среда способна абсорбировать любое количество тепла.

Самая горячая часть поршня это его днище, поскольку оно непосредственно соприкасается с горячими рабочими газами. Далее тепло распространяется от днища поршня в направлении юбки.

Тепло от поршня отводится тремя способами:

Основная часть тепла передаётся поршневыми кольцами и юбкой поршня стенкам цилиндра и далее отводится системой охлаждения двигателя.

Часть тепла отводится внутренней полостью поршня и через поршневой палец и шатун, а также маслом, циркулирующим в системе смазки двигателя.

Часть тепла отводится от поршня холодной топливовоздушной смесью поступающей в цилиндры двигателя.

Для выполнения поставленной задачи мне необходимо было:

- провести анализ существующей конструкции поршневой группы дизеля УТД-20

- рассчитать и спроектировать специальные неподвижные масляные форсунки охлаждения

- оценить разработанную конструкцию поршневой группы.

1. Анализ существующей конструкции поршневой группы дизеля УТД-20

1.1 Назначение и условия работы поршневой группы дизеля УТД-20

Шатунно-поршневая группа вместе с коленчатым валом являются основным рабочим механизмом поршневого двигателя внутреннего сгорания. Назначение поршневой группы состоит в том, чтобы:

1) воспринимать давления газов и через шатун передавать эти давления на коленчатый вал двигателя;

2) уплотнять надпоршневую полость цилиндра как от прорыва газов в картер, так и от излишнего проникновения в нее смазочного масла.

1.2 Условия работы

Поршневая группа работает в сложных температурных условиях с циклическими резко изменяющимися нагрузками при ограниченной смазке и недостаточном теплоотводе вследствие трудностей охлаждения. В процессе работы двигателя на детали поршневой группы действуют следующие силы:

- силы давления газов

- сила инерции поступательного движения

- сила инерции вращающихся масс

- суммарные силы и моменты

- сила приводящая к появлению крутящего момента.

1.3 Предъявляемы требования

Так как поршневая группа является одним из самых важных рабочих механизмов поршневого двигателя внутреннего сгорания, к ней предъявляются следующие требования:

- высокая теплопроводность и износостойкость деталей

- конструкция поршня должна обеспечивать свободное перемещение его в цилиндре

- достаточную герметичность для предотвращения прорыва газа из камеры сгорания в картер и попадания масла со стороны картера в рабочую полость цилиндра

- антикоррозионная стойкость рабочих поверхностей

- высокая износостойкость

- высокая прочность и жесткость деталей поршневой группы

- технологичность и невысокая стоимость

- минимальная масса и габариты.

1.4 Устройство поршневой группы дизеля УТД20, применяемы материалы и технологии:

• поршень

• поршневой палец

• поршневые кольца

• заглушки

Поршень

Поршень штампованный, выполнен из алюминиевого сплава.

Поршневой палец

Поршневой палец плавающего типа, стальной, цементированный по наружной поверхности, внутри пустотелый.

Поршневые кольца

5 колец.

2 кольца уплотняющие, стальные, трапецеидального сечения по образующей, покрыты пористым хромом.

2 кольца комбинированные т.е наряду с уплотнением от прорыва газов служат для удаления лишнего масла с зеркала гильз цилиндров, изготовлены из специального чугуна, покрыты тонким слоем твердого хрома.

1 кольцо маслосбрасывающее, изготовлено из специального чугуна, подвержен лужению.

Заглушки

Изготовлены из бронзы.

1.5 Основные расчетные параметры

Поршень

Расчет поршня сводится к определению:

- размеров днища и стенок поршня по напряжениям изгиба

- направляющей части поршня

- толщины первой кольцевой перемычки

- профиля боковой поверхности поршня

- сил качания поршня

Поршневой палец

Расчет поршневого пальца основан на определении напряжений изгиба, среза и овализации пальца.

Поршневые кольца

Как правило рассчитываются только компрессионные кольца. Расчет производится на изгиб поршневого кольца (Ϭ).

1.6 Оценка конструкции поршневой группы двигателя УТД-20

Помимо тепла которое поршень воспринимает от газов, в него переходит часть тепла трения поршневой группы, а трение поршневой группы составляет от 45 до 65% суммарного трения дизельного двигателя, его работа сопровождается интенсивным подводом тепла к поршню и неблагоприятными условиями отвода тепла от поршня в стенки цилиндра, поскольку поршень отделен от стенок слоями смазки и нагара. При возрастании температуры поршня показатели механической прочности его материала снижаются, а к механическим нагрузкам, возникающим от давлен я газов и сил инерции, добавляются напряжения термические, обуславливаемые неравномерным нагреванием отдельных зон поршня.

Проведя анализ существующей конструкции поршневой группы дизеля УТД20 я пришел к выводу, что охлаждение поршней на данном двигателе осуществляется только посредством разбрызгивания масла. Поэтому, для повышения оттока тепла от поршней дизеля, я решил внедрить в конструкцию двигателя специальные масляные форсунки, которые обеспечат дополнительное охлаждение внутренней поверхности поршня опрыскиванием маслом. Если учесть правильное расположение данных форсунок , то 7580% от общего объема впрыскиваемого масла будет попадать во внутреннюю полость поршня и как результат - снижение температуры днища поршня - 30-350 С, снижение температуры зоны первого кольца 20250 С.

Заключение

Установка масляных форсунок в двигатель для дополнительного охлаждения поршней - это далеко не единственный способ увеличения ресурса работы двигателей. Существует еще большое количество различных модернизаций. Результатом данных модернизации приводит к значительному улучшению потребительских и эксплуатационных качеств дизелей, устранятся ряд слабых мест конструкции, которые приводят к частому выходу дизелей из строя.

Ведомость курсового проекта _ ОАБИИ 04. 14 КП 06 ПЗ.cdw

ОАБИИ.04. 14КП06.001.СБ
Шатунно-поршневая группа
с масляной форсункой
ОАБИИ.04 14.КП 06.001.001.СБ
ОАБИИ.04 14.КП 06.001.002.СБ

Чертеж.cdw

Шатунно-поршневая группа
Шатунно-поршневая группа
ОАБИИ.04. 14.КП06.001.
ОАБИИ.04. 14.КП06.001.001.СБ
ОАБИИ.04. 14.КП06.001.002.СБ