Становится целесообразным проведение предварительных экспериментальных прочностных исследований шатунов на плоских прозрачных моделях методом фотоупругости, по результатам которых своевременно корректируется техническая документация. Уменьшенные модели шатуна были изготовлены из оптически активного материала на основе эпоксидной смолы ЭД-5.
В качестве прибора для исследования моделей шатунов методом фотоупругости принят полярископ с диффузором.
Изучение метода фотоупругости показывает, что создание параллельных пучков света при просвечивании модели с помощью линзовой системы существенно усложняет поляризационно-оптическую установку без увеличения точности измерения, а строгая параллельность пучков света не обязательна.
Рис. 1 Эпюра распределения квазистатических напряжений в порядках
полос на наружном контуре модели поршневой головки шатуна
Для исследования методом фотоупругости модели шатунов помещались между поляризатором и анализатором, а их нагружение растяжением осуществлялось с помощью стяжных болтов, передающих нагрузку через пальцы.
Рис. 2 Эпюра распределения квазистатических напряжений в порядках полос на наружном контуре модели кривошипной головки шатуна
Путем моделирования нагруженного состояния шатуна получены качественные картины изохром и эпюры количественного, выраженного в порядках полос, распределения квазистатических напряжений на наружных контурах поршневой и кривошипной головок (Рис. 1, 2). Из рис. 1 видно, что при действии на модель растягивающей нагрузки Рj полосы в месте перехода от головки к стержню шатуна располагаются чаще (порядок полос 3,5), чем в самой головке. Это означает, что в сопряжении указанных элементов шатуна напряжения выше, чем в вершине головки.
Из картины изохром, показанной на рис. 2, можно сделать вывод о том, что наибольшая частота расположения полос в кривошипной головке под действием растягивающей нагрузки оказывается в нижней части крышки кривошипной головки в области нижнего шатунного болта, а сгущение полос в местах скруглений под болты указывает на локальное повышение напряжений в этих зонах. Однако число полос здесь невелико, следовательно, пик напряжений будет незначительным, а сгущение полос говорит о концентрации напряжений.
Согласно формуле [8] экспериментальный коэффициент концентрации напряжений для модели кривошипной головки дизеля ЧН21/21 определяется зависимостью:
(4.3)
где mn – порядок полос в нижней галтельной зоне модели; Pj – нагрузка; D, d и tm – наружный, внутренний диаметры и толщина модели. Как пример, при =1,37 МПа, mn=3,5, Pj=278,32Н, D-d=0,02 м и tm=0,007м и ασ=2,41.
Таким образом, расчеты напряженного состояния кривошипной головки МКЭ на примере дизеля ЧН21/21 выявили относительно высокую концентрацию напряжений в нижней галтельной зоне (ασ=2,3). Результаты физического моделирования напряженного состояния кривошипной головки шатуна методом физического моделирования подтвердили вывод МКЭ об относительно высоком уровне концентрации напряжений в нижней галтельной зоне (ασ=2,41).
Рассмотренный уровень концентрации напряжений предопределил необходимость изучения локальных напряжений на физических моделях методом фотоупругости для различных радиусных сопряжений в угловых переходах с целью поиска путей нейтрализации концентрации напряжений и повышения эксплуатационной надежности конструкции.
Как пример, на рис. 3 и 4 представлены картины изохром для радиусных сопряжений r=0,001 м и r=0,008 м с поднутрением (деконцентратором напряжений).
Экспериментальные значения параметров зависимости (Таблица 1) при Р=196Н и данные определения ασ методом фотоупругости для различных радиусных сопряжений приведены в таблице 1.
Таблица 1
| Конструктивный признак | Mn | D-d, м | Tm, м | ασ |
| радиус сопряжения r=0,001 м | 5 | 0,02 | 0,004 | 2,85 |
| радиус сопряжения r=0,008 м без поднутрения | 4,5 | 0,02 | 0,004 | 2,58 |
| радиус сопряжения r=0,008 м с поднутрением | 4,5 | 0,019 | 0,0038 | 2,3 |
| радиус сопряжения r=0,02 м | 3,5 | 0,02 | 0,005 | 2,50 |
Расчеты напряженного состояния кривошипной головки шатуна аналитическим методом выявили относительно высокую концентрацию напряжений в радиусном сопряжении углового перехода с r=0,001 м (ασ=2,846). Экспериментальная оценка ασ методом фотоупругости подтвердила относительно высокий уровень локальных напряжений (ασ=2,85). Для нейтрализации концентрации напряжений и повышения эксплуатационной надежности кривошипной головки шатуна целесообразно увеличение радиуса сопряжения до r>0,008 м и введение деконцентратора в виде поднутрения на глубину не менее 0,001м. При этом ασ=2,3, т.е. величина концентрации напряжений снижается ~ на 20%.
Рис. 3 Картина изохром в модели кривошипной головки шатуна при r=0,001 м
Рис. 4 Картина изохром в модели кривошипной головки шатуна при r=0,008 м с поднутрением.
Для проверки достоверности определения напряженно-деформированного состояния контактирующих тел проведен эксперимент на упругих моделях. На рис 5 приводится схема размещения моделей в специально нагружающем приспособлении. Верхняя из пластин имеет выступающую часть в форме прямоугольника, а нижняя моделирует контактирующую упругую полуплоскость. Материал моделей – эпоксидная смола ЭД – 6М с механическими константами Е=2750 МПа, μ=10,35, σпц=100 МПа.
Рис.5. Нагружающее приспособление фотоупругих моделей
Основанием прибора служит прямоугольная рама 1, к которой присоединяются все остальные детали. В нижней полурамке 2, имеющей возможность свободно перемещаться в горизонтальном направлении, при помощи винтов и прижимной планки зацепляется нижняя пластина. Аналогичное крепление имеет и верхняя пластина. Верхняя полурама 3 шарнирно соединяется с вертикальным ползуном 4. Нормальное сжимающее усилие создается винтовым прессом 5, которое передается через шарик на пакет тарельчатых пружин 6, связанных с ползуном. Величина силы измеряется по деформации пакета пружин индикатором перемещений часового теста. Описанное нагружающее устройство обладает линейной характеристикой. С помощью двуплечного рычага 7 с навешанным на него грузом контакт моделей может дополнительно нагружаться перерезывающей нагрузкой.
Изучение картин распределения напряжений производилось на поляризационной установке ППУ – 7.
Среди поляризационно – оптических методов исследования распространен метод полос. Он наиболее нагляден в последующей обработке результатов, позволяя по теории максимальных касательных напряжений оценивать прочность конструкции. Основной закон фотоупругости для метода полос имеет вид:
Для того, чтобы определить разность главных напряжений, необходимо знать порядковый номер полосы, толщину и коэффициент относительной чувствительности:
Таким образом, в качестве критерия оценки при сопоставлении результатов расчета и эксперимента была избрана величина разности главных напряжений, т.к. результаты в этом случае могут быть непосредственно нанесены на сфотографированную поляризационно – оптическую карту. Чтобы определить экспериментальную величину разности главных напряжений, необходимо знать только порядковый номер полосы. Рассматривалось два случая приложения нагрузок:
— приспособление нагружалось только нормальной сжимающей силы
Р = 290 кгс;
— помимо сжимающей нагрузки Р = 240 кгс на нижнюю полураму через двуплечный рычаг действует касательная к плоскости стыка сила F = 30 кгс. Второй случай представляет особый интерес, потому что возникающие в разъеме модели силы трения создают момент относительно шарнирного соединения полурамки и ползуна, в результате чего стык частично раскрывается.
Таблица 2.
| Характеристики микрогеометрии | b | ν | hmax, мкм | R, мкм |
| Поверхность прямоугольника | 2,15 | 1,67 | 17,8 | 16,25 |
| Поверхность плоскости | 3 | 1,93 | 3,35 | 70 |
Контактирующая поверхность верхней модели обрабатывалась фрезерованием, а нижняя плоскость контакта была притерта. Для определения параметров микрогеометрии с контактирующих поверхностей после проведения экспериментов снимались профилограммы, результаты обработки которых приведены в таблице 2.
Очевидно, что определяющую роль в деформации микронеровностей имеет фрезерованная поверхность верхней модели, т.к. она на порядок превышает величину максимальной высоты микронеровностей hmax сопрягаемой поверхности. Это создает возможность воспользоваться моделью контакта шероховатой поверхности с плоской, для которой параметры микрогеометрии соответствуют величинам b, ν, hmax и R поверхности верхней модели. Средний коэффициент трения в соединении, согласно экспериментальным данным, принимался равным 0,6.
Рис. 6 иллюстрирует, конечно – элементную аппроксимацию фотоупругой задачи. Предполагалось, что модели жестко связаны с охватывающими их полурамками. Значительное их отличие в жесткостях было учтено увеличением толщины КЭ полурамок, которое пропорционально моделям упругости стали и эпоксидной смолы (Ест/ЕЭП = 76,3). Граничные условия зацепления КЭ модели соответствуют кинематической схеме нагружающего приспособления. Нормальная сжимающая нагрузка прикладывается к верхней полурамке в точке, где запрещено горизонтальное перемещение. Касательное стыку усилие действует в узловой точке А нижней полурамки. С целью сокращения времени счета, а также учитывая интерес к изучению напряженного состояния области в районе контакта, была нанесена неравномерная сетка треугольных КЭ, сгущающихся к стыку и особенно к крайним его точкам.
Рис. 6 Конечно – элементная аппроксимация поляризационно – оптической задачи
КЭ расчеты в соответствии с действующими в экспериментах нагрузками выполнены для двух различных случаев нагружения. По их результатам на поляризационно – оптические картины полос цифрами в центрах тяжести нанесены соответствующие КЭ – М величины разности главных нормальных напряжений (рис.7 – 8). Сравнивая расчетное и экспериментальное распределения по полю моделей, можно утверждать, что их качественное соответствие в областях, прилегающих к стыку, вполне удовлетворительное. Большинство точек, которых разность главных напряжений кратна 4МПа, лежит на соответствующих темных полосках или находится в непосредственной близости от них. Несоответствие расчетных и экспериментальных величин значительно только в местах, удаленных от стыка. Это объясняется грубой разбивкой конструкции на КЭ. Увеличив степень дискредитации, следует ожидать большего соответствия картин в этих зонах.
Рис. 7 Сопоставление результатов расчета по МКЭ задачи о вдавливании упругого прямоугольника с экспериментальной картиной полос. Крайние цифры – порядковый номер полосы, мелкие – расчетные значения разности главных напряжений
Рис. 8. Сравнение результатов расчета и эксперимента для случая нагружения моделей нормальной и тангенциальной силами
При действии на модели нормального и тангенциального усилий происходит раскрытие разъема. Полоса нулевого порядка нижней полуплоскости ограничивает зону, где контакт отсутствует. Как видно из рис. 8, стык раскрывается на половине длины. Расчет полностью подтверждает этот факт. Ровно на половине длины контакта удельные нагрузки в ККЭ оказались равными нулю.
Изложенное позволяет сделать следующие выводы.
Путем моделирования напряженного состояния шатуна методом фотоупругости получены качественные картины изохром и эпюры количественного распределения напряжений в порядках полос при нагружении растягивающей нагрузкой Pj.
Результаты физического моделирования подтвердили вывод численного метода о наличии местного увеличения напряжений в нижнем галтельном радиусе кривошипной головки. Для нейтрализации концентрации напряжений и повышения эксплуатационной надежности кривошипных головок шатунов целесообразно внедрение конструктивного метода — деконцентратора в зоне сопряжения шатунного болта с телом кривошипной головки, как это сделано фирмой SKL (г.Магдебург, Германия) на шатунах рядных дизелей 6ЧН 21/21. При этом эксплуатационная надежность шатуна повышается ~ 20%.
Работа выполнена при финансовой поддержке Минобрнауки России — УИН ФЦП RFMEFI57414X0015, и Госзадания Минобрнауки России № 9.896.2014/K[schema type=»book» name=»РЕЗУЛЬТАТЫ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКОГО И ЧИСЛЕННОГО РЕШЕНИЯ О ВДАВЛИВАНИИ УПРУГОГО ПРЯМОУГОЛЬНИКА В УПРУГУЮ ПОЛУПЛОСКОСТЬ» description=»Высокие знакопеременные динамические нагрузки на КШМ ставят перед дизелестроением сложную проблему повышения эксплуатационной надежности шатунов, которую невозможно решить без проведения обширного комплекса научно-исследовательских работ. Как показывает опыт ОАО «Волжский дизель им. Маминых», исследования напряженного состояния шатунов в условиях заводских стендовых испытаний дорогостоящи, требуют затрат дополнительного времени и сдерживают сроки серийного освоения производства дизелей. Решить задачу можно аналитически, используя численные методы сопротивления материалов, теории упругости, конечных элементов. Но зачастую дешевле и быстрее определить напряжения, возникающие в шатуне, экспериментальными методами – на физических моделях. Методика численного решения трибоконтактных задач подтверждается сравнением с тестовыми примерами, имеющими не только аналитическое, но и точное экспериментальное решение.» author=»Марьина Надежда Леонидовна, Овчинникова Екатерина Владимировна» publisher=»БАСАРАНОВИЧ ЕКАТЕРИНА» pubdate=»2017-01-25″ edition=»ЕВРАЗИЙСКИЙ СОЮЗ УЧЕНЫХ_31.10.15_10(19)» ebook=»yes» ]