Реферат: Вестн. Самар. Гос. Техн. Ун-та. Сер. Технические науки. 2010. №7 (28) Машиностроение
ВЕСТН. САМАР. ГОС. ТЕХН. УН-ТА. СЕР. ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ. 2010. № 7 (28)
Машиностроение
УДК 629.113
РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ МОНТАЖА И ДЕМОНТАЖА СУХАРЕЙ КЛАПАНОВ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
В МАГНИТОСТАТИЧЕСКОМ ПОЛЕ РАБОЧЕГО ОРГАНА РАССУХАРИВАТЕЛЯ
Д.А. Горбунков1, А.Г. Ковшов2, Н.В. Носов2
1 ООО «Научно-производственная фирма «МЕТА»
443350, г. Жигулевск, Самарская обл., ул. Марквашинская, 55а
2 Самарский государственный технический университет
443110, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 244
Предложен эффективный способ монтажа и демонтажа сухарей клапанов двигателя внутреннего сгорания и устройство для его реализации, основанные на принципе улавливания и ориентирования расклиненных сухарей магнитным полем упорного кольца рассухаривателя и транспортировки их вместе с кольцом в клапанных каналах головки цилиндров. Обоснованы параметры рабочего органа рассухаривателя. Исследована трудоемкость монтажа и демонтажа сухарей клапанов предложенным способом.
Ключевые слова: способ, устройство, монтаж, демонтаж, клапан, сухари, двигатель, головка цилиндров, рассухариватель, упорное кольцо, магнитостатическое поле.
Значительная доля трудоемкости ремонта двигателя внутреннего сгорания (ДВС) автомобиля приходится на разборку и сборку узлов и агрегатов. Так, например, трудоемкость разборки головки цилиндров вместе с распределительными валами и передаточными деталями газораспределительного механизма составляет до 28,3% от трудоемкости разборки двигателя, а трудоемкость сборки головки составляет 23,3% от общей трудоемкости сборки двигателя [1, 2], из которых порядка 30% времени приходится на демонтаж и монтаж клапанов. В связи с этим разработка новых эффективных технологий и устройств для монтажа и демонтажа клапанов с целью снижения трудоемкости и повышения эффективности ремонта ДВС является актуальной задачей ремонтного производства.
Известна серия профессиональных переносных и стационарных устройств для демонтажа клапанов при ремонте головки цилиндров ДВС путем сжатия пружин клапанов и расклинивания сухарей с последующим их удалением из клапанных каналов. Серийные устройства содержат, как правило, опору, нажимное средство в виде струбцины, винта [3, 4] или нажимного рычага [5, 6, 7], упорный элемент в виде рамки с упорным кольцом, имеющим осевое отверстие, для воздействия на тарелку пружин клапана.
Наиболее существенными недостатками известных способов и серийных устройств являются низкая производительность из-за высокой трудоемкости монтажа и демонтажа резьбовых соединений при перестановках нажимного средства и упорного элемента соосно очередному демонтируемому клапану [3, 4, 5], сжатия и разжатия пружин клапана с использованием непроизводительного винтового нажимного средства [3, 4], необходимости перестановки опоры для ремонта второго ряда клапанов, например шестнадцатиклапанного ДВС [6, 7]. Общим недостатком всех перечисленных устройств и способов является низкая эффективность ремонта головки цилиндров из-за высокой трудоемкости операций ручной установки при сборке и удаления при разборке механизма клапанов расклиненных сухарей и их транспортировки в узких и глубоких клапанных каналах. Последнее обстоятельство требует применения дополнительных подручных средств: отверток, пинцетов и др.
Поставленная техническая задача по снижению трудоемкости и повышению эффективности ремонта головок цилиндров ДВС в настоящей работе достигается усовершенствованием известного [6, 7] устройства для монтажа и демонтажа клапанов путем введения дополнительных конструктивных элементов: магнитов, установленных в упорном кольце с измененными геометрическими параметрами осевого отверстия, обеспечивающими возможность размещения в нем сухарей соответствующих размеров и формы, механизма толкателя и дополнительных отверстий на нажимном рычаге для расширения диапазона углов установки упорного элемента соосно демонтируемому клапану.
При введении указанных дополнительных конструктивных элементов в устройство технологический процесс монтажа и демонтажа клапанов ДВС приобретает новую структуру и последовательность операций и переходов.
При демонтаже клапана это автоматическое ориентирование и улавливание расклиненных сухарей магнитным полем в отверстии упорного кольца, совмещенные с процессом сжатия пружин клапана; транспортировка упорного кольца вместе с расклиненными сухарями из клапанного канала; выталкивание сухарей из отверстия упорного кольца с помощью толкателя при преодолении силы притяжения магнитов.
При монтаже клапана это установка сухарей на магниты в отверстии упорного кольца; транспортировка сухарей вместе с упорным кольцом в клапанный канал, совмещенная с процессом сжатия пружин клапана; выталкивание сухарей из отверстия упорного кольца в клин между стержнем и тарелкой пружин клапана с помощью толкателя с преодолением силы притяжения магнитов; автоматическое заклинивание сухарей, совмещенное с ослаблением нажима на толкатель и пружины клапана; транспортировка упорного кольца из клапанного канала.
Дальнейшая разработка теоретических основ применения новой технологии монтажа и демонтажа сухарей клапанов в магнитостатическом поле и обоснования параметров рабочего органа устройства для ее реализации включала решение следующих основных задач:
– разработка основ теории улавливания и ориентирования сухарей в магнитостатическом поле рабочего органа устройства как тел вращения с выраженной анизотропией цилиндрической формы;
– разработка теории базирования сухарей и реализации технологических баз в рабочем пространстве ориентирующего элемента (упорного кольца);
– обоснование размеров и формы рабочего пространства ориентирующего элемента на основе выбора метода достижения точности сборки и проведения размерного анализа;
– исследование кинематических параметров работы устройства при монтаже и демонтаже клапана;
– силовой анализ, анализ напряженного состояния упорного кольца, расчеты на прочность основных элементов устройства;
– опытно-конструкторская разработка и изготовление опытного образца устройства;
– экспериментальное исследование эффективности новой технологии монтажа-демонтажа сухарей клапанов ДВС в магнитостатическом поле и устройства для ее реализации.
В процессе исследования по описанному алгоритму расчетно-аналитическим путем оценена возможность ориентирования сухарей в магнитостатическом поле рабочего органа устройства. Наведенное в рабочем пространстве упорного кольца 1 (рис. 1) магнитостатическое поле позволяет довольно просто обеспечить ориентацию и фиксирование при сборке-разборке симметричных цилиндрических деталей из ферромагнитных материалов. Сухари же представляют собой асимметричный, рассеченный на две половины вдоль образующей, усеченный конус 2 с внутренним отверстием и установочными буртиками для фиксации в канавках стержня клапана 3 при заклинивании, что затрудняет их пространственную ориентацию по определенному основанию конуса. Ориентирующий момент , действующий на сухари в магнитостатическом поле, создается в результате взаимодействия индуцированного в деталях магнитного момента и внешнего магнитного поля с индукцией
. (1)
Аналитический расчет ориентирующего момента (1) деталей с анизотропией геометрической формы – весьма сложная задача, поэтому для теоретического обоснования возможности ориентирования сухарей воспользуемся приближенным [8] решением задачи ориентирования эллипсоида 4
(2)
Для эллипсоида в однородном магнитном поле , где V – объем тела, – намагниченность тела. В свою очередь, , где – магнитная восприимчивость материала тела; – внутренняя намагниченность тела; Naи Nв – составляющие размагничивающего фактора N по осям а и в эллипсоида, связанные с компонентами намагничивания тела зависимостями
μ0– магнитная проницаемость окружающей среды.
Из анализа выражения (2) следует: для шара Na= Nв и MZ = 0 – не требуется ориентация; вытянутый эллипсоид 4, у которого Na< Nв и MZ < 0, ориентируется вдоль оси поля; сплюснутый эллипсоид 5, у которого Na> Nв и MZ > 0, ориентируется перпендикулярно полю. При всех прочих равных условиях MZ = Мmax при α=45º и MZ = Мmin=0 при α=0º, 90º. То есть в магнитостатическом поле могут быть сориентированы тела произвольной формы: симметричные и асимметричные.
Симметричная деталь ^ 4 (вытянутый эллипсоид, см. рис. 1) при ориентировании займет устойчивое среднее положение относительно вертикальной оси магнита 6, так как , где и – векторы пондеромоторных сил воздействия магнитного поля на верхний и нижний концы детали 4. Цифра 4 указывает на принадлежность векторов сил детали 4. Среднее положение асимметричной детали (сухаря) 2 не совпадает с серединой магнита в результате ее асимметрии. Сухарь сместится вниз на величину λ под действием силы , где > – векторы пондеромоторных сил воздействия на верхний и нижний концы сухаря 2. Сориентировать сухари в данном случае возможно двумя методами: 1) приложением импульса силой - , при этом деталь, испытывая импульсное силовое воздействие, переместится по инерции на величину λ, что практически осуществить громоздко и затруднительно; 2) введением в ориентирующий орган дополнительных конструктивных ориентирующих элементов. Последний метод получил простое практическое воплощение путем введения в конструкцию упорного кольца упорного буртика, для базирования сухарей по торцу наибольшего диаметра конуса, и смещения оси магнитов вверх, к внутренней поверхности его торца (см. рис. 1).
В соответствии с общепринятой классификацией [8] заготовок и деталей, имеющих форму тел вращения, асимметричные сухари клапанов ДВС относятся к III классу сложности автоматической ориентации в пространстве. Детали III класса требуют две ступени ориентации: первичную ориентацию – совмещение оси вращения (симметрии) с осью Z и вторичную – поворот детали в плоскости XOY или XOZ (см. рис. 1) для ориентации по концу с малым основанием конуса. Осуществлять автоматически вторичную ориентацию сухарей в упорном кольце нет необходимости по конструктивным соображениям, так как они хорошо направляются центральным отверстием по стержню клапана 3, а наружным конусом – по внутренней поверхности конического осевого отверстия упорного кольца 1. Минимальные зазоры в ориентирующем пространстве, обоснованные в процессе геометрического проектирования формы, размерного анализа и исследования кинематики работы узла, обеспечивают размещение, базирование и работу в нем сухарей ДВС соответствующих размеров и формы без перекосов и заеданий.
Экспериментальную оценку эффективности новой технологии и устройства проводили в процессе монтажа-демонтажа клапанов шестнадцатиклапанного двигателя ВАЗ-2112. Одновременно для сравнения испытывали традиционно применяемый [6, 7] профессиональный рассухариватель без магнитов в упорном кольце.
О
Рис. 1. Схема улавливания и ориентирования сухарей в упорном кольце:
1 – упорное кольцо; 2 – сухарь; 3 – клапан; 4 – эллипсоид вытянутый; 5 – эллипсоид сжатый; 6 – магнит;
h – высота сухарей
ценивали методом хронометражных наблюдений [9] затраты времени на выполнение повторяющихся переходов и приемов по рассухариванию при демонтаже и засухариванию при монтаже клапанов ДВС новым и традиционным способами. В зависимости от целей наблюдений хронометраж осуществляли методом отдельных отсчетов и по текущему времени. Время определяли с помощью секундомера.
Таблица 1
Фрагмент карты наблюдений времени демонтажа сухарей клапана новым способом.
^ Переход – рассухаривание клапана
№
приема
Содержание
приема
Фиксажная точка
Время Т/Н, с
Номер наблюдения
1
2
3
…
30
1
Установить упорное кольцо на тарелку клапана
Начало действия
Т
0
0
0
…
0
Н
2,75
2,76
3,16
…
2,69
2
Нажать на рычаг рассухаривателя, сжать пружины клапана
Начало действия
Т
2,75
2,76
3,16
…
2,69
Н
1,79
1,15
3,88
…
1,05
3
Извлечь упорное кольцо с сухарями из клапанного канала
Начало действия
Т
4,54
3,91
7,04
…
3,74
Н
3,22
1,58
2,23
…
1,95
4
Нажать на толкатель, вытолкнуть сухари
Начало действия
Т
7,76
5,49
9,27
…
5,69
Н
5,39
2,09
2,95
…
1,73
Время на переход
13,15
7,58
12,22
…
7,42
^ Таблица 2
Фрагменты карт наблюдений времени демонтажа и монтажа сухарей клапана
№
приема
Переход – рассухаривание клапана традиционным способом
Переход – засухаривание клапана новым способом
Переход – засухаривание клапана традиционным способом
1
Установить упорное кольцо на тарелку клапана
Установить сухари 1 и 2 в упорное кольцо
Установить упорное кольцо на тарелку клапана
2
Нажать на рычаг рассухаривателя, сжать пружины клапана
Установить упорное кольцо на тарелку клапана
Нажать на рычаг рассухаривателя, сжать пружины клапана
3
Расклинить сухари 1 и 2
Нажать на рычаг рассухаривателя, сжать пружины клапана
Взять сухарь 1 и уложить его буртики в канавки клапана
4
Извлечь упорное кольцо из клапанного канала
Ослабить давление на рычаг и нажать на толкатель (заклинить сухари)
Взять сухарь 2 и уложить его буртики в канавки клапана
5
Извлечь сухарь 1
Извлечь упорное кольцо из клапанного канала
Извлечь упорное кольцо из клапанного канала (заклинить сухари)
6
Извлечь сухарь 2
–
–
Время на переход
Время на переход
Время на переход
Перед проведением хронометражных наблюдений подробно расписывали исследуемые переходы по рассухариванию и засухариванию клапанов по приемам и намечали фиксажные точки. При наблюдении в режиме текущего «Т» времени намечали только начальные фиксажные точки выполнения приемов, а секундомер не выключали в течение всего периода выполнения перехода. Содержание приемов наблюдаемого перехода, фиксажные точки и время выполнения приемов заносили в карты наблюдений, фрагменты которых приведены в табл. 1, 2.
Обработку результатов наблюдений проводили в следующей последовательности: определяли время отдельных наблюдений «H» по разности текущего времени «Т»; составляли хроноряды «Н», представляющие собой совокупность времен наблюдений по каждому приему и по всему переходу (например, для первого приема (см. табл. 1) -2,75; 2,76; 3,16; …2,69); исключали из каждого хроноряда заведомо дефектные наблюдения и составляли упорядоченные в порядке возрастания хроноряды; определяли параметры эмпирического распределения в упорядоченных хронорядах методами математической статистики [10] с использованием программного продукта Microsoft Office Excel: размах R, среднее арифметическое значение выборки объемом N≥ 25 шт., эмпирическое среднее квадратическое отклонение S, дисперсию D; строили гистограммы и кривые распределения (рис. 2).
Рис. 2. Гистограмма и полигон распределения времени демонтажа сухарей
клапана новым способом
Параметры эмпирического распределения времени: демонтажа сухарей клапана традиционным способом N=28 шт.; R = 9,87 с; = 16,97 с; S = 1,93 с; D = 3,73 с; монтажа сухарей клапана новым способом N=25 шт.; R = 4,07 с; = 13,25 с; S = 1,129 с; D = 1,24 с; монтажа сухарей клапана традиционным способом N=30 шт.; R = 65,45 с; = 57,6 с; S = 15,06 с; D = 226,8 с.
Улучшенное среднее значение , определяющее эмпирический центр группирования, принято за норму времени на выполнение исследованного перехода.
Из анализа результатов статистической обработки экспериментальных данных следует, что монтаж-демонтаж сухарей клапана новым способом занимает 21,86 с, а традиционным способом – 74,57 с, т.е. производительность монтажа-демонтажа сухарей по новой технологии повышается в 3,4 раза по сравнению с традиционной. Это достигается за счет исключения из технологического процесса приемов по установке и удалению сухарей вручную.
Экономия от применения новой технологии в ремонтном производстве с годовой программой 300 шт. двигателей, с учетом дополнительных затрат на материалы и доработку магнитного упорного кольца нового устройства, может составить на одно отремонтированное изделие до 108 руб.
Таким образом, поставленная задача снижения трудоемкости и повышения эффективности ремонта головки цилиндров ДВС решена за счет применения новой технологии монтажа и демонтажа сухарей клапанов в магнитостатическом поле. Магнитостатическое поле создается в упорном кольце рассухаривателя и реализует функции автоматического улавливания, ориентирования и транспортировки расклиненных сухарей в клапанных каналах, заменяя утомительный ручной труд по их установке и удалению, снижая трудоемкость и повышая производительность процесса монтажа-демонтажа сухарей клапанов ДВС более чем в 3 раза.
^ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Пучин Е.А., Новиков B.C., Очковский Н.А. и др. Технология ремонта машин. – М.: КолосС, 2007. – 488 с.
Карагодин В.И., Митрохин Н.Н. Ремонт автомобилей и двигателей. – М.: Мастерство; Высш. школа, 2007. – 496 с.
А.с. 1359105 СССР 4.В25 В 27/26. Способ демонтажа пружин и уплотнителей клапанов двигателя внутреннего сгорания / Л.И. Алимбеков, Ю.Н. Прохорчев (СССР). – №3812317/25-06; заявл. 15.11.84; опубл. 15.12.87. Бюл. №46.
Патент 2228833 РФ, МПК7 В 25В27/26. Переносное приспособление для монтажа и демонтажа клапанов двигателя внутреннего сгорания / В.Ю. Смирнов (РФ). – №2001131597/112001131597/ 11; заявл. 20.11.2001; опубл. 20.05.2004.
А.с. 1524995 СССР 4 В25 В27/00. Приспособление для монтажа и демонтажа клапанов двигателя внутреннего сгорания / М.Я. Качко, Г.П. Короленко, Е.С. Стабров и др. (СССР). – №440864/25-28; заявл. 11.04.88; опубл.30.11.89. Бюл. №44.
Автомобили ВАЗ-2108, 2109 и их модификации. Технология технического обслуживания и ремонта / Б.В. Прохоров, А.И. Чванов и др. – Тольятти: АвтоВАЗ, 1989. – Т.З. – 578 с.
Косарев С.Н., Козлов П.Л. Автомобили ВАЗ-2110, 2111, 2112. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту. – М.: За рулем, 2006. – 200 с.
Веретенников Е.А. Автоматические загрузочно-ориентирующие устройства и механизмы дискретного питания станков. – Куйбышев: КПтИ, 1976. – 207 с.
Лебедев В.А., Тамаркин М.А., Гепта Д.П. Технология машиностроения: проектирование технологии изготовления изделий. – Ростов-нД: Феникс, 2008. – 361 с.
Якушев А.И., Воронцов Л.Н., Федотов Н.М. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. – М.: Машиностроение, 1986. – 352 с.
Статья поступила в редакцию 20 июня 2010 г.
UDC 629.113
^ DEVELOPMENT OF THE WAY OF INSTALLATION AND DISMANTLE
OF VALVES KEEPERS OF THE INTERNAL COMBUSTION ENGINE IN MAGNETOSTATIC FIELD OF THE DEVICE FOR ITS REALIZATION
D.A. Gorbunkov1, A.G. Kovshov2, N.V. Nosov2
1Ltd. «META»
55,a Markvashinskaya st., Zhigulevsk Samara region, 443350
2 Samara State Technical University
244, Molodogvardeyskaya st., Samara, 443100
The effective way of installation and dismantle of valves keepers of the internal combustion engine and the device for its realization, based on a principle of catching and orientation of wedging keepers by a magnetic field of a persistent ring of the device for installation-dismantle of valves and their transportations a ring in valves channels of the head of cylinders are offered. Parameters of working body of the device are proved. Labour input of installation and dismantle of valves keepers by the offered way is investigated.
Keywords: method, device, installation, dismantle, valve, crackers, engine, the head of cylinders, The device for installation-dismantle of valves, a persistent ring, magnitostatic field.
УДК 621.01
^ ОБОСНОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИ ОПТИМАЛЬНОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ОСНОВНОГО МЕХАНИЗМА ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ
Б.Б. Косенок
Самарский государственный аэрокосмический университет
443086, г. Самара, Московское шоссе, 34
E-mail: borkos@yandex.ru
Приведены необходимые требования к перспективным механизмам двигателя внутреннего сгорания, сделан динамический анализ кривошипно-ползунного механизма, проведено исследование возможных изменений динамики при смещении максимальных индикаторных нагрузок на поршень. Данное исследование теоретически обосновывает необходимость исследования существующих механизмов как на предмет оптимизации динамических параметров, так и на обязательность такого анализа при создании новых механизмов.
Ключевые слова: вектор, контур, модель, модули, кривошипно-ползунный механизм, двигатель внутреннего сгорания, индикаторная диаграмма.
Целью данного исследования является анализ динамики существующих схем двигателей и нахождение оптимальных режимов работы «идеального» ДВС с точки зрения динамического совершенства.
На основе анализа динамического совершенства современных двигателей внутреннего сгорания были сформулированы некоторые требования к механизмам перспективных силовых агрегатов транспортного средства:
достижение более благоприятных условий для организации термодинамического процесса;
повышение экономических и экологических характеристик;
достижение возможности регулирования крутящего момента в широком диапазоне частот вращения выходного вала;
минимизация веса и габаритов.
При поиске перспективных схем механизмов необходимо учитывать требования массового производства, новые материалы, а также традиционное негативное отношение к многозвенности основных механизмов двигателей.
Проведем анализ динамики кривошипно-ползунного механизма классического ДВС с использованием векторного моделирования [1] в программе «Кинематический и динамический анализ механизмов» (КДАМ) [2], разработанной автором.
На рис. 1 приведена схема кривошипно-ползунного механизма (рис. 1, а) и его векторная модель, построенная в КДАМ (рис. 1, б). Такая модель описывает кинематические параметры выбранной схемы механизма и позволяет получить решение задачи о положениях, скоростях и ускорениях. Дополнив данную векторную модель массовыми характеристиками (массой и моментом инерции каждого звена (вектора), координатами центров масс), а также значениями и координатами приложения активных нагрузок, получим обобщенную динамическую модель [1].
C использованием дополнительного расчетного блока в КДАМ была рассчитана индикаторная диаграмма нагрузки, действующей на поршень (рис. 2).
а б
Рис. 1. Структурная схема (а) и векторная модель (б) кривошипно-ползунного
основного механизма ДВС
Рис. 2. Индикаторная диаграмма
Был рассмотрен диапазон изменения уравновешивающего момента, приложенного к кривошипу, с ростом числа оборотов двигателя (для чисел оборотов от 60 об/мин до 10000 об/мин). Совмещенный график полученных уравновешивающих момента приведен на рис. 3. Особенно видно, что с возрастанием числа оборотов с 60 до 2000 об/мин влияние массовых характеристик практически незаметно, но начиная с этого момента и до 10000 об/мин их влияние приводит к уменьшению момента полезного сопротивления и возрастанию инерционного «биения». Важно понимать, что в классическом ДВС максимальное усилие на поршне совпадает с верхней мертвой точкой, т.е. максимальная нагрузка работает на минимальном плече, а точнее, на нулевом плече, что дает в этот момент времени нулевую полезную нагрузку.
Рис. 3. Совмещенный график уравновешивающего
момента за рабочий цикл
Попробуем условно сместить индикаторную диаграмму до совмещения максимального усилия на поршне с положением, в котором разность углов кривошипа и шатуна равна 90, что соответствует максимальному плечу для приложенной нагрузки. Рассмотрим получаемые уравновешивающие нагрузки (рис. 4).
Рис. 4. Уравновешивающий момент за рабочий цикл
со смещенной индикаторной диаграммой
Если сместить индикаторную диаграмму до совмещения максимального усилия на поршне до положения кривошипа на 30 градусов опережающего положение с максимальным плечом шатуна, то получим следующий график уравновешивающий момент за рабочий цикл (рис. 5).
Рис. 5. Уравновешивающий момент за рабочий цикл со смещенной индикаторной
диаграммой до совмещения максимального усилия на поршне
до положения кривошипа на 30 градусов опережающего положение
с максимальным плечом шатуна
На рис. 6 показан план положения с таким плечом, а точкой на индикаторной диаграмме и на графике уравновешивающего момента – соответствующие ему значения.
Рис. 6. План положения механизма и соответствующие ему
значения индикаторной диаграммы и уравновешивающего момента
Рассмотрим аналогично проведенным ранее исследованиям изменение уравновешивающего момента с ростом числа оборотов для данной схемы приложения активной нагрузки», для этого проведем расчет для числа оборотов от 60 об/мин до 10 000 об/мин. Совмещенный график полученных уравновешивающих момента приведен на рис. 7.
Рис. 7. Совмещенные графики уравновешивающего момента за рабочий цикл
Совмещенные графики уравновешивающей нагрузки классической схемы приложения индикаторной диаграммы и смещенной для числа оборотов, равных 2000 и 4000 об/мин, приведены на рис. 8.
Рис. 8. Совмещенные графики уравновешивающего момента за рабочий цикл
В результате подобного сравнения, классический ДВС с типовой схемой приложения индикаторной диаграммы нагрузки на поршень, получены следующие величины: максимальная уравновешивающая нагрузка равна МурМАХ=3625 Нм, а момент полезного сопротивления, равным Мпс=969 Нм, а в то время как гипотетический ДВС с той же индикаторной диаграммой, но смещенной на 80 по движению, дает уже МурМАХ=9570 Нм и Мпс=1077 Нм; если же нашу точку максимального горения сместить на 30 назад по движению кривошипа, то получим МурМАХ=9506 Нм и Мпс=1411 Нм, что превышает Мпс классического ДВС на 40%.
Заключение. Исходя из полученных результатов можно сделать вывод, что гипотетический ДВС, построенный на принципах динамической оптимизации приложения нагрузок, может дать более оптимальные режимы работы, чем режимы работы существующих ДВС.
^ БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Семёнов Б.П., Косенок Б.Б. Методы и средства динамического анализа механизмов авиационных энергоустановок. – Самара: Самарский научный центр РАН, 2010. – 281 с.
Косенок Б.Б. Программа КДАМ (Кинематический и динамический анализ механизмов) / ^ Б.Б. Косенок, В.П. Тукмаков // Свидетельство об официальной регистрации программ для ЭВМ № 2010616342 по заявке № 2010614593 от 29 июля 2010 г. Зарегистрировано в Реестре программ для ЭВМ 24 сентября 2010 г.
Статья поступила в редакцию 6 сентября 2010 г.
UDC 621.01
^ SUBSTANTIATION OF DYNAMICALLY OPTIMUM OPERATING MODE
OF THE BASIC MECHANISM OF AN INTERNAL COMBUSTION ENGINE
B.B. Kosenok
Samara State Aerospace University
34, Moskovskoye Shosse, Samara, 443086
The necessary requirements for the prospective mechanisms of internal combustion engine, made a dynamic analysis of slider-crank mechanism, a study of possible changes in the dynamics of the displacement indicator of maximal loads on the piston. This study is theoretically justifies the need, as a study of existing mechanisms with a view to optimizing the dynamic parameters, and to be bound by such an analysis for the creation of new mechanisms.
Keywords: vector, contour, model, modules, slider-crank mechanism, an internal combustion engine, Indicator positioning diagram.
УДК 669.14
^ ВЫСОКОТЕМПЕРАТУРНАЯ ТЕРМОМЕХАНИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА НИЗКОЛЕГИРОВАННЫХ ДИСПЕРСИОННО-ТВЕРДЕЮЩИХ СПЛАВОВ НА МЕДНОЙ ОСНОВЕ
В.А. Михеев, А.И. Хаймович
Самарский государственный аэрокосмический университет
443086, г. Самара, Московское шоссе, 34
Разработана и технически апробирована технология изготовления изделий из дисперсионно-твердеющих низколегированных медных сплавов в режиме высокотемпературной термомеханической обработки, которая обеспечивает высокие механические свойства без снижения электропроводности полуфабрикатов.
^ Ключевые слова: дисперсионно-твердеющие медные сплавы, высокотемпературная термомеханическая обработка, механические свойства, электроды, прессование, термообработка, наноструктура.
Хорошо известно, что легированные медные сплавы, обладающие высокой электропроводностью при достижении необходимых механических свойств, широко используются в электротехнической промышленности для изготовления контактов, а также электродов контактной сварки (электродные сплавы). Значительный прогресс в этой области был достигнут при применении полуфабрикатов из дисперсионно-твердеющих сплавов на основе меди, свойства которых обеспечиваются совокупностью механической и термической обработок.
В качестве легирующих компонентов электродных сплавов обычно применяют хром и цирконий, хром и кадмий, хром и алюминий, хром и марганец с различными добавками малых количеств элементов к этим системам. Необходимые механические и электрические свойства в этих сплавах достигаются термомеханической обработкой: закалкой, холодной деформацией и отпуском. В результате отпуска (старения) в сплаве выделяется мелкодисперсная фаза, упрочняющая сплав [1, 2].
Другим существенным фактором, влияющим на эксплуатационные свойства дисперсионно-упрочненных медных сплавов, является их жаростойкость, в частности устойчивость к высокотемпературной ползучести.
При высоких температурах (свыше 0,5-0,6 Тпл.) только небольшое число добавок повышает жаропрочность растворителя (меди). К ним относятся следующие типы добавок:
1) имеющие высокую температуру плавления, незначительно повышающие температуру плавления растворителя;
2) делающие твердый раствор более диффузионно-устойчивым, т.е. повышающие температуру рекристаллизации и модуль упругости сплава;
3) образующие тугоплавкие и сложно построенные жаропрочные избыточные фазы, обычно не содержащие металла растворителя.
К этим положительно действующим добавкам относятся переходные элементы периодической системы Менделеева с недостроенными внутренними электронными оболочками. Применительно к электродным сплавам такими элементами являются цирконий, кобальт, никель, хром, титан и др.
Качество электродов контактной сварки определяется его стойкостью, т.е. способностью сохранять в определенных пределах исходные размеры и форму рабочей поверхности.
Одним из основных технологических требований при осуществлении контактной сварки является требование высоких усилий прижима в зоне контакта электрода со свариваемым материалом, поэтому необходимым условием стойкости электрода является его твердость. Твердость удается повысить за счет увеличения легирования медной матрицы, однако избыточное легирование элементами, образующими дисперсную упрочняющую фазу, существенно снижает электропроводность [1].
На рис. 1 представлены результаты влияния легирующих компонентов и добавок на электропроводность меди [1]. Видно, что раздельное легирование меди Ni и Be в диапазоне 0,3 ... 0,5% снижает электропроводность на 30% для Ni и на 50% для Be. Совместное легирование (образование тройных систем Cu-Ni-Be) позволяет при введении существенно большей доли легирующих компонентов получить электропроводность не ниже 50% от Сu.
Применяемое в настоящее время легирование такими компонентами, как хром (БрХ) и хром с добавлением циркония (БрХЦр), позволяет получить твердость не выше 170 НВ для сплава БрХЦр [3] и 150НВ для сплава БрХ, независимо от времени и температуры старения (рис. 2) [7]. Из рисунка видно, что максимальная твердость ≈150НВ достигается в интервале 350-550 °С, при вариации времени выдержки от 10 до 105 минут.
a
б
Рис. 1. Влияние примесей и добавок на электропроводность меди:
а – влияние примесей; б – влияние добавок
В технике широко известны сплавы меди с бериллием, называемые бериллиевыми бронзами, хорошо упрочняемые при термической обработке, обладающие высокими прочностными свойствами, но очень ограниченной электропроводностью. Бериллий образует с медью ограниченные твердые растворы с переменной растворимостью. В двойные медно-бериллиевые сплавы добавляют кобальт, никель и за счет снижения содержания бериллия добиваются более высокой электропроводности. Кобальт и никель с бериллием образуют соединения типа СоВе и NiBe (рис. 3).
Рис. 2. Влияние времени старения на твердость хромовой бронзы БрХ
при различных температурах, °С:
1 – 700 °С; 2 – 600 °С; 3 – 550 °С; 4 – 500 °С; 5 – 475 °С; 6 – 450 °С; 7 – 425 °С; 8 – 400 °С;
9 – 350 °С; 10 – 300 °С; 11 – 200 °С
Упрочняющие фазы в этих системах, располагаясь по границам зерен в виде крупных включений или по всей матрице в виде мелких включений, существенно увеличивают прочность и твердость сплава, особенно при повышенных температурах. Титан также вводится в электродные сплавы в очень небольшом количестве. Он резко понижает электропроводность сплава, однако эффективно действует на торможение ползучести, повышает пластические свойства сплава; кроме того, титан является модификатором, способствуя размельчению зерна. Все эти элементы, вводимые в медь, могут образовывать химические соединения, выделяющиеся при термической обработке в виде дисперсных избыточных фаз. Тугоплавкие избыточные фазы сложного состава существенно повышают жаропрочность сплава. Такими избыточными фазами применительно к меди являются СоВе; NiBe; NiSi и др.
Рис. 3. Угол квазибинарного разреза Cu-NiBe
диаграммы состояния Cu-Ni-Be
Как было отмечено выше, для электродных сплавов на медной основе содержание легирующих компонентов не превышает 0,2…3%. Особый класс составляют низколегированные до 0,8% бериллием (Be) медные сплавы – бериллиевые бронзы [9]. На основе системы Сu–NiBe–Ti разработан тройной сплав БрНБТ, содержащий небольшое количество титана и изготовляемый из отходов высоколегированной бериллием (1,8…2,1%) бронзы [1, 8]. Этот сплав применяется в качестве электродного материала при шовной сварке нержавеющих сталей и жаропрочных сплавов, а также для губок стыковых сварочных машин.
В производственных условиях сплав БpHБТ плавят на воздухе в индукционной печи при температуре 1200 °С под слоем прокаленного древесного угля. Отливку ведут полунепрерывным методом с подачей воды на слиток со скоростью 4-5 м/ч. После резки слитков на равные заготовки производят их нагрев под горячую прокатку при температуре 850-900 °С с выдержкой при этой температуре в течение 2 ч. Далее следуют горячая прокатка на стане с последовательным изменением диаметров прутков (70-50-46-37-30-25 мм), закалка в воде после выдержки в течение 2 ч при температуре 900-950 °С и дисперсионное твердение при температуре 480-500 °С.
Альтернативным способом получения прутков малого диаметра из отливки является горячее выдавливание за несколько (до трех) переходов на гидравлическом прессе с применением нагрева перед каждым переходом в диапазоне 850…900 °С.
Необходимо отметить, что существенным недостатком приведенных технологий является многократная потребность нагрева до завышенных температур (850-900 °С) горячей обработки давлением, поскольку процессы прессования или выдавливания на гидравлических прессах сопровождаются большим временем деформирования, что приводит к подстуживанию заготовки и, следовательно, к разбросу и потере пластических свойств по объему заготовки в процессе обработки давлением. Поэтому, с одной стороны, многократный нагрев и выдержка заготовок выше точки фазовых превращений способствуют диффузионным процессам разупрочнения, с другой стороны, возможность подстуживания заготовки приводит к получению полуфабриката с нестабильными свойствами как в пределах заготовки, так и в пределах партии; например, разброс характеристик по твердости составляет до 30%. Вследствие последнего в нормативных документах на данные полуфабрикаты (ГОСТ или ТУ на поставку) твердость, как правило, не регламентируется.
Холодное деформирование литых заготовок с обжатием более 60% для получения малых диаметров проблематично, поскольку для деформационно-упрочняемых материалов приводит к снижению пластичности и, как следствие, к дефектам макроструктуры полуфа
еще рефераты
Еще работы по разное