В работе рассматривается расчет прочности впускного клапана судовых высокооборотных дизелей. Прочность впускного клапана напрямую влияет на долговечность, производительность и эффективность работы двигателя. В процессе работы на клапан действуют: сила давления газов, сила инерции движущихся масс и сила упругости пружины. Проведен анализ этих сил и их влияние на напряжение в деталях клапанного механизма. Для определения напряжения использованы аналитический метод и метод конечных элементов в программе ANSYS Static Structural. Полученные результаты показали, что увеличение массы клапана за счет установки ширмы и спиральных направляющих приводит к увеличению силы инерции и, соответственно, напряжения в стержне и головке клапана. Разница между результатами аналитического и численного методов составила 3,6 %, что подтверждает корректность расчетов. Максимальные значения напряжения выявлены у клапанов с дополнительными элементами, что требует учета при проектировании и эксплуатации.

Ключевые слова: впускной клапан, прочность, высокооборотный дизель, силы инерции, метод конечных элементов.

Цель работы

Целью работы является определение прочности впускного клапана судовых высокооборотных дизелей с учетом воздействия сил давления газов, инерции движущихся масс и упругости пружины, а также оценка влияния увеличения массы клапана (за счет установки ширмы и спиральных направляющих) на напряжение в стержне и головке клапана с использованием аналитического метода и метода конечных элементов.

Методы и материалы

От прочности впускного клапана зависит долговечность двигателя, его производительность и эффективность работы. В процессе работы двигателя на клапан действуют: сила давления газов P _г , сила инерции движущихся масс P _w и сила упругости пружины P _пр . На рисунке 1 представлена схема сил, действующих на клапанный механизм [1].

Сила давления газов нагружает клапан только в момент его открытия, затем давление газов на тарелку со стороны цилиндра и со стороны горловины уравновешивается и клапанный механизм нагружается только силой инерции и силой упругости пружины.

Рис. 1. Силы, действующие на клапанный механизм [1, с. 411]

В момент открытия впускного клапана сила давления газов на тарелку определяется формулой [2]:

,

где — давление газов в цилиндре в момент открытия его клапана;

— давление газов в горловине клапана в момент его открытия;

— диаметр тарелки клапана;

— диаметр горловины клапана.

.

При дальнейшем движении клапана уменьшение силы P _г подчиняется линейному закону и вычисляется по формуле:

,

где — текущее значение угла поворота распределительного вала;

— угол предварительного открытия клапана.

Сила инерции движущихся масс, действующая по оси клапана, вычисляется по формуле:

,

где и — масса клапана и пружины соответственно ( );

— ускорение клапана.

Установка ширмы и спиральных направляющих на внутреннюю поверхность тарелки клапана увеличивает его массу . Она равна:

— для клапана с исходной геометрией;

— для клапана с ширмой ;

— для клапана с ширмой ;

— для клапана со спиральными направляющими.

Сила упругости пружины определяется произведением ее жесткости на деформацию. Деформация пружины соответствует перемещению клапана, а жесткость назначается из условия, что усилие, создаваемое пружиной, должно удерживать клапан в закрытом состоянии и обеспечивать кинематическое замыкание деталей привода при движении. Если на клапан устанавливаются две пружины, то их совместную работу заменяют в расчетах действием одной эквивалентной пружины. Таким образом, сила упругости пружины определяется по формуле [3]:

,

где — предварительная затяжка пружины;

— жесткость эквивалентной пружины;

— перемещение клапана.

Усилие предварительной затяжки пружины определяется по формуле:

,

где — коэффициент запаса предварительной затяжки пружины;

— перепад давления в цилиндре.

.

Таким образом, общая сила, действующая на клапан, с учетом всех сил определяется по формуле:

.

Общая сила, действующая на клапан, принимает максимальное значение при максимальном отрицательном ускорении клапана и равна .

Расчет прочности клапана сводится к определению напряжений сжатия стержня и смятия опорной поверхности головки. Напряжение сжатия стержня определяется по формуле [4]:

,

где — площадь стержня клапана.

.

Давление на опорную поверхность головки клапана вычисляют по формуле:

,

где — площадь опорной поверхности головки клапана.

.

Расчет прочности впускного клапана методом конечных элементов проводился в программе ANSYS Static Structural. В качестве нагрузки задавалась сила , действующая на клапан. На рисунке 2 показана сетка и граничные условия для расчета клапана.

Рис. 2. Сеточная модель исходного клапана и граничные условия

Результаты

Разница значений, рассчитанных аналитическим методом и методом конечных элементов, составила 3,6 %. Исходя из этого, прочность остальных исследуемых клапанов будет рассчитана методом конечных элементов, аналогично исходному клапану.

Увеличение массы клапана приводит к увеличению силы инерции и, соответственно, силы , действующей на клапан. Эта сила равна:

— для клапана с ширмой ;

— для клапана с ширмой ;

— для клапана со спиральными направляющими.

На рисунках 3–6 представлены результаты расчета эквивалентного напряжения исследуемых клапанов.

Рис. 3. Результаты расчета напряжения исходного клапана

Рис. 4. Результаты расчета напряжения клапана с ширмой

Рис. 5. Результаты расчета напряжения клапана с ширмой

Рис. 6. Результаты расчета напряжения клапана со спиральными направляющими

Заключение

Расчет прочности исследуемых клапанов показал, что увеличение массы клапана за счет установки на него ширмы и направляющих увеличивает силу инерции, действующую на клапан, что приводит к увеличению напряжений сжатия стержня и смятия опорной поверхности головки клапана. Также использование аналитического метода расчета и метода конечных элементов позволило сравнить полученные результаты: разница рассчитанных значений составила 3,6 %.

У клапана со спиральными направляющими наблюдается максимальное значение напряжения сжатия стержня: .

У клапана с ширмой наблюдается максимальное значение напряжения смятия опорной поверхности головки клапана: .

Литература:

1. Румб В. К. Конструирование двигателей. Судовые двигатели внутреннего сгорания : учебное пособие. — Санкт-Петербург : изд-во СПбГМТУ, 2021. — 440 с.
2. Двигатели внутреннего сгорания. Динамика и конструирование : учебник для вузов / В. Н. Луканин, И. В. Алексеев, М. Г. Шатров и др. ; под ред. В. Н. Луканина и М. Г. Шатрова. — Москва : Высшая школа, 2005. — Т. 2. — 400 с.
3. Пузанков А. Г. Автомобили: конструкция, теория и расчет : учебное пособие / А. Г. Пузанков. — Москва : Издательский центр «Академия», 2007. — 544 с.
4. Колчин А. И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей : учебное пособие для вузов. /А. И. Колчин, В. П. Демидов — Москва : Высшая школа, 2002. — 496 с.