4.3. Расчетная оценка работоспособности элементов газового стыка

Работоспособность газового стыка двигателя оценивают по его герметичности при реализации рабочего процесса и по уровню напряженно-деформированного состояния его элементов — шпиль­ки или болта, прокладки и блока.

Основными расчетными нагрузками на газовый стык являются (рис. 4.9, а):

• сила предварительной затяжки;

• нагрузка от газовой силы;

• термическая сила, образующаяся при прогреве двигателя вслед­ствие различных коэффициентов линейного расширения элементов стыка.

Оценка работоспособности газового стыка проводится с учетом податливости его элементов.

Связь между силой Р, упругой деформацией к элемента постоян­ного сечения F, длиной / и модулем упругости Е описывается законом Гука

X=PljEF.

Это выражение можно представить в следующем виде:

где С — жесткость элемента; C=EF/l, Н/м; К — податливость эле­мента: K=lj(EF)= 1/С, м/Н.

Под действием силы предварительной затяжки шпильки/болта Рщ, деформируются детали газового стыка: сжимаются головка, прокладка и рабочая часть блока при одновременном растяжении шпильки (рис. 4.9, б).

При реализации рабочего процесса газовая сила сжимает голов­ку и растягивает шпильку, а деформации прокладки и блока умень­шаются — происходит разгрузка газового стыка. Естественно, если нет разгерметизации стыка, то приращение деформаций шпильки и головки Д(Лпп+^гол) равно приращению деформаций прокладки и блока А(Япр+Ябл). Для наглядности выводов обратимся к диаграм­ме сила — деформация в виде, показанном на рис. 4.9, в.

Сила на стыке при газообмене будет равна сумме сил пред­варительной затяжки и термической Р,, что соответствует мини­мальной силе, растягивающей шпильку:

Р = Р +Р — Р ■

-*ст цр I ■* f — -* pmin*

116

Рис. 4.9. К оценке надежности элементов газового стыка двигателя:

а — расчетная схема; б — деформация элементов стыка при затяжке; в — диаграмма деформаций

Если предположить, что газовая сила, нагружающая головку, равномерно воспринимается шпильками, относящимися к данному цилиндру, то максимальное ее значение, приходящееся на одну шпильку, определяется как P_z=PJi, где P_z=p_znD%p/4 — макси­мальная сила давления газов действительного цикла на расчетном

117

118

Здесь а — коэффициент линейного расширения; А/ — температура подогрева соответствующего элемента стыка. Тогда

P_pDia=P_np+P_t; Р_рша=Рщ,+Р,+хК', Р*=Р_1ф+Р, - (1 - х)К

По известным параметрам цикла нагружения шпильки опреде­ляют напряжения в резьбовой части, соответствующие ее мини­мальному диаметру:

Рртях Лф+Л+х^ _Рир+Р,

СТти- - » ^еГ“°- _р •

^л рр рр ор

Коэффициент концентрации напряжения ^,/(е^е") для шпилек из легированных сталей — 4...5,5. Коэффициент запаса прочности шпильки п_в находится в пределах 1,3...2.

Из анализа характера сил, нагружающих силовую шпильку, следует, что наиболее тяжелые условия ее работы имеют место на режиме максимального крутящего момента.

Полученные зависимости позволяют прогнозировать поведение элементов газового стыка в различных условиях эксплуатации. При перегреве двигателя в результате нарушения сгорания или из-за нарушения работы системы охлаждения происходит рост силы Р, и, как следствие, шпилька воспринимает дополнительные нагрузки.

119