Аналіз напружено-деформованого стану поршнів малообертового суднового двигуна WinGD RT-Flex50D

Abstract

На сьогодні існує безліч факторів, що впливають на зміну техніч-ного стану деталей поршневої групи малообертових двигунів внут-рішнього згоряння (ДВЗ). Механізми пошкодження мають різну при-роду та найбільш вагомими серед них є чинники, що пов’язані із впливом теплових та механічних навантажень. Враховуючи склад-ність конструкції поршнів сучасних малообертових двигунів (МОД), найбільш досконалим методом дослідження їх напружено-деформованого стану (НДС) є метод скінчених елементів (МСЕ). Дана стаття присвячена аналізу напружено-деформованого стану поршнів сучасних МОД в їх матеріалах під впливом експлуатаційних навантажень за допомогою сучасних CAD/CAE комплексів. Для дося-гнення поставленої мети було проаналізовано конструктивні особли-вості та умови роботи циліндро-поршневої групи МОД, розроблено твердотільну модель поршня, змодельовано складний напружено-деформований стан поршнів в режимі роботи дизеля з прогнозуван-ням температурного і термонапруженого стану поршнів і їх ресурсної міцності. Отримані результати дослідження дозволяють зробити висновок про достатню міцність конструкції поршня та виявити наявність пружних деформацій кепів у районі 2-го та 3-го поршневих кілець. Максимальні напруження, що мають місце в зоні контакту штоку та спідниці поршня становлять 310, 3 МПа (межа міцності матеріалу спідниці поршня σв = 572,17 МПа), що за можливістю потребує збі-льшення площі контакту деталей. Аналіз епюри розподілу коефіцієн-ту запасу міцності (КЗМ) надає можливості обґрунтовано проводити діагностику найбільш напружених елементів головки поршня мето-дами неруйнівного контролю. Враховуючи той факт, що дане дослі-дження проведено без врахування теплових потоків, що діють на днище поршня, то робити аналіз про можливе зменшення ваги порш-ня за рахунок головки поршня поки не приходиться. Мінімальний КЗМ матеріалу головки поршня становить 2,62. Today, many factors affect the technical condition of the piston group parts of low-speed internal-combustion engines (ICE). The mech-anisms of damage are of different nature and the most important among them are the factors associated with the influence of thermal and me-chanical loads. Considering the design complexity of the pistons of mod-ern low-speed engines (LSE), the finite element method (FEM) is the most advanced method for studying their stress-strained state (SSS). This article is devoted to the analysis of the pistons stress-strained state of the modern LSE in their materials under the influence of operat-ing loads using modern CAD/CAE complexes. To achieve this purpose, the design features and operating conditions of the cylinder-piston group of the LSE were analyzed, a solid model of the piston was developed, and a complex stress-strained state of the pistons in the diesel mode with prediction of temperature and thermostressed state of pistons and their resource strength was modeled. The obtained results of the research allow to make a conclusion about the sufficient strength of the piston structure and to detect the presence of elastic deformations of the piston ring grooves in the area of the 2nd and 3rd piston rings. The maximum stresses that occur in the contact zone of the piston rod and the piston skirt are 310,3 MPa (the strength limit of the piston skirt material σ = 572,17 MPa), which re-quires increasing the contact area of the parts if possible. Analysis of the strength margin factor (SMF) diagram provides an opportunity to rea-sonably diagnose the most stressed elements of the piston crown by non-destructive testing. Since this study was conducted without taking into account the heat fluxes acting on the bottom of the piston, it is not nec-essary to analyze the possible reduction of the piston weight due to the piston crown. The minimum SMF of the piston crown material is 2.62.