РОЗДІЛ 2. РОЗРАХУНКОВО-ЕКСПЕРИМЕНТАЛЬНЕ ДОСЛІДЖЕННЯ ТЕПЛОВОГО СТАНУ ДЕТАЛЕЙ КЛАПАННОГО ВУЗЛА
Для ідентифікації розробленої розрахункової моделі теплонапруженого та деформованого стану деталей клапанного вузла, а також кількісної оцінки впливу локального повітряного охолодження стрижня випускного клапана та направляючої втулки на тепловий стан клапанного вузла було проведено експеримент на моторному стенді дизеля 4 ЧН 12/14 (рис. 2.1).
В експерименті при роботі дизеля по навантажувальній характеристиці проводився порівняльний аналіз теплового стану неохолоджуваних серійних випускного клапана та направляючої втулки з охолоджуваними при роботі двигуна на шести режимах починаючи від режиму холостого ходу до режиму максимального крутного моменту при n = 1600 хв-1 (Ne = 0; 9,92; 19,84; 39,68; 59,52; 79,36 кВт).
Під час проведення моторного експерименту за допомогою хромель - алюмелевих термопар в контрольних точках реєструвались температури клапана та направляючої втулки. Також під час експерименту за допомогою індуктивних датчиків, встановлених в направляючій втулці по її висоті, контролювалися зміни зазору в парі стрижень клапана - направляюча втулка в залежності від режиму навантаження.
Для оцінки енергетичних витрат на функціонування системи локального повітряного охолодження випускних клапанів та направляючих втулок в експерименті за допомогою частотоміра та витратоміра було оцінено витрати стислого повітря крізь канали охолодження. Також за допомогою зразкового манометра під час виконання експерименту було оцінено тиск відпрацьованих газів в зазорі стрижень клапана - направляюча втулка в залежності від режиму роботи двигуна. Ці дані були необхідні для оцінки гідравлічного опору відпрацьованих газів стисненому повітрю, яке підводиться для охолодження випускного клапана, а також для вивчення умов вигоряння мастила в зазорі.
2.1 Опис експериментальної установки та методика досліджень
Дослідження проведено для уточнення ГУ задачі теплопровідності при моделюванні ТНС клапанного вузла шляхом вирішення зворотної задачі теплопровідності, а також для оцінки таких факторів, як зміна зазору у парі стрижень клапана - направляюча втулка, характеру переміщень стрижня клапана відносно втулки та визначення наявності чи відсутності відпрацьованих газів в зазорі. Особливість виконаного експериментального дослідження полягає в тому, що досліджується не окрема деталь, а вузол в цілому.
Експериментальна установка представляє собою моторний стенд автотракторного дизеля 4 ЧН 12/14, обладнаного штатними системами та агрегатами. Схема моторного стенду представлена на рис. 2.1. Схема системи подачі охолоджуючого повітря до клапанного вузла приведена на рис. 2.2. Експериментальне дослідження теплового стану деталей клапанного вузла було проведено для випускного клапана та направляючих втулок 3-го та 4-го циліндрів (чотири термопари по клапану та три термопари по направляючій втулці). Для підводу стисненого повітря до випускного клапана та направляючої втулки 4-го циліндра внесені такі конструктивні зміни: була знята технологічна заглушка в тілі головки та дооброблені направляюча втулка та випускний клапан. На боковій поверхні втулки було виконано наскрізний різьбовий отвір, в який вгвинчувався штуцер для підводу повітря (рис. 2.2).
Стиснене повітря від компресора через штуцер поступало в порожнину, утворену внутрішньою розточкою в направляючій втулці та стрижнем клапана, а далі по свердленням в стрижні клапана витікало в порожнину під клапанною кришкою. Система локального охолодження також містить розширювальний бачок з термометром та манометром, та встановлений перед розширювальним бачком витратомір охолоджуючого повітря (рис. 2.1).
Рис. 2.1. Схема дослідного стенду:
1 - двигун; 2 - турбокомпресор; 3 - повітряний ресивер; 4 - мірне сопло; 5 - диференційний манометр; 6 - радіатор системи охолодження; 7 - радіатор системи змащення; 8 - паливний бак; 9 - ваги для визначення витрат палива; 10 - навантажувальний пристрій; 11 - ваговий пристрій системи навантаження; 12 - повітряний ресивер системи локального повітряного охолодження; 13 - витратомір; 14 - повітряний ресивер; 15 - поршневий компресор.
2.1.1 Моторний стенд з системою локального охолодження клапанного вузла
Конструктивні особливості охолоджуваних повітрям випускних клапанів та направляючих втулок приведені на рис. 2.2 та 2.3. Для проведення експериментальних досліджень з визначення теплового стану випускного клапана та направляючої втулки використовувались клапани із сталі 40Х9С2М, яка раніше використовувалася для виготовлення випускних клапанів дизеля 4 ЧН 12/14, та сірого чавуну для виготовлення направляючої втулки.
Серійні клапани дооброблялися механічно та з використанням електроерозійного прожогу каналів в тілі клапана. Ескіз дообробки не охолоджуваних клапанів представлено на рис. 2.4. Охолоджувані повітрям клапани дооброблялись за ескізом на рис. 2.5.
Рис. 2.2. Схема підводу охолоджуючого повітря до стрижня клапана:
1- проточний канал в стрижні клапана; 2 - направляюча втулка клапана; 3 - повітряпідвідна втулка; 4 - кришка; 5 - проставка; 6 - натискна гайка; 7- ущільнююче кільце
Для створення порожнини охолодження в тілі стрижня клапана було виконано вертикальний канал, як показано на рис. 2.5. Зі сторони верхнього
торця порожнина закривалась різьбовою пробкою, яка фіксувалася в тілі стрижня клапана за допомогою термостійкого фіксатора різьби.
Для охолодження направляючої втулки клапана на її зовнішній поверхні була нарізана гвинтова канавка, як показано на рис. 2.3. Охолоджуюче повітря підводилося спочатку до кільцевої розточки в отворі направляючої втулки, а далі через наскрізний отвір в тілі втулки повітря потрапляло до гвинтової канавки (рис. 2.3). Проходячи вздовж гвинтової канавки, повітря охолоджує втулку і витікає в порожнину під клапанною кришкою.
Рис. 2.3.