Тепловые деформации деталей

Тепловые деформации в деталях

В узлах, состоящих из деталей, имеющих различную рабочую температуру или изготовленных из материалов с разными коэффициентами линейного расширения, тепловые деформации могут существенно влиять на взаимное расположение деталей.

Осевые зазоры. При нагреве в соединениях возникают термические зазоры или натяги, которые необходимо учитывать при назначении сборочных (холодных) зазоров.

Примером может служить конструкция фиксирующего подшипника скольжения (рис. 250, а).

Пусть вал изготовлен из стали с коэффициентом линейного расширения α1, а корпус подшипника — из сплава с α2. Рабочие температуры соответственно равны t1 и t2.

Термические торцовые зазоры

Торцовый холодный зазор Δ = Lв + Lп, где Lв и Lп — соответственно длины шейки вала и подшипника.

При нагреве до рабочей температуры t1 длина шейки вала

Temper deform 2

длина подшипника

Temper deform 3

где t0 — температура сборки.

Торцовый зазор в рабочем состоянии

Торцовый зазор в рабочем состоянии

Так как отношение Lп/Lв весьма близко к единице, то можно принять Δ' = Δ + Δt, где Δt — термическое изменение зазора:

Temper deform 5

В зависимости от соотношения величин α1, α2 и t1, t2 первоначальный зазор может увеличиться или уменьшиться. Опасен последний случай, так как вал может оказаться защемленным по торцам.

Пусть корпус подшипника изготовлен из алюминиевого сплава с α2 = 13·10–6 1/°С, а вал из стали с α1 = 11·10–6 1/°С; рабочая температура корпуса 100°С, а вала 50°С, длина шейки вала 100 мм, температура сборки 20°С и первоначальный холодный зазор 0,05 мм. Термическое изменение зазора по уравнению (115) Δt = 100[11·10–6(50–20)–23·10–6(100–20)] = 100(–0,0015) = –0,15 мм. Горячий зазор Δ' = Δ + Δt = 0,05–0,15 = –0,1 мм.

Таким образом, в соединении возникает натяг 0,1 мм; вал будет защемлен в подшипнике. Если в рабочем состоянии должен быть обеспечен минимальный зазор, допустим 0,05 мм, то первоначальный холодный зазор должен быть равен 0,05 + 0,15 = 0,2 мм.

Выбор правильных торцовых зазоров имеет особое значение для многоопорных валов с подшипниками, находящимися на большом расстоянии один от другого (рис. 250, б).

Пусть передний подшипник А является фиксирующим. При нагреве картер удлиняется в направлении, указанном стрелкой. Но избежание защемления нала необходимо между щеками вала и торцами соответствующих подшипников предусмотреть зазоры Δ1, Δ2 и Δ3, пропорциональные расстояниям L1, L2 и L3 этих подшипников от базы. Сохраняя численные значения α1, α2, t0, t1, и t2 предыдущего примера и полагая L1 = 300, L2 = 500 и L3 = 700 мм, получаем следующее термическое изменение зазоров:

Temper deform 6

При назначении конструктивных зазоров к этим значениям следует прибавить первоначальные холодные зазоры, которые устанавливают с помощью размерного анализа по допускам на изготовление.

Расположение фиксирующих баз. Фиксирующие базы следует выбирать с таким расчетом, чтобы при всех возможных температурных изменениях размеров системы точность расположения деталей не нарушалась или нарушалась бы в наименьшей мере.

Фиксация вала конической передачи

В узле конической передачи, установленной в корпусе из легкого сплава (рис. 251, а), фиксирующий подшипник 1 расположен на значительном расстоянии L от центра зацепления зубчатых колес. Удлинение корпуса при нагреве вызывает смещение малого колеса передачи в направлении, указанном стрелкой. Большое колесо перемещается в том же направлении, но на меньшую величину (вследствие меньшего значения коэффициента линейного расширения стального вала). В результате зазор в зацеплении уменьшается. При известных соотношениях зубчатые колеса могут начать работать враспор.

В правильной конструкции (рис. 251, б) фиксирующим является задний подшипник 2, расположенный на сравнительно малом расстоянии l от центра зацепления. Смещения колес относительно друг друга при нагреве здесь гораздо меньше; кроме того, зазор в зацеплении с нагревом увеличивается, а не уменьшается, как в предыдущем случае.

Обеспечение свободы температурным перемещениям. Следует избегать осевой фиксации деталей в двух точках. При наличии температурных деформаций в случае такой фиксации могут появиться термические напряжения, вызванные торможением смежности.

Примером ошибочной установки является фиксация вала в двух подшипниках качения одновременно (рис. 252, а). Если корпус подшипников выполнен из материала с иным коэффициентом линейного расширения, чем вал, а также если вал и корпус имеют различные рабочие температуры, то в узле возникает зазор или натяг. Последний может привести к защемлению подшипников. Неизбежные погрешности выполнения осевых размеров соединения. в свою очередь, могут вызвать появление зазоров или натягов.

Фиксация подшипников качения

Вал следует фиксировать в одном подшипнике (рис. 252, б). Второй подшипник должен быть плавающим, т. е. иметь свободу перемещения в осевом направлении.

Другой пример представлен на рис. 253, а (гильза цилиндра двигателя внутреннего сгорания, непосредственно охлаждаемая водой). Фиксация гильзы в двух точках — верхним буртиком и уплотняющим буртиком ошибочна. При нагреве гильзы возникают термические силы, сжимающие гильзу и растягивающие рубашку. В правильной конструкции (б) гильза зафиксирована только верхним буртиком. Уплотнение выполнено скользящим; гильза имеет возможность свободно перемещаться относительно рубашки.

Установка гильзы двигателя

Следует обеспечивать свободу перемещения крепежных лап машины и агрегатов, нагревающихся при работе. Одну из лап (или ряд лап, расположенных в линию) закрепляют жестко; остальным придают свободу перемещения.

Типовая конструкция лапы крепления корпуса турбины к фундаменту

На рис. 254 приведена типовая конструкция лапы крепления корпуса турбины к фундаменту (направление термического расширения корпуса показано стрелкой). Лапу крепят фундаментным болтом, пропущенным через продолговатое отверстие. Между шайбой болта и торцом лапы оставляют зазор е = 0,05—0,1 мм.

В соединениях трубопроводов, несущих горячие жидкости или газы, необходимо предусматривать компенсаторы тепловых расширений, предотвращающие возникновение термических сил и деформацию трубопроводов.

Компенсаторы типа «лира» (рис. 255, 1—3) имеют большие размеры. Более компактны линзовые (4—9) и особенно сильфонные компенсаторы (10—15).

Компенсаторы термического расширения

Изменение расположения деталей при нагреве. При проектировании соединений, работающих при повышенных температурах, обязателен тепловой расчет, имеющий целью определить изменение размеров и относительного расположения деталей при нагреве.

Положение клапана в седле

В качестве примера рассмотрим посадку в седле выпускного клапана двигателя внутреннего сгорания (рис. 256, а). При нагреве диаметр головки клапана возрастает на величину

Temper deform 13

а диаметр седла клапана на

Temper deform 14

где d0 — диаметр головки клапана; αk и αс — соответственно коэффициенты линейного расширения материалов клапана и седла; tk и tс — соответственно рабочие температуры головки клапана и седла; t0 — температура сборки.

Так как рабочая температура головки клапана значительно выше температуры седла, то клапан при нагреве выдвигается из седла (рис. 256, б) на величину

Temper deform 15

где α — центральный угол фаски.

Приняв α = 90°, получаем с учетом формул (116) и (117)

Temper deform 16

В высоконагруженных двигателях выпускные клапаны и седла делают из хромоникелевых сталей аустенитного класса, коэффициент линейного расширения которых при 600—800°С равен α = (18—20)10–6 1/°С. Принимая рабочую температуру головки tk = 700°С, седла tс = 300°С, температуру сборки t0 = 20°С и полагая d0 = 60 мм, получаем m = 0,5·60·20·10–6(680–280) = 0,24 мм.

Для обеспечения правильной посадки клапана в седло необходимо увеличить ширину фаски. уменьшив малый диаметр d головки на величину 2m ≈ 0,5 мм (рис. 256, в).

Рассмотрим влияние тепловых деформаций на геометрию узла привода клапана. В простейшей схеме (рис. 257) клапан приводится в действие кулачковым валиком, установленным на головке двигателя (верхнее распределение) и воздействующим непосредственно на тарелку клапана.

Привод клапана

Зазор между тыльной поверхностью кулачка и тарелкой клапана в холодном состоянии

Temper deform 18

В горячем состоянии

Temper deform 19

где αг, αв и αк — коэффициенты линейного расширения материалов соответственно головки двигателя, кулачкового валика и клапана; tг, tв и tк — соответственные средние температуры; m — перемещение клапана в седле в результате расширения головки клапана [см. формулу (118)].

Пусть αг = 11·10–6 (чугун); αв = 11·10–6 (конструкционная сталь); αк = 20·10–6 1/°С; tг = 100°С, tв = 50°С,tк = 450°С; Н = 150 мм; R = 20 мм; l = 130 мм и m = 0,24 мм.

Изменение зазора согласно уравнениям (119) и (120)

Temper deform 20

Во избежание нарушения фаз газораспределения в пусковой период холодный зазор в рассматриваемом случае нужно сделать равным е" = 0,7 + е0, где е0 — гарантированный зазор.

В других конструкциях клапанного привода, например, при нижнем клапанном распределении или при передаче клапану движения через толкатели, тяги, рычаги или коромысла, изменении зазора могут быть еще больше. Их можно определить с помощью аналогичной методики.

В новейших конструкциях вводят автоматические компенсирующие устройства, позволяющие поддерживать зазор в клапанном распределении приблизительно постоянным независимо от теплового состояния двигателя.

Корректировка формы деталей. В случаях, когда неравномерный нагрев искажает форму деталей, исходную форму корректируют с таким расчетом, чтобы при нагреве деталь принимала необходимую по условиям работы конфигурацию.

В поршнях двигателей внутреннего сгорания температура максимальна у днища (рис. 258, а) и падает по направлению к юбке вследствие отвода теплоты поршневыми кольцами в стенки цилиндра и охлаждающего действия масла, забрасываемого из картера на внутренние стенки поршня. При нагреве поршень принимает приблизительно коническую форму. Во избежание заедания верхнего пояса в цилиндре поршню заранее придают обратную коническую, суживающуюся к днищу форму (рис. 258, б).

Корректировка формы поршня

Зазор между поршнем и стенками цилиндра, а также степень необходимого сужения верхнего пояса поршня можно определить из следующих соотношений.

Диаметральный зазор между поршнем и стенками цилиндра в холодном состоянии Δхол = D–d, где D и d — номинальные диаметры соответственно цилиндра и поршня. Зазор в рабочем состоянии

Temper deform 22

где αп и αц — коэффициенты линейного расширения материалов соответственно поршня и цилиндра; tп и tц — средние температуры соответственно поршня и цилиндра.

Пусть диаметр цилиндра D = 100 мм, αп = 23·10–6 1/°С (алюминиевый сплав), температура стенок цилиндра tц = 80°С (двигатель водяного охлаждения), температура верхнего пояса поршня 300°С, нижнего 150°С.

Для того чтобы поршень при нагреве приобрел цилиндрическую форму, необходимо, чтобы в холодном состоянии диаметр верхнего пояса был меньше диаметра нижнего пояса на величину

Temper deform 23

Изменение диаметрального зазора между цилиндром и нижним поясом поршня при нагреве согласно формуле (121) Δхол – Δгор = 100[23·10–6(150–20) – 11·10–6(80–10)] = 0,23 мм.

Пусть минимальный зазор между цилиндром и поршнем в горячем состоянии должен быть равен Δгор = 0,4мм. Тогда согласно предыдущему уравнению холодный зазор в нижнем поясе Δхол = Δгор + 0,23 = 0,4 + 0,23 = 0,63 мм, а в верхнем поясе Δхол = 0,63 + Δd = 0,63 + 0,345 ≈ 1 мм.

Определим теперь конструктивный зазор δ между тыльной поверхностью поршневых колец и внутренней стенкой поршневых канавок (рис. 258, в).

При нагреве поршня до рабочей температуры диаметр d0 внутренней поверхности поршневой канавки возрастает на величину

Temper deform 24

а диаметр цилиндра на величину

Temper deform 25

Если пренебречь изменением ширины кольца при нагреве, то изменение диаметрального зазора между тыльной поверхностью кольца и внутренней поверхностью канавки в верхнем поясе поршня

Temper deform 26

Принимая d0/D = 0,85 и подставляя численные значения, получаем Δδ = 100[0,85·23·10–6(300–20)–11·10–6(80–20)] = 0,48 мм

Пусть зазор, необходимый для нормального функционирования кольца в рабочем состоянии, равен 1 мм. Тогда конструктивный холодный зазор должен быть равен 1,48 мм.

Другой пример корректирования формы — придание конусности штокам выпускных клапанов внутреннего сгорания (рис. 259, а). Так как рабочая температура верхнего конца штока ниже температуры у шейки (на участке перехода штока в головку), то диаметр верхнего конца штока должен быть (из условия постоянства зазора по длине направляющей) больше диаметра штока у шейки на величину

Temper deform 28

где d — номинальный диаметр штока; αк — коэффициент линейного расширения материала клапана; Δt — разность температур шейки и верхнего конца штока.

Корректировка формы клапана и направляющей

Для клапана из аустенитной стали (αк = 20·10–6 1/°С) при диаметре штока d = 12 мм и Δt = 200°С δ = 12·20·10–6·200 ≈ 0,05 мм.

Корректировку можно также осуществить, сделав отверстие направляющей клапана конически расширяющимся по направлению к головке клапана (рис. 259, б).

И тот, и другой способы облегчают самоустановку клапана в седле.