ВведениеВ настоящее время является востребованным и широко практикуется конвертирование в судовые (главные и вспомогательные) двигатели освоенных в серийном производстве и хорошо зарекомендовавших себя в эксплуатации тяжелых автомобильных дизелей (например, типа ЧН14/14). Актуальность подобных мероприятий обусловливается также и необходимостью решения задачи импортозамещения: в России  функционируют около десяти предприятий [1], продукция которых потенциально способна покрывать весь диапазон мощностей главных и вспомогательных судовых дизелей. В работе [1] выдвинут тезис о необходимости выпуска двигателей широкого назначения, имеющих как судовые, так и несудовые модификации. В связи со спецификой работы судового дизеля в конструкцию конвертируемого двигателя должны быть внесены изменения: настройка системы наддува, установка контура охлаждения забортной водой, обеспечение длительной прочности теплонапряженных корпусных деталей при увеличении среднего эффективного давления и др. [2, 3]. В последнем случае их температуры могут достигать значений, при которых начинают ухудшаться механические свойства конструкционных материалов. Тепловые (главным образом) нагрузки ограничивают ресурс двигателя, а неравномерность температурного поля в совокупности с высокими значениями температур и малоцикловым характером теплового нагружения приводит к появлению термических разрушений [4, 5]. С целью предотвращения такого рода разрушений модернизируются методы исследования процессов теплообмена в двигателях внутреннего сгорания [6, 7], оценки теплонапряженного состояния деталей цилиндропоршневой группы [8, 9], рассматриваются возможности использования материалов, обладающих повышенными прочностными свойствами [10], и применения теплозащитных покрытий [11, 12].В целях обеспечения длительной прочности головок цилиндров весьма вероятно их выполнение из чугуна вместо алюминиевых сплавов. При этом необходимо обоснование марки чугуна с учетом его литейных, теплофизических и других свойств. Применение чугуна может способствовать повышению уровня форсирования двигателя и, таким образом, расширению области его применения в наземных транспортных и стационарных установках. Цель настоящей работы – оценка теплового и напряженно-деформированного состояния литой чугунной крышки цилиндров двигателя, конвертируемого в судовой, при его одновременном форсировании; обоснование марки чугуна. Методы и материалы исследованияПоставленную задачу решали применительно к крышкам цилиндров автомобильных дизелей типа ЧН14/14 (Ne = 330 кВт при 1 900 1/мин), поскольку имеется опыт удачных попыток их конвертирования в судовые [13] и сохраняются перспективы расширения использования модернизированных автомобильных и тракторных двигателей в составе судовых энергетических установок [14, 15]. Одновременно решали задачу возможности форсирования двигателя до Ne = 560 кВт за счет повышения давления наддува. Трехмерная модель крышки цилиндра приведена на рис. 1.    Рис. 1. Трехмерная модель крышки цилиндра дизеля 8ЧН14/14 При расчетах температурных полей сложность представляет определение граничных условий (в нашем случае III рода) теплообмена на поверхности огневого днища, обращенной к цилиндру, и в полостях системы охлаждения. Известно, что в обоих случаях имеет место локальный характер распределения значений коэффициента конвективной теплоотдачи и температур рабочего тела или охлаждающей жидкости [16].Поскольку значения коэффициентов теплоотдачи на омываемой продуктами сгорания поверхности огневого днища распределены неравномерно, произведен расчет их локальных значений. Функция f(r) распределения локальных значений коэффициента теплоотдачи по радиусу огневого днища описана уравнением Вошни:                              где r – текущее значение расстояния от центра крышки; R – радиус днища крышки; коэффициенты А и В определяются по полуэмпирическим зависимостям [17].Локальные значения коэффициента a теплоотдачи определяются по формуле                                                       где ͞α – осредненное за время рабочего цикла значение коэффициента теплоотдачи.С учетом принятых значений (A = 0,5; B = 0,5; t = 1,5; p = 1,50) и средней величины коэффициента теплоотдачи, равной 1 017 Bт/(м2·К) (определена при расчете рабочего цикла дизеля в среде приложения Diesel-RK), получено распределение коэффициента теплоотдачи по радиусу днища крышки (рис. 2).   α, Вт/(м2·К)1 300  1 200  1 100  1 000  900  800  700  600  Рис. 2. Локальные значения коэффициента теплоотдачи от продуктов сгорания к днищу крышки В целях определения граничных условий со стороны полости охлаждения крышки использованы полученные экспериментально зависимости для локальной теплоотдачи с их последующей математической обработкой методами теории подобия. Для охлаждаемых внутренних полостей головок структура уравнения подобия для режима вынужденной конвекции имеет вид [5]:                                                               где Nu – число Нуссельта (безразмерный коэффициент теплоотдачи); Re – критерий Рейнольдса, зависящий от режима течения жидкости; Pr – критерий Прандтля, характеризующий соотношение вязкостных и инерционных тепловых свойств среды; х – расстояние от входного сечения канала; d – характерный геометрический размер системы (эквивалентный диаметр проходного сечения канала).В нашем случае для расчета локальной теплоотдачи на охлаждаемой поверхности, в том числе и с механически обработанными каналами в межклапанных перемычках (рис. 3), использованы следующие уравнения подобия [18, 19] при угловом и осевом входе в канал охлаждающей жидкости соответственно:                 где m = 0,53 (x / d)0,165 – степень влияния скорости потока, зависящая от расстояния от входного сечения канала или полости.    Рис. 3. Полость охлаждения крышки цилиндров Коэффициент теплоотдачи α определяется из числа Нуссельта по выражению α = Nu · λf / d, где λf  – коэффициент теплопроводности жидкости.При принятых значениях средней температуры охлаждающей жидкости (80 °С), ее коэффициента теплопроводности (0,675 Вт/м·К), коэффициента кинематической вязкости (0,365 · 10–6 м2/с), числа Прандтля (2,21) рассчитаны величины коэффициентов теплоотдачи; на поверхностях внутренней полости охлаждения крышки выделены участки поверхностей, в пределах которых значения этих коэффициентов считались условно одинаковыми (рис. 4, табл. 1).    Рис. 4. Распределение значений коэффициента теплоотдачина участках полости охлаждения крышки (1–4) Таблица 1Граничные условия в полости охлажденияУчасток (см. рис. 4)1234Коэффициент теплоотдачи, кВт/(м2·К)2215,5126Температура среды, К353353353353 Построение сетки конечных элементов производилось с учетом рекомендаций [20]. При расчете предполагалось, что крышка цилиндра выполнена из высокопрочного чугуна (ВЧ), ковкого чугуна (КЧ) или чугуна с вермикулярным графитом (ЧВГ), физико-механические свойства которых приведены в табл. 2.Таблица 2Механические и теплофизические свойства чугуновПараметрыВЧКЧЧВГМодуль упругости, МПа1,7·1051,65·1051,71·105Коэффициент Пуассона0,2750,2600,275Коэффициент теплопроводности, Вт/(м·К)35,937,245Плотность, кг/м37 1307 3007 370Коэффициент линейного расширения, 1/°С1,12·10–51,30·10–51,12·10–5 Результаты исследованияВ ходе расчетов определяли поля температур и эквивалентные напряжения и деформации, обусловленные неравномерным температурным полем и закреплениями, а также газовыми силами для двух нагрузочных режимов работы: Ne = 330 кВт, pz = 16 МПа и Ne = 560 кВт, pz = 19 МПа. Некоторые из результатов представлены на рис. 5–7.  Рис. 5. Поле температур, °С, крышки дизеля 8ЧН14/14 (Ne = 330 кВт, n = 1 900 1/мин, КЧ)   Рис. 6. Поле эквивалентных напряжений, МПа, крышки дизеля 8ЧН14/14(Ne = 330 кВт, n = 1 900 1/мин, ВЧ)  Рис. 7. Поле суммарных перемещений, мм, точек огневого днища крышки дизеля 8ЧН14/14(Ne = 330 кВт, n = 1 900 1/мин, ВЧ) Обращают на себя внимание значительные величины суммарных перемещений точек на поверхности днища крышки, обусловленных неравномерным температурным полем (рис. 7). Не исключено, что возникнет необходимость дополнительной механической обработки днища в области перемычек во избежание соударения с поршнем при нахождении последнего в области верхней мертвой точки.Результаты расчетов подтверждают, что при одинаковой тепловой нагрузке максимальные температуры межклапанных перемычек крышки из ЧВГ существенно ниже, чем из КЧ и ВЧ, вследствие более высоких значений коэффициента теплопроводности. Пропорционально возрастают также максимальные напряжения и деформации (табл. 3). Таблица 3Результаты численного экспериментаРезультатNe = 330 кВтNe = 560 кВтВЧКЧЧВГВЧКЧЧВГМаксимальная температура в межклапанных перемычках Т, °С424420393524519491Максимальное эквивалентное напряжение σt, МПа1 1521 1481 0671 2711 4801 231Деформация вследствие неравномерности температурного поля ut, мм0,0950,1060,0870,1210,1340,112Максимальное эквивалентное напряжение при совместномдействии температурного поля и газовых сил σtр, МПа1 1461 2501 0611 4671 0021 172Деформация вследствие неравномерности температурного поля при совместном действии температурного поля и газовых сил utр, мм0,0760,0710,0900,1000,1010,086 Таким образом, при конвертировании тяжелых автомобильных дизелей в судовые для головок цилиндров предпочтительнее использовать ЧВГ. При значительном уровне форсирования двигателя потребуется обеспечение прочности крышки за счет соответствующих термообработок или нанесения теплозащитных покрытий.  ЗаключениеКонвертирование автомобильных дизельных двигателей в судовые сопровождается повышением уровня их форсированности с неизбежным возрастанием тепловых и механических нагрузок на детали цилиндропоршневой группы.Рациональный выбор материалов деталей цилиндропоршневой группы, и прежде всего головки цилиндров, – важнейшая задача обеспечения надежности дизельных двигателей. Для осуществления такого выбора необходима оценка теплонапряженного состояния деталей. В проведенных исследованиях для такой оценки использовались методы численного моделирования.В результате проведенного исследования на основании выполненных расчетов установлено, что при конвертировании тяжелых автомобильных дизелей в судовые для головок цилиндров предпочтительнее использовать ЧВГ. При значительном уровне форсирования двигателя потребуется обеспечение прочности крышки за счет соответствующих термообработок или нанесения теплозащитных покрытий.