Разраб. мероприятий по сниж. тем-ры поршня для применения турбонаддува на тракторном дизеле Д-144. Нанесение спец. теплоиз. покрытия на пов. поршня

Темой моего дипломного проекта стала разработка мероприятий по снижению температуры поршня для применения турбонаддува на тракторном дизеле.
В качестве прототипа был выбран дизельный двигатель Д-144 (ЛИСТ 1), который устанавливается на трактор ЛТЗ-55.
Установка турбокомпрессора несомненно увеличивает нагрузку на большинство деталей и узлов двигателя, особенно негативно сказывается на деталях цилиндро-поршневой группы: шатун, палец, втулка верхней головки шатуна (ЛИСТ 2), поршень (ЛИСТ 3), поэтому при написании дипломного проекта необходимо было рассчитать их возможности, выдержат ли они увеличенные нагрузки.
Наиболее слабым и уязвимым местом в случае установки на двигатель наддува является поршень. Увеличение среднего эффективного давления обязательно увеличивает температуру внутри камеры сгорания, итогом становится то, что температура поршня в режиме номинальной мощности работы двигателя в зоне канавки верхнего компрессионного кольца начинает превышать критическую согласно расчетов в конструктивной части 6 и графику приведенному на ЛИСТЕ 4, графической части на 3,5о градуса, что без условно не допустимо.
Поэтому необходимо было разработать какие-нибудь мероприятия, которые содействовали бы снижению уровня теплонапряженности поршня в самых его критических точках.
Для этого мне потребовалось изучить все возможные на сегодняшний день способы охлаждения поршня и снижения уровня его теплонапряженности (ЛИСТ 5). На листе 5, представлено 4 вида вариантов охлаждения поршня:
1. Масляное – состоит из 4ех способов;
2. Применение жаростойких накладок на днище поршня;
3. Использование полостей в поршне наполненных легкоплавкими металлами;
4. Напыление на днище поршня теплоизолирующих керамических материалов.
Одним из основных достоинств последнего способа, почему я собственно и остановился на нем в процессе разработки своего дипломного проекта стало, способность, как видно из названия, снижать количество теплового потока проходящего через поршень.
Обращаю Ваше внимание на ЛИСТ 6 (Принцип распределения тепла в двигателе).
Всем известно, что в процессе сгорания топлива энергия от его сгорания делится на три не равные части:
1ая – энергия тепла превратившаяся в полезную работу;
2ая часть – тепло ушедшее с отработавшими газами, в нашем случае, благодоря установленному турбо-компрессору мы его частично используем;
и 3ая часть – тепло отведенное через стенки деталей камеры сгорания и ушедшее в систему охлаждения двигателя – ПО СУТИ ТЕПЛО КОТОРОЕ НЕ РАБОТАЕТ.
Дак вот применение керамического напыления будет способствовать снижению уровня теплового потока через стенку поршня и разумеется приводя в порядок температурный режим работы поршня, это видно из ЛИСТА 7 графической части проекта и расчетов в части 6 РПЗ.
Наиболее эффективным материалом на сегодняшний день является двуокись циркония, стабилизированная окисью иттрия.
Наносить теплоизолирующее покрытие предлагается в три слоя:
1й – подслой;
2й – демпферный слой;
3й – основное теплоизолирующее покрытие.
Подробный и полный состав каждого слоя указан на ЛИСТЕ 3 (чертеж поршня) и ЛИСТЕ 8 графической части разработанной мной в процессе написания дипломного проекта технологической инструкции по напылению керамической теплоизоляции на днище поршня.

Наиболее экономически оправдано наносить керамическое покрытие на днище поршня в процессе проведения капитального ремонта двигателя, так как в этом случае не будет дополнительных затрат на разборку-сборку двигателя, на приобретение ремкомплектов и расходных материалов. Так же в процессе капитального ремонта двигателя в связи с износом, растачивают стенку цилиндра (на Д-144 нет гильзы), что вызывает необходимость приобретения ремонтного комплекта поршней.
Расчеты, приведенные в части 7 РПЗ учитывают:
1. Затраты на необходимые только для внедрения разработки в жизнь детали, комплектующие и расходные материалы;
2. Затраты на оплату труда рабочим;
3. И прочие затраты, включающие в себя расходы на э/э, амортизацию оборудования, технический газ необходимый для напыления.
(график 1 ЛИСТА 9)

Т.к. топливная аппаратура дизеля, не претерпела ни каких изменений и регулировок, а мощность благодаря установленному турбокомпрессору возросла, значит стоимость вырабатываемой дизелем мощности уменьшилась.
О стоимости выработки 1кВт*ч мощности, выраженной в стоимости топлива говорит нам график 2 ЛИСТА 9
Окупаемость проекта согласно расчетов приведенных в части 7 РПЗ, представляется возможной после 175 часов работы двигателя в режиме максимальной (номинальной мощности).

Содержание:

Реферат 4
Введение 6
1. Тепловой расчет двигателя. 8
2. Определение показателей двигателя.
2.1 Индикаторные показатели рабочего цикла. 17
2.2 Эффективные показатели двигателя. 17
2.3 Основные размеры цилиндра и характеристики двигателя. 18
2.4 Построение индикаторной диаграммы. 19
2.5 Построение внешней характеристики. 20
3. Кинематический и динамический расчет двигателя.
3.1 Кинематический расчет двигателя. 23
3.2 Динамический расчет кривошипно-шатунного механизма. 23
4. Расчет на прочность.
4.1 Расчет на прочность поршня. 32
4.2 Расчет на прочность поршневого пальца. 35
4.3 Расчет на прочность стенки гильзы цилиндра. 36
4.4 Расчет на прочность шатуна. 48
5. Тяговый расчет дизеля.
5.1 Определение дизеля по тяговому усилию. 43
5.2 Массовые параметры трактора. 44
5.3 Потребная мощность двигателя. 44
5.4 Подсчет КПД 55
6. Конструктивная часть.
6.1 Обоснование проекта. 46
6.2 Конструктивные решения. 48
6.3 Технология плазменного напыления двуокиси циркония ZnO2 на днище поршня.
50

6.4 Определение параметров поршня без термоизолирующего покрытия.

53
6.5 Определение параметров поршня с термоизолирующим покрытием из двуокиси циркония ZnO2.
68
7. Экономическая часть.
7.1 Расчет затрат. 62
7.2 Расчет окупаемости проекта. 63
8. Безопасность жизнедеятельности.
8.1 Безопасность жизнедеятельности на производстве. 65
8.2 Безопасность жизнедеятельности в черезвычайных ситуациях. 76
9. Экологическая безопасность.
9.1 Правовая охрана окружающей среды. 80
9.2 Анализ влияния с/х техники на окружающую среду и рекомендации по ее охране.
83
9.3 Экологическая экспертиза внедряемой конструкции. 86
Заключение. 88
Список использованной литературы.
Приложение 90

Темой моего дипломного проекта стала разработка мероприятий по снижению температуры поршня для применения турбонаддува на тракторном дизеле.
В качестве прототипа был выбран дизельный двигатель Д-144 (ЛИСТ 1), который устанавливается на трактор ЛТЗ-55.
Установка турбокомпрессора несомненно увеличивает нагрузку на большинство деталей и узлов двигателя, особенно негативно сказывается на деталях цилиндро-поршневой группы: шатун, палец, втулка верхней головки шатуна (ЛИСТ 2), поршень (ЛИСТ 3), поэтому при написании дипломного проекта необходимо было рассчитать их возможности, выдержат ли они увеличенные нагрузки.
Наиболее слабым и уязвимым местом в случае установки на двигатель наддува является поршень. Увеличение среднего эффективного давления обязательно увеличивает температуру внутри камеры сгорания, итогом становится то, что температура поршня в режиме номинальной мощности работы двигателя в зоне канавки верхнего компрессионного кольца начинает превышать критическую согласно расчетов в конструктивной части 6 и графику приведенному на ЛИСТЕ 4, графической части на 3,5о градуса, что без условно не допустимо.
Поэтому необходимо было разработать какие-нибудь мероприятия, которые содействовали бы снижению уровня теплонапряженности поршня в самых его критических точках.
Для этого мне потребовалось изучить все возможные на сегодняшний день способы охлаждения поршня и снижения уровня его теплонапряженности (ЛИСТ 5). На листе 5, представлено 4 вида вариантов охлаждения поршня:
1. Масляное – состоит из 4ех способов;
2. Применение жаростойких накладок на днище поршня;
3. Использование полостей в поршне наполненных легкоплавкими металлами;
4. Напыление на днище поршня теплоизолирующих керамических материалов.
Одним из основных достоинств последнего способа, почему я собственно и остановился на нем в процессе разработки своего дипломного проекта стало, способность, как видно из названия, снижать количество теплового потока проходящего через поршень.
Обращаю Ваше внимание на ЛИСТ 6 (Принцип распределения тепла в двигателе).
Всем известно, что в процессе сгорания топлива энергия от его сгорания делится на три не равные части:
1ая – энергия тепла превратившаяся в полезную работу;
2ая часть – тепло ушедшее с отработавшими газами, в нашем случае, благодоря установленному турбо-компрессору мы его частично используем;
и 3ая часть – тепло отведенное через стенки деталей камеры сгорания и ушедшее в систему охлаждения двигателя – ПО СУТИ ТЕПЛО КОТОРОЕ НЕ РАБОТАЕТ.
Дак вот применение керамического напыления будет способствовать снижению уровня теплового потока через стенку поршня и разумеется приводя в порядок температурный режим работы поршня, это видно из ЛИСТА 7 графической части проекта и расчетов в части 6 РПЗ.
Наиболее эффективным материалом на сегодняшний день является двуокись циркония, стабилизированная окисью иттрия.
Наносить теплоизолирующее покрытие предлагается в три слоя:
1й – подслой;
2й – демпферный слой;
3й – основное теплоизолирующее покрытие.
Подробный и полный состав каждого слоя указан на ЛИСТЕ 3 (чертеж поршня) и ЛИСТЕ 8 графической части разработанной мной в процессе написания дипломного проекта технологической инструкции по напылению керамической теплоизоляции на днище поршня.

Наиболее экономически оправдано наносить керамическое покрытие на днище поршня в процессе проведения капитального ремонта двигателя, так как в этом случае не будет дополнительных затрат на разборку-сборку двигателя, на приобретение ремкомплектов и расходных материалов. Так же в процессе капитального ремонта двигателя в связи с износом, растачивают стенку цилиндра (на Д-144 нет гильзы), что вызывает необходимость приобретения ремонтного комплекта поршней.
Расчеты, приведенные в части 7 РПЗ учитывают:
1. Затраты на необходимые только для внедрения разработки в жизнь детали, комплектующие и расходные материалы;
2. Затраты на оплату труда рабочим;
3. И прочие затраты, включающие в себя расходы на э/э, амортизацию оборудования, технический газ необходимый для напыления.
(график 1 ЛИСТА 9)

Т.к. топливная аппаратура дизеля, не претерпела ни каких изменений и регулировок, а мощность благодаря установленному турбокомпрессору возросла, значит стоимость вырабатываемой дизелем мощности уменьшилась.
О стоимости выработки 1кВт*ч мощности, выраженной в стоимости топлива говорит нам график 2 ЛИСТА 9
Окупаемость проекта согласно расчетов приведенных в части 7 РПЗ, представляется возможной после 175 часов работы двигателя в режиме максимальной (номинальной мощности).

Список литературы:

1. «Атлас машиностроителя», Изд. Машиностроение, Москва, 1973.
2. Байкин Ю.Л., Федоров А. Н., «Охрана окружающей среды» Методические указания по выполнению экологического раздела дипломных проектов.- Екатеринбург, 2014., Изд-во УрГАУ. -27с.
3. Белов С.В., «Безопасность жизнедеятельности» Учебник для вузов. М., Высшая школа., 2012 - 606 с.
4. «Виды охлаждения поршня» Сайт: http://www.a-tuning.ru/.
5. Гальперин М.В. Экологические основы природопользования: учебник. 2-е изд., испр. – М.: ИД «Форум», 2009. – 256 с.: ил. – (Профессиональное образование).
6. ГОСТ 12.1.004-91. Пожарная безопасность. Общие требования.
7. Дипломное проектирование, Методические рекомендации для студентов специальности 311900 «Технология обслуживания и ремонта машин в агропромышленном комплексе», Екатеринбург, 2005. - 75 стр.
8. Занько Н.Г, Малаян К.Р, Русак О.Н. «Безопасность жизнедеятельности» Учебник для вузов. - 13 издание исправленное.- СПб.- Москва-Краснодар: Лань, 2010.- 672 с.: ил.
9. Кожевникова Н.Ю. Методические указания по содержанию раздела «Безопасность жизнедеятельности» в дипломных работах. – Екатеринбург, 2014., Изд-во УрГАУ 2014 – 8с.
10. Колчин А. И., Демидов В.П., «Расчёт автомобильных и тракторных двигателей» - М.: Высшая школа, 2002. - 496 стр.
11. «Конституции Российской Федерации» (1993г.) с последними изменениями от 05 февраля 2014 г Эл. ресурс: http://www.rg.ru/. (дата обр. 2.05.2014)
12. Луканин В.Н., «Теплотехника». Учебник для вузов. М.: Высшая школа, 2-е изд., 2000,- 673стр.
13. «Методика определения экономической эффективности технологий и сельскохозяйственной техники». - М.: ВНИЭСХ, 1998.

14. Новопашин Л.А., Денежко Л.В., Огнев И.Г., Методические пособия к выполнению курсовой работы по дисциплине «Тракторы и автомобили», Екатеринбург, 2012 - 83 стр.
15. Николаенко А.В., «Теория, конструкция и расчёт автотракторных двигателей», - М.: Колос, 1984. - 335 стр.
16. НПБ 105-03. Нормы пожарной безопасности. Определение категорий помещений, зданий и наружных установок по взрывопожарной и пожарной опасности.
17. Оборудование для плазменного напыления. Эл. ресурс:
http: //plasma.megamir.ru/. (дата обр. 24.04.2014)
18. Плазменное напыление покрытий. Эл.ресурс: http://weldzone.info/. (дата обр. 24.04.2014)
19. Сидоров А.П., Восстановление деталей машин напылением и наплавкой. -М.: Машиностроение, 1997. - 192 стр/
20. Тяговые характеристики сельскохозяйственных тракторов. Альбом - справочник. - М.: - Россельхозиздат, 1979. - 240 стр.
21. Федеральный Закон «Об охране окружающей среды» Эл. ресурс: http://www.consultant.ru /. (Дата обращения 2.05.2014).
22. Xовах М.С., Маслов Г.С., «Автомобильные двигатели» - учебник для техникумов, М.:Машиностроение 1991., 456 стр.
23. Халанский В.М., Горбачев И.В. «Сельскохозяйственные машины» М.: Колос, 2004. — 624 с.: ил.
24. Черноиванов В.И., «Техническое обслуживание и ремонт машин в сельском хозяйстве». - М.: Челябинск: ГОСНИТИ, ЧГАУ, 2003. - 992 стр.
25. Эфрос В.В., Ерохин Н. Г., Кульчицкий Р. И. и др.; «Дизели с воздушным охлаждением Владимирского тракторного завода» - М.: Машиностроение, 2006, - 277 с.