بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
تحليل تنش دسته پيستون موتور تراکتور٢٨٥-MF به روش اجزاء محدود
چکيده
تراکتور مسي فرگوسن ٢٨٥، ميزان توليد بسيار بالاتري را در مقايسه با ساير ترکتورها در کشور ايران دارد.قطعات داخلي موتور اين تراکتور از لحاظ ميزان خرابي در رتبه دوم در بين قطعات مختلف اين تراکتور هستند که توجه به اين موضوع ضرورت تحقيق در مورد اجزاي گردنده موتور اين تراکتور را آشکار مي سازد. در اين راستا در اين تحقيق پس از محاسبه دقيق کليه نيروهاي وارد بر دسته پيستون ، دسته پيستون از لحاظ ميزان تنش هاي وارد بر آن به کمک نرم افزار ANSYS تحليل شد. نتايج تحليل نشان مي دهد که بيشينه مقدار تنش در چشم کوچک دسته پيستون و در اثر نيروهاي ناشي از اينرسي اجزا متحرک، نيروي ناشي از جازدن بوش و نيروي ناشي از اصطکاک بين بوش و گژن پين بوجود مي آيد. مقدار اين تنش قدري بيشتر از حد معمول بوده ، براي رفع اين نقيصه بهينه سازي چگونگي اتصال بوش مابين گژن پين و چشم کوچک از طريق کم کردن اصطکاک و حرارت ، تغيير در فرآيند توليد، تغيير در آلياژ دسته پيستون ، بهينه سازي دسته پيستون با بکاربردن عمر خستگي به منظور تعيين توزيع مناسب تنش و در نتيجه افزايش عمر خستگي، بهينه سازي در جرم قطعات رفت و برگشتي، بهينه سازي شکل هندسي دسته پيستون به منظور کاهش جرم و ارتعاش و افزايش ضخامت چشم کوچک به عنوان راهکارهايي براي کاهش مقدار بيشينه تنش پيشنهاد مي گردد.
کليد واژه : تراکتور، دسته پيستون ، موتور، نيرو، تنش
مقدمه :
تراکتورهاي کشاورزي يکي از ارکان مهم مکانيزاسيون را در هر کشوري تشکيل ميدهند. تراکتورها توان لازم براي ماشين هاي خاکورزي ، کاشت ، داشت و برداشت فراهم ميکنند. با توجه به آمار گرفته شده از کاخانه تراکتور سازي ايران بيشترين محصول توليدي ، تراکتور ٢٨٥-MF است . نمودار شکل ١ که آمار توليد انواع تراکتور هاي ساخت کارخانه تراکتورسازي ايران را نشان مي دهد مويد مطلب فوق مي باشد.
شکل ١آمار توليد انواع تراکتور هاي ساخت کارخانه تراکتورسازي ايران
بر طبق تحقيقي که توسط محمودي با موضوع آمار خرابي ها و تعميرات قطعات مختلف تراکتور ٢٨٥-MF انجام گرفت قطعات داخلي موتور (قطعات گردنده داخلي موتور) از لحاظ ميزان خرابي در رتبه دوم پس از پمپ انژکتور بودند[٨]. شکل ٢ اين مطلب را به طور واضح نشان مي دهد. مطالب فوق اهميت تحقيق در مورد اجزاي گردنده موتور اين تراکتور را بيش از پيش آشکار اي گردنده داخلي موتور اين تراکتور به عنوان موضوع تحقيق انتخاب شد.
شکل ٢ مقايسه خرابي قسمت هاي مختلف تراکتور ٢٨٥-MF
موتور تراکتور ٢٨٥-MF موتور پرکنيز چهار سيلندر رفت و برگشتي با آرايش خطي است . کورس پيستون اين موتور ١٢٧ ميليمتر و قطر سيلندر آن ١٠١ ميليمتر ميباشد. همچنين قدرت موتور در سرعت دوراني ٢٠٠٠ دور بر دقيقه ميل لنگ برابر ٧١ اسب بخار و حداکثر گشتاور که در سرعت دوراني ١٣٠٠ دور بر دقيقه ميل لنگ توليد ميشود ٢٧٨ نيوتن متر ميباشد[٢].در سال ١٩٩٥ يک گروه تحقيقاتي در مرکز پژوهشي Yuan-Ze Inst of Tech به بهينه سازي شکل هندسي دسته پيستون با قيد جرم متمرکز جهت توزيع مناسب تنش در آن پرداختند [١٢] . در اين پژوهش تنشها به روش اجزاء محدود (FEM) محاسبه گرديد و در نهايت پروفيل مناسبي براي دسته پيستون بدست آمد.
در سال ١٩٨٨ انجمن مهندسين خودرو (SAE) در طي گزارشي به تحليل نسبتاً جامعي از دسته پيستون پرداخت ، که در آن به بررسي نقاط ضعف و قوت قطعه از ديدگاه عمر خستگي اشاره گرديد. ضمناً عواملي از قبيل تاثير سطوح آهنگري و ماشين کاري در استحکام خستگي، تحليل کمانش دسته پيستون و غيره در اين تحقيق در نظر گرفته شده اند[١٤].
سيد هاشمي افزايش استحکام دسته پيستون پيکان را با تاکيد بر کاهش وزن مورد بررسي قرار داد. ايشان مقادير تنش ون ميسز را در نقاط مختلف دسته پيستون و در سرعت هاي مختلف در ٧٢٠ درجه دوران ميل لنگ با استفاده از روش اجزاء محدود براي تحليل ديناميکي مورد مطالعه قرار داد. نتايج حاصل از مطالعه ايشان نشان داد که با افزايش سرعت وضعيت دسته پيستون بحراني تر و حساس تر ميشود. ميتوان از محل اتصال وزنه تعادل و انتهاي بزرگ دسته پيستون و نشيمن گاه پيچ ها به عنوان حساس ترين قسمت ها که داراي بيشترين مقدار تنش و کمترين ضريب اطمينان ميباشند نام برد[٤].
در اين تحقيق ابتدا دسته پيستون موتور تراکتور ٢٨٥-MF مدل سازي شد و سپس تأثير نيروهاي وارد بر آن به طور دقيق محاسبه شد. پس از محاسبه نيروهاي مختلف وارد بر دسته پيستون تحليل دسته پيستون به کمک نرم افزار ANSYS انجام شد. با استفاده از نتايج تحقيق ، ميتوان در خصوص ضرورت بهينه سازي دسته پيستون مذکور اظهار نظر نمود.
اهداف اين تحقيق عبارتند از:
١- تعيين محل بيشترين و کمترين مقدار تنش در دسته پيستون .
٢- تعيين ضريب اطمينان طراحي براي ضعيف ترين قسمت دسته پيستون .
٣- ارايه راهکاري مناسب براي کاهش ميزان تنش هاي بيشينه
مواد و روش ها:
براي انجام اين تحقيق ابتدا روابط مربوط به نيروهاي مختلف بدست آمدند، سپس براي بدست آمدن مقادير بيشينه نيروي کششي و فشاري نمودار نيروي کل در طول يک سيکل کاري به کمک نرم افزار مطلب ترسيم گرديد، پس از محاسبه نيروها دسته پيستون به کمک نرم افزار ANSYS مدل سازي، مش بندي و تحليل تنشي شد.
چشم کوچک دسته پيستون تحت تاثير نيروهاي زير قرار ميگيرد ١-نيروياينرسي ناشي از جرم پيستون ، گژن پين ، بوش ، دسته پيستون و لنگ ميل لنگ ٢-نيروي گازي ناشي از احتراق ٣-نيروي نا ي از جا زدن دسته پيستون و نيروي ناشي از اصطکاک بين بوش و گژن پين ٤-نيرويضربه اي ناشياز لقيبين بوش و گژن پين [٩].
١- نيروهاياينرسي :نيروهاياينرسي به دو دسته نيروياينرسي رفت و بر گ تي حاصل از جرم رفت و برگشتي (جرم پيستون ، قسمتي از دسته يستون ، بوش و گژن پين )و نيروياينرسي دوراني حاصل از جرم دوراني (جرم لنگ ميل لنگ و قسمتي از دسته پيستون ) تقسيم مي شوند.نيروياينرسي رفت و بر گشتي به صورت زير بيان مي شوند.
Fi نيروياينرسي رفت و برگشتي (N)
ma جرم رفت و بر گشتي (Kg)
R شعاع لنگ (m)
سرعت دوراني (Rad.s)
زاويه اي که لنگ ميل لنگ با محور مرکزي سيلندر مي سازد (deg)
نسبت ميله مي باشد که به صورت رابطه زير تعريف مي شود
L طول دسته پيستون (m)
نيروياينرسياينرسي دوراني به صورت زير بيان مي شود.
mR جرم دوراني (Kg)
FR نيروي اينرسي دوراني (N)
مطابق شکل (٣) داده هاي آزمايشگاهي ح کي از آن است که نيروياينرسي بطور يکنواخت بر سطح مياني چشم کوچک توزيع مي گردد [١٠]مقدار اين نيروي گسترده با انتگرالگيري محاسبه مي شود و به صورت زير بيان ميگردد.
Pi نيرو در واحد سطح (N.m2)
ls عرض چشم کوچک (m)
Fi نيروي اينرسي
rm شعاع متوسط چشم کوچک دسته پيستون (m)
شکل ٣ توزيع نيروي اينرسي روي چشم کوچک
٢-نيروي حاصل از فشار احتراق :مقدار بيشينه فشار داخل محفظه احتراق به کمک نمودار انديکاتوري واقعي برابر با ٢٧٠٠ کيلو پاسگال به دست آمد. مطابق شکل (٤) داده هاي آزمايشگاهي ح کي از آن است که نيروي فشار احتراق به طور سينوسي بر سطح مياني چشم کوچک توزيع مي گردد[١٠] مقدار اين نيرونيز با انتگرالگيري محاسبه مي گرددو به صورت زير محاسبه شود.
شکل ٤ توزيع نيروي فشار گاز روي چشم کوچک
٣-نيروي ناشي از جازدن بوش و نيرويناشي از اصطکاک بين بوش و گژن پين : بوش ها در دسته پيستون معمولاً بطور فشاري جا زده مي شوند در نتيجه مقداري تنش اوليه در دسته پيستون ايجاد مي گردد.از طرفي بدليل وجود اصطکاک در محل تماس بوش و گژن پين ، درجه حرارت بوش افزايش مي يابد و چون جنس دسته پيستون و بوش متفاوت است . مقداري اختلاف طول ايجاد مي گردد که سبب ايجاد تنش فش ري در بوش و تنش کششي در دسته پيستون مي گردد. رابطه اي که براي بدست آوردن فشار ناشي از دو پارامتر فوق استفاده ميشود به صورت زير بيان ميشود[٩].
مجموع اختلاف قطر اوليه و اختلاف قطر ناشي از اصطکاک
dsu قطر خارجي چشم کوچک
dsi قطر داخلي چشم کوچک
Uضريب پواسون
