повышение долговечности форсунок автотракторных дизелей модернизацией

При дальнейшей работе форсунок происходит накопление энергии и происходит выход трещины на поверхность примыкающих к подножью выступов. Так как образовавшаяся поверхность контакта практически не изменяется, а происходит образование каверн непосредственно у основания выступов, т.е. во впадинах проходное сечение увеличивается, и, как следствие, происходит постепенное снижение гидравлической плотности распылителя, частично износ компенсируется небольшим углублением посадкой шарикового клапана на седло вследствие увеличения линии контакта. В связи с тем, что к данному моменту времени накопление энергии в поверхностном слое незначительно, количество каверн и их размеры незначительны, что приводит к изменению только микрогеометрии поверхностей сопряжения клапана и седла и проходное сечение между соударяющимися телами меняется незначительно.

3. На третьем этапе накопленная в поверхностном слое энергия приводит к усталостному разрушению поверхностного слоя деталей клапанного узла распылителей. Происходит образование и развитие трещин и, как следствие, отслоение значительной части поверхностного слоя, и образование в данном месте больших углублений, что способствует резкому увеличению площади проходного сечения и снижению гидравлической плотности распылителей форсунок.

Для качественной оценки изменения гидравлической плотности вследствие износа теоретически получены зависимости для описания изменения зазора между клапаном и седлом распылителей форсунок на всех трех этапах.

Для определения изменения площади проходного сечения на участки приработки эта зависимость имеет вид:

, (1)

где S0 – исходная площадь проходного сечения, м2;

к – коэффициент пропорциональности;

– доля энергии, затрачиваемая на пластическую деформацию;

с – жёсткость пружины, ;

Н – высота подъёма запорного устройства, м;

– масса подвижных деталей форсунки, кг;

– ускорение земного тяготения, ;

– число оборотов коленчатого вала двигателя, мин-1;

t – время работы распылителя, ч;

– высота деформации микронеровности, ;

– предел упругости материала, МПа;

– исходная опорная поверхность, ;

, , – коэффициенты.

Анализ зависимости (1) показывает, что при постоянстве энергии удара с увеличением происходит пластическая деформация микронеровностей, что приводит к уменьшению высоты микронеровностей и уменьшению площади проходного сечения между клапаном и седлом распылителей форсунок. Эта формула справедлива для участка приработки распылителя, который ограничивается условием , где кв – коэффициент, характеризующий отношение напряжений в поверхностном слое к предельным напряжениям пластической деформации (/ =).

Для участка нормальной работы клапанного узла распылителей форсунок получена зависимость, характеризующая закономерность изменения площади проходного сечения между клапаном и седлом форсунки в процессе наработки, записываемая в виде:

, (2)

где Тк – площадь поверхности контакта у основания микронеровностей, м2;

– допускаемая величина предела выносливости материала, МПа;

– тактность двигателя;

– экспериментально определяемые коэффициенты;

к2 – коэффициент, равный

, (3)

где к1, , – коэффициенты.

Изменение площади проходного сечения на третьем участке определяется по формуле:

, (4)

где k-1 – коэффициент, характеризующий отношение напряжения выносливости материала от ударов клапана по седлу к допускаемой величине предела выносливости материала, МПа;

k3 – коэффициент, определяемый по формуле .

Гидравлическая плотность форсунок на участке приработки определяется по формуле:

, (5)

где в – напряжение, возникающее при контакте микронеровностей МПа;

– объём поверхностного материала, в котором накапливаются напряжения, .

В формуле (5) величина А определяется по выражению:

, (6)

где – удельный вес испытываемого топлива, ;

– коэффициент сжимаемости испытываемого топлива, м2/Н;

– условный объём вытекающего из прибора топлива, м3;

– среднее значение кинематической вязкости топлива для диапазона давлений и , м2/с;

– коэффициент, учитывающий линию контакта L и радиальный зазор между клапаном и седлом форсунки, определяется по формуле

. (7)

На участке нормальной эксплуатации гидравлическая плотность распылителя форсунки будет иметь вид:

. (8)

Зависимости для определения площади проходного сечения (2) и гидравлической плотности распылителей форсунок (8) на участке нормальной эксплуатации справедливы до k-1 = 1.

На участке повышенного износа изменение гидравлической плотности можно аппроксимировать следующим выражением

, (9)

где – гидравлическая плотность на втором участке при к-1 = 1;

l – экспериментальный коэффициент;

– текущее значение наработки на участке повышенного износа;

– значение наработки при коэффициенте упругости к-1 = 1.

Расчётная кривая изменения гидравлической плотности распылителей форсунок по данным формулам представлена на рис. 4.

Рис. 4. Изменение гидравлической плотности клапанного узла распылителей форсунок с шариковым клапаном: с = 65 Н/м; m = 0,0023 кг; Н = 0,00012 м, = 0,5; ; Па

Кривая на рис. 4 качественно даёт представление об изменении гидравлической плотности между клапаном и седлом в процессе эксплуатации форсунки.

Расчеты показали, что изменение гидравлической плотности от времени наработки распылителей форсунок зависят от массы, хода клапана и усилия предварительного натяжения пружины.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» описаны программа, общие и частные методики экспериментальных исследований, применяемая измерительная аппаратура и оборудование.

Экспериментальные исследования топливной системы с разработанными форсунками проводились в три этапа:

– исследование характеристики процесса подачи топлива на безмоторной установке с регистрацией параметров топливоподачи осциллографированием;

– стендовые ускоренные сравнительные износные испытания экспериментальных и базовых, серийно выпускаемых форсунок ФД-22;

– моторные испытания экспериментальных форсунок на двигателе Д-240.

Исследования характеристик впрыска топливной системы с экспериментальными форсунками проводили на установке для осциллографирования на базе 12-канального усилителя. Установка входит в состав тензометрической станции УТС1-ВТ-12/35 на несущей частоте 35кГц. Установку оборудовали платой аналого-цифрового преобразователя ЛА-2М5, устанавливаемой в ISA шину материнской платы персонального компьютера. Для подавления гармоник несущей частоты усилителя был разработан и установлен между усилителем и аналого-цифровой регистрирующей системой электронный полосовой фильтр.

В качестве датчиков давления топлива перед форсункой и перемещения клапана распылителя форсунки использовались тензодатчики и индуктивные датчики конструкции ЦНИТА и ОмГАУ.

Опыты проводились с трехкратной повторностью, и результаты исследований сравнивались с аналогичными данными, полученными при испытании серийной топливной системы двигателя Д-240 с насосом УТН-5 и форсунками ФД-22. Обработка осциллограмм производилась на ПК с помощью математической программы Mathcad. Осциллограммы в виде массивов данных загружались в программную среду Mathcad, где с помощью встроенной функции Гаусса происходило их сглаживание путем усреднения интервалов по пяти точкам.

Для сравнения износостойкости клапанных узлов распылителей форсунок проведены сравнительные ускоренные стендовые испытания, в соответствии с которыми на стенд устанавливались одновременно опытная и серийная форсунка, благодаря чему обеспечивалась идентичность условий их испытания (рис. 5). Для увеличения цикличности работы клапанных узлов использовались разделители подачи топлива 15, установленные перед форсунками 13 и 14, каждый разделитель подсоединен к двум секциям топливного насоса высокого давления 1.

Метод ускоренных испытаний разработан в ЦНИТА, с целью прогнозирования технического моторесурса распылителей. Он позволяет дать сравнительную оценку износостойкости экспериментальных распылителей с базовыми.

При испытаниях использовалось топливо, «запыленное» кварцевыми тонкими микропорошками зернистостью 3–14 мкм до концентрации 50 г абразива на 1 т топлива. Необходимая зернистость получена путем соединения в одинаковой массовой пропорции микропорошков М5, М7, М10 и М14 по ГОСТ 3647-80.

Согласно методике ЦНИТА один час работы топливной аппаратуры в данных условиях соответствует 50 часам работы в условиях реального сельскохозяйственного производства.

Рис. 5. Схема износного стенда ускоренных сравнительных испытаний: 1 – топливный насос высокого давления УТН-5; 2 – стенд для проверки и регулировки топливной аппаратуры КИ-921М; 3 – общая ёмкость с загрязненным алмазной пастой дизельным топливом; 4 – штуцер забора топлива; 5 – топливоподкачивающий насос низкого давления УТН двигателя Д-240; 6 – манометр контроля давления в подкачке; 7 – шланг слива топлива из ванны с мензурками стенда; 8 – топливопровод подачи топлива в полость питания серийного насоса УТН-5 позиции 1; 9 – топливопровод отвода топлива из питающей полости серийного насоса УТН-5 через демпфирующий клапан насоса; 10 – тахометр стенда; 11 – мерительные мензурки; 12 – мерительная мензурка с краном для слива топлива; 13 – серийная форсунка ФД-22 двигателя Д-240; 14 – экспериментальная форсунка клапанного типа; 15 – разделители подачи топлива; 16 – электродвигатель стенда КИ – 921М

Все испытание разбивалось на этапы продолжительностью по 10 ч, по истечении которых топливная система непродолжительное время работала на чистом топливе, для контролирования состояния распылителей со стенда снимались испытываемые форсунки, производились замеры исследуемых показателей: значения гидравлической плотности, герметичности клапанного узла распылителей и качества распыливания топлива. После окончания двух этапов производили замену плунжерных пар и регулировку топливного насоса высокого давления УТН-5.

В качестве наиболее объективного показателя процесса износа распылителей во время сравнительных износных испытаний была принята оценка по показателю снижения гидравлической плотности форсунок, при котором нет необходимости извлекать распылители из корпуса форсунок.

С целью исследования работы двигателя, оснащенного системой питания с экспериментальными форсунками, проведены стендовые моторные испытания на электротормозном стенде RAPIDO, с загрузкой двигателя Д-240 через вал отбора мощности трактора МТЗ-82. Испытания проводились в ФГУ «Сибирская государственная зональная машиноиспытательная станция» Таврического района Омской области, согласно ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний» с построением внешней регуляторной характеристики работы дизеля, оснащенного серийными и экспериментальными форсунками закрытого типа, и определением основных мощностных и экономических показателей работы дизеля Д-240.

В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» изложены и проанализированы результаты экспериментальных исследований.

В результате исследований процесса топливоподачи с экспериментальными форсунками осциллографированием основных параметров характеристики впрыска топлива были обоснованы конструктивные параметры клапанных узлов экспериментальных форсунок, обеспечивающие характеристику впрыска аналогичную по своим основным показателям серийным форсункам ФД-22. Величина предварительного натяжения пружины клапана составляет Fпр.ш = 30–40 Н, при жесткости пружины пр = 55–65 Н/м и массе клапана Мкл = 0,13 г.

Продолжительность впрыска топливным насосом УТН-5 с экспериментальными форсунками составила 12,5° поворота вала насоса при нарастании давления в полости распылителя 8,1 МПа за один градус поворота вала насоса. Приведенные показатели динамики процесса топливоподачи были получены при частоте вращения вала топливного насоса 1100 мин-1 и цикловой подаче, равной 69 мм3 за один цикл. Зависимость хода клапана от величины цикловой подачи приведена на рис. 6.

Рис. 6. Зависимость параметров процесса впрыска от цикловой подачи при частоте вращения 1100 мин-1:

- -- --- – серийные форсунки ФД-22; _____________ – экспериментальные форсунки; 1 – ход иглы и шарикового клапана распылителей; 2 – продолжительность впрыска

Из графика следует, что продолжительность впрыска серийных и экспериментальных форсунок практически одинаковая и увеличивается от 1,0 до 3,2·10-3с. Малая величина хода клапана 0,13 мм при цикловой подаче 80 мм3/цикл, объясняется незначительным дросселированием топлива по сопряжению клапан – седло. Так, при открытии клапана на 0,09 мм проходное сечение между седлом и клапаном становится равным эффективному проходному сечению сопловых отверстий распылителя.

Сравнительные стендовые износные испытания экспериментальных и серийных форсунок ФД-22 установили превышение износостойкости экспериментальных распылителей, работающих на форсунках ФД-22, более чем в два раза в сравнении с серийными распылителями. Это объясняется отсутствием в экспериментальных распылителях прецизионной направляющей поверхности клапана распылителя и большой массы подвижных деталей клапанного узла (иглы, штанги и 1/3 массы пружины), вызывающего в распылителях серийных форсунок большую ударную нагрузку на запорный конус распылителя, гидроабразивное и кавитационное изнашивание прецизионной направляющей поверхностей иглы и корпуса распылителя (рис. 7).

Рис. 7. Графики снижения гидравлической плотности экспериментальных и серийных распылителей форсунок в зависимости от времени работы при стендовых ускоренных сравнительных износных испытаниях:

------------ результаты экспериментов Расчетные кривые по формулам (5, 8, 9); 1, 2 – серийные форсунки ФД-22; 3, 4 – экспериментальные форсунки

Ускоренные стендовые сравнительные износные испытания проводились в трехкратной повторности. В результате экспериментальная погрешность в определении гидравлической плотности на участке приработки составляет 6,11%, коэффициент вариации – 0,0312. Погрешность формулы (5) на участке приработки при определении гидравлической плотности форсунок с беспрецизионным клапанным узлом составляет 8,64%.

Погрешность в определении гидравлической плотности на участке нормальной работы форсунки составляет 4,73%, коэффициент вариации – 0,0242. Погрешность формулы (8) на участке нормальной работы при определении гидравлической плотности форсунок с беспрецизионным клапанным узлом составляет 0,69%.

При обработке экспериментальных данных определили значение коэффициентов и -1, входящих в зависимость (5), для определения изменения гидравлической плотности от времени наработки распылителя форсунки.

Коэффициент , учитывающий линию контакта и радиальный зазор между клапаном и седлом форсунки, равен 4,2·1010 м-1, при этом коэффициент вариации составил 0,075.

Для описания изменения напряжения выносливости материала от ударов клапана по седлу распылителя -1 от времени наработки форсунки была использована зависимость

, (10)

где , и – экспериментально определяемые коэффициенты.

С учётом полученных значений -1 были получены следующие значения коэффициентов: = 0,307692, = 0,044119 и = 0,001. Погрешность в определении -1 равна 1,17%.

При установке экспериментальных форсунок ФД-22 на двигатель Д-240 были сняты мощностные и экономические показатели дизеля по внешней регуляторной характеристике, полностью аналогичные характеристикам работы дизеля со штатными форсунками. Это обстоятельство объясняется идентичностью характеристики впрыска опытных и серийных форсунок, которая главным образом определяется величиной проходного сечения распыливающих отверстий, и тщательной регулировкой системы питания перед постановкой на дизель.

В пятой главе диссертационной работы проведен анализ экономического эффекта от внедрения форсунок данного типа для сельскохозяйственного предприятия. Расчеты показывают, что затраты от переоборудования форсунок ФД-22 беспрецизионным клапанным узлом при увеличении ресурса распылителей в два раза окупаются за 0,96 года. Годовая экономия для парка из 20 тракторов типа МТЗ 80/82 составляет 576 рублей.

ОБЩИЕ выводы

1. В результате анализа имеющихся научных работ установлено:

• долговечность форсунок определяется ресурсом распылителя;
• основными местами локального износа распылителя форсунок закрытого типа, определяющими его ресурс, являются цилиндрическая направляющая поверхность и запорный конус иглы и корпуса распылителя;
• существуют форсунки клапанного типа, в которых используется беспрецизионные сферические клапаны, открывающиеся по потоку топлива, и у которых масса подвижных деталей значительно меньше, чем у форсунок закрытого типа. Однако данный вид форсунок не получил широкого распространения вследствие несовершенной конструкции и малых исследований как по показателям надежности, так и по параметрам процесса топливоподачи.

2. Предложена конструкция форсунки закрытого типа, в распылителе которой в качестве запорного узла используется беспрецизионный сферический клапан, открывающийся по потоку топлива.