Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1 Анализ характеристик топливных насосов высокого давления автотракторных дизелей - 7
1.2 Выбор и обоснование объекта-исследования- -13
1.3 Характеристика объекта исследования -14
1.4 Анализ повреждений плунжерных пар ТНВД -17
1.5 Общие вопросы диагностики плунжерных пар ТНВД - 22
. 1.6 Существующие методы диагностики плунжерных пар ТНВД - 24
1.7 Цель и задачи исследования - 34
2. Методика исследования плунжерных пар ТНВД
2.1 Общая методика исследования - 36
2.2 Методика определения износов плунжерных пар - 37
2.3 Методика обработки круглограмм плунжерных пар -40
2.4 Методика расчета площади износа у втулки и плунжера - 46
2.5 Методика определения длин стоков для расчета утечек топлива - 47
2.6 Методика проведения эксперимента по снятию характеристики нагнетания топлива плунжерной парой -53
2.7 Методика обработки экспериментальных данных по интенсивности нагнетания топлива плунжерной парой в период активного хода плунжера - 61
3. Теоретические предпосылки для диагностики плунжерных пар динамическим методом
3.1 Условные обозначения, принятые при теоретическом исследовании - 70
3.2 Выбор и обоснование характеристик датчика давления, определяющего техническое состояние плунжерной пары ТНВД - 73
3.3 Выбор модели описывающей процесс топливоподачи в дизелях с учетом утечек топлива -84
3.4 Методика расчета утечек в плунжерной паре -86
3.5 Моделирование процесса топливоподачи топливным насосом в период активного хода плунжерной пары - 90
3.6 Выбор и обоснование диагностического параметра - 101
3.7 Методика определения длительности активного хода плунжера -103
3.8 Обоснование места установки датчика давления -108
3.9 Обоснование способа синхронизации диагностического сигнала с этапами работы плунжерной пары -109
4. Разработка измерительной системы для диагностики плунжерных пар динамическим методом
4.1 Структура измерительной системы - 112
4.2 Обоснование и выбор параметров измерительной системы - 112
4.3 Алгоритм обработки данных по интенсивности нагнетания топлива - 128
5. Экспериментальная проверка методики оценки технического состояния плунжерной пары динамическим методом
5.1 Исследования изменения величины объемного износа в зависимости от длительности активного хода плунжерной пары - 140
5.2 Определение факторов, влияющих на цикловую подачу топлива при проведении исследований -143
5.3 Выбор метода определения длительности активного хода - 147
5.4 Обоснование режима диагностирования плунжерных пар динамическим методом - 149
5.5 Исследование зависимости интегральной эффективности нагнетания от объемного износа плунжерных пар - 152
5.6 Исследование зависимости интегральной эффективности нагнетания от цикловой подачи топлива плунжерной парой -159
6. Рекомендации по применению методики регулировки ТНВД
с помощью измерительной системы для диагностики плунжерных пар - 166
Основные результаты и выводы -173
Литература
- Анализ характеристик топливных насосов высокого давления автотракторных дизелей
- Методика определения износов плунжерных пар
- Условные обозначения, принятые при теоретическом исследовании
- Обоснование и выбор параметров измерительной системы
Введение к работе
От топливной аппаратуры зависят основные мощностные и экономические показатели дизеля, его надежность, стабильность параметров, удельные массовые и объемные характеристики, уровень создаваемого звука, а также токсичность и дымность отработавших газов [13, 20, 30, 32, 60, 88, 115, 116, 119, 95]. Топливная аппаратура АТД должна обеспечить подачу за короткий промежуток времени (0,001—0,01 с) точно дозированных малых порций топлива (10— 500 мм2), в заданный период рабочего цикла в цилиндры дизеля в соответствии с порядком их работы под высоким (до 100 МПа и более) давлением, изменяющимся по определенному закону.
Показатели стабильности топливной аппаратуры. Топливная аппаратура должна создавать одинаковые условия для работы различных цилиндров дизеля и в связи с этим обеспечивать идентичность подачи топлива в каждый цилиндр дизеля по следующим показателям: цикловая подача, действительный угол подачи топлива и характеристике впрыскивания. Различие в этих показателях приводит к перегрузке некоторых цилиндров при работе на максимальных нагрузочных режимах, что сокращает срок службы дизеля, а в форсированных по коэффициенту избытка воздуха дизелях может приводить к ухудшению топливной экономичности.
При работе на режимах холостого хода отсутствие необходимой равномерности подач топлива гго цилиндрам затрудняет обеспечение устойчивой работы дизеля и приводит к осмоленню деталей камеры сгорания.
При проведении регулировок топливной аппаратуры бывшей в эксплуатации возникает необходимость устранять неравномерность топливопо-дачи по секциям топливного насоса высокого давления (ТНВД). Регулировка неравномерности подачи топлива осуществляется поворотом втулки плунжера, а так как плунжерные пары обладают определенным износом, то возникает ситуация при которой не удается добиться нормативных значений параметров топливоподачи. Следовательно, существует проблема - возмож-
но ли произвести регулировку данных плунжерных пар и в целом всего ТНВД. Для решения этой проблемы необходимо точно знать техническое состояние плунжерных пар и однозначно определять его. Следовательно, вопрос диагностики плунжерных пар является актуальным.
Анализ характеристик топливных насосов высокого давления автотракторных дизелей
Эффективность использования техники в агропромышленном комплексе во многом зависит от умения эксплуатировать тракторы и комбайны с учетом конкретных условий сельскохозяйственного производства.
Эта задача успешно решается лишь при хорошем знании конструкции и умении регулировать параметры и основные узлы двигателей тракторов и комбайнов, в частности их важнейшей системы - топливной.
Топливная система в отечественных тракторных и комбайновых дизелях состоит в зависимости от типа из следующих основных элементов: топливного бака, топливопроводов низкого давления, фильтра грубой очистки топлива, насоса топливоподкачивающего, фильтра тонкой очистки топлива, топливного насоса высокого давления, регулятора, топливопроводов высокого давления. Топливная система дополнительно может включать также различного рода корректоры, устройства опережения впрыскивания, подогреватели топлива и др.[34,П, 17,38,50,52,71,77,76,78,87,116,139].
Наиболее важный элемент топливной системы - топливный насос высокого давления. Топливный насос предназначен подавать к форсункам под высоким давлением точно дозированное в соответствии с данной нагрузкой дизеля количество топлива в определенный промежуток времени. Основные параметры современных топливных насосов представлены в таблице 1.1, 1.2,1.3 [133,134,120,72,114,31].
Топливные насосы быстроходных тракторных и комбайновых дизелей классифицируют по следующим признакам: числу насосных элементов, способу распределения топлива, способу дозирования топлива.
По числу насосных элементов различают одно- и многоплунжерные насосы. По способу распределения топлива насосы подразделяют на рядные и распределительные. В рядных насосах каждая плунжерная пара обслуживает один цилиндр дизеля. По способу компоновки насосных элементов многоплунжерные рядные топливные насосы разделяют на блочные и секционные.
В блочных насосах все элементы, нагнетающие топливо, и привод объединены в одну сборочную единицу. К этой группе относят топливные насосы типа 4ТН, УТН-5 и др.
В секционных насосах насосные элементы монтируют в специальные корпуса — секции, которые размещают в общем корпусе. Плунжеры секций обычно приводятся от одного общего кулачкового вала, размещенного в корпусе насоса. К секционным относят насосы дизелей КДМ-100, Д-108 и др.
В последнее время разработаны и выпускаются рядные V-образные топливные насосы для дизелей с таким же расположением цилиндров. Основным преимуществом таких топливных насосов является малая длина, что способствует лучшему размещению насоса на дизеле.
Длительное применение рядных топливных насосов объясняется простотой их изготовления, универсальностью и надежностью в эксплуатации. Кроме того, достаточно просто выполняется распределение и дозирование топлива. Однако рядные топливные насосы имеют существенные недостатки. Основными из недостатков являются большие габаритные размеры и масса; большая металлоемкость и наличие значительного количества трудоемких в изготовлении прецизионных пар. Вследствие того, что идентичность подачи топлива насосными элементами многоплунжерного рядного насоса достигается регулировкой, требуются дополнительные затраты для обслуживания топливной аппаратуры в процессе эксплуатации.
В зависимости от расстояния между осями плунжеров рядные топливные насосы разделяют на размерные группы.
Более совершенными, по сравнению с рядными, являются распределительные топливные насосы. У них значительно меньше общее количество деталей, количество насосных элементов, габаритные размеры и масса, чем у рядных насосов. Это достигается применением минимального количества насосных элементов. Для обеспечения подачи топлива к форсункам четырехцилиндрового дизеля достаточно иметь одну прецизионную пару. Распределительные насосы могут быть плунжерные и роторные. В плунжерном распределительном насосе плунжеры одновременно выполняют функции нагнетания и распределения топлива, совершая возвратно-поступательное и вращательное движение. Существуют два различных конструктивных решения в компоновке плунжерных распределительных насосов. В первом случае рабочая головка размещается на одной оси с механизмом привода, во втором головка располагается под углом 90 к валу привода. При компоновке по второй схеме конструкция механизма, передающего плунжеру вращательное движение, сложнее.
Плунжерные насосы распределительного типа не имеют принципиальных преимуществ по сравнению с рядными с точки зрения повышения надежности силовых элементов. Этот недостаток ограничивает форсирование насосов по частоте вращения кулачкового вала.
На ЫЗТА, ХТЗ и других предприятиях были изготовлены и проходили испытания распределительные насосы роторного типа. Прецизионной парой этих насосов является ротор-распределитель с оппозитно расположенными нагнетательными плунжерами.
В роторных насосах нет высоконагруженных подшипников и пружин, отсутствует механизм для регулирования равномерности подачи топлива. Для надежной работы насоса требуется очень высокая точность изготовления прецизионных деталей и многократная тщательная мойка деталей в процессе сборки насоса. Необходима также тонкая фильтрация топлива.
На рядных, а также на плунжерных распределительных топливных насосах тракторных и комбайновых дизелей применяется дозирование топлива отсечкой в конце нагнетания. Втулка плунжера имеет два окна: верхнее - для наполнения надплунжерного пространства топливом, нижнее — для отсечки топлива при окончании подачи.
Методика определения износов плунжерных пар
Общая методика исследований базируется на последовательном выполнении отдельных разделов по этапам с учетом опыта предыдущих работ.
Исследование и разработка методики диагностирования плунжерной пары динамическим методом проводилась в несколько этапов.
На первом этапе изучалась и анализировалась априорная информация: по вопросам диагностики технического состояния плунжерных пар, по оборудованию применяемому для диагностики плунжерных пар. На основании проведенного анализа сформулированы цели и задачи исследования.
Второй этап выполнения работы состоит в методической обеспеченности решения задач исследования, сформулированных на предыдущем этапе. На этом этапе разработаны методики: исследования износов плунжерных пар, определения длин стоков для гидродинамического расчета с учетом влияния износов в плунжерных парах, проведения эксперимента по фиксированию диагностического параметра, обработки экспериментальных данных.
На третьем этапе выполнялось исследование параметров топливопода-чи автотракторных топливных насосов высокого давления. По результатам исследования определен частотный диапазон параметров тогшиволодачи, установлен диапазон давлений, развиваемый автотракторными ТНВД. Выполнялось математическое моделирование процесса подачи топлива с учетом влияния на него износов плунжерной пары. По результатам математического моделирования определен диагностический параметр, определено место для установки датчика, обоснован способ фиксирования диагностического сигнала и его синхронизация с этапами работы плунжерной пары.
На четвертом этапе, по результатам предыдущего, обоснованы технические требования и определены основные принципы функционирования диагностической установки.
На пятом этапе проводились экспериментальные исследования. Объектом исследования выбрана плунжерная пара топливного насоса УТН-5 в комплекте с форсунками двигателя Д-144.
Во время исследований фиксировались следующие данные: изменение давления у штуцера топливного насоса с частотой ЮОкГц, скорость вращения вала ТНВД, перемещение рейки, давление топлива в головке ТНВД, подача топлива форсунками.
При исследованиях использованы: датчик давления ДДЭ-084, аналого-цифровой преобразователь ЮОкГц (разрядность 16 бит), персональный компьютер на базе процессора Intel Pentium 4 3.0 гГц, устройство для синхронизации диагностического сигнала. Задачи с обработкой числовых данных решены с помощью аналитических систем MATLAB 6.5, STATISTIGA 6.0, STATGRAPHICS Plus 5.0.
Испытание топливного насоса проводилось на стенде КИ-15711. Профиль плунжерных пар измерялся с помощью измерительной системы «ТА-LYROND».
С целью определения износов плунжерных пар, отобраны случайным образом плунжерные пары, поступившие на ремонт вместе с ТНВД.
В существующих технических условиях на ремонт дизельной топливо-подающей аппаратуры [130] не содержатся положения по дефектации прецизионных деталей. Это, видимо, связано с тем, что до настоящего времени в ремонтном производстве нет достаточно точных приборов для разбраковки этих деталей [143]. А проведение микрометража сопряжено с большими трудностями, связанными с необходимостью- дорогостоящих и сверхточных приборов.
Поэтому микрометрирование проводилось только для небольшого количества деталей с целью определения значений износа и его формы.
Из анализа, априорных источников, следует, что износ плунжера колеблется в интервале 3-20 мкм. Учитывая это, оценку величины износа плунжерной пары проводили на приборе « TALYROND».
В качестве средств измерения применялся кругломер « TALYROND», который обладает большой разрешающей способностью, позволяет контролировать погрешности: геометрических форм вала и глубоких отверстий малого диаметра с точностью до 0,2 мкм и производить запись формы измеряемых участков на бумагу электрографическим способом. Круглограммы и профилограммы характеризуют не только величину износа, но и реальную форму, как поперечного сечения деталей, так и образующих цилиндрических поверхностей прецизионных деталей. Принцип действия прибора основан на принципе ощупывания исследуемой поверхности алмазной иглой с весьма малым радиусом закругления и преобразования колебаний иглы в электрический сигнал.
Изучение характера разрушения поверхностей плунжерных пар и определение зоны максимальных местных износов производилось методом профилографирования золотниковой части плунжера и рабочей поверхности втулки, расположенной выше кромки впускного отверстия. Места снятия профилограмм износа плунжера и втулки были установлены путем предварительного осмотра зон износа. Профилограммы износа плунжера и втулки снимались в пяти сечениях, отстоящих друг от друга на 1мм. Схема измерения представлена на рисунке 2.1. Количество сечений выбрано из условия, что для установления общей закономерности и точного численного значения функции износа, кривая должна быть обоснована минимум пятью точками [27].
Условные обозначения, принятые при теоретическом исследовании
В качестве диагностического параметра предлагается использовать значение площади под кривой интенсивности нагнетания, где предел интегрирования ограничен длительностью активного хода. Кривую интенсивности нагнетания можно получить, используя датчик давления. Следовательно, необходимо определить параметры датчика давления, а именно: частотный диапазон датчика, предел измеряемого давления.
Из анализа проведенного в разделе 1.1 у большинства тракторных и комбайновых ТНВД максимальное давление нагнетания составляет 40 МПа. Поэтому необходимый диапазон давлений, фиксируемый датчиком, должен лежать в пределах 0-40 МПа и более.
Измерения давления в топливоподающей аппаратуре имеют характерные особенности, обусловленные большими скоростями протекания процесса то-пливоподачи - высокой цикличностью и малой длительностью при большой крутизне переднего и заднего фронтов.
К основным параметрам единичного процесса впрыскивания топлива относят [78]: - цикловую подачу топлива, Q. - характеристику впрыскивания топлива Q -F( ), смотрите рисунок 3.1. Частные параметры единичного процесса впрыскивания топлива: - (р г - геометрическая продолжительность подачи топлива, град - скорость нарастания давления впрыскивания. - Ртах- максимальное давление нагнетания топлива, смотрите рисунок 3.2 На основании данных раздела 1.1, продолжительность процесса подачи топлива лежит в интервале 8-15 градусов. Дальнейшие расчеты производятся для приведенного диапазона угла поворота кулачкового вала насоса.
Для исследования частных параметров единичного процесса впрыска топлива необходимо определить частотный диапазон датчиков, фиксирующих данные параметры единичного впрыска.
Процесс подачи топлива представляет периодический процесс, следовательно, любой периодический процесс молено представить как сумму простейших периодических функций гармоник с частотами, кратными основной. Чем круче фронты исследуемого процесса, тем большее количество гармоник необходимо просуммировать для регистрации процесса с необходимой степенью точности [125]. Кроме того, представляет интерес для оценки процесса топливоподачи знание скорости изменения отдельных параметров единичного процесса впрыска, что определяется крутизной фронтов этих процессов.
Исходя из этого, целесообразно сформулировать требования к необходимому частотному спектру, беря за основу не величину средней квадрати-ческой погрешности, которую обычно применяют для оценки точности воспроизведения процессов, а величину амплитудной погрешности и время нарастания значения исследуемого параметра.
Представление о необходимом частотном спектре рассматриваемых процессов, описываемых с заданной точностью, можно получить на основании анализа треугольного и прямоугольного импульсов, которые весьма близки по форме к процессам, исследуемым в топливной аппаратуре [135].
Требования к необходимому частотному спектру, исходя из допустимой амплитудной погрешности, можно проанализировать на примере треугольного импульса. Треугольный импульс представлен на рисунке 3.3. где & ff-продолжительность впрыска,град; (У-угол поворота кулачкового вала насоса,град; х -иезависимая переменная, характеризующая значение функции F(x); f(x) -значение функции разложения треугольного импульса в ряд Фурье; Д, - максимальное значение амплитуды, исследуемого процесса. А0 представляет собой постоянную, следовательно на количество гармоник в рассматриваемом разложении не влияет. Поэтому для облегчения процесса разложения в ряд Фурье принимаю Л0=1.
Так как данная функция удовлетворяет условию f(x) - fix + 2ж) и ой-ределена в любой точке внутри данного интервала, то данная функция (3.1) раскладывается в ряд Фурье по формуле:
Если в формулу (3.2) подставить вместо х величину, равную 0,9сае (в точке х — й)в ряд сходиться весьма медленно), то можно определить, какое количество гармоник необходимо просуммировать для получения амплитуды с заранее заданной точностью.
Расчет по данной формуле произведен в среде EXCEL. Результаты расчета представлены в таблице 3.1. На основании данных таблицы ітроизведен расчет необходимого диапазона частот для фиксирования амплитуды с определенной погрешностью. Результаты расчета представлены в таблице 3.2.
При регистрации процессов с крутыми фронтами необходимый частотный спектр следует определять из погрешности, вызываемой тем, что амплитуда пропускаемого импульса достигает номинального значения не сразу, а через1 какой-то промежуток а, который обычно называют временем нарастания [132].
Обоснование и выбор параметров измерительной системы
На основании результатов раздела 3 разработана структура измерительной системы для диагностики плунжерных пар динамическим методом.
Измерительная система включает в себя следующие элементы: датчик давления, регистрирующее устройство, устройство синхронизации диагностического параметра с этапами работы плунжерной пары, персональный компьютер. Упрощенная схема измерительной системы представлена на рисунке 4.1.
На основании информации, представленной в предыдущих главах, был выбран датчик давления ДДЭ-084 производства Научно Исследовательского Института Физических Измерений (НИИФИ). Датчик давления ДДЭ-084 предназначен для измерения избыточного статико-динамического давления в жидких и газообразных средах, морской воде.
Датчик обладает следующими техническими характеристиками [49]: 1. Диапазон измеряемого давления: 0-45 МПа 2. Тип мембраны: кремниевый 3. Частотный диапазон датчика: 0-60000 Гц 4. Диапазон выходного сигнала: 0-100 мВ; 1 5. Коэффициент преобразования 2,22 10 мВ/Па 6. Напряжение питания: 6В
Устройство и работа датчика давления. Конструкция датчика давления ДДЭ 084 показана на рисунке 4.2. Датчик давления ДЦЭ 084 состоит из следующих основных частей; J -крышка транспортировочная; 2 - кристалл; 3 - корпус; 4 - кабельная перемычка; 5 - золотые проводники; 6 - колодка СДАЙ 687228.009;7-колодка контактная Вт6.672.690;8-резисторы R6, R7, R8, R10 , R11;9- крышка защитыая.Основным узлом датчика давления ДДЭ 084 является чувствительный элемент (ЧЭ), состоящий из кристалла (материал кремний 1 А2кмКЭФ 4,5/7,5-60 ТУ 48-4-295-82), жестко закрепленного в корпусе (3) ситал-люцементом СЦН-52-1, СУО. 027.024 ТУ. На кристалле, со стороны подачи давления, нанесен слой покрытия: алюминий А-99ЕТО.021.051 ТУ, толщина покрытия 1... 1,6 мкм. Кристалл вьшолнен в виде плоской мембраны диаметром 6 мм (рабочая часть 4 мм), ориентации (100) из монокристаллического кремния, на которой методом диффузии сформированы тензорезисторы, объединенные в мостовую схему. В центральной части мембраны методом ионной имплантации сформирован терморезистор R5. Соединения тензомоста с проводниками колодки (6) выполнены золотыми проводниками диаметром 0,05 мм, которые развариваются на контактные площадки мембраны ультразвуковой сваркой. На эту же колодку припаиваются более толстые проводники из провода МС16-13 1 0,08 ТУ 16-505.083-78, которые служат для соединения с колодкой контактной (7).Контактная колодка является составной частью кабельной перемычки (4). Кабельная перемычка заканчивается вилкой разъема, типа РСГ 19 ТВ АВО.364.047 ТУ, и содержит элемент балансирования R6, элемент настройки чувствительности R7. Кабельная перемычка выполнена проводом МС16-13 1 0,08. Контакт (19) разъема соединен электрически с корпусом датчика.
Принцип работы объясняется с помощью функциональной схемы, представленной на рисунке 4.3. Деформация мембраны єх преобразуется полупроводниковыми тензорезисторами в относительное изменение сопротивления AR/R мостовой схемы, в диагональ которой подается питающее напряжение (6,0+/-0,6)В,
Выходной сигнал датчика давления усиливается с помощью усилителя и поступает на вход регистрирующего устройства.
Следующей задачей является обоснование и выбор регистрирующего устройства.
Регистрирующее устройство необходимо для регистрации выходного сигнала с усилителя датчика давления и преобразования данного сигнала в цифровую форму.
Регистрирующее устройство должно обеспечивать точность измерений. Точность измерения - степень соответствия результата измерения действительному значению измеряемой величины [131]. Точность измерения оценивают двумя взаимосвязанными показателями: ошибкой (погрешностью) измерения и его надежностью. Использовать только один из этих двух конкурирующих показателей нельзя, так как оценка становиться неопределенной.
Ошибка измерения - это разность между результатом измерения и действительным значением измеряемой величины.
Надежность измерения есть вероятность того, что действительное значение измеряемой величины отличается от результата измерения не более чем на значение указанной ошибки.
Следовательно, в преобразователе необходимо предусмотреть систему градуировки и метрологической аттестации.
Так как диапазон частот процесса топливоподачи составляет 2300-23350 Гц, то частота квантования должна быть на порядок выше, и лежать в пределах от 20-200кГц.
