Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Состояние вопроса и задачи исследований 12
1.1 Влияние технического состояния топливной аппаратуры на технико-экономические показатели работы двигателя и его надежность 12
1.2 Анализ существующей системы технического обслуживания топливной аппаратуры 17
1.2.1 Анализ принятой стратегии технического обслуживания 17
1.2.2 Анализ причин, снижающих эффективность диагностирования ТНВД и форсунок 18
1.2.3 Анализ причин низкой эффективности диагностирования прецизионных элементов топливной аппаратуры 24
1.3 Анализ перспективных методов диагностирования топливной аппаратуры 30
1.3.1 Виброакустический метод диагностирования 33
1.3.2 Метод диагностирования топливной аппаратуры по амплитудно-фазовым параметрам топливоподачи 33
ГЛАВА 2 Теоретический анализ процесса топливоподачи 40
2.1 Цели и задачи анализа 40
2.2 Исходная информация для моделирования процесса топливоподачи 42
2.3 Выбор диагностического параметра для оценки геометрического угла опережения подачи и обоснование режима диагностирования 46
2.4 Анализ изменения давления перед форсункой на втором этапе формирования процесса подачи 54
2.5 Анализ изменения давления перед форсункой на третьем этапе формирования процесса подачи 57
2.6 Уточнение моделей процесса топливоподачи и их анализ 58
2.7 Исследование связей между техническим состоянием топливной аппаратуры и сигналом давления топлива по уточненным моделям процесса топливоподачи 62
ГЛАВА 3 Методика исследований 71
3.1 Общая методика исследований 71
3.2 Методика лабораторных исследований 73
3.2.1 Выбор оборудования для лабораторных исследований 73
3.2.2 Методика определения возможных режимов диагностирования .76
3.2.3 Методика исследований влияния износов прецизионных элементов ТНВД на выходные параметры ТА 78
3.2.4 Методика оценки формы осциллограммы давления в плавающей системе координат 81
3.2.5 Методика предварительного выбора диагностических параметров и режимов диагностирования 84
3.2.6 Методика оценки совместного влияния различных неисправностей на предельные и допустимые значения структурных и диагностических параметров 88
ГЛАВА 4 Результаты экспериментальных исследований 93
4.1 Влияние износов прецизионных элементов насоса на выходные параметры ТА 93
4.2 Предварительный выбор диагностических параметров, их предельных значений и режимов диагностирования 97
4.3 Оценка совместного влияния различных неисправностей на предельные и допустимые значения структурных и диагностических параметров 115
4.4 Технологические воздействия при неисправности топливной аппаратуры 123
4.4.1 Неисправности плунжерных пар ТНВД 125
4.4.2 Неисправности нагнетательных клапанов ТНВД 127
4.4.3 Неисправности форсунок 128
4.4.4 Одновременное проявление нескольких неисправностей 129
4.5 Результаты эксплуатационных испытаний 130
ГЛАВА 5 Технико-экономическая оценка результатов исследований 132
Общие выводы 141
Список литературы 143
Приложения 153
- Анализ причин, снижающих эффективность диагностирования ТНВД и форсунок
- Анализ изменения давления перед форсункой на втором этапе формирования процесса подачи
- Методика исследований влияния износов прецизионных элементов ТНВД на выходные параметры ТА
- Предварительный выбор диагностических параметров, их предельных значений и режимов диагностирования
Введение к работе
Надежность, экономичность и устойчивость работы дизелей в значительной степени определяется техническим состоянием топливной аппаратуры. В случае некачественной работы топливной аппаратуры происходит неравномерная подача топлива по цилиндрам и, как следствие этого, неравномерное распределение нагрузок на основные детали кривошипно-шатунного механизма, температурное перенапряжение, дополнительная вибрация, преждевременный износ двигателя, перерасход топлива. Все это приводит к интенсивному снижению ресурса, мощности, а порой и к аварии дизеля [1].
Особую актуальность приобретает проблема повышения эффективности использования машинно-тракторного парка. Обеспечить высокую эффективность возможно только за счет поддержания машин в работоспособном состоянии. Поэтому важная роль в решении данной проблемы отводится диагностированию, которое позволяет управлять техническим состоянием машин и процессом поддержания этого состояния при эксплуатации. Существующая комплексная система технического обслуживания и ремонта (ТОР) включает в себя процесс диагностирования при различных видах технического обслуживания.
По результатам диагностирования назначаются различные технологические воздействия в процессе технического обслуживания, что позволяет снизить затраты на поддержание работоспособности машин и повысить их надежность при эксплуатации.
Практика эксплуатации самоходных сельскохозяйственных машин показала, что наименее надежным агрегатом является двигатель, а наименее надежной и наиболее сложной его системой - топливная аппаратура (ТА) [2, 3]. На долю топливной аппаратуры приходится 45-60% всех отказов двигате-ля [4, 5, 6].
Такое количество отказов ТА, несмотря на ее высокую конструктивную надежность, связано с неэффективной эксплуатацией топливной аппаратуры [7].
Наибольшее количество простоев сельскохозяйственной техники (от 20-35%) происходит вследствие неисправностей топливной аппаратуры [8].
Сложившееся положение обусловлено, прежде всего, принятой системой поддержания ТА в работоспособном состоянии. Суть ее заключается в том, что работоспособность ТА оценивается по регламентированным выходным параметрам без учета влияния на них реального технического состояния элементов ТА.
При существующей системе ТОР топливная аппаратура с определенной периодичностью снимается с двигателя, техническое состояние ее элементов оценивается на стационарных стендах (КИ-22204, КИ-6251, КИ-15711, КИ-15716 и др.) [9]. Контроль снятой с двигателя топливной аппаратуры осуществляется, как уже было сказано, по регламентированным выходным параметрам процесса тошшвоподачи, то есть по величине и неравномерности цикловой подачи, углу опережения подачи (впрыска) топлива первой секцией и т.д. Если эти параметры изменились, их можно восстановить соответствующими регулировками. Топливную аппаратуру при этом регулируют и монтируют обратно на двигатель. Процесс технического обслуживания на этом заканчивается. Если же регулировка не обеспечивает допустимого значения регламентируемых параметров, необходимо разобрать секции топливного насоса высокого давления (ТНВД) и оценить износ их прецизионных элементов.
В настоящее время не существует методов для оценки износов прецизионных элементов ТА в условиях эксплуатации, с помощью которых можно было бы достаточно точно и достоверно обосновать рациональные технологические воздействия и с минимальными затратами восстановить регламентированные выходные параметры ТА. Так, износ прецизионных элементов ТНВД в
условиях эксплуатации предлагается оценивать методами, которые не имеют достоверной связи с регламентируемыми выходными параметрами (по гидроплотности, проливке, суммарному зазору и т. д.), на таких стендах, как КИ-1086, КИ-759. Следовательно, нельзя прогнозировать их работоспособность, определять необходимые ремонтно-обслуживающие воздействия, управлять техническим состоянием и затратами на восстановление работоспособности ТА [10, 11, 12, 13]. Кроме того, для оценки степени износа прецизионных элементов по этим методам требуется разборка ТА, что снижает ее ресурс.
Более достоверны методы диагностирования топливной аппаратуры по параметрам, характеризующим процесс топливоподачи. Все эти методы, при всем своем отличии друг от друга (количеством измеряемых параметров и характеристик, местом проведения контроля на двигателе или стационарном стенде, трудоемкостью) с позиций управления качеством технического обслуживания и техническим состоянием имеют, как правило, общий существенный недостаток. Он заключается в том, что контроль технического состояния для обоснования конкретных технологических воздействий по устранению последствий, возникающих в результате износа прецизионных элементов, осуществляется с недостаточной глубиной и точностью.
Причины этого явления, на наш взгляд, следующие:
сам подход в оценке методов контроля, суть которого заключается в том, что изменение выходных параметров процесса топливоподачи связывают с изменением параметров технического состояния прецизионных элементов, значения которых определяются методами, не моделирующими процесс топливоподачи;
диагностическими параметрами оценивается техническое состояние прецизионных элементов, у которых износ близок к предельному.
Такая диагностика малоэффективна, так как в эксплуатации прецизионные элементы, как правило, не достигают предельных значений износа
[Ю].
Выявив нарушение закона подачи топлива с помощью средств диагностирования, по полученной диагностической информации нельзя дать каких-либо рекомендаций по его восстановлению. В итоге диагностика лишь констатирует необходимость обслуживания топливной аппаратуры на стационарных стендах, однако статические методы контроля не позволяют достоверно управлять ни техническим состоянием элементов ТА, ни процессом технического обслуживания.
Хотя принятые регламентированные параметры косвенно и оценивают закон подачи, который в свою очередь характеризует процесс топливоподачи, однако по ним нельзя дать каких-либо рекомендаций по его восстановлению. Это связано с тем, что на процесс топливоподачи оказывает влияние техническое состояние не только отдельных элементов, но и всей совокупности элементов секции.
Поэтому при эксплуатации дизельных двигателей необходимо контролировать не только регламентированные параметры топливной аппаратуры, техническое состояние отдельных элементов, но главным образом, совокупность технического состояния этих элементов.
Без решения вопросов, связанных с оценкой указанных влияний, нельзя перейти на более эффективные методы поддержания топливной аппаратуры в работоспособном состоянии.
Работа выполнялась в соответствии с федеральной программой «Техника для продовольствия России» на 2000-2006 годы по теме «Повышение стабилизации регулировочных показателей дизельной топливной аппаратуры в процессе ремонта и эксплуатации», которая включена в раздел 12 научного направления «Механика и процессы агроинженерных систем, создание тех-
ники и энергетики нового поколения и формирование эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса».
Цель работы. Обоснование и разработка метода диагностирования топливной системы высокого давления (ТСВД) дизелей по амплитудно-фазовым параметрам процесса топливоподачи, обеспечивающего повышение эффективности ее диагностирования и эксплуатационной надежности.
Объект исследования. Технологические процессы диагностирования и обслуживания топливной системы высокого давления дизелей в условиях эксплуатации.
Предмет исследования. Влияние технического состояния топливной аппаратуры на ее регламентированные выходные параметры и на амплитудно-фазовые параметры процесса топливоподачи.
Научная новизна. Разработана методика оценки технического состояния топливной системы высокого давления дизелей по амплитудно-фазовым параметрам процесса топливоподачи.
Обосновано разбиение области допустимых износов основных элементов топливной системы высокого давления на группы технических состояний в зависимости от степени влияния их на регламентированные выходные параметры ТА.
Уточнена взаимосвязь структурных и диагностических параметров топливной аппаратуры.
Получены аналитические зависимости изменения цикловой подачи топлива от принадлежности к группам технического состояния элементов топливной системы высокого давления на режиме холостого хода и номинальном режиме.
Обоснованы технологические воздействия, направленные на восстановление регламентированных выходных параметров ТА для каждой группы технического состояния элементов топливной аппаратуры, возможные в условиях эксплуатации.
Практическая значимость исследований. Разработан метод диагностирования ТА, позволяющий выбрать необходимый технологический процесс по поддержанию топливной аппаратуры в работоспособном состоянии. Разработан технологический процесс диагностирования ТА.
Разработаны технологические воздействия, направленные на восстановление технического состояния топливной аппаратуры в зависимости от полученной диагностической информации (от принадлежности ее элементов к различным группам технического состояния).
Реализация результатов исследований. Технологии диагностирования топливной системы высокого давления и поддержания ее регламентированных выходных параметров в допустимых пределах по итогам диагностирования в условиях эксплуатации внедрены в ООО «Кармадон» Орлолвской области, МУП «Спецавтохозяйство» РСО-Алания г. Моздок и 000 «Техин-комсервис» Московской области.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы были изложены и обсуждались на следующих конференциях:
научно-практической конференции «Агроинженерная наука - сельскохозяйственному производству». - М.: МГАУ, - 2001 г.;
Международной научно-технической конференции «Современные проблемы технического сервиса в агропромышленном комплексе». - М.: МГАУ,-2002 г.;
- Международной научно-технической конференции, посвященной
135-летию академика В.П. Горячкина «Достижения вузовской науки - агро
промышленному комплексу». - М.: МГАУ, - 2003 г.;
- Международном научном симпозиуме «Современное сельское хозяй
ство - достижения и перспективы». - Кишинев: ГАУМ, - 2003 г.;
- Международной научно-технической конференции «Научные про
блемы и перспективы развития ремонта, обслуживания машин и восстанов
ления деталей». - М.: ГОСНИТИ, - 2003 г.;
- Всероссийской конференции «Молодые ученые - сельскому хозяйству России». - М.: ФГНУ «Росинформагротех», 2004 г.
За участие в Фестивале Научно-технического творчества молодежи
Москвы и Московской области в 2001 г. награжден грамотой и медалью
* «Лауреат ВВЦ».
Публикации. Основные исследования диссертационной работы изложены в шести работах.
Содержание работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, рекомендаций и приложений. Работа изложена на 162 страницах машинописного текста, содержит 31 рисунок, 19 таблиц, список использованной литературы включает 104 наименования, дополнительные материалы оформлены в виде приложений.
%
Анализ причин, снижающих эффективность диагностирования ТНВД и форсунок
Для оценки работоспособности ТНВД рекомендуют использовать следующие приборы [19, 23, 24, 25]: КИ-16301А или КИ-4802 для диагностиро вания работоспособности прецизионных пар; КИ-4818 или КИ-4890 - для определения производительности насосных секций и неравномерности пода чи топлива по секциям; КИ-13902 или КИ-4890 - для проверки начала подачи секций ТНВД. Все эти приборы, за исключением КИ-16301А и КИ-4802, « оценивают работоспособность ТНВД по регламентированным выходным па раметрам процесса топливоподачи и, по сути, дублируют информацию, получаемую при испытании ТНВД на стационарных стендах типа КИ-15711. Использование всей совокупности указанных приборов не позволяет применять их при третьей стратегии технического обслуживания ТА по следующим причинам: - трудоемкость их велика по сравнению с контролем на стационарных стендах (таблица 1.3); - объем диагностической информации, отражающей работоспособность ТНВД, неполный, (таблица 1.4). Все параметры, за исключением последнего, приведенные в таблице 1.4, являются комплексными регламентированными выходными параметрами процесса топливоподачи, отражающими работоспособность всей топливной аппаратуры. Их значение регламентируется нормативно-технической документацией. Весь процесс технического обслуживания направлен на поддержание в допустимых пределах именно этих параметров, поэтому их и следует оценивать при диагностировании ТА в первую очередь и в полном объеме.
Анализ параметров, измеряемых диагностическими приборами, показывает, что отдельный прибор измеряет не более двух регламентированных параметров. Если в процессе диагностирования ТНВД включить даже все рекомендуемые приборы, то количество измеряемых регламентированных параметров возрастет, но все равно не будет полным. По этой причине нельзя говорить о достоверной оценке даже работоспособности ТНВД рассматриваемыми приборами. Кроме того, при увеличении числа диагностических приборов с целью увеличения количества получаемой информации, увеличивается и трудоемкость диагностирования, которая начинает превышать трудоемкость оценки работоспособности ТНВД на испытательном стенде.
При диагностировании топливных секций по развиваемому давлению на пусковых оборотах прибором типа КИ-4802 необходимо иметь в виду следующее. 1. Метод чувствителен только к предельному износу плунжерных пар, так как нагружать топливную секцию давлением больше 30 МПа не реко мендуется, а это давление является показателем предельного износа [26]. Вероятность же достижения плунжерной парой предельного износа в течение времени между двумя обслуживаниями составляет 0,03 [27]. Однако плунжерная пара начинает оказывать недопустимое влияние на процесс топ-ливоподачи задолго до своего предельного состояния. Поэтому оценивать техническое состояние плунжерных пар в эксплуатации необходимо, но более чувствительными методами. 2. Рассматриваемый метод имеет низкую достоверность, так как на данный диагностический параметр значительное влияние оказывает техниче ское состояние нагнетательного клапана. Так, при испытании с нагнетатель ным клапаном нормального технического состояния изношенная плунжерная пара развивала давление по манометру рассматриваемого прибора 27 МПа на пусковых оборотах, а в случае изношенного нагнетательного клапана по раз гружающему пояску та же плунжерная пара развивала давление 50 МПа. 3. Утечки топлива через плунжерную пару, следовательно, и процесс топливоподачи, зависят не только от технического состояния плунжерной пары, но и от гидравлического сопротивления всей линии нагнетания. Из сказанного можно сделать вывод, что предельное техническое со-стояние плунжерной пары определяется не только ее износом, но и техническим состоянием остальных элементов топливной секции. И даже самая точная и достоверная информация о техническом состоянии плунжерной пары не дает представления о степени нарушения процесса топливоподачи, если неизвестно техническое состояние остальных элементов, и поэтому не может быть использована при обслуживании топливной аппаратуры. По этим причинам при наличии стационарного стенда для оценки работоспособности ТНВД использовать рассмотренные средства диагностирования, кроме моментоскопа, при их техническом обслуживании нерационально [28]. При техническом обслуживании форсунок их работоспособность оценивают на стационарных стендах типа КИ-3333 и КИ-35435 по таким регламентированным выходным параметрам, характеризующим работоспособность форсунки, как давление начала впрыскивания, пропускная способность форсунки, герметичность распылителя, качество распыливания топлива форсункой.
Анализ изменения давления перед форсункой на втором этапе формирования процесса подачи
Сравнительный расчет динамического угла опережения подачи методом конечных разностей согласно уравнению (2.6) для частот вращения насоса 300 и 1100 мин"1 показывает, что увеличение оборотов вала насоса до номинального значения вызывает увеличение динамического угла опережения подачи не более чем на 1 поворота вала насоса.
Таким образом, минимальные отличия динамического угла опережения подачи от геометрического для скорости вращения вала насоса 300 мин"1 составляют 2,7, максимальные - не более 3,7 при скорости вращения насоса 1100 мин 1.
Для дальнейшего анализа погрешности измерения геометрического угла начала подачи необходимо проанализировать факторы, оказывающие влияние на угол запаздывания роста давления у форсунки фзд. Аналитическое выражение этого угла выглядит следующим образом: где Li - длина трубопровода высокого давления, соединяющего насос с форсункой (в соответствии с рисунком 2.1); С - скорость распространения волны в топливопроводе; п - частота вращения вала насоса.
Исследования скорости распространения волны давления в топливопроводе [53, 57] при наличии в нем кавитации показали, что она изменяется в довольно широких пределах (70-1400 м/с). Это связано с объемным содержанием газовой фазы топлива в трубопроводе высокого давления. Объем газовой фазы топлива зависит от степени разгрузки топливопровода. Явление перегрузки (образование пустот) топливопровода на серийной топливной аппаратуре при допустимом техническом состоянии прецизионных элементов насоса и форсунок не наблюдается [53, 58, 59].
К образованию пустот в топливопроводе и как следствие газовой фазы приводят снижение жесткости пружины форсунки, износ распыливающих отверстий и высокая скорость вращения вала насоса при небольших подачах. Следовательно, для уменьшения вариации скорости распространения волны давления топлива, а вместе с ней и угла запаздывания роста давления у форсунки необходимо поддерживать исправным техническое состояние прецизионных элементов.
Зависимость угла задержки роста давления у форсунки ф3д описываемая уравнением (2.6), показывает, что дополнительно уменьшить вариацию угла фзд при некоторой вариации скорости распространения волны давления в топливопроводе можно за счет снижения частоты вращения вала насоса до минимальных значений при измерении угла опережения подачи топливной секции. Так, при частоте вращения вала насоса 300 мин"1 и изменениях величины скорости от 700 до 1400 м/с вариация фзд составит всего 26 , а на номинальной частоте вращения - 127 . В заключение можно сказать, что погрешности измерения геометрического угла начала подачи Днп будет постоянна, если постоянны все ее слагаемые (в соответствии с формулой 2.2).
Проанализируем слагаемые погрешности Афнп- Разность между динамическим углом опережения подачи и геометрическим углом (фіппс-фппі) -величина постоянная, если контроль динамического угла будет осуществляться на одном и том же скоростном режиме вала насоса. Этот вывод очевиден при анализе уравнения (2.6). Угол запаздывания роста давления у форсунки ф3д есть величина постоянная при исправном техническом состоянии топливной секции. Таким образом, исправное техническое состояние топливной секции и регламентированное значение частоты вращения вала насоса при диагностировании ТА являются условием постоянной погрешности измерения геометрического угла опережения подачи. Постоянную погрешность легко учесть при диагностировании. На основании проведенного теоретического анализа первого этапа процесса топливоподачи для предлагаемого метода диагностирования по параметрам сигнала давления можно сформулировать рекомендации по выбору режима диагностирования и снижению погрешности измерения геометрического угла начала подачи: - измерение угла опережения подачи следует проводить при минимальных частотах вращения вала насоса, соответствующих режиму холостого хода; - строгое соблюдение скоростного режима ТНВД при оценке геометрического угла опережения подачи - одно из условий наименьшей погрешности измерения; - при неисправностях элементов ТА, снижающих остаточное давление в топливопроводе до возникновения в нем пустот, измерение угла опереже- ния подачи не имеет смысла, так как это приведет к недопустимой погрешности его измерения. К таким неисправностям можно отнести: предельный износ распыли вающих отверстий, предельное уменьшение жесткости пружины форсунки, « зависание нагнетательного клапана и др. Модель изменения давления в топливопроводе, построенная с учетом прямой волны давления, сформированной насосом [F(t-x/a)], может быть раскрыта по уравнению баланса топлива, подаваемого плунжером в период подготовки к впрыску: где СЬсж - количество топлива, идущего на компенсацию объема вследствие его сжатия в надплунжерном пространстве VH, в объеме штуцера Vm и в распылителе Vp; Qyrn - утечки через плунжер; Qyjp - утечки через распылитель; QTP - компенсация объема топлива вследствие сжатия его объема в трубке и увеличения объема от расширения. Увеличение объема гидравлического тракта ввиду его малости (0,15% при давлении Р=150 МПа) можно не учитывать [60]. На основе теории гидродинамического впрыска [57] представим остальные слагаемые уравнения (2.8) в виде дифференциальных уравнений: где V-гр - объем трубопровода; Vp - объем распылителя и форсунки; 5Р - средний зазор между иглой и распылителем; (Зз - коэффициент, учитывающий эксцентричность иглы относительно распылителя; 1р длина уплотняющей поверхности иглы распылителя.
Анализ уравнения (2.9) показывает, что датчик давления на этом этапе процесса топливоподачи регистрирует давление, отражающее техническое состояние плунжерной пары и герметичность распылителя форсунки. Увеличенные зазоры в этих прецизионных элементах приводят к снижению роста давления топлива у форсунки.
В связи с тем, что при разрабатываемом методе диагностирования в качестве диагностических параметров можно использовать и временные интервалы процесса формирования давления, проанализируем факторы, от которых зависит продолжительность рассматриваемого этапа процесса топливоподачи.
Методика исследований влияния износов прецизионных элементов ТНВД на выходные параметры ТА
Необходимость технологических воздействий при техническом обслуживании топливной аппаратуры дизельных двигателей, как показывает практика эксплуатации, определяется изменениями выходных регламентированных параметров процесса топливоподачи [19, 63, 65, 66], поэтому важно знать, какие износы элементов ТА влияют на изменение этих параметров. Вместе с тем, износы каждого элемента ТА характеризуются соответствующей группой структурных параметров.
Итак, способность каждого элемента выполнять свои функции, с одной стороны, оценивается предельными изменениями регламентированных выходных параметров, с другой комплексом структурных параметров. Отсюда следует, что влияние всего комплекса износов (всех структурных параметров) любого из элементов топливной аппаратуры можно оценить по изменениям регламентированных выходных параметров. Кроме того, если два одноименных элемента ТА вызывают одинаковые изменения регламентированных выходных параметров, то степень износа, несмотря на различия по отдельным структурным параметрам, можно принять одинаковой.
Если износ элемента ТА вызывал изменения нескольких регламентированных выходных параметров, то необходимость в обслуживании определялась при условии выхода за допустимые значения любого из них. Самый чувствительный регламентированный выходной параметр может служить комплексным оценочным показателем его износа.
Целью данного эксперимента является обоснование выбора комплексных структурных показателей состояния прецизионных элементов на основе исследований влияния их износов на выходные параметры, в том числе и на регламентированные.
Для проведения исследований были отобраны плунжерные пары с различной степенью износа, которая оценивалась различными методами: по статической гидроплотности [63, 67], методом динамической опрессовки (по коэффициенту подачи [68]), по уменьшению цикловой подачи на пусковом режиме [12]. Для статической опрессовки использовался прибор КИ-1640А.
Степень износа нагнетательного клапана оценивалась методом статической опрессовки на приборе КИ-1086 и методом проливки зазора по разгружающему пояску [15]. Методы статической опрессовки прецизионных элементов насоса малотрудоемкие, но имеют низкую достоверность оценки износов, поэтому их применяли лишь для предварительных испытаний. Предварительная подбор прецизионных элементов насоса позволил более целенаправленно подбирать клапанные и плунжерные пары для проведения исследований, следовательно, значительно снизить трудоемкость этих операций.
Монтаж прецизионных элементов с различной степенью износов осуществлялся согласно рекомендациям [23, 31, 32, 68, 69]. Геометрический угол опережения подачи при установке изношенной плунжерной пары определяли методом подачи топлива в головку высокого давления, а активный ход по величине подачи в открытый топливопровод. Предварительно на эталонной секции были сняты регламентированные выходные параметры: qn -цикловая подача на номинальном режиме; фнв - угол начала впрыска на номинальном скоростном режиме и режиме холостого хода, и параметры процесса подачи: q - зависимость цикловой подачи от хода рейки на режиме холостого хода; фв - продолжительность впрыска на номинальном скоростном режиме и режиме холостого хода; Рмах - максимальное давление впры ска, измеренного у штуцера форсунки, на номинальном скоростном режиме и режиме холостого хода.
Угол начала и конца впрыска определялся с использованием стробоскопического фонаря, входящим в состав приборного комплекса при последовательном освещении распылителя форсунки и лимба стенда. Изменения максимального давления подачи измерялись датчиком давления Ml2 мотортестера МЗ-2. При исследовании зависимости выходных параметров от степени износа плунжерных пар первой была установлена плунжерная пара со статической гидроплотностью 5 с, которая уменьшила цикловую подачу на 20 мм3/цикл по сравнению с эталонной на пусковом режиме. Эта величина утечки была принята за максимальную для всей выборки плунжерных пар. Вся область износов была условно разбита на три группы. Первая имела утечку на пусковом режиме 0...10 мм /цикл, вторая - 10... 15 мм /цикл и третья -15...20 мм /цикл. В эксперименте было исследовано по две плунжерные пары с утечками топлива на пусковом режиме, равными крайним значениям для каждой группы износов, и по две - с утечками, равными средним значениям. Аналогичным образом были исследованы клапанные пары, которые поочередно устанавливались в эталонную секцию. Вся область износов этих пар была разбита на три группы с суммарной площадью износа для первой группы 0...0Д мм , для второй - 0,1...0,2 и для третьей - 0,2...0,3 мм . Всего была исследована 21 пара клапанов от эталонных до предельно изношенных с шагом 0,05 мм2.
Предварительный выбор диагностических параметров, их предельных значений и режимов диагностирования
Выбор диагностических параметров элементов топливной аппаратуры, их допустимых и предельных значений предопределяется значениями структурных параметров и принятыми значениями остаточных ресурсов диагностируемых элементов.
Если износы прецизионных элементов представить изменениями цикловой подачи, то всю область износов удобнее разбить на группы, каждая из которых отличается от соседней величиной Aq4=5 мм /цикл, допускаемой нормативно-технической документацией по неравномерности подачи отдельными секциями ТНВД. Тогда разность в износе прецизионных элементов насоса, равная размеру группы, является предельно допустимой. Разбивка прецизионных элементов на группы износа позволила отойти от количественной оценки отдельных структурных параметров, которая в зависимости от метода контроля (в статике или динамике) может быть разной и по-разному отражать техническое состояние исследуемого элемента.
Для определения количества групп износа, а также для распределения плунжерных пар по группам износа было исследовано на безмоторном стенде более 50 плунжерных пар. Характеристики гидроплотности для некоторых из них приведены в таблице 4.1.
Показания цикловой подачи в динамике снимались при постоянном положении рейки (для данных таблицы 4.1 ход рейки составил 13 мм). Результаты исследований показали, что ход рейки на режиме холостого хода Пхх=300 мин"1 и пусковых оборотах пп=90 мин"1 незначительно влияет на утечки топлива через неплотности исследуемых плунжерных пар. Это дало основание провести разбивку изношенных плунжерных пар на данном режиме на группы при ходе рейки, обеспечивающем номинальную подачу (что позволило снизить число операций при измерении гидроплотности). Разность в цикловой подаче новой и предельно изношенной плунжерных пар составляет около 25 мм3/цикл (в соответствии с таблицей 4.1). В соответствии с требованиями нормативно-технической документации по неравномерности цикловой подачи на режиме холостого хода всю область допустимых износов плунжерных пар необходимо разбить на пять групп.
Увеличение частоты вращения насоса на 100 мин"1 и более приводит к тому, что разность в цикловых подачах между плунжерными парами, новой и изношенной по первой группе, исчезает. Нет и разницы в амплитудно-фазовых показателях осциллограмм давления топлива в линии нагнетания при установке в ТНВД плунжерных пар с указанной величиной износа. Следовательно, если диагностирование плунжерных пар осуществлять при частоте вращения двигателя не ниже Пхх=700 мин", то число групп износа с принятым шагом износа можно принять равным четырем.
Для определения числа групп износа и распределения по ним клапанных пар было исследовано 50 нагнетательных клапанов с различной степенью износа разгружающего пояска, оцениваемой по площади зазора между разгружающим пояском и седлом клапана (ufK). В результате исследований получены изменения цикловой подачи (qu, мм3/цикл) для секций с различной степенью износа клапанных пар на различных режимах работы топливной аппаратуры при сравнении с подачей от исследуемой и эталонной секций. Эти изменения частично приведены в таблице 4.2.
Анализ полученных результатов показал, что степень износа нагнетательного клапана оказывает наибольшее влияние на цикловую подачу на оборотах холостого хода при положении рейки, обеспечивающем подачу эта-лонными секциями не менее 25 мм /цикл. Приращение цикловой подачи в секциях с изношенными клапанными парами по отношению к эталонным секциям не зависит от положения рейки, которое обеспечивает подачу для эталонных секций в диапазоне подач 20...70 мм /цикл. На основании этих результатов сделан вывод, что разбивку клапанных пар по группам износа необходимо осуществлять на оборотах холостого хода при положении рейки, обеспечивающем подачу в эталонной секции не менее 20 мм3/цикл.
Максимальное увеличение цикловой подачи при установке в эталонную секцию клапанной пары с предельно изношенным пояском составило 20 мм /цикл.
В соответствии с требованиями нормативно-технической документации по неравномерности цикловой подачи на режиме холостого хода всю область допустимых износов нагнетательных клапанов необходимо разбить на четыре группы. В первую группу входят клапанные пары, увеличивающие цикловую подачу не более чем на 5 мм /цикл, во вторую - клапанные пары, увеличивающие подачу от 5 до 10 мм /цикл, в третью группы отнесены кла-панные пары, увеличивающие подачу от 10 до 15 мм /цикл и в четвертую -от 15 до 20 мм3/цикл.
Для оценки степени влияния на процесс топливоподачи износов нагнетательного клапана по запорному конусу проведен сравнительный анализ осциллограмм давления и регламентированных выходных параметров, снятых с эталонной секции и с секции, в которую был установлен нагнетательный клапан с предельным износом запорного конуса. Результаты анализа показали, что предельный износ запорного конуса при эталонном состоянии разгружающего пояска нагнетательного клапана не вызывает изменений осциллограмм давления и регламентированных выходных параметров.
Для оценки нестабильности процесса топливоподачи от цикла к циклу была исследована нестабильность осциллограмм давления при предельно изношенном клапане по запорному конусу на оборотах холостого хода и различных подачах. Нестабильность ОД от цикла к циклу не превысила 5%, что не выше показателя нестабильности для эталонных секций. Эти значения нестабильности были получены при анализе записи осциллограмм давления при их наложении.
Очевидно, что при предельном износе только запорного конуса его функции выполняет разгружающий поясок, поэтому рассматривать износ запорного конуса следует только при износе разгружающего пояска. Совместный износ разгружающего пояска и запорного конуса нагнетательного клапана оказывает противоположное действие на процесс топливоподачи. Если износ пояска приводит к росту остаточного давления, увеличению цикловой подачи и появлению подвпрысков топлива, то износ конуса за счет утечек топлива через его изношенную поверхность приводит к падению остаточного давления, уменьшению цикловой подачи и тем самым к снижению склонности секций к подвпрыскам топлива. Таким образом, если доминирующее действие на процесс топливоподачи оказывает разгружающий поясок, то наблюдается увеличение цикловой подачи, особенно на оборотах холостого хода. В этом случае износ запорного конуса не может привести к недопустимому снижению остаточного давления и к появлению нестабильности процесса подачи от цикла к циклу в результате перегрузки топливопровода.
