Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследования
1.1. Надежность топливной аппаратуры дизелей в эксплуатации 7
1.2. Влияние геометрических и физико-механических параметров прецизионных деталей на их работоспособность 13
1.3. Выводы и задачи исследования 32
2. Теоретическое обоснование влияния геометрических и физико-механических свойств на безотказ ность топливной аппаратуры
2.1. Модель изменения технического состояния прецизионных пар . 35
2.2. Вероятность безотказной работы прецизионных деталей 36
2.3. Выводы по разделу 51
3. Методика исследований
3.1. Определение геометрических и физико-механических показателей прецизионных пар 53
3.2. Ускоренные износные испытания 61
3.3. Эксплуатационные испытания. 65
3.4. Оценка погрешности измерений. 67
4. Влияние физико-механических свойств плунжерных пар и распылителей на их работоспособность
4.1. Влияние поверхностной твердости деталей плунжерных пар на их износостойкость и работоспособность 70
4.2. Влияние поверхностной твердости корпусов на износостойкость распылителей 77
4.3. Обеспечение размерной стабилизации распылителей форсунок... 82
4.2. Выводы по разделу 95
5. Влияние геомерических параметров прецизионных деталей на износостойкость и работу топливной аппаратуры
5.1. Влияние износа и геометрических параметров прецизионных
деталей на выходные показатели работы топливной аппаратуры . 96
5.2. Исследование влияния зазоров в плунжерных парах на их износостойкость 100
5.3. Исследование влияния геометрических параметров нагнетательных клапанов на их износостойкость 111
5.4. Исследование геометрических параметров распылителей форсунок 121
5.5. Выводы по разделу 125
6. Эксплуатационно-технологические требования и производственная проверка прецизионных деталей
6.1. Эксплуатационно-технологические требования к прецизионным деталям 127
6.2. Производственная проверка эксплуатационно-технологических требований к прецизионным деталям 128
6.3. Выводы по разделу 136
7. Экономическая оценка результатов исследований 137
общие выводы 139
литература 142
приложения
- Надежность топливной аппаратуры дизелей в эксплуатации
- Модель изменения технического состояния прецизионных пар .
- Определение геометрических и физико-механических показателей прецизионных пар
- Влияние поверхностной твердости деталей плунжерных пар на их износостойкость и работоспособность
Введение к работе
В последние годы происходит уменьшение объемов ремонта сельскохозяйственной техники. Резко сократилось число ремонтов, проводимых специализированными сервисными предприятиями. Такое положение объясняется не только ухудшением качества ремонта техники, но и низкой платежеспособностью товаропроизводителей. Хозяйства стремятся как можно больше ремонтно-обслуживающих работ выполнять собственными силами в ущерб их качеству [30].
К началу 2001 г. 21,2 % тракторов в хозяйствах России использовались до 10 лет, 15,8 % - 11 лет, 17,7 % - 12 лет, 19,1 % - 13 лет, 19,9 % - 14 лет, 6,3 % - более 15 лет, а отсутствие материальной заинтересованности машиностроителей обуславливает их низкую надежность. Все это привело к тому, что средняя наработка на отказ отечественных тракторов ниже лучших зарубежных аналогов в 1,5-4,5 раза [85], что требует более частого проведения мероприятий по восстановлению их работоспособности.
До 50 % отказов тракторных дизелей приходится на топливную аппаратуру, что приводит к снижению мощности, перерасходу топлива и простоям техники [10, 15, 67, 92, 98].
Анализ литературных источников, посвященных эксплуатации и ремонту топливной аппаратуры дизелей показывает, что технология изготовления и ремонта, а так же технический контроль и комплектование прецизионных деталей не соответствует критериям эффективной эксплуатации.
Имеет место несоответствие технических условий на изготовление прецизионных деталей (плунжерных пар, нагнетательных клапанов, распылителей форсунок) условиям их сборки и эксплуатации. Детали после изготовления отвечают требованиям ГОСТа, а после
начального периода работы их геометрические размеры и физико-механические свойства изменяются из-за монтажных деформаций, структурных превращений, релаксационных процессов и износа.
При этом в последние годы разработка нормативно-технической документации для топливной аппаратуры практически прекратилась, а существующая требует обновления. В связи с этим обоснование новых технологических требований к прецизионным деталям топливной аппаратуры тракторных дизелей является актуальной задачей сегодняшнего времени.
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 техники и энергетики нового поколения и формирование эффективной инженерно-технической инфраструктуры агропромышленного комплекса».
Цель работы. Повышение безотказности топливной аппаратуры тракторных дизелей путём научного обоснования и обеспечения эксплуатационно-технологических требований к прецизионным деталям топливной аппаратуры.
Научная новизна. Получены аналитические зависимости, позволяющие определить количественные показатели безотказности топливной аппаратуры при различных физико-механических и геометрических параметрах прецизионных деталей.
Практическая ценность. Теоретически обоснованы и экспериментально подтверждены рациональные эксплуатационно-технологические параметры прецизионных деталей, обеспечивающие повы-
шение безотказности топливной аппаратуры тракторных дизелей в 1,5-2 раза.
Объект исследования. Плунжерные пары, нагнетательные клапаны, распылители форсунок топливной аппаратуры двигателей Д-243, А-41,ЯМЗ.
На защиту выносятся:
Аналитические зависимости для определения вероятности безотказной работы прецизионных деталей при различных физико-механических свойствах и геометрических параметрах.
Экспериментально обоснованные требования к плунжерным парам, нагнетательным клапанам, распылителям форсунок топливной аппаратуры тракторных дизелей.
Рекомендации, обеспечивающие повышение безотказности топливной аппаратуры дизелей в эксплуатации.
*
Надежность топливной аппаратуры дизелей в эксплуатации
Долговечность, экономичность, стабильность и токсичность тракторных дизелей в значительной степени определяется техническим состоянием топливной аппаратуры [3, 4, 6, 7, 10, 15, 49, 57, 67].
Топливные системы дизелей должны выполнять следующие функции: - отмерять определенное количество топлива в соответствии с режимом работы дизеля; - обеспечивать подачу топлива под высоким давлением; - подавать топливо по определенному закону; - хорошо распылять топливо; - четко отсекать подачу топлива; - обеспечивать идентичность впрыскивания топлива по отдельным цилиндрам; - осуществлять эффективную фильтрацию топлива [33, 36, 56, 92, 96].
В процессе эксплуатации происходит изменение и ухудшение всех вышеперечисленных параметров топливной системы [7, 14, 21]. При этом уменьшается цикловая подача топлива, увеличивается неравномерность подачи топлива по цилиндрам двигателя, а также снижается давление начала впрыскивания [9, 37, 44, 62, 74, 79, 82].
Все это приводит не только к неудовлетворительной работе дизеля, но и к увеличению расхода топлива. Так при увеличении угла опережения начала подачи топлива на 5 увеличивается на 4-8 % расход топлива и повышается на 30 % скорость изнашивания цилин дропоршневой группы. При снижении давления впрыскивания форсункой на 2-5 МПа расход топлива может возрастать до 20 %. Увеличение неравномерности подачи топлива по цилиндрам до 18 % приводит к повышению на 6-8 % погектарного расхода топлива.
Исследованию проблемы повышения надежности, сохранения требуемых параметров в процессе эксплуатации топливной аппаратуры дизелей посвящены труды широко известных ученых: Астахова И.В., Антипова В.В., Ачкасова К.А., Бахтиарова Н.И., Баширо-ва P.M., Бугаева В.П., Ждановского Н.С., Власова П.А., Лышевско-го И.М., Николаенко А.В., Свиридова Ю.Б., Кривенко П.М., Федосова И.М., Селиванова А.И., Файнлейба Б.Н. и др.
Основными элементами топливной аппаратуры, от которых зависит ее работоспособность являются прецизионные детали: плунжерные пары, распылители форсунок и нагнетательные клапаны. Прецизионные детали работают в тяжелых условиях и могут нагреваться до температуры 525К (корпус распылителя) и остывать до 227К, испытывать большие давления и периодические ударные нагрузки, подвергаться абразивному изнашиванию и воздействию агрессивной среды вследствие недостаточной очистки топлива. Особая значимость прецизионных пар для топливной аппаратуры определяется разработкой Государственных стандартов, регламентирующих требования к изготовлению и методам испытаний [34, 37, 38, 73].
К прецизионным деталям предъявляют очень высокие требования, как в отношении величины зазора, геометрической формы, шероховатости поверхности, так и к физико-механическим свойствам: твердости, износо- и коррозионостойкости, размерной стабильности при хранении, а так же способности работать при повышенных температурах.
Согласно ОСТа [69] ресурс насосов и форсунок должен быть не менее, чем у дизелей (ресурс которых до капитального ремонта равен 6000 ч), а распылителей - 3000 ч.
В настоящее время заводами-изготовителями ставится задача по повышению надежности топливной аппаратуры тракторных и комбайновых дизелей до 10-12 тыс. ч, а так же уменьшению трудозатрат на техническое обслуживание путем увеличения межрегулировочных сроков работы насоса до 3000 ч, форсунок - до 2000 ч.
Однако, в реальной эксплуатации, как показывает анализ литературных источников [9, 11, 26] надежность топливной аппаратуры и ее деталей остается очень низкой. Так, ресурс новых прецизионных деталей составляет: у плунжерных пар - 700-3000 ч; нагнетательных клапанов - 1200-2000 ч; распылителей форсунок - 800-1600 ч. При этом затраты на техническое обслуживание и ремонт топливной аппаратуры (ТА) составляет около 30 % общих затрат на трактор. У тракторных двигателей от 20 до 50 % отказов приходится на топливную аппаратуру, из них до 50 % - на форсунки и 20-30 % на плунжерные пары и нагнетательные клапаны.
Перестроечный процесс в стране внес значительные изменения в работу ремонтно-обслуживающей базы сельского хозяйства. Многие предприятия, оснащенные современным оборудованием, были закрыты или их производственные мощности не загружены, из-за этого они потеряли квалифицированных рабочих. Произошло перемещение объемов ремонта в мастерские хозяйств, что привело к ухудшению качества ремонта [76]. Все это вызвало снижение после-ремонтной надежности топливной аппаратуры дизелей.
Модель изменения технического состояния прецизионных пар .
Основной причиной преждевременного выхода из строя топливной аппаратуры дизелей является низкая надежность прецизионных деталей.
Прецизионные детали работают с загрязненным механическими частицами топливом, со знакопеременными гидравлическими нагрузками, высокими быстроизменяющимися температурами. Изменение технического состояния прецизионных деталей происходит случайным образом, как во времени, так и по величине, и зависит от ряда эксплуатационных и ремонтно-технологических факторов.
В общем виде модель изменения технического состояния прецизионных пар (ПП) топливной аппаратуры, можно представить в виде схемы (рис. 2.1). Модель процесса изменения технического состояния прецизионных пар
Из схемы видно, что изменение технического состояния прецизионных пар зависит от ряда управляемых факторов X, которыми можно оперировать при изготовлении и ремонте топливной аппаратуры. К ним относятся твердость деталей, материал, из которого они изготовлены, зазоры в соединении деталей и т. д. Ко второй группе факторов Y контролируемых, но неуправляемых - относятся температура, давление, влажность окружающей среды и т. д. Третья группа факторов Z является неконтролируемой и неуправляемой. Сюда относят, например изменение физических свойств материала деталей во времени.
Таким образом, уравнение, описывающее изменение технического состояния прецизионных пар в общем виде, будет выглядеть следующим образом: Unn=F{X,Y,Z). (2.1)
Вследствие наличия большого количества факторов вывести аналитические выражения, описывающие изменение технического состояния прецизионных пар, не представляется возможным.
При эксплуатации топливной аппаратуры, контроль технического состояния осуществляется, при проведении технических обслуживании и ремонтов.
По результатам контроля техническое состояние топливной аппаратуры оценивается как работоспособное, если значения всех параметров, характеризующих способность топливной аппаратуры выполнять заданные функции, соответствуют всем требованиям нормативно-технической документации, или как отказ, т. е. событие, заключающееся в нарушении работоспособности. В большинстве случаев отказ топливной аппаратуры выражается в достижении пара метром состояния, определяющего работоспособность, предельной величины, установленной нормативно-технической документацией.
Предельное состояние - это состояние, при котором дальнейшее применение объекта по назначению, недопустимо в связи с опасностью использования или экономически неоправданно.
Под предельным состоянием плунжерных пар, принято считать состояние, когда они изношены настолько, что на пусковой частоте вращения не могут обеспечить цикловую подачу, необходимую для запуска двигателя. Для нагнетательных клапанов предельным является состояние, когда не обеспечивается плотность по запирающему конусу или если разгрузочный поясок изношен настолько, что не обеспечивает в достаточной степени разгрузки топливопровода высокого давления. Предельное состояние распылителя форсунки характеризуется нарушением герметичности по запирающему конусу, вследствие чего не обеспечивается качественное распиливание топлива, и снижение плотности распылителя вследствие износа его направляющей части.
Отказом прецизионных пар считается также зависание плунжера во втулке и иглы в корпусе распылителя.
Основными показателями безотказности топливной аппаратуры являются параметр потока и интенсивность отказов, наработка на отказ и вероятность безотказной работы [65].
Определение геометрических и физико-механических показателей прецизионных пар
Для измерения износов прецизионных деталей применяли круг-ломер «Talyrond», который позволяет контролировать погрешность 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 профи-лограммы характеризуют не только величину износа, но и реальную форму как поперечного сечения деталей, так и образующих цилиндрических поверхностей прецизионных деталей.
Для определения величины зазора в соединении использовали приборы ЦНИТА-82, с ценой деления 0,1 мкм и нутромер с ценой деления 1 мкм. Схема измерения приведена на рис. 3.2-3.3.
Гидроплотность плунжерных пар определяли согласно ГОСТа на приборе КИ-3369.
Техническое состояние нагнетательных клапанов определяли по гидравлической плотности на приборе КИ-1086 конструкции ГОСНИТИ, которым оснащены ремонтные предприятия. Перед проведением испытаний прибор проверяли на герметичность согласно инструкции.
Для исследования физико-механических свойств деталей применяли следующие методы: - микроструктурный анализ сталей на металлографическом микроскопе МИМ-7; - определение твердости по Роквеллу (ГОСТ 9013-79); - определение микротвердости с помощью прибора ПМТ-3 (ГОСТ 9450-75); - изучение структурных превращений в деталях при термической обработке и эксплуатационных испытаний на приборах КИФМ-1 и ВСП-10П.
Распылители форсунок проверяли: по герметичности, гидроплотности, качеству распыливания топлива и звучности впрыска, эффективности проходного сечения (/і/), величине хода иглы, величине зазора между корпусом и иглой распылителя.
Герметичность распылителей определяли на стенде КИ-3333 на чистом дизельном топливе. При испытании пружину форсунки (форсунка, использовалась одна и та же) затягивали на давление начала впрыска 18,0 МПа (давление в системе 16,4 МПа).
Гидроплотность распылителей определяли на стенде КИ-3333 при затяжке пружины форсунки на давление начала подъема иглы -30,0 МПа (давление топлива в системе 28,0 МПа). Испытание проводили на смеси дизельного топлива с веретенным маслом. Вязкость смеси готовили согласно требованию РТМ 70.0001.029-80. Гидроплотность определяли, по времени падения давления с 28 до 23 МПа.
Эффективное проходное сечение распылителя (juf) определяли на стенде КИ-15713 путем проливки через распылитель 0,5 кг топлива при давлении 5 МПа. Эффективное проходное сечение определяли по формуле: - , (3.1) где / -время, за которое проливается 0,5 кг топлива через распылитель. Продолжительность проливки определяли по секундомеру. Зазор в соединении «корпус распылителя - игла распылителя» определяли по разности диаметров деталей.
Измерение внутреннего диаметра направляющей части распылителя проводили на приборе ЦНИТА 82200. Наружный диаметр иглы замеряли на оптикаторе. Замеры проводили в трех сечениях, по двум взаимноперпендику-лярным осям. Величину хода иглы определяли с помощью приспособления 70-7820-4704/000.
Качество распыливания топлива проверяли на стенде КИ-3333 путем прокачки чистого топлива через форсунку при частоте впрысков не более 60 в минуту, по сравнению с эталоном по оставленному отпечатку топлива на листе ватмана. При этом лист ватмана располагали перпендикулярно оси распыливающего отверстия.
Безмоторные экспериментальные исследования проводили на стендах «Motorpal» и КИ-22205. Использовали форсунки и топливопроводы высокого давления, подобранные согласно ГОСТ 8669-82 и ГОСТ 8519-81. Температуру и вязкость топлива и масла при проведении экспериментов поддерживали постоянными.
Установку дополнительно оснащали электронно-записывающей аппаратурой (рис. 3.4): - индукционным датчиком подъема иглы распылителя форсунки ИПМ конструкции ЦНИДИ (рис. 3.5); - датчиком давления конструкции ЦНИТА; - датчиком отметки ВМТ КВД (рис. 3.6); Для записи использовали осциллограф Н-117Н и тензометриче-скую станцию УТС1-ВТ-12/35. После подбора измерительных приборов проводили их тарировку.
Датчик давления тарировали на гидравлическом прессе через каждые 2 МПа, начиная с 0 до 40 МПа. Сигнал с датчика поступал на гальванометр, а затем на экран осциллографа.
Датчик перемещения иглы распылителя и датчик отметки ВМТ подвергали проверке (тарировке) посредством 10-ти кратного снятия осциллограмм.
При проведении исследований влияния износов на показатели то-пливоподачи определяли следующие параметры: - цикловую подачу топлива; - изменение давления топлива перед форсункой в зависимости от величины износа деталей; - продолжительность впрыскивания топлива; - изменение угла опережения впрыскивания топлива.
Результаты экспериментов обрабатывали с использованием методов математической статистики [18] с целью получения оценок характеристик генеральной совокупности при выборке. Выравнивание эмпирического распределения проводилось по теоретическим законам, выбор которых осуществлялся по критерию согласия Пирсона j и по критерию согласия А.Н. Колмогорова Я. При вычислении значения Я предполагали, что теоретическая и эмпирическая кривые согласуются, если Р(к) больше принятого уровня значимости (а = 0,05).
Влияние поверхностной твердости деталей плунжерных пар на их износостойкость и работоспособность
Детали плунжерных пар топливного насоса 4УТНМ изготавливаются из стали ХВГ (1,01 % С; 0,97 % Мп; 1,05 % Сг; 1,15 % W) и подвергаются термической обработке. Закалка - нагрев в соляной ванне при 830±10С, выдержка в течение 12 мин и охлаждение в масле. Отпуск - нагрев в масляной ванне до 160±10С с выдержкой 120 мин. Обработка холодом - замедленное охлаждение до температуры 70С с выдержкой 270 мин. Отпуск - нагрев в масляной ванне до температуры 160±10С с выдержкой 270 мин. Старение - выдержка 360 мин при температуре 130С в масляной ванне.
Для стабилизации размеров деталей плунжерных пар они подвергаются глубокому охлаждению. Приоритет теоретической разработки и практического применения обработки холодом принадлежит российскому металловедению. Этот вид термической обработки был предложен А.П. Гуляевым в 1937 г. и с тех пор начал применяться для различных инструментов и деталей.
Эффективность низкотемпературной обработки заключается в том, что наряду со снижением количества остаточного аустенита, одновременно происходит повышение твердости и, следовательно, износостойкости деталей.
Известно, что до 50 % отказов топливной аппаратуры возникает из-за абразивного изнашивания прецизионных деталей, а их износостойкость в основном определяется твердостью и структурой. Согласно ГОСТа [34, 37], твердость сопрягающихся цилиндрических поверхностей плунжера и втулки должна быть не менее 60 HRC. В процессе массового производства, когда контроль твердости осуществляется выборочно, имеют место отклонения от требований ГОСТа.
Для исследования были отобраны по 60 плунжерных пар насосов 4ТН10х10 и 4УТНМ, поступивших как запасные части. Испытание твердости проводили на приборе ТК-3 по шкале HRC. У втулки измерение проводили в верхней части на расстоянии 5 мм от торца в плоскости перпендикулярной оси расположения отверстий, у плунжера на хвостовике. Результаты измерений представлены в табл. 4.1, рисунках 4.1-4.2 и приложении.
Так же установлено, что имеет место и расхождение величин твердости между втулкой и плунжером в одной паре 4-6 HRC.
В парах одной группы гидроплотности, поступивших как запасные части, твердость втулки имеет разброс от 56 до 66 HRC, а плунжера от 54 до 63 HRC. Из кривых распределения значений твердо сти, представленных на рис. 4.1 видно, что в запасных частях 15 % втулок и 28 % плунжеров имеют заниженную твердость.
На рис. 4.3 представлены круглограммы износов плунжеров на расстоянии 1 мм от верхнего торца, полученные через 4, 8 и 16 ч изнашивания. Как видно из приведенных круглограмм, динамика нарастания износа у плунжерных пар с твердостью 60 HRC и 54 HRC существенно отличается. Характер топографии местного износа у деталей, отвечающих требованиям ГОСТа (по HRC) после 8 и 16 ч испытания подобен таковому у плунжерных пар с заниженной твердостью только после 4 и 8 ч изнашивания. Такая картина износов наглядно и документально показывает необходимость комплектации пар в насос с одинаковой твердостью.
В результате количественной обработки круглограмм, заключающейся в определении площади изношенной поверхности втулки, построена графическая зависимость величины износов втулок (с разной твердостью) от времени изнашивания (рис. 4.4).
У плунжерных пар с твердостью 60 HRC, после 20 ч испытаний цикловая подача на пусковом режиме на 40 % выше, чем у пар с твердостью 54 HRC. На номинальной частоте вращения закономерность аналогичная, но разница цикловых подач для плунжерных пар с твердостью 60 и 54 HRC не так велика (рис. 4.4, 4.5). Это объясняется тем, что на высоких частотах вращения вследствие высоких скоростей плунжера топливо не успевает перетекать в образовавшийся зазор.
