Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 8
1.1. Анализ существующих конструкций форсунок автотракторных дизелей 8
1.1.1. Конструкции клапанных форсунок 12
1.2. Анализ работ по исследованию износа распылителей форсунок закрытого типа автотракторных дизелей 16
1.3. Изменение гидравлической плотности распылителей форсунок закрытого типа в связи с их износом 24
Глава 2. Теоретические основы исследования механизма изнашивания сопряжения запорное устройство — седло форсунок 29
2.1. Физическая модель изнашивания сопряжения «запорное устройство - седло» 30
2.2. Математическая модель изменения гидравлической плотности распылителя в процессе эксплуатации 35
2.2.1. Изменение площади проходного сечения в результате пластической деформации микронеровностей на поверхности деталей 40
2.2.2. Изменение площади проходного сечения в результате усталости материала 43
2.2.3. Определение коэффициентов, входящих в уравнение для определения опорной поверхности клапанного узла 45
2.2.4. Определение общей площади контакта 47
2.2.5. Определение исходной площади проходного сечения между шариком и седлом 49
2.3. Определение гидравлической плотности распылителя форсунки 50
Глава 3. Методика экспериментальных исследований 55
3.1. Программа исследований 55
3.2. Описание форсунок с беспрецизионным клапаном, открывающимся по потоку топлива 56
3.3. Экспериментальная безмоторная установка и методика исследования процесса топливоподачи 58
3.3.1. Методика определения оптимальных параметров экспери ментальной форсунки 66
3.4. Методика проведения ускоренных стендовых сравнительных испытаний распылителей форсунок на износ 67
3.4.1. Методика обработки результатов ускоренных стендовых сравнительных износных испытаний 74
3.5. Моторные испытания топливной системы с экспериментальными форсунками на двигателе Д-240 78
3.5.1. Методика моторных испытаний 78
3.5.2. Методика обработки результатов моторных испытаний 82
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 84
4.1. Результаты исследований параметров топливоподачи экспериментальных и серийных форсунок 84
4.2. Результаты ускоренных стендовых сравнительных износных испытаний серийной и экспериментальной форсунки 88
4.3. Результаты моторных испытаний 91
Глава 5. Расчет экономической эффективности 94
5.1. Методика расчёта экономической эффективности переоборудования форсунок серии ФД-22 новым клапанным узлом 94
Общие выводы 10
Список использованной литературы 104
Приложения 115
- Анализ работ по исследованию износа распылителей форсунок закрытого типа автотракторных дизелей
- Математическая модель изменения гидравлической плотности распылителя в процессе эксплуатации
- Описание форсунок с беспрецизионным клапаном, открывающимся по потоку топлива
- Результаты ускоренных стендовых сравнительных износных испытаний серийной и экспериментальной форсунки
Введение к работе
Актуальность работы. Надёжность, экономичность и устойчивость работы дизелей тракторов, автомобилей и сельскохозяйственных машин зависят от надежности и совершенства топливной аппаратуры. На работу дизелей значительно влияет состояние топливоподающей системы, особенно ее прецизионных деталей. К одним из основных узлов топливоподающей системы относятся форсунки. Некачественная работа форсунок ведет к снижению ресурса дизеля, падению мощности, а порой и к выходу из строя других важнейших узлов двигателя. Наибольшее количество отказов дизелей, до 40%, происходит вследствие неисправностей топливных систем, из них до 80% отказов приходится именно на форсунки.
Надежность и долговечность форсунок обусловлены стабильностью показателей работы и безотказностью распылителей. В настоящее время наибольшее распространение получили форсунки закрытого типа с прецизионным дифференциальным клапаном (иглой), открывающимся против потока топлива. Существенным недостатком форсунок этого типа является их низкая надежность, ресурс распылителей составляет 2500–3000 моточасов, что в несколько раз ниже ресурса плунжерных пар топливных насосов высокого давления 6000–6500 моточасов и двигателя в целом. Изготовление прецизионных пар (плунжерные пары топливных насосов высокого давления, игла – корпус распылителя форсунки) является дорогостоящим и трудоемким процессом, это приводит к повышению стоимости изготовления топливной аппаратуры автотракторных дизелей.
Для увеличения надежности распылителей форсунок предложены форсунки клапанного типа, в которых прецизионная пара игла – корпус распылителя заменена беспрецизионным клапанным узлом. Сферический клапан имеет малую массу и открывается по потоку топлива, что способствует повышению надежности и долговечности форсунок. Однако форсунки клапанного типа не получили широкого распространения в топливных системах дизелей. Основным недостатком форсунок клапанного типа является большой объем полости между клапаном и распыливающими отверстиями, что способствует подтеканию топлива в конце процесса впрыска. Для уменьшения объема данной полости необходимо уменьшить массу подвижных деталей клапанного узла распылителей форсунок, ограничить максимальную высоту подъема клапана и установить вытеснитель топлива. В результате конструктивных изменений распылителей путем замены прецизионной пары на беспрецизионный сферический клапан существенно увеличивается ресурс форсунок без снижения качественных и количественных показателей смесеобразования и тем самым уменьшается стоимость изготовления распылителей форсунок.
Поэтому исследования, направленные на повышение долговечности распылителей форсунок с беспрецизионным клапанным узлом, открывающимся по потоку топлива, являются актуальными.
Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО «Омский государственный аграрный университет» в рамках государственной темы № 0120.0 601331 «Совершенствование топливных систем автотракторных дизелей».
Цель исследования – повышение долговечности форсунок путем увеличения ресурса распылителей за счет применения беспрецизионного клапанного узла, открывающегося по потоку топлива.
Объект исследования – процесс изнашивания распылителей форсунок с беспрецизионным клапанным узлом, открывающимся по потоку топлива.
Предмет исследования – закономерности влияния беспрецизионного клапанного узла форсунок на скорость износа распылителей.
Научная новизна:
обосновано повышение долговечности форсунок автотракторных дизелей путем увеличения ресурса распылителей при применении беспрецизионного клапанного узла, открывающегося по потоку топлива;
обоснованы рациональные конструктивные и регулировочные параметры распылителей форсунок с беспрецизионным клапаном, открывающимся по потоку топлива. Новизна защищена тремя патентами на полезную модель;
разработана математическая модель формирования долговечности форсунок в процессе износа беспрецизионного клапанного узла распылителей, открывающегося по потоку топлива.
На защиту выносятся:
зависимость изменения площади проходного сечения между клапаном и седлом распылителей от времени наработки форсунок;
зависимость изменения гидравлической плотности беспрецизионного клапанного узла распылителей от времени наработки форсунок.
Практическая значимость. Применение форсунки с беспрецизионным клапаном, открывающимся по потоку топлива, позволяет уменьшить напряжения в поверхностном слое запорного узла распылителя, уменьшить массу подвижных деталей форсунки и тем самым увеличить ее ресурс в два раза.
Реализация работы. Разработаны опытные образцы усовершенствованных форсунок, которые были установлены на два трактора МТЗ-80 в КФХ «Виктория» Кормиловского района Омской области и находились в эксплуатации в течение 900 моточасов. Программа расчета процесса изнашивания распылителей на персональной ЭВМ, а также установка для осциллографирования параметров топливоподачи системой питания дизельного двигателя включены для использования в учебном процессе факультета технического сервиса в АПК ОмГАУ.
Апробация работы. Основные положения работы доложены и одобрены на ежегодных научно-практических конференциях профессорско-преподавательского состава и аспирантов ОмГАУ в 2005–2009 годах, на научно-технической конференции, посвященной 55-летию факультета технического сервиса в АПК ОмГАУ в 2005 году, на Международной научно-практической конференции НГАУ «Перспективные технологии и техническое обеспечение АПК» в 2006 году, на Международном научно-техническом форуме ОмГАУ «Реализация Государственной программы развития сельского хозяйства и регулирования рынков сельскохозяйственной продукции, сырья и продовольствия: инновации, проблемы, перспективы» в 2009 году.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в том числе 1 статья в рецензируемых ВАК РФ изданиях и получены 3 патента на полезную модель.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, общих выводов, библиографического списка и приложений. Объем работы составляет 127 страниц, из них 114 страниц основного текста, 38 рисунков, 6 таблиц. Библиографический список включает 123 источника, в том числе 7 на иностранном языке.
Анализ работ по исследованию износа распылителей форсунок закрытого типа автотракторных дизелей
Топливоподающая аппаратура оказывает существенное влияние на качество протекания рабочего процесса, эффективные показатели, надежность, долговечность, токсичность и дымность дизелей. При этом в наиболее трудных условиях работают форсунки, распылители которых непосредственно соприкасаются с камерой сгорания. Форсунки являются элементом топливной системы, от которого зависит окончательный вид характеристики впрыска. Поэтому выбор параметров этого элемента системы впрыска имеет большое значение для обеспечения эффективной организации процессов смесеобразования и сгорания, а также надежности и долговечности работы топливоподающей системы и дизеля в целом. При эксплуатации дизелей 35-40% неисправностей приходится на долю системы питания, из них до 80% отказов падают на форсунки [40, 78].
Наиболее слабым узлом форсунок являются распылители, работающие с большими ударными нагрузками по запорному конусу иглы, интенсивным абразивным износом, при высокой температуре, в агрессивной среде. С увеличением наработки форсунок в дизелях изменяется равномерность подачи топлива по цилиндрам, качество распыливания топлива и четкость ее отсечки. Это ухудшает процесс сгорания топлива в цилиндрах дизеля и его технико-экономические показатели.
Многочисленные исследования изношенных в процессе эксплуатации распылителей форсунок закрытого типа, проведенные различными учеными, позволяют следующим образом классифицировать виды разрушения поверхностей распылителя [12, 17, 18, 40]:
Абразивный износ, который по степени воздействия механических частиц подразделяют на две разновидности абразивного износа:
Износ частицами, размер которых меньше величины зазора прецизионной пары игла - корпус распылителя. При перетекании топлива с большой скоростью находящиеся в нем во взвешенном состоянии абразивные частицы, имея малую массу и размер, но значительную кинетическую энергию, снимают микростружку с поверхности детали, образуя риски и царапины. Микрогеометрия направляющей цилиндрической части иглы - корпус распылителя приобретает вид мелких бороздок и гребешков незначительной высоты с закругленными вершинами, их направление соответствует направлению движения топлива.
Износ частицами, когда их величина несколько больше величины зазора. В этом случае при движении иглы частицы заклиниваются между поверхностями и срезают микростружку.
Механический износ, которому подвержен конический запорный конус иглы - седло запорного гнезда корпуса распылителя. Ударную нагрузку от пружины и остаточное давление топлива в трубопроводе высокого давления воспринимает очень маленькая кольцевая площадка, на которой возникает весьма большое удельное давление. В результате поверхностный слой металла уплотняется, образуется наклеп. При длительной работе распылителя имеет место усталость металла, сопровождающаяся отслаиванием микрообъемов с запорных поверхностей, в момент удара запорного конуса иглы о фаску корпуса распылителя. Между этими поверхностями попадают механические частицы, которые вдавливаются в них и тем самым разрушают эти поверхности.
Гидроабразивный износ, при котором под действием больших скоростей протекания топлива с изменением его направления происходит гидравлический удар, вызывающий вымывание поверхностных частиц металла. Этот процесс ускоряется действием абразивных частиц, находящихся в топливе и совершающих поверхностный надрез, с последующим вымыванием поверхностных частиц металла.
Математическая модель изменения гидравлической плотности распылителя в процессе эксплуатации
Проведенный в предыдущем разделе анализ износа и изменения проходного сечения, а также анализ работ, посвященных изменению гидравлической плотности распылителей форсунок, показывает, что износ и гидравлическая плотность распылителей зависит: от кинетической энергии запорного устройства в момент запирания, которая, в свою очередь, зависит: - от силы затяжки пружины; - массы запорного устройства; - высоты подъёма запорного устройства. Кроме того, на этот процесс влияют: - частота ударов запорного устройства о поверхность седла; - прочностные свойства запорного устройства и седла; - исходная микрошероховатость поверхностей запорного устройства и седла; - наличия дефектов в металле деталей распылителя и др. Остальные виды неблагоприятного воздействия на долговечность распылителя форсунки, такие как абразивный износ, атмосферная коррозия не являются основными, а всего лишь дополняют усталостный износ и действуют совместно с ним. Качественную оценку износа распылителя форсунки можно выполнить только при условии учёта факторов, которые наиболее существенно влияют на изменение проходного сечения распылителя, образующегося при закрытом положении форсунки вследствие микронеровностей на поверхностях запорного устройства и седла. При описании изменения зазора между запорным устройством и седлом на всех трёх этапах воспользуемся следующей математической моделью. При подаче топлива в цилиндр двигателя под действием силы давления топлива Р запорное устройство поднимается на высоту Н. При этом деформация пружины также составит величину Н. После отсечки топлива запорное устройство перемещается под действием силы пружины Fnp и силы собственного веса G, ударяется в седло 2 по некоторой поверхности и останавливается почти мгновенно. В процессе удара запорного устройства о седло возникает энергия удара Е , часть которой Еп расходуется на пластическую деформацию поверхности, часть Е расходуется на упругую деформацию и часть Ен накапливается в соударяющихся деталях. Следовательно, суммарная энергия удара выразится зависимостью В результате соударения запорного устройства и седла происходит деформация микронеровностей на величину dh. Две первых составляющих в правой части уравнения (2.1) равны работе, затрачиваемой на изменение микро- и макроструктуры соударяющихся деталей и изменение проходного сечения. Таким образом, можно записать: В общем случае функциональную зависимость проходного сечения в процессе работы распылителя можно представить в виде: где S0 — исходная площадь проходного сечения между запорным устройством и седлом, м2; ав — напряжение, возникающее при контакте микронеровностей, МПа; а а - предел упругости материала, МПа; о-_, - напряжение выносливости материала от ударов запорного устройства по седлу, МПа; j _x — допускаемая величина предела выносливости материала, МПа; dh - изменение высоты зазора, м/ч; t - время работы распылителя, ч. Входящие в зависимость (2.3) величины тв и о\., функционально зависят от времени t. Обозначим отношения сг_,/ а _х = «_,, а отношение сгк1а в =кв, тогда зависимость (2.3) можно записать в следующем виде: Учитывая, что кв зависит от опорной площади поверхности Т, а / :_, от числа ударов z , произведенных запорным устройством за время t, изменение площади проходного сечения между запорным устройством и седлом на участке приработки можно представить в виде: где h — средняя высота зазора, м. Так как опорная поверхность на участке приработки изменяется от нуля (напряжения равны бесконечности) до величины поверхности, при которой напряжения деформации равны напряжениям упругой деформации, то величина ей определяется величиной пластической деформации. На участке нормальной эксплуатации и повышенного износа распылителя зависимость изменения проходного сечения представим в виде
Описание форсунок с беспрецизионным клапаном, открывающимся по потоку топлива
Для проведения экспериментальных исследований на кафедре тракторов, автомобилей и эксплуатации МТП ОмГАУ было изготовлено десять опытных образцов экспериментальных форсунок, со сферическими (шариковыми) клапанами, открывающимися по потоку топлива, выполненных на базе серийно выпускаемых форсунок закрытого типа ФД-22. Конструкция этих форсунок отличается от серийных тем, что в корпусе штатного распылителя вместо дифференциального клапана (иглы) распылителя форсунки ФД-22 установлен запорный орган в виде шарикового клапана в сборе с седлом и пружиной. Клапанный узел опытных форсунок имеет малую массу подвижных деталей и не имеет прецизионную направляющую поверхность, тем самым обеспечивает высокую износостойкость соединения клапан - седло. Диаметр шарикового клапана составляет 1,588 мм, а его масса 0,13 г, что значительно меньше в сравнении с серийным клапаном (иглой), имеющим диаметр 6 мм и массу 32 г. Принцип работы экспериментальных форсунок [82, 83, 84] отличается тем, что при достижении давления топлива перед форсункой величины, равной сумме давления начальной затяжки пружины форсунки и давления, обусловленного газовой средой в цилиндре двигателя, клапан начинает перемещаться в направлении движения потока топлива, которое через отверстия распылителя впрыскивается в цилиндр двигателя. Исходя из этого, у форсунок с клапаном, открывающимся по потоку топлива, увеличивается давление начала и конца впрыска топлива за счет давления газов в цилиндре двигателя и, учитывая геометрические размеры клапанного узла, уменьшается ход клапана. Как показывают предварительные исследования процесса впрыска для подачи одного и того же количества топлива, при одинаковом давлении впрыска, в форсунках данного типа требуется ход клапана 0,09-0,13 мм в сравнении с 0,2-0,23 мм форсунок ФД-22 [111]. Исходя из условия размещения клапана и с учетом конструктивных и регулировочных параметров были разработаны рабочие чертежи.
По чертежам выполнены опытные образцы экспериментальных форсунок с возможностью регулировки натяжения пружины форсунки и с установкой индуктивного датчика хода клапана для дальнейшей регистрации его движения. На рисунке 3.1а показан общий вид экспериментального образца форсунки закрытого типа, на рисунке 3.16 показан клапанный узел распылителя. Рисунок 3.1. Общий вид экспериментальной форсунки: а - общий вид экспериментальной форсунки, изготовленной на базе закрытой форсунки ФД-22; б - клапанный узел распылителя экспериментальной форсунки; 1 - корпус форсунки; 2 - штуцер; 3 - корпус распылителя; 4 - клапанный узел; 5 - упор; 6 - стакан; 7 - шарик; 8 - грибок; 9 - пружина Исследования экспериментальной топливной системы проводились на топливном стенде КИ-921М, усовершенствованном в соответствии с методическими особенностями экспериментальных исследований. Усовершенствование стенда КИ-921М заключалось в дополнительном оснащении измерительной и регистрирующей аппаратурой, с целью повышения метода измерения и исследования процесса топливоподачи. Выполненное дополнительное дооборудование безмоторного стенда измерительной аппаратурой состоит из трех основных элементов: датчиков, усилителя, регистрирующего прибора — осциллографа, а также оснащена дополнительными вспомогательными устройствами: блоками питания, стабилизаторами напряжений, соединительными кабелями, тарировочными приспособлениями и др. Экспериментальное исследование характеристик впрыска топливной системы с экспериментальными форсунками проводили на установке для ос-циллографирования 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. В таблице 3.1 приведены основные технические характеристики платы аналого-цифрового преобразователя ЛА-2М5. Данная установка, созданная на базе персонального IBM РС/АТ-совместимого компьютера с использованием универсальной платы аналого-цифрового преобразователя ЛА-2М5 производства ЗАО «Руднев-Шиляев» г. Москвы [86], позволяет в режиме реального времени отслеживать и записывать до 16 одновременно протекающих исследуемых процессов и с минимальными затратами времени приступить к обработке полученной информации. Схема установки представлена на рисунке 3.2, а ее общий вид - на рисунке 3.3.
Результаты ускоренных стендовых сравнительных износных испытаний серийной и экспериментальной форсунки
При проведении сравнительных испытаний с распылителей испытуемых форсунок снимались показатели до испытаний, во время испытаний и по окончании испытаний. Решение об окончании сравнительных износных испытаний принималось в связи с выходом основных показателей за пределы допустимых величин, то есть с достижением величины износа аварийного значения наиболее износостойкого из испытуемых образцов форсунок. Испытания делились на этапы продолжительностью 10 часов. По истечении очередного этапа с установленных форсунок снимались показания, по которым косвенно без разборки и замеров деталей можно судить о величине износа распылителя. К таким показателям относится гидравлическая плотность распылителей форсунок. Гидравлическую плотность определяли по времени падения давления от 23 МПа до 21 МПа. На рисунке 4.3 приведен график зависимости гидравлической плотности форсунок от времени наработки. 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 3,12%. Погрешность формулы (2.49) 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 2,42% . Погрешность формулы (2.51) на участке нормальной работы при определении гидравлической плотности форсунок с беспрецизионным клапанным узлом составляет 0,69%. Расчет погрешности определения гидравлической плотности серийных и экспериментальных распылителей на участке приработки и нормальной эксплуатации форсунок приведены в приложении В. В результате обработки экспериментальных данных определили значение коэффициентов 0 и о., входящих в зависимость (2.51), для определения изменения гидравлической плотности от времени наработки распылителя форсунки. Согласно формуле (2.48) величина 6 определяется следующим выражением: В этом выражении величина L, линия контакта между запорным устройством и седлом, определяется по формуле (2.43), поэтому для определения 0 необходимо определить только величину 8ср — среднюю величину зазора между шариком и седлом. Определение величины зазора проводили путём измерения зазоров на снимках профиля, полученных на оптиметре ИКВ. Зазор оценивали в 20 точках, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. Результаты экспериментальных исследований по определению 5ср представлены в приложении Г. Численное значение 8,n = 3,4641-10"6 м. Коэффициент вариации Kv = 7,5%. Тогда после подстановки численных значений величин, входящих в формулу для определения 9, получим: 9 = 4,2-101 м"1. Изменение напряжения в поверхностном слое в процессе эксплуатации определяли по формуле (2.51) Для сопоставления результатов расчёта гидравлической плотности распылителей с экспериментальных исследованиями гидравлической плотности необходимо определить изменение с.1 от времени наработки форсунки. Для этого выразим из формулы (2.51) дст_х и преобразуем формулу к следующему виду: _ Г? (1 - /3)n(0,5cFI2 + mgH)t AVkx При экспериментальном исследовании расчётным путём определяли параметры, характеризующие величину А. Результаты экспериментальных исследований представлены в приложении Д. Проведенные расчёты позволили определить значения а_ь представленные в приложении Д, которые обеспечивают сходимость экспериментальных данных с зависимостью (2.51). Для описания изменения а.і от времени эксплуатации были использованы несколько зависимостей, наиболее точной из которых оказалась зависимость где , а и г) — экспериментально определяемые коэффициенты.
