Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования 8
1.1 Особенности технической эксплуатации топливной аппаратуры импортных сельскохозяйственных тракторов и комбайнов 8
1.2 Влияние параметров топливоподачи на технико-экономические показатели дизеля и их нормативная база 11
1.3 Анализ устройств и технологий регулирования угла опережения впрыскивания топлива 32
1.4 Технологии испытаний топливной аппаратуры и система эталонирования 40
1.5 Цель и задачи исследования 50
2 Теоретические исследования по совершенствованию средств и технологий технического обслуживания топливной аппаратуры 52
2.1 Разработка устройства для диагностирования качества функционирования гидравлического автомата опережения впрыска топлива и математическое моделирование процесса перемещения его поршня , 52
2.2 Теоретические исследования влияния различных факторов на качество регулировочно-настроечных работ топливного насоса высокого давления 60
2.3 Совершенствование технологии регулирования топливных насосов... 68
3 Методика проведения экспериментов 76
3.1 Выбор программного обеспечения для теоретических исследований 76
3.2 Стенды, приборы, аппаратура, обработка экспериментальных данных и оценка погрешностей измерений 79
4 Экспериментальные исследования 100
4.1 Совершенствование технологии испытаний распределительных насосов типа VE 100
4.2 Экспериментальные исследования по отработке технологии регулирования топливных насосов высокого давления с использованием универсальной стендовой форсунки 113
4.3 Исследования по повышению надежности топливных насосов 118
5 Оценка экономической эффективности 123
Общие выводы и рекомендации 125
Библиографический список 127
- Особенности технической эксплуатации топливной аппаратуры импортных сельскохозяйственных тракторов и комбайнов
- Анализ устройств и технологий регулирования угла опережения впрыскивания топлива
- Разработка устройства для диагностирования качества функционирования гидравлического автомата опережения впрыска топлива и математическое моделирование процесса перемещения его поршня
- Совершенствование технологии испытаний распределительных насосов типа VE
Введение к работе
В аграрном секторе используется значительное количество зарубежной сельскохозяйственной техники, которая в основном сконцентрирована в машинно-технологических станциях (МТС) и крупных сельскохозяйственных предприятиях. Эффективность их технического сервиса в значительной мере определяется себестоимостью, трудоемкостью процесса технического обслуживания (ТО) и ремонта,. а также качеством и точностью регулировочно-настроечных работ.
Многомарочность зарубежной техники одного вида, эксплуатируемой в МТС, существенно осложняет и повышает стоимость организации и проведения ТО и ремонта. В зарубежных машинах одной модели могут устанавливаться различные силовые агрегаты и, как следствие, топливоподающие системы (ТПС) различных марок и фирм. Известно, что качественная регулировка топливных насосов высокого давления (ТНВД) - это предпосылка получения высокой мощности дизеля с одновременным низким расходом топлива и допустимым уровнем эмиссии отработавших газов. Каждый из производителей топливных насосов при проведении регулировочных или проверочных работ предписывает применение соответствующих эталонных стендовых форсунок и топливопроводов высокого давления (ВД), использование которых регламентируется технологическими картами (тест-планами) на регулировку. При этом контрольные нормативы и технологии регулировки фирм-производителей топливной аппаратуры (ТА) различны даже для одних типов насосов. Это обуславливает большую номенклатуру используемых при регулировочно-настроечных работах эталонных стендовых форсунок, нагнетательных трубопроводов ВД и даже самих' стендов, и, в конечном счете, повышает себестоимость работ по техническому сервису. Разработанные ГОСНИТИ технологии регулирования ТНВД ориентированы на ТА отечественного производства. Используемые в настоящее время устройства фирм Bosch, Zexel и Denso для on-
6 ределения хода поршня автомата опережения вспрыскивания топлива (АОВТ) ТНВД типа VE не обеспечивают достаточную точность.
В связи с этим исследования, посвященные повышению эффективности технического сервиса ТА совершенствованием средств и технологий ТО и регулировки топливных насосов, весьма актуальны.
Цель работы: повышение эффективности технического сервиса топливной аппаратуры автотракторных и комбайновых дизелей совершенствованием средств и технологий технического обслуживания.
Научную новизну работы составляют:
математическая модель для определения угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ) встроенного гидравлического автомата опережения впрыска топлива по величине давления в полости низкого давления в насосах типа VE;
технология диагностирования качества функционирования гидравлического АОВТ ТНВД с использованием разработанного устройства для диагностирования;
технология регулирования широкого спектра топливных насосов автотракторных и комбайновых дизелей, позволяющая существенно уменьшить необходимое количество оснастки и стендовых эталонов, снизить трудоемкость и себестоимость регулировочно-настроечных работ.
Практическая значимость: устройство и технологии диагностирования, усовершенствованная конструкция универсальной стендовой форсунки и предложенная технология регулирования топливных насосов могут использоваться при регулировании ТНВД.
Реализация результатов исследований. Результаты исследований внедрены в региональном специализированном предприятии по техническому сервису топливной аппаратуры ООО «Башдизель» (Bosch Diesel Service, г. Уфа), а также используются в учебном и научно-исследовательском процессах Башкирского ГАУ.
Методы исследования и достоверность. Достоверность и обоснован-
7 ность научных положений подтверждается сочетанием теоретических и экспериментальных методов исследования, выбором современных методов и средств измерений с применением высокоточных информационно-измерительных систем и преобразователей, соблюдением требований стандартов, периодической проверкой и тарировкой приборов и согласованием результатов проведенных исследований с опубликованными данными.
Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались на научно-технических конференциях Башкирского ГАУ (Уфа, 2003 - 2006 гг.); «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» в Мордовском ГУ (Саранск, 2004 г.); «Улучшение эксплуатационных показателей двигателей тракторов и автомобилей» в Санкт-Петербургском ГАУ (Санкт-Петербург, 2004 г.); на Международном симпозиуме «Образование через науку», посвященный 175-летию МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, 2005 г.); «Научно-практический прогресс в инженерной сфере АПК России - методология и практика оказания интеллектуальных услуг сельскохозяйственному производству» в ГНУ ГОСНИТИ (Москва, 2006 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов, библиографического списка и приложений, содержит 148 страниц машинописного текста, 60 рисунков, 31 таблицу, 10 страниц приложений, списка литературы из 107 наименований.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе, 1 статья - в рецензируемых ВАК изданиях /31/, а также получено решение о выдаче патента /76/.
Особенности технической эксплуатации топливной аппаратуры импортных сельскохозяйственных тракторов и комбайнов
В аграрном секторе используется значительное количество зарубежной сельскохозяйственной техники, которая в основном сконцентрирована в МТС и крупных сельскохозяйственных предприятиях. Наибольшее количество зарубежной сельскохозяйственной техники сосредоточено в Краснодарском крае, Белгородской, Саратовской, Самарской, Тюменской, Тульской, Челябинской областях, Республиках Башкортостан и Татарстан. В таблице 1.1 представлены данные по наличию самоходных машин зарубежного производства в Республике Башкортостан.
Техническая оснащенность сельхозпроизводства Республики Башкортостан самоходными комбайнами и косилками зарубежного производства на 01.02.2006 г.Аналогичное многообразие в моделях приобретаемой зарубежной техники одного вида наблюдается и в других регионах.
Современные конструкции зарубежных машин значительно отличаются от отечественной техники наличием большого количества различных электронных, электро- и гидроуправляемых и других сложных узлов и элементов. Эффективность их технического сервиса в значительной мере определяется себестоимостью, трудоемкостью процесса технического обслуживания (ТО) и ремонта, а также качеством и точностью регулировочно-настроечных работ.
Существенное ухудшение мощностных и ТЭП дизелей, объясняется, в первую очередь, изменением технического состояния элементов ТПС и параметров топливоподачи и в меньшей степени зависит от износа двигателя. Так проведенная исследователями /53/ стендовая проверка двигателей 8413/14 после длительной эксплуатации показала, что мощность и топливная экономичность понижена, а дымность ОГ дизеля повышена. При установке на двигатели контрольных комплектов ТА максимальное занижение мощности (по сравнению с новым двигателем) составило 5%, а увеличение удельного расхода топлива - не более 4%. После регулировки ТА мощностные показатели дизелей были не хуже, чем при работе с контрольной. При этом даже у двигателей с нормально отрегулированной ТА и большим износом деталей цилиндропорш-невой группы не отмечалось падение мощностных и экономических показателей более чем на 5%.
Проведенный нами поиск причин отказов элементов тошшвоподающих систем комбайнов CASE и New Holland, тракторов CASE Ш и John Deere в условиях эксплуатации 1997...2006 гг. выявили, что отказы в основном связаны с нарушением правил технического обслуживания, низким качеством применяемого топлива. Анализ ремонта топливоподающих систем зарубежных дизелей показал, что ремонт (например, замена плунжерных пар с последующей регулировкой насосов типа MW, VE) в ремонтно-технических предприятиях системы «Сельхозтехника» не обеспечивает должного качества. Объясняется это тем, что для проведения работ требуется наличие квалифицированных кадров, специализированного инструмента, оснастки и оборудования, в большинстве
своем выпускаемых за рубежом. Существенной проблемой является приобретение технической документации, технологических карт ремонта и ТО всего конструктивного многообразия применяемых систем. В машинно-технологических станциях, где эксплуатируется большая часть зарубежных машин, отсутствует должная производственная база ремонта и технического обслуживания, недостаточна укомплектованность квалифицированными сервисными инженерами, наблюдаются сверхнормативные простои гарантийных комбайнов по вине сервисной службы дилеров и фирм-производителей.
В работах /35, 70, 82/ раскрыты особенности ТО и ремонта сельхозтехники. В целом эксплуатация зарубежной мобильной техники в России имеет ряд особенностей. Во-первых, высокая наработка зарубежных машин за сезон обусловлена большей технической и технологической надежностью, интенсивным их использованием, большим набором убираемых культур, перемещением по регионам и недостатком техники в хозяйствах, длительным сроком проведения уборочных работ.
Во-вторых, многомарочность приобретаемой зарубежной техники одного вида препятствует правильной организации и проведению технического обслуживания и ремонта. При этом следует отметить, что даже в машинах одной модели устанавливаются различные силовые агрегаты, и, как следствие, наблюдается многообразие топливоподающих систем. Применяемая в этих дизелях топливная аппаратура фирм Ambac International, Delphi, Stanadyne, R.Bosch, Zexel, Denso существенно отличается как конструктивно, так и технологией регулировки и используемой при этом оснасткой. Кроме того, некоторые производители отечественных двигателей начали комплектовать дизеля своего производства зарубежными ТПС: дизельные двигателя КамАЗ-740.30-260 с рядным ТНВД типа А фирмы Bosch /89/, ЗМЗ-514.10 с распределительным ТНВД типа VE фирмы Bosch /89,1.04/ и др.
Анализ устройств и технологий регулирования угла опережения впрыскивания топлива
Средства измерения параметров ТА, используемые при ее ТО, имеют определенные погрешности, величины которых зависят от вида средства; т.е. вид измерительного устройства определяет качество ТО ТА.
Качественная регулировка ТНВД - это предпосылка получения высокой мощности дизеля с одновременным низким расходом топлива и допустимым уровнем эмиссии ОГ /81/.
Рассмотрим различные средства измерения, используемые для определения статического (геометрического) и динамического (действительного) УОВТ некоторых типов ТНВД.
Установка геометрического УОВТ производится на этапах сборки ТНВД (рисунок 1.8). Расстояние от кромки плунжера до верхней кромки распределительной головки при положении плунжера в НМТ и при демонтированной центральной гайки распределительной головки характеризует геометрический УОВТ в распределительных ТНВД типа VE. Это расстояние называется размер К и его величина приводится в тест-планах на регулировку топливного насоса. В случае несоответствия измеренной величины К величине допуска необходима замена регулировочной шайбы между кулачковой шайбой и плунжером.
В случае если плунжер распределительного ТНВД типа VE имеет дополнительную радиальную канавку в торцевой его части для увеличения объема наполнения, то установка геометрического УОВТ производится при испытаниях ТНВД на безмоторном стенде методом статической проливки. В этом случае геометрический УОВТ определяет предварительный ход плунжера. Идея метода заключается в нахождении момента закрытия впускного окна по прекраще 33 нию потока топлива через него. При этом определяется перемещение плунжера от его НМТ до момента начала подачи топлива. Для этого ТНВД должен бшь присоединен к магистрали подвода топлива на испытательном стенде. По центру корпуса ТНВД выворачивается его центральная гайка, на место которой заворачивается измерительное устройство 1 с отводной трубкой и индикаторной головкой (рисунок 1.9).
Индикаторная головка опирается измерительной штангой в плунжер ТНВД и измеряет его перемещение. Привод 4 ТНВД осуществляется вручную до тех пор, пока индикаторная головка 1 не перестанет показывать какое-либо перемещение, что соответствует НМТ плунжера.
Топливо под давлением (приблизительно 0,5 бар) подается по магистрали 5 в надплунжерное пространство. Электромагнитный клапан останова 9 при этом запитан и отрыт, а рычаг управления находится в положении максимальной подачи. В результате жидкость течет из полости высокого давления наружу в измерительное устройство, а затем выходит в виде струи из отводной трубки.
Привод ТНВД снова проворачивается вручную в сторону вращения вала насоса при его работе на двигателе. Когда впускное окно в полости высокого давления перекрывается, топливо почти не поступает в надплунжерное пространство (примерно 1 капля в секунду через отводную трубку устройства), а выходит наружу из сливной магистрали. Это положение соответствует геометрическому моменту начала подачи (геометрическому УОВТ). На индикаторной головке величина перемещения плунжера считывается между НМ1 и точкой начала подачи и сравнивается с заданным в тест-плане значением. Если измеренная величина находится вне поля допуска, ТНВД разбирается и заменяется шайба, которая располагается между кулачковой шайбой и плунжером /81/.
Разработка устройства для диагностирования качества функционирования гидравлического автомата опережения впрыска топлива и математическое моделирование процесса перемещения его поршня
Выбросы наиболее значимых токсичных компонентов ОГ резко зависят от УОВТ. Для обеспечения высоких экологических требований Euro необходимо изменять УОВТ в соответствии со скоростным и нагрузочным режимами работы дизеля. В распределительных насосах типа VE УОВТ однозначно определяет положением поршня гидравлического АОВТ. В этой связи, для диагностирования качества функционирования АОВТ разработано устройство (рисунок 2.1)/76/.
Устройство состоит из переходника 11, устанавливаемого в топливный насос 1 вместо штуцера слива топлива, в который вкручен клапан обратной подачи 13, соединенный с топливопроводом обратной подачи 12; тензодатчика 14, определяющего среднее давление топлива в ЛНД ТНВД и связанного посредством проводов с крейт-контроллером 15, который соединен с компьютером 16, с которым связан также второй тензодатчик 5, определяющий пульсации давления топлива в полости АОВТ и устанавливаемый в устройство 6, определяющее ход поршня АОВТ, связанный также с крейт-контроллером 15.
Для определения зависимости положения поршня (УОВТ) от величины давления топлива в полости АОВТ разработана математическая модель, основанная на уравнениях баланса сил и законе движения затухающей колебательной системы.
Для упрощения расчетов примем, что под действием средних амплитуд пульсаций давления топлива поршень находится в положении покоя (рисунок 2.2).
Определим величину X колебаний поршня поэтапно:
1 этап - поршень АОВТ движется равноускоренно из положения покоя с начальной скоростью х0]-0 и в конце этапа достигает скорости перемещения xKi=max (максимальное перемещение Х] происходит под действием максимальной амплитуды пульсаций),
2 этап - поршень движется равнозамедленно до остановки (хк2-0) (начальная скорость хо2-хк]-max) (на поршень не воздействуют внешние силы). колебаний поршня АОВТ
Продолжительность 1-го этапа определяется по кривой пульсаций давления топлива в полости АОВТ, в момент, когда давление топлива возрастает со средней величины Рср до Рт ах. Конец этапа соответствует достижению в полос ти Pmax (инерционностью поршня и пружины пренебрегаем) (рисунок 4.13).
Формулы (2.17) и (2.29) позволяют оценить величину колебаний поршня гидравлического АОВТ по максимальной амплитуде пульсаций давления топлива в полости АОВТ. Величина среднего давления в ЛНД позволяет найти tj -продолжительность 1-го этапа (рисунок 4.7).
Как видно из этих формул амплитуда колебаний поршня зависит не только от величины пульсаций давления топлива в полости АОВТ, но и от хода поршня, жесткости его пружины сжатия, режима работы насоса.
Оценим адекватность разработанной математической модели. Для определения реальной картины колебаний поршня к устройству для определения качества функционирования АОВТ (рисунок 2.1) был подсоединен индуктивный датчик перемещения, оценивающий изменение амплитуды колебаний в режиме реального времени (рисунки 3.5 и 3,6).
Как показали проведенные эксперименты, предполагаемая картина колебаний поршня приближается к реальной. Значения критерия Фишера равное 1,34 при уровне значимости - более 0,95, свидетельствует о том, что отклоне-ния расчетных амплитуд колебаний поршня АОВТ от экспериментальных можно считать несущественными /19, 20, 40/ (рисунок 2.5). Отклонения обусловлены рядом допущений, принятых в математической модели.
На температуру топлива в агрегатах ТПС оказывает влияние схема перепуска избыточного топлива.
Рассмотрим схему перепуска топлива на примере схемы топливоподачи и отвода топлива дизеля ЗМЗ-514 с топливным насосом типа VE фирмы Bosch (рисунок 2.6) /104/. Топливо из бака 15 по трубке подачи топлива 16 к фильтру-отстойнику 13, через трубку подачи топлива 12, шланг топливопровода 11 и трубку подачи топлива 10 за счет разрежения поступает в дополнительный ТПН 8, из него подается в ФТО 9 под давлением 0,8 кг/см2, откуда очищенное топливо поступает в ТПН ТНВД и под давлением 0,2-0,7 МПа направляется во внутреннюю полость корпуса ТНВД 5. Далее топливо попадает в насосную секцию высокого давления и с помощью плунжера-распределителя в соответствии с порядком работы цилиндров подается по топливопроводам высокого давления 4 в форсунки 1, с помощью которых осуществляется впрыскивание топлива в камеру сгорания дизеля.
Избыточное топливо от форсунок по шлангу отсечного топлива 3 поступает к штуцеру ТНВД и далее по другому шлангу отсечного топлива 6 от штуцера ТНВД и линии отвода топлива стекает в топливный бак.
Системы питания ЗМЗ-514 является проточной. Все топливо, проходящее через обратный жиклерный клапан, направляется в бак. Сюда же сливается и просочившееся через распылители форсунок топливо. Перепускаемое топливо сливается в верхнее надтопливное пространство бака, что снижает температуру и способствует деаэрации топлива.
Совершенствование технологии испытаний распределительных насосов типа VE
Распределительные топливные насосы с аксиальным движением плунжера имеют встроенный гидравлический АОВТ (рисунок 1.2), который изменяет динамический УОВТ в зависимости от скоростного и нагрузочного режима дизеля (рисунок 4.1).
Как было замечено в Главе 1.2, от качества регулировки производительности ТПН зависит качество функционирования гидравлического АОВТ. Существующая технология регулирования распределительных ТНВД типа VE фирмы Bosch, обладает рядом недостатков, основным из которых является 1-ый этап регулировки: настройка производительности ТПН лишь на режиме работы насоса, соответствующему максимальному крутящему моменту дизеля (таблица 1.16). Но экспериментальные исследования, проведенные с распределительным ТНВД типа VE дизельного двигателя 2L, показали, что регулировка производительности ТПН лишь на одном из режимов его работы недостаточна для проведения качественных регулировочно-настроечных работ (рисунок 4.2).
При настройке давления топлива в ЛНД, создаваемого ТПН, можно добиться соответствия регулировочного параметра нормативному, заданному по тест плану (допуск для дизеля 2L составляет 5,1%) /89/, па режиме максималь ного крутящего момента даже с неисправно работающим ТПН. Но при 500...700 мин" приводного вала ТНВД (или режиме начала действия пневмо-корректора) давление будет, ниже допуска, а на номинальном режиме наоборот - выше (рисунок 4.2).
Графики зависимостей давления топлива в ЛНД (Рднд), перемещения поршня АОВТ (h) от частоты вращения приводного Как видно из рисунка 4.2 некачественная работа ТПН ведет к увеличению давления в ЛНД на 0,04 МПа на номинальном режиме и падению РЛцд на 0,13 МПа при 500 мин"1 приводного вала, что ведет к увеличению на 1,0 и уменьшению на 1,1 мм хода поршня АОВТ на соответствующих режимах работа топливного насосавала и регуляторная характеристика распределительным ТНВД типа VE дизеля 2L (с исправно (сплошная) и неисправно (пунктир) работающим ТПН)
. Это ведет к отклонению угла опережения впрыска топлива от нормативного на ±2.. .2.2 град на тех же режимах. Изменится и внешняя регуляторная характеристика дизеля. Цикловая подача топлива увеличится на 5,7 мм /цикл на номинальном режиме и уменьшится на 11,6 и 34,9 мм /цикл при 500 мин 1 приводного вала и пуске соответственно.
В связи с этим, необходима некоторая корректировка порядка регулиро-вочно-настроечных работ. В качестве первого этапа регулировки рекомендует Е ся установить режим настройки производительности подкачивающего насоса в 3-ех точках (таблица 4.1): - на режиме начала действия пневмокорректора или при 500...700 мин" ; - максимального крутящего момента; - и номинальном.
Данное мероприятие позволит снизить время определения неисправного технического состояния ТПН в среднем на 1/4 ч. (таблица 1.16).
С учетом этого в таблице 4.1 представлен скорректированный порядок регул иров очно-настроечных работ для регулировок распределительных ТНВД типа VE
Проведенный анализ технического состояния ТНВД типа VE, поступивших на ремонт и проведение регулировочно-настроечных работ в ООО «Баш-дизель» (Bosch Diesel Service в г. Уфе), занимающегося ТО и ремонтом ТА, по казал, выявил, что наиболее высокий удельный вес отказов ТНВД связан с на рушением процессов в ЛНД (до 70%), Отклонения величины давления топлива в полости низкого давления ТНВД вызываются неисправностями роторно-лопастного ТННД и регулирующего производительность ТПН редукционного клапана,
С целью оценки степени влияния величины и пульсаций давления топлива в ЛНД на эксплуатационные показатели ТА дизеля 4D56 были проведены безмоторные экспериментальные исследования. Эксперименты проводились по плану с имитацией различных технический состояний его элементов, влияющих на процессы в ЛНД, Испытания проводились на всех скоростных режимах ТНВД, при этом давления открытия исправно работающего редукционного клапана (Рлнд) составили 0,31, 0,53 и 0,65 МПа при 500 мин"1, на режимах коррекции и номинальном соответственно (допустимый разброс ліщ по данным тест-плана - ±7,5; 3,0 и 3,5% на тех же режимах).
Зависимость хода поршня АОВТ от частоты вращения приводного вала ТНВД дизеля 4D56 при различных технических состояниях его редукционного клапана и ТПН (в скобках указаны давления открытия редукционного клапана при 500 мин 1, на режимах коррекции и номинальном соответственно)
При «регулировке» редукционного клапана на «меньшее» давление открытия (давление в ЛНД меньше на 0,17 (54,8%), 0,21 (39,6%) и 0,23 МПа 105 (35,4%) соответственно при 500 мин"1; на режимах коррекции и номинальном) кривая Рлнд=Г(п) смещается вниз, что приводит к изменению динамического УОВТ на различных режимах работы ТНВД. Так при 500 мин 1 перемещение поршня АОВТ не происходит, но по данным тест-плана для ТНВД данного дизеля должно осуществляться уже при оборотах 200...300 мин"1 его приводного вала. А на режимах максимального крутящего момента (1500 мин"1) и номинальном (2000 мин 1) ход поршня АОВТ уменьшается на 3,4 и 3,0 мм соответственно (рисунок 4.3).
На аналогичных режимах работы ТНВД кривая Рлнд перемещается вверх при «регулировке» клапана на «большее» давление открытия (Рлнд больше на 0,90 (29%), 0,11 (20,8%) и 0,90 МПа (16,9%)), что также значительно влияет на динамический УОВТ (ход поршня АОВТ увеличивается соответственно на 0,7, 1,5 и 1,0 мм).
