Содержание к диссертации
Введение
Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Факторы, определяющие работоспособность форсунок 9
1.2 Анализ существующих методов восстановления работоспособности форсунок при техническом обслуживании и ремонте
1.3 Цель и задачи исследования 26
2 Теоретическое обоснование восстановления работоспособности форсунок дизеля
2.1 Аналитическое представление движения иглы распылителя 27
2.2 Влияние конструктивных параметров распылителя на показатели ра- 31 ботоспособности форсунок
2.2.1 Внецентренное сжатие иглы распылителя 31
2.2.2 Создание турбулентного процесса в камере сгорания цилиндра двигателя
2.2.3 Создание режима автоколебаний иглы распылителя 38
3. Методика исследования 62
3.1 Общая методика 62
3.2 Исследование форсунок и распылителей, поступающих на ТО-3 62
3.3 Методика определения спектра звуковых частот впрыскивания топлива
3.4 Методика статистической обработки полученных результатов 73
3.5 Стендовые испытания 74
3.6 Эксплутационные испытания 75
4 Совершенствование технологии технического обслуживания и ремонта форсунок
4.1 Исследование влияния технического состояния форсунок на их частотные характеристики
4.2 Разработка способов восстановления работоспособности форсунок
4.2.1 Влияние эффекта внецентренного нагружения иглы на параметры впрыскивания
4.2.2 Разработка и исследование форсунки, с проточкой лыски над конусом иглы распылителя
4.2.3 Влияние двухпружинной форсунки на параметры впрыска 102
4.3 Совершенствование технологии технического обслуживания и ремонта форсунок
4.3.1 Производственная проверка технологии обслуживания форсунок 114
4.4 Результаты эксплуатационных испытаний форсунок 114
4.5 Выводы
5 Экономическая оценка результатов исследования 118
6 Общие выводы 120
Литература
- Анализ существующих методов восстановления работоспособности форсунок при техническом обслуживании и ремонте
- Влияние конструктивных параметров распылителя на показатели ра- 31 ботоспособности форсунок
- Методика определения спектра звуковых частот впрыскивания топлива
- Разработка и исследование форсунки, с проточкой лыски над конусом иглы распылителя
Анализ существующих методов восстановления работоспособности форсунок при техническом обслуживании и ремонте
Топливная аппаратура (ТА) является одной из основных систем автотракторных дизелей, надежность которой в значительной степени зависит от качества технического обслуживания и ремонта. Подача и распиливание топлива в цилиндрах дизеля во многом опреде ляет его эксплуатационные показатели, а характер протекания процесса сгора ния топлива определяется сочетанием конструкции камеры сгорания с факелом впрыскиваемого топлива и потоком воздушного заряда.
Одним из основных элементов топливной системы высокого давления дизелей (ТСВДЦ), от которых зависит ее работоспособность, являются прецизионные детали: плунжерные пары, распылители форсунок и нагнетательные клапаны. Уровень их надежности определяется конструктивными, технологическими, эксплуатационными и ремонтными факторами. Прецизионные детали работают в тяжелых условиях: нагреваются при работе до 523 К, (корпус рас пылителя), остывают зимой до 227 К. Давление в насосе в момент впрыскива ния достигает 50-80 мПа, фиксируются периодичные ударные нагрузки; кроме того, происходит абразивное изнашивание, и воздействие агрессивной среды. В результате происходит изменение зазоров, нарушение регулировочных пара метров, что приводит к отказу топливной аппаратуры [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 10, 11, 20,31,46,58].
Наименьшим ресурсом из всех прецизионных деталей обладает распылитель форсунки, у которого он не превышает 800-1200 моточасов, что составляет около 50 % моторесурса, установленного ГОСТом [5, 7, 8, 13, 20, 21, 22, 23, 72]. Влиянию технического состояния форсунок на работоспособность топлив ной аппаратуры и дизеля в целом посвящены работы широко известных уче ных: Астахова И. В., Антипова В. В., Бахтиарова Н. И., Голубкова Л. Н., Жда 10 новского Н. С, Загородских Б. П., Николаенко А. В., Мичкина М. А., Свиридова Ю. Б., Русинова Р. Р., Трусова В. И., Файнлебба Б. Н., Федосеева И. М, Фомина Ю. М. и других. В соответствии с перспективными требованиями к ТА тракторных и комбайновых дизелей межрегулировочный период работы топливных насосов должен составлять не менее 4000 ч, а форсунок - 3000 ч.
Анализ литературных данных и проведенные исследования в предлагаемой работе показал, что главной причиной отказов форсунок является неисправность распылителя [7, 8, 9, 10, 11, 16, 20, 22,48]. К основным отказам распылителей относятся: - потеря герметичности; - ухудшение качества распыливания топлива; - закоксовывание; - нарушение подвижности иглы; - потеря гидроплотности; - сколы, задиры, срывы поверхности, трещины в корпусах, смятие и забоины носика. Потеря герметичности происходит вследствие абразивного и кавитаци-онного изнашивания или деформации корпуса распылителя. При деформации происходит нарушение соосности между иглой и корпусом распылителя. При этом игла своим запорным пояском не перекрывает полностью поясок на корпусе и происходит утечка топлива в образовавшийся зазор.
При наличии абразивного износа утечка топлива происходит через микронеровности, появившиеся в результате воздействия твердых частиц, попавших в топливо. Аналогичная картина происходит и в результате кавитационно-го изнашивания. Установлено, что распылители с плохой герметичностью имеют и плохое качество распыливания топлива, нечеткий звук при впрыскивании, что, в свою очередь, говорит об ухудшении подвижности иглы. На подвижность иглы влияет коксование распылителей. Вопросам коксования посвящено много работ ЦНИТА, НАТИ, ВТЗ, ЛСХИ [10, 14, 15, 16, 22, 68].
Основными факторами, вызывающими коксование, являются: температура распылителя, прорыв горячих газов во внутренние полости распылителя, характер протекания конечной фазы впрыскивания топлива, химический состав топлива, количество подвпрысков, конструкция распылителя и качество его изготовления.
Качество распыливания и смесеобразования топлива с воздухом оказывает решающее влияние на процесс сгорания и, соответственно, на экономичность работы дизельного двигателя и зависит от давления перед распыливаю-щими отверстиями, конструктивного выполнения распыливающих отверстий и типа камеры сгорания [17,18, 19].
Стабильность параметров форсунок в процессе эксплуатации определяется стабильностью давления начала подъема иглы, суммарного эффективного сечения и сохранения склонности к дробящему впрыскиванию [24]. Нарис. 1.1, 1.2 приведены зависимости параметров форсунок двигателя ЯМЗ-236 от времени работы при эксплуатации. Снижение давления начала впрыскивания топлива (Рф0) происходит, прежде всего, за счет усадки пружины, износа соединения штанги - хвостовик иглы и износа запорных конических поверхностей иглы и корпуса распылителя. Поэтому все пружины форсунки для повышения усталостной прочности подвергают дробеструйному наклепу. Снижению усад при С ТТЛТ7 на готзкой в 1 5-2 раза превышающей рабочую Изготовление контактирующих ГГПвбПхнОСТёЙ ИГТТЫ и ШТАНГИ в вИ Л 6 сfb&D пОМИЬЇО быстрой приработки обес Износы ґчгрл-р/Ч с j-fc е тутwт-г е YТТії"ҐЇЇ О. происходят в основном в момент посадки иглы на седло. Эффективным средст
Стабильность величины (ц )р,% в процессе работы форсунок на двигателе вом снижения ударных нагрузок является уменьшение массы штанги форсунки и ее податливости.
Известно, что снижение давления происходит наиболее интенсивно в первые часы работы, на заводе при выпуске форсунок давление впрыскивания регулируют на 1-1,5 мПа больше установленного. Увеличение эффективного сечения распылителей происходит из-за износа сопловых отверстий абразивными частицами: вначале скругляются острые входные кромки, а затем увеличивается диаметр отверстия [5].
Современные топливные системы обеспечивают в основной фазе впрыскивания диаметр капель распыленного топлива 10-40 мкм [25]. При более мелком дроблении топливо испаряется в зоне распылителя форсунки и ухуд-шается использование воздуха в объеме камеры сгорания. В заключительной фазе впрыскивания образуются капли большего размера (до 200 мкм), что приводит к неполному сгоранию топлива, сопровождающемуся ухудшением экономичности и увеличением дымности. На режимах малых цикловых подач все параметры процесса топливоподачи резко ухудшаются.
Влияние конструктивных параметров распылителя на показатели ра- 31 ботоспособности форсунок
Следовательно, для них каждая из обобщенных координат является линейной комбинацией рассмотренных трех видов движений.
Таким образом, изменяя параметры пружин и коэффициент вязкого сопротивления, можно получить как колебательный, так и затухающий процесс. Поскольку колебательный процесс в данном случае предпочтителен, то первый вариант решения является для нас основным.
Следует также иметь в виду, что рассмотренные колебательные процессы, претерпеваемые иглой форсунки, имеют основной целью создание продольных волн в потоке топлива, поступающего через форсунку в камеру сгорания, в цилиндр. Под продольными волнами мы понимаем здесь области различного давления в потоке топлива, протекающем через колодец форсунки в различные моменты времени во время впрыска.
Проведенные численные эксперименты по приведенным формулам дают следующие результаты.
Пружины имеют равную жесткость, стандартную для форсунки (c i = С2 = 20000 кг/м)) а массы подвижных частей форсунки - промежуточной шайбы и иглы с толкателем следующие: mi = 0,01кг., m2 + mf = 0,5кг. Другие ис-ходные параметры принимались следующими [24]: масса штанги - Мш=0,1877 Ю-4 (кгс с2)/см; давление начала подъема иглы - рф0=175 кгс/см2; максимальная величина подъема иглы - утах =0,026см ; площадь кольцевого зазора - fn fx=0,21206 см2; диаметр несущей части иглы - d=0,35 мм ; диаметр - D=1,15CM.; коэффициент - i=6,5; модуль упругости второго рода - G=8 105 кгс/см2 ; коэффициент - ip=4,75; длина -
Начальные условия для колебательного процесса принимаем следующие: начальная фаза а равна нулю (а = 0) , амплитуда колебаний задается перемещением иглы уй и равна для каждой пружины при их равной жесткости yst/2. Расчеты показывают, что главные частоты колебательного процесса, определяемые формулами ю л/ К; й2 = Ж2, (2-61) равны К! =2000 1/с, к2 = 200 1/с, что соответствует fi = 12560 гц, f2 =1256 гц. Частоты собственных колебаний двухпружинной системы остаются прежними. Логарифмические декременты колебаний равны Лі=0,85 т»2=0,91, что вполне соответствует экспериментальным данным из литературы [24].
Полученные результаты вызывают сомнение, поскольку дают совпадение с экспериментальными данными только по одной частоте. Поэтому остается открытым вопрос о соответствии разрабатываемой теории данным эксперимента. Разгадка, на наш взгляд, кроется в том, что рассматриваемая двухпружинная система работает в данном случае как однопружинная, но с переменной величиной внутреннего трения, зависящего от массы промежуточной шайбы. Шайба играет роль внутреннего демпфера, сдвигая в зависимости от массы частоту колебаний всей системы. Результирующая частота определится по формуле: К=4к , (2.62) m Ф где кх- частота колебаний, зависящая от веса шайбы, к - частота колебаний двухпружинной системы без шайбы, Ъ - частота сдвига колебаний. Частота колебаний двухпружинной системы без шайбы определяется ис-ходя из приведенной массы (2.45) и жесткости приведенной пружины, которая будет в динамике удваиваться, поскольку волны деформации в этих геометрически одинаковых пружинах будут распространятся в противофазе [84]. Тогда
Частота сдвига колебательного процесса определяется позиционным трением и конструкционным гистерезисом конкретной конструкции [84]. Практически эти величины определяются экспериментальным путем.
Произведенные ранее расчеты показывают, что в предложенной двухпружинной конструкции возможно варьировать вновь введенным элементом -промежуточной шайбой между двумя пружинами с целью регулирования частотного интервала колебания иглы форсунки (формулы 2.4 и 2.45).
Действительная же реакция системы на изменение массы шайбы может быть определена в каждом конкретном случае реальной конструкции по формуле (2.62). В ней предполагается, что частота сдвига Ъ возникает благодаря рассеянию энергии при позиционном трении между шайбой и пружинами и внутреннему трению в материале - конструкционному гистерезису. Экспериментально полученная зависимость частоты сдвига от массы промежуточной шайбы приведена на рис. 2.10. На рисунке по оси х отложена масса соединительной шайбы в граммах, а по оси у - частота сдвига в герцах. Как следствие этой зависимости в соответствии с формулой (2.62) на рис. 2.11 дан график зависимости частоты колебаний иглы от массы шайбы. На нем, также, как и на m
Зависимость частоты колебаний иглы от массы соединительной шайбы предидущем графике, по оси х отложена масса соединительной шайбы в граммах, а по оси у - частота колебаний иглы форсунки. Зависимость частоты колебаний от динамической массы иглы говорит о том, что регулировку частотного интервала варьированием массы иглы делать практически не имеет смысла.
Отметим также важный для работы форсунки эффект, создаваемый ее колебаниями, - это появление продольных волн при течении топлива через форсунку за счет колебаний иглы. Важность замеченного явления состоит в том, что скорость течения топлива при прохождении фазы разрежения и сжатия изменяется, что приводит к изменению коэффициента кавитации и, естественно, к улучшению туманообразования в камере сгорания.
Методика определения спектра звуковых частот впрыскивания топлива
Поскольку игла выполняет роль запорного конического клапана, то жесткие требования предъявляются только к рабочей части конуса иглы, которая (рабочая часть) представляет собой узкий поясок (прецизионная часть конуса). Для остальной же, нерабочей части (поверхности) конуса выдерживался только угол конусности, а требования к чистоте поверхности, как несущественные, не предъявлялись.
Выяснялось, что нерабочая часть поверхности конуса, как правило, имеет риски, мелкие каверны (последствия механической обработки), а в отдельных случаях даже не препятствующую последующей притирке несоосность конуса и цилиндрической части иглы, обычно возникающую из-за деформации при большом сроке службы (наклон осей и/или их эксцентриситет).
Математическая обработка полученных данных показала, что указанные факторы при их некоторых числовых значениях из-за высоких скоростей и давлений обтекающего конус потока топлива вызывает его кавитацию, приводящую к срыву потока и соответственно к его турбулентности.
Таким образом, было установлено, что в соответствующих случаях повышение мощности двигателя обусловлено турбулизацией потока топлива, по 99 ступающего в сопло, чем улучшается распыление топлива и соответственно его сгорание.
Новым в предложенной форсунке является то, что на конической поверхности иглы между ее прецизионной частью и зоной перехода конуса в цилиндр выполнена сегментная площадка, плоскость сегмента которой преимущественно перпендикулярна геометрической оси иглы, а предпочтительная высота равна 0,15 + 0,2 мм [95, 101] (патент 2161264).
Технический результат предложенного заключается в экономии топлива или соответственно в повышении мощности двигателя. При этом, поскольку неотъемлемой частью любой топливной форсунки является коническая запор ная игла, то получить указанный технический результат можно практически без затрат на форсунке любой конструкции наиболее простым и коротким пу тем с помощью универсального общедоступного металлообрабатывающего оборудования без каких-либо конструктивных изменений других элементов форсунки. На рис. 4.16 изображен фрагмент форсунки, вид сбоку в разрезе; на фиг.2 - фрагмент запорной иглы в увеличенном масштабе; на фиг.З - вид "А" по фиг.2. Форсунка содержит корпус 1 (фиг.1), внутри которого с возможностью аксиального возвратно-поступательного движения размещена цилиндрическая запорная игла 2. Корпус 1 заканчивается соплом 3, имеющим выходные каналы 4. Цилиндрическая поверхность иглы 2 (фиг.2) на ее конце переходит в конус 5, часть 6 поверхности которого притерта к ответной поверхности сопла 3 и является прецизионной (рабочей). На нерабочей поверхности конуса 5 между прецизионной частью 6 и зоной перехода конуса 5 в цилиндр 2 выполнена, по меньшей мере, одна сегментная площадка 7 ("ступенька"), плоскость сегмента которой предпочтительно перпендикулярна оси "0" иглы 2. Понятие "зона перехода" конуса в цилиндр означает, что при выполнении площадки 7 может быть удален некоторый объем металла, относящийся и к ци 100
Топливо по топливному каналу 8 (фиг.1) подается в подигольную камеру 9, и при достижении в ней давления, равного давлению впрыска, запорная игла 2, нагруженная со стороны надигольной камеры пружиной (на чертеже не показаны), поднимается. При этом прецизионная (запорная) часть 6 конуса 5 отходит от контактирующей с ней ответной поверхности сопла 3, и топливо через образовавшийся зазор поступает к выходным каналам 4. Происходит впрыск топлива в камеру сгорания. В процессе обтекания топливом конуса 5 на сегментной площадке 7 происходит срыв потока, при этом из-за высокой скорости и большого давления при определенных геометрических параметрах возникает кавитация, по своей физической сущности представляющая собой ничто иное, как микровзрыв (кавитация, например, разрушает поверхности лопастей гребного винта скоростного судна). В результате еще до подачи топлива в камеру сгорания оно уже в каналы 4 поступает в мелкодисперсном состоянии.
В основу определения оптимальных размеров сектора (ступеньки) 7 были положены технологические возможности имеющегося металлообрабатывающего оборудования. Последовательно задавались различные размеры ступеньки 7 как по ее глубине "Н", так и по длине (высоте ее стенки, параллельной оси "0" иглы).
Далее расчетным путем определялись изменение расхода топлива, градиент скорости топлива в различных точках за конусом иглы, разница давлений около различных выходных каналов 4, несимметричность закручивания течения с обратными точками, стремящимися уменьшить расход, характеристики поведения потока в пограничном слое и т.д.
Было установлено, что длина стенки, параллельной оси "0", практически не влияет на качество распыла, а определяющим размером является только высота "Н" сегмента 7, поверхность которого к тому же не обязательно должна быть строго перпендикулярной оси "0". Было также установлено, что конус 5 может иметь более одной ступеньки 7, которые должны быть расположены по разные стороны оси "0", причем лучший результат достигается при несимметричном их расположении. В конечном итоге был установлен оптимальный размер "Н", который ко леблется в пределах от 0,15 до 2 мм. При этом какая-либо достоверная зависи мость между размером "Н" и диаметром иглы 2 и углом конуса 5 выявлена не т была, т.е. предпочтительность размера "Н" от 0,15 до 0,2 мм сохранялась для форсунок различных типоразмеров из числа известных. Результаты стендовых испытаний показали, что предложенная форсунка по сравнению с известной при равной мощности двигателя уменьшает расход топлива примерно на 6%, при этом полученный результат выходит за пределы возможных погрешностей контрольно-измерительной аппаратуры и является устойчивым (приложение 5).
Наличие такой проточки изменяет скорость течения топлива, что в свою очередь приводит к созданию турбулентного потока в колодце корпуса распылителя и улучшает качество распыливания топлива. У форсунок, укомплектованных распылителями, имеющих проточку были сняты частотные характеристики и построен полигон их распределения (рис. 4.17). Анализ полученного графика в сравнении его с графиком штатной форсунки (рис. 4.7) показал увеличение частоты первой гармоники.
Разработка и исследование форсунки, с проточкой лыски над конусом иглы распылителя
Цель производственной проверки - установить количество форсунок годных в дальнейшую эксплуатацию после комплекса мероприятий, разработанных в разделе 4.8 (приложение 5).
Из форсунок поступивших в фонд при ТО-3 была взята партия в 500 шт. Полностью отбраковалось 50 шт., 150 шт. - годные в дальнейшую эксплуатацию по всем параметрам. После проведения всех операций, кроме шлифовки лысок на конусе и хвостовике восстановило свою работоспособность еще 190 распылителей. У оставшихся распылителей были прошлифованны лыски, а у форсунок разрезаны пружины. Это дало возможность вернуть в дальнейшую эксплуатацию еще 95 форсунок. После этого были проведены аналогичные действия и на остальных форсунках поступающих в эксплуатацию. После про-шлифовки лысок и разрезания пружин у уже годных форсунок удалось поднять первую гармонику колебанийиглы на 65-98 Гц. Производственная проверка позволяет сделать следующие выводы: 1. Разработанная технология обслуживания форсунок при ТО-3 дает возможность вернуть в эксплуатацию 86,5% всех распылителей. 2. Часть остальных распылителей можно восстановить с помощью ремонтных мероприятий: восстановление направляющей части, перекомплектовка.
Эксплуатационные испытания форсунок проводились в хозяйствах Саратовского района Саратовской области. Форсунки были подвергнуты обслужи 115 ванию по разработанной технологии (приложение 6, 7). Перед установкой у распылителей было определено эффективное проходное сечение (Af) средняя величина которого х = 0,235. После снятие форсунок с двигателя они были подвергнуты проверке по РТМ 70.0001.029-80.
Из результатов проверки стало ясно, что стандартные форсунки имеют 30% нарушения качества распыла топлива, 50% нарушение герметичности, 70% нарушение звучности впрыска топлива.
Это позволяет сделать вывод, что склонность к коксованию у экспери # ментальных распылителей ниже чем у серийных. Для проверки экспериментальных форсунок на внезапные отказы была подготовлена партия форсунок и распылителей. За период эксплуатации (2года) рекламаций на форсунки не поступало. По результатам эксплуатационных испытаний определяли ресурс форсу нок прошедших ТО-3 по разработанной технологии. Ресурс экспериментальных форсунок составил 2500-2600 часов при 75% годных через 1500 часов эксплуатации. Ресурс серийных форсунок составил 1300 часов при 13% годных через 1500 часов эксплуатации.
Проверка экспериментальных форсунок на внезапные отказы по поломкам показала, что они имеют достаточную прочность, т.к. за то время эксплуатации выдержали намного больше циклов нагружений чем 10 106 (критерий оценки усталостной прочности).
Эксплуатационные испытания показали: 1. Экспериментальные форсунки менее склонны к коксованию чем серийные (на 6,8%); 2. Ресурс форсунок после ТО-3 составляет 2500-2600 часов. 4.5. Выводы 1. Лыска на хвостовике иглы позволяет повысить частоты колебаний первой гармоники на 25-55 Гц; 2. Внецентренное сжатие иглы передает ей вращательное движение # примерно 10 мин1; 3. Вращательное движение обеспечит равномерную приработку по линии контакта конусов иглы распылителя; 4. Равномерная приработка увеличит наработку на отказ; 117 5. Применение двухпружинной форсунки в сочетании со стыковочно # разделительной шайбой позволяет поднять частоту первой гармоники до 1280 Гц; 6. Разработанная технология обслуживание форсунок при ТО-3 дает возможность вернуть в эксплуатацию 86,5% всех форсунок; 7. Экспериментальные форсунки имеют меньшую склонность к коксованию (на 6,8%); « 8. Ресурс форсунок после ТО-3 составляет 2500-2600 часов; 9. Разработанные конструктивные изменения распылителей форсунок рекомендуется использовать при ремонте топливной аппаратуры на специализированных участках цехах, что позволит улучшить эксплуатационные показатели форсунок.
Качество технического обслуживания и ремонта форсунок характеризуется стабильностью работы дизеля, увеличением наработки на отказ.
Экономия от улучшения технического обслуживания реализуется непосредственно в сфере эксплуатации. Разработанные в диссертации мероприятия, как уже отмечалось, предназначены для использования, как при ТО-3 топливной аппаратуры, так и при ее ремонте. Внедрение усовершенствованной технологии требует незначительных дополнительных затрат. Поэтому при определении экономического эффекта, учитывались изменения приведенных затрат, как при ТО-3 или ремонтном производстве, так и в сфере эксплуатации.
