CC BY
15
УДК 621.43.032:621.651
С. Б. СПИРИДОНОВ
Омский государственный аграрный университет
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ИЗНОСОСТОЙКОСТИ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ТОПЛИВНЫХ НАСОСОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНОГО ТИПА_
В статье предлагается способ сравнительной оценки износостойкости плунжерных пар топливных насосов распределительного типа на основе стендовых ускоренных испытаний, приводятся результаты испытаний топливных насосов с различной организацией рабочего процесса.
Надежность автотракторной, сельскохозяйственной и транспортной техники зависит от надежности дизелей и их топливной аппаратуры, которая является наиболее ответственным, сложным и дорогим агрегатом дизеля. Большая часть неисправностей топливной аппаратуры приходится на наиболее быстро изнашиваемые прецизионные детали, главным образом на плунжерные пары топливных насосов высокого давления. При разработке и усовершенствовании топливных насосов большое внимание уделяется испытаниям для определения их надежности, ресурса и износостойкости. Ориентировочные сведения о надежности топливной аппаратуры могут быть получены по результатам специальных стендовых безмоторных испытаний. Для этого разработаны методики, стандарты, а также большое количество установок и оборудования для заводов изготовителей [3].
Необходимость в подобных испытаниях может возникнуть не только на заводе-изготовителе топливной аппаратуры, но и в топливных цехах ремонт-но-восстановительных предприятий и организациях занимающихся распространением запасных частей к топливным системам дизелей, при использовании плунжерных пар различных производителей, при сравнении различных способов восстановления плунжерных пар, при доработке и внесении в конструкцию топливного насоса каких либо изменений и дополнений, влияющих на скорость износа и ресурс плунжерной пары.
Для определения надежности топливной аппаратуры все большее применение находят ускоренные стендовые испытания, которые резко сокращают продолжительность испытаний и одновременно позволяют получить вполне достоверные данные. При ускоренных испытаниях стремятся возможно полнее воспроизвести условия эксплуатации, а скорость изнашивания повышают ужесточением режима работы [3].
Методы ускоренных испытаний на надежность насосной секции насоса высокого давления определены ОСТ23.1 -364-73, в соответствии с которым они используются для систематической выборочной проверки выпускаемой топливной аппаратуры [3].
На кафедре тракторов и автомобилей в Омском государственном аграрном университете для сравни-
тельно"! оценки износостойкости только плунжерных пар нескольких насосов одновременно на основании данной методики предложен новый способ, принцип которого заключается в установке на стенд одновременно двух испытуемых насосов, у которых сравнивается износостойкость плунжерных пар.
При этом обеспечивается идентичность условий работы данных насосов, Насосы работают на одинаковом режиме, который ужесточается добавлением в топливо в определенной концентрации абразива, повышением температуры, и давления впрыска. На рисунке 1 приведена схема разработанного в ОмГАУ износиого стенда для ускоренных сравнительных испытаний. Совместный привод 4 и питание из одного бака 5, от общего подкачивающего насоса 7 обеспечивают идентичность условий работы насосных секций.
На данном стенде были проведены сравнительные износные испытания серийно выпускаемой модели насоса распределительного типа НД21 и выполненного на его базе опытного образца насоса, разработанного на кафедре тракторов и автомобилей ОмГАУ, с получением патента на изобретение [1|. Схемы рабочих элементов данных насосов приведены на рисунке 2.
В данных насосах существенно отличается способ организации рабочего процесса. Наполнение рабочей камеры серийно выпускаемой модели происходит через наполнительные окна втулки 4, в момент перекрытия которых, на нагнетательном ходе плунжера 1 происходит основной процесс износа: гидроудар, кавитационное разрушение, защемление абразивных частиц содержащихся в топливе. В разработанном и запатентованном же насосе наполнение надплунжерного пространства осуществляется через автоматический клапан грибкового типа 5, который в момент выстойки плунжера 1 в нижней мертвой точке разобщает рабочую полость и полость низкого давления. Такая организация рабочего процесса исключает основной фактор износа, поэтому серийный насос НД, переоборудованный на новый способ организации рабочего процесса, имеет совершенно иные показатели надежности.
При испытаниях используется топливо "запыленное" кварцевым абразивом зернистостью 2-11 мкм по ГОСТ 2138 - 74 до концентрации 50 г.
абразива на одну тонну топлива. При этом, как указывается в методике ОСТ 23.1 -364-73, один час наработки на стенде соответствует примерно 100 ч работы в условиях эксплуатации, т.е. коэффициент сопоставимости равен 100.
Для обеспечения одинаковых начальных условий испытаний секции насосов подбираются с одинаковой начальной гидроплотностью, т.е. перед
испытаниями производится проверка на герметичность и гидроплотность прецизионных пар, и производится регулировка насосов в соответствии с действующими техническими условиями.
Всё испытание разбивается на этапы продолжительностью по 10ч. В течение этапа 8 часов насосы работают на номинальном режиме, 1.5 часа на режиме холостого хода и 0.5 часа на режиме
Рис. 1. Схема износного разработанного в ОмГАУ стенда ускоренных сравнительных испытаний
1 — испытуемый серийный насос НД-21/4,2 — испытуемый экспериментальный насос конструкции ОмГАУ, 3 — стенд для испытания топливоподающей аппаратуры КИ-921М, 4 — общий цепной привод , 5 — общая ёмкость с загрязненным дизельным топливом, 6 — штуцер забора топлива, 7 — общий топливопод-качивающий насос низкого давления ЯЗТА двигателя ЯМЭ-238, 8 — манометр контроля давления подкачки, 9 — шланг слива топлива из ванны с мензурками стенда, 10 — топливопровод подачи топлива к наполнительному клапану экспериментального насоса 2, 11 — топливопровод подачи топлив в полость питания серийного насоса НД-21 /4 позиции 1,12- топливопровод отвода топлива из питающей полости серийного насоса НД-21/4 через демпфирующий клапан насоса. 13 — топливопровод отвода топлива отсечки экспериментального насоса, 14 — тахометр стенда, 15 — мерительные мензурки, 16 — форсунки, 17 — топливопроводы высокого давления, 18 — двигатель стенда, 19 — счетчик циклов.
частичной нагрузки. По истечении очередного этапа контролируются состояния насосных секций, производятся замеры исследуемых показателей.
По окончании очередного этапа питание насосов переключается на чистое топливо из топливного бака стенда и после непродолжительной промывки производится оценка состояния износа плунжерных пар по рабочим показателям топливной аппаратуры, к которым относятся: пусковая подача, максимальное давление, развиваемое плунжерными парами, коэффициент запаса подачи — разница между цикловой подачей плунжерной пары при противодавлении и без, т.е. с форсунками и без форсунок [2].
На рисунке 3 приведены графики, на которых показаны полученные в результате испытаний зависимости снижения пусковой подачи на режиме п = 80 мин 1, давление открытия форсунок 27,5 МПа, кинематическая вязкость топлива 5.9 — 6 сСт, при температуре топлива и насосов 35-40°С.
Из анализа полученных результатов видно, что снятые в процессе износных испытаний зависимости пусковой подачи от времени испытаний имеют практически одинаковый характер. По мере увеличения износа уменьшаются пусковая подача пропорционально увеличению утечек топлива через зазоры прецизионных деталей. К тому же, увеличение зазоров сопрягаемых поверхностей в результате износа ведет к увеличению количества и размеров абразивных частиц, попадающих в эти зазоры, что ведет к увеличению скорости износа. Поэтому зависимость величины износа от наработки имеет экспоненциальный характер.
При аппроксимации экспериментальных данных пакетом прикладных математических программ получены экспоненциальные уравнения регрессии, по которым можно спрогнозировать состояние износа на любом этапе работы насоса, зная его исходное значение и наработку Т в сотнях моточасов, при сопоставимости испытаний, как ранее указывалось, 1:100.
Так, зависимости пусковых подач (Т) описываются эмпирическими выражениями для серийного насоса НД и опытного образца:
„НД гт\ ид . о ОП£/1 0,0076-7' \
Яц(Т) = +8,896(1 -е ),
„ОПоп . 1 ппп/, 0,024 Г \
Яц (Т) = Яоц + 1,727(1 - е )
где <7щ и начальные значения при Т = 0 пусковых
цикловых подач серийного пасос.а НД и опытного образца соответственно.
Данные эмпирические формулы достаточно точно аппроксимируют полученные зависимости, Средняя относительная ошибка аппроксимации равна 4% и 3,6% соответственно.
С помощью полуденных зависимостей можно, зная начальные величины пусковой подачи насосом и минимально допустимые аварийные ее значения, определ ить вероятный ресурс данной плунжерной пары на данном насосе.
При сравнении, полученных результатов ускоренных испытаний можно сделать вывод о большей износостойкости плунжерной пары, работающей на экспериментальном насосе. Серийный насос НД-21/4 достиг аварийного износа, при котором пусковая подача менее 150 мм'/цикл, получена за 22 часа ускоренных износных испытаний, тогда как пусковая подача экспериментального насоса снизилась до этого значения через 122 часа ускоренных испытаний, а при приведении кривых к одинаковым начальным условиям через 130 часов, что почти в 6 раз больше серийно выпускаемой модели.
Достоверность результатов подтверждена неоднократным измерением исследуемых параметров. В случае возникновения при испытании систематической ошибки, она в равной степени повлияет на показатели обоих испытуемых насосов, вследствие чего, отношение данных показателей останется неизменным.
Рис. 2. Схемы рабочих элементов испытываемых насосов: а) - серииныи насос НД-21 б) - экспериментальный насос конструкции ОмГАУ [1]; 1 - плунжер, 2 - дозатор, 3 - втулка плунжера, 4 - наполнительные окна втулки серийного насоса, 5 - впускной клапан экспериментального насоса
Т, 100ч.
Рис. 3. Графики снижения цикловой подачи и максимально развиваемого
плунжерной парой давления экспериментального и серийного насоса в зависимости от времени работы при ускоренных износных испытаниях
— полученные экспериментальные зависимости;
-кривые полученные в результате аппроксимации опытных данных;
qц,HД> чц,ОП - цикловая подача топлива на режиме пуска серийного насоса НД и опытного образца соответственно
Таким образом, из анализа полученных результатов скорости износа плунжерных пар насосов распределительного типа можно отметить, что уменьшить скорость износа в несколько раз позволяет исключение перепуска топлива в начале хода нагнетания. Ресурс топливного насоса, в рабочем процессе которого наполнение надпЛунжерного пространства осуществляется посредством клапана, в шесть раз больше ресурса серийно выпускаемой модели с наполнением через окна во втулке при всех прочих равных условиях.
Библиографический список
1, Ковалев Л.Г., Ковалев П.Л., Дудкин A.A. — Топливный насос высокого давления. Патент RU 2164309 С2, F02M41/00. Бюл№8, 2001г.
2. Антипов В В. Износ прецизионных деталей и нарушение характеристики топливной аппаратуры дизелей. - М.: Машиностроение, 1972. — 175с.
3. Надежность топливной аппаратуры тракторных и комбайновых дизелей./Р.М.Баширов, В.Г.Кислов, В.А.Павлов, В.Я.Попов — М.: Машиностроение, 1978. - 184с.
СПИРИДОНОВ Сергей Борисович, соискатель на степень к.т.н., ассистент кафедры "Тракторы, автомобили и эксплуатация машинотракторного парка".
Дата поступления статьи в редакцию: 16.01.06 г. © Спиридонов С.Б.
XXV МЕЖДУНАРОДНЫЙ СИМПОЗИУМ ПО ДИНАМИКЕ РАЗРЕЖЕННЫХ ГАЗОВ
15-21 ИЮЛЯ
Организаторы: РФФИ; Минобрнауки России; Роскосмос
Адреса: Институт теплофизики им. С.С. Кутателадзе СО РАН: 630090,г. Новосибирск, просп. Ак. Лаврентьева, 1; тел. (383) 330-80-18, 335-62-45; факс: 330-84-80;
Институт теоретической и прикладной механики им. С.А. Христиановича СО РАН: 630090, г. Новосибирск, ул. Институтская, 4/1; тел. (383) 330-81-63; факс: 330-72-68.
