CC BY
62
УДК 621.436 ГРНТИ 65.85.83
Л.С. Керученко, И.В. Веретено, Р.В. Даманский
ФАКТОРЫ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ ИЗНОС ЗАПОРНОГО СОПРЯЖЕНИЯ РАСПЫЛИТЕЛЯ ФОРСУНКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
Рассмотрен вопрос о выборе факторов, влияющих на износ уплотняющего прецизионного сопряжения распылителей форсунок, используемых в дизельных двигателях. Достоверные знания этих факторов дают возможность их использования для построения математической модели износа сопряжения и прогнозирования ресурса. Для оценки факторов, влияющих на износ уплотняющего сопряжения распылителя, была рассмотрена модель системы, содержащая параметры, характеризующие внешние воздействия на поверхностные слои деталей и механические свойства поверхностных слоев. Параметры, характеризующие структуру поверхностных слоев деталей, - пластичность и твердость поверхностных слоев материала, наличие неровностей различного масштаба (волнистость, микрошероховатость), высотные характеристики которых охватывают диапазон 0,001-400 мкм. Получены зависимость, определяющая время удара от высоты подъема иглы, массы иглы, жесткости пружины и ускорения, создаваемого наличием топлива в зазоре; зависимости, определяющие накопление энергии в поверхностном слое деталей и зависимость, начало повышенного износа сопряжения в результате накопления энергии в поверхностном слое. Оценено влияние на изменение зазора в сопряжении «игла - корпус распылителя» фактической поверхности контакта. Сделан вывод: получить математическую модель, адекватно описывающую процесс износа и ресурс работы уплотняющего сопряжения распылителя, можно при учете параметров, характеризующих физико-механические свойства топлива.
Ключевые слова: форсунка, распылитель, игла, корпус, топливо, уплотняющее сопряжение, фактическая поверхность контакта, гидравлическая плотность, деформация, износ.
L.S. Keruchenko, I.V. Vereteno, R.V. Damanskiy
FACTORS DETERMINING THE WEAR OF LOCKING CONJUGATIONS OF DIESEL ENGINE INJECTOR NOZZLES
The article deals with the problem of choice of factors influencing the wear of sealing precision conjugations of injectors used in diesel engines. Reliable data concerning these factors gives the possibility of their usage for theoretical construction of mathematical model of conjugations wear and resource forecasting. A model of the system including the parameters characterizing the external influences on surface layers of the parts and the mechanical properties of surface layers is considered for the assessment of the factors affecting the wearing of injector sealing conjugations. Parameters characterizing the structure of surface layers of the parts are plas-tirity and hardness of material surface layers, occurrence of surface imperfections of different scale like undula-lation or microroughness which are 0.001-400 mkm deep. Dependence defining the shock time on the lifting height of the needle, the needle mass, spring rate and acceleration, created by the presence of fuel in the gap was obtained as a result of the investigation. Dependences defining the energy accumulation at the surface layer of the parts and dependences defining the beginning of excessive wearing of the conjugation as a result of energy accumulation at the surface layer were also defined. The impact on changing the gap in the conjunction "needle -body spray" of actual contact surface was carried out. Thus in order to receive a mathematical model adequately describing the process of wear and life of injector sealing conjugations it is necessary to consider the parameters characterizing physico-mechanical properties of the fuel.
Keywords: spray nozzle, needle, housing, fuel, sealing conjugation, actual contact surface, hydraulic density, deformation, wearing.
Введение
Износ распылителей форсунок является сложным процессом механического и молекулярного взаимодействия контактирующих поверхностей при их работе. Большое число факторов, влияющих на динамику износа, их сложные взаимосвязи сдерживают поиск общих теоретичес-
© Керученко Л.С., Веретено И.В., Даманский Р.В., 2016
ких закономерностей износа. Наиболее изученным является так называемый абразивный износ прецизионных пар топливного насоса. В то же время исследованиям, обусловленным другими видам износа, очевидно, ввиду их сложности не уделялось значительного внимания. В связи с этим динамика износа прецизионных пар топливной системы дизелей, и в частности запорного конического сопряжения распылителей форсунок, в первую очередь отвечающего за герметичность форсунки, до настоящего времени представляет собой малоизученную область [3, 5].
Анализ литературы и характер износов показывают, что основной причиной преждевременного выхода из строя запорного сопряжения распылителей форсунок является многократная упруго-пластическая деформация контактируемых поверхностей в результате ударов иглы о поверхность корпуса распылителя. Процесс износа усложняется другими факторами, возникающими в результате осуществления впрыска топлива, а именно, высокими температурами, воздействующими как на прочность деталей, так и на изменение физических и структурных свойств топлива. Износ уплотняющего сопряжения происходит в результате локальной упруго-пластической деформации, возникающей в результате многократных ударов иглы о поверхность корпуса распылителя. Параметры, характеризующие упруго-пластическую деформацию, зависят от динамической нагрузки в локальных точках контакта поверхностей иглы и корпуса. В то же время динамическая нагрузка в значительной степени определяется гидродинамической и тепловой нагруженностью локальных точек контакта. Отсутствие представлений о факторах, влияющих на динамическую нагруженность локальных точек контакта, и их изменении в процессе эксплуатации не позволяют создать достоверную математическую модель для прогнозирования ресурса сопряжения.
Цель настоящей работы - определить механизм взаимодействия поверхностных слоев деталей распылителя и факторы, существенно влияющие на процесс износа и ресурс работы форсунки.
Материалы и методика проведения эксперимента
Для оценки факторов, влияющих на износ уплотняющего сопряжения деталей распылителя, рассмотрим модель системы (рис. 1). Модель содержит параметры, характеризующие внешние воздействия на поверхностные слои деталей, а также параметры, характеризующие механические свойства поверхностных слоев. Входные параметры системы обозначены через
х1, х, . х,, ..., хн; параметры, определяющие внутреннюю структуру поверхностного слоя деталей, обозначены индексами , , г3, ..., гт и выходные параметры, характеризующие износ, обозначены индексами ух,
У 2 ' Уз ' Уу
Входными параметрами являются силовые и кинематические параметры, параметры окружающей среды, топлива и т.д.
Параметры, характеризующие структуру поверхностных слоев деталей - пластичность и твердость поверхностных слоев материала, наличие неровностей различного масштаба: волнистость, микрошероховатость и субмикрошероховатость, высотные характеристики которых охватывают диапазон 0,001-400 мкм [2, 4, 7] дислокаций и других микроскопических дефектов поверхностного слоя, материал деталей.
Основным показателем, характеризующим техническое состояние прецизионных пар форсунки, который контролируется в процессе эксплуатации, является гидравлическая плотность. Гидравлическая плотность характеризуется временем просачивания топлива под определенным давлением в зазор между иглой и седлом либо временем падения давления топлива от исходной заданной величины до установленной по ГОСТ. Просачивание топлива через
Параметры, характеризующие поверхностные слои деталей
3 £ >§
х> 1 '
Л>
Ал
'1 -у,
|| 11
Рис. 1. Схема системы «корпус - игла распылителя»
запорное сопряжение зависит от величины зазора h0 (рис. 2) между иглой и седлом корпуса [1]. В связи с этим при оценке долговечности распылителя форсунки, прежде всего, необходимо иметь методику расчета данного зазора.
Игла 2 в форсунке под воздействием давления в полости А и силы пружины 4 совершает возвратно-поступательное движение. Перемещение иглы сопровождается возникновением кинетической энергия, которая в момент посадки в седло корпуса распылителя превращается в энергию удара. В результате удара изменяется зазор h0 и, как следствие, гидравлическая плотность форсунки. Величина данного зазора зависит от структуры поверхностей иглы и корпуса распылителя.
На рис. 3, по данным работы [6], представлена структура поверхностей игл распылителей фирм BOSCH и ЦНИТА после механической обработки.
Поверхность игл после механической обработки представляет собой совокупность случайно расположенных микронеровностей. Естественно предположить, что при запирании форсунки выступы микронеровностей образуют локальные точки контакта и при ударе иглы в этих точках возникают напряжения, вызывающие упруго-пластическую деформацию.
В результате многократно повторяющихся ударов иглы микрогеометрия поверхностей сопряжения между иглой и седлом корпуса распылителя непрерывно изменяется, что непосредственно отражается на величине проходного сечения, утечках топлива и, как следствие, вызывает изменение гидравлической плотности форсунки.
Результаты исследования и их обсуждение
Изменение структуры поверхностей сопрягаемых деталей распылителя форсунки, как и при износе любых других деталей, имеет выраженные этапы: приработки, нормальной работы и ускоренного износа. Сделаны следующие предположения, позволяющие атрибутивно описать процесс потери гидравлической плотности форсунок на каждом из этапов:
На первом этапе приработки при запирании форсунки выступы и впадины микронеровностей иглы и седла образуют зазор значительной величины от 2,0 до 4 мкм, случайным образом изменяющийся по линии контакта между запорным устройством и седлом. Средняя величина зазора определяет гидравлическую плотность форсунки (рис. 4, а). Напряжения, интенсивность износа и зазор в сопряжении зависят от суммарной площади точек фактического контакта. Фактическая площадь контакта между иглой и корпусом распылителя в условиях приработки составляет сотые доли от геометрической поверхности контакта. При этом в процессе удара иглы возникают напряжения, превышающие предел пластичности материала. Происходит пластическое деформирование микронеровностей в точках контакта. Таким образом, основная часть энергии удара в данный момент расходуется на пластическую деформацию находящихся в контакте микронеровностей.
Кроме того, некоторая часть энергии удара расходуется на вытеснение из зазора топлива и преодоление упругости поверхностных слоев топлива. Нереализованная часть подводимой энергии удара накапливается в поверхностном слое, вызывая образование и развитие дефектов кристаллической решетки. Интенсивный износ микронеровностей иглы и посадочного места приводит к уменьшению зазора между сопрягаемыми деталями, увеличению фактической
Рис. 2. Физическая модель ударного износа распылителя: А - полость подвода топлива; Б - поверхность контакта седла и иглы; В - полость пружины; 1 - корпус распылителя; 2 - запорный конус иглы распылителя; 3 - направляющая часть иглы распылителя; 4 - пружина форсунки
поверхности контакта и гидравлической плотности уплотняющего сопряжения распылителя по мере приработки.
DLLA 1522P 967 BOSCH 5х0,4х60 ЦНИТА
Рис. 3. Топографическая структура поверхностей игл распылителей BOSCH и ЦНИТА
Второй этап - этап работы форсунки при приработанном сопряжении (рис. 4, б). В этом случае проходное сечение между запорным устройством и седлом минимально, а фактическая поверхность контакта и гидравлическая плотность форсунки максимальны. В точках контакта при ударе иглы наряду с пластическими напряжениями возникают и упругие. Величина пластических деформаций существенно ниже, чем на этапе приработки, а энергия удара в основном идет на упругие деформации. Зазор в сопряжении и фактическая поверхность контакта практически не изменяются, а гидравлическая плотность сопряжения достигает максимального значения.
Продолжается накопление энергии в поверхностном слое, количество дефектов кристаллической решетки увеличивается, образуются микротрещины, которые, однако, не выходят на поверхность и не вызывают существенного изменения микрогеометрии поверхностей. Как следствие, проходное сечение между соударяющимися деталями запорного сопряжения меняется незначительно. Гидравлическая плотность распылителя на приработанном сопряжении максимальна и характеризуется относительным постоянством. В результате накопления энергии при одиночном ударе запорного устройства о седло в точках контакта в очень тонком слое толщиной Ну = 20-60 мкм возникают напряжения растяжения и сжатия, эпюру которых можно условно представить так, как показано на рис. 5.
При увеличении количества ударов в этих же точках под воздействием напряжений растяжения и сжатия возникают не выходящие на поверхность деталей микротрещины (рис. 6).
3. Третий этап характеризуется тем, что накопленная на втором этапе в поверхностном слое энергия достигает критического значения (энергии активации износа), что приводит к значительному увеличению напряжений растяжения и сжатия, которое, в свою очередь, сопровождается увеличением размеров трещин. При этом трещины выходят на поверхность. Происходит отслоение значительной части поверхностного слоя и образование в данном месте больших углублений (местных износов). Следствием этого является изменение микрогеометрии поверхности, а также происходит резкое увеличение проходного сечения и снижение гидравлической плотности распылителей форсунок [1, 8].
Микрогеометрия деталей на третьем этапе схематически может выглядеть так, как показано на рис. 4, в.
Нормальное Нормальное Нормальное
Рис. 4. Различное расположение впадин и выступов микронеровностей, образующих зазор между иглой 1 и седлом 2: А, В - точки контакта иглы и седла; С - слой топлива; а - начальный период эксплуатации сопряжения; б - период нормальной эксплуатации сопряжения; в - период повышенного износа сопряжения
Рис. 5. Напряжения, возникающие в седле и запорном
устройстве, при посадке иглы на седло: 1 - игла; 2 - седло корпуса распылителя; Hy - толщина поверхностного слоя, в котором накапливаются напряжения удара
Рис. 6. Образование микротрещин в поверхностном слое запорного сопряжения распылителя по точкам контакта: 1 - игла; 2 - седло
Заключение
Анализ этапов износа показывает, что износ и изменение проходного сечения на каждом из этапов взаимосвязаны, хотя и имеют различный характер по этапам и их протекание зависит от особенностей износа поверхностей деталей на каждом из этапов.
В результате проведенного исследования были сделаны выводы:
1. Выполнен анализ взаимодействия поверхностного слоя деталей запорного сопряжения распылителя форсунки при ударе запорного устройства (иглы) о седло корпуса распылителя.
2. Установлено, что изменение гидравлической плотности имеет сложный характер и зависит от способа обработки, количества дефектов кристаллической решетки, образующихся в процессе обработки, и их изменения в процессе эксплуатации, напряжений, возникающих в локальных точках контакта, температуры и ее изменения в элементарном акте удара.
3. Установлено влияние свойств топлива на износ поверхностного слоя деталей сопряжения.
Список литературы
1. Антипов, В.В. Износ прецизионных деталей и нарушение характеристики топливной аппаратуры дизелей / В.В. Антипов. - 2-е изд. - М. : Машиностроение, 1972. - 177 с.
2. Гурин, Т.Ю. Повышение долговечности распылителей форсунок закрытого типа автотракторных дизелей: дис. ... канд. техн. наук : 05.20.03 / Гурин Юрий Тимофеевич. - Омск, 2010. - 141 с.
3. Демкин, Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей / Н.Б. Демкин. - М. : Изд-во АН СССР, 1962. - 112 с.
4. Крагельский, И.В. Влияние шероховатости поверхности на трение / И.В. Крагельский. - М. : Изд-во АН СССР, 1947. - 247 с.
5. Математическая модель шероховатой поверхности контактного трибосопряжения / В.Е. Лазарев [и др.] // Вестник ЮУрГУ. Серия Машиностроение. -2006. - Вып. 8. - № 11 (66). - С. 54-59.
6. Лазарев, В.Е. Повышение ресурса распылителей топлива в дизелях снижением нагруженности прецизионных сопряжений : дис. ... д-ра техн. наук: 05.04.02 / Лазарев Владислав Евгеньевич. - Челябинск, 2008. - 321 с.
7. Основы трибологии: учебник для вузов / под ред. А.В. Чичинадзе. - М. : Наука и техника, 1995. - 778 с.
References
1. Antipov V. V. Wear of precision parts and breaking characteristics of diesel fuel equipment / V.V. Antipov. - 2-nd edition. - M.: Machine-building, 1972. -177 p.
2. Gurin T.Y. Increasing the durability of sprayers of closed type of autotractor diesel engines: dis. ... cand. techn. science: 05.20.03 / Gurin Yuri Timofeevich. -Omsk, 2010. - 141 p.
3. Demkin N.B. Actual square touching of hard surfaces. - M.: Izd-vo AN. USSR, 1962. - 112 p.
4. Kragelsky I. V. Influence of surface roughness on friction / I.V. Kragelsky. - M.: Izd-vo AN. USSR, 1947. -247 p.
5. Mathematical model of rough surface contact triboconjugation / V.E. Lazarev etc. // Vestnik YuUrSU. "Mechanical engineering" series. - 2006. - Issue 8. -№. 11 (66). - P. 54-59.
6. Lazarev V.E. Increase resource dispensers of fuel in diesel engines by decrease loading precision conjugation: dis. ... doc. techn. science: 05.04.02 / Laza-rev V.E.
7. Chichinadze A. V. Basis of tribiology: textbook for HEE by Chichinadze A.V. - M.: Nayka i tekhnika, 1995. - 778 p.
8. Трусов, В.И. Форсунки автотракторных дизелей / В.И. Трусов, В.П. Дмитренко, Г.Д. Масляный. - М.: Машиностроение, 1977. - 167 с.
Керученко Леонид Степанович, кандидат техн. наук, Омский ГАУ; Веретено Игорь Владимирович, аспирант, Омский ГАУ; Даманский Роман Викторович, аспирант, Омский ГАУ.
8. Trusov V.I. Nozzles of autotractor diesel engines / V.I. Trusov, V.P. Dmitrenko, G.D. Maslyany. - M.: Machinebuilding, 1977. - 167 p.
Keruchenko Leonid Stepanovich, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Omsk SAU; Vereteno Igor Vladimirovich, Postgraduate, Omsk SAU; Damanskiy Roman Viktorovich, Postgraduate, Omsk SAU.
Статья поступила в редакцию 14 марта 2016 г.
УДК 631.331 ГРНТИ 68.85.35
А.П. Шевченко, М.А. Бегунов
МОДЕЛИРОВАНИЕ КОЛЕБАТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ «СОШНИК - ПОЧВА»
Приведены результаты теоретических исследований влияния колебаний на качество посева семян льна. Устойчивое функционирование разработанной исполнительной подсистемы определяется с помощью метода структурных исследований динамического состояния их взаимодействия. Метод основан на известном положении, что нестационарные колебания параметрических возбуждаемых систем представляют нетривиальные решения вариационной системы с центром, соответствующим особым решениям систем, и предполагает отыскание зон частотных соотношений возмущающих (подаваемых извне) и собственных частот колебаний (истечение, крошение и др. процессы), обеспечивающих их устойчивое функционирование. Для повышения устойчивости глубины хода рабочих органов (на основе представленной методологии анализа и синтеза исполнительных подсистем сельскохозяйственных машин с частотным управлением их рабочими процессами) определены общие динамические закономерности совместной работы подсистем, обеспечивающие ограниченный устойчивый темп подачи энергии. Проведенные исследования позволяют сделать вывод: при существующей конструкции сошниковой группы частота свободных колебаний k равна 3 с-1, а в диапазоне а>х - 1-4 Гц возникают резонансные явления в подсистемах глубины хода сошников. Существенно нарушается равномерность их хода, что подтверждается равномерностью распределения семян по глубине Кс. Поэтому снижать собственную частоту колебаний k или т0 сошников нереально и неэкономично (слишком большая масса сошника увеличит расход топлива), наиболее эффективно повышать собственную частоту колебательной системы путем увеличения жесткости пружины, а также снижать частоту т^ внешних нагрузок, в частности использовать динамические частотные ограничители. Поэтому снижение воздействия внешних нагрузок можно достичь путем соединения двух сошников на одной кулисе, тем самым увеличив массу колебательной системы (сошника). Повышение жесткости пружины привело к росту частоты свободных колебаний k и увеличению равномерности распределения семян по глубине Кс. Но возникает проблема удержания сошников на заданной глубине, для этого предлагается применять лыжеобразные ограничители хода сошника.
Ключевые слова: сеялка, семена, равномерность, глубина хода, сошники, колебательная система.
A.P. Shevchenko, M.A. Begunov
MODELING OF OSCILLATORY SYSTEM "COULTER - SOIL"
This article presents the results of theoretical studies of the effect of fluctuations on the quality of planting flax seeds. Sustainable operation of a designed executive subsystem is determined by the method of structural studies of the dynamic state of their interaction. The method is based on the known position that the nonstation-ary oscillations of parametric systems are non-trivial solutions of the variational system with the center corresponding to particular solutions of systems. This method involves the determination of the areas of external relations of the frequency and natural vibration frequencies to ensure their sustainable operation. To improve the
© Шевченко А.П., Бегунов М.А., 2016
