CC BY
37
УДК 631.3
ИСПЫТАНИЕ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЯ
А. А. Мылов, канд. техн. наук, докторант
Российский государственный аграрный заочный университет,
т. 8-915-011-75-95
В статье приводятся результаты сравнительных испытаний плунжерных пар различными методами с анализом их недостатков. Дается теоретическое обоснование более совершенного динамического метода испытаний, основанного на контроле времени нарастания давления в надплунжерном пространстве. Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие работоспособность и высокую чувствительность метода.
Ключевые слова: дизель, топливная аппаратура, плунжерная пара, испытания, динамический метод, износ.
От работы топливной аппаратуры зависят основные мощностные и экономические показатели дизеля, его надежность и стабильность параметров, удельные весовые и объемные характеристики, уровень создаваемого шума, а также токсичность и дымность отработавших газов. Обеспечение высокой технико-экономической эффективности дизеля возможно в том случае, когда топливная аппаратура будет удовлетворять ряду следующих специальных требований [1, 2]:
- создавать высокое давление в системе топливоподачи;
- отмеривать (дозировать) порции топлива, соответствующие нагрузке дизеля;
- подавать топливо в камеру сгорания в определенный момент;
- подавать топливо в течение заданного промежутка времени с определенной интенсивностью;
- обеспечивать одинаковую подачу топлива во все цилиндры дизеля при любой нагрузке;
- хорошо распыливать и равномерно распределять топливо по объему камеры сгорания.
Характеристика впрыска определяется на каждом конкретном режиме работы топливной аппаратуры суммарным влиянием гидродинамических параметров всех элементов нагнетательного тракта, которые, в
Нива Поволжья № 4 (13) ноябрь 2009 81
свою очередь, зависят от конструкции того или иного элемента, а также от принятых на заводе-изготовителе допусков на точность его геометрии. Таким образом, обеспечить идентичность характеристики впрыска топлива по цилиндрам дизеля можно только установкой на всех нагнетательных трактах топливной аппаратуры элементов, специально подобранных по идентичности своих гидродинамических параметров.
Зазор в сопряжении плунжер-втулка не может являться критерием оценки технического состояния плунжерных пар, особенно при ремонте топливной аппаратуры, потому что это величина переменная. Она изменяется не только от появления локальных участков износа, но и от монтажных деформаций, давления топлива. Это обуславливает значительную неравномерность зазора по длине плунжерной пары и делает практически невозможным его измерение.
Определение зазора в плунжерных парах - весьма трудоемкая операция, требующая наличия сложных приборов высокого класса точности и высококвалифицированного обслуживающего персонала. Однако определение зазоров в плунжерных парах не характеризует в полной мере их уплотняющих свойств, особенно это видно при наличии местных износов. Это объясняется тем, что зазор определяется лишь в некоторых местах или поясах прецизионных поверхностей плунжера и втулки, а уплотняющие свойства плунжерной пары зависят от качества выполнения и степени изнашивания всей рабочей поверхности деталей, оценку которого сделать весьма сложно. Поэтому оценку технического состояния плунжерных пар производят различными методами, используя комплексные показатели.
Наиболее широкое распространение получил метод оценки технического состояния плунжерных пар, основанный на измерении времени перетекания через зазор плунжерной пары рабочей жидкости под постоянным давлением. На основе данного принципа работают гиревые стенды, приборы КИ-1640А, КИ-3369 [3].
Основным критерием качества прецизионных пар является гидравлическая плотность, характеризуемая временем просачивания жидкости или воздуха под определенным давлением в зазор плунжерной пары.
В ремонтных предприятиях плотность плунжерных пар является основным критерием оценки их технического состояния. Оценивают плотность при гидравлической
опрессовке пар под статическим давлением на специальных приборах.
С износом плунжерных пар их макро- и микрогеометрия значительно изменяются, тем самым изменяя размер и форму зазора. Абразивно изношенные поверхности имеют значительные неровности и углубления в виде царапин и бороздок, образующие микроканалы. За счет этого увеличивается размер и изменяется форма зазора в сопряжении плунжера и втулки. Все перечисленные факторы являются следствием износа плунжерных пар.
При испытаниях плунжерных пар на приборе КИ-3369 было установлено, что в зависимости от угла поворота плунжера гидроплотность изменяется незначительно. Плунжерные пары, имеющие малые зазоры и повышенную гидравлическую плотность, имеют повышенную чувствительность к изменению температуры. Поэтому при испытаниях необходимо следить не только за температурой испытательной жидкости, но и за температурой в помещении, и плунжерные пары необходимо выдержать несколько часов при заданной температуре. Также при испытании приходилось многократно производить замеры гидроплотности и контактировать с плунжерными парами. От прикосновения их температура изменялась, изменялись существенно и результаты испытаний.
Испытания показали сильную зависимость гидроплотности плунжерных пар от их максимального суммарного износа (рис. 1).
При этом проведенные нами испытания 100 плунжерных пар Ногинского завода топливной аппаратуры, имеющих невысокую гидроплотность, показали разброс значений цикловой подачи топлива, что не позволяет сделать заключение о техническом состоянии изношенных плунжерных пар по гидроплотности с последующим принятием решения о возможности их дальнейшей эксплуатации.
Точность измерения гидравлической плотности зависит от многих факторов, являющихся зачастую причиной необоснованной выбраковки плунжерных пар: монтажной деформации прецизионных поверхностей, попадания воздуха в зазор, изменения формы зазора по высоте золотниковой части, температуры и чистоты испытываемой жидкости.
Гидравлическая плотность не является истинной характеристикой служебных качеств плунжерных пар и, следовательно, не может являться единственным или основным критерием работоспособности плунжерных пар в процессе эксплуатации
Максимальный суммарный износ плунжерных пар, мкм
Рис. 1. Зависимость гидроплотности плунжерных пар от их максимального суммарного износа
и выбраковочным признаком пар, имеющих местные износы.
Динамические методы испытания плунжерных пар, основываясь на реальном процессе работы топливного насоса, позволяют получить объективную оценку состояния плунжерной пары, имеющую непосредственную связь с изменением цикловой подачи, и устраняют недостатки, присущие статическим методам испытания плунжерных пар.
В ремонтном производстве динамические методы оценки технического состояния плунжерных пар практически не применяют из-за высокой трудоемкости и малой производительности, но они широко
применяются в эксплуатации при диагностике и техническом обслуживании. Наибольшее распространение получил динамический метод, основанный на измерении максимального давления, развиваемого секцией топливного насоса при пусковых оборотах.
При контроле технического состояния плунжерных пар ЯЗТА данным методом оказалось, что имеет место большой разброс показаний параметров даже для пар, имеющих одинаковый диаметральный зазор. Зачастую отмечается, что плунжерная пара с большим диаметральным зазором имеет более высокие показатели максимального давления, чем плунжерные пары, имеющие
Нива Поволжья № 4 (13) ноябрь 2009 83
меньший зазор. По результатам проведенных исследований установлено, что на максимальное развиваемое давление большое влияние оказывает угол установки плунжера во втулке, т. е. активный ход плунжера. На рис. 2 видно, что на один градус поворота плунжера максимальное развиваемое давление изменяется от 4 до 6 МПа.
Каждая плунжерная пара, в зависимости от точности изготовления, в строго фиксированном положении имеет различный активный ход. На максимальное давление плунжерных пар значительное влияние оказывает отклонение от расчетного активного хода плунжера при строго фиксированном его положении относительно втулки. Экспериментальными исследованиями установлено, что максимальное развиваемое давление начинает уменьшаться
при зазоре в плунжерных парах свыше 0,008 мм. Этот эффект нашел применение в эксплуатации при диагностировании технического состояния плунжерных пар с использованием различных устройств. Проверку технического состояния плунжерных пар обычно производят в условиях эксплуатации, не снимая топливный насос с двигателя.
Уменьшение активного хода плунжера и увеличение диаметрального зазора в плунжерной паре ведет к снижению максимально развиваемого давления. Наибольшее влияние диаметрального зазора на максимально развиваемое давление отмечается при частоте вращения кулачкового вала 100 мин-1.
При контроле динамической плотности плунжерных пар нами были выявлены серь-
1200
1000
плунжерная пара 5=2,0 мкм
- плунжерная пара 5=1,1 мкм плунжерная пара 5=1,0 мкм
- плунжерная пара 5=1,2 мкм плунжерная пара 5=1,0 мкм
а
С
е
к
н
е л
т
а
Ч е
о
м е а
т К
т
^
а р
е
о
н
л
800
600
400
200
10 20 30 40
Угол поворота плунжера во втулке, град.
50
60
0
0
Рис. 2. Зависимость максимального развиваемого давления плунжерных пар от угла поворота плунжера во втулке: п = 100 мин ~1, 5 - зазор в плунжерной паре
езные трудности, связанные с большим разбросом показаний параметров плотности. Это имело место даже для плунжерных пар, имеющих одинаковый диаметральный зазор. Были факты, когда плунжерные пары с большим диаметральным зазором показывали более высокие параметры плотности, чем плунжерные пары, имеющие малый зазор. Например , из 1 00 плунжерных пар наибольшие значения максимального развиваемого давления (Р=97,5 МПа) и цикловой подачи на номинальном режиме (д=126 мм3/цикл) были отмечены у плунжерной пары, имеющей диаметральный зазор 2,0 мкм, а наименьшие значения (Р=49 мПа; д=104 мм3/цикл) - у плунжерной пары, имеющей диаметральный зазор 1,0мкм. Отсюда следует, что при испытании плунжерных пар методом максимального развиваемого давления сложно получить достоверную оценку технического состояния плунжерных пар.
Данный метод не может быть признан точным, т. к. давление не характеризует многие параметры плунжерной пары. Исследования показывают, что значительная цена деления манометра, относительно быстрое нарушение тарировки прибора, утечка топлива через распылитель, отклонение активного хода плунжера влияют на точность измеряемого показателя. Давление как показатель не может характеризовать размер и форму зазора в силу значительных, различных для каждой плунжерной пары, деформаций, которые они будут претерпевать при высоком давлении, не возникающем в процессе работы топливного насоса.
Вышеописанные методы оценки технического состояния плунжерных пар в динамических условиях малопроизводительны, точность оценки зависит от технического состояния нагнетательных клапанов и других элементов топливной системы, невозможен контроль активного хода [4].
Динамика нарастания давления в над-плунжерной полости секции топливного насоса оказывает наибольшее влияние на процесс топливоподачи в момент перекрытия плунжером впускного отверстия втулки, т. е. в начале подачи топлива, когда его давление в надплунжерном пространстве растет, но оно еще недостаточно для поднятия нагнетательного клапана (рис. 3).
При гидродинамическом методе расчета процесса топливоподачи уравнение для данного периода имеет вид:
йР 1 ( г йкп
= ?--ОУ \ , (2)
й [Ун \ й ) 4 '
8
Рис. 3. Начало перекрытия впускного отверстия плунжерной пары
где Р - давление топлива,
t - время;
в - коэффициент сжимаемости топлива;
Ун - объем надплунжерной полости;
/ - площадь поперечного сечения плунжера;
Ьп - ход плунжера;
Оу - расход утечек топлива через зазор в плунжерной паре.
При заданной определенной частоте вращения коленчатого вала нового двигателя и соответствующей скорости движения плунжера ^пМ скорость нарастания давления в надплунжерном пространстве dP/dt будет связана с расходом утечек новых плунжерных пар Оун. Это нарастание давления можно выразить чере tg ан:
сС Рн х
-¿Ты = ^ °н, (3)
Анализ уравнения (2) позволяет заключить, что с ростом расхода утечек топлива Оу скорость нарастания давления над плунжером dP/dt будет снижаться, а tgа и цикловая подача топлива будут умень-
Нива Поволжья № 4 (13) ноябрь 2009 85
шаться, т. к. Оу стоит в уравнении (2) с минусом. Тогда 1даКдан.
Таким образом, 1да является функцией расхода утечек топлива в зазор плунжерной пары, изменяющийся в ходе эксплуатации из-за износа плунжерных пар:
(да! = I (Оу!). (4)
Таким образом, связь скорости нарастания давления в надплунжерной полости секции топливного насоса с расходом утечек топлива и, соответственно, с износом
плунжерных пар позволяет выбрать метод определения их технического состояния, основанный на контроле давления в над-плунжерной полости.
Проведенные исследования зависимости времени нарастания (средней скорости) давления в надплунжерной полости от износа плунжерных пар (рис. 4) позволяют сделать заключение о подтверждении теоретических исследований экспериментально. Выявлена прямая зависимость времени нарастания давления от
40
го чд
I
го н
0 го ср го
1
10
10 15 20
максимальный износ, мкм
25
30
5
0
0
5
Рис. 4. Зависимость времени нарастания давления от максимального износа
суммарного максимального износа плунжерных пар. Увеличение износа от 2 мкм до 28 мкм ведет к росту времени нарастания давления с 15 мс до 36 мс. Причем во время проведения испытаний наблюдаются стабильные результаты, позволяющие достоверно определить техническое состояние плунжерных пар на данный момент.
Выявлена также прямая связь времени нарастания давления с цикловой подачей топлива (рис. 5) при малой частоте вращения кулачкового вала насоса высокого давления (п=100 мин-1).
о
к
ш с m га Ч к
га н о га а. га
к S <u
.
m
Увеличение цикловой подачи топлива вызывает уменьшение продолжительности нарастания давления. Это хорошо согласуется с представленными теоретическими рассуждениями.
Следует отметить резкое увеличение времени нарастания давления в надплунжерной полости (уменьшение угла нарастания давления) при снижении гидроплотности плунжерных пар с 5 с до 0, что имеет место при их значительных износах. Это показывает высокую чувствительность предлагаемого метода оценки технического состояния изношенных плунжерных пар
Рис. 5. Зависимость продолжительности нарастания давления от цикловой подачи топлива при п = 100 мин1
Нива Поволжья № 4 (13) ноябрь 2009 87
по нарастанию давления в надплунжерной полости.
Выводы.
1. Эксперименты по оценке технического состояния плунжерных пар с применением известных методов испытаний (по гидроплотности и максимальному развиваемому давлению) показали их недостаточную точность и стабильность
2. Полученные экспериментальные зависимости времени нарастания давления в надплунжерной полости от износа плунжерных пар и цикловой подачи топлива подтвердили теоретические исследования и показали предпочтительность предлагаемого метода оценки технического состояния плунжерных пар с целью подбора их в комплект для установки на топливный насос и обеспечения минимальной нерав-
номерности подачи топлива на всех режимах работы двигателя.
Литература
1. ГОСТ 25708-83. Прецизионные пары топливной аппаратуры дизелей. Общие технические условия.
2. ГОСТ 9927-71. Плунжерные пары топливных насосов дизелей. Технические требования.
3. Топливная аппаратура автотракторных и комбайновых дизелей. Технические требования на капитальный ремонт / А. А. Мылов, И. М. Федосов, Л. Б. Фельдман и др. - М.: ГОСНИТИ, 1989. - 287 с.
4. Топливная аппаратура двигателей ЯМЗ в 6-, 8-, 12-цилиндровом исполнении. Руководство по ремонту / А. А. Мылов, Л. А. Эрлих, Л. Б. Фельдман и др. - М.: ГОСНИТИ, 1989. - 138 с.
