CC BY
55
УДК 631.3
ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНОСОВ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДИЗЕЛЯ
А. А. Мылов, канд. техн. наук, докторант
Российский государственный аграрный заочный университет,
т. 9 (495) 177-38-60
В статье приведен анализ существующих методов и средств определения износов плунжерных пар, которые оказывают значительное влияние на параметры топливопода-чи дизеля. На основе экспериментальных исследований ТНВД типа УТН и ЯМЗ выявлены закономерности. износа прецизионных поверхностей плунжера и втулки.
Ключевые слова: дизель, топливная аппаратура, плунжерная пара, износ, техническое состояние.
Топливная аппаратура должна обеспечивать идентичность подачи топлива в каждый цилиндр дизеля по следующим показателям: цикловой подаче топлива, углу опережения впрыска и характеристике впрыска, а в случае применения многодырчатых распылителей - по подаче топлива через отдельные отверстия распылителя [1].
Различия в этих показателях приводят к перегрузке некоторых цилиндров двигателя, что сокращает срок его службы, а в форсированных по коэффициенту избытка воздуха дизелях может приводить к ухудшению топливной экономичности.
Оценку технического состояния плунжерных пар проводят в процессе эксплуатации и при ремонте дизельной топливной аппаратуры. Критерием работоспособности новых плунжерных пар является зазор между рабочими поверхностями плунжера и втулки, а для бывших в эксплуатации - местный износ прецизионных поверхностей плунжера и втулки или утечки топлива [2].
Зазор определяется с помощью измерительных приборов с точностью 0,0001 мм. Этот метод применяется, в основном, на заводах-изготовителях топливной аппаратуры. По результатам измерений происходит сортировка по размерным группам плунжеров и втулок с последующей комплектацией.
При дефектации плунжерных пар, бывших в эксплуатации, измеряется максимальная глубина местного износа на прецизионной поверхности плунжера в зоне головки. Износ на головке плунжера чаще всего имеет форму желоба. В зависимости от условий работы дизеля ширина желоба может быть различной при одинаковой глубине, поэтому с целью повышения точности предлагается метод измерения площади сечения желоба. При применении данного метода оценки технического со-
стояния плунжерных пар повышается трудоемкость проведения измерений и сложность обработки результатов [3].
Рис. 1. Профилограммы износа плунжера и втулки
Для определения погрешности формы и износа прецизионной поверхности плунжерных пар применяют различные профи-лографы. Профилографы позволяют отображать износы в многократном увеличении в линейных или угловых координатах. Как правило, эти приборы применяются при исследованиях в лабораторных условиях. Профилограммы снимают в определенном сечении плунжера или втулки (рис. 1).
Износы на прецизионной поверхности плунжера отличаются не только по ширине и глубине «желоба», но и по длине распространения износа. Измерительных средств, для оценки местного износа по трем параметрам нет, да и их применение было бы затруднено в связи со сложностью обработки результатов измерений. На ремонтных предприятиях иногда применяют метод визуальной оценки зоны износа. Главным выбраковочным признаком плунжера является состояние участка поверхности головки, расположенного против впускного отверстия втулки. Если на этом участке (ширина по окружности 4,5...5 мм, длина 9,5...10 мм) от верхнего торца головки плунжера идут продольные глубокие бороздки, которые распространяются за се-
редину головки, а поверхность от большого количества бороздок имеет матовый цвет, то плунжер выбраковывают.
Рис. 2. Внешний вид изношенного плунжера ЯМЗ
се а о К
се К К
ю ^
5 «
се К Л
ч
се 5! К
о «
се
30
25
20
15
10
20
40
60 80 100 угол поворота плунжера, град.
износ на расстоянии 0,5 мм от торца плунжера износ на расстоянии 3 мм от торца плунжера
Рис. 3. Зависимость глубины износа плунжера ЯМЗ от угла поворота
5
0
0
Нива Поволжья № 1 (14) февраль 2010 69
л о
в
со §
Ю £
и §
Л
ч л
а
Л
25
20
15
10
10
Расстояние от торца плунжера, мм
Рис. 4. Глубина износа плунжера ЯЗТА в зависимости от расстояния от торца плунжера
5
0
Проверяют также состояние поверхности, прилегающей непосредственно к отсечной кромке. Осматривают через лупу поверхность вдоль всей винтовой кромки, особенно участок, расположенный против перепускного отверстия втулки плунжера. Матовый цвет поверхности и наличие мелких рисок свидетельствуют о большом износе, и плунжерная пара при этом выбраковывается. На основании обработки данных профилограмм (рис. 1), установлено, что основные рабочие поверхности плунжерных пар изнашиваются незначительно и относительно равномерно. Их отклонения от правильной формы окружности не превышают 0,2 мкм.
На плунжере наибольший износ наблюдается на поверхности, находящейся напротив впускного отверстия втулки. Изношенные участки можно наблюдать визуально. Чистая блестящая прецизионная поверхность плунжера в этих местах при-
обретает матовый оттенок. Даже невооруженным глазом на плунжерах, имеющих большой износ, наблюдаются продольные риски, гребенчатая поверхность (рис. 2).
На плунжере типа ЯМЗ износ представляет собой желобообразную канавку с направлением вдоль оси плунжера. В верхней части головки плунжера обычно имеет место наибольший износ, уменьшающийся с продвижением к середине головки плунжера (рис. 3). Так, на расстоянии 0,5 мм от торца головки износ имеет максимальную глубину около 25 мкм (рис. 4). Блестящая поверхность плунжера в результате изнашивания на этом участке становится матового оттенка с продольными рисками.
При продвижении далее по длине головки плунжера максимальная глубина износа уменьшается, но ширина износа изменяется незначительно.
На расстоянии 3 мм от плунжера максимальная глубина уменьшается до 11 мкм, а
Рис. 5. Зависимость глубины износа втулки от расстояния от верхней кромки впускного отверстия
ширина - до 5,1 мм, или 65° окружности плунжера. Располагается износ в зоне активного хода от 0 до 3,0 мм, а зона максимального износа соответствует активному ходу 1 мм (рис. 5). Это подтверждает исследования различных авторов о том, что тракторы типа К-700 большую часть периода эксплуатации работают на малозагруженных режимах.
Износ на головке плунжера напротив впускного отверстия втулки располагается по длине до 7.8 мм. У некоторых плунжеров наблюдается выход следов износа на винтовую кромку.
Износы плунжеров типа УТН несколько отличаются от рассмотренных выше плун-
жеров ЯМЗ, прежде всего расположением: у плунжеров типа УТН износ располагается в зоне активных ходов от 0,7 до 5 мм. Максимальный износ 21.23 мкм находится на расстоянии 0,5 мм от торца головки плунжера и в зоне активного хода плунжера й = 2,75 мм. У торца головки плунжера форма поперечного сечения износа представляет собой единую желобообразную канавку, затем на расстоянии 2 мм от торца эта канавка раздваивается. Образуется две канавки с центрами при активных ходах плунжера 2 мм и 4,6 мм. Русло износа при й = 2 мм продолжается на расстояние 8 мм от торца к середине головки плунжера, а
Нива Поволжья № 1 (14) февраль 2010 71
зоне И = 4,6 мм - до 5 мм. Глубина максимального износа резко уменьшается при продвижении от торца плунжера на 3 мм, затем стабилизируется и заканчивается, исчезают следы износа на расстоянии 6...8 мм. Ширина русла износа прецизионной поверхности плунжера в зоне, стоящей напротив впускного отверстия втулки, у торца составляет 5,5.6 мм, или 75.80° окружности; на расстоянии 5 мм зона износа уменьшается до 2,2 мм, или до 30°.
На прецизионной поверхности плунжера находится еще одна зона, подвергнутая изнашиванию. Эта зона имеет глубину до 4 мкм, ширину 30.40°, или 2,5.3,5 мм, длину 3.4 мм и находится на отсечной кромке напротив выпускного отверстия втулки. Отсечная кромка, нормально подрезанная под углом 90°, вследствие абразивного изнашивания скругляется. Изношенная поверхность расположена на расстоянии 5.6 мм от верхнего торца плунжера и захватывает участок, лежащий в непосредственной близости к отсечной кромке. Ширина изношенного участка по цилиндрической поверхности незначительна, а наибольшая (2,5.3,5мм) находится напротив перепускного отверстия; по высоте головки износ распространяется на 3.4 мм.
Скругление отсечной кромки различно: её максимальный износ находится на участке напротив перепускного отверстия плунжера. У плунжера типа ЯМЗ этот износ смещен в зону малых активных ходов.
Внешний вид изношенной поверхности отсечной кромки плунжера имеет характерные для абразивного износа бороздки, расположенные перпендикулярно отсечной кромке. Такой характер износа объясняется тем, что в момент перетекания из области высокого давления в область низкого давления (период отсечки) топливо устремляется с большой скоростью из паза отсечной кромки в выпускное отверстие втулки. Мелкие абразивные частицы, имеющие малую массу, но обладающие значительной кинетической энергией благодаря высокой скорости, острыми кромками снимают микростружку в направлении кратчайшего пути, перпендикулярно отсечной кромке. В последующем быстро движущаяся жидкость размывает эти микроцарапины.
У втулки наиболее интенсивно изнашивается внутренняя поверхность, примыкающая к впускному и выпускному отверстиям. Больший износ находится у впускного отверстия, меньший - у выпускного. Существенных отличий износа втулок типа УТН и ЯМЗ не наблюдается [4].
Износ в зоне впускного отверстия охватывает участок в виде желобообразной полосы шириной 5.6 мм или 70.80° дуги окружности. Изношенный участок располагается вдоль оси втулки, вверх и вниз от впускного отверстия. Наибольшая глубина износа располагается у верхней кромки впускного отверстия и уменьшается с продвижением к торцу втулки. Прецизионная поверхность над верхней кромкой впускного отверстия покрыта параллельными бороздками, расположенными вдоль оси втулки. Кромка имеет большой завал, неровный рваный край.
Со стороны нижней кромки отверстия износ значительно меньше, как по глубине, так и по длине. Так, у кромки глубина износа составляет 15.20 мкм, а через 1,5.2 мм уменьшается до 1.2 мкм.
Местный износ прецизионной поверхности в зоне выпускного отверстия втулки по характеру и размещению отличается от износа у впускного отверстия. Изношенный участок находится с левой стороны кромки отверстия у втулок типа ЯМЗ и с правой - у втулок типа УТН, имеет форму, близкую к прямоугольной полосе, шириной 2,5.3 мм, к верхнему торцу он распространяется на 1.2 мм, к нижнему - 2.3 мм. С другой стороны выпускного отверстия следов износа почти не наблюдается. Такое расположение износа объясняется тем, что при наличии правой винтовой кромки плунжера сначала открывается правая сторона выпускного отверстия. Поэтому перетекающее топливо в момент отсечки наиболее интенсивно изнашивает эту сторону отверстия, тогда как другая сторона прикрыта. Аналогично происходит изнашивание поверхности втулки с левой винтовой кромкой, но уже с левой стороны выпускного отверстия.
Абразивные царапины начинаются от кромки отверстия и идут криволинейно, затем они направляются параллельно оси втулки, вверх и вниз, постепенно выравниваются и исчезают. Так располагаются царапины потому, что поток сжатого топлива в момент отсечки перетекает с большой скоростью из полости винтовой канавки наикратчайшим путем, и абразивные частицы наносят царапины, направление которых перпендикулярно отсечной кромке плунжера.
Изнашивание прецизионных поверхностей плунжера и втулки происходит неравномерно. Площадь сечения зазора меняется по длине плунжера и втулки. Следует отметить, что у плунжерных пар типа ЯМЗ износ менее распространен по длине, чем
у плунжерных пар типа УТН. Это, видимо, объясняется свойствами сталей, из которых изготовлены пары, и их химико-термической обработкой. Абразивные частицы, попадающие в зазор плунжерных пар типа ЯМЗ, быстрее затупляются и утрачивают свои режущие свойства.
У плунжера наиболее интенсивно изнашивается участок, расположенный напротив впускного окна втулки, у втулки -рабочая поверхность, расположенная над верхней кромкой впускного отверстия. Незначительный износ местного характера наблюдается также у нижней кромки перепускного окна втулки и у верхней кромки винтовой канавки плунжера, примыкающей к перепускному окну.
Анализ изношенных поверхностей плунжерных пар показал, что износы плунжера и втулки носят ярко выраженный абразивный характер. При исследовании было снято более 400 профилограмм. На основании снятых профилограмм можно утверждать, что изношенные поверхности плунжера и втулки имеют вид желоба, изменяющегося по длине и глубине. Глубина износа изменяется по кривой (рис. 5). Крутизна этой кривой уменьшается с увеличением наработки плунжерной пары. Зона наибольшего износа сосредоточена у торца головки плунжера и у верхней кромки впускного отверстия втулки. Величина максимального износа плунжера и втулки постепенно уменьшается по длине зоны ме-
стных износов. Одновременно с уменьшением глубины по длине желоба у плунжера и втулки происходит ее уменьшение и по ширине.
Установленные в процессе исследований закономерности износа могут быть использованы при разработке плунжерных пар с повышенным ресурсом, рекомендаций по эксплуатации и совершенствовании технологии их восстановления и ремонта.
Выводы.
1. Исследования прецизионных поверхностей плунжерных пар показали неравномерный местный характер их износа.
2. Установленные закономерности износа плунжерных пар в условиях реальной эксплуатации представляют интерес для проектных организаций, заводов-изготовителей и ремонтно-технических предприятий.
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. Мы-лов, И. М. Федосов, Л. Б. Фельдман и др. -М.: ГОСНИТИ, 1989. - 287 с.
Нива Поволжья № 1 (14) февраль 2010 73
