Математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Список литературы

1. Хомич, А. З. Экономия топлива и техническая модернизация тепловозов [Текст] / А. З. Хомич, О. И. Тупчихин, А. Э. Симсон. - М.: Транспорт, 1975. - 264 с.

2. Фофанов, Г. А. Режимы работы тепловозов и пути повышения их топливной экономичности [Текст] / Г. А. Фофанов, Э. А. Пахомов, А. А. Лосев // Вестник ВНИИЖТа. - М., 1983. - № 6. - С. 21 - 25.

3. Александров, А. М. Вероятностное описание, экспериментальное и теоретическое исследование режимов работы тепловозных дизелей [Текст] / А. М. Александров, В. А. Четвергов, А. В. Чулков // Повышение надежности и улучшение технико-экономических показателей тепловозных дизелей // Труды ЦНИДИ / Центральный науч.-исследоват. дизельный ин-т. - Санкт-Петербург, 1983. - С. 11 - 27.

УДК 629.424.3:621.436

О. В. Балагин, Д. В. Балагин

МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА НАГРЕВА ТОПЛИВНОГО ТРУБОПРОВОДА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ

ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

В статье представлены математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей и результаты расчета температуры его внешней поверхности при различных температуре окружающего воздуха и техническом состоянии топливной аппаратуры.

Для разработки математической модели процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры (ТА) тепловозного дизеля предложена расчетная схема топливной системы непосредственного действия с механическим приводом и нагнетательным трубопроводом (рисунок 1) [1].

На первом этапе моделирования осуществлялся расчет процесса впрыска с определением характера изменения давления топлива за цикл при различном техническом состоянии топливной аппаратуры (топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунка).

Изменение условий протекания процесса подачи во входном и выходном сечениях нагнетательного клапана и иглы форсунки, а также закрытия и открытия плунжером всасывающих и отсечных окон втулки вызывает необходимость разделять процесс на этапы, число которых определяется конструкцией системы «ТНВД - трубопровод - форсунка» и соотношением размеров между ее элементами.

За исходное уравнение для расчета баланса расхода топлива принято выражение [4]:

РЙ : К

Рн. Ун

р<\>: I ф

Рисунок 1 - Расчетная схема топливной системы

/

йр =

вУ

+ Лн ( ^ - t гн ) +

(

3к 3г

\

(< - <™ )2 -

( 7<У)+ 7 (У) ^

/п

Л,

(1)

2 2 где /п - площадь поперечного сечения плунжера, м ; в - коэффициент сжимаемости топлива, м /Н;

V - объем топливной системы высокого давления, м3; игн - скорость, соответствующая геометрическому началу подачи, т. е. времени ¿гн, м/с; угн - ускорение начала геометрической

№.4116) ИЗВЕСТИЯ Транссиб а 9

подачи топлива; I - текущее значение времени, с; ¿гн - геометрическая продолжительность подачи топлива, с; ]к - ускорение в конце участка геометрической подачи с продолжительностью ¿г; Z('), Z(у) - утечка топлива через ТНВД и форсунку соответственно, м3/с.

При моделировании не учитываются упругие колебания в нагнетательном топливопроводе, а давление по всей линии высокого давления в период протекания процесса считается одинаковым и меняющимся только во времени.

Воспользовавшись уравнением неразрывности струи при равенстве расхода топлива через посадочный конус иглы форсунки и через сопловые отверстия [5]

Ми/и

2 (Рф - Рф') = Ме/о^2 (Рф'~ Рц ) ,

(2)

где ци^и - эффективное проходное сечение под иглой форсунки; ц<$с - эффективное сечение сопловых отверстий форсунки; рф - давление топлива в камере форсунки, Па; рф - давление перед сопловыми отверстиями форсунки, Па; рц - среднее давление в камере сгорания дизеля во время впрыска топлива, Па; р - плотность топлива, кг/м3, получили основное уравнение процесса впрыска топлива:

Л» = Г §+ц.^

2 к

РК +1

- С

ри

Л

Рц

(у)

(3)

здесь и - скорость подачи топлива, т. е. соответствующая времени I м/с;

60

к, =

ГМ / У

г^и^ и

М с/с

0^0 У

На рисунке 2 представлен пример зависимости расчетного давления топлива Рт в топли-проводе тепловозного дизеля типа ПД1М от угла ф.

Для определения расхода топлива 0 через каждый элемент системы топливная система высокого давления рассмотрена как состоящая из трех узловых объектов: ТНВД, нагнетательного трубопровода и форсунки (рисунок 3) [6].

МПа

| 30

15

8

15 22

29 Ф

36 43 град. 57

Рисунок 2 - Давление топлива в топливопроводе дизеля типа ПД1М

/{/КЛ /(/тр Я/Ф

1 Г 1 Г 1 г

идт ТНВД НАГНЕТАТЕЛЬНЫЙ ФОРСУНКА

йп(ф) Рш((р) ТРУБОПРОВОД

Он С?тр Оф

1 г 1 Г 1 г

Рисунок 3 - Схема топливной системы высокого давления дизеля В итоге получено основное уравнение расхода топлива:

т

0

10 ИЗВЕСТИЯ Транссиба № 4(16) 2013

Ш

Q =

; ( Рн _ Рц )

1 Р (н4 ) 1 -! + (н4) 1 (f ) _

(4)

где Рн - давление топлива в надплунжерной полости ТНВД, Па; Рц - давление газов в цилиндре дизеля, Па; //л, /л/тр, f - эффективное проходное сечение нагнетательного клапана ТНВД, нагнетательного трубопровода, форсунки.

Моделирование характерных неисправностей осуществлялось заданием различных значений площади поперечного сечения плунжера (/Л), поперечного сечения нагнетательного клапана по разгружающему пояску (f), проходного сечения под конусом иглы форсунки (fui), суммарной проходной площади сопловых отверстий распылителя (/С), коэффициентов расхода проходного сечения под конусом клапана (лк), проходного сечения под конусом иглы (ли), сопловых отверстий распылителя (лс).

На втором этапе исследования результаты моделирования позволили ввести параметр для оценки технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей - температуру внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, оС:

t (тт) _ t _ QT ' К

F

(5)

где tT - температура топлива в трубопроводе высокого давления (после сжатия в надплун-жерном пространстве), °С; Qt - количество передаваемой от топлива к воздуху теплоты, Вт; R\ - термическое сопротивление стенки, м2К/Вт; F - площадь внешней поверхности топливного трубопровода, м2.

Для автоматизации и повышения оперативности выполняемых расчетов разработана программа на языке программирования Delphi 7.

В итоге получены значения температуры на внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления в зависимости от технического состояния топливной аппаратуры и

температуры окружающего воздуха (от 0 до 30 оС) и ряд критических значений i^, при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля приводит к ухудшению его мощност-ных, экономических и экологических характеристик, к возможному отказу в пути следования и к необходимому неплановому ремонту тепловоза.

Часть результатов моделирования представлена в таблице 1.

Таблица 1 - Результаты моделирования температуры внешней поверхности топливного трубопровода высокого давления

Температура окр. воздуха, °С t »-окр Температура внешней поверхности трубопровода, °С t J (н) t 1(на) А- р ,р , % tрJH ' t 1(н) t J(ф) А = р ,р , %% tрJH '

t /н) ¿р f ./(на) ¿р t /(ф) ¿р

25 51,6 45,9 47,1 11,0 8,7

26 52,7 47,1 48,8 10,6 7,4

27 53,9 47,8 49,8 11,3 7,6

28 55,2 48,9 52,0 11,4 5,8

29 56,9 51,0 52,6 10,4 7,6

30 58,1 51,9 54,3 10,7 6,5

В таблице 1 обозначено: ¿р/(н) - расчетное нормативное значение температуры поверхно-

сти трубопровода исправной топливной системы при j-й температуре; t

/(на)

расчетное зна-

№ 4(16) 2013

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

чение температуры поверхности трубопровода топливной системы при неисправном ТНВД при у'-й температуре; ^у(ф) - расчетное значение температуры поверхности трубопровода топливной системы при неисправной форсунке при у'-й температуре.

В результате обработки результатов моделирования в качестве граничных значений отклонения температуры трубопровода топливной системы с неисправным ТНВД приняты 10 %, с неисправной форсункой - 5 %.

Для проверки достоверности результатов моделирования проведен ряд экспериментов в ремонтном локомотивном депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава. Сопоставление результатов обработки термограмм (рисунок 4) и результатов теоретических исследований подтверждает достаточную точность разработанной математической модели [2, 3]. Расхождение опытных и теоретических данных не превышает 4 % (таблица 2).

а б

Рисунок 4 - Нагнетательные трубопроводы 1 - 3-го цилиндров дизеля тепловоза ТЭМ-2 № 6158:

а - термограмма; б - фотография

Таблица 2 - Сравнительный анализ результатов моделирования и термографирования

Температура нагнетательного трубопровода дизеля ПД1М тепловоза ТЭМ-2 № 6158, /окр = 4 °С

03 опыт №1 опыт №2 опыт №3

ни ч и ц А ТА в «норме» неисправен ТНВД (износ плунжерной пары) неисправна форсунка (нарушение герметичности запирающего конуса распылителя)

ем эксперименталь- расчет- ошибка эксперименталь- расчетное ошибка эксперименталь- расчет- ошиб-

о X ное ное А, % ное значение А, % ное ное ка

значение значение значение значение значение А, %

1 36,0 4,0 36,2 37,5 3,5 33,4** 32,5 2,8

2 36,7 2,1 31,1* 30,5 2,0 36,6 37,5 2,4

3 4 36,2 37,0 37,5 3,5 1,3 36,4 36,9 37,5 37,5 2,9 1,6 36,3 37,2 37,5 37,5 3,2 0,8

5 36,1 3,7 36,5 37,5 2,7 36,8 37,5 1,9

6 38,0 1,3 37,6 37,5 0,3 37,1 37,5 1,1

Примечание: * - неисправен ТНВ Д цилиндра № 2; ** - неисправна форсунка цилиндра № 1. В целом можно сделать следующие выводы.

1. В результате моделирования установлена зависимость температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления от технического состояния топливной

ИЗВЕСТИЯ Транссиба

№

20

аппаратуры (топливный насос высокого давления, форсунка) и температуры окружающего воздуха.

2. Предложен диагностический параметр для контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей - температура внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления.

3. Определен ряд критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля приводит к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, к возможному отказу в пути следования и к необходимому неплановому ремонту тепловоза.

Список литературы

1. Володин, А. И. Исследование процессов теплопередачи в тепловозном дизеле [Текст] / А. И. Володин, Д. В. Балагин, Ю. С. Комкова // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2011. - № 4 (8). - С. 6 - 10.

2. Володин, А. И. Теплоэнергетическая визуализация топливной аппаратуры тепловозных дизелей как способ оценки качества ее функционирования [Текст] / А. И. Володин, Д. В. Балагин // Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. -Омск, 2012. - С. 110 - 115.

3. Балагин, О. В. Результаты тепловизионного контроля технического состояния топливной аппаратуры дизелей тепловозов ТЭМ-2 [Текст] / О. В. Балагин, Д. В. Балагин // Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов: Материалы всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. - С. 71 - 77.

4. Блинов, П. Н. Модель процесса топливоподачи топливной аппаратурой тепловозных дизелей с учетом технологических характеристик ее деталей [Текст] / П. Н. Блинов, А. П. Блинов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2010. - № 3 (3). - С. 2 - 7.

5. Блинов П. Н. Совершенствование технического обслуживания и ремонта топливной аппаратуры тепловозных дизелей [Текст]: Дис... канд. техн. наук: / Блинов Павел Николаевич. - Омск, 1986. - 178 с.

6. Балагин, Д. В. Исследование надежности работы и средств диагностирования технического состояния топливной аппаратуры дизелей [Текст] / Д. В. Балагин // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. - Омск, 2012. - № 3 (11). - С. 7 - 14.

УДК 534.231.2

Я. Я. Вельц

ПРАКТИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ ТЕХНОЛОГИЙ ПРИ РЕМОНТЕ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА

В статье рассмотрены теоретические и прикладные задачи ультразвуковой очистки деталей подвижного состава во время ремонта. Отмечены особенности ультразвуковых воздействий в ванне с ограниченными размерами и результаты моделирования с использованием пакета МаСЛБ. Приведены результаты конкретного применения ультразвуковых технологий при ремонте подвижного состава.

Многие детали подвижного состава подвергаются воздействию окружающей среды и внутренним воздействиям. В частности, детали двигателей внутреннего сгорания загрязня-

№.4!16) ИЗВЕСТИЯ Транссиба 13