CC BY
48
УДК 629.424.3:621.436.03.001.42
П. Н. Блинов, А. П. Блинов
МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТОПЛИВОПОДАЧИ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРОЙ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ С УЧЕТОМ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЕЕ ДЕТАЛЕЙ
В статье рассматриваются параметры топливной аппаратуры дизелей, влияющие на неравномерность топливоподачи по цилиндрам. Предложена математическая модель процесса топливоподачи, которую необходимо применять при формировании комплектов перед их установкой на дизель и для расчета параметров деталей, используемых при обкатке топливных насосов высокого давления на стендах с целью приближения условий работы на стенде к реальным условиям работы на дизеле и правильного определения производительности насосов на стенде.
Одним из основных эксплуатационных критериев правильного функционирования дизеля является минимальный удельный расход топлива, обеспечиваемый при минимальной неравномерности цикловой подачи топлива по цилиндрам дизеля. На цикловую подачу топлива ?ц и ее неравномерность А?ц оказывают влияние различные технологические и конструкционные характеристики элементов топливной аппаратуры (ТА).
Топливные системы тепловозных дизелей комплектуются из топливных насосов высокого давления (ТНВД), нагнетательных трубопроводов (НТ) и закрытых форсунок. В общем виде величину подачи gц можно представить как функцию производительности Qн топливного насоса высокого давления и расхода топлива через нагнетательный трубопровод Qтp и форсунку Q ф:
А? ц = I ^н, Qтp, Qф). (1)
Производительность ТНВД Qн определяется выходом рейки хр, плотностью плунжерной пары рп и нагнетательного клапана рнк, давлением открытия нагнетательного клапана Ряк и жесткостью его пружины Снк (рисунок 1):
а = 1 (хр , Рп>Рнк, ^кк, Ож ). (2)
Рисунок 1 - Параметры ТА, влияющие иа неравномерность топливоподачи в дизеле
Расход топлива через НТ Ор зависит от его гидравлического сопротивления (эффективного проходного сечения) /,:
етр = / /). (3)
Расход топлива через форсунку бф есть функция гидравлического сопротивления (эффективного проходного сечения) форсунки ц/,, затяжки пружины иглы Ригл, качества притирки конуса иглы рки, плотности иглы по направляющей рн и:
бф = /(/ф , ^игл >Рк.и>Рн.и )- (4)
Величины рп,рнк,Рнк,Снк определяют группу ТНВД по минимальной производительности, которая учитывается существующей технологией при установке ТНВД на дизель. Величина хр устанавливается при регулировке ТНВД на стендах по их обкатке и контролируется после их установки на дизель [1 - 4].
Величина Ригл,рки,рни регулируется и проверяется на стендах по настройке форсунок
перед их установкой на дизель [5, 6].
Технологией технического обслуживания и ремонта тепловозных дизелей предусматривается проверка гидравлического сопротивления сопловых наконечников форсунок [1 - 4]. Гидравлические характеристики форсунок в сборе не контролируются. Гидравлические характеристики НТ контролируются только для дизелей, имеющих трубопроводы большой длины (11Д45, 5Д49, 14Д40 и др.). Однако существующие средства контроля гидравлических характеристик элементов ТА не обеспечивают заданной точности, в результате на дизель устанавливаются трубопроводы и форсунки, имеющие большие разбросы по гидравлическим характеристикам, что приводит к значительной неравномерности подачи топлива по цилиндрам дизеля [7].
Обоснование допустимых диапазонов разброса гидравлических характеристик элементов ТА и их учета при формировании комплектов по результатам испытаний на стендах возможны с помощью моделирования процесса топливоподачи с последующей проверкой результатов на практике.
В топливной системе давление под конусом иглы, а следовательно, и определяемая этим давлением скорость впрыска топлива резко изменяются, причем в первой половине процесса впрыска они возрастают до максимального значения, в конце впрыска скорость уменьшается до нуля, а давление - до значения давления в цилиндре.
Особенности протекания процесса подачи топлива позволяют считать его кратковременным единичным импульсом давления топлива (ИДТ), который возникает во входном сечении НТ вследствие выталкивания топлива плунжером насоса из объема полости нагнетания. Поскольку топливо - сжимаемая жидкость, то во входном сечении НТ возникает неустановившееся давление сжимаемой жидкости, при котором от ТНВД к форсунке идет волна давления со скоростью звука.
Основным фактором, формирующим характер изменения и величину ИДТ, является скорость движения плунжера ТНВД, определяемая профилем топливного кулачка и скоростным режимом двигателя. Однако некоторые факторы существенно искажают ИДТ. К ним следует отнести наличие объема в полости нагнетания (надплунжерное пространство) и в штуцере насоса; движение нагнетательного клапана; перетекание топлива через всасывающие окна до их перекрытия плунжером; утечки топлива через зазоры между плунжером и втулкой при их значительном износе; шероховатость и упругость стенок НТ; наличие запорного органа форсунки - иглы, обеспечивающей при своем открытии резкий переход от проходного сечения НТ к проходным сечениям распыливающих отверстий форсунки; гидравлическое сопротивление каналов элементов ТА.
Последовательность движения ИДТ по тракту высокого давления топливной системы можно проследить по функциональной схеме топливоподачи, представленной на рисунке 2.
Элементы комплекта ТА высокого давления характеризуются множеством размеров и параметров, имеющих определенные допуски на изготовление. Формирование комплектов с произвольным сочетанием исходных параметров определяет некоторый диапазон разброса выходных показателей комплекта ТА, который регламентируется заводами-изготовителями. Этот диапазон может быть сужен путем применения высокоточного обрабатывающего и измерительного оборудования в заводских условиях.
Рисунок 2 - Функциональная схема топливоподачи
В процессе эксплуатации происходят следующие виды износа: абразивный износ прецизионных пар; нарушение герметичности посадочных мест нагнетательных клапанов и распылителей; эрозионный, кавитационный и гидравлический износ переходных поверхностей и острых кромок.
Кроме этого в процессе ремонта, монтажа и демонтажа имеют место следующие нарушения: смятие сопрягающих поверхностей штуцера ТНВД, НТ и форсунки; обезличивание деталей; восстановление изношенных сопрягающих поверхностей по технологии, отличной от заводской. Указанные виды износа и нарушений требуют применения соответствующего измерительного оборудования для контроля исходных размеров и более совершенной методики формирования комплектов ТА, учитывающей эти размеры.
Из функциональной схемы топливоподачи (см. рисунок 2) следует, что импульс давления топлива, формируемый в полости нагнетания ТНВД зависит от ряда конструктивных факторов: частоты вращения кулачкового вала пк; хода плунжера Ни (ф) (профиля кулачка); диаметра плунжера плотности плунжерной пары рп; диаметра нагнетательного клапана а?кл, его максимального хода кклтах и жесткости его пружины Скл; эффективного проходного сечения НТ и его длины 1Т9; плотности распылителя рни, хода иглы форсунки Ня, жесткости ее пружины Си и эффективного проходного сечения форсунки ц/ф, а также от давления в выходных сечениях составляющих элементов (Рт, Рт, Рт , Рц).
Естественно, что путь стопроцентного контроля всех перечисленных параметров элементов ТА следует признать нецелесообразным, так как это потребует применения дорогостоящего высокоточного оборудования, привлечения дополнительного обслуживающего персонала и наличия необходимого запаса деталей. Поэтому с целью улучшения работы дизелей за счет сокращения неравномерности топливоподачи по цилиндрам необходимо применение на ремонтных предприятиях измерительного оборудования, позволяющего контролировать обобщенные характеристики элементов, с учетом которых можно было бы формировать комплекты ТА.
Методика формирования комплектов с учетом гидравлических характеристик элементов ТА может быть разработана с помощью теоретических исследований влияния этих характеристик на выходные показатели комплекта. Однако сложность существующих методов расчета, связанных с решением системы гиперболических уравнений, требует разработки укрупненных методов расчета, позволяющих учесть обобщенные гидравлические характеристики (ОГХ) составляющих элементов комплекта ТА. Тогда топливную систему высокого давления следует рассматривать как состоящую из трех узловых объектов: ТНВД, НТ и форсунки (рисунок 3). В этом случае давление топлива в надплунжерной полости ТНВД (Ря) является функцией хода плунжера ^п(ф); давление в штуцере ТНВД (перед нагнетательным трубопроводом) (Ршт) - функцией эффективного проходного сечения нагнетательного клапана ТНВД /л и давления Ря; давление на входе форсунки (Рф) - функцией эффективного проходного сечения НТ /р и давления Ртт; величина подачи топлива в цилиндр (дц) - функцией эффективного проходного сечения форсунки /,, давления газов в цилиндре Рц и давления Рф, Т. е
Рн (Ф) = (ф)]; Ршг (ф) = Р2[РН (ф), н/кл]; Рф (ф) = Рз[Ршт(ф), /,]; (ф) = ^4[РФ (ф), / Рц].
(5)
(6)
(7)
(8)
Рисунок 3 - Схема тракта высокого давления ТА дизеля
Для фиксированного частотного режима из условия неразрывности потока жидкости (топлива), определяющего баланс расходов по тракту высокого давления, следует:
бн= етр= еФ= б, (9)
з
где дн, дтр, бф - расход топлива через ТНВД, НТ и форсунку соответственно, м/с.
Расход топлива через указанные элементы может быть определен по выражению [8]:
б = V/
Ч Р1 - Р2 ,
Р
2
где /- эффективное проходное сечение элемента, м ; р - плотность топлива, кг/м3;
Р1, Р2 - давление топлива на входе и выходе элемента, Па. Тогда, в соответствии с рисунком 3, будем иметь:
д=2
1
г
дтр = /
тр
- 1Р - Р ■
д/1 шт 1 ф '
№ 3(3) 2010
(10)
(11) (12)
бф =
или с учетом (9):
Р - Р =
н шт
р2 р .
2/ )2'
р - р = .
♦ 2(/тр )2 '
р -р
Ф " 2(ц/ф )2 ' После сложения уравнений (14) - (16) получается:
Р - Р =
н ц
б2 р
1 1
1
(м/кл )2 (м/тр )2 (/ )
откуда
б =
2(Рн - Л)
1 1 1
-2 +-г +-2
(М/кя )2 (м/тр )2 (М/ф )2
(14)
(15)
(16)
(17)
(18)
Таким образом, для фиксированных значений Рц и р при неизменном профиле кулачка, формирующем величину Рн, расход топлива по тракту высокого давления и, следовательно, величина подачи топлива в цилиндры определяются эффективным проходным сечением нагнетательного клапана ТНВД /л, нагнетательного трубопровода /р и форсунки ц/,. Поэтому обобщенной гидравлической характеристикой НТ является его эффективное проходное сечение /р, а форсунки - эффективное проходное сечение / (см. рисунок 3). Значения этих характеристик могут быть получены по параметрам распределений производительности трубопровода бтр и форсунки бф, полученным с помощью специализированных стендов, работа которых основана на проливке элементов топливом при заданном постоянном давлении [7]. Основными факторами, определяющими Ор и бф, и являются и соответственно, поэтому они и могут быть приняты за базовые обобщенные гидравлические характеристики нагнетательных трубопроводов и форсунок.
При существующей технологии контроля и регулировки ТНВД на стенде замеряется производительность ТНВД:
а = У (мЛл) = У <7кл , Ля , ОН )
(19)
где 7кл - ход нагнетательного клапана ТНВД, м;
/кл - площадь поперечного сечения клапана, м2;
бун - утечки топлива через зазоры в плунжерной паре, определяемые плотностью плунжерной пары, м3/с.
Следовательно, для фиксированных значений бн можно найти соответствующие значения 7КЛ, /кл, бун , которые будут являться эквивалентом базовых обобщенных гидравлических характеристик ТНВД. Значения 7КЛ, /кл, бун могут быть установлены статистически как начальные моменты их распределений.
Поскольку из выражения (18) следует, что производительность комплекта ТА зависит от обобщенных гидравлических характеристик нагнетательного трубопровода /р и форсунки /), то очевидна необходимость их учета при формировании комплектов ТА. Кроме этого при обкатке и настройке ТНВД на специализированных стендах требуется обеспечить необ-
№ 3( 2010
2
2
ходимый уровень противодавления, соответствующий давлению газов в цилиндре дизеля Рц, так как согласно выражению (18) производительность ТНВД зависит от противодавления Рц. Это требование может быть реализовано на автоматизированном стенде, содержащем мерные гидроцилиндры и электроуправляемые гидропереключатели [7].
Разработанная модель процесса топливоподачи может быть применена при формировании комплектов ТА перед их установкой на дизель и для расчета параметров деталей ТА, используемых при обкатке ТНВД на стендах, применяемых в настоящее время в локомотивных депо. Это стенды конструкции проектно-конструкторского бюро локомотивного хозяйства -филиала открытого акционерного общества «Российские железные дороги» - для регулирования топливных насосов дизелей Д49 типа А2275, дизелей ПД1М и К68310БЯ типа А2591, А2330 и А2652, дизеля 14Д40 типа А2353, дизелей Д100 типа А2592 и А2651.
Использование предложенной модели для модернизации указанных стендов позволит создать условия работы ТНВД на стендах, адекватные условиям работы на дизеле, и правильно определять производительность ТНВД на стендах.
Список литературы
1. Правила технического обслуживания и текущего ремонта тепловозов типа ТЭЗ и ТЭ10 [Текст]. - М.: Транспорт, 1988. - 256 с.
2. Правила технического обслуживания и текущего ремонта тепловозов ТЭМ2, ТЭМ2А, ТЭМ2У и ТЭМ2УМ [Текст]. - М.: Техинформ, 1998. - 178 с.
3. Правила заводского ремонта тепловозов типа ТЭЗ и ТЭ10 [Текст]. - М.: Транспорт, 1972. - 285 с.
4. Правила технического обслуживания и текущего ремонта тепловозов 2ТЭ116 [Текст]. -М.: Транспорт, 1997. - 310 с.
5. Рахматуллин, М. Д. Технология ремонта тепловозов [Текст] / М. Д. Рахматуллин. - М.: Транспорт, 1983. - 319 с.
6. Федотов, Г. Б. Топливные системы тепловозных дизелей. Ремонт, испытания, совершенствование [Текст] / Г. Б. Федотов, Г. И. Левин. - М.: Транспорт, 1983. - 192 с.
7. Блинов, П. Н. Автоматизация стендовых испытаний топливной и регулирующей аппаратуры тепловозных дизелей [Текст] / П. Н. Блинов, А. П. Блинов // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. - № 1. - С. 8 - 15.
8. Испытание двигателей внутреннего сгорания [Текст] / Б. С. Стефановский, Ю. М. До-колин и др. - М.: Машиностроение, 1972. - 359 с.
УДК 621.833.1
А. В. Бородин, Д. В. Тарута, Т. В. Вельгодская
ПОВЫШЕНИЕ НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ЗУБЧАТОЙ ПЕРЕДАЧИ ТЯГОВОГО РЕДУКТОРА ТЕПЛОВОЗА
Приводятся результаты исследования влияния кольцевых прорезей на несущую способность зубчатой пере -дачи тягового редуктора локомотива.
Результаты анализа статистических данных по выходу из строя тяговых редукторов ло-комотивов на железных дорогах Урала, Западной и Восточной Сибири позволяют утверждать, что тяговый редуктор является «узким» местом в конструкции экипажной части локомотива, неисправности которого занимают одно из первых мест в списке причин непланового ремонта тепловозов, уступая лишь износу гребней колесных пар.
I
