CC BY
37
УДК 621.43
А. П. Перекрестов, М. А. Саидов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ КОНУСНОГО УПЛОТНЕНИЯ ФОРСУНКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ
При рассмотрении процесса изнашивания конусного уплотнителя форсунки дизельного двигателя можно выделить два этапа: процесс приработки, характеризующийся переходом от одного типа деформирования микронеровностей к другому, и процесс установившегося режима изнашивания контактирующих поверхностей.
Период установившегося режима характеризуется минимальной интенсивностью изнашивания для данных условий контакта. Каждый элемент деформируемого материала контактирующих поверхностей в этот период, в результате многократных ударов клапана о седло, испытывает повторно действующие циклы напряжений, амплитудное значение которых не превышает предела упругости материала, что говорит в пользу усталостного механизма износа [1]. Внедрение микронеровностей седла под действием нормальной нагрузки в поверхность клапана и их сдвиг под действием тангенциальных сил вызывают сложное напряжённое состояние (рис. 1): перед внедрившейся микронеровностью образуется зона сжатия, за ней, вследствие сил трения, - зона растяжения.
Рис. 1. Силовое взаимодействие в точке контакта клапана и седла
Многократные повторные деформации приводят к физическим и химическим изменениям поверхностного слоя и накоплению в нём повреждений, ослабляющих его и приводящих к отделению частиц износа. Совокупность тангенциальных сил Т, возникающих на поверхностях вступивших в контакт микронеровностей, вызывает сопротивление относительному перемещению, т. е. представляет собой силу трения Е:
Т = її .
(1)
Наличие в сопряжении клапан - седло клапана силы трения и многократное повторение аналогичного процесса позволяют применить для расчёта интенсивности изнашивания модель усталостного механизма фрикционного разрушения поверхностей. Основное уравнение в этом случае для упругого контакта для расчёта усталостного износа имеет вид [2]:
(1 - ц2) р к-/-рс { Е ' 1-е_
г -ра Е С2 -°0 11 -т2]• рс у
(2)
где С = 1,2 •
л/П
1
К2 •у •(у2 -1) ’ ь 2-у +1
; С2 =
я
^ 2'у+1 ( Ь ^ 2-У+1 (
0,75 •р
К2 ^-(у-1)
2-у+1
Из анализа выражения (2) следует, что в условиях упругого контакта интенсивность износа зависит от геометрических характеристик (Ь, V, ктах, Я), механических свойств (о0, Е, т), коэффициента трения/ усталостной характеристики ґ и давлений - номинального ра и контурного рс. Так как игольчатый клапан относится к числу малогабаритных деталей, у которых ра = рс, формула (2) принимает следующий вид, пригодный для инженерного расчёта на износ:
2 • V
V
2
1+ ‘п 2п'‘п _1 П-‘п ( — I VУ
1к = К2а-К( -рс ^+1 -Е2п+1 .д2п+1 . —'-I— , (3)
п V °0 у
_1_-1 -1
где К2 = 0,5 2п 22п К1; Кх _ множитель, определяемый геометрической конфигурацией и рас-
положением по высоте единичных микронеровностей на поверхности твёрдых тел; обычно Кх » 0,2; а _ коэффициент перекрытия; ‘у _ параметр кривой фрикционной усталости; а0 _
разрушающее напряжение при однократном растяжении; — _ коэффициент, характеризирующий напряжённое состояние на контакте; Е _ модуль упругости; Д _ комплексная характеристика шероховатости; V _ параметр опорной кривой; / _ коэффициент трения.
График изменения Е в зависимости от рс/НВ при различных значениях / построенный по формуле (3), приведен на рис. 2. Игольчатый клапан распылителя форсунки находится в условиях непрерывного смазывания контактирующих поверхностей дизельным топливом. На конусных поверхностях клапана и седла при контакте с топливом образуется граничный слой, обладающий специфичными свойствами. Этот очень тонкий граничный слой - толщиной меньше 1 мкм - выполняет функции смазочной пленки и предотвращает непосредственный контакт поверхностей. В этих условиях работоспособность конусного уплотнения определяется способностью граничных слоёв разделять контактирующие поверхности, предотвращая непосредственный металлический контакт, повышенный износ, возможность задира и заедания поверхностей [3].
Рис. 2. Зависимость 1Н от рс/НВ
Образование смазочной пленки связано с большой активностью поверхностного слоя (ПС) металла. При контактировании металлических поверхностей клапана и седла происходит деформация тончайших ПС и их активация. Атомы металла, расположенные на поверхности, имеют свободные связи, не компенсированные соседними атомами. Благодаря этому поверхность металла способна притягивать из топлива поверхностно-активные вещества (ПАВ), имеющие тенденцию к адсорбции на контактирующие поверхности, такие как жирные кислоты, их спирты и эфиры, животные и растительные жиры, а также амины и амиды и их производные. Так как силы, приводящие к накоплению молекул на поверхности, больше, чем противодействующие им силы (тепловое движение, диффузия), то молекулы ПАВ образуют плотный молекулярный слой. Прочность и толщина этого слоя зависят от активности, качества и количества молекул ПАВ. Образование смазочной плёнки на контактирующих поверхностях обусловлено не только адсорбцией. В результате химического взаимодействия с металлом (хемосорбция) органических соединений серы, находящихся в топливе, на поверхностях образуются твёрдые пленки, состоящие из оксидов и сульфитов металла. Хемосорбционная плёнка прочнее, чем адсорбционная, поэтому её стараются создать в самых нагруженных узлах трения [4, 5].
Механизм функционирования граничной плёнки представляется в следующем виде. Под нагрузкой происходит упругая и пластическая деформация на площадках контакта, под которыми здесь следует понимать площадки наиболее близкого прилегания поверхностей, покрытых граничной плёнкой смазочного материала, вплоть до мономолекулярного слоя. На площадках контакта может произойти взаимное внедрение поверхностей без нарушения целостности смазочной плёнки. Сопротивление движению при скольжении складывается из сопротивления сдвигу граничного слоя и сопротивления «пропахиванию» поверхностей внедрившимися объёмами. Кроме того, на площадках контакта, подвергнувшихся наиболее значительной пластиче-
ской деформации, и в местах с высокой местной температурой может произойти разрушение смазочной плёнки с наступлением адгезии обнажившихся поверхностей и даже схватывание металлов на микроучастках, что вызывает дополнительное сопротивление движению. Благодаря подвижности молекул смазочного материала на поверхности контакта, адсорбция протекает с большой скоростью, что придает смазочной плёнке свойство «самозалечиваться» при ее местных повреждениях. Это свойство играет большую роль в предупреждении лавинного процесса схватывания. Для упругого контакта смазанных и достаточно гладких металлических поверхностей (8-й класс и выше) расчётная формула для оценки износа имеет вид [6]:
!н =
С
X (і - ц2)
-в-1
С -8,
о у
(4)
где
С = 0,12
2£
167
2,6
ь=
1
2у + 1
к = 1,5
4(1 -т-т2)+( 2ц )•
С2 = 0,5
3р
Ч2к2 у
2у
2у+1
А
Г(у + 1)Г
К 2 =----Т~
г( п + 3
С учетом того, что в процессе приработки на поверхностях образуется равновесная шероховатость, подставляя в (4) вместо А его значение, соответствующее равновесной шероховатости, и учитывая, что номинальное давление на контакте поверхностей клапана с седла можно считать контурным, формулу (4) можно преобразовать:
4 = С1агРсТ02 ©
1-- (¥_\
V °0 у
(5)
где аг — коэффициент гистерезисных потерь при трении; т0 — сдвиговое сопротивление;
0, с0 — упругая постоянная Кирхгофа и параметр фрикционной усталости истираемого тела; к — коэффициент пропорциональности между эквивалентным напряжением на контакте и удельной силой трения;/ - коэффициент трения. Из формулы (5) следует, что
(6)
Степенная зависимость износа от коэффициента трения была установлена многими исследователями этого вопроса экспериментально как при трении металлов без смазки, так и со смазкой. Введение смазки в контакт вело к уменьшению износа в десятки и даже сотни раз. Например, изменив в формуле (5) значение коэффициента трения в п раз, получим изменение интенсивности изнашивания в П раз. Увеличение абсолютного значения прочностной характеристики t и снижение коэффициента трения / всегда положительно влияют на износостойкость (рис. 3).
Рис. 3. Зависимость интенсивности изнашивания от / и ґ
у
5
Чем ниже /, тем меньше касательные напряжения т на контакте; чем больше значение t, тем большее количество циклов требуется на отделение частицы износа.
Выводы
1. Установлено, что процесс изнашивания конусных поверхностей распылителя соответствует усталостному процессу.
2. Сила трения в процессе изнашивания рассматриваемого сопряжения играет весьма существенную роль.
3. Снижение силы трения положительно сказывается на надежности и износостойкости конусного уплотнения распылителя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Алисин В. В., Крагельский И. В. Трение, изнашивание и смазка. Кн. 1. - М.: Машиностроение, 1978. - 400 с.
2. Хебда М., Чичинадзе А. В. Справочник по триботехнике. Т. 1. Теоретические основы. - М.: Машиностроение, 1989. - 400 с.
3. Гуреев А. А. Топливо для дизелей. Свойства и применение. - М.: Химия, 1993. - 336 с.
4. Лихтман В. И., Щукин Е. Д., Ребиндер П. А. Физико-химическая механика металлов. Адсорбционные явления в процессах деформации и разрушения металлов. - М.: Изд-во АН СССР, 1962. - 284 с.
5. Белый В. А. Трибология: исследования и приложения. - М.: Машиностроение, 1993. - 412 с.
6. Крагельский И. В., Непомнящий Е. Ф., Харач Г. М. Усталостный механизм и краткая методика аналитической оценки величины износа поверхностей трения при скольжении (исходя из свойств материалов и условий работы). - М.: АН СССР, 1967. - 18 с.
Статья поступила в редакцию 1.09.2008
MODELING OF THE WEAR PROCESS OF THE INJECTOR'S WEDGE-TYPE SEAL OF THE DIESEL ENGINE
A. P. Perekrestov, M. A. Saidov
The period of the stable condition is characterized by the minimum wear intensity for the given conditions of the contact. Every element of the deformable material of the contacting surfaces experiences the reacting cycles of an exertion as a result of repeated blows of the valve to the seat during this period. The amplitude meaning of the exertion does not exceed the elasticity limit of the material in the cycle. The calculation of the wear process can be conducted in this case on the basis of the fatigue wear process. The implantation of microroughnesses of the seat to the valve surface under the action of normal loading and a shear of these microroughnesses under the action of tangential forces cause the complicated intensive condition. The presence of friction force in the interface "valve -valve seat" and the frequent repetition of the analogous process let to apply the model of the fatigue mechanism of the friction surface's destruction for the calculation of its wear intensity.
Key words: the injector, the valve seat, the valve, friction force, wear intensity.
