Моделирование процесса выделения теплоты в трубопроводе высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.436:629.424.3 О. В. БАЛАГИН

Д. В. БАЛАГИН Р. Ю. ЯКУШИН

Омский государственный университет путей сообщения

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ВЫДЕЛЕНИЯ ТЕПЛОТЫ В ТРУБОПРОВОДЕ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ________________________

Статья посвящена моделированию процесса выделения теплоты в трубопроводе высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей и установлению функциональной зависимости между техническим состоянием топливной аппаратуры и температурой внешней поверхности топливного трубопровода высокого давления. Ключевые слова: термограмма, топливная аппаратура, форсунка, топливный насос высокого давления, топливный трубопровод высокого давления, моделирование.

Для математического моделирования процесса выделения теплоты в трубопроводе высокого давления топливной аппаратуры (ТА) тепловозных дизелей предложена расчетная схема топливной системы непосредственного действия с механическим приводом и нагнетательным трубопроводом (рис. 1) [1].

На первом этапе исследования моделирование процесса выделения теплоты осуществлялось расчетом процесса впрыска с определением характера изменения давления топлива за цикл при различном техническом состоянии ТА (ТНВД, форсунка).

Изменение условия 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 топливной системы «ТНВД —трубопровод —форсунка» и соотношением размеров между ее элементами.

За исходное уравнение для расчета баланса расхода топлива принято выражение [2]:

йр=-Ч

ру

■ гн+к (^гн К

і -і і і 7(у)+7(у) ]_к_^гн \іі + \2 I н Ф

21г

И гн )2

(1)

где ^ — площадь поперечного сечения плунжера,

м2;

Р — коэффициент сжимаемости топлива, м2/Н;

У — объем топливной системы высокого давления,

м3;

пгн — скорость, соответствующая геометрическому началу подачи, м/с;

]гн — ускорение начала геометрической подачи топлива;

Ї — текущее значение времени, с;

1га — геометрическая продолжительность подачи топлива, с;

Рис. 1. Расчетная схема топливной системы

]к — ускорение в конце участка геометрической подачи, м/с2;

7*у),7*у) — утечки топлива через ТНВД и форсунку

соответственно, м3/с.

При моделировании сделаны следующие допущения:

— не учитываются упругие колебания в нагнетательном топливопроводе;

— давление по всей линии высокого давления в период протекания процесса считаем одинаковым и меняющимся только во времени.

Воспользовавшись, уравнением для определения неразрывности расхода через посадочный конус иглы форсунки и через сопловые отверстия [2]:

(2)

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

89

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

90

Рт

МПа

30

15

/ / / 1 ' 1 1 1

4 ✓ / / 1 1 1 1

/ / 1 1 1 1 1 1 1

/ / / 1 1 1 1

8 15 22 29 36 43 град 5 7

Ф -------►

Рис. 2. Давление топлива в топливопроводе дизеля типа ПД1М

Рис. 3. Схема топливной системы высокого давления дизеля

где |1и1:и — эффективное проходное сечение под иглой форсунки;

|1с1: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 тепловозного дизеля во время впрыска топлива, Па; р — плотность топлива, кг/м3.

Получили основное уравнение процесса впрыска дизельного топлива:

Рф_С^Рц \+(7ну)+7фу)) (3)

где и — скорость подачи топлива, т. е. соответствующая времени 1 м/с;

ки — коэффициент, учитывающий отношение эффективного проходного сечения под иглой форсунки к эффективному сечению ее сопловых отверстий.

Пример зависимости расчетного давления топлива в топливопроводе дизеля типа ПД1М от угла ф представлен на рис. 2.

Для определения расхода топлива О через каждый элемент системы топливная система высокого давления рассмотрена как состоящая из трех узловых объектов: ТНВД, форсунки и нагнетательного трубопровода (рис. 3) [2].

В итоге получено основное уравнение расхода топлива:

о=

2(Рн _Рц)

(ткл )2 Ти2 ТїфГ

(4)

где Рн — давление топлива в надплунжерной полости ТНВД, Па;

Рц — давление газов в цилиндре дизеля, Па;

|11:кл, ^.1: , |Лф — эффективное проходное сечение нагнетательного клапана ТНВД, нагнетательного трубопровода, форсунки.

Моделирование характерных неисправностей осуществлялось заданием различных значений:

— площади поперечного сечения плунжера (1:п);

— поперечного сечения нагнетательного клапана по разгружающему пояску (1:к);

— проходного сечения под конусом иглы форсунки

— суммарной проходной площади сопловых отверстий распылителя (1:с);

— коэффициента расхода проходного сечения под конусом клапана (|1к);

— коэффициента расхода проходного сечения под конусом иглы, (|1и);

— коэффициента расхода сопловых отверстий распылителя, (|1с).

На втором этапе исследования результаты моделирования позволили ввести параметр для оценки технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей — температуру внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, °С [1]:

і1”1 =і

(5)

где 1т — температура топлива в трубопроводе высокого давления (после сжатия в надплунжерном пространстве), ° С;

О т — количество передаваемого от топлива к воздуху теплоты, Вт;

0

1

1

1

р

Таблица 1

Результаты моделирования температуры внешней поверхности топливного трубопровода высокого давления

Температура окр. воздуха, °С, Температура внешней поверхности трубопровода, °С я >=іа 1 "к' >=іа 1 < ^(а 1 "к

Р *Рн 1Р

* Ли) 1р * Лна) 1р * ЛФ) *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

Примечание: 1р-*(н) — расчетное нормативное значение температуры поверхности трубопровода исправной топливной системы при ]-й температуре; 1р ^(на) — расчетное значение температуры поверхности трубопровода топливной системы при неисправном ТНВД при ]-й температуре; 1р ^(ф) — расчетное значение температуры поверхности трубопровода топливной системы при неисправной форсунке при ]-й температуре.

Таблица 2

Сравнительный анализ результатов моделирования и термографирования

Температура нагнетательного трубопровода дизеля ПД1М тепловоза ТЭМ-2 № 6034, 1окр = 4 °С

№ цилиндра Опыт №1 Опыт №2 Опыт №3

ТА в «норме» Неисправен ТНВД (износ плунжерной пары) Неисправна форсунка (нарушение герметичности запирающего конуса распылителя)

Эксперимен- тальное значение Расчетное значение Ошибка А, % Эксперимен- тальное значение Расчетное значение Ошибка А, % Эксперимен- тальное значение Расчетное значение Ошибка А, %

1 36,1 37,5 3,7 36,2 37,5 3,5 33,4** 32,5 2,8

2 36,5 2,7 36,5 37,5 2,7 36,5 37,5 2,7

3 36,2 3,5 31,1* 30,5 2,0 36,3 37,5 3,2

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

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

6 38,1 1,6 37,6 37,5 0,3 36,1 37,5 3,7

Примечание: * — неисправен ТНВД цилиндра № 2; ** — неисправна форсунка цилиндра № 1.

Рис. 4. Нагнетательные трубопроводы 1-3-го цилиндров дизеля тепловоза ТЭМ-2 № 6034 (неисправен ТНВД 3-го цилиндра): а) — термограмма; б) — фотография

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

— термическое сопротивление стенки, м2,К/Вт; Б — площадь внешней поверхности топливного трубопровода, м2.

Для автоматизации и повышения оперативности выполняемых расчетов разработана программа на языке программирования Бе1рЫ 7,

В итоге получены значения температуры на внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления в зависимости от технического состояния ТА и температуры окружающего воздуха (от 0 °С до 30 °С) и ряд критических значений 1ВТПТ), при которых дальнейшая эксплуатация дизеля приводит к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик,

Часть результатов моделирования представлена в табл, 1,

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

Для проверки достоверности результатов моделирования выполнен ряд экспериментов с использованием портативного тепловизора ИРТИС-2000 в ремонтном локомотивном депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава, Сопоставление результатов обработки термограмм (рис, 4) и результатов теоретических исследований подтверждает достаточную точность разработанной математической модели [1], Расхождение опытных и теоретических данных не превышает 4 % (табл, 2),

Основные выводы по работе.

1, В результате моделирования процесса выделения теплоты в трубопроводе высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей установлена зависимость температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления от технического состояния топливной аппаратуры (ТНВД, форсунка) и температуры окружающего воздуха,

2, Предложен диагностический параметр для контроля технического состояния ТА тепловозных дизелей — температура внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления,

3, Определен ряд граничных значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, при которых дальнейшая эксплуатация дизеля приводит к ухудшению его технических характеристик, к возможному отказу в пути следования и к необходимому неплановому ремонту,

Библиографический список

1, Балагин, Д, В, Совершенствование технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей : дис, ... канд, техн, наук / Д, В, Балагин ; ОмГУПС, — Омск, 2013, — 132 с,

2, Блинов, П, Н, Совершенствование технического обслуживания и ремонта топливной аппаратуры тепловозных дизелей : дис, ... канд, техн, наук / П, Н, Блинов ; ОмИИТ, — Омск, 1986, — 178 с,

БАЛАГИН Олег Владимирович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Локомотивы», директор института повышения квалификации и переподготовки,

Адрес для переписки: ba1aginov@mai1,ru БАЛАГИН Дмитрий Владимирович, кандидат технических наук, преподаватель кафедры «Локомотивы», заместитель декана факультета довузовской подготовки и профессиональной ориентации,

Адрес для переписки: Ьа1адт@таП,ги ЯКУШИН Роман Юрьевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Локомотивы»,

Адрес для переписки: уаки8Ып@таП, ги

Статья поступила в редакцию 23.10.2013 г.

© О. В. Балагин, Д. В. Балагин, Р. Ю. Якушин

Книжная полка

Алмазная заточка твердосплавных инструментов : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие для вузов по направлению подгот. дипломир. специалистов «Конструкторско-техническое обеспечение машиностроительных производств» / А. Ю. Попов [и др.] ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. - 1 о=эл. опт. диск (СБ-КОМ).

В учебном пособии приведен достаточно полный и систематизированный материал по алмазной заточке твердосплавных инструментов, дополненный необходимыми справочными данными, Даны общие рекомендации по выбору режимов обработки и характеристик алмазных кругов, Материал, представленный в пособии, может быть использован при курсовом и дипломном проектировании, Учебное пособие предназначено для студентов специальностей 151001 «Технология машиностроения» и 151002 «Металлообрабатывающие станки и комплексы»,

Бургонова, О. Ю. Повышение эффективности обработки конструкционных материалов фрезерованием : моногр. / О. Ю. Бургонова, В. С. Кушнер ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. -139 с. - ISBN 978-5-8149-1640-2.

В монографии приведены результаты теоретического и экспериментального исследования процессов фрезерования плоскостей и уступов торцевыми, концевыми и дисковыми фрезами, Предложены методы расчета физических характеристик процессов фрезерования (температур и сил фрезерования), Рассмотрен метод повышения производительности операций фрезерования с учетом технологических требований к точности, шероховатости обрабатываемой поверхности, износостойкости режущего инструмента и других на основе моделирования процессов фрезерования, Предназначена для научных работников и инженеров-технологов, а также студентов технических университетов,