CC BY
82
УДК 621.43
А. В. Троицкий
МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ТОПЛИВНОГО НАСОСА ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ СУДОВОГО ДИЗЕЛЯ С УЧЕТОМ СИЛОВОГО ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ
Обучение современных специалистов в области эксплуатации судовых энергетических установок невозможно представить без использования технических средств обучения. Пожалуй, самым эффективным таким средством является тренажер. В качестве примера можно привести тренажер дизеля, применение которого является актуальным, поскольку на большинстве эксплуатируемых речных судов в качестве главных энергетических установок используются именно дизели [1].
Одной из основных систем судового дизеля является система подачи топлива. Типичной для большинства эксплуатируемых дизелей является система топливоподачи так называемого традиционного типа. В состав этой системы входят топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунка, которые соединены между собой топливным трубопроводом. Плунжер топливного насоса получает движение от кулачкового механизма, состоящего из кулачной шайбы распределительного вала и роликового толкателя.
Математическое описание (модель) работы системы топливоподачи должно занимать одно из центральных мест в математическом ядре тренажера дизеля.
С развитием вычислительной техники методы моделирования топливоподачи в пренебрежении волновым процессом в топливопроводе устарели, поэтому в основе математической модели подачи топлива должны лежать уравнения неустановившегося течения вязкого топлива в нагнетательном трубопроводе. Эти уравнения должны решаться совместно с уравнениями граничных условий для узлов топливоподающей системы, в качестве которых записываются уравнения баланса топлива в полостях и уравнения динамического равновесия гидравлически управляемых запорных органов [2].
В моделях подачи топлива, ориентированных на решение проектно-конструкторских задач, закон движения плунжера задается геометрией профиля кулачной шайбы, т. е. считается, что ролик толкателя безотрывно обкатывает кулачную шайбу по эквидистанте к ее профилю (рис. 1). Однако в реальности кинематика плунжера определяется в том числе и силовым взаимодействием элементов ТНВД. Именно этим обусловлены возможные неисправности топливной аппаратуры в процессе эксплуатации, доля которых в среднем составляет 20...35 % от общей суммы отказов по дизелю.
Рис. 1. Движение ролика толкателя по эквидистанте к профилю топливного кулачка
Так, в практике эксплуатации судовых дизелей наиболее частым дефектом ТНВД является заклинивание плунжерной пары. Основными факторами, влияющими на возникновение заклинивания, являются качество топлива (его смазывающая способность, содержание в топливе абразива и воды), тепловое состояние пары трения и величина зазора в сопряженных деталях. Заклинивание (заедание) можно отнести к аварийным видам разрушения поверхностей трения -
возникнув, оно, как правило, приводит к полной непригодности узла к дальнейшей эксплуатации [3]. Увеличение сил трения в плунжерной паре может приводить не только к заклиниванию плунжера, но и к выходу из строя кулачных шайб, роликовых толкателей и пр.
Тренажер судового дизеля должен воспроизводить нарушения в работе топливной аппаратуры в процессе ее эксплуатации. Таким образом, для математического ядра тренажера является важным учет взаимодействия деталей ТНВД между собой, чем обусловлено рассмотрение работы топливного насоса с точки зрения силового взаимодействия его элементов.
Работе ТНВД соответствует расчетная схема, изображенная на рис. 2.
d 7?
ПЛ
m —у—
dt'
Рис. 2. Расчетная схема к составлению уравнения динамического равновесия плунжера
Запишем уравнение динамического равновесия плунжера: d 2Нп
m-----^ _FK ■ cos у + mg + FT + СНпл + FCT + F .
dt2
Здесь m - масса подвижных деталей насоса (для описания нагнетательного хода плунжера
к этой массе добавляется масса элементов роликового толкателя); d - ускорение плунжера;
dt
F}^ — сила, действующая на роликовый толкатель со стороны кулачка; m • g - сила тяготения; Ft -гидродинамическая сила, действующая на торец плунжера со стороны сжатого в надплунжер-ной полости топлива; С • Ипл - сила упругости пружины; F^ - сила статического нагружения пружины (предварительный затяг); F^ - сила трения в паре «плунжер - втулка».
Гидродинамическую силу Ft можно найти из соотношения
F p ■ dпл р Fx _------— ■ рн ,
где dпл - диаметр плунжера; рн - давление топлива в надплунжерной полости.
Жесткость пружины ТНВД С может быть найдена из соотношения [4]:
О
где О - модуль сдвига (для пружинной стали G = 7,85 • 104 МПа); й - диаметр проволоки
пружины; Вср - средний диаметр пружины; пр - число рабочих витков.
Определение величины силы трения ^тр должно носить целевой характер, соответствующий требуемой адекватности математической модели.
Для случая работы пары с образовавшимися на поверхностях трения лаковыми пленками может быть предложена следующая зависимость для определения силы трения [5]:
где а, в и у - соотношения упругости и пластичности металла, его текстурированного слоя и лаковой пленки; Кму и Кту - композиции упругих констант металла и его текстурированного слоя; Клп - константа линейной пластичности лаковой пленки; Кгу - композиция упругих констант граничного слоя топлива на трущихся поверхностях; ,Рв - сила бокового давления,
перпендикулярная оси плунжерной пары; В - максимальная дисперсия от других факторов.
Однако для упрощения модели могут быть использованы и более простые зависимости для определения силы трения в плунжерной паре, учитывающие тепловое состояние пары и качество топлива.
Для безаварийной работы насосной секции необходимо, чтобы величина силы трения в паре «плунжер - втулка» была меньше суммы всех прочих сил, действующих на плунжер.
Нагнетательный ход плунжера. Топливный кулачок вращается и своим рабочим профилем давит на ролик толкателя. Ролик обкатывает кулачок и через толкатель воздействует на плунжер, заставляя его перемещаться, совершая ход нагнетания. Заклинивание плунжера в этом случае может привести к выходу из строя кулачной шайбы или роликового толкателя.
Прочность кулачной шайбы при проектировании оценивается по контактным напряжениям; прочность роликового толкателя - по напряжениям изгиба и среза его оси, а также по удельным нагрузкам [6].
Контактное напряжение в паре «топливный кулачок - ролик толкателя», МПа:
где Е - модуль упругости, МПа; Ь - длина линии контакта шайбы с роликом (рис. 3), м; г и Я -радиусы дуги профиля шайбы и ролика, м.
Напряжение изгиба оси ролика, МПа:
где 1ос - длина оси ролика, м; Ьв - длина втулки ролика, м; doc - диаметр оси ролика, м; dCB -диаметр сверления в оси ролика, м.
Напряжение среза оси ролика, МПа:
FiV _ (аКм.у + т.у + л.п + Кг.у ) рв ± D >
(1)
(2)
(3)
Удельная нагрузка на втулке, МПа:
(4)
Удельная нагрузка в опорах толкателя, МПа:
F
ТҐ — к
^тт
'Id ocbon
где Ьоп - длина линии контакта в опоре, м.
Удельная нагрузка на наружной поверхности втулки, МПа:
(5)
K on = Tt
(6)
Рис. 3. Роликовый толкатель
При известных значениях максимально допустимых напряжений и удельных нагрузок из выражений (1)-(6) можно получить величины максимально допустимых сил, действующих на толкатель со стороны кулачка. Минимальная из них будет являться максимально допустимой для данного кулачкового механизма:
[ F ] = rnin (F).
Тогда условием безаварийной работы насосной секции в этом случае будет являться следующее неравенство:
Тр < [F ]• cos Y - mg - FT - Chnj] - FCT + m^T. (7.1)
dt
Всасывающий ход плунжера
Плунжер совершает возвратное движение из крайнего верхнего своего положения под действием силы упругости пружины. Масса элементов роликового толкателя не оказывает влияния на перемещение плунжера. Заклинивание плунжера в этот момент может привести либо к полной потере плунжерной парой своей функциональности (если сила трения в паре становится выше суммы всех прочих сил, действующих на плунжер), либо к работе кулачкового механизма с ударом (если сила трения внезапно преодолевается другими силами).
В отсутствие силы, действующей на толкатель со стороны кулачка, условие безаварийной работы насосной секции выражается неравенством
d 2h
Ттр < mg + Тт + Ch^ + Тст - m^p . (7.2)
dt2
Выполнение условий (7.1) и (7.2) на каждом шаге расчета дает основание определять перемещение плунжера из анализа кинематики привода ТНВД:
где 5кул - функция, описывающая геометрию профиля кулачной шайбы; р - радиус ролика толкателя.
В противном случае следует говорить о заклинивании плунжера или выходе из строя привода насоса, что является аварийным случаем.
Описанный подход к моделированию работы ТНВД позволит инструктору тренажера судового дизеля ставить перед обучаемыми ряд важных задач: переход с одного сорта топлива на другой; работа на обводненном и загрязненном топливе, топливе низкого качества; организация подогрева вязкого топлива. Возможность моделирования на тренажере дизеля отказов топливной аппаратуры позволит повысить качественный уровень тренажерной подготовки.
1. Троицкий А. В. Тренажер дизеля: моделирование топливоподачи // Тез. докл. VI Междунар. науч.-техн. конф. «Будущее технической науки». - Н. Новгород, 2007. - С. 61-62.
2. Троицкий А. В. Компьютерное моделирование топливоподачи в судовом среднеоборотном четырехтактном дизеле // Вестн. Астрахан. гос. техн. ун-та. Сер.: Морская техника и технология. - 2009. -№ 2. - С. 188-192.
3. Крагельский И. В., Добрыгин М. Н., Камбалов В. С. Основы расчетов на трение и износ. - М.: Машиностроение, 1977. - 526 с.
4. ГОСТ 13765-86. Пружины винтовые цилиндрические сжатия и растяжения из стали круглого сечения. Обозначение параметров, методика определения размеров.
5. Большаков В. Ф., Фомин Ю. Я., Павленко В. И. Эксплуатация судовых среднеоборотных дизелей. -М.: Транспорт, 1983. - 160 с.
6. Фомин Ю. Я., Никонов Г. В., Ивановский В. Г. Топливная аппаратура дизелей: Справочник. -
М.: Машиностроение, 1982. - 168 с.
THE HIGH-PRESSURE FUEL PUMP SIMULATION FOR SHIP DIESEL ENGINE WITH FORCE DEPENDENCE
A. V. Troitsky
The approach to high-pressure fuel pump simulation is examined; it will help the instructor of the marine diesel simulator set a number of the important tasks: transmission from one fuel class to another; work with watered and contaminated fuel, fuel of low quality; management of viscous fuel heating. The possibility of simulation of fuel system failure using diesel training machine will allow increasing in the quality of simulation training.
Key words: fuel system of diesel, fuel delivery, mathematical modeling, simulation training.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Статья поступила в редакцию 28.09.2010
