Обеспечение герметичности клапанного узла в гидросистемах топливной аппаратуры Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Проведённый анализ, позволяет сделать следующие выводы: применение системы рекуперативного торможения позволяет производить аккумулирование неиспользуемой кинетической энергии автомобиля и обеспечивать подвод дополнительной энергии к ротору турбокомпрессора. Это приводит к уменьшению на 30...50 % времени разгона и увеличению на 10.15 % средней скорости движения транспортного средства, обеспечивает подвод дополнительного тормозного момента, снижающего нагрузку на тормозную систему ТС, что увеличивает ее ресурс и ресурс агрегатов трансмиссии.

Библиографический список

1. Шабалин, Д. В. Повышение энергетических и экономических показателей дизеля применением систем регулирования газотурбинным наддувом [Текст] / Д. В. Шабалин, Е. С. Терещенко // Технические науки: теория и практика : материалы Междунар. заоч. науч. конф. — Чита, 2012. — С. 96 — 98.

2. Шабалин, Д. В. Стабилизация температуры наддувочного воздуха : монография [Текст] / Д, В. Шабалин, Д. Ю. Фадеев, Е. С. Терещенко. — Омск : Омское кн. изд-во, 2013. — 100 с.

3. Пат. 62662 Российская Федерация, РЛ 62662 и1 Б 02 С5/02. Комбинированный двигатель / Шабалин Д. В., Руднев В. В., Хасанова М. Л. [и др.] ; заявитель и патентообладатель ГОУ ВПО «ЮУрГУ» ; заявл. 10.06.11 ; опубл. 27.04.2007. — Бюл. № 12. — 3с. : ил.

КОЛЬБ Валерий Викторович, преподаватель кафедры двигателей.

Адрес для переписки: [email protected] ШАБАЛИН Денис Викторович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.

Адрес для переписки: [email protected] ТЕРЕЩЕНКО Евгений Сергеевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры двигателей.

Адрес для переписки: [email protected]

РОСЛОВ Сергей Валерьевич, адъюнкт кафедры

двигателей.

Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 28.04.2014 г. © В. В. Кольб, Д. В. Шабалин, Е. С. Терещенко, С. В. Рослов

УДК 6219235 И. И. КОШУКОВ

Омский государственный технический университет

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КЛАПАННОГО УЗЛА В ГИДРОСИСТЕМАХ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ

Статья посвящена технологическому процессу изготовления клапанного узла топливной аппаратуры. Наибольшее внимание уделено вопросу повышения качества обработки и формирования уплотняющей поверхности седла клапана; контролю герметичности клапанного узла и механизации процесса обработки. Ключевые слова: седло клапана, топливная аппаратура, клапанный узел, герметичность.

Предохранительный клапан является агрегатом эпизодического действия и предназначен для ограничения давления жидкости в гидросистеме сверх установленной величины. Принцип действия шарикового клапана основан на уравновешивании давления, действующего на шарик и пружину клапана. Шарик плотно перекрывает проходной канал магистрали и сводит расход жидкости до нуля. Выполнить такое условие возможно лишь при точной подгонке контактируюших поверхностей пары «седло — клапан».

На рис. 1 схематично изображены два клапанных узла. В варианте (а) клапаном является стальной шарик по ГОСТ 3722-81, в варианте (б) — сталь-

ной конус. Седло клапана является конструктивным элементом корпуса клапанного узла и выглядит как острая кромка, образованная пересечением плоского торца «Т» и цилиндрической поверхности проходного канала «Д». В практике изготовления клапанных узлов допускается притупление острой кромки седла двух видов: радиусом «г» и в виде круговой фаски «1» (рис. 2). Торическая поверхность «г» и поверхность круговой фаски, является уплотняющей поверхностью клапанного узла. Геометрическая точность и качество обработки уплотняющих поверхностей на 90% определяет герметичность клапанного узла, которая измеряется количеством вытекающей жидкости через зазор контактиру-

Рис. 1. Схема клапанного узла

а) — сшаровым клапаном,

б) — с конусным клапаном

Рис. 2. Образцы притупления острой кромки седла клапана: а) — остраякромка,б) — тороваяповерхность«г», в) — круговая фаскасосферическимпрофилем«^», г) — круговая фаска с угловым профилем

а +о,

с1 +0,

Рис. 3. Схемы полумеханической обработки уплотняющей поверхности седла а) — прибивка шариком, б) — доводка сферического пояска, в) — доводка конусного пояска, г) — формированиеторовой поверхности«г»

ющих поверхностей пары седло —клапан в единицу времени.

Операция формирования уплотняющей поверхности седла обычно выполняется полумеханическим способом, например:

1) прибивка острой кромки седла шариком (рис. 3а),

2) доводка фаски «1:», как элемента внутренней сферической поверхности, с помощью шарового притира (рис. 3б),

3) доводка фаски «1», как элемента конусной поверхности, с помощью конусного притира,

4) закругление острой кромки седла в виде участка торической поверхности с радиусом «г» (рис. 3в).

Исследования проводились с целью выявления наиболее эффективного из вышеперечисленных способов обработки седла. В результате оказалось:

— первый способ не удовлетворяет требованиям герметичности, т.к. углубления (риски) микрорельефа частично осаживаются вместе с прибиваемым металлом уплотняющей поверхности, сохраняя микроканалы для утечки запираемой жидкости, при этом острые неровные кромки облоя препятствуют взаимозаменяемости шариков, а сам облой уменьшает сечение проходного канала, что не согласуется с входным контролем на сборке,

— второй и третий способ характеризуется нестабильностью результатов и повышенным расходом притиров (соотношение 1/1). Причиной этого являлся большой размерный разброс диаметра проходного канала <3 ± 0,0 (сравнимый с шириной фаски «1»), который проявляется в частичном смещении изношенного участка притира относительно притираемой ленточки следующего седла и, как следствие, приводит к искажению профиля уплотняющей поверхности и смещению линии контакта на край фаски с острой необработанной кромкой.

— четвертый способ обеспечивает плотный контакт пары «седло — клапан» по линии замкнутой окружности, которая всегда располагается на тори-

ческой поверхности, даже в условиях взаимозаменяемости комплектхнощих эле ментов. Недостаток способа заключается в трудоёмкости формирования геометрической формы торовой поверхности, расположенной, как правило, в труднодоступных местах. Связанная с этим нестабильность результатов объясняется нарушением режима ручной обработки в части давления и взаимного расположения контактирующих поверхностей притира и седла клапана. Избавиться от подобных нарушений возможно лишь путем механизации процесса обработки, т.е. путем наладки технологического оборудования на соблюдение расчетных режимов обработки и координат взаимного расположения детали и рабочего инструмента.

К общим недостаткам большинства способов относится применение свободного абразива в качестве режущего инструмента. Свободные абразивные зёрна шаржируются (внедряются) в уплотняющую поверхность седла и не только препятствуют плотному прилеганию клапана, но и повреждают его поверхность в процессе эксплуатации.

Наиболее перспективным, в части получения стабильного качества и повышения производительности, представляется механизированный способ, полностью исключающий ручной труд и использование свободного абразива.

Механизированный способ формирования уплотняющей поверхности седла предохранительного клапана. Опытная работа проводилась на производственном участке изготовления клапанного узла топливной аппаратуры. Уплотняющая поверхность седла клапана (рис. 4) представлена круговой фаской углового профиля и ограничена по ширине величиной 0,1 мм. Герметичность клапанного узла, по ТУ (техническим условиям), задана допустимой величиной утечки рабочей жидкости, находящейся в пределах 0,3 г/мин.

Процесс обработки седла клапана выполнялся на торцодоводочном станке модели ДПТ-2 (рис. 5)

линия контакта

-

/03,5

03,45 +0,05

Участок А

Рис.4. Клапанныйузел

и подразделялся на ряд переходов (операций):

а) снятие заусенцев с острой кромки седла;

б) формирование уплотняющей поверхности седла в виде круговой фаски f = 0,1 мм;

в) полирование уплотняющей поверхности;

г) контроль клапанного узла на герметичность.

На первых двух переходах в качестве режущего инструмента использован притир (рис. 6), рабочая поверхность которого выполнена из абразивного материала (АСМ 14/10, связка Б) и имеет форму кругового конуса. Угол конуса в плане рассчитан по формуле:

ф = аге Cos d/D,

(1)

где ф — угол конуса в плане, d — расчетный диаметр окружности контактной линии, D — диаметр шарика (рис. 4).

На третьем переходе обрабатывающим инструментом является полировальник, выполненный из лиственных пород дерева по размерам притира.

Четвёртый переход оснащён специальным прибором для контроля качества уплотняющей поверхности и герметичности юшпанногоузла.

К общей технологической оснастке относится опорный конус 2, оправка 3 и державка 4, предназначенная для соосной установки седла 5 иш пин-деля 7 (рис. 5).

Пример выполнения технологической операции.

1. Технологическая наладка станка заключается в установке жёстких упоров 9, ограничивающих поворот траверсы 8 в границах расчётного смещения «е» верхнего шпинделя 6 относительно нижнего шпинделя 7. Величина «е» определяется по формуле:

е = 1 ■ Ь/Б, (2)

где 1 — фаска или размер максимально допустимого притупления острой кромки седла, Ь — базовая длина сборки (притир — оправка), Б — диаметр шарика клапана.

2. Снятие заусенцев с острой кромки седла начинается с установки корпуса клапанного узла в державке 4 и выполняется в режиме вращения нижнего шпинделя п =500 об/мин, при нулевом смещении «е». При этом режущая часть притира находится в контакте с седлом клапана, а хвостовая часть с опорным конусом 2 (рис. 5). В процессе обработки притир удерживается от вращения и находится под нагрузкой из расчёта 0,2 — 0,5 кг/см2. Острая кромка седла внедряется в бакелитовую основу конуса притира на величину радиуса притупления «г» и, под действием закреплённых в притире абразивных зёрен, подвергается зачистке в течение 10 сек. Операция считается выполненной, если на поверхности торца «Т» и проходного канала «Д», при визуальном контроле, видны следы зачистки.

3. Формирование уплотняющей поверхности седла осуществляется в том же режиме, но при смещении верхнего шпинделя на величину е = 2 мм, рассчитанную по формуле (2). Притир под действием сил резания, возникающих в зоне контакта с седлом клапана, совершает попутное с ним вращение. Скорость попутного вращения притира отличается меньшей величиной, т.к. в кинематике взаимодействия притира и седла клапана присутствует планетарное движение [1], которое возникает в относительном движении оси притира по круговому конусу (угол «в»). Скорость вращения притира в планетарном движении имеет противоположное направление к скорости вынужденных колеба-

аний, чем и объясняется разность скоростей седла и притира. Абразивные зерна притира, участвую-

Рис. 5. Пример технологической наладки: 1 — притир, 2 — опорный конус, 3 — оправка притира, 4 — державка, 5 — седло клапана, 6 — верхний шпиндель, 7 — нижний шпиндель, 8 — поворотная траверса, 9 — регулируемые упоры

Рис. 6. Притир

щие в процессе резания, совершают на поверхности острой кромки движение по круговой траектории, расположенной в пределах ленточки «1». Формообразующим движением траектории является круговое колебание притира, совершаемое относительно оси вращения седла синхронно с частотой вращения главного привода.

Угол качания в (угол скрещивания осей вращения седла и притира), рассчитывается по формуле:

в = are Sin 2f/D; или в = are Sin e/L,

(3)

- диаметp шарика, e —

— базовая длина сбор-

гдеС — шириналенточки, Б -смещение осей шпинделя, Ь ки (притир — оправка).

Два простых движения аредтрра в плоскости кон-тактие седлом клапана превращаюрсен оеао сложное движение ебеазивиые ееренпо растровой траектории (рис. 7). Частота растра зависит от окружной скорости планетарного движения направленной вдоль острой кромки седла. Перемещение множества абразивных зёрен по растровой траектории с регулярно повторяющейся цикличностью превращает уплотняющую поверхность в правильную геометрическую фигуру в виде сферического пояска шириной «1». Геометрическая точность сферического пояска объясняется тем, что процесс формирования уплотняющей поверхности происходит в соответствии с классическим способом формообразования

Рис. 7. Фрагмент седла клапана: 1 — линия контакта, R — радиус сферической поверхности <^», г' — радиус вторичного притупления

сферической поверхности (вырезаемой трубчатым инструментом в теле податливого материала при вращении относительно пересекающихся осей) [2]. Если принять седло клапана за трубчатый инструмент, то в податливом (бакелитовом) теле притира острая кромка седла формирует участок сферической поверхности, одинаковый по кривизне с поверхностью шарика. В соответствии с этим ленточка уплотняющей поверхности седла приобретает форму вогнутой сферической поверхности с радиусом «R = D/2». Такая форма аналогична форме уплотняющей поверхности, сформированной методом прибивки шариком или доводкой сферическим притиром. Присущие этим операциям недостатки, на первый взгляд, должны были проявиться и в этом процессе. Однако острая кромка, с которой контактирует шарик в случае несовпадения параметров сфер пояска и шарика, притупляется выступающей (не изношенной) частью рабочей поверхности притира с обеих сторон и превращается в элемент торообразной поверхности, который надежно уплотняет контакт седла и клапана. Стойкость притира, выполненного из алмазосодержащего бакелитового материала, в сотни раз превышает стойкость стальных и чугунных притиров, не по причине разной прочности материалов, а из-за особенностей кинематики процесса обработки, направляющей износ радиуса сферы вдоль оси вращения притира. Машинное время обработки на данном переходе операции составило 10 сек и не превысило расчётную норму.

Операция выполнялась в различных режимах резания и в различных сочетаниях геометрических параметров седла клапана и рабочей поверхности притира. Графически оформленные варианты обработки показаны на рис. 8.

Вариант (а) выполняется в режиме вращения n = 500 об/мин, удельном давлении р =0,2 кг/см2 и смешении е = 2 мм. Применяется для формирования заданных параметров фаски «f = 0,1 мм».

Вариант (б) — в режиме n = 500 об/мин, удельном давлении р =0,2 кг/см2 и смещении е = 0. Применяется для формирования острой кромки седла с минимальным радиусом притупления (r = 0,03 мм).

Вариант (в) — в режиме n = 500 об/мин, удельном давлении р =0,2 кг/см2 е = 100 Sin в или е = 100 Sin ф/2 (мм). Применяется для формирования фаски, находящейся в контакте с конусным клапаном. Возможность автоматического формирование уплотняющей поверхности седла клапана в форме сферического пояска подтверждено графическим построением, теоретическими рассуждениями и практическим исполнением.

4. Полирование уплотняющей поверхности седла выполняется для сглаживания микронеровностей

Рис. 8. Графики формирования уплотняющей поверхности седла клапана: а) — круговая фаска с профилем сферической поверхности <^» и радиусом вторичного притупления «г», б) — острая кромка, в) — круговая фаска с угловым профилем

Рис. 9. Прибор оперативного контроля герметичности клапанного узла: 1 — оправка,2 — пружина, 3 — уплотнительноекольцо, 4 — уплотнительное кольцо, 5 — подставка, 6 — трубка, 7 — ёмкостьсжидкостью

и формирования их в виде чередующихся концентрических окружностей, ось вращения которых совпадает с осью вращения седла. Такое сочетание контактирующих поверхностей седла и клапана повышает герметичность клапанного узла. Операция выполняется при нулевом смещении «е». Полировальник удерживается от вращения и находится под нагрузкой пружины с удельным давлением«р», равным 0,2 кг/см2. В поиске лучших результатов применялись альтернативные материалы полировальника (вата, сукно), полирующий эффект которых зависел от марки обрабатываемого материала.

5. Контроль клапанного узла на герметиенесть выполняется с помощью специального прибора, изготовленного для оперативной проверки качества обработки седла непосредственно на рабочем месте слесаря (рис. 9). Перед проверкой деталь прополаскивается в моющем средстве (бензине) и обдувается сжатым воздухом. Затем корпус седла с шариком размещается между уплотнительными кольцами оправки 1 и подставки 5. Поступающий под давлением воздух проходит через зазор клапанного уплотнения и попадает в сосуд с жидкостью. Количество выходящих пузырьков в единицу времени соответствует расходу воздуха и определяет степень герметичности клапанного узла. Допустимая величина расхода воздуха устанавливается по эталонному клапанному узлу прошедшему технологическое испытание. Визуальный контроль осуществляется в тех случаях, когда выполняется пробная обработка седла или в случае завышенного расхода воздуха при проверке на герметичность. Отклонение внешнего вида макро- и микрорельефа уплот-

Рис. 10. Схема визуального контроля уплотняющей

поверхности седла клапана: 1 — световод,2 — бинокулярный микроскопМБ-10, 3 — уплотняющая поверхность седла

няющей поверхности от эталона указывает на допущенные нарушения тренрлогнческого процесса обработки. Для лучшей освещенности седла, расположенного в глубине входного отверстия, используется искусственный лвлтовлд(рис. 10).

Результаты исследований позволяют сделать вывод, что для обеспечения герметичности клапанных узлов достаточно механизировать процесс обработки уплотняющей поверхности, так как в основу ьги ьеложенострогоесоблюдение расчетных режимов обработки, координат взаимного расположения седла и обрабатывающего инструмента, а также ис-по^зованон зекрапленал«р абразива положительно влияющего на качество уплотняющей поверхности седла клапана. Кроме всего, эффективность механизированного процесса сказывается на повышении стойкости режущего инструмента снижении трудоёмкости выполняемой операций.

Библиографический список

1. Кошуков, И. И. Прецизионная доводка плоскопараллельных поверхностей / И. И. Кошуков // Омский научный вестник. — 2013. — № 2 (110). — С. 145-150.

2. Куманин, К. Г. Формообразование сферических поверхностей / К. Г. Куманин. — М. : Оборонгиз, 1962. — 432 с.

КОШУКОВ Иван Иосифович, инженер-механик. Адрес для переписки: [email protected]

Статья поступила в редакцию 25.03.2014 г. © И. И. Кошуков

Книжная полка

621/Т38

Технологические процессы в машиностроении: проектирование и производство заготовок : учеб. электрон. изд. локального распространения : учеб. пособие для вузов по направлению подгот. дипло-мир. специалистов «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств» / В. С. Кушнер [и др.]. — Омск : ОмГТУ, 2014. — 1 o=эл. опт. диск (CD-ROM).

Приведены краткие сведения об основных способах механической обработки металлов резанием и давлением, использующихся при получении заготовок деталей машин. Рассмотрена методика расчета межоперационных размеров и исходных размеров заготовки, основанная на учете схемы базирования заготовки и погрешностей положения режущего инструмента относительно обрабатываемой детали. Даны рекомендации по проектированию заготовок, получаемых обработкой давлением (штамповок). На примере получения штамповочной заготовки коронной шестерни рассмотрены два альтернативных технологических процесса, оценены области их рационального применения. Для студентов технических университетов.