Расчётное определение рациональной компоновки привода насоса 6тн9х10т при работе с повышенными цикловыми подачами Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

шм ШШ

in

Ш m

УДК 621.436.03

НАСОСА бТНЭхЮТ ПРИ РАБОТЕ С

Ю.П. Макушев, В.В. Ковалевский

Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СИБАДИ)

Буллщотда 6ТН9хЮТтшитжогары цысымды соргьш щнхсерясетегшц |§ff конструктивтжжэнг репт1^гшралт?2р/ер1щжудь1рьщишрашклсубьшдагь1 э!сэье | итергттщ багыттаушысында мумктдж ясуктемегврмен жогары циклЫ enepic ШШ кезтдегi отыи буркупроцеа царкртдылыгына ыцпалы царастырыпады.

В работе рассмотрено влияние конструктивных и регулировочных параметров привода плунжера насоса высокого давления типа бТШОЮТ на интенсивность процесса впрыска топлива при повышенных цикловых подачах и допустимых нагрузках в паре кулачок-ролик и направляющей толкателя.

The article is adduced information about methods of making of equipments for making of side-walk tile sOn the basis ofsurvey information the article isadduced analysis ofperspectives of using of different methods of pressing and propose variant of rise of quality ofproduction by means of using of impulse moulding.

1. Задачи исследования Наиболее эффективным путем форсирование современных дизелей по мощности без существенного изменения его габаритов и массы, при сохранении уровня инерционных нагрузок, при данной такшосги двигателя, осуществляется путем повышения плотности заряда. Это достигается применением газотурбинного наддува и при одновременном повышении цикловой подачи топлива.

Подача топлива за цикл зависит от удельного расхода топлива (сц), эф- Ц фективной мощности двигателя (Мс), числа цилиндров ()), частоты вращения ! вала насоса (п), плотности топлива (г) и определяется выражением

Литровая мощность автомобильных и тракторных дизелей с наддувом превысила 20 кВт, а подана топлива за цикл - 140 мм3.

Ш За счет применения газотурбинного наддува, например, эффективная мощность двигателей КамАЗ - 740.50-360 повышена до 265 кВт, при цикловой по-Цяе 150 мм3 и частоте вращения вала насоса 1100 мин-1. Увеличение подачи топлива в 2 раза привело к повышению нагруженности привода насоса высокого давления.

В топливных насосах высокого давления широкое применение получили кулачки с тангенциальным профилем. Данный профиль образован двумя окружностями, соединенными касательными. Плавный переход ролика с касательной ¡на окружность осуществляется за счет радиуса скругления. От величины радиуса скругления зависят контактные напряжения в паре кулачок-ролик, которые определяются по формуле Герца

§ где Р - сила, действующая в сопряжении кулачок-ролик;

Е - модуль упругости (зависит от материала); |§ Ь - ширина ролика;

К3 - радиус скругления профиля кулачка. Ц Для обеспечения высокой экономичности и минимальной токсичности отработавших газов топливная аппаратура должна обеспечивать впрыск топлива под высоким давлением (60-80 МПа) и минимальной продолжительностью (8 -10 градусов поворота вала насоса). При этом нагрузка на детали насоса и форсунок должна лежать в пределах, обеспечивающих их надежность и долговечность (не менее 10 тыс. ч.). ч

Ц При интенсификации процесса впрыска нагрузка на привод насоса резко возрастает, что ускоряет износ пары «кулачок-ролик» и направляющей толкателя. Ш Целью данной работы является расчетное определение нагруженности привода насоса высокого давления при работе с повышенными цикловыми подачами топлива. Расчетные исследования выполнялись по методике [1], которая ¡позволила оценить влияние радиуса скругления профиля кулачка и момента ¡геометрического конца нагнетания (ГКН) от пика скорости (ОЬ^) на интенсивность впрыскивания и нагруженность привода.

Ц- Задачей исследования было получение различной интенсификации процесса впрыска топлива при допустимых нагрузках в приводе насоса высокого давления.

2. Влияние параметров привода насоса на его нагруженность и интенсив-юность впрыска

Расчеты выполнялись для топливной системы (ТС) с насосом высокого давления 6ТН9хЮТ и форсункой 6А1 (Алтайдизель).

Основные параметры ТС: диаметр и ход плунжера- 9010 мм; цикловая подача - 145 мм3; частота вращения кулачкового валит на номинальном режиме -16 с4; тип профиля кулачка - тангенциальный; радиус начальной окружности кулачка (Д4) -16 мм; длина и внутренний диаметр топливопровода высокого давления - 900 мм, 2 мм; тип нагнетательного клапана - перьевой; диаметр нагнетательного клапана - 6 мм; разгрузочный объем нагнетательного клапана - 80 мм3; максимальное эффективное проходное сечение распылителя ~ 0,30 мм2.

На рисунке 1 показана схема сил, действующих в паре тангенциальный кулачок - цилиндрический ролик. Для серийного кулачка с радиусом скругления равным 4,8 мм подача топлива заканчивалась за 0,1 - 0,5 мм до пика скорости.

Рисунок 1. Схема сил, дейсгвунхщгсв кинематической паре "кулачок-рошис" О - ада, действующая на направляющую толкателя; О - сила, действующая поосн ра; Р- сада, дейсгоунщая в сопряжении кулачок-ролик; м-угол, при югором скорость плунжра мшсстшхьна; Ш - радиус ролика толкателя; Ш - радиус скрушешш кулачка.

0 5 10 15 20 25 30 35 W 45 50 55 60 65 m 65 60 55 50 të W 35 30 25 20 15 10 5 0

В M T.

Рисунок 2. Характер изменения перемещения, скорости плунжера и контактных напряжений в паре "кулачок-ролик'' от угла поворота вала насоса (пн=16 с-1, ян = 145 ммЗ): Сп - скорость плунжера; Ьп - ход плунжера; к - контактные напряжешш в

паре кулачок-ролик

Ц; Если принят, что при положении плунжера в НМТ еготорец находится у нижней кромки йвпускного отверстая, то геометрическое начало нагнетания начнется после закрытая ог-¡¡¡| версшя диаметром 3 мм При ходе плунжера 10 мм рабочий ход плунжера £$дег сосгав-^ лягь 7 мм. Для обеспечения интенсивною впрыска топлива скорость плунжера на участке ¡¡¡§Р нагнетания должна быть максимальной. Для серийной регулировки насоса максимальное

щШ

11 значение пикасюросга достигает 34,65 градуса от начала подъема плунжера. Ход плунже-ра при этом будет составлять 5,5 мм от НМТ плунжера Д анное положение плунжера с МШ максимумом сюрости принимаем за начало отсчета (нуль). Для оценки влияния геомегри-

fjtfc рисунке 2 показано изменение хода плунжера (hn)> скорости плунжера ÉI(G ) и контактных напряжений (sk) в паре «кулачок-ролик» от момента начала ¡¡¡¡подъема ПЛунжера до ВМТ профиля кулачка. Начало впрыска топлива форсун-J кой должно осуществляться за 36 градусов до ВМТ кулачка. С учетом запаз-Щдывания впрыска геометрическое начало нагнетания (jnQî) начинается примерено за 40 градусов до ВМТ кулачка.

W0-

-0А

200-0,

чесгого гонца нагнетания (ГКН) введем параметр который характеризует ход плунжера в мм от пика сгоросги до ГКН (до мшенга перехода ролика на участок с радиусом Кз). Завершение подачи топлива до пика скорости принимается со знаком «плюс», после -со знай»,! «минус». Изменением величин и К^ исследовалось их влияние на интенсивность впрыска (Рфгтхо8)ишгруженносгь привода^,

Варьирование величиной при одном и том же значении ДЬ^, позволило сравнивать параметры процесса впрыскивания при равном удалении геометрического конца нагнетания от момента перехода на участок с профилем К, который является наиболее напряженным. Серия расчетов для различных значений величины ДЪ^ проводилась с целью построения зависимостей параметров топливоподачи и нагруженности привода при постоянном радиусе Изменение ДЬт£ в диапазоне от 2,0 мм до -2,0 мм представляет собой область возможных регулировок топливоподающей системы.

50 46

42

38

34

р( ' (ртах-

2,0 15 1,0 0,5 0 ч0,5 -1,0 -15 -2,0

11

дц~145 мм МО мм сЬ=9 мм

Рисунок 3. Влияние ДЬ^ иГ^ на интенсивность процесса впрыска топлива

На рисунке 3 показано влияние параметров 011Ш1 и радиуса скругления на процесс впрыска топлива у форсунки. Если проанализировать работу топливоподающей аппаратуры по этим графикам при серийной комплектации и регули-5

ровке (Из = 4,8 мм, ДЬгкн = 0,1 - 0,5 мм) то можно отметить следующее:

- величина максимального давления топлива перед распыливающими отверстиями (Р^) находиться в переделах 36 - 40 МПа и при продолжительности впрыскивания (ц^ равной 12-13 градуса по углу поворота вала насоса;

- уменьшение радиуса ^ приводит к значительному росту давления Р7фпт, что объясняется большими значениями средней скорости плунжера за время активного хода;

- продолжительность впрыскивания снижается по углу поворота вала насоса, по причине возросших давлений перед распыливающими отверстиями;

к - по мере увеличения количества топлива поданного с падающими скоростями (отрицательные значения ДЬ^) величина Р'фюах начинает снижаться, особенно при малых значениях

ш

-т й

20 1.5 1.0 0.5 0 -0.5 -10 -1.5 -2.0Мь* мм

■

ш в

Рисунок 4. Влияние ДЬпа1 иК^на нагруженность привода насоса высокого давления

К

На рисунке 4 показано влияние параметра ДЬтг и радиуса округления на нагруженность привода. Для серийной комплектации и обеспечения заданной цикловой подачи величина максимальных контактных напряжений в паре «кулачок-ролик» (5ии) не превышает 1700 - 1800 МПа, а максимальные удельные давления на направляющую толкателя {цнш1) 8-9 МПа.

Из анализа рисунков 3 и 4 следует, что интенсивный впрыск обеспечивается при максимальной скорости нагнетания, которая обеспечивается в зоне пика скорости и малой величины Давление Рфтах более 46 МПа, а продолжительность впрыскивания ,}Е менее 12 градусов поворота валика насоса. Но при данных параметрах впрыска топлива значения $ктж и дцпцк достигают, соответственно, 2800 МПа и 12,5 МПа. Для обеспечения долговечности привода насоса [зктах] и [Чйпшх] не должны превышать 2000 - 2200 МПа и 10 - 11 МПа. За начало появления дефекта в приводе насоса принимается разрушение поверхности контакта площадью не менее б мм2. Для уменьшения увеличивают длину линии контакта между кулачком и роликом, применяют более прочные материалы. Замена прямых фасок на закругленные снижает контактные напряжения в 1,8 раза [2]. Для равномерного распределения напряжений в паре «кулачок-ролик» рекомендуется бочкообразный плавающий профиль ролика.

ж

Н

150

100

Рпц

в 4

2 4 6 8 10 Из, мм

Рисунок 5. Зависимость Р и Рг>) от величины ^

... Для надежной работы привода необходим постоянный контакт в паре «кулачок-ролик». Если силы инерции (Р.) больше силы пружины (Р^, то возникает ¡Ьтрыв ролика от толкателя. На рисунке 5 показана зависимость Р. и Р^ от . величины При ^ менее 3,5 мм начинается отрыв ролика от толкателя. От-Щыв ролика исключается установкой пружины с большей жесткостью. Ь На рисунке 6 представлены зависимости величины хода плунжера, соответствующие геометрическому началу нагнетания (Ъ^), от величины радиуса ¿для различных регулировок Для серийной комплектации и регулировки величина Ьпм находится в пределах 2,5 - 2,7 мм от начала подъема плунжера. % Характер изменения Ьпш в зависимости от ^ линейный. Величина определяется при конкретных значениях радиуса К, и величины при условии сохранения заданной продолжительности впрыскивания. | У исследуемого насоса диаметр впускного окна равен 3 мм. Если принять допустимое перекрытие окна равным 1 мм, то ограничение по допустимой величине подъема плунжера до геометрического начала нагнетания (ограничение по Ьпш) будет [Ьпо[1 { 2,0 мм.

Для доводки и совершенствования топливной аппаратуры рекомендуется применение совмещенного графика - [3], который позволял бы выбирать конструктивные и регулировочные параметры привода насоса в зависимости от требуемой интенсификации процесса впрыска топлива и допустимой нагруженнос-ти привода.

Ь Для построения совмещенного графика вводятся следующие ограничения:

- ограничение по Ьпп! (допускается перекрытие впускного окна кромкой плунжера до 1 мм при наполнении топливом надплунжерного пространства);

- ограничение по расположению геометрического конца нагнетания (1>Ьгки) на участке профиля с радиусом

Ц - ограничение по усилию пружины плунжера (Р^) при максимальной частоте вращения валика насоса на холостом ходу;

- ограничение по максимальным контактным напряжениям в паре «кулачок-ролик» ([б^] = 2200 МПа).

§ - ограничение по допустимому максимальному давлению на направляющую толкателя - Га ] = 11 МПа.

'-"кшах-1

к На рисунке 7 показан совмещенный график с ограничениями по \т, Рдр, 5юпах, позволяющий оценить влияние и БЬ^ на значение продолжительности впрыска топлива для цикловой подачи 145 мм3. На рисунке показаны зоны серийных и возможных регулировок. Результаты расчетов оформлены в координатах ОЬ ет[ и Я3.

Кривые с кружочками представляют собой лини равных максимальных удельных давлений. Штриховыми нанесены линии равных максимальных контактных напряжений в паре «кулачок-ролик». Кривые с треугольниками - линии одинаковой продолжительности впрыскивания.

пш т

55'

50

4.5

4.0 3.5 20 2,5 2.0 1,5

О " - -/м \

-15 им \ \ \

•40 мм V \ } \ ! 5 1

\ \ \ } \ ! \

-0,5 мм\ | \ 1 \ \ \ \

От р. Л 1 \ 1 \ \ \ \

¡25 мм 10 мм ......... > \

] 15 мм { > От тчен \! \ \ ' \ \ м \ ив ПО&гт \

\ \ \ \

\ \[ о

■л

Ч

4 6 8 Ю т

Рисунок 6. Зависимость геометрическогоначала нагне-тання от величины радиуса

скруглешш профиля кулачка К

№ 3, 2005 г.

О Заштрихованное шле на графике определяет обтастъ зншений гонетрукгивньк и регупхь роточшлхп^амегрсвхриобхпечениинас 145мм3прип

=950об/мин. Награфике видно, чгогдос^ийнойьомплегаациинасосюй^ . парой 9x10 мм, кргаисм с 1Ц = 4,8 мм, при регулировке ДЪ^ -0,1-0,5 мм выполняется требованиешцикловойподаче^

:С продолжительностью впрыска ц,=12 -13 градуса поворота вала насоса (зона 1 нарисунке |7). При зпом величина шатакгаых напряжений в паре <<кугшок-ропик>> и допустимых цельных давлений на направляющую толкателя наедятся в приемлемых границах.

Ш-

Цц=%5 им' Ы=10 мм М мм

I 7 - зона серийных регулировок I 2 - зона возможных регулировок

о.......о

2 3 4 5 6 7 8 9 #1 мм

линии родных максимальных удельных давлений линии одинокодой продолжительности дпрыскидония .........линии родных максимальных контактных напряжений

Рисунок 7. Совмещенный график возможных комплектаций привода насоса высокого

давления

Из анализа того же графика сделан вывод, что можно скомплектовать насосную секцию с обеспечением продолжительности впрыскивания = 11 —12 градусов поворота вала насоса при значениях Р'^ = 43 - 45 МПа. В этом случае значения у и qimax вполне допустимы (зона 2 на рис. 7), такая интенсификация впрыскивания возможна при R^ = 4 мм и ДЬ^ =-1 ч -1,3 мм.

ВЫВОДЫ

1. Расчеты показали, что для форсированного дизеля требуемую цикловую подачу 145 мм3 может обеспечить насосная секция с диаметром и ходом плунжера, соответственно, 9 и 10 мм. При этом максимальное давление перед рас-пыливающими отверстиями и продолжительность впрыскивания будут соответственно 36-40 МПа и 12 - 13 градуса поворота валика насоса при допустимых нагрузках на приводе.

2. Для выбора требуемой интенсификации процесса впрыскивания топлива разработан совмещенный график возможных комплектаций привода насоса высокого давления (НВД).

3. Используя совмещенный график можно выбрать требуемую интенсификацию процесса впрыска топлива при допустимых нагрузках в приводе НВД.

ЛИТЕРАТУРА

1. Метод оптимизации параметров плунжера топливного насоса/ И.В. Астахов и др. - М.: Труды МАДИ, 1977. - С. 50 - 56.

2. Развитие и совершенствование конструкций топливной аппаратуры современных автомобильных дизелей/ М.В. Мазинг - М.: НИИАВТОПРОМ, 1981.

-52 с.

3. Отчет о научно-исследовательской работе «Повышение экономичности и надежности топливных систем дизелей семейства АМПО»/ В.А. Комаров -Павлодар.: № гос. per. 01.830074215, 1983. - 72 с.