CC BY
99
УДК 621.43.03.001.4
теоретическая оценка влияния дизельного смесевого топлива на износ плунжерных пар тнвд
Уханов Александр Петрович, доктор технических наук, профессор;
Уханов Денис Александрович, доктор технических наук, профессор ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия», тел.: (8412) 62-85-17, E-mail: [email protected]
Ротанов Евгений Геннадьевич, старший преподаватель преподаватель, Технологический институт-филиал ФГОУ ВПО «Ульяновская ГСХА»,
433511, г. Димитровград, ул. Куйбышева, 310, тел. 8(84235) 7-37-61 Тел.: 89084875242, E-mail: [email protected]
Ключевые слова: плунжерные пары, износ, дизельное смесевое топливо. Предложена методика теоретической оценки абразивного износа плунжерных пар, позволяющая определить ресурс плунжерных пар при использовании дизельного смесевого топлива с разным содержанием рапсового масла.
Надежная работа дизеля во многом зависит от степени износа узлов и агрегатов топливной аппаратуры. Наиболее подвержены износу прецизионные узлы топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунок.
Экологические стандарты, применяемые к качеству минерального (нефтяного) дизельного топлива (ДТ), предусматривают низкое содержание в нем серы. Однако в процессе технологического удаления серных примесей в топливе уменьшается процентное содержание соединений, отвечающих за его смазывающие свойства. Пониженные смазывающие свойства минерального ДТ приводят к повышенному износу плунжерных пар и других прецизионных сопряжений топливной аппаратуры.
Альтернативным моторным топливом является дизельное смесевое топливо, состоящее из минерального топлива и рапсового масла (РМ), трибологические, физические и химические свойства которого способны обеспечить эффективное смазывание прецизионных пар дизельной топливной аппаратуры. Влияние смесевого рапсово-минерального топлива на техникоэкономические и экологические показатели дизеля достаточно изучено в нашей стране и за рубежом [1], в то время как влияние состава такого топлива на износ плунжерных
пар мало изучены.
Большинство исследователей считает, что плунжерные пары подвергаются абразивному износу частицами механических примесей [2]. Так как в растительно-минеральном топливе также не должно содержаться механических примесей, будем считать, что количество абразивных загрязнений в смесевом и минеральном топливах одинаково.
Процесс абразивного износа плунжерных пар происходит следующим образом [3]. При нагнетании топлива под действием давления втулка плунжера расширяется, при этом увеличивается окружной зазор. При наполнении надплунжерного объема давление топлива практически отсутствует, деформации плунжера и втулки минимальны и попавшие ранее в увеличенный зазор «плунжер-втулка» абразивные частицы защемляются в нем. При этом плунжер как бы «выдергивается» из заклинивших его частиц, которые оставляют следы на поверхности плунжера и втулки.
Загрязняющие механические примеси условно подразделяют на три размерные группы (рис. 1): группа А - частицы, имеющие размер меньший или равный зазору между плунжером и втулкой (эти частицы свободно проходят в зазор и влияют на износ, когда плунжер прижимается к одной
стороне втулки); группа Б - частицы, имеющие размер немного больший зазора между плунжером и втулкой (такие частицы попадают между плунжером и втулкой вследствие деформации втулки под действием высокого давления во время нагнетания топлива, заклиниваются при обратном ходе плунжера, нанося наибольший абразивный ущерб); группа В - частицы, имеющие размер больший, чем зазор между плунжером и втулкой (такие частицы не попадают в зазор и практически не влияют на абразивный износ).
Рис. 1. Модель износа плунжерных пар ТНВД: а - плунжер не движется; Ь - нагнетание топлива; с - обратный ход плунжера
Размер абразивного зерна и поверхностная твердость материала наряду с давлением и трение играют важную роль в механизме износа. Допустим, что абразивное зерно имеет круглую форму, а втулка и плунжер движутся относительно абразивного зерна. Массовый абразивный износ,
кг' О = УКпрЛ
(1)
где V - объем удаленного материала с поверхности трения одной абразивной частицей, м3; К - число абразивных частиц, попадающих в зазор за один ход плунжера; п - количество ходов плунжера в час; рм -плотность материала плунжерной пары, кг/ м3; t - время работы плунжерной пары, ч.
Абразивное зерно внедряется одновременно в плунжер и втулку плунжерной пары, закрепляется на одной из поверхностей и прорезает канавку на другой поверхности трения (рис. 2).
Рис.2. К определению объема удаленного материала при образовании царапины на поверхности трения: h - глубина внедрения абразивной частицы; I - путь частицы^ - сила, действующая на абразивную частицу при сжатии втулки плунжера; N - сила, действующая на абразивную частицу при движении плунжера со скоростью V; Я - радиус абразивной частицы
Объем удаленного материала, м3, при образовании царапины на поверхности трения 7/ - съ
® , (2) где S-площадь сегмента окружности внедренного участка частицы, м2; 1пак - путь трения, м.
Площадь сегмента окружности внедренного участка частицы
где R - радиус абразивной частицы, м; h - глубина внедрения абразивной частицы, м.
Предварительные расчеты глубины внедрения частицы по методике Коновалова A.B., Пичугина В.Ф., Елагиной О.Ю. [4] показали, что абразивная частица размером до 10 мкм под давлением, действующем на частицу при сжатии втулки плунжера (во время обратного хода плунжера), внедряется в поверхность плунжера и втулки до тех пор, пока зазор между плунжером и втулкой не достигнет первоначального значения. отсюда следует, что глубина внедрения, м, абразивной частицы зависит только от зазо-
ра и радиуса попавшей в зазор частицы:
Н = Я-\, (4)
где 5 - зазор между плунжером и втулкой без влияния давления на втулку, м;
Подставив в формулу (3) вместо Л выражение (4), получим:
8
х 2 - - 2 + —
V V я
я -д
4
(5)
м2
Диаметр ё абразивного зерна, попавшего в зазор, зависит от величины зазора между плунжером и втулкой 5, из чего следует: і = д.
При увеличении вязкости топлива увеличивается диаметральный зазор пары 5 на величинуД5, при этом некоторый процент частиц из группы В переходит в группу Б (рис.1), увеличивая абразивный износ. Увеличение зазора Д5 рассчитывают по методике расчета толстостенных цилиндров академика А.В.Гадолина:
(6)
где Е - модуль упругости, принимаем Е=2х1011, Па; Рп - давление в надплунжерной полости, Па; Рн - наружное давление, Па; гн и гв - соответственно наружный и внутренний радиусы втулки плунжера, м; ц — коэффициент Пуассона для материала втулки.
Давление в надплунжерной полости,
Па,
Рп=Р»+Рч + Р., (7)
где Р - потери давления по длине в нагнетательном трубопроводе, Па; Рц - давление газов в цилиндропоршневой полости, Па; Рв - давление начала впрыска, Па.
С повышением концентрации рапсового масла в смесевом топливе увеличиваются потери давления по длине в нагнетательном трубопроводе [5]:
■»2
п
і5
тп
(8)
ского трения; Ц - расход топлива во время движения плунжера, м3/с; р - плотность топлива, кг/м3; 1тп - длина топливопровода высокого давления, м; ётп - внутренний диаметр топливопровода высокого давления, м.
Анализ формул (6 - 8) показывает, что при увеличении концентрации рапсового масла в смесевом растительно-минеральном топливе увеличивается диаметральный зазор, что ведет к увеличению количества и диаметра абразивных частиц, попадающих в зазор между плунжером и втулкой. При этом увеличивается сила, действующая на частицу, зажатую между плунжером и втулкой при обратном ходе плунжера, следовательно, должен увеличиться абразивный износ плунжерной пары.
Но анализ химического состава рапсового масла показывает, что в рапсовом масле содержится значительное количество органических поверхностно-активных веществ, в частности, олеиновых кислот [1]. Поверхностно-активные вещества способствуют образованию на поверхности трения защитной пленки, значительно снижающей нагрузки на материал детали, что в результате приводит к уменьшению износа [6].
Толщина адсорбционной пленки поверхностно-активных веществ влияет на размер зазора и увеличивает объем каждой абразивной частицы.
При увеличении концентрации рапсового масла увеличивается и толщина адсорбционной пленки поверхностно-активных веществ, которой покрывается поверхность втулки и плунжера. Этой пленкой также обволакиваются и абразивные частицы, что увеличивает их размер.
Максимальный размер абразивных частиц, м, проходящих в зазор (рис. 3)
й = 8 + А8- иа1 - иа2 - и, ,(9)
где 5 - кольцевой зазор между плунжером и втулкой, м; и^ - толщина абсорбционной пленки на плунжере, м; иа2 - толщина абсорбционной пленки на втулке, м; Ц - толщина адсорбционной пленки, покрывшей абразивную частицу, м.
где
-
коэффициент гидравличе-
Рис. 3. Схема сопряжения плунжер-втулка
Обычно плунжер и втулку изготавливают из одинакового материала, поэтому можно считать, что ил1 = иё2 .Толщина адсорбционной пленки, м, поверхностно-активных веществ в топливной смеси [6]
и, = —10~2
(10)
где Г - максимальная адсорбция; М
- молекулярный вес адсорбируемого вещества, г/моль; ра - плотность адсорбируемого вещества, кг/м3.
Величину максимальной адсорбции компонента на единицу поверхности адсорбента определяют по формуле [6]: и{с°~с)
"1А„. ’ (И)
где и/-общий объем раствора, м3; С;° и С1 - соответственно концентрации исходного и равновесного растворов, кг/м3; ms
- масса адсорбента, кг; Буп - удельная поверхность адсорбента, м2/кг.
При изменении вязкости количество дизельного топлива, просачивающегося между плунжером и втулкой, изменяется, следовательно, изменяется количество абразивных частиц, попавших в зазор вместе с топливом. Количество топлива, м3/с, просочившегося в зазор, определяют по уравнению Гагена-Пуазейля [5]:
0_^еЛРп~Рг)
12т]р1 ’ (12)
где с/ет - диаметр втулки, м; Рг - давление в головке топливного насоса, Па; р -плотность топлива, кг/м3; I - длина щели в направлении утечек, м.
Количество абразивных частиц, проходящих в зазор за один ход плунжера:
к и>„Є‘(Р,-Р.)
12т]р1
кг •10і
где к - число абразивных частиц в 1 мл; т - время активного хода плунжера, с
Число частиц можно определить тур-биметрическим методом анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями [7], размер частиц не должен превышать расчетного размера d.
Абразивный весовой износ от внедрения частиц в поверхность трения и ее перемещения
(14)
Расчеты, выполненные по выше изложенной методике, показали (рис. 4), что суммарный массовый износ за 6000 часов работы плунжерной пары при температуре 30°С на смесевых топливах с увеличением содержания рапсового масла резко снижается до концентрации рапсового масла в топливе 50%, после чего начинает плавно возрастать до тех пор, пока концентрация рапсового масла не достигнет 70%. Далее, с увеличением содержания рапсового масла в смесевом топливе, массовый износ не изменяется. Из чего следует, что использование дизельного рапсово-минерального топлива позволяет значительно снизить износ плунжерных пар (Расчеты проводились по параметрам плунжерных пар марки 4-УТНМ 1111410-01, с кольцевым зазором 1 мкм).
Рис. 4. Зависимость суммарного массового износа от процентного содержания в смесевом топливе рапсового масла
Представленная методика позволяет рассчитать ресурс плунжерных пар при работе на дизельном смесевом топливе в зависимости от концентрации в нем рапсового масла.
Библиографический список
1. Уханов, А. П. Рапсовое биотопливо: Монография / А. П. Уханов, В. А. Рачкин, Д. А. Уханов // Пенза: РИО ПГХСА, 2008. - 229 с.
2. Костецкий, Б.И. Износ плунжерных пар насосов / Б.И. Костецкий и др. // Механизация и электрификация социалистического хозяйства. - 1973. - №12. - С. 35 - 36.
3. Уханов, Д.А. Теоретическая оценка влияния рапсово-минерального топлива на износ плунжерных пар топливных насосов / Д.А. Уханов, Е.Г. Ротанов // Сб. материалов Всероссийской науч.-практ. Конф., Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России. - Пенза: РИО ПГСХА, 2009. - С. 9 - 10
4. Коновалов, А.В. Методика выбора сталей для их использования в условиях
скольжения по закрепленному абразиву / А.В. Коновалов, В.Ф. Пичугин, О.Ю. Елагина // РГУ нефти и газа им. И.М. Губкина. Нефтегазовое дело, 2004 http://www.ogbus.ru
5. Артемьева, Т.М. Гидравлика, гидромашины и гидропневмопривод: /Т.В. Артемьева, Т.М. Лысенко, А.Н. Румянцева, С.П.Стесин ; под ред. С.П.Стесина. -М.: Издательский цент «Академия», 2006. - 336 с.
6. Абразмон, А.А. Поверхностно-активные вещества / А.А. Абразмон. - Л.: Химия, 1981. - 300 с.
7. Уханов, А.П. Теоретическая оценка турбиметрического метода анализа загрязненности дизельного топлива водой и механическими примесями / А.П. Уханов, Ю.В. Гуськов, И.Н. Калячкин // Повышение эффективности использования автотракторной и сельскохозяйственной техники: Межвуз. сб. науч. трудов XVI региональной научно-практической конференции вузов Поволжья и Предуралья. - Пенза: РИО ПГСХА, 2005. - С. 33 - 37.
УДК 631.363, УДК 621.646.7
результаты экспериментальных исследований дозатора-смесителя концентрированных кормов
Фролов Николай Владимирович, кандидат технических наук, профессор кафедры «Механизация и технология животноводства»
446442, Самарская область, Кинельский район, пос. Усть-Кинельский, ул. Спортивная 13, кв. 8.
Мальцев Виталий Сергеевич, аспирант
кафедры «Механизация и технология животноводства»
443541, Самарская область, Волжский район, с. Рождествено, ул. Центральная д. 19, кв. 2.
ФГОУ ВПО «Самарская государственная сельскохозяйственная академия»
Mail: [email protected]
Ключевые слова: дозатор-смеситель, равномерность смешивания, равномерность дозирования, производительность, мощность, энергоёмкость, основная воронка, спиральные направляющие.
Представлены результаты экспериментальных исследований дозатора-смесителя, в частности, зависимости качества смешивания и производительности от конструктивно-технологических параметров устройства.
