Повышение долговечности распределительных топливных насосов высокого давления путем модернизации

Размещено на http://www.allbest.ru

На правах рукописи

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ПОВЫШЕНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ РАСПРЕДЕЛИТЕЛЬНЫХ ТОПЛИВНЫХ НАСОСОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ПУТЕМ МОДЕРНИЗАЦИИ

05.20.03 - Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

Иванов Владимир Андреевич

Москва 2011

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Чувашская государственная сельскохозяйственная академия».

Научный руководитель:

кандидат технических наук, профессор Кулаков Михаил Михайлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Юдин Владимир Михайлович

кандидат технических наук, доцент Корнеев Виктор Михайлович

Ведущая организация:

ФГОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет им. Н.И. Вавилова»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский пр., д.1.

Ученый секретарь

диссертационного совета Соловьёв Р.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Технико-экономические и экологические показатели автотракторных дизелей во многом определяются техническим состоянием и качеством работы основных элементов топливного насоса высокого давления (ТНВД). В процессе эксплуатации ТНВД вследствие износа деталей нарушаются регулировочные параметры, которые приводят к постепенным отказам топливных насосов. Исследования показали, что до 40% отказов тракторов происходят из-за неисправности топливной аппаратуры. плунжерный топливный насос давление распределительный

Основными элементами ТНВД, от которых главным образом зависит его работоспособность, являются прецизионные пары: плунжерные и нагнетательные клапаны. Уровень их надежности определяется конструктивными, технологическими и эксплуатационными факторами. Исследованиями ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА» установлено, что по причине конструктивно-технологического несовершенства, низкого качества сборки и нарушения правил эксплуатации интенсивность поступления на ремонтные предприятия ТНВД НД-21 в 1,7 раза выше, чем НД-22. Тем не менее ТНВД НД-22 не нашел широкого применения у сельскохозяйственных товаропроизводителей из-за высокой стоимости ремонта, что привело к накоплению их ремонтного фонда в ремонтных предприятиях. Между тем за последние годы резко сократился парк исправных машин у сельскохозяйственных товаропроизводителей, что также способствовало накоплению неработоспособных ТНВД и у них.

Установлено, что до 50 % прецизионных пар ТНВД распределительного типа, поступивших на ремонтные предприятия, имеют остаточный ресурс, в отдельных случаях соизмеримый с межремонтной наработкой.

В связи с этим научные исследования, направленные на повышение долговечности распределительных ТНВД из имеющегося ремонтного фонда, являются актуальными и имеют научную и практическую значимость.

Диссертационная работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА» и согласовывается с положениями «Стратегии машинно-технологического обеспечения производства сельскохозяйственной продукции России на период до 2010г.», одобренной научной сессией Россельхозакадемии 13-14 октября 2003 г. и утвержденной Минпромнауки России, Минсельхозом России и Россельхозакадемией.

Цель работы - повышение ресурса распределительных топливных насосов высокого давления методом создания ремонтных деталей и использования неизношенных участков деталей плунжерной пары.

В связи с поставленной целью решались следующие задачи:

- выполнить статистический анализ технического состояния плунжерных пар ТНВД распределительного типа;

- исследовать влияние износа плунжерных пар на регулировочные характеристики ТНВД;

- теоретически и экспериментально обосновать способ восстановления работоспособности ТНВД путем модернизации для продления их ресурса;

- разработать технологические рекомендации по восстановлению работоспособности ТНВД распределительного типа путем модернизации;

- оценить технико-экономическую эффективность применения результатов исследований в производстве.

Объект исследований: двухсекционные топливные насосы высокого давления распределительного типа НД-22/6 дизеля, утратившие работоспособность по критерию минимума пусковой подачи топлива.

Предмет исследований: закономерности изменения характеристик ТНВД в зависимости от износа плунжерных пар, технологии восстановления работоспособности ТНВД распределительного типа и ресурс их работы.

Методика исследований. Методологической основой исследований является теория потенциала работоспособности машин, разработанная проф. Дехтеринским Л.В., дополненная положением, в соответствии с которой возможность восстановления работоспособности обусловлена наличием скрытой части активного потенциала, которая реализуется путем модернизации конструкции.

В качестве основных методик в теоретических исследованиях применялись системные исследования (системный подход и системный анализ), логика научных исследований, положения теории надежности и теории вероятностей, математическое моделирование. Экспериментальные исследования проведены с применением теории планирования экспериментов с использованием методов математической статистики, статистического и регрессионного анализа, современных приборов и вычислительных средств.

Научную новизну результатов исследования представляют:

- аналитические зависимости и математические модели для оценки технического состояния плунжерных пар распределительного ТНВД НД-22/6 по величине износа в характерных участках и найденные технические решения для использования неизношенных участков как скрытого потенциала работоспособности;

- способ восстановления работоспособности распределительных ТНВД путем модернизации для продления их ресурса (патент на изобретение № 2331787 и патент на полезную модель № 74168).

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается: применением средств измерения параметров топливоподачи высокого давления, использованием средств испытаний ТНВД и сопоставлением полученных данных и зависимостей с результатами прямых измерений, результатами теоретических и экспериментальных исследований, результатами производственных испытаний модернизированного насоса.

Практическая значимость работы заключается в разработке методики выявления и реализации остаточного ресурса плунжерных пар распределительного ТНВД, а также в разработке и применении в ремонтном производстве технологии повышения долговечности распределительных ТНВД путем модернизации.

Реализация результатов исследований. Разработанные организационно-технологические мероприятия по повышению долговечности ТНВД распределительного типа дизелей методом ремонтных деталей при их модернизации применены в ОАО «Моргаушскагропромтехсервис» Чувашской Республики, в ряде хозяйств Чувашской Республики, а также используются в учебном процессе в ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА».

Апробация результатов исследования. Основные положения диссертации докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ФГОУ ВПО «Чувашская ГСХА» (2003…2010 г.г.); на научно-практической конференции СПГАУ в 2005г.; на Международной научно-технической конференции «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей», ГНУ ГОСНИТИ, 2008 г., 2009 г. и 2011 г.

Положения, выносимые на защиту:

- аналитические зависимости и математическая модель для оценки технического состояния плунжерных пар распределительного ТНВД НД-22/6 по величине износа в характерных участках и найденные технические решения для использования неизношенных участков как скрытого потенциала работоспособности;

- результаты теоретических исследований влияния износов деталей плунжерной пары на величину утечек топлива;

- результаты экспериментальных исследований модернизированных ТНВД;

- результаты производственных испытаний, применения и технико-экономической оценки результатов исследований.

Публикации. Результаты теоретических и экспериментальных исследований отражены в 11 печатных работах, из которых 2 работы опубликованы в журналах, рекомендованных ВАК Федерального агентства по образованию РФ, и 2 патента РФ на изобретение.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и рекомендаций, приложений, списка литературы из 149 наименований. Общий объем диссертации составляет 176 страниц, в том числе на 161 странице изложен основной текст с 64 рисунками и 27 таблицами.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, выделены объект и предмет исследований, приведены научные и практические результаты с указанием новизны, а также представлена структура работы.

В первой главе «Состояние вопроса» приведены проблемы недоиспользования ресурса изделий в эксплуатации и при ремонте, показатели технического уровня ТНВД, сравнительный анализ топливных насосов автотракторных дизелей и факторы, влияющие на работоспособность плунжерных пар, и анализ причин их отказов. Дан анализ характера износа по участкам и в зонах «запирания» плунжерной пары распределительного типа и существующих способов их восстановления, выявлена низкая эффективность применения традиционных технологических приемов восстановления. В связи с этим в современных условиях наиболее эффективным, по мнению отечественных и зарубежных исследователей, считается применение вторичного сырья или изыскание возможности повторного использования бывших в эксплуатации изделий для продления их ресурса и получения экономической выгоды. В этом направлении работали и немалый вклад внесли Селиванов А.И., Антипов В.В., Астахов И.В., Бахтиаров Н.И., Власов П.А., Загородских Б.П., Крутов В.И., Кулаков М.М., Лышевский А.С., Николаенко А.В., Свиридов Ю.Б., Файнлейб Б.Н. и др. В настоящее время проблема восстановления работоспособности для повышения долговечности машин, агрегатов и узлов не утратила актуальности, наоборот, приобрела практическую значимость, в особенности, у сельскохозяйственных товаропроизводителей.

Таким образом, повышение долговечности распределительных топливных насосов высокого давления путем модернизации с использованием ремонтного фонда для ремонтных предприятий и сельскохозяйственных товаропроизводителей является научно обоснованной и практически значимой работой.

Во второй главе «Теоретическое исследование механизма «запирания» в нагнетательной зоне плунжерной пары» приведено теоретическое обоснование возможности использования остаточного ресурса плунжерной пары распределительного типа, для чего:

- рассмотрены модели по определению утечек топлива через локальные участки износа распределительной плунжерной пары в такте нагнетания;

- определены площади микроканалов износа на деталях плунжерной пары в поперечном сечении;

- определены режимы течения жидкости и величины утечек топлива в зазорах между сопрягаемыми деталями в зависимости от фазового (углового) положения участков износа этих деталей (плунжер, втулка и дозатор);

- определены координаты расположения локальных участков износа в поперечных сечениях плунжерной пары.

Расход жидкости через местные участки износа плунжерной пары зависит от взаимосвязанных параметров: геометрических размеров участков износа, перепада давления, вязкости жидкости, взаимного положения деталей, образующих зазор, конфигурации зазора, режима течения жидкости, относительного движения сопрягаемых поверхностей, ограничивающих зазор.

Величины утечек и гидравлического сопротивления, профиль скоростей и максимальное значение скорости так же, как и характер траектории движения частиц жидкости в зазорах, зависят от режима течения жидкости (ламинарное или турбулентное), характеризуемого величиной числа Рейнольдса, которая определяется по общеизвестной формуле

,

где х- средняя скорость потока жидкости, м/с;

D_Г - гидравлический диаметр поперечного сечения канала, м;

н - кинематическая вязкость топлива, м²/с.

Параметр D_Г вводят для количественной оценки влияния формы сечения на потери напора:

;

где S - площадь поперечного сечения зазора, мм²;

ч -периметр смоченной поверхности, мм.

Среднюю скорость движения жидкости между сопрягаемыми поверхностями определяем из выражения полного давления:

где - статическое давление, Па;

Р_п - гидростатическое давление, Па;

Р_дн - динамическое давление, Па.

Гидростатическим давлением пренебрегаем в связи с его малостью относительно динамического давления. Поэтому откуда . Тогда для определения числа Рейнольдса получим следующее выражение:

(1)

Площади поперечного сечения местных каналов износа на торце плунжера и во втулке выше наполнительного окна определяем по уравнению окружности (рисунок 1).



а) сечения канала износа; б) положения точки В.

Рисунок 1 - Схема расположения износа и параметрические координаты для расчета

Положение точки В в параметрических координатах определяем по зависимостям:

где R - радиус окружности, мм;

h - величина износа, мм.

Площади заштрихованной части плунжера S_AВСDпл и втулки S_АВСDвт определяем соответственно по следующим зависимостям:

(2)

(3)

где S_АВСDпл, S_АВСDвт - площади износа в зоне нагнетания плунжера и втулки в поперечном сечении плунжера и втулки, мм²;

ц_пл1, ц_пл2, ц_вт1, ц_вт2- угол от начала участка износа плунжера или втулки и до конца этого участка износа в сечении, рад;

R_пл, R_вт - радиус плунжера и втулки соответственно, мм;

h _пл, h_вт - глубина изношенного участка плунжера и втулки, мм.

Для определения периметра смоченной поверхности воспользуемся формулой длины дуги окружности плунжера и втулки (рисунок 2).

а) с частичным совпадением изношенных участков; б) при полном совпадении неизношенного участка плунжера с изношенным участком втулки.

Рисунок 2 - Схема взаимного фазового (углового) положения участков износа на втулке и на плунжере

Имеем: Периметр смоченной поверхности изношенных участков в зоне нагнетания плунжера и втулки изменяется в зависимости от взаимного расположения сопрягаемых деталей. Участки износа на торце плунжера насоса НД-22 имеют одинаковую форму с числом, равным шести. Число участков износа втулки выше двух наполнительных каналов и расположены они со смещением по окружности сечения втулки. В положении рабочего хода зоны износа втулки и плунжера у серийных насосов располагаются друг против друга. Для выявления скрытой части остаточного ресурса плунжерной пары взаимное расположение изношенных участков изменяем на угол (от 0⁰ до 30⁰) или . При этом чередование фазового положения изношенных участков плунжера относительно наполнительного канала втулки получим из выражения:

б = 360/z = 360/24 = 15є,

где z = 24 число зубьев зубчатой втулки.

Тогда возможны следующие случаи:

- микроканалы износа плунжера и втулки совпадают, в=0⁰:

; (4)

- плунжер повернут на угол в=15⁰:

; (5)

- плунжер повернут на угол в=30⁰:

. (6)

С учетом приведенных зависимостей и изменения вязкости от колебаний температуры и давления формула (1) для определения числа Рейнольдса принимает вид:

; (7)

(8)

.(9)

Приведенные зависимости (7), (8) и (9) содержат величины ч₁, ч₂ и ч₃, которые изменяются при изменении фазового положения плунжера во втулке на угол в. Это свидетельствует об эффективности предложенного механизма «запирания» зон износа и снижении утечек топлива в модернизированной при ремонте плунжерной паре, поскольку коэффициент расхода дросселей с переменными проходными сечениями, согласно формуле Файнлейба Б.Н., связан с Re соотношением: , а величина утечек определяется соотношением:

(10)

где - площадь поперечного сечения канала местного износа, мм².

На рисунке 3 представлена зависимость изменения утечек жидкости через зоны износа у наполнительных окон втулки от числа Рейнольдса, технического состояния.

Из рисунка 3 следует, что при фазовом положении (угол в=0⁰), когда участки износа на втулке и плунжере совпадают, Re =1566.4 при глубине износа 0,003мм и 0,004мм (№ 3 плунжера и втулки соответственно) утечки составляют 16100 мм³ за одну минуту. При угле поворота в=30⁰ число Рейнольдса уменьшилось до 784,4, а утечки притом же техническом состоянии составили 8240 мм³. При других технических состояниях (таблица 1) с изменением фазового положения плунжера в утечки жидкости также изменяются в сторону уменьшения пропорционально величине износа плунжера.

Рисунок 3 - Изменение утечек жидкости от числа Рейнольдса, технического состояния сопряжений и фазового положения плунжера во втулке.

Получена математическая модель, описывающая изменение утечки топлива в зависимости от числа Рейнольдса и технического состояния плунжерной пары.

z =191,4574-55,0624*x-1,9991*y+3,9618*x*x+0,3991*x*y-0,0019*y*y (11)

Таблица 1 - Номера плунжерных пар по характеристикам пусковой подачи

Номер	Максимальная глубина износа в сечении 1, мм	Пусковая подача за цикл, мм3	Максимально развиваемое давление, МПа	Разряд технического состояния
	втулка	плунжер
№ 1	0,009	0,007	90	21,2	предельное граничное
№ 2	0,005	0,004	128	35,4	межграничное (предельным и допустимым)
№ 3	0,004	0,003	160	49,4	допустимое граничное
№ 4	0,002	0,001	210	65,4	начальное

Таким образом, с изменением фазового положения плунжера относительно наполнительных каналов втулки утечка топлива уменьшается до 2 раз, что позволяет восстанавливать работоспособность ТНВД и продлевать его полный ресурс.

По данным М.М. Кулакова значительное влияние на работоспособность ТНВД НД и на его полный ресурс оказывают плунжерная пара и привод дозатора, на которых приходится 31,4 и 23,5 % всех отказов.

Полный ресурс ТНВД за весь срок службы изделия определяется по формуле Ф.Х. Бурумкулова:

(12)

где - средние ресурсы детали до списания, а также её доремонтные и межремонтные ресурсы, мото-ч.; - среднее число ремонтов ТНВД за весь срок службы; - коэффициент вариации межремонтных ресурсов, ; е - погрешность оценки, е =0,05.

Следовательно, чем выше долговечность восстановленных деталей и среднее число ремонтов ТНВД, тем выше полный ресурс изделия.

В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» изложены программа и методика экспериментальных исследований, описаны экспериментальные установки и оборудование, применяемые приборы и устройства, методика обработки опытных данных. Исследования включали: статистический анализ технического состояния плунжерных пар распределительного ТНВД ремонтного фонда; определение износов плунжерных пар на оптиметре ИКВ и нутромере НИ, а также на кругломере типа КД; определение утечек топлива по зонам износа; определение факторов, влияющих на пусковую подачу при осуществлении технического решения по выявлению остаточного ресурса плунжерных пар распределительного типа; выбор варианта технического решения по восстановлению работоспособности и модернизации распределительного ТНВД дизеля; снятие характеристики впрыска топлива; ускоренные стендовые и эксплуатационные испытания восстановленных и модернизированных распределительных ТНВД.

Установлено, что ресурс плунжерной пары распределительного типа ограничивается износом в отдельных зонах: у втулки - возле наполнительных и распределительных отверстий, у плунжера - на верхнем торце, возле распределительных и отсечных каналов, у дозатора - в верхней части. В режиме работы серийной плунжерной пары эти зоны совпадают, что приводит к повышенным утечкам топлива.

Способом уменьшения этих утечек является относительное смещение зон износа втулки и плунжера, предварительно обработанных специальным образом для получения из них ремонтных деталей. Для осуществления способа предлагается модернизировать конструкцию ТНВД НД 22/6 путем установки двух последовательно соединенных плунжерных пар ремонтного фонда, причем первая пара только нагнетает топливо, а вторая - только распределяет. Данные функции обеспечиваются соответствующим изменением конструкции кулачкового вала, который снабжается стандартным кулачком от ТНВД НД 21/4, второй имеет постоянный радиус.

Работа модернизированного насоса (рисунок 4) происходит следующим образом: топливо через центральный канал первой плунжерной пары и через нагнетательный клапан поступает в центральный канал второй плунжерной пары, затем через распределительные каналы этой втулки подается к форсункам двигателя. Для уменьшения утечек в Рисунок 4 - Схема модернизации ТНВД НД-22. первой плунжерной паре, в которой совершаются только возвратно-поступательные движения плунжера, последний предварительно поворачивается относительно втулки на 36⁰ и фиксируется от разворота; при этом распределительные каналы плунжера заглушены, а дозатор переворачивается. Во второй секции плунжер совершает только вращательное движение, обеспечивающее распределение топлива; отсечной канал плунжера и наполнительные каналы втулки заглушены.

Определение утечек топлива по зонам износа и ускоренные стендовые испытания распределительного ТНВД проводилось на разработанных экспериментальных установках.

Снятие характеристики нагнетания топлива в системе высокого давления распределительного ТНВД НД-22/М осуществлялось с помощью АЦП с использованием датчиков ДДЭ-084 и синхронизации данных и ЭВМ.

Ускоренные износные испытания плунжерных пар выполнялись на лабораторной установке, собранной на базе стенда КИ-22205. При этом в бак заливалось дизельное топливо, загрязненное абразивом в концентрации 0,17 г/л (зернистостью 2…10 мкм по ГОСТ 2138-74) с удельной поверхностью 10500см²/г. В качестве искусственных загрязнителей топлива использовались: кварцевая пыль: дисперсностью до 10 мкм (50%), до 40 мкм (30%); окись алюминия: до 10 мкм (10%), до 40 мкм (10%). В процессе испытаний дизельное топливо из бака подавалось к топливному насосу и через форсунки возвращалось обратно в бак. Форсунки погружались на дно бака для обеспечения интенсивного перемешивания дизельного топлива с абразивом и для циркуляции дизельного топлива. Режимы ускоренных испытаний устанавливались с учетом требований ОСТ 23.1.364-81. Контрольно-регулировочные операции проводились после каждого этапа испытаний.

Оборудование и приборы стенда при лабораторных испытаниях удовлетворяли требованиям ГОСТ 8670-82.

Производственным исследованиям подвергались 5 модернизированных насосов, установленных на тракторах Т-40АМ, ЗиЛ-5301 и на МТЗ - 82, и шестой, серийный, был установлен на тракторе Т-40АМ при выполнении транспортных работ в СХПК им. Ильича и СПК «Восток» Моргаушского района ЧР. Плунжерные пары - нагнетатели (НД-22) имели начальную максимальную цикловую пусковую подачу 133, 139, 141, 148, 151 мм³. Плунжерные пары - распределители (НД-21) имели максимальную цикловую пусковую подачу 110, 107, 93, 90, 90 мм³. Восстановленные ТНВД имели цикловую пусковую подачу соответственно 144, 151, 156, 161, 163 мм³. Контрольно-регулировочные операции проводились через каждые 450…550 мото-ч. работы двигателя.

Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ЭВМ с использованием стандартных программ «MATLAB 6.5», «Statistica 6», «Excel», «КОМПАС 3D V9».

В четвертой главе приведены «Результаты экспериментальных а)исследований». При анализе статистических данных о цикловой подаче и максимально развиваемом давлении плунжерных пар ТНВД НД-22 ремонтного фонда выяснено, что пусковая подача, выше установленной техническими требованиями минимально допустимой величины, наблюдалась у 43% плунжерных пар, лишь 18% плунжерных пар имели предельное состояние.

а)

б)

Рисунок 5 - Участки износа в наполнительной зоне: а - износ втулки выше наполнительных отверстий на расстоянии 1мм от верхней кромки наполнительного отверстия в сечении 1; б - износ плунжера в торцевой части на расстоянии 1мм от верхнего торца плунжера в сечении1.

а - втулка, б - плунжер.

Рисунок 6 - Развертка участков износа в зоне нагнетания

По максимальным значениям глубины каналов местного износа построены экспериментальные кривые и получены теоретические кривые в виде уравнений полинома 2-го порядка. После интегрирования уравнения полинома определены площади поперечных каналов износа, которые сравнивались с полученными расчетными значениями.

Таблица 2 - Сравнение площадей износов экспериментальной и расчетной кривыми

Наименование	Уравнение регрессии участков износа	, мм2	Площадь износа SЭ,мм2
зоны	детали
нагнетания	втулка	у=-0,0007х2+0,0045х-0,0009	0,025	0,026	0,001	3,8
	плунжер	у=0,0011х2-0,0047х+0,0001	0,013	0,0127	0,0003	2,3
распределения	втулка,	у=-0,0006х2+0,0037х+0,0005	0,026	0,025	0,001	4,0
	плунжер,	у=0,0007х2-0,004х+0,0011	0,016	0,018	0,002	11
отсечки	дозатор	у=-0,0001х2+0,0006х-0,0001	0,003	0,0033	0,0003	9
	плунжер	у=0,00008х2-0,0006х-0,0001	0,0058	0,0055	0,0003	5,4

Анализом экспериментальных данных и теоретических кривых распределения площади износа в зоне нагнетания (втулка, плунжер), в зоне распределения (втулка, плунжер) и в зоне отсечки (дозатор, плунжер), установлено, что относительное отклонение находится в пределах 2,3…11% (таблица 2).

Полученные эмпирические уравнения позволяют описывать форму износа зазора в поперечном сечении плунжера, втулки и дозатора и тем самым сократить объем расчетов и измерений, ограничиваясь определением ширины изношенного участка и максимального значения износа в заданном сечении.

Таким образом, установлено, что плунжер, втулка и дозатор имеют резерв остаточного ресурса в виде неизношенных участков поверхности скрытой части, которые рекомендуется использовать при ремонте для восстановления работоспособности плунжерных пар путем совмещения неизношенных участков поверхности плунжера с изношенными участками втулки и дозатора в такте нагнетания, что достигается предварительным поворотом плунжера вокруг собственной оси на необходимый угол.

Распределение скрытой части остаточного ресурса плунжерной пары представлено в виде графика зависимости цикловой подачи от угла поворота плунжера с учетом разного технического состояния: № 3, № 2, № 1, результаты представлены в виде графика на рисунке 7.

Рисунок 7 -. График зависимости цикловой пусковой подачи от угла поворота плунжера и технического состояния плунжерной пары

В топливных насосах НД используются кулачковые валы с тангенциальным и дуговым (вогнутым) профилем, поэтому для обоснования варианта модернизации кулачкового вала изучено влияние профиля кулачка на цикловую подачу плунжерной пары с износом. Результаты представлены на рисунке 8, из которого следует, что максимальное значение пусковой подачи достигается при угле поворота плунжера относительно наполнительных окон втулки 30є…37,5^о и использования вогнутого профиля кулачка, т.е. профиля кулачка серийного насоса НД-21/4.



Рисунок 8 - Графики изменения цикловой подачи от угла поворота плунжера с вогнутым (ряд 1), с тангенциальным (ряд 4) и с выпуклым (ряд 7) профилями кулачковых валов при разном техническом состоянии плунжерных пар: №3- с допустимым износом; № 2 - с межграничным значением (износ больше допустимого); № 1 - с предельным износом.

Для оценки эффективности предлагаемого способа восстановления работоспособности ТНВД путем его модернизации был спланирован и реализован трехфакторный план 2-го порядка Бокса-Бенкина.

Получили математическую модель эксперимента:

Y = 132,667 - 1,875*x1 + 1,8375*x2 + 29,2875*x3 - 6,10833*x1*x1 -

1,68333*x2*x2 - 1,93333*x3*x3 (12)

а) угол смещения плунжера относительно наполнительных каналов втулки (х₁) и давления на входе в полости низкого давления ТНВД (х₂); б) угол смещения плунжера относительно наполнительных каналов втулки (х₁) и число заглушенных зон износа в плунжерной паре нагнетателе и распределителе (х₃); в) давления на входе в полости низкого давления ТНВД (х₂) и число заглушенных зон износа в плунжерной паре нагнетателе и распределителе (х₃)

Рисунок 9-Поверхность отклика цикловой подачи топлива модернизированного распределительного топливного насоса

По результатам лабораторного многофакторного эксперимента, на входе при х₁= 36,3є и х₂=0,25МПа цикловая подача топлива составляет 132,7 мм³ за 100мин^-1; на входе при х₁= 36,3є и х₃= 2 цикловая подача топлива составляет 160,4 мм³ за 100мин^-1; на входе при х₂=0,25МПа и х₃= 2 цикловая подача топлива составляет 159,6 мм³ за 100 мин^-1 модернизированного ТНВД, укомплектованного плунжерной парой в качестве нагнетателя от распределительного топливного насоса НД-22 № 2 (таблица 1) и в качестве распределителя плунжерной парой (с предельным износом и цикловой подачей топлива на пусковом режиме 70 мм³ за 100мин^-1) от топливного насоса НД-21.

Следовательно, плунжерные пары распределительного топливного насоса НД-22/6, имеющие на пусковом режиме цикловую подачу топлива 128 мм³/цикл и выше, топливного насоса НД-21, имеющие цикловую подачу топлива 70 мм³/цикл, пригодны для дальнейшего использования при восстановлении работоспособности распределительных ТНВД путем модернизации, поскольку после модернизации топливного насоса НД-22/4М цикловая подача топлива составила 160 мм³/цикл.

В результате производственных испытаний выявлено, что ресурс модернизированных топливных насосов составляет 1200…1800 мото-ч. с плунжерными парами, имеющими износ превышающий допустимое значение. Следовательно, модернизированный ТНВД обеспечивает работоспособность до следующей межремонтной наработки, позволяющий увеличивать ресурс ТНВД НД-22/4М в 1,24 раза.



Рисунок 10 - Изменение пусковой подачи и неравно- Рисунок11- Регуляторные характеристики мерности подачи в зависимости от наработки: серийного (1) и восстановленного (2) ряд 1, ряд 7; ряд 4, ряд 8; - восстановленные ТНВД до начала эксплуатации; (3, 4) - после ТНВД на двух тракторах Т-40АМ; эксплуатации ряд 3, ряд 6 - серийный ТНВД НД-21/4 на Т-40АМ; ряд 2, ряд 5 - восстановленный ТНВД на МТЗ - 82; ряд 9, ряд 10; 11 ряд, 12 ряд - восстановленный ТНВД на Зил-5301.

В ходе испытаний было выявлено, что при наработке 1200 мото-ч. на двух насосах заглушки на плунжере-нагнетателе в распределительном канале были ослаблены, но не имели внешних повреждений и находились на месте, других повреждений не наблюдалось.

В пятой главе приведена технико-экономическая оценка применения в ОАО «Моргаушскагропромтехсервис» Чувашской Республики результатов исследований по восстановлению работоспособности распределительных ТНВД путем их модернизации.

Результаты исследований позволяют уменьшить затраты на ремонт ТНВД при сборке двигателей Д-240.

Подтверждена эффективность восстановления работоспособности распределительных ТНВД путем их модернизации. Экономический эффект при этом составляет 3913,5 руб. на один ТНВД НД-22/4М в год.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. На основании анализа литературных источников и выполненных экспериментальных исследований установлено, что 43-50 % плунжерных пар ТНВД НД-22/6 распределительного типа, поступивших в ремонт, имеют остаточный ресурс, соизмеримый с межремонтной наработкой.

2. Установлено, что при максимальной глубине износа более 3 мкм на расстоянии 1 мм от торца плунжера и более 4 мкм на расстоянии 1 мм выше наполнительных окон втулки, цикловая подача топлива ТНВД НД-22/6 уменьшается ниже допустимого значения, что не позволяет обеспечить работоспособность ТНВД до очередного ТО-3 на серийных топливных насосах. Потеря работоспособности распределительных плунжерных пар обусловлена наличием местных участков износа на плунжере, втулке и дозаторе: 71,3% - в зоне нагнетания, 4,6 % - в зоне распределения и 24,1 % - в зоне отсечки.

3. Выявлены неизношенные участки плунжерной пары ТНВД НД-22/6, которые могут использоваться для восстановления её работоспособности при фазовом смещении плунжера на 36, 48 и 72 градуса относительно наполнительных окон втулки от исходного положения.

4. Разработана математическая модель изменения объема утечек топлива в зависимости от фазового положения плунжера и технического состояния сопряжений плунжерной пары, позволяющая оценить уровень потенциала работоспособности плунжерной пары. Установлено, что при угле поворота плунжера 36,3є обеспечивается максимальное разъединение участков износа и максимальное уменьшение утечек топлива - до 2 раз.

5. Разработан способ повышения ресурса распределительной плунжерной пары НД-22, заключающийся в разделении её функций нагнетания и распределения. При этом в основу технологической рекомендации по повышению долговечности распределительных ТНВД НД-22 путем их модернизации положено:

- увеличение гидравлического сопротивления в зоне износа плунжерной пары, достигаемого фазовым смещением плунжера относительно втулки в такте нагнетания;

- разделение функций плунжерной пары и образование двух совместно работающих пар:- нагнетателя и распределителя;

- предотвращение утечек топлива через отдельные зоны износа путем установки медных заглушек в распределительные каналы нагнетателя, в наполнительные каналы втулки и в отсечные каналы плунжера распределителя;

- увеличение скорости движения плунжера нагнетателя в такте нагнетания за счет применения серийного вогнутого дугового профиля кулачкового вала;

- использование ТНВД НД-22/6 с диаметром плунжера 9 мм (с предельным и допустимым значениями 90 и 160 мм³/цикл соответственно) вместо НД-21/4 с диаметром плунжера 8 мм (с предельным и допустимым значениями 70 и 140 мм³/цикл соответственно);

- использование в ТНВД НД-22/4М плунжерной пары НД-22 в качестве нагнетателя (с допустимым значением пусковой подачи топлива 128 мм³/цикл), вместо распределителя топлива - плунжерной пары НД-21/4 (с допустимым значением пусковой подачи топлива 70 мм³/цикл) обеспечивает восстановление работоспособности ТНВД до 28 % и продлевает полный ресурс на 1200…1500 мото-ч .

6. Установлено, что применение в производстве результатов исследований позволяет увеличить ресурс ТНВД НД-22/4М в 1,24 раза. Восстановление работоспособности распределительных ТНВД путем модернизации в ОАО «Моргаушскагропромтехсервис» Моргаушского района Чувашской Республики позволяет получить экономический эффект 3913,5 руб. на один ТНВД НД-22/4М в год.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ИЗЛОЖЕНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ:

В журналах, рекомендованных ВАК:

1. Иванов В.А. Концепция ремонта плунжерных пар топливной аппаратуры / В.А. Иванов // Международный технико-экономический журнал. -2010. - № 5.- С.69-72.

2. Иванов В.А. Обоснование способа восстановления работоспособности плунжерных пар топливных насосов распределительного типа. / В.А. Иванов, // Труды ГОСНИТИ. - М., 2011.- С. 61-62

В материалах международных, всероссийских конференций и других изданий:

3. Иванов В.А. Повышение долговечности ТНВД / В.А. Иванов // Труды Чувашской государственной сельскохозяйственной академии. - Чебоксары, 2003. - Т.18. - С. 367-369.

4. Кулаков М.М. Увеличение ресурса изношенных насосных секций топливных насосов распределительного типа / М.М. Кулаков, В.А. Иванов, В.Г. Лебедев // Труды Чувашской государственной сельскохозяйственной академии. - Чебоксары, 2004. - Т.19. - С. 75-78.

5. Иванов В.А. К вопросу утилизации плунжерных пар и доиспользования их ресурса / В.А. Иванов, М.М. Кулаков // Труды Чувашской государственной сельскохозяйственной академии. - Чебоксары, 2005. - Т.20. - С. 206-207.

6. Иванов В.А. Теоретические предпосылки обоснования механизма «запирания» зон износа в плунжерной паре / В.А. Иванов, М.М. Кулаков // Перспективные технологии для современного сельскохозяйственного производства: сборник материалов всероссийской научно-практической конференции. - Чебоксары: ЧГСХА, 2008. - С. 234-236.

7. Иванов В.А. Ремонт топливовпрыскивающего насоса дизеля / В.А. Иванов, М.М. Кулаков // Труды ГОСНИТИ. - М., 2008.- Т. 102. - С. 61-65

8. Кулаков М.М. Оценка потенциала работоспособности плунжерной пары дизеля / М.М. Кулаков, В.А. Иванов // Материалы республиканской научно-практической конференции «Наука в развитии села». - Чебоксары, 2009. - с. 212-216.

9. Иванов В.А. Прогнозирование состояния рабочих поверхностей деталей распределительной плунжерной пары / В.А. Иванов, М.М. Кулаков // Материалы международной научно-практической конференции «роль высшей школы в реализации проекта «Живое мышление - стратегия Чувашии». - Чебоксары: ЧГСХА, 2010. - с. 534-538.

10. Распределительный топливный насос дизеля: пат.74168 Рос. Федерации: МПК F02М 41/12 / М.М. Кулаков, В.М. Кулаков, С.Б. Андреев, В.А. Иванов: заявитель и патентообладатель ФГОУ ВПО Чувашская ГСХА - № 2008106081/22; заявл.18.02.08; опубл.20.06.08, Бюл. № 17. - 3 с.: ил.

11. Способ ремонта топливовпрыскивающего насоса дизеля: пат.2331787 Рос. Федерации: МПК F02М 65/00 / Кулаков М.М., Иванов В.А. - №2007103723/06; заявл. 25.01.07; опубл. 20.08.08, Бюл. №23. - 8с.: ил.

Размещено на Allbest.ru