2. Второй этап - этап работы форсунки на приработанном сопряжении. В этом случае проходное сечение между клапаном и седлом минимально и гидравлическая плотность форсунки максимальна.
При одиночном ударе клапана о седло по поверхности контакта в очень тонком слое толщиной Ну = 20…60 мкм возникают напряжения, эпюру которых можно условно представить так, как показано на рис. 2. При увеличении циклов ударов в этом же поверхностном слое возникают трещины, как показано на рис. 3.
Рис. 2. Напряжения, возникающие при посадке шарика на седло: 1 - шариковый клапан, 2 - седло, - толщина поверхностного слоя, в котором действуют напряжения от удара
Рис. 3. Образование микротрещин в поверхностном слое клапана и седла по линии контакта: 1 - шариковый клапан, 2 - седло
При дальнейшей работе форсунок происходит накопление энергии и происходит выход трещины на поверхность примыкающих к подножью выступов. Так как образовавшаяся поверхность контакта практически не изменяется, а происходит образование каверн непосредственно у основания выступов, т.е. во впадинах проходное сечение увеличивается, и, как следствие, происходит постепенное снижение гидравлической плотности распылителя, частично износ компенсируется небольшим углублением посадкой шарикового клапана на седло вследствие увеличения линии контакта. В связи с тем, что к данному моменту времени накопление энергии в поверхностном слое незначительно, количество каверн и их размеры незначительны, что приводит к изменению только микрогеометрии поверхностей сопряжения клапана и седла и проходное сечение между соударяющимися телами меняется незначительно.
3. На третьем этапе накопленная в поверхностном слое энергия приводит к усталостному разрушению поверхностного слоя деталей клапанного узла распылителей. Происходит образование и развитие трещин и, как следствие, отслоение значительной части поверхностного слоя, и образование в данном месте больших углублений, что способствует резкому увеличению площади проходного сечения и снижению гидравлической плотности распылителей форсунок.
Для качественной оценки изменения гидравлической плотности вследствие износа теоретически получены зависимости для описания изменения зазора между клапаном и седлом распылителей форсунок на всех трех этапах.
Для определения изменения площади проходного сечения на участки приработки эта зависимость имеет вид:
, (1)
где S0 - исходная площадь проходного сечения, м2;
к - коэффициент пропорциональности;
Я - доля энергии, затрачиваемая на пластическую деформацию;
с - жёсткость пружины, ;
Н - высота подъёма запорного устройства, м;
- масса подвижных деталей форсунки, кг;
- ускорение земного тяготения, ;
- число оборотов коленчатого вала двигателя, мин-1;
t - время работы распылителя, ч;
- высота деформации микронеровности, ;
- предел упругости материала, МПа;
- исходная опорная поверхность, ;
, , - коэффициенты.
Анализ зависимости (1) показывает, что при постоянстве энергии удара с увеличением происходит пластическая деформация микронеровностей, что приводит к уменьшению высоты микронеровностей и уменьшению площади проходного сечения между клапаном и седлом распылителей форсунок. Эта формула справедлива для участка приработки распылителя, который ограничивается условием , где кв - коэффициент, характеризующий отношение напряжений в поверхностном слое к предельным напряжениям пластической деформации (/ =).
Для участка нормальной работы клапанного узла распылителей форсунок получена зависимость, характеризующая закономерность изменения площади проходного сечения между клапаном и седлом форсунки в процессе наработки, записываемая в виде:
, (2)
где Тк - площадь поверхности контакта у основания микронеровностей, м2;
- допускаемая величина предела выносливости материала, МПа;
ф - тактность двигателя;
- экспериментально определяемые коэффициенты;
к2 - коэффициент, равный
, (3)
где к1, щ, ч - коэффициенты.
Изменение площади проходного сечения на третьем участке определяется по формуле:
, (4)
где k-1 - коэффициент, характеризующий отношение напряжения выносливости материала от ударов клапана по седлу к допускаемой величине предела выносливости материала, МПа;
k3 - коэффициент, определяемый по формуле .
Гидравлическая плотность форсунок на участке приработки определяется по формуле:
, (5)
где ув - напряжение, возникающее при контакте микронеровностей МПа;
- объём поверхностного материала, в котором накапливаются напряжения, .
В формуле (5) величина А определяется по выражению:
, (6)
где - удельный вес испытываемого топлива, ;
- коэффициент сжимаемости испытываемого топлива, м2/Н;
- условный объём вытекающего из прибора топлива, м3;
- среднее значение кинематической вязкости топлива для диапазона давлений и , м2/с;
- коэффициент, учитывающий линию контакта L и радиальный зазор между клапаном и седлом форсунки, определяется по формуле
. (7)
На участке нормальной эксплуатации гидравлическая плотность распылителя форсунки будет иметь вид:
. (8)
Зависимости для определения площади проходного сечения (2) и гидравлической плотности распылителей форсунок (8) на участке нормальной эксплуатации справедливы до k-1 = 1.
На участке повышенного износа изменение гидравлической плотности можно аппроксимировать следующим выражением
, (9)
где - гидравлическая плотность на втором участке при к-1 = 1;
l - экспериментальный коэффициент;
- текущее значение наработки на участке повышенного износа;
- значение наработки при коэффициенте упругости к-1 = 1.
Расчётная кривая изменения гидравлической плотности распылителей форсунок по данным формулам представлена на рис. 4.
Рис. 4. Изменение гидравлической плотности клапанного узла распылителей форсунок с шариковым клапаном: с = 65 Н/м; m = 0,0023 кг; Н = 0,00012 м, в = 0,5; ; Па
Кривая на рис. 4 качественно даёт представление об изменении гидравлической плотности между клапаном и седлом в процессе эксплуатации форсунки.
Расчеты показали, что изменение гидравлической плотности от времени наработки распылителей форсунок зависят от массы, хода клапана и усилия предварительного натяжения пружины.
В третьей главе «Методика экспериментальных исследований» описаны программа, общие и частные методики экспериментальных исследований, применяемая измерительная аппаратура и оборудование.
Экспериментальные исследования топливной системы с разработанными форсунками проводились в три этапа:
- исследование характеристики процесса подачи топлива на безмоторной установке с регистрацией параметров топливоподачи осциллографированием;
- стендовые ускоренные сравнительные износные испытания экспериментальных и базовых, серийно выпускаемых форсунок ФД-22;
- моторные испытания экспериментальных форсунок на двигателе Д-240.
Исследования характеристик впрыска топливной системы с экспериментальными форсунками проводили на установке для осциллографирования на базе 12-канального усилителя. Установка входит в состав тензометрической станции УТС1-ВТ-12/35 на несущей частоте 35кГц. Установку оборудовали платой аналого-цифрового преобразователя ЛА-2М5, устанавливаемой в ISA шину материнской платы персонального компьютера. Для подавления гармоник несущей частоты усилителя был разработан и установлен между усилителем и аналого-цифровой регистрирующей системой электронный полосовой фильтр.
В качестве датчиков давления топлива перед форсункой и перемещения клапана распылителя форсунки использовались тензодатчики и индуктивные датчики конструкции ЦНИТА и ОмГАУ.
Опыты проводились с трехкратной повторностью, и результаты исследований сравнивались с аналогичными данными, полученными при испытании серийной топливной системы двигателя Д-240 с насосом УТН-5 и форсунками ФД-22. Обработка осциллограмм производилась на ПК с помощью математической программы Mathcad. Осциллограммы в виде массивов данных загружались в программную среду Mathcad, где с помощью встроенной функции Гаусса происходило их сглаживание путем усреднения интервалов по пяти точкам.
Для сравнения износостойкости клапанных узлов распылителей форсунок проведены сравнительные ускоренные стендовые испытания, в соответствии с которыми на стенд устанавливались одновременно опытная и серийная форсунка, благодаря чему обеспечивалась идентичность условий их испытания (рис. 5). Для увеличения цикличности работы клапанных узлов использовались разделители подачи топлива 15, установленные перед форсунками 13 и 14, каждый разделитель подсоединен к двум секциям топливного насоса высокого давления 1.
Метод ускоренных испытаний разработан в ЦНИТА, с целью прогнозирования технического моторесурса распылителей. Он позволяет дать сравнительную оценку износостойкости экспериментальных распылителей с базовыми.
При испытаниях использовалось топливо, «запыленное» кварцевыми тонкими микропорошками зернистостью 3-14 мкм до концентрации 50 г. абразива на 1 т топлива. Необходимая зернистость получена путем соединения в одинаковой массовой пропорции микропорошков М5, М7, М10 и М14 по ГОСТ 3647-80.
Согласно методике ЦНИТА один час работы топливной аппаратуры в данных условиях соответствует 50 часам работы в условиях реального сельскохозяйственного производства.
Рис. 5. Схема износного стенда ускоренных сравнительных испытаний: 1 - топливный насос высокого давления УТН-5; 2 - стенд для проверки и регулировки топливной аппаратуры КИ-921М; 3 - общая ёмкость с загрязненным алмазной пастой дизельным топливом; 4 - штуцер забора топлива; 5 - топливоподкачивающий насос низкого давления УТН двигателя Д-240; 6 - манометр контроля давления в подкачке; 7 - шланг слива топлива из ванны с мензурками стенда; 8 - топливопровод подачи топлива в полость питания серийного насоса УТН-5 позиции 1; 9 - топливопровод отвода топлива из питающей полости серийного насоса УТН-5 через демпфирующий клапан насоса; 10 - тахометр стенда; 11 - мерительные мензурки; 12 - мерительная мензурка с краном для слива топлива; 13 - серийная форсунка ФД-22 двигателя Д-240; 14 - экспериментальная форсунка клапанного типа; 15 - разделители подачи топлива; 16 - электродвигатель стенда КИ - 921М
Все испытание разбивалось на этапы продолжительностью по 10 ч, по истечении которых топливная система непродолжительное время работала на чистом топливе, для контролирования состояния распылителей со стенда снимались испытываемые форсунки, производились замеры исследуемых показателей: значения гидравлической плотности, герметичности клапанного узла распылителей и качества распыливания топлива. После окончания двух этапов производили замену плунжерных пар и регулировку топливного насоса высокого давления УТН-5.
В качестве наиболее объективного показателя процесса износа распылителей во время сравнительных износных испытаний была принята оценка по показателю снижения гидравлической плотности форсунок, при котором нет необходимости извлекать распылители из корпуса форсунок.
С целью исследования работы двигателя, оснащенного системой питания с экспериментальными форсунками, проведены стендовые моторные испытания на электротормозном стенде RAPIDO, с загрузкой двигателя Д-240 через вал отбора мощности трактора МТЗ-82. Испытания проводились в ФГУ «Сибирская государственная зональная машиноиспытательная станция» Таврического района Омской области, согласно ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний» с построением внешней регуляторной характеристики работы дизеля, оснащенного серийными и экспериментальными форсунками закрытого типа, и определением основных мощностных и экономических показателей работы дизеля Д-240.
В четвертой главе «Результаты экспериментальных исследований» изложены и проанализированы результаты экспериментальных исследований.
В результате исследований процесса топливоподачи с экспериментальными форсунками осциллографированием основных параметров характеристики впрыска топлива были обоснованы конструктивные параметры клапанных узлов экспериментальных форсунок, обеспечивающие характеристику впрыска аналогичную по своим основным показателям серийным форсункам ФД-22. Величина предварительного натяжения пружины клапана составляет Fпр.ш = 30-40 Н, при жесткости пружины упр = 55-65 Н/м и массе клапана Мкл = 0,13 г.
Продолжительность впрыска топливным насосом УТН-5 с экспериментальными форсунками составила 12,5° поворота вала насоса при нарастании давления в полости распылителя 8,1 МПа за один градус поворота вала насоса. Приведенные показатели динамики процесса топливоподачи были получены при частоте вращения вала топливного насоса 1100 мин-1 и цикловой подаче, равной 69 мм3 за один цикл. Зависимость хода клапана от величины цикловой подачи приведена на рис. 6.