Исследование износа плунжерных пар

В данной статье рассматривается влияние надежности топливной системы дизельного двигателя на функциональные и эксплуатационные показатели машинно-тракторного агрегата (МТА) в зависимости от загрязненности дизельного топлива.

В настоящее время и на ближайшую перспективу дизель является самым экономичным двигателем внутреннего сгорания. Качество рабочего процесса дизеля зависит от того, как, сколько и когда подается топливо, как оно распыливается и распределяется по объёму камеры сгорания. Это определяется типом и качеством работы топливной системы дизеля, которая является наиболее сложным, дорогим и ответственным его агрегатом.

Надежность работы машинно-тракторного агрегата (МТА) зависит от надежности каждой из его подсистем, а также от способа их соединения. Так от состояния рабочих поверхностей прецизионных деталей топливного насоса высокого давления (ТНВД), основными из которых являются, плунжер-втулка, зависит работоспособность топливной системы, а также протекание процессов смесеобразования и сгорания в цилиндрах дизеля, определяющих экономические, функциональные и эксплуатационные показатели всего МТА.

Анализ последних исследований. По некоторым данным, загрязненность дизельного топлива по пути его следования к месту доставки возрастает от 0,0005% до 0,0630%, т.е. более чем в 100 раз. Твердость частиц кварца и окислов металла содержащихся в полевой пыли и проникающей в топливо составляет 6,5...9,0 единиц по шкале Мооса [1, 2]. Но даже незначительное количество механических примесей вызывает усиленный износ прецизионных деталей. Вследствие этого при эксплуатации дизелей около 50% неисправностей приходится на долю системы питания [3]. Эксплуатационная надежность узлов сель-скохозяйственной техники, работающих в среде ТСМ, рассматривалась в работах К.В. Рыбакова, М.А. Григорьева, Е.Н. Жулдыбина, А.В. Кузнецова, А.И. Селиванова, В.П. Коваленко, В.А. Дидура [4] и др.

Формулирование целей статьи. Целью статьи является обоснование влияния надежности топливной системы дизельного двигателя на функциональные и эксплуатационные характеристики работы МТА в зависимости от износа плунжерных пар ТНВД и загрязненности дизельного топлива механическими примесями и водой.

В зависимости от условий эксплуатации МТА концентрация пыли в воздухе колеблется в широких пределах и в некоторых районах юга Украины достигает 5 г/м3. Это отрицательно влияет на работоспособность систем двигателя, в том числе на работоспособность топливной аппаратуры. При работе МТА при запыленности воздуха 1,1...2,5 г/мЗ содержание загрязняющих примесей в топливе к моменту его выработки в 2-3 раза больше, чем при заправке.

Установлено, что загрязнению топлива способствует и то, что во время работы МТА в объёме бака создается разряжение и туда подсасывается пыль. То есть, в топливных баках имеет место "большое дыхание" при расходовании топлива во время работы дизеля и "малое дыхание" при температурных расширениях топлива. Вместе с тем, топливные фильтры тракторных дизелей не обеспечивают достаточной степени очистки топлива от механических примесей, которые затем проникают к прецизионным деталям топливной аппаратуры [1, 3, 4]. С целью уточнения зон износа плунжерных пар насосов распределительного типа были проведены исследования насосов НД-22/6. Схема работы насосной секции представлена на рис. 1.

Рис. 1. Схема работы плунжерной пары ТНВД распределительного типа семейства НД. а) наполнение надплунжерного пространства; б) нагнетание топлива; в) отсечка подачи. 1 - втулка; 2 - плунжер; 3 - отсечная втулка, дозатор; 4 - впускное отверстие гильзы; 5 - распределительное отверстие плунжера; 6 - отсечное отверстие плунжера.

В серийной плунжерной паре ТНВД распределительного типа величина цикловой подачи топлива регулируется изменением активного геометрического хода плунжера h г.а. т.е. ходом плунжера на нагнетании с момента закрытия торцом плунжера 2 впускного отверстия 4 до момента открытия отсечной втулкой 3 отсечного отверстия 5 плунжера (рис. 1). До момента закрытия впускного отверстия плунжер проходит свободный ход ha равный 3...3,5 мм., который позволяет разогнать плунжер до необходимой высокой скорости, до 2 м/с, обеспечивающей высокое давление, и малую продолжительность впрыска. Были проведены исследования изношенных плунжерных пар методом измерения статической гидроплотности путем их опрессовки и измерения утечек по всем зонам сопряжений на специально разработанном для этого приспособлении с использованием стенда для проверки и регулировки форсунок КИ-13940. Схема установки приведена на рис. 2

Pис. 2 Схема установки для определения мест локальных износов измерением утечек топлива плунжерных пар насосов типа НД: 1-гильза; 2-плунжер; 3-дозатор, отсечная муфта; 4-нагнетательные штуцера; 5-отсечное отверстие; 6-распределительный паз; 7-впускное отверстие; 8-манометр; 9-насос стенда КИ 13940; 10-трубки высокого давления 11 смежный нагнетательный штуцер; 12, 13, 14, 15-мензурки для измерения утечек топлива между плунжером и гильзой в соседние штуцера, в зоне впускного отверстия, между плунжером и гильзой, между дозатором и плунжером; 16,17-резиновые экраны для разделения утечек между отсечной муфтой, гильзой и плунжером; 18-приспособление; 19-шпильки.

По схеме плунжерная пара устанавливается в специально изготовленное приспособление 18,19. Плунжер 2 устанавливается в гильзе 3 распределительным пазом 6 против отверстия в гильзе, через которое подводится топливо под давлением 20…25 МПа от стенда КИ 13940 через штуцер 4 из которого предварительно вынимается нагнетательный клапан. Продольное положение плунжера 2 в гильзе 1 и дозатора 3 на плунжере 2 соответствует максимальной цикловой подаче насосной секции. Приспособление оснащено двумя резиновыми экранами 16, 17, плотно установленными отверстиями на плунжер для раздельного измерения утечек топлива между плунжером, отсечной муфтой и гильзой. Мензурками 12, 13, 14, 15 производится измерение величины утечек топлива соответственно в соседние штуцера, через впускное отверстие, через сопряжение плунжер-гильза и через сопряжение отсечная муфта-плунжер.

Рис. 3 Диаграмма распределения утечек топлива изношенных плунжерных пар насосов

семейства НД-22/6. На рис. 3 представлена диаграмма распределения усредненных долей утечек топлива при опрессовке 50 изношенных плунжерных пар насосов распределительного типа НД-22/6 от общей величины утечек. Объём выборки в 50 пар определен по таблицам ГОСТ 1751072 при принятых значениях доверительной вероятности 0,95 и относительной ошибки измерений 15%.

Исследованиями установлено, что основная доля утечек 89 % от суммарной величины утечек происходит в зоне впускного отверстия 7 (рис. 2) и измеряется мензуркой 13, при этом среднее квадратичном отклонении распределения измерений равно ? = 4,085.

Вторая по величине доля утечек приходится на отсечное отверстие 5 через сопряжение плунжер 2 и отсечная муфта 3 и измеряется мензуркой 15. Эти утечки составляют 13-15 % от суммарной величины утечек. Третья по величине доля утечек приходится на соседние штуцера из распределительного паза плунжера 6 через увеличенный кольцевой зазор между плунжером и гильзой, измеряется мензуркой 12 и составляет 4 5 % от суммарной величины утечек.

Малая, оставшаяся доля утечек 1-2% приходится на сопряжение плунжер-гильза по образующей от распределительного паза 6 в полость низкого давления и измеряется мензуркой 14.

Рис. 4 Основные зоны износа плунжерараспределителя насоса НД-22/6

На рис. 4 показан изношенный плунжер-распределитель насоса НД-22/6, на котором явно видны следы абразивного износа поверхности перекрывающей всасывающие окна втулки зоны 3. 1 -у отсечного окна; 2 -у распределительного паза; 3 цилиндрическая поверхность, примыкающая к верхнему торцу плунжера и перекрывающая окно втулки плунжера на ходе нагнетания.

О характере зон износа можно также судить по полученным результатам оценки гидроплотности плунжерной пары в зависимости от положения плунжера относительно втулки. В качестве измерителя гидроплотности плунжерной пары использовалось время падения давления в надплунжерной полости от 20 до 5 МПа. На графике (рис. 5) показана зависимость величин утечек во впускные и отсечные окна от положения плунжера. На графике (рис. 6) приведена данная зависимость для новой пары, изношенной до аварийного состояния и той же изношенной, но с исключением впускных отверстий.

Очевидно, что одним из путей повышения надежности работы МТА, а вследствие и коэффициента его готовности, как комплексного показателя, может быть увеличение срока службы фильтров и повышение ресурса прецизионных пар ТНВД, за счет обеспечения требуемой чистоты дизельного топлива, используя фильтры-водоотделители дизельного топлива при заправке его в баки мобильной сельскохозяйственной техники и в системе питания дизеля [4, 5].

Рис. 5. Зависимость времени падения давления в надплунжерном пространстве (гидроплотности) от положения плунжера во втулке.

1" новая плунжерная пара с высокой гидравлической плотностью; 1' новая плунжерная пара с низкой гидравлической плотностью; 2 плунжерная пара, изношенная до аварийного состояния; 3 плунжерная пара, изношенная до аварийного состояния, но с заглушёнными впускными отверстиями. Точка А момент перекрытия впускных отверстий втулки, Б открытие отсечных отверстий плунжера.

Рис. 6. Зависимость доли утечек во впускные и отсечные отверстия от осевого положения плунжера изношенной до аварийного состояния плунжерной пары насоса типа НД. 1доля утечек во впускные окна втулки; 2 доля утечек по отсечной втулке.

Выводы. Основной зоной износа плунжерных пар насосов, определяющей их надежность, ресурс и работоспособность является износ гильзы и плунжера в зоне наполнительных отверстий. Применение фильтра-водоотделителя при заправке топлива и в системе питания двигателя МТА позволяет увеличить ресурс работы фильтров тонкой и грубой очистки практически в два раза, а ресурс работы ТНВД в 2,5 раза. При этом коэффициент готовности топливной системы двигателя МТА повышается с 0,79 до 0,85, что составляет 7,6 %.