УДК 621.436

улучшение РАБОТОСПОСОБНОСТИ привода топливного насоса дизеля

 

IMPROVING THE PERFORMANCE OF DIESEL FUEL PUMP DRIVE

 

Елистратов В.А., Петренко Б.В. (Кременчугский национальный университет им. М. Остроградского, г. Кременчуг, Украина)

Yelistratov V.A., Petrenko B.V.

(Kremenchug M. Ostrohradskyi National University, Kremenchug, Ukraine)

 

Рассмотрены результаты экспериментальных исследований нового привода топливного насоса дизеля, описаны мероприятия по улучшению его работоспособности.

The results of experimental studies of the new diesel drive fuel pump, described measures to improve its efficiency.

 

Ключевые слова: дизель, привод, испытания, работоспособность.

Key words: diesel, drive, test, performance.

 

Результаты исследования и анализа транспортных и дорожных условий работы современных транспортных, дорожных и строительных средств показывают, что значительную часть времени их двигатели работают на режимах частичных нагрузок. Так, при современной интенсивности городского движения приблизительно 80% времени двигатели автомобилей работают с нагрузкой менее 25% от максимальной [1]. Исследования [2, 3] режимов эксплуатации маневровых, промышленных  и магистральных тепловозов показали, что 50-65% времени эти тепловозы работают в режиме холостого хода. При этом расходуется до 69% топлива. Опыт использования автогрейдеров и другой строительной и дорожной техники говорит о том, что только 50% годового фонда рабочего времени они работают на тяжелых работах с полной загрузкой силовой установки [4].

Для большинства типов дизелей рабочая частота вращения вала двигателя изменяется в широком диапазоне – от минимально устойчивых оборотов до оборотов на номинальном режиме. В результате снижения частоты вращения вала двигателя происходит пропорциональное уменьшение средних скоростей движения плунжера топливного насоса высокого давления (ТНВД) на периоде его рабочего хода, что ухудшает распыливание топлива в зоне средних и, особенно, малых частот скоростного диапазона дизеля. На этих частотах резко снижается давление впрыскивания топлива, ухудшаются процессы наполнения, продувки и выпуска, что приводит к некачественному смесеобразованию и неполному сгоранию топлива.

Поэтому поиск решения, которое позволит повысить экономические и экологические характеристики дизелей на частичных скоростных режимах и режимах холостого хода, имеет большое практическое значение. И наиболее эффективным путём для улучшения этих характеристик на указанных режимах является усовершенствование конструкции дизеля, направленное на приспособление его агрегатов и систем к реальным условиям эксплуатации, где эти режимы необходимы.

В области модернизации топливной аппаратуры традиционного типа, нацеленной на увеличение объёмной скорости подачи топлива на частичных скоростных режимах работы транспортного дизеля, новым и малоизученным направлением является организация регулируемого неравномерного вращения вала ТНВД на указанных режимах [5, 6]. Данный способ может существенно поднять технический уровень топливной аппаратуры дизелей и составить конкуренцию внедрению аккумулирующих топливных систем.

Для организации такого движения предложены устройства, использующие два идентичных преобразователя угловых скоростей на основе кулачковых синусоидальных или рычажно-кулачковых механизмов, включенных последовательно в кинематическую цепь, образуя, таким образом, регулируемый привод ТНВД. Применение такого привода на дизеле ЯМЗ-238 позволило сократить на 20% продолжительность впрыскивания в диапазоне частот вращения коленчатого вала 1000-1400 мин -1, поднять среднее давление впрыскивания на этих режимах, снизить часовой расход топлива на 7-8% на режиме холостого хода, а на режимах внешней скоростной характеристики двигателя в диапазоне 1200-1400 мин -1 снизить удельный эффективный расход топлива на 3-5% [6].

Однако результаты испытаний показали также, что при работе привода на основе кулачковых синусоидальных механизмов происходит значительный износ промежуточного вала привода и днища рабочего толкателя первой ступени в зоне их взаимного соприкосновения. Вал привода был изготовлен из углеродистой качественной конструкционной стали марки 35 с закалкой ТВЧ поверхности эксцентрика до твёрдости 35-40 HRC, а толкатель – из стали Л-20. Результаты износа деталей привода после испытаний показаны на рис. 1.

Рисунок 1- Износ деталей привода

 

Для уменьшения износа было принято решение установить игольчатый подшипник на эксцентрик промежуточного вала и упрочнить днище рабочего толкателя с помощью впаивания в неё пластины из твёрдого спечённого сплава марки ВК-8 с твёрдостью 88 HRA. Детали привода после усовершенствования показаны на рис. 2.

Во время повторных испытаний привода с усовершенствованными деталями произошла поломка днища рабочего толкателя первой ступени привода и разбит подшипник на эксцентрике промежуточного вала привода. Результаты произошедшей поломки показаны на рис. 3.

Рисунок 2- Усовершенствованные детали привода

Рисунок 3- Поломка деталей

 

Для выяснения причин произошедшей поломки было проведено исследование по оценке динамической нагруженности привода при его работе на различных скоростных режимах. В результате проведенных исследований были сформулированы следующие основные положения:

– промежуточный вал привода, изготовленный из стали и обладающий большой массой, постоянно совершает неравномерное вращение при равномерном вращении ведущего вала. Поэтому произошедшая поломка объясняется повышенными инерционными нагрузками, которые действуют в паре «рабочий толкатель первой ступени – эксцентрик промежуточного вала» привода, в результате чего в месте контакта указанной пары возникли повышенные контактные напряжения, приведшие к выходу этой пары из строя;

– при условии, когда угловая скорость  кулачкового вала ТНВД меньше номинальной , было выявлено, что максимальная величина момента инерции  а величина силы инерции толкателя не превышает соответствующих значений этой силы на номинальном режиме более чем на 20...30% и при проектировании профиля кулачка для кулачкового вала ТНВД с новым приводом рассмотренными динамическими факторами можно пренебречь;

– значения моментов инерции для привода ТНВД дизелей ЯМЗ и КамАЗ () показали, что при  значения инерционных моментов могут достигать 30...60% от величины момента сил полезного сопротивления (давления топлива). Это необходимо учитывать при проведении прочностных расчётов привода и выборе обеспечиваемых им степеней неравномерности вращения вала ТНВД на данном скоростном режиме;

– период свободных крутильных колебаний кулачкового вала ТНВД дизелей ЯМЗ и КамАЗ не превышает 0,4...0,5 мс, что в 10...30 раз меньше периода вынужденных колебаний этого вала, вызванных его неравномерным вращением. При таких соотношениях между частотами свободные крутильные колебания вала не вносят существенных изменений в законы движения плунжеров.

Рисунок 4- Сборный вал

 

Учитывая результаты проведенного исследования, для устранения причин поломки промежуточный вал привода был изготовлен в виде сборной конструкции (рис. 4). Сердцевина вала выполнена из легированной конструкционной стали марки 40Х. Твёрдость поверхности эксцентрика после закалки ТВЧ увеличена до 55 HRC для повышения её износостойкости. А направляющие толкателей изготовлены из дюралюминия марки Д-16, обладающего удовлетворительными прочностными свойствами. В результате масса промежуточного вала снизилась на 40% (с 1,0 до 0,6 кг). Также для снижения инерционных масс один из пяти подшипников был заменён неподвижным упорным кольцом. Кроме того, на 67% была увеличена толщина днища рабочего толкателя первой ступени привода (с 3 до 5 мм) для увеличения её прочности. Данные мероприятия снизили инерционные нагрузки в приводе и обеспечили необходимую прочность и требуемую долговечность деталей привода.

Проведенные исследования и конструктивные мероприятия по усовершенствованию деталей нового привода ТНВД позволили повысить работоспособность разработанного устройства и дали возможность применить его в топливной системе транспортного дизеля.

 

Список использованных источников

1. Кутенёв В. Возможна ли МСУ / В. Кутенёв, А. Шевкун, Н. Решетцов. – М.: Автомобилист, 1990, № 89–90.

2. Зюбанов В.З. Силовая установка для маневровых тепловозов / В.З. Зюбанов, В.Н. Балабин. – М.: Локомотив, 1992, №11–12.

3. Хомич А.В. Экономия топлива и теплотехническая модернизация тепловозов / А.В. Хомич, О.Н. Тупицын. – М.: Транспорт, 1997. – 264 с.

4. Абрамчук Ф.И. Современные дизели: повышение топливной экономичности и длительной прочности / Ф.И. Абрамчук, А.П. Марченко, Н.Ф. Разлейцев. – К.: Техника, 1992. – 272 с.

5. Король С.А. Рычажно-кулачковый привод вала топливного насоса дизеля / С.А. Король, А.Л. Григорьев. -Харьков: Вестник ХГПУ, 1998. -№ 23.

6. Король С.А. Моторные испытания регулируемого привода топливного насоса автомобильного дизеля / С.А. Король, В.А. Елистратов, А.Л. Григорьєв. Кременчуг: Вестник КГПУ, 2003, № 6(23).

7. Єлістратов В.О. Комбінована паливна система дизеля / В.О. Єлістратов, С.О. Король, О.І. Кривенко, Т.Л. Крітіна. Кременчук: Науковий вісник ІЕНТ, 2005, № 3(9).