УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПЛУНЖЕРНОЙ ПАРЫ ТОПЛИВНОГО НАСОСА ДИЗЕЛЯ

Полезная модель относится к конструктивному выполнению технических средств контроля и испытания элементов и узлов двигателей внутреннего сгорания, в частности, для диагностики плунжерной пары топливных насосов дизелей путем снятия и анализа ее скоростной характеристики, в том числе по отдельным заданным точкам.
Из технической литературы известно, что скоростная характеристика плунжерной пары - это зависимость цикловой подачи топлива от угловой скорости (частоты) вращения кулачкового вала топливного насоса высокого давления при зафиксированном положении дозирующего органа. Скоростная характеристика наиболее информативно отображает потребительские свойства плунжерной пары и их зависимость от формы, размеров и состояния наполнительных и отсечных окон втулки плунжера, позволяет оценивать техническое состояние и потенциал работоспособности пары, величину и состояние зазора, местный износ прецизионных деталей и другие показатели по величине цикловой подачи. Идеальная скоростная характеристика плунжерной пары представляется на графике в прямоугольной системе координат XOY семейством восходящих прямых линий. В действительности ее график плавно искривляется: в области высоких угловых скоростей (частот) вращения кулачкового вала - вниз, в сторону оси ОХ, из-за ухудшения наполнения, а в области низких - вправо от вертикальной оси OY вследствие износа и увеличения зазора [Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1974.].
Известен способ диагностики плунжерной пары топливного насоса дизеля, при котором определяют скоростную характеристику плунжерной пары путем снятия зависимости цикловой подачи топлива в насосе, содержащим испытуемую плунжерную пару, нагнетательный клапан, трубопровод высокого давления и форсунку, от угловой скорости (частоты) вращения кулачкового вала насоса, вращаемого от вала привода устройства. Подачу топлива определяют при закрепленном дозирующем органе насоса и ступенчатом изменении скоростного режима, что осуществляется с помощью вариатора скорости электропривода стандартного контрольно-испытательного стенда. В источнике [Файнлейб Б.Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей. Справочник. - Л.: Машиностроение, 1974.] прямо указывается, что при высокой частоте вращения вала насоса, соответствующей номинальному режиму работы насоса, изменение зазора в плунжерной паре даже в широком диапазоне не влияет на основные показатели процесса впрыска в отличие от работы на пусковом режиме. По мере роста продолжительности эксплуатации зазор в плунжерной паре по причине износа увеличивается, следовательно, ухудшается ее техническое состояние. В работе [Кривенко П.М., Федосов И.М. Дизельная топливная аппаратура. - М.: Колос, 1970 с.132, 133] показана возможность диагностировать техническое состояние плунжерной пары по отдельным избранным точкам и степени крутизны и кривизны ее скоростных характеристик, для чего также используют серийный контрольно-испытательный стенд отечественного или зарубежного производства, с системой топливоподачи и контроля, аналогичной системе дизеля. Такой стенд включает электрический привод с вариатором скорости для изменения угловой скорости вращения кулачкового вала топливного насоса с диагностируемой плунжерной парой и панель с гнездами для закрепления форсунок и мензурками расходомера.
Известен также способ [Тарасов B.C. Износ плунжерных пар насоса УТН-5 и проверка их работоспособности // Техника в сельском хозяйстве, 1969, №10, с.74…76] диагностики плунжерной пары, при котором определяют разность величин цикловых подач в двух точках скоростной характеристики (номинальный и пусковой скоростные режимы; подача топлива соответственно: номинальная - она выставляется в каждом испытании по техническим требованиям; на пусковом режиме - измеряется по факту), при этом также используется серийный контрольно-испытательный стенд. С изменением технического состояния испытуемой пары меняется разность цикловых подач топлива для двух избранных скоростных режимов, что используется при диагностике в качестве параметра технического состояния плунжерной пары.
Известные способы диагностики плунжерной пары путем снятия ее скоростной характеристики и используемое для этого устройство в виде серийного стенда характеризуются низкой производительностью вследствие непроизводительных затрат рабочего времени при ручном переходе на каждый последующий скоростной режим снимаемой зависимости.
Известен также [А.с. СССР №1044808, Бюл. №36, опубл. 30.09.83. Автор: М.М. Кулаков. /Прототип/.] способ диагностики плунжерной пары, избранный в качестве прототипа, при котором снимают ее скоростную характеристику при периодически меняющейся угловой скорости в течение единичного цикла топливоподачи и поочередной смене направления вращения кулачкового вала, сообщающего возвратно-поступательное движение плунжеру диагностируемой плунжерной пары. Затраты рабочего времени на одно испытание уменьшаются, поскольку два последовательных впрыска топлива производят за один оборот вала привода в течение двух, прямого и обратного, полуоборотов кулачкового вала и при переменной в течение одного цикла топливоподачи угловой скорости, в среднем соответствующей номинальному и пусковому режимам работы. В способе поочередно используют обе боковые поверхности симметричного кулачка, разделяют между собой две последовательные цикловые дозы топлива и накапливают их объемы также раздельно в двух мензурках двухсекционного расходомера за установленное заранее число циклов подачи. Кривизна профилей обеих боковых поверхностей симметричного кулачка одинакова и обеспечивает идентичные законы подъема толкателя плунжера и тем самым допускает использование обратного вращения кулачкового вала. Переходы с одного скоростного режима на другой, одновременно со сменой направления вращения кулачкового вала, и разделение цикловых порций топлива происходят автоматически, без непроизводительных затрат рабочего времени на настройку очередного скоростного режима, что и обеспечивает повышение производительности. О техническом состоянии плунжерной пары судят по абсолютной разности величин подачи при прямом и обратном вращении кулачкового вала, или по относительному показателю - отношению разности подач к разности угловых скоростей кулачкового вала, которая во всех испытаниях постоянна и задается техническими требованиями.
Известный способ диагностики плунжерной осуществляется с помощью монтируемого на серийном контрольно-испытательном стенде устройства для диагностики плунжерной пары [. А.с. СССР №1044808, Бюл. №36, опубл. 30.09.83. Автор: М.М. Кулаков. /Прототип/.]. Устройство содержит корпус с кулачковым валом и толкателем, задающим плунжеру диагностируемой плунжерной пары возвратно-поступательное движение, и электрический привод с вариатором скорости и механическим преобразователем равномерного, с постоянной угловой скоростью, вращения вала электродвигателя в неравномерное вращение кулачкового вала с циклической сменой направления вращения. Данный преобразователь включен в кинематическую схему между вариатором скорости и устройством для диагностики и представляет собой кривошипно-кулисный механизм с качающейся кулисой, к которой присоединен кулачковый вал устройства с помощью разъемной муфты. Разделение между собой и накопление доз топлива, подаваемого плунжерной парой при прямом и обратном поворотах кулачкового вал, происходит с помощью двухсекционного расходомера.
Такое исполнение устройства [. А.с. СССР №1044808, Бюл. №36, опубл. 30.09.83. Автор: М.М. Кулаков. /Прототип/.], выбранного в качестве прототипа, обеспечивает требуемое неравномерное, с изменением направления, вращение кулачкового вала при равномерном вращении выходного вала вариатора скорости в электроприводе серийного стенда. В конечном итоге, за один оборот выходного вала вариатора получают сразу две точки на разных участках скоростной характеристики, что обеспечивает достижение заявленного технического результата. Недостатками устройства являются сложность конструкции, трудности динамического уравновешивания преобразователя в виде кривошипно-кулисного механизма с качающейся кулисой и повышенная шумность его работы.
Заявляемая полезная модель направлена на решение единой технической задачи упрощения конструкции, сокращения объема работ по динамическому уравновешиванию преобразователя вращения и снижения уровня шумности работы устройства для диагностики плунжерной пары топливного насоса дизеля.
Сущность ″Устройства для диагностики плунжерной пары топливного насоса дизеля″ в достаточной мере характеризуется наличием совокупности существенных признаков, принадлежащих прототипу [. А.с. СССР №1044808, Бюл. №36, опубл. 30.09.83. Автор: М.М. Кулаков. /Прототип/.]: корпус с кулачковым валом и толкателем; электрический привод с вариатором угловой скорости вращения; механический преобразователь равномерного вращения выходного вала электропривода в неравномерное вращение кулачкового вала.
Заявляемая полезная модель обеспечивает достижение технического результата за счет осуществления отличительных от прототипа признаков: преобразователь равномерного вращения выходного вала электродвигателя в неравномерное вращение кулачкового вала выполнен в виде пары равновеликих зубчатых колес некруглой эллиптической формы; относительный эксцентриситет начального кривой эллипса каждого зубчатого колеса равен 0,50 с варьируемым интервалом допустимых значений от 0,47 до 0,53; оси вращения эллиптических колес расположены с межцентровым расстоянием, равным длине большой оси эллипса, и каждая в отдельности совмещены с одним из фокусов соответствующего эллипса; отношение длины малой оси к длине большой оси начальной кривой эллипса зубчатых колес составляет 0,866 с варьируемым интервалом допустимых значений от 0,848 до 0,883; кулачковый вал снабжен двумя оппозитно расположенными в одной поперечной плоскости со смещением на 180 градусов равнобокими конгруэнтными кулачками, причем допустимо использование пары кулачков как тангенциального, так и дугового, выпуклого или вогнутого, профиля.
Упрощение конструкции обеспечивается факторами: 1) кривошипно-кулисный механизм с зубчатой передачей в прототипе является пятизвенным, тогда как механизм некруглых колес заявляемой полезной модели - трехзвенным [Левитин Ф.Л. Некруглые зубчатые колеса. - М.: Машгиз, 1956. - С.37, 136, 152]; 2) в механизме прототипа имеется, по крайней мере, шесть пар трения, а в механизме по заявке - только три. Ясно, что механизм с меньшим количеством кинематических звеньев и пар трения имеет меньшее число деталей и соединений и, следовательно, более простую конструкцию.
Упрощение работ по динамическому уравновешиванию устройства и сокращению их объема достигается с помощью реализованных в конструкции факторов: 1) уменьшение общего числа вращающихся и совершающих колебательное движение деталей, требующих предварительной индивидуальной статической и динамической балансировки, - с 7 в прототипе до 3 деталей в заявляемой модели; 2) наличие у кулачкового вала пары симметричных и уравновешенных относительно оси вращения конгруэнтных кулачков; 3) эллиптические колеса вращаются без смены направления, имеют правильную геометрическую форму, расположены в одной плоскости вращения, поэтому достаточно для них одной статической балансировки относительно одного из фокусов путем простых операций высверливания излишней массы или добавления недостающей.
Шумность работы преобразователя вращения прототипа обусловлена наличием большого числа подвижных деталей и пар трения с зазорами, возникновением инерционных сил и ударных нагрузок при остановке и смене направления вращения кулисы - в заявляемой модели действие этих и подобных факторов устранено полностью или ослаблено.
Оптимальное значение относительного эксцентриситета и его выражение в виде интервала значений также вносят вклад в получение технического результата, поскольку создают определенность выбора геометрических размеров деталей и компоновки преобразователя в процессе проектирования и изготовления изделия.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых изображены: на фигуре 1 - принципиальная схема устройства для диагностики плунжерной пары топливного насоса дизеля;
на фигуре 2 - схема исходного положения зубчатой передачи преобразователя, где:
2
3
- Ц и Ц - центроиды начальных эллипсов зубьев колес; точки А и В - мгновенные центры вращения эллиптических колес;
0
2
3
2
3
- Р - точка (полюс) соприкосновения центроид Ц и Ц или мгновенный центр вращения звеньев Ц и Ц в их относительном движении по прямой АВ;
- а - большая полуось эллипса;
- в - малая полуось эллипса;
1
2
- с - половина фокального расстояния F F в эллипсах;
1
2
- F и F - фокусы эллипса;
2
3
- точки O, О - центры эллипсов;
на фигуре 3 - схема положения зубчатой передачи при повороте ведущего эллиптического колеса на 60°;
на фигуре 4 - схема положения зубчатой передачи при повороте ведущего эллиптического колеса механизма на 150°;
на фигуре 5 - схема положения зубчатой передачи при повороте ведущего эллиптического колеса механизма на 180°;
на фигуре 6 - схема графического интегрирования функции передаточного отношения в механизме преобразователя движения;
на фигуре 7 - графики изменения углов поворота колес в преобразователе в зависимости от угла поворота ведущего звена, где:
- 1 - график углов поворота ведущего эллиптического колеса;
- 2 - график изменения углов поворота ведомого эллиптического колеса в зависимости от поворота ведущего эллиптического колеса;
- 3 - то же, по результатам геометрического моделирования на макетах эллиптических колес;
на фигуре 8 - график изменения угловой скорости ведомого эллиптического колеса в течение одного его полного оборота;
на фигуре 9 - график изменения угловой скорости ведомого эллиптического колеса в течение второго его полного оборота, где:
- 1 - график при эксцентриситете колес ε=0,50;
- 2 - тоже, при ε=0,60;
- 3 - линия, отображающая угловую скорость ведущего колеса;
на фигуре 10 - схема оптимизации и выбора пределов изменения относительного эксцентриситета эллиптических колес зубчатой передачи, где:
- 1 - кривая, отображающая взаимосвязь относительного эксцентриситета колес преобразователя и параметра характеристики закона вращения кулачкового вала;
- 2 - кривая распределения номинальной частоты вращения кулачкового вала в топливных насосах сельскохозяйственных дизелей.
Устройство для диагностики плунжерной пары топливного насоса дизеля (фиг.1) состоит из корпуса 1, в котором на подшипниках установлен кулачковый вал 2 с двумя конгруэнтными кулачками 3 и 4, расположенными диаметрально противоположно относительно друг друга и оси кулачкового вала 2, в одной поперечной к оси вала плоскости. Кулачки поочередно взаимодействуют с толкателем 5. В одном с толкателем 5 колодце корпуса 1 устанавливается на период испытания диагностируемая плунжерная пара 6 с контрольным нагнетательным клапаном 7. В корпусе 1 установлено зубчато-реечное дозирующее устройство 8 для изменения путем поворота и фиксирования величины активного хода плунжера диагностируемой пары 6 и, соответственно, цикловой подачи топлива. В корпусе 1 также выполнены каналы 9 для подвода и отвода дизельного топлива, используемого в качестве испытательной жидкости. К нагнетательному клапану 7 с помощью топливопровода 10 подключены контрольная форсунка 11 и распределитель 12 цикловых доз топлива, золотник которого жестко связан с кулачковым валом 2 постоянно замкнутой муфтой 13, например, шлицевого типа. Она служит также для изменения фазового положения распределительного паза золотника распределителя 12 и согласования с моментом начала подачи в плунжерной паре 6. Момент начала подачи топлива регулируют общеизвестным способом - изменением высоты толкателя либо с помощью регулировочного болта в корпусе толкателя, либо с помощью прокладок между корпусом толкателя и пятой плунжера. Начало подачи топлива можно дополнительно изменить поворотом корпуса 1 вокруг оси вала 2. Распределитель, дважды за один оборот кулачкового вала 2, подключает форсунку 11 поочередно, то к одному, то к другому мерному сосуду расходомера 14 так, что в одном сосуде собирается топливо, поданное, например, от кулачка 3, во втором сосуде - поданное только от кулачка 4. Рабочие профили кулачков 3 и 4 могут быть тангенциальными, дуговыми выпуклыми или дуговыми вогнутыми.
Электрический привод устройства включает электродвигатель 15 с вариатором скорости 16 и механический преобразователь 17 равномерного вращения выходного вала вариатора 16 в неравномерное вращение кулачкового вала 2. Для этого преобразователь 17 выполнен в виде зубчатых эллиптических колес 18 и 19 в форме цилиндра. Колесо 18 жестко связано с выходным валом вариатора 16 и является ведущим в паре. Колесо 19 является ведомым, закреплено на своем валу и соединено с кулачковым валом 2 с помощью разъемной шлицевой муфты 20, что используется для согласования момента начала подачи топлива в плунжерной паре с исходным или другим заданным положением зубчатой передачи преобразователя вращения 17. Оси вращения обоих эллиптических колес 18 и 19 совмещены с фокусами образующих эллипсов по схеме, указанной на фиг.2.
Действует устройство (фиг.1) следующим образом. Крутящий момент от электродвигателя 15 через вариатор скорости 16 подается на ведущее эллиптическое колесо 18 преобразователя 17, через него - на ведомое эллиптическое колесо 19, далее - на кулачковый вал 2. В преобразователе 17 вращение выходного вала электропривода (ведущего эллиптического колеса 18), с постоянной угловой скоростью, преобразуется в неравномерное вращение ведомого эллиптического колеса 19 и кулачкового вала 2. В исходном положении (фиг.2) производится первый впрыск топлива через форсунку 11, допустим, с помощью кулачка 3, а после поворота ведущего эллиптического колеса 18 и соответственно ведомого эллиптического колеса 19 на угол 180° - производится второй впрыск уже с помощью кулачка 4, но при другой, более высокой, скорости вращения кулачкового вала 2. Вследствие различия угловых скоростей вращения кулачкового вала 2 и соответствующего различия скоростей движения плунжера диагностируемой пары 6 различаются и объемы цикловых подач при первом и втором впрысках топлива (второй объем больше, различие возрастает по мере износа плунжерной пары). Каждая из двух последовательных доз топлива с помощью распределителя 12 по отдельному трубопроводу направляется в 2-х секционный расходомер 14, где дозы топлива накапливаются и раздельно измеряются с помощью мерных сосудов.
Преобразователь 17 включает пару равновеликих цилиндрических некруглых эллиптических колес, поэтому они имеют равные углы поворота за полный цикл движения, т.е. оба колеса совершают равное количество полных оборотов за равные отрезки времени. Однако угловые скорости вращения этих колес различны в любые моменты времени, соотношение скоростей оценивается, например, с помощью функции передаточного отношения, значения которой определяются угловой координатой ведущего колеса и зависят также от эксцентриситета образующих эллипсов, что будет рассмотрено ниже.
Теория расчета, проектирования и изготовления некруглых зубчатых колес в настоящее время развита достаточно полно и изложена, например, в работах Ф. Левитина [Справочник конструктора точного машиностроения, ред. Левитин Ф. - М.: 1964.] или в работе [Озол О.Г. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1984.]. Известны многие патенты РФ по применению некруглых зубчатых колес в различных отраслях техники (2285168, 2390406, 2475664 и др.). В Интернете размещены видеоролики, фотогалереи и другие демонстрационные материалы по некруглым зубчатым передачам, свидетельствующие о работоспособности подобных механизмов.
Начальная кривая некруглого колеса может иметь форму эллипса, овала или какой-либо другой линии, составленной не только из выпуклых, но и вогнутых участков, как это показано в каноническом учебнике ТММ акад. Артоболевского И.И. [Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1975. - 640 с]. Основные положения синтеза трехзвенного центроидного механизма, изложенные в учебнике, используется нами далее при доказательстве работоспособности полезной модели.
2
2
2
3
3
3
2
Вращение ведущего колеса Ц (фиг.2) происходит вокруг собственного мгновенного центра вращения А, совмещенного с фокусом  эллипса, и характеризуется углом φ поворота большой оси эллипса и постоянной угловой скоростью ω. Вращение ведомого колеса Ц совершается вокруг мгновенного центра В, совмещенного с фокусом , и характеризуется углом φ поворота большой оси эллипса и переменной угловой скоростью ω, находящейся в функциональной зависимости от угла поворота ведущего колеса Ц. Оба эллиптических колеса 18 и 19 механизма имеют по два фокуса, расположенных справа и слева от центра эллипса на большой оси. Оси вращения колес размещаются в фокусах  и  и так, чтобы межцентровое расстояние в зубчатом зацеплении равнялось длине большой оси эллипса, т.е. АВ=2а.
o
2
3
Закон движения ведущего и ведомого колес задается как в виде функции положения, так и в виде функции передаточного отношения. В работоспособной зубчатой паре эллиптических колес мгновенный центр вращения зубчатых эллиптических колес в их относительном движении должен постоянно находиться на прямой АВ (фиг.2) и совпадать с точкой P соприкосновения центроид Ц и Ц, т.е. должно удовлетворяться условие, выражаемое соотношением (19.7), приводимым в [Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1975. - 640 с]. Для решения задачи проверки работоспособности полезной модели с приводом в виде пары эллиптических колес ниже применен геометрический метод, дополненный наложением на чертежи макета эллипса колес, изготовленного из пластины целлулоида в масштабе чертежа и имеющего размеры: а=30 мм, в=26 мм, с=15 мм. Контур макета выполнен по правилу построения эллипсов, описанному в справочнике по математике [Рывкин А.А. и др. Справочник по математике. - М.: Высшая школа, 1970.] как Способ проективных пучков.
2
3
2
3
2
o
2
2
o
2
В качестве начального положения сопряженных центроид Ц и Ц принято положение, при котором углы поворота центроид от направления АВ равны нулю, а фокусы эллипсов расположены на направлении АВ (фиг.2). Положения мгновенных центров вращения эллипсов центроид в их относительном движении получим как точки пересечения центроид с линией АВ, соединяющей центры вращения колес, совмещенные с фокусами  и  для чего радиусом, равным междуфокусному расстоянию , или , проведем вокруг точек А и В две окружности Q и Q соответственно. Окружность Q от точки P ее пересечения с линией АВ разделим на двенадцать равных по длине дуг и проведем через их концы из точки А лучи, в результате получим вокруг центра А двенадцать центральных углов φ, равных 30° каждый и описывающих закон вращения ведущего колеса. Точки пересечения лучей с центроидой Ц обозначим как 1″; 2″; 3″; …; 12″. Из точки А радиусами А-2″, А-3″ и т.д. проведем дуги до пересечения с прямой АВ и получим точки соответственно  На фиг.2, во избежание перегрузки чертежа, изображены только точки P, получаемые при повороте центроиды Ц из начального положения на угол 60, 150 и 180°.
o
3
2
3
2
Полученное семейство точек P, являющихся мгновенными центрами вращения ведущего и ведомого колес преобразователя в их относительном перемещении, затем используем для определения углов φ поворота ведомого колеса вокруг точки В, т.е. изменения его положения в процессе функционирования передачи. Для каждого угла поворота центроиды Ц выполняются одинаковые геометрические построения по определению соответствующих углов φ, поэтому ниже приводятся только построения для углов φ, равных 60 и 150 градусам.
2
3
2
2
2
2
2
3
3
3
2
3
2
3
Поворот центроид Ц и Ц будем контролировать по углу поворота больших осей эллипсов, на которых располагаются их фокусы. Повернем большую ось центроиды Ц из исходного горизонтального положения (фиг.2) на угол φ=60° против часовой стрелки до совпадения с диаметром 5-А-11 окружности Q и отметим, что фокус  переместится по дуге окружности Q в точку 5. Наложим на чертеж (фиг.3) макет эллипса, так чтобы его большая ось совместилась с диаметром 5-А-11 окружности Q, а оба фокуса - с точками А и 5. Обведем на чертеже контур макета и обозначим точку его пересечения с прямой АВ как мгновенный центр  вращения колес в их относительном движении. Проведем через точки 5 и  прямую линию до ее пересечения с линией окружности Q в точке 3′′′, после чего из центра В проведем через эту точку 3′″ луч, который определит положение большой оси эллипса Ц и величину угла φ его поворота в результате взаимодействия колес. Совместим фокусы макета эллипса с точками В и 3′″, а его большую ось - с направлением луча В-3′″ и вычертим контур макета. Убедимся, что точка соприкосновения контуров Ц и Ц совпадает с мгновенным центром , находящимся на линии центров АВ, что и является подтверждением работоспособности зубчатой передачи преобразователя с эллиптическими колесами [Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1975]. Результаты измерений с помощью транспортира показали, что при повороте ведущего колеса на угол (φ=60° ведомое колесо повернулось только на угол φ=23°, т.е. в позиции, представленной на фиг.3, ведущее колесо имеет более высокую мгновенную скорость вращения, чем ведомое колесо.
2
3
2
2
3
2
На фиг.4 показано совпадение точки соприкосновения центроид Ц и Ц с соответствующим мгновенным центром  в новом положении механизма после поворота центроиды Ц на угол 150°, откуда следует, что при повороте ведущего колеса преобразователя на угол φ=150° ведомое колесо повернулось на угол φ=105°. Построения выполнены по всем двенадцати означенным углам поворота центроиды Ц, с чередованием через 30°, и, по существу, являются экспериментом по проверке работоспособности механизма.
3
2
o
2
3
3
2
Зависимость угла поворота ведомого колеса Ц от поворота ведущего колеса Ц была получена и другим путем, описанным в [Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1975. - 640 с], для чего вначале измерили расстояния мгновенных центров P вращения до точек А и В (фиг.2), а затем по формуле (19.11), приведенной в [Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1975. - 640 с], рассчитали соответствующие значения функции передаточного отношения в зубчатой паре механизма для каждого значения угла поворота колеса Ц и построили график угловой скорости ведомого колеса, принимая угловую скорость ведущего колеса за единицу (фиг.6). Затем, руководствуясь рекомендациями [Рывкин А.А. и др. Справочник по математике. - М.: Высшая школа, 1970.], выполнили графическое интегрирование функции угловой скорости ведомого колеса Ц (фиг.6) и получили график зависимости угла его поворота φ от угла φ (фиг.7). Здесь же приведен ступенчатый график этой зависимости по результатам моделирования с макетом эллиптического колеса. Сравнение этих графиков показывает их близкое совпадение.
2
3
2
Используя график на фиг.6, формулу (19.11) из источника [Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.; Наука, 1975.] и принимая ω=1, построим (фиг.8 и фиг.9) графики изменения угловой скорости кулачкового вала от угла его поворота за два последовательных оборота. Графики зависимости ω=f(φ) построим для двух значений эксцентриситета эллиптических колес зубчатой передачи (ε=0,50 и 0,60), чтобы продемонстрировать влияние эксцентриситета на угловую скорость кулачкового вала.
3
2
2
2
3
3
Из графиков на фиг.8 и фиг.9 следует, что кривая зависимости ω=f(φ) имеет в первом обороте вала один минимум при φ=0° и один максимум при φ=180°; во втором обороте - минимум при 360°, а максимум при 540° и т.д. Из графика видно, что изменение эксцентриситета центроиды колес зубчатой передачи изменяет величины минимума и максимума угловой скорости ведомого звена ω. При увеличении эксцентриситета ε максимум функции ω возрастает, а минимум - снижается; при уменьшении эксцентриситета максимум - снижается, а минимум - возрастает. При эксцентриситете равном ε=0 их точки сливаются на линии 3 графиков фиг.8 и фиг.9. Точки минимума и максимума смещены между собой по углу поворота кулачкового вала на 180°. На такой же угол 180° сдвинуты между собой кулачки 3 и 4 кулачкового вала 2 устройства (фиг.1), что позволяет при настройке последнего выставить момент начала подачи топлива плунжерной парой так, чтобы он совпадал с точками минимума и максимума. Например, если момент начала подачи топлива кулачком 3 совместить с точкой минимума, тогда начало подачи топлива кулачком 4 будет иметь место при максимуме угловой скорости кулачкового вала 2. Указанную настройку устройства для диагностики плунжерной пары выполняют с помощью эталонной плунжерной пары путем регулировки высоты толкателя 5, муфт 13 и 20, а также переставляя при необходимости колеса 18 и 19 в зацеплении, например, на 1 или 2 зуба. Могут быть и другие варианты настройки устройства.
2
Аналитическое выражение зависимости между эксцентриситетом эллиптических колес зубчатой передачи преобразователя и угловой скоростью вращения кулачкового вала устройства получим, преобразовав формулу (19.11) [Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1975.] и приравнивая в ней ω=1:
o
o
Из исходного положения механизма (фиг.2) следует, что AP=(α-с) и BP=(α+с}, поэтому после подстановки в (1) имеем:
или, после замены ε=c/α и c=(ε×α), окончательно получим:
Аналогичным образом получим выражение для точки максимума угловой скорости кулачкового вала в положении механизма после поворота колес на 180° (фиг.5):
С целью оптимизации значений эксцентриситета е и допускаемых пределов его изменения при проектировании, введем параметр характеристики закона вращения кулачкового вала в виде:
Подставив в формулу (4) значения максимума и минимума угловой скорости из (2) и (3), получим выражение для расчета параметра ξ в зависимости от эксцентриситета эллиптических колес:
0,50
0,60
Зависимость (5) представлена на фиг.10 в виде выпуклой вверх, восходящей кривой 1, асимптотически приближающейся к горизонтальной линии ε=1. Подставим в (5), например, значение ε=0,50 и получим ξ=9, а после подстановки ε=0,60 имеем значение параметра ξ=16, что полностью согласуется с фиг.8 и фиг.9 (кривые 1 и 2).
-1
В соответствии с отличительными признаками способа и устройства, описанными в аналоге [Тарасов B.C. Износ плунжерных пар насоса УТН-5 и проверка их работоспособности // Техника в сельском хозяйстве, 1969, №10,] и в прототипе [А.с. СССР №1044808, Бюл. №36, опубл. 30.09.83. Автор: М.М. Кулаков. /Прототип/], для получения требуемого технического результата определяют цикловую подачу топлива при двух заданных и различных значениях частоты (или угловой скорости) вращения кулачкового вала устройства. Различие должно быть достаточно значимым, чтобы компенсировать или уменьшить систематические и случайные погрешности измерений, способные исказить результаты диагноза. Выше было отмечено, что в качестве таких значений принимают номинальную и пусковую частоту вращения вала насоса дизеля, соответствующие номинальной и пусковой подаче. Это отражено в технических требованиях на ремонт топливной аппаратуры. Номинальная частота вращения кулачкового вала определяется маркой дизеля и степенью его форсирования, поэтому различна для разных дизелей, тогда как пусковая частота вращения для сельскохозяйственных дизелей принята одинаковой и равной 100 мин [Топливная аппаратура автотракторных и комбайновых двигателей. Технические требования на капитальный ремонт. - М.: ГОСНИТИ, 1989. - С.252, 263, 264-265.].
ном
ном
п
ном
пуск
-1
-1
По литературным данным и техническим требованиям на ремонт дизельной топливной аппаратуры нами выполнено статистическое исследование по определению закона и параметров распределения случайной величины n - ″номинальная частота вращения кулачкового вала топливного насоса сельскохозяйственного дизеля″. В результате установлено: закон распределения - нормальный, математическое ожидание номинальной частоты вращения М(n)=918,1 мин; среднее квадратическое отклонение б=160,3 мин, коэффициент вариации v=0,175. Наклон скоростной характеристики плунжерной пары можно оценивать, например, по разности частот вращения кулачкового вала на номинальном и пусковом режимах работы насоса δ=(n-n), однако удобнее пользоваться безразмерным показателем в виде:
ном
пуск
ζ=n/n, где:
ном
- n - номинальная частота вращения кулачкового вала;
пуск
- n - пусковая частота вращения кулачкового вала.
-1
Учитывая фиксированное значение пусковой частоты вращения кулачкового вала при диагностике равное 100 мин, окончательно имеем:
ном
Из теории вероятностей [Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1969. - С.124, 125.] следует, что изменение масштаба случайной величины не изменяет закон ее распределения, изменяются лишь численные значения математического ожидания и дисперсии. Поэтому относительная величина ζ, назовем ее параметром заданных требований диагностики плунжерной пары, как и величина n, имеет нормальное распределение, но с математическим ожиданием М(ζ)=9,18 и средним квадратическим отклонением б=1,60, а график плотности распределения совпадает с кривой 2 на фиг.10, где по оси Х вместе со значениями величины ξ в том же масштабе отложены и значения параметра ζ (фиг.10). Параметры ξ, и ζ имеют один порядок, один физический смысл и тождественно отображают соотношение максимумов и минимумов угловой скорости и частоты вращения кулачкового вала. В первом случае это соотношение должно обеспечиваться конструкцией устройства, во втором - продиктовано требованием со стороны способа диагностики, т.е. имеет место равенство:
Примем в качестве критерия оптимизации эксцентриситета зубчатых колес преобразователя параметр ζ, подставим его математическое ожидание М(ζ) в формулу (5) вместо ξ и запишем целевую функцию оптимизации эксцентриситета колес как
опт
а затем решим это уравнение относительно ε:
опт
опт
Подставим в формулу (9) значение М(ζ)=9,18 и получим ε=0,504, которое округлим до ближайшего ″круглого″ числа и будем окончательно иметь ε=0,50.
Пределы изменения оптимального эксцентриситета колес установим, приняв их равными ординатам точек g и h пересечения кривых 1 и 2 на фиг.10: нижний предел - 0,47; верхний предел - 0,53. В эти пределы укладываются более 70% [Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Наука, 1969. - С.124, 125.] всех используемых в сельском хозяйстве дизелей.
Процесс проектирования зубчатой передачи, очевидно, целесообразно начинать с выбора длины большой оси эллипса начальной кривой - 2а (фиг.2), исходя из требований к габаритам преобразователя вращения. Длину 2b малой оси эллипса находят, преобразуя формулы для величин с и ε [Артоболевский И.И. Теория механизмов и машин. - М.: Наука, 1975] к виду:
Затем, обозначив λ=b/α и подставив b в (10), получают окончательную формулу для определения оптимального соотношения длин осей и выбора длины малой оси в зависимости от длины большой оси зубчатого колеса:
После подстановки в (11) оптимальных значений и пределов интервала варьирования относительного эксцентриситета ε зубчатых колес, получим, что отношение λ длины малой оси к длине большой оси начальной кривой эллипса зубчатого колеса будет составлять 0,866 при варьировании допустимых значений в интервале от 0.848 до 0,883, что, например, для среднего, дает равенство 2b=2α·0,866=1,732α.
-1
-1
При настройке входному валу преобразователя можно задавать частоту вращения, например, 300 мин, отсюда условные ″мгновенные частоты″ вращения кулачкового вала в точках минимума и максимума (фиг.8 и фиг.9) составят 100 и 900 мин, т.к. 300·0,333=100 и 300·3=900.