Исследование изнашивания плунжерной пары топливного насоса дизельного двигателя

DOI: 10.24143/2073-1574-2018-3-70-77 УДК 621.43

А. П. Перекрестов, М. А. Саидов, С. М. Ногамирзаев

ИССЛЕДОВАНИЕ ИЗНАШИВАНИЯ ПЛУНЖЕРНОЙ ПАРЫ ТОПЛИВНОГО НАСОСА ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ

Выполнение требований современных международных стандартов для дизельного топлива (например, снижение содержания соединений серы) приводит к возникновению проблемы ухудшения смазывающих свойств топлива. Практика использования глубокоочищенных топ-лив в ряде стран Западной Европы и США доказывает: снижение содержания вредных веществ в выхлопных газах сопровождается преждевременным выходом из строя прецизионных пар топливоподающей аппаратуры, в т. ч. и плунжерных пар топливных насосов высокого давления, как следствие - потеря мощности, увеличение расхода топлива, повышение дымно-сти отработавших газов. Для решения проблемы изнашивания конструктивной пары «плунжер-втулка» с позиций усталостной теории износа поставлена и решена задача изучения физико-механического процесса изнашивания их контактирующих поверхностей. Стохастический характер разрушений микрообъёмов, происходящих на контактирующих поверхностях плунжерной пары в микро- и макромасштабах, действие температурных градиентов затрудняют получение полного математического описания основных процессов, влияющих на механизм и интенсивность их изнашивания. В этом случае для процесса моделирования целесообразно использовать анализ размерностей физических величин, характеризующий трение и в большей мере износ тел. Эмпирический опыт науки о трении и износе позволяет представить влияние тех или иных факторов на исследуемый процесс. В связи с отсутствием возможности математического описания влияния всех факторов на процесс изнашивания плунжерной пары использован метод теории анализа размерностей. В результате получены критериальные соотношения, позволяющие судить о качественной связи параметров действующих факторов.

Ключевые слова: дизельные двигатели, топливная аппаратура, дизельное топливо, смазывающие свойства, плунжерная пара, трение, износ.

Введение

Система топливоподающей аппаратуры судовых энергетических установок (СЭУ), оснащенная соответствующими устройствами управления, является одной из основных систем судна. Среди элементов топливной аппаратуры высокой надёжностью должна обладать плунжерная пара топливного насоса высокого давления, предназначенная для осуществления подачи и распределения топлива. Исправность плунжерной пары зависит в основном от её главных элементов - плунжера и втулки, надёжность работы которых определяет срок службы, периодичность и затраты техническое обслуживание СЭУ, их технические характеристики. Однако в связи с принятием международной морской организацией (1МО) новых инструкций «Приложения VI» к MARPOL 73/78, устанавливающих глобальное ограничение содержания серы в топливе судовых дизелей, а также с введением новых европейских стандартов на качество дизельного топлива (Е№90), возникла проблема - сохранение смазывающей способности топлива, что ведёт к повышению изнашивания прецизионных пар топливной аппаратуры, в т. ч. и плунжерной пары топливного насоса высокого давления. Для решения этой проблемы с позиций усталостной теории износа поставлена и решена задача изучения физико-механического процесса изнашивания пары «плунжер-втулка». Сложный комплекс взаимосвязанных физико-химических явлений, которые происходят на контактирующих поверхностях плунжерной пары в микро- и макромасштабах, приводит к изменению физико-химических свойств материалов этих поверхностей в пятнах фактического контакта, действие температурных градиентов, стохастический характер разрушения микрообъёмов затрудняют получение полного математического описания основных процессов, влияющих на механизм и интенсивность их изнашивания. В связи с отсутствием исходных уравнений, содержащих в своей структуре связь всех влияющих факторов, для процесса моделирования целесообразно использовать анализ размерностей физических величин, характеризующий трение и, в большей степени, износ тел. Богатый эмпирический опыт науки о трении и износе, достаточно широко освещённый в специальной литературе и обобщённый в немногих монографиях, позволяет представить влияние тех или иных факторов

на исследуемый процесс [1-3]. Установить определённую форму зависимости между переменными величинами, обуславливающими изнашивание поверхностей плунжерной пары, позволила обработка фактического материала, экспериментального изучения изнашивания конусного уплотнения распылителя форсунки [4].

Описание физико-механического процесса изнашивания плунжерной пары

На рис.1а изображена графическая модель процесса продвижения плунжера в плунжерной втулке, где показаны кинематические характеристики: скорость, сила замыкания и масса контактирующих элементов М (индексами 1 и 2 обозначены подвижные и неподвижные элементы пары трения соответственно) пары «плунжер-втулка».

М2

Р, V, М1

р1

р2

г R

ць Еь Н1

Х-2, Ц-2, Е2, Н2

б

а

А

г

в

А

с

Рис. 1. Графическое изображение физической модели процесса продвижения плунжера в плунжерной втулке

Разогрев элементов пары трения зависит от параметров (рис. 1б):

- теплопроводности -

- плотности элементов пары трения - р1, р2;

- температуры контактирующих поверхностей - 0Ь 02;

- температуры топлива - 0Т. На рис. 1в, г представлены:

1) модель образования площадей контакта:

- номинальной - Аа;

- фактической - Аг;

- контурной - Ас;

2) модель взаимодействия единичных микронеровностей:

- N - сила реакции поверхности;

- R - сила сопротивления движению.

Для полного раскрытия связи между всеми процессами, одновременно протекающими в зоне трения, на рис. 2 изображена структурная модель сложного процесса продвижения плунжера во втулке.

Исходные свойства Система

диагностируемых «плунжер-втулка»

материалов

Функциональные свойства системы

I

Геометрический уровень

Тепловой уровень

Средняя температура поверхностей трения

Температура топлива

Теплопроводность материалов трения

Теплопроводность топлива

Силовой уровень

Нагрузка на фрикционном уровне

Локальная нагрузка в критических точках

Напряжённое состояние

Динамические нагрузки

Информационный уровень

_I_

Вторичные структуры и пленка на контакте материалов

Изменение модуля упругости и микротвёрдости поверхностей контакта

Динамические эффекты: изменения коэффициента трения и интенсивности изнашивания

Локальные разрушения материалов

Рис. 2. Структурная развивающая модель реальной сложной многоуровневой трибологической системы «плунжер-втулка»

Применение метода теории анализа размерностей

При изучении физического износа плунжерной пары топливного насоса установлен ряд факторов, влияющих на износ этого узла трения (табл.) [5].

Факторы, влияющие на износ плунжерной пары топливного насоса

Параметр Формула размерности Критерии

Жёсткость пружины, 2 ИТ1 Базисные параметры

Температура плунжера и втулки, 0 0 2

Число хода плунжера в единицу времени, п Т1

Высота микронеровности, Я ь2

Цикловая подача топлива, д И II 2 п

Давление затяжки пружины, Р мь-1т2 ПР =- Р г

Масса подвижных деталей плунжерной пары, т М тп2 "т = —

Предел выносливости материалов плунжера и втулки, а_, ь2МТ а

Время изнашивания, Т Т I З3

Температура топлива, 0Т 0 9т

Плотность материалов плунжера и втулки, р МЬ рп4 Я3 Пр= 22

Твердость поверхности материалов плунжера и втулки, Н ь-2мТ НЯ ПН = ^

Диаметр пятна износа, D ь D

Коэффициент теплопроводности поверхности плунжера и втулки, X Ь2М2Г60-2 хе х 2 гпЯ

Коэффициент теплопроводности топлива, Хт ШГ}0-2 хт7ё Пхт = 2п4к

Модуль упругости, Е МЫ ЕЯ ПЕ = ^

Тогда общее уравнение износа можно представить в форме

Iь = f (д; Н; Я; 2; Р; т; п; Т; 9; р; D; 9'; X; Хт; Е).

Обобщённые переменные, содержащие значительно больше информации, чем обычные бинарные зависимости, получены методом определителей. В качестве базисных выбраны следующие факторы:

- жёсткость пружины, 2 [М1Т2];

— число ходов плунжера в единицу времени, п [Т-1];

- среднеарифметическая высота микронеровности, R [Ь2];

— температура поверхности плунжера и втулки, 0 [02].

Каждый фактор выражается в системе СИ при помощи формулы размерности, которая имеет четыре основные единицы: М- масса; X - длина; Т- время; 0 - температура. Размерность каждого объединённого фактора зависит от числа одинаковых, одновременно учитываемых величин. Поэтому размерность, например, температуры поверхностей плунжера и втулки [02], а не [0], поскольку учитывается средняя температура двух тел. Независимость базисных факторов можно проверить, составив определитель из показателей степени основных единиц измерения при размерностях: 2; п; R; 0. По правилу Крамера, если определитель системы не равен нулю, то решение единственно [6].

Результаты исследований

На основании второй теоремы подобия функциональную зависимость износа сопряжения можно выразить следующим образом:

ь=/

(дп^ Р^Я тп2 с—Я ; рп4Я3 НЯ . Х9 ; ХТУ9 ; ЕЯЛ

1 г1;

2' 2 ' 2 ' 22 ' ' 79' 22 22 ' уЯ' 22пЯ 2П4Я' 22 ,

Анализ полученных критериев и их группирование в соответствии с физической сущностью характеризуемых явлений позволяют представить критерии подобия в виде обобщённых комплексов [7].

Комплекс Фд, характеризующий динамику напряжённого состояния контакта:

р п6тл[я

Ф =J

EP

Комплекс Ф поверхностей:

уст, используемый для характеристики усталостной прочности трущихся

<5_хТп

Ф =

уст

H

Комплекс Фсм, определяющий относительную толщину смазочного слоя в контакте:

I

Ф. =-

6T Dq^nk

В случае механического разрушения поверхностей интенсивность изнашивания Iк целесообразно находить в виде зависимостей, описывающих процесс следующими физически информативными (безразмерными) обобщёнными факторами:

I. = kфДфУ Ф ,

к д уст см'

где £ - коэффициент согласования; х, у, г - степенные показатели.

С помощью полученных экспериментальных данных [4] появляется возможность определить коэффициенты в критериальном уравнении, описывающем процесс изнашивания плунжерной пары в безразмерных физически информативных комплексах:

- 1к = 1,814 фд,9фу;3тфс;2 - топливо с содержанием серы 0,035 %;

- 1к = 1,156 фд,1ф1у;2тф°м9 - топливо с содержанием серы 0,2 %;

- 1к = 1,257 ф^фу^см - топливо с содержанием серы 0,035 % с введённой в него проти-

воизносной присадкой [8].

Аппроксимируя исходные данные методом наименьших квадратов, получим кривые, описывающие исследуемый процесс (рис. 3).

Рис. 3. Интенсивность изнашивания плунжерной пары

Выводы

1. Учитывая в условиях непрерывного смазывания образование на поверхностях граничного слоя, наличие в сопряжении «плунжер-втулка» силы трения и многократное повторение аналогичного процесса позволяет применить для расчёта интенсивности его изнашивания модель усталостного механизма фрикционного разрушения поверхностей.

2. В связи с отсутствием возможности математического описания влияния всех факторов на процесс изнашивания плунжерной пары, целесообразно судить о качественной связи параметров, определяющих этот процесс, используя метод теории анализа размерностей.

3. Изучение экспериментального материала, полученного при исследовании износа конусного уплотнения распылителя форсунки, позволило получить коэффициент согласования и степенные показатели в критериальном уравнении, описывающих интенсивность изнашивания плунжерной пары, и уравнения для определения величины износа в диапазоне интервала проведённого эксперимента.

СПИСОК ЛИТЕРА ТУРЫ

1. Saidov M. A., Perekrestov A. P. Influence of nanodispersed modifications of magnetite powders on spray nozzle efficiency of diesel engine injector // IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science. 2017. Vol. 87. № 8. Article number 082042. P. 141-153.

2. Башуров Б. П., Чебанов В. С. Оценка функциональной надежности элементов топливной системы судовых дизелей в условиях эксплуатации // Двигателестроение. 2010. № 1. С. 34-36.

3. Агеев Б. С., Чурсин В. В. Повышение эксплуатационной надежности топливовпрыскивающей аппаратуры дизелей // двс. Тр. ЦНИИ ТЭИ Тяжмаш. 1981. Вып. 34. С. 50-55.

4. Перекрестов А. П., Саидов М. А. Прогнозирование изнашивания пары форсунка-игла с помощью теории размерности // Проблемы динамики и прочности исполнительных механизмов и машин: тез. докл. III Междунар. науч. конф. (Астрахань, 10-12 сентября 2007 г.). Астрахань: Изд-во АГТУ, 2007. С. 82-83.

5. Пахомов Ю. А., Коробков Ю. П., Дмитриевский Е. В., Васильев Г. Л. Топливо и топливные системы судовых дизелей. М.: РКонсульт, 2004. 496 с.

6. Гухман А. А. Введение в теорию подобия. М.: Высш. шк., 1973. 278 с.

7. Перекрестов А. П., Саидов М. А., Роткин В. М. Моделирование процесса изнашивания узлов трения топливной аппаратуры // Механика и процессы управления: тр. XXXVI Урал. семинара (Миасс, 26 декабря 2006 г.). Екатеринбург: УрО РАН, 2006. Т. 1. С. 259-264.

8. Пат. 2276681 Российская Федерация. Противоизносная присадка / Перекрестов А. П., Сычева А. А. Опубл. 20.05.2006, Бюл. № 14.

Статья поступила в редакцию 24.04.2018

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ

Перекрестов Аршавир Петрович — Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; д-р техн. наук, профессор; профессор кафедры механики и графики; Pap1943@rambler.ru.

Саидов Муслим Абдуллаевич — Россия, 364051, Грозный; Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М. Д. Миплионщикова; канд. техн. наук, доцент; зав. кафедрой прикладной механики и инженерной графики; Saidoff@bk.ru.

Ногамирзаев Сулиман Мовлдиевич - Россия, 364051, Грозный; Грозненский государственный нефтяной технический университет имени академика М. Д. Миплионщикова; зав. лабораторией кафедры прикладной механики и инженерной графики; nogamirzaev93@mail.ru.

A. P. Perekrestov, M. A. Saidov, S. M. Nogamirzaev

RESEARCH OF WEAR OF PLUNGERS AND BUSHINGS OF THE FUEL PUMP OF THE DIESEL ENGINE

Abstract. Compliance with the requirements of the new international standards for diesel fuel (for example, reduction of sulfur compound content) poses a new problem: the lubricating properties of the fuel deteriorate. The experience of the use of highly purified fuels in a number of countries of Western Europe and the United States showed that the reduction of harmful substances in the exhaust gases is accompanied by premature failure of precision pairs of fuel equipment, including plunger pairs of high-pressure fuel pumps, as a result of power losses, increased fuel consumption, increased fluidity of exhaust gases. To solve the problem of wear of the structural pair "plunger-bushing" in this work, the problem of studying the physical and mechanical process of wear of their contacting surfaces from the standpoint of fatigue wear theory is set and solved. The stochastic nature of the destruction of micro-volumes occurring on the contacting surfaces of the plunger pair in the micro-and macro-levels, the influence of temperature gradients make it difficult to obtain a complete mathematical description of the main processes affecting the mechanism and the intensity of their wear. The absence of equations that reflect the relationship of all factors affecting the wear process, it is advisable to use the analysis of the dimension of the physical quantities characterizing the friction and wear of parts for the modeling process. The empirical experience of the science of friction and wear allows us to imagine the influence of certain factors on the process under study. Due to the lack of the possibility of mathematical description of the influence of all factors on the process of wear of the plunger pair, the method of the theory of analysis of dimensions is used. As a result, the criterion relations are obtained, allowing judging the qualitative relationship of the parameters of the acting factors.

Key words: diesel engines, fuel equipment, diesel fuel, lubrication properties, plunger pairs, friction, wear.

REFERENCES

1. Saidov M. A., Perekrestov A. P. Influence of nanodispersed modifications of magnetite powders on spray nozzle efficiency of diesel engine injector. IOP Conf. Series: Earth and Environmental Science, 2017, vol. 87, no. 8, article number 082042, pp. 141-153.

2. Bashurov B. P., Chebanov V. S. Otsenka funktsional'noi nadezhnosti elementov toplivnoi sistemy su-dovykh dizelei v usloviiakh ekspluatatsii [Evaluating functional stability of fuel system elements on marine diesel engines under operation]. Dvigatelestroenie, 2010, no. 1, pp. 34-36.

3. Ageev B. S., Chursin V. V. Povyshenie ekspluatatsionnoi nadezhnosti toplivovpryskivaiushchei appa-ratury dizelei [Rise of operational reliability of fuel injection equipment of diesel engines]. DVS. Trudy TsNII TEI Tiazhmash, 1981, is. 34, pp. 50-55.

4. Perekrestov A. P., Saidov M. A. Prognozirovanie iznashivaniia pary forsunka - igla s pomoshch'iu teorii razmernosti [Forecasting wear of a pair 'burner-needle' using theory of dimension]. Problemy dinamiki i prochnosti ispolnitel'nykh mekhanizmov i mashin: tezisy dokladov III Mezhdunarodnoi nauchnoi konferentsii (Astrakhan', 10-12 sentiabria 2007g.). Astrakhan, Izd-vo AGTU, 2007, pp. 82-83.

5. Pakhomov Iu. A., Korobkov Iu. P., Dmitrievskii E. V., Vasil'ev G. L. Toplivo i toplivnye sistemy sudovykh dizelei [Types of fuel and fuel systems of marine diesel engines]. Moscow, RKonsul't Publ., 2004. 496 p.

6. Gukhman A. A. Vvedenie v teoriiu podobiia [Introduction into similarity theory]. Moscow, Vysshaia shkola Publ., 1973. 278 p.

7. Perekrestov A. P., Saidov M. A., Rotkin V. M. Modelirovanie protsessa iznashivaniia uzlov treniia toplivnoi apparatury [Simulating process of wear of friction units of fuel equipment]. Mekhanika iprotsessy uprav-leniia: trudy XXXVI Ural'skogo seminara (Miass, 26 dekabria 2006 g.). Ekaterinburg, UrO RAN, 2006, vol. 1, pp. 259-264.

8. Perekrestov A. P., Sycheva A. A. Protivoiznosnaia prisadka [Wear-preventive additive]. Patent RF, no. 2276681, 20.05.2006.

The article submitted to the editors 24.04.2018

INFORMATION ABOUT THE AUTHORS

Perekrestov Arshavir Petrovich — Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Doctor of Technical Sciences, Professor; Professor of the Department of Mechanics and Graphics; Pap1943@rambler.ru.

Saidov Muslim Abdullaevich — Russia, 364051, Grozny; Grozny State Oil Technical University by Academician M. D. Millionshikov; Candidate of Technical Sciences; Assistant Professor; Head of the Department of Applied Mechanics and Engineering Graphics; Saidoff@bk.ru.

Nogamerzaev Suliman Movldievich — Russia, 364051, Grozny; Grozny State Oil Technical University by Academician M. D. Millionshikov; Head of Laboratory of the Department of Applied Mechanics and Engineering Graphics; nogamirzaev93@mail.ru.