Исследование процесса изнашивания плунжерных пар топливной аппаратуры и реализация метода безразборного восстановления

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

УДК 621.891 : 621.357.9 И. В. МОЗГОВОЙ

Н. Г. МАКАРЕНКО Е. В. ДОРОВСКИХ

Омский государственный технический университет

ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ И РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДА БЕЗРАЗБОРНОГО ВОССТАНОВЛЕНИЯ

Статья посвящена актуальной проблеме—увеличению срока службы агрегатов (топливные насосы высокого давления) дизельных двигателей, в том числе бронетанковой техники. Для восстановления работоспособности плунжерных пар применяются различные способы. Авторами был реализован способ электро-химикомеханический обработки плунжерных пар. Как показывают проведенные исследования, этот способ может получить широкое распространение в ремонтном производстве.

Ключевые слова: топливный насос, плунжер, электро-химикомеханическая обработка.

Износ деталей трущихся сопряжений является одной из основных причин снижения ресурса машин. Повышение надежности и снижение затрат на ремонт машин и механизмов является одной из основных проблем, общей для всех областей техники.

Топливная аппаратура — наиболее сложная и дорогостоящая часть современного дизеля (составляющая до 30% его стоимости), оказывает существенное влияние на надежность и экономичность двигателя в целом. Сложность топливной аппаратуры предъявляет высокие требования к ее изготовлению, ремонту и обслуживанию в процессе эксплуатации. Прежде всего, это обусловлено наличием в ее конструкции прецизионных элементов, изготовленных с высокой точностью. Нарушение равномерности топливопо-дачи по цилиндрам двигателя в условиях рядовой эксплуатации может повышать расход топлива на 10...15% и снижать ресурс двигателей в среднем на 20%.

В настоящее время перед машиностроительными заводами поставлена задача — увеличить ресурс топливной аппаратуры до 10... 12 тыс. моточасов. Естественно, что послеремонтный ресурс должен быть не ниже 8...10 тыс. моточасов. Такое увеличение ресурса должно привести к сокращению расхода запасных частей и уменьшению затрат на техническое обслуживание топливной аппаратуры. Однако решение данного вопроса, как показывают исследования, сдерживается низкой износостойкостью деталей и подвижных сопряжений топливной аппаратуры.

Увеличение долговечности прецизионных деталей за счет применения новых износостойких материалов нереально, так как эти детали в настоящее время и так изготавливают из достаточно дорогостоящих и дефицитных сталей (ШХ15; ХВГ; 18Х2Н4ВА; Р18; 25Х5МА). Представляется возможным применение различных восстанавливающих технологий для восстановления ресурса изношенных плунжерных пар, а также технологий по нанесению поверхностного

слоя с заданными свойствами на вновь изготовленные плунжерные пары.

В настоящее время при восстановлении плунжерных пар используются различные способы, каждый из которых имеет как преимущества, так и существенные недостатки, приводящие к высокой стоимости и не всегда хорошему качеству восстановленных плунжерных пар. Применяемые способы восстановления плунжерных пар представлены на рис. 1.

Как известно, восстановление целесообразно производить при величине износа 50 — 60% от предельного [1]. Вследствие этого на первый план выходит необходимость получения своевременной и достоверной информации о состоянии плунжерной пары без демонтажа топливного насоса высокого давления и применения диагностических средств. Конструктивно это возможно реализовать, установив устройство регистрации количества перетекшего топлива на штуцер отвода топлива из полости низкого давления. Установив зависимость износа, максимального давления, создаваемого плунжерной парой, и количества перетекшего топлива, мы сможем своевременно начать восстановления плунжерной пары.

Для определения зависимости максимального давления создаваемого плунжерной парой от объема топлива перетекшего в заплунжерное пространство была разработана и изготовлена экспериментальная установка, имитирующая работу одной секции топливного насоса высокого давления НК-10 в процессе штатной эксплуатации. Схематично установка представлена на рис. 2 .

Новые плунжерные пары подвергались микрообмеру согласно микрометражным картам завода-изго-товителя, схематично представлены на рис. 3.

Все плунжерные пары отвечают требованиям ТУ. Величины зазора втулка-плунжер приведены в табл. 1.

Далее плунжерные пары устанавливались в экспериментальную установку и были подвержены ускоренным испытаниям на предельный износ. О величине

Рис. 1. Методы восстановления прецизионных деталей

Рис. 2. Схема установки для исследования износостойкости и восстановления плунжерных пар ТНВД НК-10:

1-источник постоянного тока, 2—анод, 3-резервуар для рабочей жидкости, 4-трубопроводы низкого давления, 5-трубопроводы высокого давления,

6-предохранительный клапан, 7—устройство регистрации давления, 8-устройство регистрации температуры, 9-плунжерная пара, 10-устройство для придания вращательного движения плунжеру, 11-кулачковый вал

Таблица 1

Величины зазора новых плунжерных пар топливного насоса высокого давления НК10

Место расположения зоны микрообмера Зазор, мкм

1 2-4

2 2-4

3 2-6

4 3-7

Таблица 2

Величины зазора изношенных плунжерных пар ТНВД НК10

Место расположения зоны микрообмера Зазор, мкм Средний зазор, мкм

1 3-8 6,33

2 4-8 6,25

3 4-10 6,33

4 5-13 8,08

износа судили по максимальному давлению, создаваемому плунжерной парой при пусковых оборотах 100 оборотов в минуту. На всем протяжении испытания регистрировали объем перетекшей жидкости в зап-лунжерное пространство. Характер изменения контролируемых величин показан на рис. 4.

После приведения плунжерных пар в аварийное состояние они были подвержены повторному микрообмеру. Его результаты приведены в табл. 2.

Ввиду того, что величина износа плунжерных пар составляет 1 — 7 мкм, авторами было предложено ис-

пользовать для восстановления плунжерных пар метод электро-химикомеханической обработки (ЭХМО) [1]. Суть данного метода заключается в без-разборном восстановлении втулки и плунжера одновременно, что исключает последующие подбор и доводку.

На вход ТНВД подаются ионы металла, направленные на восстановление изнашивающихся частей. Скорость осаждения ионов металла на трущиеся

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Рис. 3. Сечения плунжера для микрообмера

поверхности трибосистемы зависит от многих факторов: силы тока, свойств жидкости, материала анода и деталей, температуры в зоне трения, давления, создаваемого плунжерной парой, и т.д. При проведении восстановления, на первый план выходит вопрос о полной и достоверной информации о состоянии плунжерной пары, с целью выбора правильного и своевременного воздействия на систему. Информацию о состоянии системы получают с помощью датчиков (позиции 7, 8 рис. 2).

Данный метод был успешно опробован на экспериментальной установке и запатентован [2].

Основной проблемой при реализации данного подхода для восстановления ТНВД на машине является то, что топливо обладает высоким электрическим сопротивлением. Поэтому на данный момент возможно восстановление плунжерных пар и топливного насоса высокого давления в целом лишь на стенде с использованием вместо топлива ионообразующей жидкости.

В результате исследований:

— изготовлена экспериментальная установка для проведения испытаний и восстановления плунжерных пар топливного насоса высокого давления дизельных двигателей;

— экспериментально установлена зависимость максимального давления плунжерной пары от объема перетекшего топлива;

— разработан, запатентован и реализован способ безразборного восстановления плунжерных пар.

Библиографический список

1. Макаренко, Н.Г. Электрохимическое упрочнение и восстановление деталей трибосистем / Н.Г. Макаренко //. — Омск: ИЦ Омский научный вестник, 2004. — 250 с.

Рис. 4. Характер изменения максимального давления, создаваемого ПП от объёма просочившейся жидкости за время наработки

2. Пат. 2277704 Российская Федерация, МПК С0Ш 3/56. Способ и устройство восстановления плунжерной пары топливного насоса / Н. Г. Макаренко Н. Г. и [др.]. — № 2005100892; заявл. 17.01. 05 ; опубл. 10.06.06, Бюл. № 16. - 3 с.

МОЗГОВОЙ Иван Васильевич, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Химическая технология органических веществ» Омского государственного технического университета (ОмГТУ).

МАКАРЕНКО Николай Г ригорьевич, кандидат технических наук, доцент, заместитель генерального директора НИИ технического контроля и диагностики железнодорожного транспорта по опытно-конструкторским разработкам.

ДОРОВСКИХ Евгений Викторович, аспирант кафедры «Химическая технология органических веществ» Омского государственого технического университета (ОмГТУ).

Адрес для переписки: e-mail: dorovskih2004@mail.ru

Статья поступила в редакцию 01.06.2010 г.

© И. В. Мозговой, Н. Г. Макаренко, Е. В. Доровских

Книжная полка

621.45/Д69

Дорофеев, А. А. Основы теории тепловых ракетных двигателей. Теория, расчет и проектирование [Текст]: учеб. для вузов по специальности «Авиа- и ракетостроение»... / А. А. Дорофеев.-2-е изд., перераб. и доп.-М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010.-463 с.: рис., табл.-ISBN 978-5-7038-3247-9 .

В ч. 1 представлены общие основы теории идеальных тепловых ракетных двигателей, ее понятийный аппарат и иерархическая схема классификации ракетных двигателей.

В ч. 2 изложены представления о физико-химических механизмах реальных рабочих процессов и методиках количественной оценки влияния их отличий от идеального представления на выходные параметры двигателя. Приведены принципы и описаны методики решения задач термодинамического расчета состава продуктов сгорания и изменения их параметров при движении по соплу как химически активного потока.