Износ конусного уплотнения форсунки дизельного двигателя как результат усталостного процесса изнашивания

УДК 621.43

А. П. Перекрестов, М. А. Саидов

ИЗНОС КОНУСНОГО УПЛОТНЕНИЯ ФОРСУНКИ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ КАК РЕЗУЛЬТАТ УСТАЛОСТНОГО ПРОЦЕССА ИЗНАШИВАНИЯ

Система топливоподающей аппаратуры (ТПА) дизельных двигателей, оснащённая соответствующими устройствами управления, является одной из основных систем двигателя. Среди элементов ТПА высокой надёжностью должна обладать форсунка. Надёжность форсунки определяется в основном её главным элементом - распылителем, ресурс работы которого является основным фактором, лимитирующим срок службы и периодичность технического обслуживания дизельных двигателей в целом [1-4].

Распылители подвергаются интенсивному изнашиванию во время эксплуатации под влиянием различных факторов - рабочих, внешних и антропотехнических. Вопросу изнашивания прецизионных пар ТПА посвящён ряд исследований, которые показывают, что на характер износа во многом влияет качество топлива [5, 6]. Как считают авторы указанных исследований, причиной изнашивания является прежде всего попадание в прецизионный зазор вместе с топливом абразивных частиц, которые, внедряясь в поверхность, образуют лунки, вспучивания металла и риски, что характерно для абразивного износа. С улучшением очистки топлива (фильтрация, седиментация) абразивный износ был существенно снижен. Однако, в связи с принятием новых европейских стандартов качества топлива (Е590), возникла следующая проблема - снижение его смазывающей способности, что ведёт к повышению изнашивания прецизионных пар ТПА, в том числе и конусного уплотнения распылителя [7]. Именно поэтому актуальной задачей в настоящее время является изучение зависимости интенсивности изнашивания конусного уплотнения от смазывающей способности топлива.

Под воздействием осевой силы замыкания пары Р (рис. 1, а) происходит сближение конусных поверхностей клапана и седла. Известно, что контакт реальных твёрдых тел дискретен. Например, в [8] утверждется, что в первый момент соприкосновения двух тел действительный контакт устанавливается только в трёх точках. Поскольку напряжения в этих точках, из-за малости фактической площади контакта, значительно превышают предел текучести материала, то, наряду с упругими деформациями, даже при очень малых нагрузках, эти напряжения, очевидно, будут вызывать и начало пластических деформаций на вершинах вступивших в контакт выступов. Выступы более твёрдой поверхности седла 2 внедряются в выступы менее твёрдой сопряжённой поверхности клапана 1 (рис. 1, б), выступы поверхности клапана расплющиваются и изменяют свою форму. Это приводит к тому, что диаметр образующей конуса клапана в месте его касания с поверхностью седла становится меньше, поверхность клапана сближается с поверхностью седла и одновременно смещается относительно последней, клапан погружается в седло на величину И. В результате сближения е и относительного смещения Ь поверхностей в контакт входят новые пары выступов, обладающие меньшей суммой высот, и контурная площадь контакта (КПК) увеличивается.

Рис. 1. Схема нагружения контактирующей пары седло клапана - клапан: а - схема погружения клапана в седло; б - схема контактирования единичной микронеровности

Силу замыкания пары Р, вызванную усадкой X форсуночной пружины, можно считать постоянной по направлению и величине, т. к. приращение хода клапана АН, из-за упругопластических деформаций микронеровностей, мало (рис. 2), т. е.:

а б в

Рис. 2. Схема работы форсуночной пружины: а - пружина без предварительной подтяжки; б - предварительная подтяжка пружины; в - рабочий ход клапана; 1 -регулировочный винт; 2 - пружина;

3 - шайба; 4 - штанга; 5 - игла; 6 - распылитель

Приращение КПК при неизменном значении силы Р приводит к падению контактных напряжений. Это, в свою очередь, определяет переход от пластического деформирования микронеровностей к упругому, что подтверждается и исследованиями Н. Б. Дёмкина [9], которые показали: выступы металлической поверхности, претерпев пластическую деформацию в процессе одного или нескольких взаимодействий, при повторных нагрузках, не превосходящих по величине начальную нагрузку, деформируются вполне упруго.

Увеличение площади контакта выражается в образовании на контактирующих поверхностях «уплотнительных поясков» (рис. 3).

а б

Рис. 3. 3Б-модели контакта игла - распылитель: а - начальный контакт по линии; б - контакт по поверхности «уплотнительного пояска»

Переход деформаций микронеровностей от пластических к упругим характеризует один из наиболее интересных и, к сожалению, ещё малоисследованных процессов - приработку. Наиболее общей чертой, свойственной этому процессу, является уменьшение интенсивности изнашивания (рис. 4). Система проявляет способность приспосабливаться к внешним условиям так, чтобы наилучшим образом противостоять разрушению. Интенсивность изнашивания при этом снижается на 2-3 порядка. Подстройка системы происходит за счёт изменения механиче-

ских свойств материалов и микрогеометрических характеристик поверхностей. В процессе приработки происходит пластическая деформация тех неровностей, которые обладают наименьшей способностью «выжить» в данных условиях, образуются новые неровности, отличные от исходных по форме и размерам.

Рис. 4. Изменение интенсивности изнашивания по мере наработки

Экспериментально установлено, что в различных условиях и разных парах после приработки всегда устанавливается равновесная шероховатость, характерная для заданных условий контакта, которая в дальнейшем не изменяется. Изменения микрогеометрии поверхностей распылителя форсунки после приработки по данным источников [10, 11] приведены в таблице.

Ориентировочные значения параметров шероховатости для поверхностей форсунки дизеля

Исследуемая поверхность Класс шероховатости п лтах> мкм я, мкм Ь V Яа, мкм Д

Исходная Игла 7 9,4 8 0,6 2,0 0,25...0,16 1,51

Распылитель 6 18 5 2,6... 1,25 4,65

Приработанная Игла 9 0,6 35 3,8 1,9 0,1 810-3

Распылитель

Реализация упругого контакта весьма существенна, потому что в этих условиях имеет место минимальный износ и устойчивое значение силы трения.

Выводы

1. В результате удаления серы из дизельного топлива его смазывающая способность значительно уменьшается, что приводит к росту интенсивности процесса изнашивания.

2. Для выявления факторов, влияющих на процесс изнашивания, рассмотрена физикомеханическая картина взаимодействия конусных поверхностей распылителя форсунки, которая показывает, что процесс приработки состоит в основном в переходе зон пластической деформации микронеровностей в зоны их упругого деформирования.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Голев В. И., Русаков А. С., Мохов Р. М. Изнашивание запирающих конусов и прогнозирование ресурса работы распылителей автотракторных дизелей // Двигателестроение. - 1989. - № 12. - С. 20-22.

2. Drozdowski J. 81:иёшт оЬе1а2еп е1ер1пуеЬ, ка’ш1ас]1 1 niezawodnosci Г02ру1апеу silinikow окге1:о’шсЬ // Шу± Wyzszej Szko1y МогеЫе], Szezeein, 1988. - 364 з.

3. Сегалович Л. В., Шелохнёв А. Р., Павлишин Е. Ю. Прибор для контроля линейных размеров распыли-вающих отверстий форсунки // Двигателестроение. - 1989. - № 2. - С. 24-25.

4. Monieta J. Оценка износа распылителей форсунок судовых двигателей, сжигающих дизельное топливо // Инженерные проблемы трения, смазки, изнашивания: сб. науч. тр. - Калининград: БГА РФ, 2001. - Вып. 48. - С. 4-10.

5. Пухов В. В. О выборочном контроле показателей качества топливной аппаратуры судовых дизелей // Тр. КТИРПиХ. - 1972. - Вып. 47. - С. 133-139.

6. Кузькин В. Г., Толмачёв А. В. Динамика изнашивания и ресурс конических уплотнений распылителей форсунок дизелей // Повышение эффективности эксплуатации и энергетических установок, машин и оборудования: сб. науч. тр. - Калининград: КГТУ, 1998. - С. 58-68.

7. Данилов А. М. Применение присадок в топливах для автомобилей: Справ. издание. - М.: Химия, 2000. - 232 с.

8. Загавура Ф. Я. Определение износа трущихся пар методом рабочей среды. - Киев: Изд-во Киев. унта, 1969. - 314 с.

9. Демкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. - М.: Наука, 1970. - 227 с.

10. Грехов Л. В. Топливная аппаратура дизелей с электронным управлением: учеб.-практ. пособие. -М.: Легион-Автодата, 2003. - 176 с.

11. Алисин В. В., Крагельский И. В. Трение, изнашивание и смазка. Кн. 1. - М.: Машиностроение, 1978. - 400 с.

Статья поступила в редакцию 10.09.2008

THE RUNOUT OF WEDGE-TYPE SEAL OF THE DIESEL ENGINE INJECTOR AS A RESULT OF FATIGUE WEAR PROCESS

A. P. Perekrestov, M. A. Saidov

The safety of the injector is determined by its main part - by the spray, and the spray's work resource is a main factor, limiting the period of validity and the recurring of the technical service of the diesel engine. The fact touch area of the seat surface and of the connected valve surface is examined depending on the axial force of a pair locking, the mechanical characteristics of construction materials, the parameters of the roughness of the machined surfaces. It is shown, that during the burn-in process plastic deformations of the microroughnesses transform to the elastic deformations. After the end of this process the burn-in process of wearing surfaces transform to the stable wear process.

Key words: the injector, the valve seat, the valve, the wear process, the deformation of microroughnesses.