автореферат диссертации по транспорту, 05.22.10, диссертация на тему:Обоснование оптимального поля зазора в размерных группах плунжерных пар для групповой сборки при ремонте с учетом динамики изнашивания в различных зонах эксплуатации

. сд

2 7 ОКТ 1998

ФАТТУХ Ясер Фауаз

На правах рукописи

ОБОСНОВАНИЕ ОПТИМАЛЬНОГО ПОЛЯ ЗАЗОРА В РАЗМЕРНЫХ ГРУППАХ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ДЛЯ ГРУППОВОЙ СБОРКИ ПРИ РЕМОНТЕ С УЧЕТОМ ДИНАМИКИ ИЗНАШИВАНИЯ В РАЗЛИЧНЫХ ЗОНАХ ЭКСПЛУАТАЦИИ

Специальность 05.22.10. - Эксплуатация автомобильного транспорта

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА 1998

Работа выполнена на кафедре «Производство и ремонт автомобилей и дорожных машин» Московского государственного автомобильно-дорожного института (технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Челпан Л.К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, заслуженный деятель науки РФ, профессор Михлин В.М.

кандидат технических наук

Ведущая организация:

Малахов А.В. Ногинский завод топливной аппаратуры (НЗТА)

Защита диссертации состоится « / » 1998г. в часов на

заседании диссертационного совета К.053.30.09 ВАК России при Московском государственном автомобильно-дорожном институте (техническом университете) по адресу: 125829, ГСП -47, Москва-А-319, Ленинградский проспект, 64, ауд.42.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Автореферат разослан «я7» С*Э 1998г.

Отзывы на автореферат просим представлять в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок: 155-03-28

Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических

наук, профессор Власов В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Актуальность темы. В процессе эксплуатации техническое состояние дизеля ухудшается. Это относится и к топливной аппаратуре, и, особенно, к плунжерным парам.

В Иордании и прилегающих странах скорость изнашивания прецизионных пар в сравнении, например, с условиями Средней полосы России, существенно возрастает в связи с более высокими значениями температуры и запыленности окружающего воздуха. В зоне Иордании с отсутствием ремонтной базы восстановление работоспособности топливных насосов, при выходе из строя по любой причине, осуществляется путем их замены. Поэтому, вопросу организации ремонта насосов и, в частности, плунжерных пар должно быть уделено особое внимание. От величины зазоров в этих сопряжениях зависит ряд важных параметров насосов, например, равномерность подачи топлива по цилиндрам дизеля.

Принято во внимание также мнение Иорданских специалистов о целесообразности применения доступного для реализации в Иордании наиболее простого метода восстановления плунжерных пар.

В связи с этим тема диссертации, посвященная теоретическому и экспериментальному обоснованию оптимального поля зазора для комплектации плунжерных пар при производстве и ремонте с учетом почвенно-климатических условий эксплуатации, является актуальной.

Целью настоящей работы является обеспечение технико-экономических показателей дизельных двигателей с учетом требований эксплуатации в различных климатических зонах путем разработки и реализации метода назначения оптимальных значений поля зазоров для комплектации плунжерных пар.

Объекты и методы исследования. Исследования выполнялись применительно к автотракторным дизелям. Экспериментальные исследования проводились путем снятия характеристик топливоподачи насоса УТН-5 на стенде для испытаний топливной аппаратуры. Влияние технического состояния плунжерных пар на показатели работы дизеля Д-240 определялось на стенде для моторных испытаний. Исследование трудоемкости комплектации плунжерных пар для различных диаметров и полей зазоров выполнялось методом хронометрирования. Динамика технического состояния дизелей и топливной аппаратуры изучалась по данным эксплуатационных наблюдений в различных климатических зонах СНГ. Теоретические исследования осуществлялись при решении задач оптимизации поля зазора и допускаемых размеров сопряжений с применением специально разработанных целевых функций.

Научная новизна заключается в разработке метода оптимизации полей зазоров плунжерных пар с учетом влияния климатических зон эксплуатации; методики определения доли влияния плунжерных пар в общем балансе параметров динамики технического состояния топливного насоса и дизеля, обобщенные практические зависимости допускаемых зазоров в плунжерных парах с учетом коэффициента ускорения процесса изнашивания в различных климатических зонах.

Практическая ценность заключается в полученных рекомендациях оптимальных полей зазоров при комплектации плунжерных пар для конкретных марок дизелей

применительно к условиям эксплуатации в Средней полосе России и Иордании; таблицы и номограммы оптимальных гМЛей зазоров в зависимости от предельных величин зазоров различных диаметров плунжеров; технология комплектации плунжерных пар с минимальной трудоемкостью, оптимальное количество размерных групп для комплектации плунжерных пар.

Реализация результатов исследования. Результаты исследования и разработанные методики составили основу расчета полей зазоров и размерных групп комплектации плунжерных пар насосов, а также при уточнении отдельных элементов технологического процесса сборки плунжерных пар в цехе изготовления и сборки прецизионных пар на Ногинском заводе топливной аппаратуры.

■ Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на научно-технических конференциях и кафедре ПРАДМ МАДИ в 1997 и 1998гг., на научно-техническом совете ГОСНИТИ в 1997г.

f ■ Публикации. По материалам диссертации опубликовано 3 научных статьи.

Объем и структура работы. Содержание диссертации изложено на 142 стр. машинописного текста, в том числе 37 таблиц, 12 рисунков. Состоит из введения, 5 разделов, общих выводов и основных результатов, перечня использованной литературы из 143 наименований, из них 12 на иностранных языках, и 3 приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

1. Анализ состояния вопроса и постановка задач исследования.

Исследованиями в области повышения эффективности и ремонта топливной аппаратуры дизелей занимались Антипов В.В., Балакин В.И., Барковский А.И., Бахтияров H.H., Вельских В.И., Бугаев В.Н., Баширов Р.Н., Вихерт М.М., Гуревич Д.Ф., Гольверк А.Н., Дитякин Ю. Ф., Кривенхо ПМ, Кислов В.Г., Кошман Э.И., Кругов В.И., Николаенко

A.B., Попов В.Я., Павлов Б.В., Свиридов Ю.П., Селиванов А.И., Ташкипов Г.А., Трусов

B.И., Федосов В.М., Фомин ЮЛ, ФайнлейбБ.Н., Хачиян A.C., Челпан JI.K. и другие.

По данным эксплуатации большинство отказов топливной аппаратуры происходит по причине выхода из строя прецизионных деталей. При этом нарушается угол опережения впрыскивания топлива, равномерность подачи топлива по цилиндрам, качество распыливания и т. п.

Работа машин в процессе эксплуатации происходит в условиях запыленности воздуха, изменяющихся в широких пределах температур, на различных скоростных и нагрузочных режимах. Установлено, что ни один из существующих фильтров тонкой очистки не способен полностью очистить топливо от засорений, следовательно, при разработке технологических процессов ремонта плунжерных пар должны учитываться климатические условия эксплуатации.

При изучении возможности применения в условиях Иордании разрабатываемых и действующих методик и технологических процессов ремонта необходимо учитывать возможность ускорения изнашивания прецизионных деталей в соответствующих зонах эксплуатации.

Установлено, что динамика зазора в плунжерной паре в значительной степени зависит от первоначального зазора, что свидетельствует о возможности управления процессом за счет выбора исходной допускаемой величины зазора.

Анализ литературных источников показал, что почвенно-климатические условия в Иордании сходны с условиями Средней Азии, что позволяет в настоящей работе ориентироваться на данные эксплуатации топливной аппаратуры в Узбекистане.

Установлены характер и распределение износов в плунжерной паре. Данные показывают, что в большинстве случаев любому способу восстановления плунжерных пар должны предшествовать операции восстановления геометрической формы поверхностей, что свидетельствует о возможности для большинства пар воспользоваться методом перекомплектовки с отбраковкой части втулок, вышедших за допуск внутреннего диаметра, и плунжеров, вышедших за допуск по наружному диаметру.

Таким образом, при любом способе восстановления плунжерных пар обязательно выполняются операции: подготовительная с восстановлением правильной геометрической формы поверхностей; собственно восстановление одним из существующих способов (например, перекомплектовка, хромирование и др.); комплектовочная, включающая сортировку на размерные группы.

Если согласиться с необходимостью восстановления методом перекомплектовки, тогда основное внимание должно уделяться третьей группе процессов, связанной с подбором и комплектацией пар.

На различных ремонтных предприятиях принимаемое для комплектации поле зазора неодинаково (от 1 до 3 мкм). Это свидетельствует об отсутствии научно обоснованных рекомендаций по выбору оптимального поля зазора не только с точки зрения трудоемкости сборки, но также и с позиции наиболее эффективной эксплуатации в различных зонах.

Исходя из изложенного, сформулированы следующие задачи исследования:

1. Разработка и обоснование целевой функции оптимизации поля зазоров и размерных групп при комплектации плунжерных пар по трудоемкости комплектации и эксплуатационным расходам с учетом возможности работы дизельной топливной аппаратуры в различных почвенно-климатических зонах.

2. Определение долевого влияния технического состояния плунжерных пар в общем балансе динамики мощностно-экономических показателей дизелей с учетом влияния почвенно-климатических условий эксплуатации.

3. Экспериментальные исследования трудоемкости комплектования плунжерных пар из различного поля зазоров для различных диаметров плунжеров и влияние технического состояния плунжерных пар на показатели работы топливного насоса и дизеля.

4. Анализ результатов теоретических и экспериментальных исследований и данных литературных источников с целью получения обобщенных практических зависимостей.

5. Определение экономической эффективности реализации разработанных рекомендаций.

2. Теоретические исследования. Выдвинуты следующие условия высокоэффекгивной комплектации плунжерных пар:

1) удельная относительная трудоемкость подбора плунжерных пар из поля зазора размерной группы должны быть минимальной;

2) полученный после подбора плунжерных пар и их притирки исходный для эксплуатации зазор должен обеспечить минимальные удельные издержки и затраты средств в условиях эксплуатации.

Эти две задачи при их самостоятельности взаимосвязаны, так как позволяют решить вопрос оптимизации начального зазора в плунжерных парах комплексно, с учетом интересов производства и эксплуатации.

Для первой задачи оптимизации поля зазора плунжерных пар по трудоемкости комплектации удельные затраты в общем виде имеют вид:

и 8» = Г ( ДцЗ^Бо^Бпп^аз^СХз^пл^Зт) (1)

Где Дад- средняя трудоемкость подбора одной плунжерной пар из поля зазора во, час;

во - поле зазора размерной группы, мкм;

Бпр - предельный и эксплуатационный зазор в плунжерной паре, при котором дальнейшее использование пары должно быть прекращено, мкм;

Б*, - тарифная ставка комплектовщика, руб/час;

аз - показатель степени функции динамики зазора в процессе эксплуатации;

ав - скорость изменения зазора в процессе эксплуатации, мкм/ч; - номинальный размер плунжерной пары, мм;

С учетом формул динамики зазора

в = Б о + а I - 1о)а !

и затрат на комплектацию пары

С Б = Д'/цЯ , {d <и / (1 >а о) 5 зл ,

.....где Д°1(5) и ёпло - трудоемкость комплектации из произвольного поля зазора Бо и

'диаметр плунжера с!о , принятый за единицу сравнения, получаем целевую функции оптимального поля зазора по трудоемкости комплектации.

С50

ГД'Ч,

V / ОпдО'

[Ло = —— = ^---> Ш1П , (2)

где Б,, - предельное значение зазора

Для определения величин ав и а® , Д0«^) и Бщ, должны выполняться экспериментальные исследования или использованы расчеты из литературных источников.

Для второй задачи оптимизации допускаемого зазора в плунжерной паре с учетом его влияния на показатели работы дизеля использована разработанная в работах профессора Челпана Л.К. функция удельных издержек и затрат в эксплуатации с учетом показателей динамики основных технико-экономических параметров дизеля. Автором преобразована указанная функция применительно к определению допускаемого зазора водоп для заданных предельных его значений.

В итоге получено трансцендентное уравнение, характеризующее зависимость

вогвв,)

ХоАхВх (Бпр-БсЛ В1 + 1 [ аз )

+ (От5т)0х

ВТ1+1 Втз+1

АпВт!( впр — Бо \ « АтгВтг [ Эгф — БсЛ "

Вт.+ 1

Втз+1 Вт«+1

АтзВтз ( Бпр - Эо^ " АпВт« ( Бир - Бо

Втз + 1

В Т 4 + 1

+ Со

Втг+1 I АтмВм | Бч

Вк1 +1

Выи-1

■ во ) «

Вы 2+1 »N4*1'

+ АшВт/'Зпр -8(Л » АчзВгаГБпр-Зо^ " А^Вм/'Бпр-Зо^ »

Вм + Ц аз ) Вкз + Н аэ ) Вм«+1у. ая

- Дт = О , (3)

Со - стоимость одного часа простоя машины при полной потере ее оизводительности, руб/час; Ат - затраты на восстановление плунжерных пар; (вт 5т)о и Хо - исходные значения расхода топлива и затрат на устранение последствий отказов, руб/час; Ах и В>., А[ и Вт, Ам и Вм, показатели динамики безотказности, расхода топлива и мощности в эксплуатации; индексы 1,2,3 и 4 характеризуют долю влияния неравномерности подачи топлива, характеристики впрыскивания, утечек топлива и снижения пусковых качеств двигателя.

Для определения предельных зазоров в плунжерных парах использована формула, полученная по материалам обработки экспериментальных и статистических данных, преобразованная применительно к дизельной топливной аппаратуре.

Бпр = К'м Кн / ПН , (4)

где Кеэ - эксплуатационная мощность дизеля, кВт; пн - частота вращения кулачкового вала топливного насоса, минг - число плунжерных пар в топливном насосе ; К'м =0.67 - коэффициент условий нагружения плунжерной пары в системе топливного насоса; пд, -частота вращения коленчатого вала дизеля, мин"1; Кк =0.385 ■ 1(Р пд, / N¿3 - коэффициент условий нагружения топливного насоса в системе дизеля; Р=Кг л с111Л Ьпл - эффективная поверхность контакта плунжера и втулки, мм2 ; ()ш, и Ът - диаметр и ход плунжера, мм; Кн= 0.125 ■ 105 ( $ / Б отш)"0,3 - коэффициент эффективного зазора в плунжерной паре; 8 ошш - минимальный по допуску начальный зазор в новой плунжерной паре, мм; Кр =

2.022- 105 Gt / in Пдв d2ra hon - коэффициент эффективности поверхности контакта плунжерной пары.

В порядке теоретических исследований выполнены и сопоставлены расчеты Snp для 23 моделей автотракторных дизелей. Эти данные далее использованы для получения практических зависимостей оптимальных допускаемых полей зазоров с учетом <1™ и S™ и зоны эксплуатации.

Для определения величин Ах , Ат(м> и An(w> с учетом долевого влияния отдельных нарушений дизеля, использованы данные наблюдений ГОСНИТИ в различных зонах эксплуатации.

Установлено, что коэффициент ускорения изнашивания плунжерных пар в Иордании в 2,9 раз выше, чем в Средней полосе России. Это позволило выполнить теоретическое определение предельных зазоров в плунжерных парах с учетом диаметров плунжеров и зон эксплуатации.

В результате обработки опытных данных ГОСНИТИ были получены зависимости, характеризующие долю влияния зазора в плунжерной паре на показатели работы дизеля с учетом нарушений в работе топливного насоса в их динамике: неравномерности подачи топлива по цилиндрам eti и зд; характеристик впрыскивания топлива и отклонения угла опережения впрыскивания топлива из-за искажения "закона топливоподачи" етг и некомпенсированных утечек топлива в картер насоса «тз; снижения пусковых качеств е™ и £N4; интенсивности затрат на устранение последствий отказов плунжерной пары £х.

Суммарная роль ел и «Т2 ; £*п и £nj составляет 90-95% в общем балансе влияния рассмотренных нарушений. Доля рц и ег4 ; зд и с» не превышает 5-10%, что свидетельствует о целесообразности их учета только в специальных случаях, для оценки влияния температурных и климатических условий на пусковые качества дизеля, если они приобретают решающее значение.

3. Экспериментальные исследования.

В экспериментальной части работы исследованы два фактора, влияющие на выбор и обоснование оптимального поля зазора для комплектации плунжерных пар:

1) технологический - взаимосвязь поля зазора и трудоемкости комплектации

плунжерных пар;

2) эксплуатационный - допускаемые величины зазоров, при которых срок нормальной эксплуатации плунжерных пар обеспечит требуемый технико-экономический ресурс дизеля.

Исследования по определению трудоемкости комплектации плунжерных пар выполнялись в условиях лаборатории измерений НЗТА. Измерение плунжеров и втулок осуществлялось пневматическим методом. Для измерения наружного диаметра плунжера используется калибр-втулка. Для внутреннего диаметра втулки - калибр-пробка.

В качестве объекта испытаний использовались плунжерные пары рядных топливных насосов автотракторных дизелей 0 8, 8.5, 9 и 10 мм. Для каждого диаметра детали после предварительного измерения на пневматическом длиномере разделяют на 7 групп с полем зазора So = 1,2,3,4,5,6 и 7 мкм.

I группа - 10 пар с зазором в пределах 0.001 мм плунжеры и втулки перед подбором пар были разложены отдельно. Одним плунжером производились попытки

спаривания поочередно со втулками, до тех пор, пока не находилась требуемая втулка. Пары были известны заранее, поэтому для первой пары плунжер был расположен первым в группе плунжеров, а втулка - последняя в группе втулок. Поэтому первая пара комплектовалась за 10 проб; вторая - за 9, третья - за 8, и, так далее, до 1 пробы.

П группа - 20 пар, в которые входили 10 пар из I группы с зазором 0.001 мм. Расположение их было также наиболее неблагопршггное, для возможности достижения максимального времени подбора комплектов пар.

Эти же условия соблюдались и при испытании способа подбора пар в III, IV, V, VI и VII группах. Зависимость трудоемкости комплектации плунжерных пар от da, и So приведены на рис. 1. При увеличении диаметра плунжера в неизменном поле зазора трудоемкость комплектации плунжерных пар увеличивается. С увеличением dra от 8 до 10 мм, например, при So = 1 мкм, трудоемкость возрастает с 48 до 68 с, т. е. в 1.42 раза, а при So = 5 мкм - с 148.8 до 175 с, т. е. в 1.18 раза, то есть с увеличением поля зазора влияние величины диаметра плунжера на трудоемкости комплектации пар ослабевает. Эта тенденция усиливается при рассмотрении относительной трудоемкости на единицу поля зазора: с увеличением So от 1 до 5 мкм трудоемкость на единицу поля зазора снижается для dM = 8 мм - с 48 до 26.94 с/мкм, т. е. в 1.78 раза; для dM = 10 мм - с 68 до 35 с/мкм, т. е. в 1.94 раза. Эти данные подтверждают логику построения целевой функции (2).

Исследования влияния зазора в плунжерных парах на показатели работы топливного насоса и дизеля проводились на испытательной станции НЗТА.

По результатам анализа литературных источников влияние зазоров в плунжерных парах, при соблюдении ТУ на регулировку насоса в условиях безмоторного стенда, проявляется в основном в реальных условиях работы дизеля, при повышенных температурах топлива и давлениях в цилиндрах. Это обстоятельство учитывалось при разработке программы и методики эксперимента. Исследования проводились на топливных насосах УТН-5 НЗТА и дизеле Д-240, устанавливаемом на автомашине "Бычок" Московского автозавода имени Лихачева.

Эталонный насос был укомплектован плунжерными парами одной размерной группы из поля зазора 2 мкм, затем установлен на стенд испытания топливной аппаратуры для регулировки и определения соответствия ТУ его регулировочных характеристик. Экспериментальный насос подвергался перекомплекгации плунжерными парами в соответствии с намеченной программой исследования. Для каждой комплектации плунжерными парами он имел регулировочные параметры, соответствующие ТУ при температуре регулировки 1щш £20 С.

После регулировки топливные насосы подвергались испытаниям при температурах топлива tTOn= 20°С и 60°С. Определялась неравномерность подачи и опережения впрыскивания топлива, цикловая подача. Для наиболее характерных вариантов определялась характеристика впрыскивания ("Закон подачи") топлива. По результатам безмоторных испытаний были назначены варианты комплектациии для испытаний на двигателе. Испытания топливных насосов и дизеля проводились по регуляторным характеристикам при полной подаче топлива. Определялось также время запуска дизеля от стартера при отсоединенной балансирной машине. Перед каждым испытанием

7 С О Ц 5 6 ,№М

Рис Л., Влияние величины поля зазора & и диаметра с1пд '"' на трудоемкость комплектации плунжерных пар.

г - партия; Д^гг - я уммарная трудоемкость; Но)- трудоемкость на одну пару ;Д= - трудоемкость на единицу зазора, им; +- ~

ам'

X - Юмм;

9мм;

О - 8,5мм;

проверялись показатели регулировки по углу начала подачи топлива. В процессе испытаний на дизеле регистрировались основные параметры двигателя и условий окружающей среды.

Для исследования влияния поля зазора были подобраны следующие варианты зазоров плунжерных пар: Sq= 2;3;4;5;6;7;8;10;12;t5;20,27;70;100 мкм.

Предварительно для безмоторных испытаний насос был укомплектован плунжерными парами с максимальным расхождением в техническом состоянии: Sq= 2;3; 70 и 100 мкм. Это позволило на первом же этапе исследования выявить наиболее заметное ухудшение характеристик топливного насоса Затем производились замены пар с последовательно уменьшаемыми зазорами, что позволило в экспериментальном исследовании двигаться по пути постепенного улучшения характеристик насоса и в итоге исследований получить вариант комплектации топливного насоса плунжерными парами, обеспечивающими допускаемое его техническое состояние.

По результатам исследования характеристики впрыскивания топлива для рассматриваемых вариантов плунжерных пар установлено, что по мере возрастания зазора уменьшается интенсивность впрыскивания топлива в начальной и конечной стадиях процесса, утечки топлива через зазоры в сопряжениях увеличиваются. Возникают и, по мере возрастания зазора, увеличиваются ступеньки на участках начала и окончания характеристики впрыскивания.

Ступенька в начале впрыскивания свидетельствует об уменьшении порции подаваемого топлива в период индукции, что снижает максимальное давление цикла и жесткости работы дизеля.

Обратная ступенька в зоне окончания впрыскивания снижает экономичность цикла, так как процесс сгорания топлива смещается в зону расширения. Кроме перетекания топлива через зазоры в полость низкого давления, имеют место и некомпенсированные утечки в картер насоса. Они однозначно отражаются на экономичности двигателя. Например, для So=100 и 70 мкм утечки топлива, соответственно, составляют Gyt = 4.2 и 3.4 г/ч.

Регуляторные характеристики топливных насосов приведены на рис. 2. Средние значения зазоров по секциям So,, и коэффициенты снижения цикловых подач при переходе с t,D<i= 2Q°C к tTOn= 60°С составляли для вариантов №0 - Soq> =1.63 мкм, К70И = 1.0665; №11 - Soq, = 3.5 мкм, Ктп= 1.0786; №3 - S^ = 13 мкм, Ктсп= 1.143. В сравнении с вариантом №0 снижение Кто„ составляет для №11 - 1.14%, для №3 - 7.17%. Неравномерность подачи топлива на режиме пусковых оборотов при tTOn= 60 С для варианта №3 выходит за допустимые пределы (30%) , хотя при tTOII= 20 С для этого варианта 5 = 29.3%. Если принять во внимание не учитываемое в данном случае противодавление в цилиндре, то становится очевидной необходимость учета этих факторов при регулировании на равномерность топливоподачи насосов, бывших в эксплуатации.

По мере перехода на меньшие величины зазоров неравномерность подачи топлива снижается и при комплектации насоса по варианту №11 (с полем зазора 5 мкм) неравномерность бпуя достигает допускаемых значений как при при tTOn= 20 С, так и при

W= бо'с.

Рис. 2. Регуляторные характеристики топливных насосов для

различных вариантов комплектации плунжерными парами.

"¿тст)= 20°С: Т'- варианты № О, II и 3;

~t-rcn= 60'С: J -вариант №0; JJ -вариант №11; ///-вариант №

Испытания двигателя производились с тремя вариантами топливных насосов: эталонным, укомплектованным плунжерными парами из полы зазоров 2 мкм (насос №0); опытным, укомплектованным плунжерными парами из поля зазоров 5 мкм (насос №11); опытным, укомплектованным плунжерными парами из поля зазоров 27 мкм (насос №3).

Снимались регуляторные характеристики и определялось время запуска двигателя стартером при отсоединенной от двигателя балансирной машине. На рис. 3 приведены регуляторные характеристики дизеля для этих вариантов комплектации топливного насоса.

Характеристики дизеля с насосами, для всех исследуемых вариантов, по расходу топлива (От и и крутящему моменту Мс в интервале от 0 до 51 кВт практически одинаковы. В этой зоне для обеспечения требуемой мощности регулятор обеспечивает необходимую цикловую подачу, а недостающее значение компенсируется для получения мощности увеличением числа циклов. Поэтому характеристики п = для

рассмотренных трех вариантов отличаются между собой в отмеченной зоне Удельный расход топлива в этой зоне также одинаков для всех вариантов, так как в зоне неполного нагружения двигателя неравномерность подачи топлива в имеющихся пределах практически не оказывает влияния на потери мощности. Играет роль лишь средние по цилиндрам цикловые подачи, так как влияние неравномерности становится заметным лишь при выходе рабочего процесса в зону дымления (неполного сгорания) топлива.

Далее, при достижении режима номинальной частоты вращения коленчатого вала п = 2200 мин"1, сказывается снижение цикловой подачи топлива секциями из-за неучета влияния различия температурных и нагрузочных условий работы насоса на регулировочном стенде и на двигателе. Для варианта №0 мощность на номинальной частоте п = 2200 мин"1 составляет величину Ме = 55 кВт при расходе топлива (Зт = 13.6 кг/ч. Для варианта №11 при п = 2200 мин'1 мощность составляет Ле = 54.4 кВт при СЗт = 13.31 кг/что естьек = 0.011 и ег = 0.021. Для варианта№3 Ме = 51кВт при (Зт= 12.6 кг/ч, то есть ец - 0.073 и гт = 0.074.

Затем в работу регулятора вмешивается корректор и обеспечивает неодинаковую для рассматриваемых вариантов цикловую подачу по нагрузке. Вследствие этого корректорные ветви характеристик по мере возрастания зазоров в парах несут меньшие значения М„р

Время запуска дизеля в условиях 1КзЭД— 20°С составляет для варианта №0 - 8 с; для варианта №11 - 14 с; а для варианта №3 - 37 с, то есть снижение пусковых качеств дизеля составляет для варианта №11 - Епуск = 0.75, для варианта №3 - ¿„ус = 3.625.

Для восстановления корректорных ветвей работы дизеля необходимо увеличивать производительность секций насоса на номинальном режиме и 1топ= 20 С в процессе его регулирования, либо осуществлять регулирование насоса при повышенной температуре топлива.

При этом необходимо иметь в виду возможность возрастания удельного расхода топлива на корректорной ветви характеристики по мере вхождения дизеля в зону дымления.

4. Обработка данных литературных, теоретических и экспериментальных исследований для получения практических зависимостей.

Рис. 3. Регуляторные характеристики дизеля Д-240.

Варианты комплектации топливных насосов Т"-№0;Л-№П;///-№3.

Оптимальное по трудоемкости комплектации поле зазора. В целевой функции (2) конкретизированы по результатам экспериментальных исследований формулы трудоемкости Л'^Ир) и отношения ёш/с1„.то . В таблице 1 приведены экспериментальные значения Л( для различных диаметров плунжеров и полей зазоров во.

Таблица 1.

Зависимость A(d\i(S) от величины диаметра плунжера dm, и поля зазоров So.

Поле зазоров Трудоемкость на одну пару A(d\irsj , с

So , мкм Диаметр плунжера dm, мм

8 8.5 9 10

1 48 50.5 53 68

2 78 82.9 86.5 94

3 103.7 109 115 125

4 127.5 133 140 152.5

5 148.8 155 163.8 175

6 168.33 177.5 185.83 203.33

7 188.6 197.1 207 226.4

Принимаем, в качестве исходной, характеристику для ёпл = 8 мм. Разделим все трудоемкости этой характеристики на Д(0)11(1) =48, получаем Д(0) од =48«£, где 4 = А(0)ч(я) / А<0\)(1) - функция относительной трудоемкости. Тогда А<0)(.(4 = А<0\н1) Д(%>'=Л<%)'К<|-Л(в>»1С1> «Ка,

к d пл S о

К <i =

Я* d лл • S О diuto

коэффициент влияния диаметра плунжера при одинаковой величине зазора.

По результатам анализа данных таблицы 1 следует, что функция относительной трудоемкости является степенной и имеет вид % = S0r , где г - показатель степени, определяется по результатам аппроксимации опытных данных. В данном случае г = 0.7 с погрешностью 0.63%. В итоге функция (2) принимает вид:

А'вцр -0-125 cL.S;"-as%*SM ST_

Ut(i)=-j-p-= А 7-rr-7- ,

(s„-s„)]4

где А = 0.125 d„„ • as ,/й' - АтЩ1) ■ S3„,

причем для конкретных значений d™, as и as А = const

du fe, -s.^-d^rO-ss-'te, -s(6) ds. - fc,-«.)*.]

Исследуем функцию (5) Haextremum.

В итоге получаем формулу « = а » Б » 0 ~ г > 1 + а , С - г)

Для г = 0.7 и «я = 1.1

^"ТТТ^О-^2481 <7>

В таблице 2 приведены результаты расчетов Бопо формуле (7).

Таблица 2.

Оптимальные по трудоемкости величины полей зазоров при комплектации плунжерных ______

№ п/п Дизели ¿пл, мм Блр Бооггг , МКМ ^о

1 Д-21 8 7.72 1.9146 1.575

2 Д-37 8.5 11.74 2.9115 2.1129

•■ 3 Д-144 8.5 11.84 2.9363 2.1255

4 Д-50 8.5 12.61 3.1273 2.2213

5 Д-240 8.5 12.39 3.0727 2.1941

6 Д-65 8.5 12.61 3.1273 2.2213

7 Д-21 9 7.66 1.8997 1.5670

8 Д-144 9 11.50 2.8520 2.0826

9 Д-240 9 12.07 2.9937 2.1545

10 Д-65 9 12.89 3.1967 2.2558

И СМД-14Н 9 13.78 3.4174 2.3636

12 СМД-18Н 9 15.04 3.7299 2.5130

13 СМД-17КН 9 14.89 3.6927 2.4954

14 СМД-19 9 15.20 3.7698 2.5318

15 СМД-60 9 11.98 2.9710 2.1431

16 СМД-62 9 12.19 3.0231 2.1693

17 СМД-64 9 12.11 3.0033 2.1593

18 А-41 9 14.12 5.5018 2.4044

19 А-01М 9 15.81 3.9210 2.6024

20 Д-108 10 15.31 3.7969 2.5445

21 Д-160 10 15.30 3.9432 2.6127

~ 22 ЯМЗ-2Э8НБ 10 13.19 3.2311 2.2924

23 ЯМЗ-240Б 10 13.70 3.3978 2.3543

Оптимальное поле зазоров с учетом условий эксплуатации.

Оптимальные допускаемые зазоры определялись для плунжерных пар 19 марок дизелей. Рассмотрены условия эксплуатации средней полосы России и Узбекистана, где почвенно-климатические характеристики сходны с таковыми в Иордании. Расчеты выполнялись с использованием степенного уравнения (3). Показатели степенных функций динамики в эксплуатации зазоров в плунжерных парах ая и ая, параметров дизелей А* , Вх, Ат , Вт, Ам , Вя с учетом долевого влияния основных нарушений работы топливных насосов определялись по формулам и данным, приведенным в диссертации.

Таблица 3. С применением отмеченных выше

Результаты оптимизации допускаемых показателей строились практические полей зазоров в плунжерных парах целевые функции оптимизации

допускаемого зазора для каждого конкретного дизеля по уравнению (3).

Уравнения оптимизации и затраты, Д„ связанные с ремонтом плунжерных пар, приведены в диссертации. Предельные зазоры впр приведены в таблице 2. По результатам выполненного анализа установлено, что величины во зависят от предельных зазоров Бпр и коэффициентов К,). Анализ данных показал возможность их аппроксимации степенными функциями вида

где аа и щ - показатели степенной функции. Они определяются по методу наименьших квадратов из системы уравнений относительно указанных выше величин.

для различных климатических зон.

№ Дизель Зоонг , МКМ

п/п Средняя Россия Иордания Узбекистан

1 Д-21 1.98 1.31

2 Д-37Е 3.83 1.05

3 Д-144 2.50 1.01

4 Д-50 4.12 1.1

5 Д-240 4.33 2.94

6 Д-65Н 3.78 1.01

7 Д-14Н 4.11 1.07

3 Д-18НГ 4.34 1.09

9 Д-17КН/ 18КН 4.80 1.89

10 Д-19 4.51 1.42

И Д-60 3.74 1.12

12 Д-62 4.78 2.83

13 Д-64 3.52 0.69

14 А-41 5.18 2.19

15 А-01М 5.28 0.87

16 Д-108 5.78 1.33

17 Д-160 6.24 1.49

18 ямз- 238НБ 5.13 2.24

19 ЯМЗ-240Б 4.41 0.73

Результаты аппроксимации для двух зон эксплуатации: Средняя полоса России во/Ка = 0.215 вор1'1 , (9)

погрешности: =0.110; 0^ = 0.131 Иордания во/К<) = 0.072 Бпр" , (10)

погрешности: =0.293; Оср = 0.323

С помощью функций (9) и (10) построена таблица для определения поля зазора при комплектации плунжерных пар с различными значениями 4и и

Данные этих таблиц положены в основу номограмм 5>о = { (йщ,, вщ,) для средней полосы России и климатической зоны Иордании, где коэффициент ускорения динамики зазоров в плунжерных парах Куас = 2.89 в сравнении с динамикой зазора в средней полосе России. Номограммы приведены на рис. 4.

Для зон с промежуточными климатическими условиями (для различных Кусг в сравнении со средней полосой России) может быть использована следующая приближенная формула:

или, с учетом формул (9) и (10) и соответствующих преобразований

При разработке таблиц и номограмм учитывались следующие обстоятельства, ограничивающие возможности использования расчетных рекомендаций.

Зона полей зазоров Бо < 1 мкм практически не может бьггь реализована по причине

недостаточного совершенства способов подбора и приработки прецизионных пар при столь малых зазорах.

Зона полей зазоров Бо > 5...6 мкм также нажелательна для использования по причине необходимости применения специальных способов раздельной доводки качества сопрягаемых поверхностей.

При этом становится существенным и ухудшение экономического фактора, связанное с заметным влиянием зазора в плунжерной паре на мощностно-экономические показатели дизеля.

5. Расчеты экономической эффективности.

Экономический эффект внедрения новых рекомендаций в сравнении со старым вариантом определяется обычно по типовой методике, согласно которой применительно к настоящей задаче формула расчета принимает вид:

- суммарные приведенные удельные затраты, рассчитанные на одну машину определенной марки за межремонтный период по старому и новому вариантам;

01 )

(8 о / К а)к» = 0 .215 Б ^ (1 - 0.0495 К^,).

(12 )

3<,;> 30>

«IV "ям

где —з^-и V, XV,

3« з<о

А - парк машин определенной марки; Wr - среднегодовая наработка.

¡5 16 ЗтМУ-

Рис. 4. Допускаемые поля зазоров 8о для различных значений диаметров плунжеров с1пл , предельных зазоров и

климатических зон эксплуатации.

Принимаем во внимание следующие составляющие удельных затрат: и*сомл на комплектацию плунжерных пар для одного насоса с учетом тарифной ставки оплаты труда сборщиков 8ет; на устранение последствий отказов плунжерных пар и*.; на топливо, в части, касающейся влияния плунжерных пар 11т ; на падение производительности машины в части влияния плунжерных пар .

П - А°.(П 0.125 аш8Г'1да><-8, ( .

~ збоо ^^--03}

Не учитываются: затраты на проведение ТО, Р и КР объекта, сезонное обслуживание и хранение машины, на расход картерного масла, так как они имеют место как в старом, так и в новом вариантах.

Тогда удельные издержки записываются в виде следующих функций:

п 1 Х0А1В1+1 /о с V1/ /,< \

и 1 = А о + ----аз (а ц> - а о) (14 )

В •

UT = (GTSI>+ (GTSl>ATB-La5°^(S.-So)B^ (15) Вт + 1 ^ '

TT «-1 С О А N В N _ В и/ , в »/ г, Г

и N = С 0 + -as /a,(S пр -S 0) /а% (16

В N + 1

Для старого варианта всех марок дизелей принимаем Somit ~ 1мкм, для нового So= Soonr. В диссертации приведены результаты определения суммарных удельных затрат для старых и новых вариантов U$<i) и Us<onT) а также изменение удельных издержек:

AU = Us(l) - Us(om) Для принятых в настоящей работе обозначений

о(0

-vt=Uw) 3Ci>

-—-= U S(2>= U S (опт )

w2

Wr = Тг - среднегодовая наработка, ч; А = щ - парк машин i-ой марки.

В итоге расчет экономической эффективности выполняется по формуле:

Э = (1^(1) - Ъ^/оггг) ) Тр Кр П|

где Кр - коэффициент охвата ремонтом.

Народно-хозяйственный эффект для парка 7 моделей дизелей, эксплуатируемых в условиях, сходных с условиями средней полосы России в количестве 840705 шт с учетом масштаба цен 1997 г составляет: Э7Рф = 221733.80 руб/год = 221.7338 млн руб/год Этсрм = 168109.48 руб/год = 168.10948 млн руб/год Эсу« =221.7338 + 168.10948 = 389843.28 тыс руб/год

Если предположить, что полученная среднегодовая эффективность на одну машину ЭсрАэ адекватна среднегодовой вероятной эффективности для Иордании при допущении, что полученные результаты исследований распространимы на другие модели машин, средняя эффективность на один насос производства СНГ в Иордании составляет: Эшорд = 168109480 / 840705 = 199.9695 тыс руб/год

Учтем курс валюты по состоянию на ноябрь 1997 года ]$ = 5900 руб, тогда при парке топливных насосов в Иордании N=5000 получаем: ЭИорл = 199.9695 х 5000 / 5900 = 169460 5/год.

Общие выводы и основные результаты.

1. По результатам выполненного анализа установлено, что применительно к Иордании и прилегающим странам, где ремонт топливной аппаратуры сводится, в основном, к замене вышедших из строя насосов на новые, наиболее рациональной является организация восстановления плунжерных пар методом перекомплектации и групповой сборки.

2. При выборе оптимального поля зазора для комплектации плунжерных пар следует руководствоваться как технологическими соображениями по обеспечению минимальной относительной удельной трудоемкостью, так и технико-экономической эффективностью эксплуатации с учетом минимальных удельных издержек и затрат на устранение последствий отказов, снижение производительности машины (мощности двигателя), расхода топливосмазочных материалов.

3. Оптимальное технологическое поле зазора зависит от диаметра сопряжения ицл и предельной величины зазора Я,,, . При неизменном поле зазора с увеличением диаметра плунжера трудоемкость комплектации плунжерных пар увеличивается; при неизменном диаметре плунжера с возрастанием поля зазора трудоемкость снижается.

4. Оптимальное эксплуатационное поле зазоров зависит, кроме того, от параметров топливной аппаратуры и дизеля, исходных и в эксплуатации, а также степени влияния технического состояния плунжерных пар на эти параметры с учетом динамики зазора в процессе работы.

5. Установлено, что по многим параметрам почвенно-климатические условия Иордании и Среднеазиатских республик, особенно Узбекистана, сходны. Это позволяет оценивать показатели динамики технического состояния плунжерных пар в Иордании с учетом результатов исследований, выполненных в условиях указанных выше республик.

6. Получены коэффициенты влияния диаметра плунжера на показатели работы и динамики технического состояния топливной аппаратуры для различных зон эксплуатации в сравнении с условиями эксплуатации в Средней полосе России. Для

Иордании, в сравнении со Средней полосой России, процесс изнашивания зазоров ускоряется с коэффициентом Куа: = 2.89. Это обстоятельство должно учитываться при обосновании оптимального поля зазоров с позиции требований эксплуатации в различных климатических зонах.

7. Влияние зазора в плунжерных парах на показатели работы дизелей и топливной аппаратуры проявляется на всех режимах через неравномерность подачи топлива, искажение характеристик впрыскивания и угла начала подачи топлива. Долевое влияние этих нарушений составляет 90-95%. Влияние утечек топлива в картер насоса в интервале зазоров Эо до 8„р составляет 5-10%, и, в первую очередь проявляется на режимах пусковых оборотов.

8. Наиболее важным по степени влияния зазора на показатели работы топливного насоса и дизеля является неравномерность топливоподачи по цилиндрам, которая проявляется в условиях работы двигателя для топливных насосов, бывших в эксплуатации, даже при идеальной регулировке по ТУ на безмоторном стенде.

9. При переходе от темпепатуры топлива 20°С, при которой проводилась регулировка опытного насоса, на 1ТОП., = 60°С, близкой к реальным условиям эксплуатации, производительность секции и неравномерность подачи топлива существенно изменяется. Этот процесс усугубляется с увеличением зазоров в плунжерных парах: у эталонного насоса №0, имеющего средний по секциям диаметральный зазор в плунжерных парах 1.63 мкм, коэффициент снижения подачи топлива Ктоп = 1.0065, неравномерность подачи топлива на номинальном режиме 5„ом = 1.1% и на режиме пуска 5„Усж = 9.1%; у опытного топливного насоса №11 при среднем зазоре 13 мкм, Ктоп = 1.143, 5н„м = 15.33% , 5пуск - 43.85%. Поэтому по мере увеличения зазоров в плунжерных парах регулировать топливные насосы следует с учетом прогнозируемого снижения производительности или при температуре топлива более 60-70°С.

10. Для совместной оценки технологических и эксплуатационных факторов при решении инженерных задач, связанных с определением оптимального поля зазоров, для комплектации плунжерных пар могут быть использованы разработанные практические формулы, таблицы и номограммы, учитывающие климатические зоны эксплуатации, диаметры плунжеров и предельные значения зазоров с обеспечением

, погрешности оценок 0,7 ... 4,96%. Пределы использования методик 1 < & < 6 мкм. Нижнее значение ограничено технологическими возможностями подбора и приработки пар; верхнее - снижением технико-экономических параметров топливной аппаратуры и дизеля.

11. Экономическая эффективность внедрения разработанных рекомендаций, с учетом существующего масштаба цен, составляет для средней полосы России 2217 млн руб/год; для Иордании 169 тыс $ /год.

12. Исследования выполнены применительно к плунжерным парам различных размеров, типов и зон эксплуатации, поэтому, полученные для рассмотренных марок дизелей обобщенные рекомендации, могут быть распространены на дизели других моделей при условии оценки экономической эффективности внедрения применительно к каждому конкретному случаю.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах.

1. Челпан Л.К., Фатгух Я.Ф. и др. Методы формирования технических требований по объектам ремонта с учетом технического состояния ремфонда. Информационный вестник диссертационного Совета Д063.72.04. Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники. Вып. 2, Саранск, 1997, с. 103... 108.

2. Челпан Л.К., Фаттух Я.Ф. и др. Сертификация отремонтированных дизелей на послеремонтный ресурс с целью оценки качества отремонтированной продукции. Вып. 2, Саранск, 1997, с. 74...89.

3. Челпан Л.К., Фаггтух Я., Маликов H.H. Обоснование оптимального поля зазора в размерных группах плунжерных пар для селективной сборки при ремонте с учетом динамики изнашивания в различных зонах эксплуатации. Информационный вестник диссертационного Совета Д.063.72.04. Повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники. Вып. 3, Саранск, 1998, с. 60-81.