Повышение эксплуатационной надежности топливных насосов высокого давления автотракторных дизельных двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени

Повышение эксплуатационной надежности топливных насосов высокого давления автотракторных дизельных двигателей

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства

технического обслуживания в сельском хозяйстве

доктора технических наук

Шарифуллин Саид Насибуллович

Москва- 2009

Работа выполнена в Федеральном государственном обра-зовательном учреждении высшего профессионального образова-ния «Казанский государственный аграрный университет»

Научный консультант - доктор технических наук, доцент Адигамов Наиль Рашатович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор Пучин Евгений Александрович - доктор технических наук, профессор Неговора Андрей Владимирович - доктор технических наук, профессор Евграфов Владимир Алексеевич

Ведущая организация - ФГОУ ВПО «Российский государствен-ный аграрный заочный университет»

Защита состоится « 12 » ноября 2009 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 006.034.01 при Всероссийском научно-исследовательском институте ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ) по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский проезд, д. 1, зал заседаний

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ

Автореферат разослан « » 2009 г.

Ученый секретарь диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент Соловьев Р.Ю.

Общая характеристика работы

высокоточный кинематический насос двигатель

Актуальность проблемы. Эффективность использования сельскохозяйственной техники, в первую очередь, зависит от ее эксплуатационной надежности, которая обеспечивается системой технического обслуживания и ремонта. Разработанная Федеральная система технологий и машин предусматривает доведение ресурса основных узлов и агрегатов машинно-тракторного парка до 10 - 15 тыс. часов. Эти требования относятся и к топливной аппаратуре автотрак-торных и комбайновых дизельных двигателей.

Топливная аппаратура включает в себя топливный насос высокого давления (ТНВД), муфту опережения впрыскивания топлива (АМОВТ), регулятор подачи количества топлива в цилиндры (РОВ), топливный насос низкого давления (ТННД) и форсунки. Практика показывает, что порядка 25 - 30 % всех отказов дизельных двигателей приходится на топливную аппаратуру. Из этих отказов 60 % доли приходится на ТНВД (Рисунок 1). Поэтому, данная работа посвящена исследованию возможностей повышения эксплуатацион-ной надежности ТНВД путем увели-чения его наработки и ресурса работы. Наработка и ресурс работы ТНВД являются основными опреде-ляющими показателями таких харак-теристик надежности изделия, как безотказность и долговечность.

Существующие традиционные технологии изготовления и восстановления узлов и деталей ТНВД не могут обеспечить его требуемый ресурс работы. Анализ показал, что увеличение ресурса работы ТНВД возможно только при использовании высокоэффективных методов обработки. В настоящее время отсутствует также метод общей теоретической оценки надежности ТНВД.



Рисунок 1 - Распределение отказов топливной аппаратуры по узлам

Объект исследований. Закономерности характеристик работы ТНВД в зависимости от технического состояния подвижных соединений кинематической цепи его привода.

Предмет исследований. Технологии восстановления и упрочнения высокоточных подвижных соединений, характеристики и ресурс работы ТНВД.

Цель исследований. Повышение эксплуатационной надежности ТНВД автотракторных дизельных двигателей и разработка теоретической модели основных характеристик его работы.

Методика исследований. В теоретических исследованиях и разра-

ботанных методах расчета использованы основные положения теории надежности, математической статистики, теории вероятностей и законы теплофизики, газодинамики и энергетики.

Экспериментальные исследования по определению основных характеристик ТНВД и процесса плазменной обработки материалов проводились согласно разработанным методикам. Оценку эксплуатационной надежности ТНВД производили согласно разработанной теоретической модели.

Научная новизна:

· комплексное решение проблем восстановления элементов кинематической цепи привода ТНВД с учетом их технического состояния;

· теоретические основы математической модели для построения характеристик работы ТНВД на основе структурно-функциональной модели сложных систем и зависимости между развиваемым плунжерной парой давлением и интенсивностью износа ее сопрягаемых поверхностей;

· классификация высокоэффективных технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений, основанных на процессах нанотехнологий;

· методы плазменного упрочнения поверхностей деталей высокоточных подвижных соединений и нанесения на них износостойких покрытий, основанных на выборе оптимальных параметров режима обработки из широкого спектра энергетических, тепловых и газодинамических характеристик низкотемпературной плазмы газового разряда;

· технологии по восстановлению элементов кинематической цепи привода ТНВД с комплексным применением существующих и предлагаемых высокоэффективных технологий;

· теоретическая модель для построения характеристик работы всех типов ТНВД на основе предложенной математической модели и экспериментальных данных.

Практическая значимость работы:

· комплексное решение проблем восстановления элементов кинематической цепи привода ТНВД позволяет достижение его первоначального ресурса работы;

· построенная теоретическая модель основных характеристик работы ТНВД позволяет ее применение при конструировании и изготовлении ТНВД с заданной эксплуатационной надежностью;

· предложенные технологии ремонта плунжерных пар ТНВД позволяют восстанавливать плунжерные пары с любой степенью износа и обеспечить ресурс их работы не ниже ресурса работы новых плунжерных пар;

· предложенная технология восстановления пружин толкателей ТНВД позволяет достичь упругости новых пружин;

· предложенная технология восстановления геометрических размеров кулачков и шеек кулачкового вала ТНВД с применением плазменных покрытий позволяет достичь первоначального ресурса работы кулачкового вала;

· разработаны плазменные методы упрочнения поверхностей высокоточных подвижных соединений и создания на них покрытий с высокой твердостью и износостойкостью;

· использование предложенных высокоэффективных технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений позволит обеспечить ресурс работы ТНВД более 10 тыс. моточасов.

Основные положения диссертации, выносимые на защиту:

· комплексное решение проблем восстановления элементов кинематической цепи привода ТНВД с учетом их технического состояния;

· теоретические основы математической модели для построения характеристик работы ТНВД на основе структурно-функциональной модели сложных систем и зависимости между развиваемым плунжерной парой давлением и интенсивностью износа ее сопрягаемых поверхностей;

· классификация высокоэффективных технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений, основанных на процессах нанотехнологий;

· методы плазменного упрочнения поверхностей деталей высокоточных подвижных соединений и нанесения на них износостойких покрытий, основанных на выборе оптимальных параметров режима обработки из широкого спектра энергетических, тепловых и газодинамических характеристик низкотемпературной плазмы газового разряда;

· технологии по восстановлению элементов кинематической цепи привода ТНВД с комплексным применением существующих и предлагаемых высокоэффективных технологий;

· теоретическая модель для построения характеристик работы всех типов ТНВД на основе предложенной математической модели и экспериментальных данных;

· результаты лабораторных и эксплуатационных исследований.

Достоверность основных положений и научных выводов диссертации подтверждена теоретическими и экспериментальными исследованиями, производственными испытаниями, а также практическим использованием научно-технических разработок и рекомендаций.

Реализация результатов исследований.

· Результаты исследований по повышению эксплуатационной надежности топливной аппаратуры автотракторных дизельных двигателей переданы в Министерство сельского хозяйства и продовольствия Республики Татарстан для внедрения.

· Материалы исследований в виде монографии «Пути повышения эффективности работы топливной аппаратуры автотракторных дизельных двигателей» используются в учебном процессе Казанского ГАУ, Марийского государственного университета, Чувашской ГСХА, Воронежской государственной лесотехнической академии и Чистопольского филиала Камской государственной инженерно-экономической академии.

· Результаты исследований по плазменной обработке материалов используются на кафедре «Общая физика» КГТУ им. А.Н. Туполева при разработке методик исследований низкотемпературной плазмы и технологических процессов обработки различных материалов с целью получения изделий с улучшенными качественными параметрами.

· Разработанные новые технологии восстановления плунжерных пар, пружин толкателей и кулачковых валов ТНВД используются при ремонте топливных насосов на предприятиях НПО «Агросервис» РТ, в ОАО РМЗ «Алмаз» г. Казани, ООО «Дизель-сервис» г. Воронежа, ООО «Техцентр СМД» г. Чистополя РТ, ОАО «Транспортник» г. Чистополя РТ и ОАО «Чистопольский завод автоспецоборудование» РТ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Международных, Всесоюзных, Всероссийских, Республиканских и Межвузовских научно-практических конференциях в период с 1973 г. по настоящее время, проходивших в городах Москва, Санкт-Петербург, Казань, Пенза, Мичуринск, Ижевск и Самара. Организаторами конференций являлись аграрные, технические, технологические и политехнические университеты, ГОСНИТИ.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 46 научных работ, в том числе 9 статей в изданиях, рекомендованных ВАК, 1 монография, 3 авторских свидетельства, 1 патент на полезную модель и 1 статья в международном журнале.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений. Общий объем диссертации составляет 385 страниц машинописного текста, в том числе 294 страницы основного текста, 82 рисунка и 35 таблиц. Диссертация содержит библиографию из 188 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы, изложена общая характеристика диссертационной работы, определена цель исследований,

выбраны методы исследований, раскрыта научная новизна и практическая значимость работы, приведена структура диссертации, сформулированы научные положения и результаты, выносимые на защиту.

В первой главе диссертации «Состояние проблемы и анализ существующих технологий ремонта ТНВД и задачи исследований» сделан аналитический обзор опубликованных материалов по теме диссертации, дана оценка современному состоянию этого вопроса и сформулированы основные задачи исследований.

На сегодняшний день основное внимание ремонтных предприятий сосредоточено на восстановлении плунжерных пар ТНВД. Однако производственный опыт по ремонту ТНВД и проводимые исследования показали, что наряду с восстановлением плунжерных пар необходимо рассматривать и восстановление изношенных деталей всей кинематической цепи привода. На рисунке 2 приведена классификация подвижных сопряжений элементов кинематической цепи привода ТНВД. Из него видно, что в кинематическую цепь привода ТНВД входит довольно большое количество подвижных сопряжений. Износ в каждой из них выше допустимых значений может привести к резкому ухудшению основных параметров ТНВД.

Общие вопросы надеж-ности машин, их ремонта и восстановления рассмотрены многими учеными: В.Н. Бугае-вым, Ф.Х. Бурумкуловым, Е.Л. Воловиком, И.И. Габитовым, И.Г. Голубевым, В.А. Евграфо-вым, М.Н. Ерохиным, Э.С. Каракозовым, С.П. Казанцевым, Е.А. Лисуновым, В.П. Лялякиным, В.М. Михлиным, Б.Б. Нефедовым, А.В. Поляченко, Е.А. Пучиным, М.Я. Рассказовым, А.Э. Северным, М.А. Халфиным,



Рисунок 2 - Классификация подвижных сопряжений элементов кинематической цепи привода ТНВД

С.С. Черепановым, В.И. Черноивановым, В.М. Юдиным и др. Большинство из этих ученых продолжают вносить весомую лепту и в настоящее время. Вопросам теории старения машин, износа деталей, обеспечения и повышения надежности работы топливной аппаратуры дизельных двигателей, ее отдельных узлов и элементов посвящены исследования ученых: В.В. Антипова, Н.И. Бахтиарова, Р.М. Баширова, М.М Вихерта, Б.П. Загородских, В.Г. Кислова, П.М. Кривенко, А.В. Неговора, А.И. Селиванова, Б.Н. Файнлейба и др. Результаты исследований легли в основу разработки нормативно-технической документации ЦНИТА и ГОСНИТИ по конструированию и изготовлению топливной аппаратуры и государственных стандартов, регламентирующих требования к изготовлению топливной аппаратуры и методам ее испытаний.

Согласно государственным стандартам и конструкторской документа-

ции, разработанной ЦНИТА, изготовленные топливные насосы и их прецизионные пары должны иметь показатель надежности по ресурсу 5000 часов. Однако в реальной эксплуатации надежность топливной аппаратуры, в том числе ТНВД, остается очень низкой. За период развития ТНВД технологии восстановления изношенных деталей не претерпели особых изменений, как по повышению экономической эффективности, так и по увеличению ресурса работы топливного насоса. На рисунке 3 приведена классификация существующих технологических процессов восстановления плунжерных пар. Анализ этих технологий показывает, что они позволяют восстановить не более 30 % изношенных плунжерныхпар. В результате накапливается огромное количество плунжерных пар из качествен-ного материала с дальнейшей сдачей в металлолом.

Рисунок 3 - Классификация существующих технологических процессов восстановления плунжерных пар

Выводы по данной главе диссертации позволили сформулировать следующие задачи исследований:

· обосновать необходимость комплексного решения проблем восстановления элементов кинематической цепи привода ТНВД с учетом их технического состояния;

· разработать теоретические основы математической модели для построения характеристик работы ТНВД на основе структурно-функциональной модели сложных систем и зависимости между развиваемым плунжерной парой давлением и интенсивностью износа ее сопрягаемых поверхностей;

· разработать классификацию высокоэффективных технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений, основанных на процессах нанотехнологий;

· теоретическое обоснование новых возможностей плазменных технологий по упрочнению поверхностей деталей высокоточных подвижных соединений и нанесению на них износостойких покрытий, основанных на выборе оптимальных параметров режима обработки из широкого спектра энергетических, тепловых и газодинамических характеристик низкотемпературной плазмы газового разряда;

· разработать новые технологии по восстановлению элементов кинематической цепи привода ТНВД с комплексным применением существующих и предлагаемых высокоэффективных технологий;

· разработать теоретическую модель для построения характеристик работы всех типов ТНВД на основе предложенной математической модели и экспериментальных данных;

· внедрить результаты научных исследований на предприятиях промышленности, транспорта, технического сервиса и АПК, а также в учебный процесс преподавания технических дисциплин в высших учебных заведениях.

Во второй главе диссертации «Теоретические основы повышения эксплуатационной надежности ТНВД автотракторных дизельных двигателей» изложены теоретические основы по моделированию характеристик работы ТНВД. Дано обоснование возможности повышения эксплуатационной надежности ТНВД за счет использования высокоэффективных технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений.

За основной параметр модели можно принять среднюю цикловую подачу топлива на частоте вращения, соответствующей номинальной мощности дизеля. В процессе эксплуатации дизеля износ деталей топливного насоса приводит к уменьшению цикловой подачи топлива q. Это уменьшение топлива выразить непосредственно через износ деталей сложно. Однако эту связь можно отразить через наработку t и развиваемое плунжерной парой (секцией) давление р, имеющие непосредственную зависимость от величины износа деталей.

Соответствие между цикловой подачей q и варьируемыми входными параметрами: наработкой t и развиваемым плунжерной парой давлением р, т.е. q = f(t;р), можно задать некоторой эмпирической функцией двух переменных Т = f(x;y). Тогда задача будет сводиться к определению вида этой функции.

Решение этой задачи можно выполнить с помощью интер-поляционных полиномов Лагранжа. Выбрав фиксированные значения x и y для конкретно взятого топливного насоса составляем полиномы Лагранжа для заданных 5 уровней.

Для нулевого уровня при фиксированном у₀ полином запишется в следующем виде:

Р(х)=Т_0.0+Т_0.1+Т_0.2+Т_0.3+Т_0.4. (1)

Аналогичные выражения можно записать и для остальных уровней.

На основании полученных формул можно сформулировать общее аналитическое выражение, характеризующее влияние конструктивно-эксплуатационных факторов ТНВД на его основной параметр - цикловую подачу топлива. Оно будет представлено в виде полинома девятой степени:

Р₅(х;у)=Р(х)+Р(х) + Р(х)+

Р(х)+ Р(х)

+ Р. (2)

Полученный полином в трехмерном пространстве задает поверхность, которая в явном виде показывает зависимости исследуемых параметров от входных факторов. Последовательно проводя рассечение полученной поверхности плоскостями можно получить систему точек {Т_i}, соединив которые получим на поверхности кривую Т = P(x;y), соответствующую max исследуемого технологического фактора.

Описанный алгоритм получения интерполяционных моделей позволяет определить оптимальную характеристику работы конкретного ТНВД, у которого известен набор экспериментальных данных по цикловой подаче топлива для различных величин наработки и развиваемого плунжерной парой давления. Предлагаемую интерполяционную модель можно считать эмпирической моделью. Однако задача состоит в разработке не эмпирической, а теоретической модели, которая могла быть применена для определения оптимальных характеристик работы всех типов ТНВД, имеющих активный ход плунжера. При решении этой задачи исходили из следующего:

Расход топлива является основным параметром характеристики работы любого ТНВД. Изменение расхода топлива для разных ТНВД при одинаковых наработках будет разным. Это изменение зависит от состояния плунжерной пары, вернее от создаваемого ею давления. Развиваемое плунжерной парой давление связано с общим износом деталей плунжерной пары. Оно определяется износостойкостью сопрягаемых поверхностей деталей, как плунжерной пары, так и остальных подвижных соединений силовой цепи привода ТНВД. Следовательно, закономерность характеристики работы ТНВД будет одинакова для всех типов топливных насосов. Эта характеристика может быть описана для конкретно взятого ТНВД полиномами Лагранжа.

Для перехода к описанию характеристики работы любого типа ТНВД необходимо определить функциональную зависимость между развиваемым давлением ТНВД, его наработкой и интенсивностью износа сопрягаемых поверхностей деталей плунжерной пары. При определении данной функциональной зависимости воспользуемся известным выражением для гидравлической плотности плунжерных пар:

, (3)

где - исходная плотность; A - постоянная, характеризующая влияние начальной плотности; k - коэффициент, учитывающий интенсивность износа плунжерных пар; t - продолжительность эксплуатации.

Логарифмируя это выражение можно найти и ресурс работы плунжерных пар

t_пред = , (4)

где - предельно допустимая в эксплуатации плотность.

Представленную зависимость (3) нельзя использовать совместно с эмпирической моделью для определения оптимальных характеристик работы ТНВД, т.к. в ней участвует не развиваемое плунжерными парами давление, а их гидравлическая плотность. Тогда предположим, что между гидравлической плотностью плунжерных пар ф и развиваемым ими давлением p существует некоторая зависимость (гиперболическая регрессия):

. (5)

Коэффициенты а и b находятся методом наименьших квадратов (n - число измерений):

 . (6)

Остаточное среднеквадратическое отклонение можно найти по формуле:

. (7)

Доверительные интервалы для коэффициентов а и b можно определить из выражений:

, , , (8)

где t_p, - коэффициент Стьюдента.

Пусть р₀ - давление, развиваемое плунжерной парой при ₀. Тогда согласно (5):

. (9)

Отсюда

. (10)

Подставив (10) в (5) получаем:

(11)

В результате зависимость (5) можно записать в виде:

, (12)

где р₀ - исходное давление (развиваемое плунжерной парой давление при ); р - развиваемое плунжерной парой давление при , - коэффици-ент пропорциональности, определяемый выражением:

. (13)

Доверительный интервал для коэффициента k^* :

. (14)

Для выявления связи между временем опрессовки плунжерной пары и развиваемым ею давлением был проведен регрессионный анализ эксперимен-тальных данных.

Вычисления дают k^* = (0,106 0,008) 1/МПа.

Следовательно, зависимость между р и можно записать в виде:

. (15)

Подставляя выражение (3) в (15) получим закон изменения развиваемого плунжерной парой давления от наработки

= 0,1(р₀ - р) + 1 (16)

Переходя от плунжерной пары к ТНВД и учитывая, что его наработка определяется ресурсом работы плунжерных пар по формуле (16) можно найти и ресурс работы ТНВД

= . (17)

Анализ показал, что формула (16) и полином Лагранжа для определе-ния рациональных режимов работы конкретного топливного насоса позволяют определить ресурс работы всех типов ТНВД и нахождение оптимальных значений основных характеристик их работы при различной наработке.

На рисунке 4 представлена структурная схема теоретической модели для построения характерис-тик работы ТНВД. Разработанная теоретическая модель основных характеристик работы ТНВД может быть использована в практике проектирования, изготовления и эксплуатации топливных насосов.

Решение общей задачи

Рисунок 4 - Структурная схема теоретической модели для построения характеристик работы ТНВД

обеспечения запланированного ресурса работы ТНВД в 10 - 15 тыс. моточасов возможно применением высокоэффективных методов обработки материалов. На рисунке 5 приведена классификация высокоэффективных технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений применительно к ТНВД. Некоторые из этих технологий могут непосредственно использоваться в изготовлении и восстановлении узлов и деталей топливной аппаратуры, а

некоторые требуют дополнительных исследований и доработок.

Из приведенных технологий на рисунке 5 некоторые имеют раз-новидности. Например, технология плазменного напыления подразделяется на технологию плазменной наплавки с толщиной покрытия от 1 до 10 мм и технологию плазменной металлизации с толщиной покрытия от 0,1 до 1 мм. Плазменной технологией возможно и нанесение тонких пленок с толщиной от долей до нескольких десятков микрометров. Для высокоточных подвижных соединений можно выбрать 3 схемы нанесения тонких пленок. Это- напыление плазменной струей дугового разряда атмосферного давления, получение покрытий ион-но-плазменным способом и нанесение тонких пленок высокочастотной индукционной (ВЧИ) плазмой низкого давления.

С точки зрения простоты и экономической эффективности представляяет интерес применение присадочных материалов.

Добавляя в масло или топливо специальные составы можно значительно увеличить ресурс работы подвижных соединений.



Рисунок 5 - Классификация высокоэффективных технологий по восстановлению и упрочнению высокоточных подвижных соединений применительно к ТНВД

Присадки бывают упрочнению высокоточных подвижных как отдельно для масел, так соединений применительно к ТНВД и для топлива. Разновидностей их довольно достаточно. Их особенностью является применение без разборки агрегатов в режиме штатной эксплуатации. Некоторые из них в процессе эксплуатации изделия, например ГТМ-технология, на поверхностях пар трения агрегатов в зонах контакта образует модифицированный слой алмазоподобной структуры углерода.

Из указанных технологий на рисунке 5 технологии создания модифицированного слоя на поверхностях деталей нанесением тонких пленок ВЧИ-плазмой низкого давления и очистка, полировка и упрочнение поверхностей деталей плазменным методом разработаны автором диссертации. Анализ свойств плазмы и возможностей ее применения показал, что для упрочнения поверхностей деталей высокоточных подвижных соединений и нанесения на них износостойких покрытий соответствует высокочастотный индукционный (ВЧИ) разряд низкого давления в потоке инертного газа. Основные параметры плазмы, такие как температура заряженных частиц, их энергия, концентрация и скорость движения, зависят от величины напряженности электрического поля Е. Зависимость Е от давления в вакуумной камере при различных температурах электронов T_e и атом-ионного газа T_a можно построить на основании уравнения сохранения энергии электронного газа:

, (18)

где , ,

, , , e - заряд электрона, n_e - концентрация электронов, b_e - подвижность электронов, E - напряженность электрического поля, k - постоянная Больцмана, T_e - температура электронного газа, T_a - температура тяжелых частиц газа, m_e - масса электрона, m_a - масса атома аргона, - интервал времени между двумя столкновениями электрона с атомами газа, б_e - константа скорости ионизации газа электронным ударом, n_a - концентрация атомов, U_i - потенциал ионизации, - средняя длина свободного пробега электрона, - скорость теплового движения электрона, - эффективное сечение упругого рассеяния электронов на атомах газа,

Используя уравнения Максвелла

rot = , rot = - µ µ_o , (19) где 2 µ µ_o H ѓ , Н І_инд щ или Е 2 µ µ_o ѓ d І_инд щ ,

Н - напряженность магнитного поля, j - плотность тока, µ - относительная магнитная проницаемость среды, µ_o - магнитная постоянная, µ_o = 4·10^-7 Гн·м^-1, - производная напряженности магнитного поля от времени, - диаметр разрядной камеры, ѓ - частота генератора, І_инд - ток индуктора, щ - число витков индуктора на единицу длины, для реальных параметров плазменной установки , , определяем порядок величины напряженности электрического поля Е = 100 .

При Е = 100 по вышеуказанной зависимости напряженности электрического поля от давления в вакуумной камере максимальные температуры электронного газа и атомов в плазменном сгустке обеспечиваются при давлении 50 Па , . При этих температурах любой материал распыляется до парогазовой фазы.

В нашем случае задача состоит не только в распылении какого-либо материала в ВЧИ-разряде и транспортировке продуктов испарения на поверхность подложки плазменной струей, но и в упрочнении поверхности детали. Вторая половина задачи может быть решена при следующих параметрах плазменной струи: температура электронов порядка 10^{4 є}К, средняя температура плазмы не выше 10^{3 є}К и скорость струи порядка 500 м·с^-1. Определим потребную температуру электронного газа в разряде для обеспечения указанных параметров плазменной струи. При ее определении необходимо учитывать охлаждение электронного газа при его движении до поверхности детали. Оценка изменения T_e может быть произведена с помощью уравнения сохранения энергии электронного газа в плазменной струе:

k n_e = - k (T_e - T_a) , (20)

где - скорость плазменного потока, - координата по оси плазменной струи (точка = 0 соответствует центру разряда).

Решение: T_e = , (21) где - температура электронного газа в разряде, - характерный размер зонда,

 = .

При z = 0.2 м, m_a = 10²¹м^-3, p_k = 50 Па и v = 500 м·с^-1 = 7·10^{4 є}К.

Отсюда видно, что необходимые параметры плазменной струи можно обеспечить при расчетных показателях самого разряда. Проведенные теоретические расчеты позволяют разработать экспериментальную установку для нанесения износостойких покрытий и упрочнения поверхностей деталей ВЧИ-плазмой низкого давления.

В третьей главе диссертации «Программа и методики исследований» рассмотрена программа исследований и разработаны методики для: проведения исследований характеристик работы ТНВД; лабораторных исследований натурных образцов с покрытиями на износостойкость; исследований упругости пружин толкателей ТНВД; ресурсных испытаний ТНВД; экспериментальных исследований ВЧИ-разряда низкого давления; определения качества покрытий, нанесенных ВЧИ-плазмой низкого давления и определения качества поверхностей, обработанных струей ВЧИ- плазмы низкого давления.

Методика теоретических исследований характеристик работы ТНВД заключалась в том, чтобы на поверхности исследуемых параметров от входных факторов определить систему точек, соединив которых получим кривую, соответствующую максимуму исследуемого технологического фактора.

Уравнения исследуемых поверхностей имеют общий вид :

Т = Р(х;у) = , (22)

где - коэффициент при . Приняв и подставив это в уравнение (22), можно получить частное выражение вида:

(23)

В результате преобразования уравнения (23), получится выражение

, (24)

где . Данное выражение описывает кривую пересечения секущей плоскости с поверхностью.

Продифференцировав функцию (24) по у можно получить уравнение вида: . (25)

Определив стационарные точки функции , т.е. решив уравнение , можно оценить его корни. Пусть у₁,у₂,_…,_.у_m корни уравнения . Рассчитав и выбрав из последовательности max значение функции, обозначив ее через , можно найти значение переменной , соответствующее .

Таким образом, для некоторого фиксированного значения наработки можно определить значение развиваемого плунжерной парой давления p = y₀, при котором значение исследуемого параметра достигает максимального значения.

Особенностью методики лабораторных исследований натурных образцов с покрытиями на износостойкость являлось то, что сопрягаемые поверхности деталей плунжерных пар не являются плоскими и проведение экспериментов непосредственно с этими деталями представляют определенные технические трудности. Поэтому взамен их была изготовлена партия пластин из материала плунжера плунжерной пары, которую разбили на несколько групп. На поверхности пластин наносили покрытия из электролитического хрома, химического никеля и нитрида титана с дальнейшим их исследований.

При исследовании упругости пружин толкателей ТНВД вначале производили их дефектацию на машине МИП-100-2, затем выбракованные пружины восстанавливали с помощью специально разработанного устройства методом пластического деформирования путем создания на поверхности витков пружин сжимающих напряжений за счет электромеханического воздействия.

Ресурсные испытания ТНВД представляли собой 3 вида испытаний:

ускоренные лабораторные, стендовые в течение 800 часов и эксплуатационные (производственные) длительностью 3000 моточасов. Ускоренные лабораторные испытания производились по методике ЦНИТА.

Экспериментальные исследования высокочастотного индукционного разряда низкого давления заключалось в исследование энергетического баланса плазменной установки, особенностей разряда и параметров плазменной струи. Для исследований были использованы различные электрофизические методы и аппаратура: зондовые, калориметрические, фотографические, радиационные и др.

При определении качества покрытий, нанесенных ВЧИ-плазмой низкого давления и поверхностей, обработанных струей ВЧИ- плазмы низкого давления были применены современные испытательные стенды, оборудование и приборы: дифрактограф УРС-50М, установка электроннопарамагнитного резонанса РЭ-1301, инфракрасный спектрометр UR-20, интерферометр МИИ-4, прибор СМ-55 для измерения механической прочности поверхностей, прибор ПМТ-3 для измерения микротвердости поверхности, лазерный стенд ГОС-300, электронный микроскоп УЭМВ-100А и др.

В четвертой главе диссертации «Разработка новых технологий по восстановлению элементов кинематической цепи привода ТНВД» изложены результаты работ по разработке новых технологий по восстановлению геометрических размеров конкретных элементов кинематической цепи привода ТНВД: плунжерной пары, пружины толкателя и кулачкового вала. В ней также представлены результаты исследований параметров разработанной плазменной установки, ВЧИ-разряда низкого давления и плазменной струи. В данной главе диссертации отражены и результаты нанесения износостойких покрытий и упрочнения поверхностей высокочастотной индукционной плазмой низкого давления.

Таблица 1 - Ресурс работы подвижных сопряжений элементов кинематической цепи привода ТНВД

В таблице 1представлены результаты анализа ресурса работы подвижных сопряжений элементов кинематической цепи привода ТНВД за период работы автора диссерта-ции с 1992 г. по н/в. Из таблицы 1 видно, что основная часть деталей подвижных сопряжений элементов кинематической цепи привода ТНВД при первом же техническом обслуживании требует восстанов-ления геометрических размеров. Расчеты по кинематической цепи привода ТНВД показывают, что при нахождении размеров деталей в пределах допусков максимальная радиальная составляющая усилия кулачка на плунжер не более 0,35% от общего усилия, тогда как реально она более 20% . Это наглядно видно по следу износа торца ремонтного плунжера. Из соотношения цифр следует, что при нарушении требований к сопрягаемым деталям по точности их изготовления продолжение эксплуатации ТНВД приведет к резкому росту радиального давления на плунжер и оно фактически превысит максимально допустимое значение более чем в 50 раз! Это означает многократное увеличение интенсивности изнашивания поверхностей плунжера и отверстия гильзы в местах их контакта, а износ прямо пропорционален удельной нагрузке. Поэтому простая замена изношенной плунжерной пары на годную будет являться самообманом и приведет к быстрому превращению ТНВД снова в ремфонд. На рисунке 6 приведено распределение отказов подвижных сопряжений элементов кинематической цепи привода ТНВД. Из рисунка видно, что большинство подвижных сопряжений при первом же техническом обслуживании ТНВД требуют восстановления своих геометрических размеров. Оказывается, это касается не только плунжерной пары. Лишь часть подвижных сопряжений (поз. 5,6,8-11) могут находиться в пределах своих допустимых значений параметров до следующего технического обслуживания. Следовательно, при ремонте ТНВД возникает необходимость восстановления не только плунжерных пар, но и всех деталей его кинематической цепи.

Рисунок 6 - Распределение отказов подвижных сопряжений элементов кинематической цепи привода ТНВД

Новые технологии восстановления плунжерных пар ТНВД. Предлагаемые технологии позволяют восстановление изношенных плунжерных пар с любой степенью износа и обеспечение их ресурса работы не ниже ресурса работы новых плунжерных пар. На рисунке 7 представлена структурная схема такого технологического процесса.

Для плунжеров с никелевым покрытием с целью создания необходимой твердости покрытия после совместной доводки плунжерной пары на плунжера дополнительно напыляют нитрид титана толщиной 2 - 3 мкм и затем проводят дополнительную сов-местную доводку плунжерной пары. После плунжерную пару проверяют на качество. Качество плунжерной пары проверяют по одному из следующих параметров: гидроплотности, развиваемому давлению, производительности, зазору между гильзой и плунжером, подачи топлива.

Нанесение нитрида титана на плунжера производили на разработанной автором диссертации магнетронной установке УВН-4-2 и внедренной на предприятии ОАО «Чистопольский часовой завод». Фотография установки УВН-4-2 представлена на рисунке 8.

Рисунок 7 - Структурная схема нового технологического процесса восстановления плунжерных пар ТНВД

Были проведены эксперименты определению сравнительных характеристик износостойкости покрытий из хрома, никеля и нитрида титана. На рисунке 9 представлены графики зависимостей потери массы натурных образцов с покрытиями и без покрытия от длительности износа. Измерения показали, что покрытия из хрома и никеля с термозакалкой имеют твердость HRC 58, равную твердости основного материала. Испытания на машине трения показали, что износостойкости закаленной стали ШХ-15 с твердостью HRC 58 и покрытия из химического никеля с термообработкой при 400°С в течение 10 мин находятся на одном уровне. Износостойкость покрытия из блестящего твердого хрома в 1,2 раза выше износостойкости закаленной стали ШХ-15, а нитрида титана - в 2,4 раза.

Технология восстановления упругости пружин толкателей ТНВД. В настоящее время пружины толкателей не восстанавливаются. При ремонте ТНВД не годные пружины толкателей заменяются новыми или бывшими в эксплуатации (б/у), но отвечающие техническим требованиям.

Одно из направлений решения задачи восстановления пружин связано с использованием методов пластического деформирования путем создания на поверхности витков пружин ТНВД сжимающих напряжений за счет электро- механического воздействия. В результате проведенных теоретических исследований было разработано устройство для восстановления упругих свойств пружин толкателей ТНВД. Его фотография представлена на рисунке

10. По результатам лабораторных исследований были определены основне

Рисунок 8 - Фотография магнетронной установки УВН-4-2



Рисунок 9 - Зависимости потери массы натурных образцов от длительности износа

режимы обработки поверхностей пружин, используемых в различных марках ТНВД. Разработанная технология восстановления пружин толкателей ТНВД позволяет достичь упругости новых пружин.

Эксплуатационные исследования показали, что восстановленные с использо-ванием метода пластического деформирования пружины толкателей ТНВД сохраняют заданную упругость в послеремонтный

Рисунок 10 - Общий вид период наработки. устройства для восстановления пружин толкателей ТНВД

Восстановление кулачкового вала ТНВД методом плазменного напыления. Изношенные кулачки кулачковых валов можно восстановить способом плазменного напыления твердосплавного порошка в среде инертного газа. Толщина покрытий плазменным напылением находится в пределах от 0,1 до 10мм.

Износ таких поверхностей, как поверхности шеек коленчатых валов и кулачков распределительных валов двигателей и кулачков кулачковых валов ТНВД не превышает величин 1 - 2 мм. Поэтому указанная технология плазменного напыления может быть применена для восстановления геометрических размеров таких деталей. Автором диссертации эта технология восстановления приведенных деталей в 1998 году была внедрена в ОАО «Чистопольская сельхозтехника» Республики Татарстан. На рисунке 11 приведена фотография процесса плазменного напыления кулачков кулачковых валов ТНВД. При напылении деталь не нагревается более 200...300°С. Покрытие получается сплошным, однородного цвета, без частиц нерасплавленного металла, без трещин, отслоений (вздутий). Шероховатость покрытия не более 80 - 100 мкм. Покрытие имеет прочное сцепление с основным металлом и не отслаивается при испытании методом нанесения сетки царапин. Пористость покрытия не более 20%. Твердость покрытия HRC 58 - 62. Механическая обработка покрытия и полировка позволяют получение поверхности 10 - 11 класса шероховатости.

Предприятие ООО «Техцентр СМД», руководителем которого является автор диссертации, ежегодно плазменным напылением восстанавливало более 30 кулачковых валов ТНВД. Ни одной рекламации по качеству восстановления кулачковых валов не было получено.

Рисунок 11 - Процесс плазменного напыления кулачков кулачковых валов ТНВД

Нанесение износостойких покрытий и упрочнение поверхностей высокочастотной индукционной плазмой низкого давления. На основании теоретических расчетов была разработана экспериментальная установка для нанесения износостойких покрытий и упрочнения поверхностей деталей ВЧИ-плазмой низкого давления. На основе проведенных экспериментальных исследований были определены диапазоны давления, расхода газа и мощности разряда, в которых рекомендуется выбирать технологические режимы для нанесения износостойких покрытий и упрочнения поверхностей деталей. Были проведены эксперименты по испарению в ВЧИ-раряде низкого давления как металлических и так и диэлектрических материалов. Основные исследования проводились по испарению кварца, относящегося к классу алмазоподобных материалов. При распылении SiO₂ происходит диссоциация его молекул. В разряде и плазменной струе вблизи разряда присутствуют атомы кремния и кислорода. С удалением от разряда в направлении движения плазмы вначале происходит образование SiO, а затем SiO₂. Результаты исследований нанесенных покрытий двуокиси кремния ВЧИ-плазмой низкого давления представлены в таблице 2. Полученные покрытия твердые, однородные по микроструктуре, диэлектрические, износостойкие, равномерные по толщине и пригодны для применения для высокоточных соединений топливных насосов автотракторных дизельных двигателей.

ВЧИ-плазмой низкого давления оказалось возможным не только нанесение износостойких покрытий, но и улучшение качества поверхности

Таблица 2 - Результаты исследований нанесенных покрытий двуокиси кремния ВЧИ-плазмой низкого давления

самих деталей. В проводимых исследованиях плазменной обработке были подвергнуты образцы из титана, стали, меди, алюминия, платиноиридия и стекол различных марок.

На рисунке 12 представлены фотографии микроструктур поверхностей различных образцов до и после ВЧИ-плазменной обработки. Сопоставление

фотоснимков для одного и того образца же показывает, что существовавшие микро-дефекты поверхности после обработки плазмой исчезают и образуется совершенно новая, более сглаженная и однородная микроструктура поверхности. Анализ показал, что в процессе обработки образцов высокочастотной индукционной плазмой низкого давления происходит удаление дефектного слоя поверхности, образованного при механической



до после до после

Рисунок 12 - Фотографии микроструктур поверхностей титанового сплава ВТ6 (левая половина) и стали Ст. 45 (правая половина) до и после обработки потоком ВЧИ-плазмы низкого давления (х20 000 в формате листа А4)

полировке. При обработке плазмой сначала происходит раздробление больших микродефектов на более мелкие, а затем удаление их с поверхности потоком плазмы. Обратим внимание, что на рисунке ширина фотографий всего около 5-ти мкм и шероховатость поверхностей образцов до обработки плазмой 11-й класс. В процессе обработки плазмой происходит не только удаление дефектного слоя поверхности, но и ее полировка. При этом шероховатость поверхности повышается на 2 - 3 класса. Кроме этого, происходит увеличение микротвердости поверхности в 1,5 - 2 раза.

В пятой главе диссертации «Экспериментальные и теоретические исследования характеристик работы ТНВД» представлены результаты ресурсных испытаний ТНВД с заводской плунжерной парой и плунжерными парами с покрытиями, полученными по предложенным новым технологиям. На основе теоретических предпосылок главы 2 диссертации и эксперименталь-ных данных исследованы технические характеристики работы ТНВД с различными покрытиями плунжеров плунжерных пар и разработана теоретическая модель для оценки эксплуатационной надежности ТНВД.

Были проведены эксплуатационные испытания длительностью 3000 моточасов, стендовые испытания на 800 моточасов и ускоренные лабораторные испытания топливных насосов. На рисунках 13 и 14 представлены зависимости цикловой подачи топлива ТНВД марки НД-22/6 и модели 33-02 с заводской плунжерной парой и плунжерными парами с покрытиями, полученными по предложенным новым технологиям, от длительности ускоренных лабораторных и эксплуатационных испытаний. Анализ полученных данных ускоренных лабораторных испытаний показал, что они по износостойкости согласуются с результатами испытаний износостойкости натурных образцов на машине трения. Сравнение результатов эксплуатационных испытаний топливных насосов высокого давления с результатами ускоренных лабораторных испытаний показало, что между ними есть как согласие, так и некоторое различие. Различие связано с тем, что при ускоренных испытаниях всегда присутствует только абразивный износ, а эксплуатационные испытания проводятся в реальных производственных условиях. Результаты стендовых испытаний совпали с результатами производственных испытаний.

В результате математического моделирования характеристик ТНВД в зависимости от ресурса его работы и развиваемого плунжерной парой давления с различными покрытиями плунжера плунжерной пары были получены уравнения поверхности, исследование которых позволяет рекомендовать рациональные режимы работы топливного насоса.

На основании предложенной методики исследований характеристик работы ТНВД для фиксированных значений х определяем max значение исследуемого параметра и соответствующее этому значению y. Выполненные расчеты по программе Maple для ТНВД модели 33-02 с заводской плунжерной парой и покрытием плунжера плунжерной пары из нитрида титана показали, что исследуемый технологический фактор максимальной величины достигает для плунжерной пары, имеющей начальное развиваемое давление в 110 МПа. На основании полученных данных составлены таблицы зависимости max исследуемого технологического фактора от наработки.

Ортогональные проекции кривых на поверхности Т = P(x;y), соответствующие max исследуемого технологического фактора, приведены на рисунке 15. Из него видно, что зависимости непрерывные, в них переходы

из одной точки в другую плавные, покрытие на плунжере из нитрида титана позволяет существенно увеличить ресурс работы ТНВД.

В процессе экспериментальных исследований была проведена проверка согласия в определении степени расхождения опытных и теоретических основных характеристик работы ТНВД с различными покрытиями плунжеров. Полученные сравнительные характеристики работы

ТНВД с покрытием плунжера плунжерной пары из нитрида титана от наработки приведены на рисунке 16. Сравнительный анализ экспериментальных и теоретических зависимостей показал полное их совпадение. Это связано с тем, что зависимости по полиномам Лагранжа точно проходят по эксперимен- тальным точкам. Некоторое отличие кривых объясняется особенностями полинома. На некоторых участках кривых, имеющих заметное расстояние между близлежащими точками, могут быть выбросы.



Рассмотрим конкретный пример применения разработанной теоретической модели. Возьмем за базовую модель топливный насос модели 33-02 двигателя автомобиля КамАЗ 5320 с заводскими плунжерными парами. По экспериментальным данным ресурс этого ТНВД 3000 часов при исходном развиваемом плунжерной парой давлении 70 МПа. Пусть для базовой модели ТНВД коэффициент, учитывающий интенсивность изнашивания плунжерных пар равен единице, k = 1. При ресурсе ТНВД 3000 часов предельное развиваемое плунжерной парой давление равно рабочему давлению форсунки. В нашем случае р_пред = 20 МПа. Тогда из формулы (16) найдем постоянную А: lq А = 2,6·10^-4 или А = 10^0,00026. Данная постоянная А не будет менять свою величину, т.к. первоначальное значение параметра ТНВД не зависит от состояния плунжерной пары. Исходное развиваемое плунжерной парой давление будет влиять лишь на наработку. При этом закономерность изменения характеристики работы ТНВД от наработки также сохранится.

Определим вероятный ресурс работы ТНВД базовой модели при исходном развиваемом плунжерной парой давлении 110 МПа. Вычислив из формулы (17) и изменив соотношения фиксированных значений узлов интерполяции под новый ресурс в матрице полинома для у = 70 МПа построим графики зависимостей цикловой подачи топлива от наработки (Рисунок 17а).

Аналогичным образом произведем расчеты для ТНВД, имеющего другую интенсивность износа сопрягаемых поверхностей деталей плунжерной пары (Рисунок 17б). Сравнение графиков рисунков 17 а и 17б показывает, что

можно предсказать конечный ресурс работы плунжерной пары и закономерность характеристики работы ТНВД одинакова при всех ее состояниях. Рассмотрим применимость разработанной модели для других типов ТНВД. В качестве примера возьмем ТНВД марки НД-22/6 двигателя СМД 62 с заводскими плунжерными парами. Кинематическая схема данного ТНВД аналогична схеме ТНВД рассмотренной модели 33-02. Он конструктивно выполнен более жестко, однако его ресурс работы существенно меньше ресурса ТНВД модели 33-02 вследствие утроенного цикла работы кинематической схемы. За базовую характеристику примем ту же имеющую-ся базовую характеристику ТНВД модели 33-02 с исходным развиваемым плунжерной парой давлением Р₀ = 70 МПа, но при этом учтем, что задаваемая цикловая подача топлива у насоса марки НД-22/6 в 1,55 раза больше цикловой подачи насоса модели 33-02.

Поскольку первоначальное значение параметра ТНВД не зависит от состояния плунжерной пары, то постоянную А сохраним равной lq А = 2,6·10^-4 или А = 10^0,00026. Если известно соотношение износостойкости сопрягаемых поверхностей деталей подвижных элементов силовой цепи привода исследуемого и базового ТНВД, то по формуле (17) находим наработку при исходном давлении Р₀ = 70 МПа и далее используя полиномы строим характеристику работы ТНВД. В связи с тем, что в нашем случае неизвестно вышеназванное соотношение износостойкости, то для исследуемого топливного насоса проводим ресурсные кратковременные испытания, фиксируем наработку, определяем развиваемое плунжерной парой давление при этой наработке и находим коэффициент k формулы (17). Далее, как указано выше, строим характеристику работы ТНВД. Для исследуемого ТНВД ресурсные испытания составили 300 часов, снижение развиваемого плунжерной парой давления при этом составило 3 единицы. Проводя расчеты по формуле (17) находим коэффициент k равный 1,4. По формуле (17) определяем предельную наработку для исследуемого ТНВД равную 2140 часам и используя полиномы строим характеристику работы ТНВД для Р₀ = 70 МПа (Рисунок 18).

...