Стыки между поверхностями разъема деталей дизельных форсунок от действия давления топлива, достигающего в процессе впрыскивания 40 — 90 МПа, уплотняются приложением осевых сжимающих сил IV,. порядка 20000 — 50000 Н. Кроме того, к деталям форсунки прилагают дополнительные осевые усилия Ам, необходимые для уплотнения газового стыка при монтаже форсунки на дизеле. Вследствие технологических отклонений от перпендикулярности торцов деталей нагружение их силами, прилагаемыми при монтаже, носит в общем случае асимметричный характер. Напряжения, возникающие в корпусах распылителей от нагружений, вызывают упругие деформации, приводящие к изменению формы и взаимного положения их прецизионных поверхностей. В ряде случаев деформационные изменения оказываются соизмеримыми с технологическими допусками на отклонение формы прецизионной поверхности и зазором между прецизионными поверхностями, что оказывает отрицательное влияние на работоспособность и надежность форсунки главным образом из-за потери герметичности конусного уплотнения и ухудшения подвижности иглы вплоть до зависания. Взаимодействие указанных выше сил и их влияние на уровень и характер напряжений, возникающих в деталях форсунки, в первую очередь зависят от ее конструктивных особенностей и способа крепления на дизеле. Так, распылители форсунок дизелей типов Д100, Д49, имеющие уплотнение по обоим торцам, ежаты на всей длине, вследствие чего обе прецизионные поверхности (цилиндрическая и кониче ская) могут быть деформированы. Распылители форсунок дизелей типов Д70 и Д50 уплотнены приложением силы Ас к специальному бурту. При таком способе крепления часть направляющего цилиндра распылителя испытывает на себе непосредственное воздействие усилия сборки, в то время как уплотняющий конус значительно удален от зоны действия этой силы.
Более других подвержены деформациям от усилий сборки корпуса распылителей форсунок дизелей типа Д100 вследствие недостаточной их продольной жесткости и малой площади поперечного сечения. Кроме того, при закреплении форсунки в адаптере корпус распылителя испытывает дополнительные усилия сжатия, а при определенных условиях — и изгиба.
Для оценки возможных деформационных изменений прецизионных поверхностей распылителей серийных форсунок, а также для разработки мероприятий и новых конструктивных схем, исключающих появление деформаций или значительно снижающих их отрицательное воздействие на работоспособность распылителя, были проведены специальные исследования. Разработанная методика исследований предусматривала применение способа прямых измерений деформационных изменений с использованием высокоточных специальных и универсальных измерительных средств (комплекс измерительных приборов ЦНИТА-ЦНИИ, профилограф-профилометр модели 201 и кругломер модели 218, см. главу 7). К измерительным приборам были изготовлены специальные приспособления и щупы, позволяющие измерять распылители в собранных форсунках или в технологических приспособлениях, имитирующих рабочие нагружения.
Этот способ в отличие от тензометрического, поляризационно-оптического и др.
обеспечивает с более высокой точностью как качественную, так и количественную оценки изменения геометрических параметров прецизионных поверхностей и позволяет производить измерения на неограниченном количестве деталей без нарушения их работоспособности. Способ включал измерения контактным методом формы и расположения исследуемой поверхности до и после нагружения детали с регистрацией результатов на ленте самописца при увеличении не менее х 5000.
Чтобы снизить погрешности результатов обработки экспериментальных данных, исходная форма прецизионных поверхностей имела отклонения от круглости до 0,2 -0,4 мкм, от прямолинейности образующих — в пределах до 0,5 -1,0 мкм. Минимально необходимое количество опытов в каждом эксперименте подсчитывали из условия, что с вероятностью Р, = 0,95 допуск на отклонение среднего значения определяемого параметра деформаций не превысит заданного значения. Технологические факторы оценивали путем изменения условий сборки как за счет сочетания допусков, определяемых техническими требованиями, так и их отклонений, возможных в эксплуатационной практике. Усилие затяжки торцовых уплотнительных поверхностей деталей форсунок определяли моментом затяжки (Мъ), прилагаемым к нажимному стакану (накидной гайке). Зависимость между осевой силой, сжимающей корпус распылителя в форсунке, и моментом затяжки М3 устанавливали экспериментально, а также расчетным путем.
Схема возможного изменения положения осей прецизионных поверхностей распылителя форсунки дизелей типа Д100, имеющего по сравнению с распылителями форсунок других дизелей наименьшую толстостенность 5ц (отношение наружного диаметра распылителя к внутреннему в зоне направляющего цилиндра), представлена на рис. 98. Там же приведены подтверждающие эти изменения экспериментальные материалы измерений отклонений от прямолинейности образующих цилиндра (Тц) и конуса (/.„), радиального биения конуса в разных сечениях (Б), отклонений от круглости конуса (Кк) и цилиндра (Кц) корпуса распылителя до и после сборки форсунки при нормальном осевом усилии У= 23 000 Н (М3-120 Н м) и асимметричности нагружения, вызванной суммарным отклонением от перпендикулярности к оси форсунки торцов сжатых деталей Т= 40-5—г- 45 мкм (определенной на диаметре 14 мм). Результаты статистической обработки экспериментальных данных по оценке изменения геометрических параметров конической поверхности корпусов распылителей при сборке форсунки в зависимости от значения суммарных отклонений Т и момента затяжки Мъ представлены на рис. 99 в виде графических зависимостей. Анализ этих экспериментальных материалов показывает, что наиболее существенно деформации проявляются в изменении радиального биения Б поверхности конуса относительно направляющего цилиндра. Так, при сборке форсунки с нормальным осевым усилием уже при технологически минимальном Т= 5 -н 10 мкм биение конуса Б увеличивается в среднем на 1 мкм. При средних значениях Т = 20 -4- 25 мкм и наибольших возможных в эксплуатации Т=40-н45 мкм Б возрастает соответственно на 2,5 —
3,5 мкм и 7,8-10 мкм. Изменение Б в разных сечениях конуса (см. рис. 98, Б) показывает, что оно возрастает в направлении малого диаметра с 8,2 до 13,9 мкм. Это говорит о том, что помимо радиального имеется и угловое смещение (о оси конуса
Рис. 98. Возможные деформации корпуса распылителя форсунки дизелей типа Д100: о -схема; б, в — круглограммы до и после нагружения; г, д — профилограммы до и после нагружения; К — отклонение от круглости поперечного профиля конуса и цилиндра; Б — радиальное биение конуса относительно цилиндра; Ьк, ~ отклонение от прямолинейности конуса и цилиндра; І, II, III, IV — образующие; 1, 2, 3, 4, 5, б — пояса оценки отклонений от круглости и радиального биения (1, 2, 3)
относительно положения оси цилиндра в пределах до 4′.
Асимметричность нагружения распылителя монтажными силами приводит также к изменению отклонений от круглости в поперечных сечениях конуса на величину ДК%, достигающую 1,0-1,2 мкм. Значение осевой силы оказывает определяющее влияние на изменение угла а конуса корпуса распылителя (см. рис. 99,6). Так, при возрастании М3 от 90 до 150 Н м (при
Т = 20 -г 25 мкм) имеет место увеличение угла а от 5 до 10′ в сравнении с углом, измеренным при свободном состоянии корпуса распылителя. В том же интервале Мг (осевое усилие сжатия от 18 000 до 28000 Н) возможно увеличение Б примерно на 2,0 — 3,3 мкм и ЙГ, в зоне уплотняющего пояска на 0,5 —
1.1 мкм.
В диапазоне этих условий нагружения наблюдаются упругие деформации и цилиндрической направляющей поверхности. Наибольшие изменения отклонений от круглости Д/(ГЦ поперечных сечений по длине направляющего цилиндра имеют место в его крайних сечениях. Так, при нормальной затяжке нажимного стакана форсунки моментом М3=120 Н м и суммарной не-перпендикулярности Т = 20 -5- 25 мкм изменение АКа, измеренное на расстоянии 1,0 —
1,5 мм от края расточки под хвостовик иглы, достигает 0,6 мкм, а при Т= 40-?—г- 45 мкм может увеличиваться до 0,9 —
1.2 мкм. На этой же длине наблюдается и изменение радиуса завала образующих цилиндра с увеличением диаметра по краям до 0,8 -1,6 мкм.
Профилограммы (см. рис. 98, Ьа) деформационных изменений продольного профиля по четырем образующим направляющего цилиндра, расположенным через
Рис. 99. Среднестатистические изменения биения конуса относительно направляющего цилиндра (Д?), некруглости поперечного профиля конуса (ДЯ’К), угла конуса (Да) и угла наклона конуса к осн цилиндра (со) корпуса распылителя форсунки дизелей типа Д100 от сил монтажного нагружения:
а — при суммарной неперпендикулярности Т и М3 = = 120 Н м; б — при моменте М3 и Т-20 — 25 мкм 90 свидетельствуют о возникновении изгиба его оси со стрелой прогиба до 0,7 мкм. Зафиксированные деформации конусной и цилиндрической прецизионных поверхностей корпусов распылителей, вызывающие снижение герметичности запорного конуса и ухудшение подвижности иглы, являются главными причинами потери работоспособности форсунок дизелей типа Д100.
При монтаже форсунки в адаптере гильзы цилиндра появляется дополнительное изменение биения конической поверхности корпуса распылителя относительно направляющего цилиндра, достигающее 1,0-1,5 мкм при перекосе на 0,5 грани и 5 -7 мкм в случае неравномерной затяжки гайки на 2-3 грани. Чтобы снизить изгибающий момент, приложенный к корпусу форсунки (а через него к корпусу распылителя), от неравномерной затяжки гаек, заводом-изготовителем введен специальный центрирующий фланец. Но так как длину опорной поверхности центрирующего фланца невозможно уменьшать до минимального значения, то деформации распылителя, как показали экспериментальные данные, полностью не могут быть исключены.
Исследования ряда вариантов конструктивных изменений распылителя дизелей типа Д100 показали, что некоторое снижение деформаций прецизионных поверхностей было получено путем увеличения жесткости корпуса распылителя в зоне топливного кармана и уплотняющего конуса. Так, уменьшение высоты кармана с 8 до 6 мм и увеличение за счет этого толщины дна кармана с 3 до 5 мм снизило увеличение биения конической поверхности относительно цилиндрической на 10-20% во всем диапазоне суммарных сочетаний торцовых биений. Распылители с такими размерными изменениями выпускаются серий но с 1970 г. Варианты дальнейшего повышения жесткости корпуса распылителя без увеличения его габаритных размеров, в том числе и при увеличении толщины стенок за счет уменьшения диаметра прецизионной направляющей части с 7 до 6 мм, а также применение стали ШХ-15 с объемной закалкой и некоторых других конструктивных изменений не снизили существенно деформации от монтажных нагружений.
Схема нагружения распылителей в форсунках дизелей типов Д40 и Д49 принципиально не отличается от схемы нагружения в форсунках дизелей типа Д100. Однако корпуса их распылителей обладают значительной поперечной жесткостью, имея наружный диаметр 25 мм и толщину стенки в зоне топливной камеры 5,5 -6,0 мм. Так как по плоскостям разъема нет медных прокладок, необходимо компенсировать отклонения от перпендикулярностей торцов только за счет упругих деформаций сжимаемых деталей. Тем не менее при условиях сборки форсунки, соответствующих техническим требованиям (74 80 мкм, Л443000 Н), распылители с такой толстостенностью (3,63 — 3,27) имеют малые деформационные изменения прецизионных поверхностей, практически не отражающиеся на работоспособности форсунок.
Значительное повышение суммарной торцовой неперпендикулярности Т, например, до 80-100 мкм из-за отклонений допусков, параллельности и перпендикулярности торцов отдельных деталей может вызвать возрастание биения конической поверхности корпуса на 1,2-1,7 мкм. В случае Т = 120 -г 140 мкм, в основном из-за биения торца накидной гайки, наблюдались изгиб оси направляющего цилиндра со стрелой прогиба до 0,5 -0,6 мкм и из менение отклонений от круглости в отдельных сечениях до 0,8-1,0 мкм.
Исследования монтажных деформаций распылителей со схемой нагружения, используемой в форсунках дизелей типов Д50 и Д70, показали, что коническая поверхность корпусов таких распылителей практически не деформируется от осевых усилий. Значение и распределение деформационных изменений цилиндрической прецизионной поверхности в значительной степени определяются асимметричностью нагружения и усилием затяжки накидной гайки, а также конструктивными особенностями распылителя, в том числе высотой Нъ опорного бурта и толстостенностью.
Максимальные изменения некруглости (рис. 100) приходятся на пояса III и IV, расположенные на уровне нижней опорной О поверхности бурта крепления и несколько выше ее (приблизительно на ‘/б длины бурта). При Т = 80 -г- 100 мкм наибольшие изменения отклонений от круглости АА"Ц составляют 0,6 — 1,2 мкм. Зона распростране-
Рис. 100. Среднестатистические изменения некруглости прецизионной цилиндрической поверхности ДКи корпуса распылителя форсунок дизелей типов Д70 и Д50 в поясах І -III в зависимости от значений осевой силы N и суммарной неперпендикулярности Г:
I — N =23 000 Н; 2,4-^ = 46000 Н; 3-N = = 69000 Н при Т= 60 = 80 мкм (1, 2, 3) и Г=110н-н-130 мкм (4)
ния деформаций по длине направляющего цилиндра в сторону топливной камеры от опорной О поверхности бурта составляет от 112 до 3/4 длины бурта ЯБ. При увеличении Т до максимально допустимой по техническим условиям 110-130 мкм изменение отклонений от круглости возрастает до 1,7-1,8 мкм с тенденцией к дальнейшему распространению деформаций в сторону топливной камеры. Такое изменение Кц цилиндрической прецизионной поверхности корпусов распылителей дизелей типов Д70 и Д50 может вызвать ухудшение под—вижности иглы со снижением качества работы форсунки.
В табл. 19 по результатам исследований рассматриваемой схемы нагружения приведены среднестатистические значения изменений отклонений от круглости направляющего цилиндра корпусов распылителей некоторых серийных и опытных конструкций форсунок тепловозных дизелей при осевых нагружениях и торцовых неперпендикулярностях в пределах допустимых по техническим условиям значений (измерения в поясах, удаленных на расстояние от уплотнительного торца У на рис. 100).
Для конструкций распылителей со значительной толстостенностью (3,5), как, например, в форсунках дизелей 16ЬУА24 фирмы Зульцер, направляющие цилиндрические поверхности не свободны от появления деформаций при монтажных нагружениях распылителя. Зона, где деформационное изменение некруглости цилиндрической прецизионной поверхности (до 0,2 — 0,5 мкм) практически не оказывает влияния на работоспособность распылителя, расположена ниже уплотнительного торца на расстоянии
Таблица 19
Очевидно, что для значительного снижения или устранения влияния деформаций цилиндрической прецизионной поверхности корпусов распылителей такого типа на надежность форсунок необходимо уменьшить высоту бурта крепления распылителя и сместить начало направляющей прецизионной поверхности ниже плоскости опорной поверхности бурта. Так, в опытной конструкции распылителя форсунки дизеля Д70 достаточно эффективным мероприятием оказалось уменьшение высоты бурта с 24 до 4,6 мм. В этом случае изменение отклонений от круглости направляющего цилиндра при нормальных условиях сборки форсунки находится в пределах точности измерений (0,1-0,3 мкм). Распылители с разобранной выше схемой монтажного нагружения, имеющие расположение прецизионной направляющей поверхности цилиндра ниже плоскости опорного бурта крепления, относятся к конструкциям подвесного типа.
Проведенные исследования и конструктивные проработки показали, что применительно к дизелям типа ДЮО для повышения надежности работы форсунок и исключения отказов, связанных с деформациями форсуночного узла, наиболее оптимальным и практически единственно возможным (по габаритным соображениям) является применение форсунок с распылителями подвесного типа. Конструкция такой форсунки, полностью взаимозаменяемая с серийной в расточенном с 22 до 32 мм адаптере, показана на рис. 101. Газовый стык уплотнен медной прокладкой, центрированной наружным буртом на торце накидной гайки. Прокладка обеспечивает при ее обжатии гаран-тированный зазор между внутренней поверхностью накидной гайки и наружной поверхностью корпуса распылителя. При
Тип дизеля | яБ,
ММ |
ММ | Яц | ^1»
ММ |
ДКЦ,
МКМ |
Д70, Д50 | 24 | 8 | 3,12 | 24
28 32 |
0,75
0,50 0,20 |
Д70 (опытный распылитель) | 4,6 | 8 | 3,12 | 7
10 |
0,25
0,00 |
М756 | 8 | 6 | 2,33 | 8
10 14 |
1,10
0,90 0,35- |
ДЮО (опытный распылитель) | 4 | 7 | 2,37 | 4
7 10 |
1,30
0,40 0,10 |
ДЮО (опытный распылитель) | 8 | 7 | 2,57 | 12.5 16
19.5 |
0,35
0,10 0,00 |
161_УА24 Зульцер | 18 | 8 | 3,50 | 18
20 24 |
0,60
0,50 0,30 |
таком уплотнении распылитель полностью разгружен от действия внешних сил. Поэтому размеры, форма и расположение его прецизионных поверхностей после монтажа форсунки в адаптере не претерпевают изменений. Для предотвращения доступа газов к наружной поверхности распылителя пространство между распылителем и накидной гайкой может быть заполнено маслографитовой смесью, которая при работе дизеля (частично выгорая и соединяясь с продуктами сгорания) постепенно образует твердый, но достаточно хрупкий теплоизоляционный слой.
Метрологические исследования напряженного состояния распылителя подвесной конструкции, имеющего толстостенность 5Ц = 2,57, после сборки форсунки не обнаружили деформации в конической запирающей части. Изменения круглости направляющего цилиндра в случае расположения его верхней кромки в плоскости на 3,5 мм ниже опорной поверхности бурта при номинальном моменте затяжки накидной гайки форсунки Мэ = 160Н • м (IV ж ж 30 000 Н) и суммарной неперпендику-лярности Т = 30 -г- 50 мкм находятся в пределах точности измерений. Опыты по оценке возможных изменений формы
и размеров поперечных сечений направляющей цилиндрической части корпуса распылителя подвесного типа от действия рабочего давления топлива показали, что такие деформации практически также отсутствуют. Таким образом, в опытной конструкции подвесных распылителей для форсунок дизелей типа Д100 удалось практически исключить все виды деформаций прецизионных поверхностей, которые могли бы снизить их работоспособность.
Сравнительные эксплуатационные испытания опытных форсунок с распылителями подвесной конструкции и серийных подтвердили правильность выбранного решения. Методика этих испытаний предусматривала создание одинаковых условий работы опытных и контрольных серийных форсунок путем установки комплектов на дизелях 1 ОД 100 спаренных секций тепловозов 2ТЭ10Л. Дизель-генераторы секций были отрегулированы на реостатах для максимального приближения их внешних (нагрузочных) характеристик. Контроль форсунок производился через 30 тыс. км пробега тепловоза с отбраковкой по требованиям ГОСТ 9928 — 71. Обобщенные результаты испытаний за пробеги опытных тепловозов до 180 тыс. км (5000 часов работы двигателя) сведены в табл. 20.
Показатели надежности опытных форсунок за пробег тепловоза 180 тыс. км в 3 раза выше аналогичных показателей серийных форсунок с распылителями беспод-гоночной сборки и в 8,5 раза — серийных форсунок с распылителями, притертыми
Рис. 101. Опытная форсунка с распылителем подвесной конструкции для дизелей типа Д100: 1 — уплотнительное кольцо; 2 — адаптер; 3 — распылитель; 4 — накидная гайка; 5 — корпус форсунки; 6 — штанга; 7 -щелевой фильтр; 8 — нажимной фланец;
9 — пружина; 10 — штуцер
Таблица 20
Тип и число форсунок | Работоспо собные
% |
Бракованные форсунки | Вероятность безотказной работы за пробег | |||
без восстановления | с восстановлением подвижности иглы | на 1 млн. км пробега
тепловоза |
60 тыс. км | 180 тыс. км | ||
Опытные,
60 шт. Контрольные с распылителями: |
85 | 100 | 15,0 | 16,76 | 0,95 | 0,85 |
бесподго ночной сборки,
40 шт. |
40 | 70 | 72,5 | 18,24 | 0,78 | 0,28 |
с притертыми по конусу, 20 шт. | 15 | 55 | 100,0 | 111,12 | 0,67 | 0,10 |
по запорному конусу. Дальнейшая эксплуатация опытных форсунок с распылителями подвесного типа показала, что они обеспечивают при периодичности осмотров через 60 тыс. км вероятность безотказной работы не менее 0,9 в течение пробега тепловоза 400 — 500 тыс. км до наступления отказов, связанных с усталостными разрушениями конической запирающей части распылителя. Результаты статистического учета расхода топлива выявили, что секции тепловозов, на дизелях которых были установлены форсунки с распылителями подвесного типа, за счет стабильности их работы расходовали в среднем на 0,9% меньше топлива, чем секции с контрольными серийными форсунками.
Таким образом, можно сделать следующие выводы:
1. Монтажные нагружения форсунок вызывают деформации конической и цилиндрической прецизионных поверхностей корпусов распылителей, приводящие к снижению показателей работоспособности, а в ряде случаев, главным образом в зависимости от конструктивных особенностей и асимметричности нагружения, — к отказам форсунок в эксплуатации.
2. Распылители с толстостенностью 5Ц> 3 при осевых нагружениях в пределах 40000 — 50000 Н имеют деформационные изменения геометрических параметров прецизионных поверхностей, приводящие к снижению работоспособности форсунок только при значительной асимметричности их нагружения (при суммарном отклонении от перпендикулярности Т> 80 мкм).
3. Для распылителей с толстостенностью Ба<Ъ устранить отрицательное влияние деформаций их корпусов на работоспособность форсунок можно, применяя распылители подвесного типа.
⇐Повышение надежности форсунок | Топливные системы тепловозных дизелей. Ремонт, испытания, совершенствование. | Повышение надежности топливных насосов⇒