Повышение надежности работы топливной аппаратуры высокого давления судовых дизелей за счет оптимизации режимов смазывания прецизионной пары плунжер-втулка

АННОТАЦИЯ

Рассмотрены эффекты гидродинамического и граничного смазывания, протекающие в паре трения плунжер-втулка топливного насоса высокого давления судовых двигателей внутреннего сгорания. Указаны особенности работы топливных насосов высокого давления судовых дизелей при использовании тяжелых топлив. Показано, что топливо, находящееся в зазоре плунжер – втулка, выполняет смазочные функции. Определены значения толщины граничного слоя топлива, находящегося под двухфазным воздействием плоскопараллельных металлических поверхностей. При этом в качестве топлива использовались морские сорта топлива с вязкостью 380…500 сСт при 40^о С. Предложена экспериментальная установка, позволяющая определить толщину граничного слоя топлива, находящегося в паре трения плунжер-втулка. Экспериментально установлено, что толщина граничного слоя топлива в зависимости от условий эксплуатации находится в пределах 7…12 мкм, способствуя гидродинамическому и граничному без контакта поверхностей режимам смазывания. Установлена корреляционная зависимость между силой трения в паре плунжер-втулка и толщиной граничного слоя топлива. Показано, что использование жидкокристаллических свойств граничных слоев топлива может быть использовано в прецизионных парах топливных насосов высокого давления для снижения механических потерь и повышения топливной экономичности.

ABSTRACT

The effects of hydrodynamic and boundary lubrication occurring in the plunger-bushing friction pair of the high-pressure fuel injection pump in marine combustion engines have been studied. It has been shown features work of high pressure fuel pumps marine diesel engines using heavy fuel. It has been proven that the fuel located in the gap between the plunger ram and the bushing performs lubricating functions. The thickness of the fuel boundary layer affected by two-phase pressure of plane-parallel metallic surfaces has been determined. Marine fuels with viscosity value of 380…500 sSt at 40^оС were used for the experiments. An experimental setup that allows you to determine the thickness of the boundary layer of the fuel which is in a plunger-bushing friction pair. It has been experimentally established that the thickness of the fuel boundary layer ranges within 7…12 micrometer, depending on operational conditions, which enables hydrodynamic and boundary (preventing direct contact between the surfaces) modes of lubrication. It has been experimentally established correlation relationship between the friction force in a pair of plunger-bushing and the thickness of the boundary layer of fuel. It has been show, that liquid-crystalline properties of the boundary layers of fuel can be used in the precision pairs of high-pressure fuel injection pumps to reduce reliability and to improve fuel efficiency.

Надежность работы топливной аппаратуры высокого давления двигателей внутреннего сгорания закладывается на стадии проектирования и изготовления прецизионной пара плунжер-втулка топливного насоса высокого давления (ТНВД) и обеспечивается за счет ее качественной технической эксплуатации при поддержании требуемых характеристик впрыскиваемого в цилиндр дизеля топлива.

Топливные насосы высокого давления относятся к элементам, обеспечивающим работу двигателей внутреннего сгорания и применяются как на морских судах, так и на дизелях, использующихся в стационарной энергетике. Их функциональным назначением является дозирование и подача в определенный период в цилиндр дизеля требуемой порции топлива. В современных судовых дизелях обеспечивается давление впрыскивания топлива порядка 120…130 МПа, что накладывает особые требования на качество сопрягаемых поверхностей трения топливных насосов высокого давления (а именно прецизионной пары втулка – плунжер). Рабочая поверхность прецизионной пары плунжер – втулка ТНВД формируется под воздействием последовательно применяемых различных технологических методов, в результате которых образовывается относительно тонкий поверхностный слой, отличающийся по своим признакам от нижележащих слоев основного металла. Состояние и свойства этого слоя фактически определяют ресурс работы, а его способность противостоять радиальным и касательным нагрузкам характеризует износостойкость сопряжения плунжер-втулка ТНВД.

В подобных условиях эксплуатации пара трения втулка-плунжер работает в режиме граничного трения, а топливо, находящееся в зазоре этой прецизионной пары, выполняет смазочные функции. Учитывая изложенное, требования по обеспечению надежности работы ТНВД должны предъявляться как к поверхностям трения (втулки и плунжера), так и к топливу. При этом нагнетательные поверхности плунжера и топливо необходимо рассматривать как единую трибологическую систему, работающую в режимах гидродинамического или граничного смазывания.

В период эксплуатации дизелей происходит непрерывный износ деталей топливной аппаратуры и прежде всего прецизионных пар: игла-направляющая распылителя форсунки и плунжер-втулка топливного насоса. Износ этих деталей приводит к увеличению в них зазоров, а, следовательно, к потере гидравлической плотности, повышению протечек и соответственного уменьшения цикловой подачи топлива. В последствии, это приводит к снижению мощности отдельного цилиндра и неравномерности распределения нагрузки по всем цилиндрам. Кроме того, продукты повышенного износа сопряжения плунжер-втулка могут стать причиной повышенного адгезионного контакта и дальнейшего нарушения геометрии нагнетательных поверхностей.

В настоящее время существуют значительное число способов уменьшения износов деталей, сопрягаемых в парах трения, которое можно подразделить на:

а) конструктивные способы – выбор рациональных размеров и формы сопрягаемых деталей, а также рабочих зазоров между ними;

б) технологические способы – выбор материалов деталей пар трения, обработка их поверхности;

в) эксплуатационные способы – выбор оптимального режима работы деталей, подбор смазочного материала.

Указанные способы обеспечивают повышение качества обработки поверхностей трения, что повышает такие их эксплуатационные свойства как износостойкость, долговечность, усталостная прочность и др. При этом рассматривается воздействие только на твердую фазу (поверхность втулки или плунжера), не учитывая, что работу трибосоединения втулка-плунжер необходимо определять как комплекс металл (втулка) – жидкая фаза (топливо) – металл (плунжер). Взаимодействие фаз в этом комплексе взаимосвязано, а кроме того, на его функционирование влияют аномальные свойства тонкого слоя топлива, представляющего собой углеводородную структуру с макромолекулярным строением. Однако изменение именно этих свойств не всегда учитывается при проектировании и эксплуатации топливной аппаратуры высокого давления, хотя возможность их использования неоднократно доказывалась в различных исследованиях [1, с. 48].

В качестве гипотезы выполненного исследования принималось предположение, что мономолекулярные слои топлива, образующиеся вблизи поверхностей трения топливной аппаратуры высокого давления (в частности между плунжером и втулкой топливного насоса высокого давления), способствуют дополнительной упругости топлива и обеспечивают гидродинамический либо граничный (без контакта поверхностей трения) режим смазывания.

Для подтверждения выдвинутого предположения были выполнены комплексные исследования, заключающиеся в определение структурных характеристик тонких слоев топлива, образующих граничный слой у поверхности плунжера и втулки топливного насоса высокого давления, а также в моделировании износа этих поверхностей. Изучение молекулярного строения граничных слоев топлива выполнялось с помощью оптического метода двойного лучепреломления, а исследование износа контактирующих поверхностей с помощью электроимпульсного метода измерения [2, c. 5].

Морские сорта топлива, используемые в судовых дизелях, представляют собой механическую смесь различных углеводородов (С–Н группы) серы и ее соединений (S–R группы), воды и золы, а также включают в свой состав органические кислоты, смолы, поверхностно-активные и другие элементы [3, c. 270]. Комплексное взаимодействие данных компонентов в условиях катализирующего воздействия металлической поверхности изменяет свойства топлива, находящегося в непосредственной близости у поверхности пары трения плунжер-втулка и создающего тонкие микронные прослойки. Эти прослойки характеризуются ориентационной упорядоченностью молекул, что приводит к анизотропии ряда их свойств. В связи с этим, топлива, как и смазочные масла, образуют на металлических поверхностях граничную фазу, толщина которой может достигать нескольких микрон.

Толщина и упорядоченность молекул граничного смазочного слоя топлива определяют его антифрикционные и противоизносные свойства. Повышение степени ориентационной упорядоченности в граничном смазочном слое приводит к снижению потерь на трение и уменьшению износа [4, c. 81]. Кроме того, в ориентационно упорядоченных граничных слоях возникает положительное расклинивающее давление, величина которого определяется степенью ориентационной упорядоченности молекул и толщиной слоя, а его наличие препятствует непосредственному контакту поверхностей.

Отличительной характеристикой морских топлив  является их повышенная вязкость, причем, учитывая выполнение топливом смазочных функции, ее значение может изменяться в зависимости от условий обеспечения режима трения подобно изменению вязкости масла [5, c. 620; 6, c. 203].

Одним из способов оценки триботехнических характеристик узлов трения, работающих в условиях граничной смазки, является метод измерения скорости их изнашивания Его реализация возможна на установке, показанной на рис. 2.

Рисунок 1. Принципиальная схема установки для исследования процессов трения и изнашивания, протекающих в плунжерных парах топливной аппаратуры высокого давления судовых дизелей

В состав установки входят: 1 – топливоподкачивающий насос; 2 – датчик температуры; 3 – плоский образец; 4 – цилиндрический образец; 5 – устройство нагружения; 6 – измеритель силы трения; 7 – измеритель фактической площади контакта; 8 – измеритель интенсивности изнашивания; 9 – измеритель скорости скольжения; 10 – измеритель температуры; 11 – мультимедийный регистратор; 12 – осциллограф; 13 – нагреватель; 14 – блок питания нагревателя; 15 – блок питания электродвигателя; 16 – приводной электродвигатель; 17 – устройство для управления подачей топлива; 18 – датчик силы трения. Между элементами 3–4 создавалась нормальная нагрузка N, которая имитировала изменение режимов смазывания в топливном насосе высокого давления между плунжером и втулкой. Для регистрации и анализа процессов, происходящих в сопряжении 3–4, с помощью контроллера измерялись: площадь контакта (блок S_fr), интенсивность изнашивания (блок Ih_fr), скорость скольжения (блок V_fr), температура в зоне контакта (блок T_fr). Измерение износа в паре трения 3–4 выполнялось с помощью электроимпульсного метода, принципиальная схема которого показана на рис. 2.

Рисунок 2. Блок схема для реализации измерения износа узлов трения электроимпульсным методом

К паре трения Fr прикладывается постоянное напряжение U»20 мВ от источника с внутренним сопротивлением менее 0,1 Ом, что достигается за счет делителя R₁R₂. В процессе перемещения элементов узла трения на вершинах гребней шероховатостей металлических поверхностей пары трения граничный смазочный слой, содержащий дефекты структуры, разрушается и наступает адгезионный контакт, сопровождающийся элементарным актом изнашивания. В электрической измерительной цепи резко возрастает ток. Падение напряжения на сопротивлении R₃ носит импульсный характер. Селектируя импульсы напряжения на R₃ по амплитуде и подсчитывая их частоту или общее число за определенный отрезок времени можно после соответствующей тарировки определить скорость изнашивания, интенсивность изнашивания и абсолютное значение износа пары трения. Измерение силы трения осуществлялось путем интегрирования мгновенного значения силы трения за счет использования инерционных датчиков или интегрирования сигнала на простых RC цепях после преобразования в электрический сигнал.

При триботехнических исследованиях процессов, протекающих в паре трения плунжер-втулка топливного насоса высокого давления определялись сила трения F_тр и интенсивность изнашивания I_h.

На рис. 3 приведены результаты измерений силы трения F_fr и интенсивности изнашивания I_h от нормальной нагрузки N (создаваемой между элементами 3 и 4 на рис. 1) для модели пары плунжер–втулка при скорости V=0,8 m/с. Материал пары сталь, аналогичная материалу плунжера насоса. Смазочный материал – топливо RMK500. Как видно из рис. 3, по мере роста нормальной  нагрузки  сила, трения и интенсивность изнашивания монотонно возрастают. При некоторой нагрузке происходит разрушение структурированного граничного слоя топлива, что приводит к резкому возрастанию силы трения и интенсивности изнашивания.

Рисунок 3. Зависимости силы трения F_тр и интенсивности изнашивания I_h от нормальной нагрузки при обеспечении смазывания в паре трения топливом RMK500

 На триботехнические характеристики прецизионной пары плунжер-втулка непосредственное влияние оказывает также и параметры граничного слоя топлива, которое в данном случае выполняет функции смазочного материала. К эти параметрам в первую очередь относится толщина граничного упорядоченного слоя молекул, образующегося на поверхностях трения. Ее определение возможно за счет оптического метода световода переменной толщины, основанного на анизотропии оптических свойств жидкости (в том числе топлива) в граничном слое. Сущность и аппаратное обеспечение данного метода состоит в следующем.

Рисунок 4. Схема экспериментальной установки для определения

оптической анизотропии пристенных слоев:1 – источник света; 
2 – фильтр; 3 – поляризатор; 4 – компенсатор; 5 – световод, заполненный исследуемой жидкостью; 6 – пристенный слой; 7 – изотропная жидкость; 8 – анализатор; 9 – микроскоп

Линейно поляризованный свет, проходя через оптически анизотропные ориентационно упорядоченные граничные смазочные слои жидкости (топлива), становится эллиптически поляризованным, что приводит к возникновению сдвига фаз d между компонентами света, поляризованными параллельно и перпенди-кулярно плоскости падения световых лучей. Величина сдвига фаз пропор-циональна ориентационной упорядоченности исследуемого материала и может измеряться с помощью экспериментальной установки, приведенной на рис. 4.

Исследуемый смазочный материал помещается во внутреннюю полость световода, образованного двумя параллельными плоскими полированными поверхностями. Для обеспечения максимальной идентичности эксперимента материал поверхностей совпадает с материалом изготовления плунжера топливного насоса высокого давления. Ширина световода изменяется с помощью микрометрического винта в пределах 5…100 мкм и контролируется с помощью микроскопа. Свет от источника 1 монохроматизуется фильтром 2, поляризуется поляризатором 3 и поступает на входной торец световода переменной толщины 5, предварительно проходя компенсатор 4. Световые лучи движутся в световоде по зигзагообразному пути, отражаясь от его стенок, и последовательно проходят ориентационно упорядоченные пристенные слои 6 и изотропную жидкость 7. Для исключения менисковых эффектов торцы световода прикрываются стеклами. Выходя из световода, свет попадает на анализатор 8 и далее в микроскоп 9. Боковые поверхности световода и стекла перед каждым измерением подвергаются очистке.

Для определения сдвига фаз d между компонентами Е_p и E_s света, поляризованными параллельно и перпендикулярно плоскости падения световых лучей, для каждого фиксированного значения ширины световода определялся азимут погасания j (угол поворота компенсатора от исходного положения, при котором интенсивность света на выходе минимальна). После чего величина d находилась по выражению

d=arctg(2sin2j).

Зависимость сдвига фаз d от обратной ширины световода 1/d является линейной

,

и может быть представлена следующими уравнениями

где:  l – длина световода, мкм;

d – ширина световода, мкм;

d_s – ширина (толщина) ориентационно упорядоченного граничного слоя, мкм;

Δn – усредненное значение оптической анизотропии пристенного слоя.

Экспериментальное определение величины d и последующее графоаналитическое решение зависимости d=f(1/2d) позволяет определить толщину образованного граничного слоя топлива.

Основным параметром, определяемым с помощью оптического метода двойного лучепреломления являлась толщина граничного слоя топлива d_s. Ее значение может быть определено путем графического решения выражения (1) на базе построения экспериментальных значений.

Для исследования принимались топлива, использующиеся для работы судовых двигателей внутреннего сгорания: RMK380, RMK420, RMK460, RMK500 и имеющие вязкость 380, 420, 460, 500 сСт при 40^о С. Измерения выполнялись при поддержании постоянной температуры в световоде в пределах 30±1^оС. Результаты оптических измерений в граничных слоях топлива представлены на рис. 5 в виде зависимости сдвига фаз d от обратной ширины световода 1/2d.

Во всех случаях сдвиг фаз в области объемной жидкости линейно возрастает, а в последствии достигает своего максимума и не изменяется в диапазоне ширины световода d соответствующего удвоенной толщине граничного слоя топлива (в момент, когда световод с двух сторон заполнен ориентационно упорядоченным граничным слом топлива). Таким образом, точка пересечения этих двух линий определяет удвоенную толщину слоя d_s и характеризует жидкокристаллические свойства граничного слоя топлива.

Рисунок 5. Экспериментальные зависимости сдвига фаз d от обратной ширины световода 1/2d для различных судовых топлив:

1 – RMK420; 2 – RMK460; 3 – RMK380; 4 – RMK500

Зависимости, приведенные на рис. 5, подтверждают, что топлива различного структурного состава отличаются друг от друга также такой характеристикой как толщина граничного слоя, образованного ими на поверхностях топливной аппаратуры высокого давления. Параллельные триботехнические исследования (выполненные на установках, приведенных на рис. 1 и 2, показали, что для топлив с меньшей толщиной граничного слоя наблюдаются повышенные значения силы трения и интенсивности изнашивания I_h при прочих равных условиях (рис. 6).

а)                                            б)

Рисунок 6. Зависимости силы трения F_тр (а) и интенсивности изнашивания I_h (б) от нормальной нагрузки F_N для различных судовых топлив: 
1 – RMK420; 2 – RMK460; 3 – RMK380; 4 – RMK500

Одним из технологических способов, позволяющих усилить действие расклинивающего давления граничного смазочного слоя, является нанесение регулярного микрорельефа на поверхность плунжера ТНВД. Наиболее оптимальным вариантом нанесения регулярного микрорельефа является способ виброобкатывания поверхности, применение которого возможно как в исследовательской лаборатории, так и в условиях морского судна (при соблюдении определенных технологических мероприятий). В работе были подвергнуты исследованию микрорельефы, имеющие косо-винтовые канавки. Нанесение такого микрорельефа на боковую поверхность плунжера топливного насоса можно произвести на стандартных токарно-винторезных станках, используя дополнительную оснастку.

Для нанесения регулярного микрорельефа используется устанавливаемое в резцедержателе приспособление (рис. 7) состоящее из корпуса 1 с приваренной к нему пластиной 2, служащей для зажима приспособления в резцедержателе токарного станка.

Инструмент для нанесения микрорельефа 3 укрепляется в цилиндрическом держателе 4 и фиксируется винтом 5. Пружина 6 и гайка 7 обеспечивают необходимое давление выглаживателя на обрабатываемый плунжер.

Твердосплавный выглаживатель может быть изготовлен по схеме, показанной на рис. 8. Все размеры, кроме радиуса закругления диска, который принимается равным R = 0,6 мм, могут быть выбраны произвольно. Материал выглаживателя – сталь с твердостью НRС62. Поверхность выглаживателя обрабатывается до 12 класса чистоты поверхности. В результате нанесения регулярного микро-рельефа на поверхности плунжера образуются косые винтовые канавки (рис. 10).

Оптические и триботехнические исследования показывают, что нанесение на поверхности плунжера регулярного микрорельефа в виде косых винтовых канаков способствует увеличению толщины граничного слоя, а также снижению силы трения F_тр в зоне контакта. Подтверждением этому являются результаты экспериментов, приведенные в таблице 1. Экспериментальные исследования проводились при значении нормальной нагрузки F_N=6 Н, которая обеспечивала практически неизменное значение интенсивности изнашивания.

Таблица 1.

Результаты экспериментов

По результатам таблицы 1 построена корреляционная зависимость F_тр=f(d_s), показанная на рис. 11 и представляющая собой однонаправленный массив, свидетельствующий о снижении силы трения F_тр в сопряжении плунжер-втулка при увеличении толщины граничного слоя топлива d_s.

Рисунок 11. Корреляционная зависимость между силой трения F_тр 
в сопряжении плунжер-втулка и толщиной граничного слоя топлива d_s

Испытания топливных насосов высокого давления с нанесенным на поверхности плунжера микрорельефом производились на судовом дизеле 6L42MC. На двух новых плунжерах топливных насосов наносился регулярный микрорельеф в виде косых винтовых канавок (рис. 10). Такой же микрорельеф наносился на двух отбракованных плунжерах, использование которых было прекращено из-за повышенного износа их поверхностей. Два плунжера использовались в качестве контрольных. Общая наработка при проведении эксперимента составила 3150 часов. После проведения виброобкатки и доводки поверхностей плунжеров на них нарезались контрольные лунки по методу искус-ственных баз. Нарезание поясов лунок производилось в 6-ти поясах. В каждом поясе нарезались две лунки, расположенные в одной диаметральной плоскости.

После установки плунжерных пар до момента первого контроля их износа двигатель проработал 910 часов, в них около 95 % на топливе RMK500, до второго контроля – 2250 часов, из них около 95 % на топливе RMK500, до третьего контроля 3150 часов, из них около 90 % на топливе RMK500.

На рис. 12 приведены результаты износа плунжеров, представляющих собой значение среднего износа, измеренного в 6-ти поясах на 12-ти контрольных точках.

Как видно из рис. 12, протекание износа плунжерных пар во времени носит обычный характер, причем износ контрольных плунжеров значительно превышает износ виброобкатанных плунжеров, как новых, так и восстановленных с помощью нанесения регулярного микрорельефа после отбраковки.

Рисунок 12. Средний износ плунжеров за время проведения эксперимента:

1 – новый плунжер с нанесением регулярного микрорельефа;

2 – плунжер, восстановленный нанесением регулярного микрорельефа;

3 – контрольный плунжер

Полученные результаты корреспондируются с работами, выполненными в аналогичном направлении [7, c. 18408], что подтверждает адекватность предложенной модели исследований и корректность высказанной гипотезы. При этом следует отметить, что топлива, представляющие собой сложную дисперсную систему, образуют на металлических поверхностях граничные слои, толщина которых превышает слои «химически чистых» углеводородных жидкостей [8, с. 31]. Таким образом, можно утверждать, что работа пары трения плунжер-втулка топливного насоса высокого давления происходит в режиме граничного смазывания, причем толщины пленки топлива (которая выполняет роль смазки) достигает 12 мкм, обеспечивая не монослойное, а мультислойное покрытие поверхности.

В качестве одного из вариантов увеличения толщины граничного слоя и расклинивающего давления в паре трения плунжер-втулка может быть рассмотрено нанесение регулярного микрорельефа на поверхности плунжера ТНВД. Использование подобного способа снижает энергетические потери на привод топливных насосов высокого давления, обеспечивает требуемые давления нагнетания топлива и минимизирует потери топлива через диаметральный зазор в паре плунжер – втулка при впрыскивании.

Полученные результаты за счет использования эффекта повышения гидравлической плотности в паре плунжер-втулка могут повысить надежность и экономичность работы топливных насосов высокого давления.