Работоспособность прецизионных пар топливных насосов и форсунок

Прецинзионная пара в ТНВД – важнейший элемент судового дизельного двигателя. Качество очистки и подготовки топлива к сгоранию во многом определяет работоспособность топливовпрыскивающей аппаратуры. При переводе дизелей на тяжелое топливо количество отказов СЭУ значительно возрастает. В таблице дано распределение отказов по основным узлам дизелей фирм «Бурмейстер и Вайн» и «Зульцер», которые значительную часть времени работают на тяжелых сортах топлива.

Из таблицы видно, что наибольшее количество отказов падает на топливную аппаратуру. Поэтому подробное изучение причин отказов может служить базой для разработки мероприятий по совершенствованию топливовпрыскивающей аппаратуры и систем топливоподготовки.

Работоспособность топливной аппаратуры в основном лимитируют прецизионные пары. Для плунжерных пар дизелей типа NVD36 и NVD48, 6С275, 18D, 3D6 основными дефектами, лимитирующими ресурс, являются износы прецизионных поверхностей золотниковой, части плунжера и втулки. В среднем около 80 % плунжерных пар бракуются по причине износа этих поверхностей и падения гидравлической плотности ниже допустимых пределов. Средний износ золотниковой части плунжера и втулки за 1 000 ч работы указанных дизелей составляет 0,35-0,5 мкм и фактический ресурс составляет 6 000-1 300 ч (нижний предел относится к быстроходным дизелям типов 3D6, 18D и определяется в основном их большой цикличностью работы).

В тепловозных дизелях типов D100 и D50 75-80 % плунжерных пар выходит из строя по причине износа и потери гидравлической плотности золотниковой части плунжера и втулки, около 8 % – по причине задиров и схватывания и около 6 % – из-за кавитации и коррозии.

Средний износ Топливные насосы золотникового типазолотниковых частей плунжера и втулки оценивается примерно 0,25-0,4 мкм на каждые 1 000 ч работы, и фактический ресурс плунжерных пар указанных дизелей составляет 10-15 тыс. ч.

Для дизелей типов ДКРН 50/110, ДКРН 74/160 и др. ресурс плунжерных пар, как правило, лимитируется заклиниванием и задирами плунжера, потерей плотности плунжерных пар из-за изнашивания золотниковых направляющих поверхностей. Небольшую часть вышедших из строя составляют плунжерные пары с кавитационными и эрозионными разрушениями рабочих поверхностей прецизионных направляющих плунжера и втулки. Эпизодически наблюдаются выходы из строя плунжерных пар из-за коррозионных разрушений направляющих поверхностей. Ресурс плунжерных пар дизелей типа ДКРН по причине потери гидравлической плотности ограничен 15-25 тыс. ч работы. Выход из строя плунжерных пар по другим дефектам носит случайный характер, поэтому их ресурс не поддается однозначной количественной оценке.

Для дизелей типа KZ фирмы MAH главными дефектами, ограничивающими ресурс плунжерных пар, являются кавитационные разрушения отсечных кромок плунжера. Поэтому плунжерные пары необходимо заменять через каждые 5-10 тыс. ч работы. Ресурс плунжерных пар из-за износа и потери гидравлической плотности составляет примерно 25-30 тыс. ч.

По ресурсу непрерывной работы в плунжерных парах всех рассмотренных выше групп ограничивающим фактором является износ торцевых уплотнительных поверхностей втулок, требующих периодических притирочных и доводочных работ. Срок между доводочными операциями уплотнительных торцев плунжерных втулок в среднем составляет 2 000-6 000 ч.

Основным видом износа нагнетательных клапанов в судовых дизелях типов NVD36, NVD48, 6С275, 3D6 являются потеря плотности по разгрузочному поясу и нарушение герметичности запорного конуса. Ресурс нагнетательного клапана по разгрузочному пояску составляет примерно 12-16 тыс. ч. Для восстановления герметичности запорного конуса нагнетательного клапана требуется взаимная притирка клапана и корпуса примерно через каждые 5 000-6 000 ч работы.

В судовых малооборотных дизелях типа MAH выход из строя нагнетательных клапанов обусловлен износами поверхностей запорных конусов на корпусе и клапане, направляющей прецизионной поверхности хвостовика клапана и трещинами в корпусах клапана. Кроме того, эпизодически наблюдаются случаи отрыва хвостовика нагнетательного клапана, зависание и заклинивание нагнетательного клапана.

В дизелях типов NVD36, NVD48, 18D, 3D6, 6С275 ресурс распылителей лимитирован в основном нарушением герметичности по запорному конусу и коксованием распыливающих отверстий (около 50-80 % распылителей). По этим признакам распылители бракуются примерно через каждые 2 500-3 000 ч работы. Указанные дефекты при ремонте могут быть частично устранены. Общий ресурс распылителей с учетом профилактических ремонтов составляет примерно 5 000-6 000 ч. Наибольший износ направляющей поверхности иглы и корпуса распылителя приходится на участок вблизи кармана корпуса. Скорость изнашивания этих поверхностей невысокая: примерно 0,1-0,2 мкм за 1 000 ч работы.

Доля отказов распылителей, вызванных износом и потерей подвижности иглы, составляет в зависимости от типа двигателя 39-88 %.

По оценке зарубежных специалистов, около 75 % распылителей дизелей фирмы «Зульцер» бракуется по причине износа распыливающих отверстий соплового аппарата, а остальные – из-за изнашивания запорного конуса распылителя. Средний ресурс распылителей составляет 8 000-9 000 ч. Время между профилактическими ремонтами распылителей, т. е. ресурс их непрерывной работы, определяется в основном необходимостью очистки соплового аппарата от нагара и отложений лака и притирки торцевых и конусных прецизионных поверхностей распылителя.

Для дизелей типа KZ фирмы MAH, эксплуатируемых на российских судах, наиболее частой причиной выхода из строя распылителей форсунок является потеря герметичности запорных конусов. Периодически наблюдается появление трещин в корпусах. Отъемные сопловые аппараты распылителей выбраковываются в основном по износу распыливающих отверстий. Ресурс непрерывной работы распылителя форсунки лимитирован потерей герметичности запорного конуса примерно через каждые 500-700 ч работы.

Для судовых дизелей типа ДКРН к числу характерных дефектов распылителей относятся повреждения уплотнительного торца (около 49 % из обследуемой партии), зависание иглы распылителя (17 %), потеря плотности (19 %) и повреждение торцевой поверхности иглы (14 %).

В отъемных сопловых аппаратах характерным дефектом является износ распыливающих отверстий (около 41 %), распрессовка сопл (около 20 %) и повреждение уплотнительных торцевых поверхностей (около 35 %). Износ сопловых отверстий по диаметру за каждые 1 000 ч работы составляет примерно 10-20 мкм.

Общий ресурс распылителей указанных дизелей с учетом периодических профилактических ремонтов составляет примерно 8-10 тыс. ч. Ресурс непрерывной работы распылителей форсунок лимитирован главным образом нарушением герметичности запорного конуса.

Таким образом, ресурс и надежность прецизионных деталей лимитируются многими факторами. Очевидно, что причины появления тех или иных дефектов определяются конструктивными особенностями топливовпрыскивающей аппаратуры, условиями производства и эксплуатации. В частности, для топливовпрыскивающей аппаратуры больших размерностей (например, аппаратуры судовых малооборотных дизелей) на первый план выдвигаются дефекты, связанные с кавитационным и эрозионным изнашиванием прецизионных поверхностей плунжерных пар.

Различают ведущие и специфические виды дефектов для распылителей топливовпрыскивающей аппаратуры малой и большой размерностей. К числу ведущих дефектов, характерных для всех типов прецизионных деталей, относятся:

• износы и потеря гидравлической плотности прецизионных поверхностей плунжерных пар и нагнетательных клапанов;
• износы и потеря герметичности запорных конусов распылителей и нагнетательных клапанов;
• задиры и охватывание направляющих прецизионных поверхностей плунжерных пар, нагнетательных клапанов и распылителей.

Первые два фактора являются доминирующими для работоспособности прецизионных пар; третий фактор проявляется в меньшей степени, но также присущ практически всем конструкциям.

К числу специфических дефектов прецизионных деталей относятся:

• для быстроходных дизелей – коксование распылителей;
• для малооборотных и мощных среднеоборотных дизелей – кавитационное и эрозионное изнашивание прецизионных поверхностей плунжерных пар;
• изнашивание распыливающих отверстий сопловых аппаратов распылителей;
• трещины корпусов, плунжерных пар, нагнетательных клапанов и распылителей;
• поломки корпусов плунжерных пар, нагнетательных клапанов и распылителей.

Указанные специфические дефекты лишь в общем отражают работоспособность прецизионных деталей определенного класса дизелей. Для отдельных типов дизелей перечень специфических дефектов может быть расширен; это необходимо учитывать при разработке путей повышения ресурса прецизионных пар и узлов топливовпрыскивающей аппаратуры.

Механизм изнашивания прецизионных пар и требования к системе топливоподготовки

В настоящее время нельзя однозначно указать причины изнашивания и потери гидравлической плотности прецизионных пар. Все известные гипотезы механизма изнашивания направляющих поверхностей плунжерных пар и нагнетательных клапанов условно можно свести к следующим группам:

• гидроабразивное изнашивание свободно движущимися в прецизионных зазорах вместе с топливом абразивными частицами;
• абразивное изнашивание частицами, размеры которых превышают радиальный прецизионный зазор и которые при работе попадают в зазор из-за упругой деформации деталей прецизионных пар, в результате чего зазор уменьшается, частицы защемляются и изнашивают сопрягаемые поверхности;
• гидроабразивное и абразивное изнашивание свободно движущимися и защемленными абразивными частицами.

Существует гипотеза, согласно которой изнашивание вызывается упругопластическим деформированием втулки, изменяющим геометрическую форму поверхности, и механическим срезанием выпученных прецизионных поверхностей при движении плунжера в процессе нагнетания топлива.

Читайте также: Устройство и принцип действия топливной аппаратуры дизелей на судах

Накопленный к настоящему времени опыт позволяет объяснить механизм изнашивания и на основе этого разработать пути повышения работоспособности прецизионных пар. По-видимому, наиболее достоверна гипотеза, рассматривающая изнашивание как гидроабразивный и абразивный процесс. Согласно этой гипотезе изнашивание связано с динамическим влиянием абразивных частиц, движущихся с относительно высокой скоростью вместе с просочившимся по зазору топливом, а также механическим действием абразивных частиц, защемленных в зазоре при упругоциклической деформации прецизионных поверхностей. Подтверждением этого служат следующие соображения.

1. Достоверно установлено, что прецизионный радиальный зазор в плунжерных парах увеличивается в 3-4 раза при подаче топлива, поэтому абразивные частицы с размером зерна больше исходного радиального зазора свободно проникают в него, при последующем уменьшении зазора защемляются и абразивно изнашивают трущиеся поверхности.
2. Выявлена типичная картина изнашивания золотниковых частей плунжера и втулки; образуются продольные по ходу движения микроканавки с большой глубиной в начале рабочего участка. Если бы изнашивание вызывалось свободно движущимися в зазоре абразивными частицами, то направление микроканавок совпадало бы с кратчайшими расстояниями линий тока просочившегося топлива в направлении окон втулки. Обычно расположение канавок, совпадающее с линиями тока, наблюдается только в непосредственной близости к отсечной кромке.
3. Износ компрессионной части плунжера и втулки значительно меньше износа их золотниковых частей. С точки зрения заклинивания крупных частиц абразивов условия в указанных элементах плунжерной пары примерно одинаковые. Поэтому есть основания говорить о существенной роли гидроабразивного изнашивания, которое в компрессионной части плунжерной пары меньше из-за меньших протечек топлива по этим поверхностям.
4. Относительно высоки скорости течения топлива в прецизионных зазорах (порядка 50-100 м/с), содержащего твердые частицы, которые не могут не воздействовать на сопрягаемые поверхности.

Таким образом, изнашивание, по-видимому, является результатом совместного действия свободно движущихся в зазоре абразивных частиц, обладающих определенной кинетической энергией, и механического воздействия абразивных частиц, зацепляемых между прецизионными поверхностями. В начальной стадии, когда радиальные зазоры малы, доминирует механический абразивный износ. В дальнейшем, когда увеличиваются зазор и количество протекаемого топлива, усиливается гидроабразивный процесс.

Механизм изнашивания запорных конических поверхностей нагнетательного клапана и распылителя к настоящему времени изучен более детально, что позволяет выявить причины низкой работоспособности запорных конических поверхностей. Картина изнашивания запорных конических поверхностей примерно следующая.

• Под действием давления топлива и запорных пружин игла распылителя и клапан нагнетательного клапана совершают возвратно-поступательное движение, при этом запорные конические поверхности испытывают ударную нагрузку циклического характера.
• Удары воспринимаются очень малой кольцевой площадкой уплотнительного пояска при удельных давлениях более 100 МПа.
• При длительной циклической нагрузке возникает усталость металла, в результате которой микрочастицы отслаиваются и смываются потоком топлива.
• Одновременно абразивные частицы, находящиеся в топливе и обладающие достаточно высокой кинетической энергией, воздействуют на конические поверхности и подвергают их гидроабразивному изнашиванию.
• Кроме того, в момент удара сопрягающихся конических поверхностей между ними защемляются абразивные частицы, которые вдавливаются в них и способствуют их разрушению.

Повышенному изнашиванию и потере герметичности запорных конусов содействует их деформация от действия монтажных усилий, неравномерного температурного поля и циклических усилий от давления топлива. Под влиянием этих факторов форма конической поверхности искажается, причем нарушается герметичность сопряжения и повышаются удельные давления.

Представленная картина работы запорных поверхностей лишь приближенно отражает действительные условия, характерные для большинства типов топливовпрыскивающей аппаратуры. В отдельных случаях отдельные виды изнашивания могут преобладать в зависимости от конструктивных особенностей аппаратуры.

Схватывание и задиры прецизионных поверхностей не являются массовым дефектом, но в той или иной степени присущи почти всем типам топливовпрыскивающей аппаратуры. Причины могут быть самые разнообразные. Механизм схватывания трущихся поверхностей теоретически еще полностью не обоснован; можно лишь приближенно представить процесс схватывания и последующих задиров прецизионных поверхностей. Изнашивание от схватывания возникает при нарушении пленки топлива между сопрягаемыми деталями, появлении прямого контакта и молекулярного сцепления трущихся поверхностей. Первопричинами схватывания могут быть местные удельные давления, превышающие предел текучести металла на участках контакта и являющиеся следствием монтажных и рабочих деформаций прецизионных поверхностей.

Причиной задиров и схватывания прецизионных пар может быть окислительный процесс, развивающийся в условиях сухого трения, когда происходит местный контакт поверхностей, нагрев и насыщение их кислородом из топлива и воздуха. Окисные пленки на поверхности металла становятся хрупкими и быстро разрушаются, что приводит к нарушению подвижности прецизионных пар. Она нарушается также вследствие коррозии прецизионных поверхностей, вызываемой попаданием в топливо воды и относительно высоким содержанием сернистых соединений.

Рассмотренный механизм изнашивания прецизионных пар показывает, что одной из основных причин их относительно низкой работоспособности является плохое качество очистки топлива от воды и механических примесей и низкие физико-химические свойства топлива. Особенно большое число отказов топливовпрыскивающей аппаратуры наблюдается при переводе дизелей на тяжелое топливо. В связи с этим к системе топливоподготовки должны предъявляться жесткие требования. Сформулируем их вкратце.

1. Для уменьшения абразивного и гидроабразивного изнашивания система топливоподготовки дизеля должна обеспечивать такую тонкость фильтрации, чтобы размер механических частиц не превышал исходных технологических зазоров в прецизионных парах. В частности, тонкость отсева должна быть не менее 5-6 мкм.
2. Для уменьшения коррозионных разрушений прецизионных деталей система топливоподготовки должна обеспечивать максимально возможное отделение воды, особенно соленой морской воды с повышенной коррозионной агрессивностью.
3. Для снижения деформаций прецизионных пар система топливоподготовки должна обеспечивать минимально возможный теплоперепад в полости всасывания ТНВД, особенно при переводе дизеля с тяжелого подогреваемого топлива на дизельное и наоборот.
4. Для уменьшения механической нагруженности деталей топливовпрыскивающей аппаратуры и обеспечения смазки направляющих поверхностей прецизионных пар система топливоподготовки должна поддерживать вязкость топлива в заданных пределах в зависимости от особенностей дизеля. Верхний предел вязкости топлива перед ТНВД должен быть не выше 2-4° ВУ; он определяется механической прочностью деталей топливовпрыскивающей аппаратуры и качеством распиливания. Нижний предел вязкости должен быть не менее 1,1° ВУ по условиям обеспечения приемлемой смазочной способности впрыскиваемого топлива.