dis_volkova_l_yu

1

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(ОмГУПС (ОмИИТ))

На правах рукописи

ВОЛКОВА Лариса Юрьевна

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ФОРСУНОК

ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель – доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Володин Александр Иванович

Научный консультант – доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки и техники РСФСР Четвергов Виталий Алексеевич

Омск 2014

2

Оглавление

Введение …………………………………………………………………………..5

1. Анализ состояния вопроса и задачи исследования…………………………..12

1.1.Режимы работы тепловозных дизелей ……………………………..……....12

1.2.Задачи технической диагностики и основные термины………...……… ...20

1.3.Классификация диагностических систем ………………………………….24

1.4.Диагностирование топливной аппаратуры вибрационным способом……27

1.5.Способ диагностирования топливной аппаратуры по изменению температуры деталей…..………………………………………………………….31

1.6. Диагностирование топливной аппаратуры по анализу импульса давления

в топливопроводе………………………………………………………………...33

1.6.1.Диагностирование топливной аппаратуры с использованием накладного пьезоэлектрического датчика давления ………………………………………...33

1.6.2.Диагностирование топливной аппаратуры с использованием датчика давления тензметрического типа ……………………………………………….38

1.6.3.Анализ неисправностей форсунок тепловозных двигателей по изменению хода иглы распылителя форсунки………………………………………………41

1.7.Диагностирование технического состояния форсунок дизеля по величине утечек топлива из дренажной магистрали ……………………………………....43

1.8.Метод оценки технического состояния форсунок тепловозных дизелей

в условиях ремонтного производства…………………………………………....44

1.9.Диагностирование топливной аппаратуры дизеля с использованием статистической теории распознавания характерных точек импульса давления в топливопроводе……………………………………………………………….... 46

1.10.Влияние технического состояния форсунок тепловозных дизелей на протекание рабочего процесса дизеля ……………………………………………51

1.11. Топливные системы аккумуляторного типа с электронным управлением.54

1.12. Постановка задач исследования и пути их решения ……………………...60 2. Методика расчета процесса впрыска топлива в дизелях ………………… 61

2.1. Определение величины давления над иглой в замкнутой полости

3

форсунки……………………………………………………………………………61

2.2. Гидродинамический расчет процесса впрыска топлива в дизелях с определением давления в объеме над иглой форсунки ………………………65

2.3. Основные выводы ……………………………………………………………75

3. Влияние конструктивных и регулировочных параметров форсунки на структуру факела распыленного топлив и процесс его сгорания…………..76

3.1. Методика расчета мелкости распыливания дизельного топлива ………..76 3.2. Расчетное определение эффективного проходного сечения распылителя и диаметра соплового отверстия………………………………. ………………...80

3.3. Определение эффективного проходного сечения распылителя при помощи номограммы и ее применение для оценки закоксовывания сопловых отверстий…………………………………………………………………………..83 3.4. Согласование периода задержки самовоспламенения топлива в цилиндре дизеля с дальнобойностью топливного факела …………. ………88

3.5. Уточнение методики расчета рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания……………………………………………………………………………93 3.6. Влияние величины угла опережения впрыска топлива на протекание рабочего процесса дизеля и его диагностирование…………. ……………….101 3.7. Основные выводы …………………………………………………………..107

4. Диагностирование технического состояния форсунок топливной аппаратуры тепловозных дизелей и анализ причин неисправностей………...108

4.1.Диагностирование технического состояния форсунок по анализу хода иглы распылителя ……………………………………………………….. 108

4.2.Диагностирование технического состояния форсунок по анализу величины утечек топлива из дренажной магистрали ….………………………………….121

4.2.1.Топливные системы с гидромеханическим управлением иглы распылителя форсунки…………………………………………………………..121

4.2.2.Топливные системы с электрогидравлическим управлением иглы распылителя форсунки ………………………………………………………..126

4.2.3.Диагностирование форсунок с электрогидравлическим управлением

4.3.1.Основные причины образования кокса в сопловых отверстиях распылителей форсунок дизелей ………………………………………………133

4.3.2.Методика восстановления герметичности посадочного конуса иглы распылителя форсунки ……………………………………………………… 138

4.4. Основные выводы …………………………………………………………..142

5. Определение технико-экономической эффективности внедрения прибора для диагностирования угла опережения впрыска топлива и технического состояния форсунок.……………………………………………………………...143

5.1. Основные выводы…………………………………………………………. ...151

Заключение ……………………………………………………………………..... 151

Условные обозначения………………………………………………………..…..153

Список литературы ……………………………………………………………. .. 155

Приложение А. Результаты расчета рабочего цикла дизеля 16 ЧН 26/26....168

Приложение Б. Исходные данные для гидродинамического расчета процесса впрыска топлива дизеля 16 ЧН 26/26……………………………………………172

5

Введение

Актуальность темы исследования. Согласно целевой программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации от 17 июня 2008 г. № 877 - р, одним из основных направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» является повышение экономичности и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств.

Решение этой проблемы должно быть обеспечено комплексными мероприятиями, включающими в себя широкий круг вопросов, связанных с обеспечением долговечности тягового подвижного состава (ТПС). Эффективность эксплуатации тепловозов во многом зависит от надежности и долговечности работы топливной аппаратуры (ТА), которая зависит от качества диагностирования, технического обслуживания и ремонта. Количество отказов тепловозов по сети железных дорог по причине выхода из строя дизельных установок достигает 41 % от общего числа отказов основных узлов тепловозов, в том числе

12 – 13 % от общего числа отказов дизеля по причине выхода из строя ТА. Подобное состояние тепловозного парка и ТА тепловозных дизелей обусловлено низким качеством текущих ремонтов и неточным диагностированием, что свидетельствует о недостаточной степени разработанности исследуемой темы.

Увеличение надежности и срока службы ТА тепловозов может быть достигнуто в результате внедрения метода контроля технического состояния и выявления неисправностей или отказов форсунок тепловозных дизелей, а также угла опережения впрыска топлива по изменению хода иглы распылителя. Поэтому совершенствование диагностирования технического состояния форсунок тепловозных дизелей является важной составляющей технических мероприятий, направленных на повышение эффективности эксплуатации и долговечности тепловозов.

6

Цель диссертационной работы – совершенствование методов и средств контроля технического состояния форсунок тепловозных дизелей для обеспе-

чения работоспособности топливной аппаратуры в эксплуатации.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе поставлены следующие задачи:

1.Исследовать возможность контроля технического состояния форсунок тепловозных дизелей по анализу хода иглы распылителя.

2.Уточнить методику гидродинамического расчета ТА, позволяющую до-

полнительно определять давление в замкнутой полости форсунки над иглой, а

по изменению давления – ход иглы распылителя.

3. Предложить технологию оценки технического состояния форсунок теп-

ловозного дизеля с использованием контроля хода иглы распылителя и факти-

ческого угла опережения впрыска топлива.

4. Исследовать влияние закоксовывания сопловых отверстий на продолжи-

тельность впрыска топлива, дисперсность распыливания и дальнобойность топ-

ливного факела.

5. Уточнить математическую модель теплового расчета рабочего цикла,

позволяющую определять технико-экономические параметры дизеля при изме-

нении угла опережения впрыска топлива.

6. Разработать методику оценки износа пары «игла–корпус распылителя» форсунок с механическим и электронным управлением иглы по величине уте-

чек топлива.

7. Предложить оценку фактического угла опережения впрыска топлива по началу движения иглы распылителя форсунки относительно верхней мертвой точки (ВМТ).

8. Провести апробацию технологии контроля форсунок ТА в условиях эксплуатации и оценить экономическую эффективность.

Объектом исследования являются тепловозные четырехтактные дизели

5Д49 (16ЧН 26/26), 8ЧН 26/26 и дизель Д440 (4ЧН 13/14).

Методы исследования. При решении поставленных задач использова-

7

лись методы математической статистики и математическое моделирование. Для расчета и анализа гидродинамического процесса подачи, сгорания топлива ис-

пользовались уточненные программы расчета ТА и рабочего процесса. Разра-

ботка программного продукта проводилась с использованием языка програм-

мирования Turbo Pasсal и приложений Microsoft Offiсe Excel, Mathcad. Экспе-

риментальные исследования выполнялись в локомотивном депо «К» (Карасук,

Новосибирская область) подразделения Западно-Сибирской дирекции по ре-

монту ТПС.

Научная новизна результатов диссертационной работы:

1. Разработана технология диагностирования, позволяющая на работаю-

щем двигателе фиксировать ход иглы распылителя при помощи датчика давле-

ния. Для определения технического состояния форсунок рекомендуется метод сравнения контрольной диаграммы хода иглы с реальной.

2.Уточнена программа гидродинамического расчета ТА, позволяющая определять перемещение иглы по изменению давления в полости форсунки.

3.По методу профессора И.И. Вибе разработана математическая модель теплового расчета рабочего цикла, которая позволяет определять параметры дизеля при изменении начала сгорания топлива относительно ВМТ.

4.Предложена методика, позволяющая при уменьшении диаметра сопла

(закоксовывании) определять нарушение дальнобойности топливного факела. 5. Разработана номограмма, позволяющая оценивать величину закоксо-

вывания распылителей по увеличению продолжительности впрыска топлива.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Технология диагностирования ТА по анализу движения иглы распыли-

теля форсунки, позволяющая на работающем двигателе определять фактиче-

ский угол опережения впрыска топлива, а по изменению положения характер-

ных точек хода иглы – техническое состояние форсунки.

2.Метод оценки технического состояния форсунок с механическим и электронным управлением иглы по анализу величины утечек топлива.

3.Метод оценки тонкости распыливания топлива, нарушения дально-

8

бойности факела в камере сгорания (КС) при изменении диаметра сопла.

4. Методика гидродинамического расчета ТА, позволяющая определять дав-

ление топлива в замкнутой полости форсунки, а по его изменению –ход иглы.

5.Программа теплового расчета, позволяющая оценить технико-

экономические параметры рабочего процесса дизеля при изменении угла опереже-

ния впрыска топлива.

6.Номограмма для определения величины закоксовывания распылителей

вэксплуатации по увеличению продолжительности впрыска топлива.

7.Технология контроля угла опережения впрыска и технического состоя-

ния форсунок дизелей с применением портативного компьютерного прибора.

Степень достоверности результатов работы. Результаты диагностиро-

вания технического состояния ТА базируются на основе анализа движения иг-

лы распылителя форсунки, теоретических и экспериментальных положений гидродинамического процесса топливоподачи. Использование теоретических и экспериментальных методов исследования основано на достижениях теории двигателей внутреннего сгорания, механики жидкости, газа и на строго дока-

занных выводах фундаментальных и прикладных наук.

Экспериментальные исследования и опытная апробация результатов ра-

боты проведены на реальных объектах с использованием сертифицированных и поверенных средств контроля и оборудования.

Достоверность теоретических исследований ТА подтверждена экспери-

ментальными данными, полученными в локомотивных депо сети железных до-

рог ОАО «РЖД». Расхождение результатов теоретических и эксперименталь-

ных исследований не превышает 5 %.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. Предложен способ диагностирования форсунок методом сравнения кон-

трольной диаграммы хода иглы с реальной, записанной при помощи датчика давления, установленного в линии слива утечек топлива из форсунки.

2. Разработана технология контроля технического состояния ТА тепловозных дизелей с применением измерительной аппаратуры, позволяющей повысить экс-

9

плуатационную надежность и долговечность тепловозов.

Реализация результатов работы. Разработанная методика контроля технического состояния ТА тепловозных дизелей прошла эксплуатацион-

ные испытания, была опробована и принята к внедрению в ремонтном ло-

комотивном депо «Карасук» подразделения Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава ОАО «РЖД».

Личный вклад соискателя состоит в следующем:

1. Дана оценка возможности диагностирования технического состояния фор-

сунок и определения их неисправностей по анализу хода иглы распылителя.

2. Уточнена методика гидродинамического расчета ТА, позволяющая опре-

делять перемещение иглы по изменению давления топлива в полости форсунки.

3. Уточнена программа теплового расчета, позволяющая определять технико-

экономические параметры дизеля при отклонении от нормативных значений угла опережения впрыска топлива.

4. Разработана методика и схема измерения, позволяющая определять фак-

тический угол опережения впрыска топлива в камеру сгорания.

5. Предложен способ диагностирования форсунок с механическим и элек-

тронным управлением по величине утечек топлива через зазор в распылителях.

6.Предложена конструкция датчиков тензометрического и индуктивного типов для записи хода иглы распылителя.

7.Разработана номограмма, позволяющая определять величину закоксо-

вывания распылителей по увеличению продолжительности впрыска топлива.

8. Предложена методика восстановления посадочного конуса распылите-

лей с нарушенной герметичностью (течью топлива).

9. Проведены эксплуатационные испытания разработанной технологии контроля технического состояния ТА на базе ремонтного локомотивного депо

«Карасук» подразделения Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава ОАО «РЖД» и дана оценка эффективности ее внедрения.

Основные положения и результаты, представленные в диссертации, полу-

чены автором самостоятельно.

10

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались: на Международной научно-технической конференции «Двигатели 2008» («Актуальные проблемы развития и эксплуата-

ции поршневых двигателей в транспортном комплексе Азиатско-Тихоокеан-

ского региона») (Хабаровск, 2008); 63-й научно-технической конференции ГОУ

«СибАДИ» (Омск, 2009); 65-й Всероссийской научно-технической конферен-

ции ФГБОУ ВПО «СибАДИ» (Омск, 2011); 66-й Международной научно-

практической конференции СибАДИ (Омск, 2012); Международной научно-

практической конференции, посвященной 200-й годовщине победы России в Отечественной войне 1812 г. (Пермь, 2012); Международной научно-

технической конференции «Двигатели 2013» («Актуальные проблемы развития и эксплуатации тепловых двигателей в условиях Дальневосточного региона России») (Хабаровск, 2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано

18 печатных работ, в том числе 5 – в изданиях, определенных перечнем ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав,

заключения, библиографического списка из 112 наименований литературных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 176 страниц,

включая 72 рисунка и 16 таблиц.

Во введении дан анализ надежности работы ТА тепловозных дизелей в условиях эксплуатации, обоснована актуальность темы исследования.

В первой главе рассматриваются условия работы тепловозов и эксплуа-

тационные факторы, влияющие на надежность и техническое состояние ТА.

Выполнен обзор существующих методов и средств контроля технического со-

стояния форсунок дизелей. На основе анализа современного состояния иссле-

дуемой проблемы сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Во второй главе приведена методика расчета процесса подачи топлива в дизеле с дополнительным определением давления в объеме форсунки над иг-

лой. Показано, что изменение хода иглы распылителя форсунки подобно изме-