2173

где Uнач – начальное значение зазора между плунжером и втулкой, м; Uпред – предельное значение зазора между плунжером и втулкой, м. Рассмотрим геометрию плунжерной

пары (рис. 2.2) и введем обозначения: D=2R – диаметр втулки, м; d=2r – диаметр плунжера, м;

δ=R – r – абсолютный радиальный зазор, м;

U=2δ – абсолютный диаметральный зазор, м.

hmin = δ – е – наименьшая толщина смазывающей пленки, м.

Положение плунжера во втулке можно охарактеризовать относительным эксцентриситетом χ. Тогда

где χ – относительный эксцентриситет; С учетом гидродинамических свойств минимальная толщина слоя

смазки для цилиндрических поверхностей с внутренним касанием определяется по выражению [99]

где λ – характеристика режима смазки; ρ – приведенный радиус кривизны, м.

Приведенный радиус кривизны является характеристикой гидродинамической эффективности геометрии и определяется из уравнения [99]:

где R – радиус втулки, м; r – радиус плунжера, м

При внешнем контакте в знаменателе берется знак «+», при внутреннем «–».

31

Параметр ρ характеризует взаимное прилегание контактирующих поверхностей и форму (степень пологости) клиновидного зазора между ними. Чем ближе друг к другу абсолютные значения R и r при одинаковом расстояниями между их центрами, тем приведенный радиус больше, а, следовательно, лучше прилегание.

Подставив выражение (2.15) в выражение (2.14) получим:

Из уравнения (2.18) видно, что величина зазора будет определяться геометрическими параметрами контактирующих тел (ρ, χ), и характеристикой режима смазки (λ). Для плунжерных пар λ зависит от степени обводненности топлива.

Таким образом, срок службы плунжерных пар топливного насоса, при равных значениях начального и предельного зазоров между втулкой и плунжером будет изменяться в зависимости от степени обводненности топлива.

2.3. Теоретическое обоснование конструктивных параметров фильтра-влагоотделителя

Для снижения обводненности топлива в топливной системе трактора в условиях эксплуатации устройства очистки должны обеспечивать содержание водных примесей в пределах регламентируемых нормативно-техни- ческой документацией.

С учетом этих требований, нами разработано и использовано в данной работе устройство – «Фильтр-влагоотделитель» [86]. Фильтр состоит из корпуса со штуцерами подвода и отвода топлива, фильтрующего элемента, состоящего из пакета адсорбционных кассет, заполненных водопоглощающим материалом, и усечённого конуса, из металлической сетки, закреплённого в нижней части пакета.

Очевидно, что для каждого типа трактора фильтр-влагоотделитель будет иметь различные геометрические размеры, зависящие от расхода и физико-химических свойств топлива.Основные геометрические параметры фильтра-влагоотделителя будут зависеть от высоты H и площади поперечного сечения S, коэффициента объемного расширения k слоя адсорбента.

32

Диаметр адсорбера [31, 85] находится как:

где G – расход смеси топлива с водой, м3/с; v0 – скорость потока, м/с.

Число адсорбционных кассет определяется по формуле:

где H – высота слоя адсорбента в адсорбере, м [53, 85];

hT – высота слоя адсорбента в кассете, м, hT = (0,5…3) · 10-3 м.

По мере насыщения водой полимерный адсорбент увеличивается в объеме пропорционально количеству поглощенной воды (рис. 2.3).

Высота адсорбционной кассеты HТ определяется из выражения:

где k – коэффициент объемного расширения адсорбента, k = 15…20.

33

3. ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1. Программа исследований

Весь объём экспериментальных исследований проходил в три этапа. На первом этапе проводились лабораторные исследования по сле-

дующим направлениям:

– влияние дисперсного состава полимерного адсорбента на его поглощающую способность;

– влияние полимерного адсорбента на показатели качества (ГОСТ 305–82) дизельного топлива.

На втором этапе проводились стендовые исследования:

–влияние обводненности топлива на техническое состояние плунжерных пар топливных насосов высокого давления. Исследования проводились на лабораторной установке, скомплектованной на базе стенда СДТА-1.

Влияние обводнённого топлива на техническое состояние плунжерных пар оценивалось регрессионным анализом результатов полного многофакторного эксперимента, основными факторами варьирования в котором выступали количественные содержания воды и абразива в топливе.

–влияние разработанного фильтра-влагоотделителя на процесс обезвоживания дизельного топлива в условиях имитирующих эксплуатационные. Исследования проводились на специально изготовленной для этих целей лабораторной установке, в состав которой вошли колебательное устройство [106] и стенд СДТА-1.

Влияние факторов на интенсивность обезвоживания оценивалось регрессионным анализом результатов многофакторного эксперимента. В качестве основных факторов варьирования выступали температура топлива, масса полимерного адсорбента, и частота вращения вала топливного насоса высокого давления.

На третьем этапе проводились эксплуатационные исследования эффективности работы топливной системы тракторов, оснащенных разработанным фильтром-влаготделителем [86], преследующие цель сравнительной оценки динамики накопления воды в топливной системе трактора Т-150К/ХТЗ-150К-09 при его эксплуатации: без и с предложенным нами устройством.

Исследования проводились в 2003…2007 гг. в научно-исследова- тельской лаборатории кафедры «Ремонт машин» ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА»; аккредитованной испытательной лаборатории ООО «Пенза-Тер- минал» (Регистрационный номер РОСС RU. 0001.22НП77); и хозяйствах Пензенской области.

35

Структура исследований

Этап 1

Лабораторные исследования влияния дисперсного состава полимерного адсорбента на его поглощающую способность;

Лабораторные исследования влияния полимерного адсорбента на показатели качества (ГОСТ 305–82) проб дизельного топлива;

Этап 2

Стендовые исследования влияния обводненности топлива на техническое состояние плунжерных пар топливных насосов высокого давления;

Стендовые исследования влияния разработанного фильтра-влаго- отделителя на процесс обезвоживания дизельного топлива в условиях имитирующих эксплуатационные;

Этап 3

Эксплуатационные исследования эффективности работы топливной системы тракторов, оснащенных разработанным фильтром-влагоот- делителем;

Рис. 3.1. Последовательность и структура проведения исследований

3.2.Методика исследований

3.2.1.Методика лабораторных исследований влияния дисперсного состава полимерного адсорбента на его поглощающую способность

На первом этапе проводились лабораторные исследования, адсорбционных свойств полимерного адсорбента в зависимости от его дисперсного состава.

Полиакриламидный полимер производится в виде порошка или в виде гранул размером от 0,5 до 5 мм.

При взаимодействии с водой полимер гидротирует и превращается в прозрачный гидрогель. Тем, не менее, каждая гранула остается автономной и поглощает количество воды, превышающее ее массу в 200 раз, что приводит к 200 кратному увеличению ее размера.

В лабораторных исследованиях использовались гранулы полимерного адсорбента, которые с помощью комплекта сит были разбиты на четыре фракции размером: 0,5…1; 1…2; 2…3; 3…5 мм. Гранулы помещались в емкости и насыщались дистиллированной водой.

36

3.2.2. Методика лабораторных исследований влияния полимерного адсорбента на показатели качества (ГОСТ 305-82) проб дизельного топлива

В ходе данных лабораторных исследований проводился анализ проб дизельного топлива после его контакта с полимерным адсорбентом на соответствие требованиям ГОСТ 305-82 [37].

Все исследования проводились по методикам ГОСТ, на рекомендуемом лабораторном оборудовании [15, 33, 34, 37, 38, 39].

Контролировались следующие физико-химические показатели качества

–50 % перегоняется при температуре. оС.

–96 % перегоняется при температуре, оС.

3.2.3. Методика исследования влияния обводнённого топлива на техническое состояние плунжерных пар

Исследования проводились в лабораторных условиях на стенде для регулировки топливной аппаратуры СДТА-1, в систему топливоподачи которого были внесены некоторые изменения. Топливо из верхнего (расходного) бака стенда, минуя фильтры очистки, поступало в подкачивающий насос ТНВД и затем в его головку. Избыточное топливо из

38

головки ТНВД сливалось по трубопроводу непосредственно в верхний бак. Туда же стекало топливо, подаваемое ТНВД через форсунки [29, 30].

Для поддержания оптимальной температуры топлива в головке ТНВД – в пределах 30…40°С [23], в систему топливоподачи низкого давления включён змеевик, который опущен в ёмкость термостата ТС-24, где топливо подогревалось водой.

Перед началом работы стенда топливо перемешивалось в отдельной ёмкости с загрязнениями (водой, абразивом), а затем заливалось в бак стенда, после завершения эксперимента – сливалось. Работа стенда была циклической по 8…10 часов в день с перерывами на ночь.

Такая сокращённая циркуляция топлива, по сравнению с существующей на стенде, за счёт малого объёма циркулируемого топлива (5…7 л) и большой производительности подкачивающего насоса ТНВД, позволяла поддерживать равномерной концентрацию содержащихся в топливе загрязнений.

В исследовании были использованы 48 новых плунжерных пар УТН-5-1111410-А5. Техническое состояние плунжерных пар оценивали по их гидравлической плотности, которую определяли на приборе КП-1640А (КИ-759) [4, 64].

При испытаниях в четыре насосные секции насоса устанавливались плунжерные пары, с условием, чтобы между ними была разница не более

± 5 секунд (прил. 5).

Это было сделано для того, чтобы пары с разными начальными значениями плотности, а, следовательно, и с разными начальными зазорами, в равной степени смогли принимать участие во всех четырёх опытах эксперимента с различными уровнями факторов. В каждом из четырёх опытов эксперимента участвовало 12 новых плунжерных пар.

В исследованиях нами использовался ТНВД типа УТН-5А-1100150, данная модификация которого устанавливается на дизеле Д-240 трактора МТЗ-80/82 [32, 122]. Насос имеет следующие технические характеристики:

номинальная частота вращения коленчатого вала дизеля 2200 мин-1;

номинальные обороты кулачкового вала насоса 1100±5 мин-1;

номинальная часовая подача топлива 16,7…17,1 кг/ч;

цикловая подача 74,4…76,2 мм3/цикл;

подача одной секцией 81,8…83,8 см3/мин.

На дизеле Д-240 устанавливаются форсунки ФД-22, которые регулировались на давление впрыска 17,5+0,5 МПа [4, 27, 122]. Во время исследований насос работал на номинальном режиме.

В обычных, стабильных условиях эксплуатации загрязнённость топлива в системе питания тракторов и автомобилей достигает своего предельного значения через 2...3 заправки после промывки бака [23, 41, 42]. В ре-

39

зультате этого промывка топливных баков в нормальных условиях эксплуатации практически мало влияет на загрязнённость в них топлива.

Количество загрязняющих примесей в баках автомобилей, тракторов и других машин находится в прямой зависимости от запыленности района и сезона эксплуатации и составляет от 2...9 до 200...400 г на 1 т топлива. Для автомобилей самосвалов, работающих в особо пыльных условиях, содержание загрязняющих примесей в топливе примерно в 1,5 раза больше, чем для бортовых автомобилей. Уровень загрязнённости топлива тракторов примерно в 2 раза выше, чем в баках автомобилей.

Дисперсный состав загрязняющих примесей примерно такой же, как и дорожной пыли. Размеры частиц в дизельном топливе и бензине обычно не превышают 50 мкм, а основное количество частиц имеет размеры около 5 мкм.

Дисперсный состав пылей характеризуется также удельной поверхностью S, которая изменяется в широких пределах (90...700 м2/кг) [42]. Наиболее распространен в пыли кварц, содержание которого составляет от 50 до 90 %. Твёрдость кварца обычно больше твёрдости конструкционных материалов, и поэтому он вызывает их абразивное изнашивание.

Для кварцевых пылей, приготовленных в соответствии с ГОСТ 8002-74: при S = 560 м2/кг, логарифм среднего размера частиц lg xo = 1,064, а среднее квадратическое отклонение логарифма размеров частиц от их среднего размера lg β = 0,368; при S =1050 м2/кг lg xo = 0,740, lg β = 0,303.

Состав данных пылей моделирует состав механических загрязнений, которые содержатся в топливе [42].

При нормальной работе системы фильтрации и содержании механических примесей в топливе до 200 г/т, в насос проходит механических примесей до 32 г/т, что составляет около 0,003 % по массе. Эту концентрацию механических примесей в топливе приняли за верхний уровень соответствующего фактора, а за нижний – приняли их отсутствие.

Вкачестве механических примесей применяли кварцевую пыль, приготовленную по ГОСТ 8002-74 с удельной поверхностью S = 560 м2/кг.

Впроцессе непрерывной работы ТНВД дизеля, как уже говорилось, увеличение содержания эмульсионной воды в топливе свыше 3 % приводит к заметному ухудшению работоспособности плунжерных пар. В процессе же циклической работы – увеличение воды свыше 0,5 % уже приводит к заметному ухудшению. Это, как уже было отмечено выше, связано с появлением коррозионного изнашивания во время остановок, наряду со снижением смазывающих свойств топлива [101].

Для появления заметного изнашивания, связанного с наличием воды в топливе, за верхний уровень этого фактора мы приняли содержание эмульсионной воды в топливе 5 %, а за нижний – её отсутствие.

При исследовании использовалась дистиллированная вода.

40