Состояние вопроса и задачи исследований

1.  Состояние вопроса и задачи исследований

1.1.  Значение АМОВТ, и средства диагностики.

Топливная аппаратура - неотъемлемая часть дизельного двигателя. Согласно данным [И.1] ежедневно до 15% дизельного парка страны простаивает по причине неисправностей топливной аппаратуры. Поэтому важное значение имеют методы и средства диагностики, а также восстановления деталей топливной аппаратуры. [К.9]

Важное значение для работы дизельного двигателя имеет угол опережения начала подачи топлива. Он должен находиться в заданных пределах. Но при изменении частоты вращения, а также при увеличении или уменьшении величины подачи топлива, угол должен изменяться по некоторому закону. Это необходимо для обеспечения максимальной эффективности процесса сгорания топлива в цилиндрах двигателя. [Л.1, Л.2, П.1, А.6]

Существует множество способов и устройств, для автоматического изменения угла опережения впрыскивания. В отечественной и зарубежной технике широко используются АМОВТ центробежного типа с плоскими радиально движущимися грузами. Применяются АМОВТ центробежного типа на топливных насосах высокого давления (ТНВД) ЯМЗ, КамАЗ. Такая муфта автоматически изменяет угол опережения впрыска в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля. Эффективность смесеобразования и сгорания подготовленной рабочей смеси в камере сгорания дизеля зависит от значения угла опережения впрыска. Угол опережения оказывает значительное влияние на протекание рабочего процесса двигателя. Наиболее чувствительны к изменению угла опережения впрыска дизели с неразделенными камерами сгорания. Угол опережения подачи оказывает непосредственное влияние на жесткость работы двигателя и дымность выхлопных газов [А.5, А.6, К.10, С.6, С.7, Г.2, К.4, К.7, З.1, Л.2, С.5, С.6, С.7, Т.2, У.1, Ф.2, П.1, Л.1, Л.2, К.8, подача, руководства по ремонту].

Угол опережения подачи топлива можно определять различными способами. По осциллограмме (с использованием датчиков вибрации или давления) – в этом случае расстояние от отметки верхней мертвой точки (ВМТ) до первого импульса характеризует угол опережения подачи топлива [В.3, Ж.2, К.9]. Точность определения угла при использовании датчиков вибрации составляет ±1° [А.7]. Стенд КИ-6251 позволяет измерять угол с точностью до +-0,5°. Способ измерения основан на подсчете импульсов за промежуток времени, ограниченный моментом начала подачи топлива и отметкой ВМТ первого кулачка вала насоса.[П.4]. При этих способах угол зависит от многих факторов, а не только от работы АМОВТ. Т. к. вычисляется действительный угол между отметкой ВМТ и началом впрыска. Он зависит от состояния форсунки, нагнетательного клапана, длины трубопроводов высокого давления [П.4, Т.3, Б.1 ], плунжерной пары [Ф.3], состояния подшипников кулачкового вала ТНВД.[П.2,К.9,Ф.3], состояния кулачкового вала, роликов и оси толкателя, регулировочного болта толкателя [Ф.3]. А в процессе эксплуатации детали топливоподающей аппаратуры такие как: корпусные детали, подшипники, прецизионные детали, резьбовые поверхности; изнашиваются. [Б.2]

Выявлена размерная цепь, влияющая на угол опережения подачи топлива в пределах топливной аппаратуры. Размерная цепь: АМОВТ, подшипник кулачкового вала, посадочное место под подшипник, кулачок вала, толкатель, ось толкателя, регулировочный винт, плунжерная пара, нагнетательный клапан, трубопровод высокого давления, корпус форсунки, распылитель.[Ф.3]

При диагностике технического состоянии АМОВТ по техническим требованиям на капитальный ремонт топливной аппаратуры дизелей (при использовании стенда КИ-15711) измерение угла опережения впрыскивания производится с помощью шкалы, закрепленной на корпусе муфты, указателя, закрепленного на ведущей полумуфте и стробоскопа [Т.2, Ф.2]. Крепление указателя происходит с небольшим зазором, что вызывает его незначительные колебания. Частота вращения контролируется по тахометру стенда. В процессе диагностики снимается до трех значений угла опережения впрыска с точностью до ±1°.

Вывод: Необходимо оценить работу муфты. Т. е. необходимо использовать штатный метод диагностики, так как он исключат влияние размерной цепи на угол впрыска. Но низкая точность измерения и высокая трудоемкость при увеличении количества измерений не позволяет использовать этот метод для исследования работы АМОВТ. Поэтому необходимо разработать устройство, исключающее выше перечисленные недостатки.

Задача: Разработать устройство с использованием электронных средств, не зависящее от размерной цепи, влияющей на угол опережения. Точностью определения угла не ниже 0,1°. Управление с ПК. Сбор и обработка данных на ПК.

1.2. Анализ данных диагностики АМОВТ, поступающих в ремонт

Во время работы в лаборатории кафедры по испытаниям топливной аппаратуры дизелей, часто приходили ТНВД типа ЯМЗ и КамАЗ, с неисправными муфтами опережения впрыска. Неисправность проявлялась не только в несоответствии углов разворота полумуфт, но и в повышенной шумности работы, колебаниях угла. Чтобы разобраться с причинами неисправности необходимо представлять принцип работы.

Автоматическая муфта опережения впрыскивания топлива (АМОВТ) ТНВД КамАЗ представлена на рис.1. Муфта состоит из двух полумуфт: ведущей 1 и ведомой 5. Усилие от ведущей полумуфты 1 к ведомой 5 передается через пальцы ведущей муфты – далее через проставку 6 – на поверхность грузов – на палец ведомой полумуфты.

Угол опережения впрыскивания топлива изменяется за счет изменения расстояния между пальцами ведущей и ведомой полумуфт. Величина изменения расстояния заложена конструктивно. За счет криволинейной поверхности грузов и внутреннего диаметра корпуса муфты 7.

Изменение угла происходит под действием центробежной силы грузов силы пружины 13.

Углы разворота полумуфт регулируются прокладками, устанавливаемыми одновременно одинаковой толщины под каждую пружину, чем изменяется предварительное сжатие пружин. Увеличение суммарной толщины прокладок вызывает уменьшение угла разворота полумуфт. [А.4]

Работа АМОВТ ТНВД ЯМЗ аналогична работе АМОВТ ТНВД КамАЗ. Различие заключается в конструктивном исполнении муфт. Принцип работы аналогичен.

Муфта опережения впрыскивания топлива ТНВД ЯМЗ представлена на рис.2

Рис.1 Муфта опережения впрыскивания топлива 807.1121010: 1, 11, 15 – шайбы; 2 – винт; 3 – ведущая полумуфта; 4 – манжета ведущей полумуфты с пружиной; 5 – манжета корпуса муфты; 6 – пружина манжеты; 7 - корпус муфты опережения впрыскивания; 8 – уплотнительное кольцо корпуса муфты; 9 – ведомая полумуфта; 10 - втулка ведущей полумуфты; 12 – ось груза; 13 – пружина муфты опережения впрыскивания; 14 – регулировочная прокладка пружины; 16 – груз муфты опережения впрыскивания; 17 – проставка.

Рис. Муфта опережения впрыска топлива ЯМЗ

Основным дефектом муфты опережения впрыска является нарушение герметичности и утечка масла из полости муфты, что приводит к износу и разрушению деталей муфты, изменению ее рабочих параметров. Для выявления и устранения дефектов требуется полная разборка муфты. Если в процессе диагностики и регулировки появляются стуки при работе муфты, то необходимо увеличить количество регулировочных шайб под пружины муфты. [Т.1]

Основным диагностическим параметром для муфты является угол опережения подачи топлива. При потере работоспособности муфта не удовлетворяет техническим требованиям, т. е. не поддерживает угол опережения в заданных пределах. При эксплуатации такой муфты будет наблюдаться повышенная дымность выхлопных газов, повышенная жесткость работы, повышенный расход топлива. [А.6]

Но если использовать в качестве диагностического параметра только значение угла для соответствующих частот вращения, то возникали следующие ситуации: муфта работала с повышенным шумом и стуками, в результате замера углов опережения у таких муфт, выяснялось, что угол лежит в границах допуска, но наблюдаются его значительные колебания.

Т. о. по данным диагностики – муфта неисправна, т. к. наблюдаются стуки. Необходимо увеличить начальное сжатие пружин. После проведения этой операции стуки не прекратились.

Другая ситуация – муфта после ремонта на специализированном предприятии или новая – углы разворота соответствуют нормативу, но наблюдаются стуки на режиме максимального крутящего момента. В этом же диапазоне частот наблюдаются значительные колебания угла.

Что же является причиной стуков? Можно ли их устранить регулировкой или необходимо применять специальные материалы?

Для решения этих вопросов необходимо провести: анализ повреждений и износов деталей АМОВТ; анализ состояния АМОВТ, поступающих в ремонт. Анализ износов необходимо проводить путем микрометража деталей, анализа литературы. К повреждениям будем относить случаи, когда наблюдается износ в несколько раз превышающий допуск, происходит разрушение деталей. Анализ состояния АМОВТ поступающих в ремонт – проводить путем расширенной диагностики штатным методом.

На основе анализа вероятно возможен предварительный ответ на вопрос: регулировка, замена деталей или специальные материалы для восстановления.

Микрометраж деталей АМОВТ показал, что

1.2.  Анализ повреждений и износов деталей АМВОТ ТНВД ЯМЗ.

Основные детали АМОВТ ТНВД ЯМЗ представлены на рис 1-10

Рис.1. Груз АМОВТ ТНВД ЯМЗ (вид сверху)

Рис.2. Груз АМОВТ ТНВД ЯМЗ (вид снизу)

Рис.3. Ведущая полумуфта с втулкой.

Рис.4. Ведомая полумуфта.

Рис.5. Втулка.

Рис.6. Корпус АМОВТ

Рис.7. Палец ведомой полумуфты

Рис.8. Проставка

Рис.9. Пружина

Рис.10. Шайба регулировочная под груз и шайба регулировочная под пружину

Износы и повреждения деталей.

Основные места износов и дефектов груза показаны на рис.11

Рис.11. Основные места износов грузов АМОВТ

На рис.11 номер 1 – износ поверхности скольжения груза в результате поломки проставки (рис8). Износ появляется в результате воздействия ударных нагрузок, т. к. предварительное сжатие пружины отсутствует. Удары наносятся пальцами ведущей полумуфты (рис.3). Этот износ можно отнести к повреждению груза. Он имеет явно выраженное углубление. Грузы с такими повреждениями к дальнейшей эксплуатации не пригодны.

2 – износ поверхности отверстия груза под палец ведомой полумуфты.

3 – износ груза в месте установки регулировочной шайбы. Шайба необходима для того, чтобы груз не скользил по поверхности ведомой полумуфты. Форма износа представляет собой кольцевую выработку небольшой глубины. На грузе отчетливо виден.

4 – износ груза вследствие задевания грузом поверхности ведомой полумуфты. Появляется в результате износа 3, износа шайбы (рис.10), износа 2.

Рис.12. Основные износы ведомой полумуфты.

1 – износ или срыв резьбы. Появляется в случае самопроизвольного отворачивания корпуса муфты, частой разборки – сборки, превышения момента затяжки корпуса муфты.

2 – износ или повреждение пальца ведомой полумуфты.

3 – износ оси муфты.

4 – износ поверхности ведомой полумуфты. Появляется в результате износа пальца, отверстия груза под палец. Изнашивается грузом в следствии его перекоса.

5 – сколы шпоночного паза.

Рис.13. Отложения на корпусе муфты

Отложения (в виде пластичной смазки) на корпусе муфты и на других деталях происходят из-за того, что масло в муфте не меняется согласно ТУ. Это приводит к быстрому выходу из строя АМОВТ.

Рис.14. Ржавчина на корпусе муфты.

Ржавчина образуется при утечке масла, попадании воды, при длительном хранении в сыром помещении без проверки наличия масла в муфте.

Рис.15. Износы корпуса муфты

1 – срыв резьбы

2 – задиры на корпуса в результате ударов грузов.

Рис.15. Поломка проставки.

Рис.16. Износ пружины

Рис. 17. Деформации регулировочной шайбы вследствие не правильной сборки

Много фотографий и пояснения к ним

1.2. Анализ состояния АМОВТ, поступающих в ремонт

Анализ карт диагностики

Для анализа состояния АМОВТ, поступающих в ремонт необходимо разработать карту расширенной диагностики, которая позволит получать достоверные данные о работе муфты во всем диапазоне частот вращения. Карты и данные диагностики приведены в приложение 2. Методика проведения диагностики представлена в разделе 2.

На основе собранных данных сделаны следующие наблюдения. При увеличении частоты вращения угол опережения изменяется по некоторому закону, а при уменьшении частоты уменьшается, но не по этой же кривой. Т. о. при изменении угла наблюдается гистерезис. Графики представленные на рис. построены по средним значениям измерений угла при увеличении и уменьшении частоты вращения. Всего проведено для каждой точки не менее трех измерений. Согласно графику при увеличении частоты угол более поздний, чем при уменьшении. Черными толстыми линиями на графике изображено поле допуска на угол опережения впрыска. Значения угла находятся либо в поле допуска, либо незначительно выходят из него.

Следовательно, АМОВТ обеспечивает необходимый угол опережения. Но при работе этих муфт наблюдались периодические шумы и колебания угла.

Рис. 1

Величину колебаний угла точно определить не удалось, так как процесс изменения был скоротечным. Делать выводы о влиянии колебаний угла без знания его величины не представляется возможным. Т. к. если колебания находятся в пределах допуска, то муфта отвечает техническим требованиям, следовательно, колебаниями угла можно пренебречь. ???

Как ведет себя угол опережения в случае, когда происходит разгон автомобиля, а затем торможение двигателем. Можно предположить, что характеристика будет такой же как и на рис.1. Но по накопленным данным получается характеристика рис.2, значительно отличающаяся от рис.1.

Рис.2

Характеристик угла опережения впрыска изображенная на рис.2 построена на основе диагностики ряда муфт. Кривые построены по средним значениям. Согласно графику в этом случае угол опережения при снижении частоты вращения практически не изменяется. Если в какой либо момент времени, например при частоте вращения 450 мин(-1), необходимо увеличить скорость, то при возрастании нагрузки угол резко изменит свое значение с 4,3° до 1,2°. Т. е. детали муфты испытают ударные нагрузки вследствие резкого уменьшения угла впрыска.

Для того, чтобы разобраться с причинами вызывающими такое поведение угла впрыска, необходимо провести микрометраж деталей муфт. Это поможет связать данные диагностики и величины износов.

Анализ карт микрометража деталей

Микрометраж деталей проведен согласно методике, представленной в разделе 2.

Микрометраж деталей АМОВТ ТНВД ЯМЗ показал, что размеры основного количества деталей находятся в пределах допустимых, если не присутствует повреждение. При повреждении износ в несколько раз превышает допустимое значение. Детали с повреждениями подлежат выбраковке.

К повреждениям относятся: срыв резьбы на корпусе муфты, срыв резьбы на ведомой полумуфте, поломка проставки, износ оси грузов больше допустимого, износ отверстия грузов больше допустимого, поломка пружины, повреждение шпоночного паза ведомой полумуфты.

Размеры основных деталей АМОВТ ТНВД ЯМЗ (ЯМЗ-238), согласно картам микрометража, при отсутствии повреждений следующие:

1.  Ведущая полумуфта (палец)

Номинальный размер –,014) мм

Допустимый размер – 19,95 мм

Минимальный размер при микрометража – 19,91 мм

Замер верхней части диаметра невозможен, т. к. имеется выступ под пружину.

2.  Проставка (отверстие под палец ведущей полумуфты)

Номинальный размер

Допустимый размер

Максимальный размер

Проставка – поверхность к грузу

3.  Груз (отверстие под палец ведомой полумуфты)

Номинальный размер – 20 (+0,080; +0,040) мм

Допустимый размер – 20,10 мм

Максимальный размер при микрометраже – 20,11 мм

4.  Ведомая полумуфта (палец)

Номинальный размер –,014) мм

Допустимый размер – 19,95 мм

Минимальный размер при микрометраже – 19,95 мм

Замер верхней части диаметра невозможен, т. к. имеется выступ под пружину.

5.  Втулка ведущей полумуфты

Номинальный размер –32 мм

Допустимый размер – мм

Максимальный размер при микрометраже – 32,05 мм

6.  Ось ведомой полумуфты

Номинальный размер – 32 мм

Допустимый размер – мм

Минимальный размер при микрометраже – 31,88 мм

На основе данных размеров деталей, получены величины зазоров в основных сопряжениях изношенных АМОВТ:

1.  Ведущая полумуфта (палец) – проставка

(имеется в виду сопряжение палец ведомой полумуфты – проставка (внутренняя поверхность). Таких сопряжений - два)

Номинальный зазор – мм

Допустимый зазор – мм

Фактический (максимальный) -

2.  Проставка – поверхность скольжения груза (два сопряжения)

(Поверхность проставки - внешняя)

3.  Груз – ведомая полумуфта (палец) – два сопряжения

Номинальный зазор – 0,054 – 0,094 мм

Допустимый зазор – 0,15 мм

Фактический (максимальный) – 0,16 мм

4.  Втулка ведущей полумуфты – ось ведомой полумуфты (это сопряжение обеспечивает центрирование ведущей п. м. относительно ведомой п. м. Обеспечивается качание ведомой п. м. относительно ведущей п. м.).

Номинальный зазор – мм

Допустимый зазор – мм

Фактический (максимальный) – 0,17 мм

Как показывают данные по зазорам в основных сопряжения – их величина составляет порядка 0,2 мм, в то время, как допустимая величина зазора достигает 0,15 мм. Следовательно износы при эксплуатации муфты не велики. Основной износ сосредоточен на проставке. И достигает 1 мм и более без ее поломки. Это справедливо только для случаев, в которых не происходит поломка. Она обычно вызвана отсутствием масла в корпусе муфты, попаданием воды или иными причинами.

Карты микрометража составлялись совместно с картами расширенной диагностикой муфт. Поэтому при совместном их рассмотрении сделаны следующие выводы: - износы основных деталей муфт находятся в пределах допуска, разрушения деталей отсутствуют; - имеется деталь, величина износа которой значительно превышает величины износов всех других сопряжения на порядок – это проставка. Она выполнена из чугуна СЧ20. На большинстве муфт, подвергнутым микрометражу износ проставки был порядка 0,1-0,2 мм. И лишь в некоторых случаях достигал 1-1,5 мм. Тем не менее, эта деталь наиболее подвержена износу. При ее износе уменьшается предварительное сжатие пружины, из-за чего угол опережения увеличивается. Не смотря на полученные результаты, остается без ответа вопрос о том, почему при снижении нагрузки угол опережения в ряде случаев не уменьшается, происходит как бы заклинивание деталей.

Постановка задачи. Для получения ответа на поставленный вопрос необходимо определить силы, их величину, направление, точки приложения, которые действуют в муфте.

У большинства деталей размеры находились в пределах допуска. Но имеются муфты, у которых детали подвержены значительным износам или повреждениям. Чтобы оценить возможность и рациональность их восстановления необходимо провести анализ способов восстановления деталей АМОВТ.

1.3.  Анализ способов восстановления деталей АМОВТ

Выбор способа восстановления зависит от конфигурации детали, ее материала, величины износа.

Характеристика основных деталей муфты опережения представлены в таблице

Таблица

Конструктивно-технологические показатели сопряжений АМОВТ []

№ п/п	Наименование	Материал	Твердость	Размер, мм	Износ, мм	Усилие, Н	Зазор
номинальный	допустимый
1	Палец ведущей полумуфты	Сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-71	57-62 HRC (цементирование)	20	0,1	350	0,07	0,1
2	Проставка (отверстие)	СЧ 20 ГОСТ 1412-79	-	20	0,1	350
3	Проставка (поверхность скольжения)	-	-	-	350	-	-
4	Груз (поверхность скольжения)	Сталь 18ХГТ или 40 или 45 возможно закалка ТВЧ		-	-	350
	Поверхности деталей 1-4 подвергаются переменным нагрузкам, следовательно имеет место фреттинг процесс. На поверхностях образуются задиры, в некоторых случаях ямы.
5	Груз (отверстие)	-	-	20	0,15	350	0,094	0,15
6	Палец ведомой полумуфты	Сталь 18ХГТ ГОСТ 4543-71	Цианирование HRC>56	20	0,1	350
7	Втулка ведущей полумуфты	Сталь 45 ГОСТ 1050-74	156-241 HB	32	-	-	0,07	0,1
8	Ось ведомой полумуфты	Сталь 40 Закалка ТВЧ поверхности диаметра 28 мм	37-44 HRC	32	0,1	-

Пружина муфты опережения – проволока пружинная термообработанная 68ГА, диаметр 3,5 мм

Корпус муфты опережения – СЧ 15 ГОСТ 1412-79

Основные детали муфт изготовлены из стали и подвергнуты закалке, цианированию и цементирования. Это необходимо для достижения высокой износостойкости сопряжений.

Выбор и обоснование объекта исследования.

В анализе состояния вопроса рассматривалась часть топливной аппаратуры такая, как АМОВТ ТНВД ЯМЗ и КамАЗ. Эти муфты нашли широкое применение в составе топливных насосов ЯМЗ и КамАЗ. Они отличаются широки разнообразием моделей в зависимости от двигателя. АМОВТ, устанавливаются на дизели ЯМЗ с 1961 года. В 1988 году АМОВТ модернизирована – изменена конструкция грузов, корпуса муфты, пружин, увеличен диаметр установочного конуса. [С.8]

Под рассмотрение попали муфты как до 1988 годы выпуска, так и после 1988 года. Муфты старого образца в последнее время практически не поступают в ремонт. Они остались в ограниченном количестве, в основном в военных частях, где на броне технике применяются двигатели ЯМЗ.

Муфты образца после 1988 года в настоящее время широко применяются. Они входят в комплект топливной аппаратуры таких двигателей, как (марки двигателей). Они поступают в ремонт в достаточно большом количестве. Так как в настоящее время выпускаются двигатели с использованием этих муфт, то актуальность их ремонта будет и в будущем.

Ремонт муфты сводится к замене деталей. В основном проставки, пружины. Такие детали как грузы, ведомые полумуфты меняются значительно реже, так как их замена значительно повышает стоимость ремонта. Муфты после ремонта обычно соответствуют требованиям по углу разворота полумуфт, но у них, особенно в начальный период работы – до месяца и более наблюдается повышенный шум, стуки на режиме максимального крутящего момента. Так же наблюдаются колебания угла впрыска топлива.

Т. к. АМОВТ применяются на двигателях ЯМЗ достаточно давно, то объем муфт достаточно велик. При неисправностях муфты в основном принимается решение о покупке новой. Хотя в большинстве случаев стоимость ремонта составляет 1/3 от стоимости новой муфты. Следовательно, ремонт муфт достаточно актуален. Но повышенный шум и стуки в начальный период работы, а иногда и в течение всего периода эксплуатации, создают впечатление о некачественном ремонте муфт. Что же вызывает шум, стуки в отремонтированной муфте и муфте, в которой износы деталей находятся в пределах допуска? Каким образом можно устранить эти явления? Решение поставленных вопросов позволит определить необходимые мероприятия по устранению этих явлений.

Т. о. в качестве объекта исследования выбирается АМОВТ, на ТНВД 806.6-40. Это муфта производится и входит в комплект топливной аппаратуры, начиная с 1988 года. [С.8]