Введение к работе
Актуальность темы диссертации. В структуре железной дороги тепловозное хозяйство является наиболее энергоемкой отраслью, от работы которой в значительной степени зависит себестоимость перевозок. Одной из основных задач тепловозного хозяйства является экономия дизельного топлива, так как затраты на топливо достигают в настоящее время 60 % всех эксплуатационных расходов тепловозного хозяйства.
Режимы работы тепловозных дизелей в эксплуатации отличаются большой разнообразностью и зависят от множества факторов. Значительная по времени работа на холостом ходу и частичных нагрузках, постоянная сменяемость режимов приводит к снижению коэффициента использования мощности и КПД тепловоза. Снижение эффективности тепловоза объясняется недостаточной приспособленностью дизеля к длительной работе на режиме холостого хода, который в эксплуатации достигает 40 - 80 % от всего времени работы. Одной из основных причин, ухудшающих показатели топливной экономичности и надежности тепловозных дизелей в эксплуатации, является неравномерность распределения топлива по цилиндрам, увеличивающаяся с уменьшением эффективной мощности по тепловозной характеристике. Топливная аппаратура дизелей при малых подачах работает нестабильно от цикла к циклу, что наряду с цикловой неравномерностью приводит к неполноте сгорания топлива, разжижению дизельного масла, закоксовыванию выхлопных окон и ухудшению процесса сгорания. У наиболее распространенных дизелей типа Д100 на номинальном и близких к нему режимах возникают дополнительные впрыски топлива, что отрицательно сказывается на эффективности процесса сгорания и работоспособности форсунок. Применяемая в настоящее время на дизелях конструктивная схема привода реек топливных насосов позволяет совмещать их нагрузочные характеристики только на номинальном режиме.
Совершенствование процесса топливоподачи, стабилизация нагрузочных характеристик топливной аппаратуры в эксплуатации, разработка методов контроля и способов регулировки дизелей на двух режимах, обеспечивающих повышение давления впрыска и наименьшую неравномерность распределения топлива по цилиндрам дизеля, является актуальной научно-технической задачей.
Связь работы с крупными научными програм
мами, темами. Под руководством и непосредственном участии авто
ра диссертации были выполнены шесть научно-исследовательских работ,
которые являются составной частью крупных научно-исследовательских
тем Главного управления локомотивного хозяйства МПС СССР: «Разра
ботка, испытания и выбор оптимальных технических решений, обеспечи
вающих повышение экономичности работы дизелей типа Д100»
(1984-86 г.); «Разработка и внедрение усовершенствованной топливной
аппаратуры для дизелей 10Д100 и 10Д100М» (1987 - 89 г.). При подготовке
диссертации были также использованы материалы научно-
исследовательских работ, выполненных под руководством автора по зака
зам Белорусской железной дороги, Всесоюзного научно-
исследовательского института железнодорожного транспорта (ВНИИЖТ),
ПО «Коломенский тепловозостроительный завод» и ПО «Завод им. Ма
лышева» (1987 - 97 г.).
Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эксплуатационной эффективности тепловозных дизелей путем совершенствования процесса топливоподачи, стабилизации нагрузочных характеристик топливной аппаратуры в эксплуатации, разработки методов контроля и способов регулировки дизелей на двух режимах, обеспечивающих повышение давления впрыска и наименьшую неравномерность распределения подачи топлива по цилиндрам на всех режимах работы дизеля.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи:
-
Обосновать и разработать конструкции элементов топливной аппаратуры для устранения нестабильной работы на режиме малых подач топлива и дополнительных впрысков на номинальном и близких к нему режимах.
-
Исследовать изменение гидравлических характеристик форсунок в эксплуатации и разработать гидравлический способ для оценки их эффективного проходного сечения.
-
Исследовать влияние гидравлических характеристик форсунок на нагрузочные характеристики и экономичность работы дизеля.
-
Исследовать влияние люфтов реек топливных насосов на распределение топлива по цилиндрам дизеля, характер их изменения в эксплуатации.
-
Теоретически обосновать возникновение силы, действующей на рейку топливного насоса от плунжера в процессе впрыска и разработать способы устранения люфтов реек топливных насосов в эксплуатации.
-
Разработать математическую модель процесса впрыска топливной аппаратуры с учетом силы, приложенной от плунжера к рейке насоса, и утечек топлива по форсунке между смежными впрысками.
-
Исследовать характер изменения нагрузочных характеристик топливной аппаратуры в эксплуатации и разработать способы их стабилизации.
-
Обосновать необходимость дополнительной регулировки тепловозного дизеля на равномерность подачи топлива по цилиндрам в режиме холостого хода и разработать методы определения количества подаваемого топлива в цилиндры.
-
Разработать привод реек и механизм поворота плунжера топливных насосов для осуществления независимой регулировки дизелей на двух режимах.
10. Провести эксплуатационные испытания модернизированных те
пловозных дизелей с оценкой их топливной экономичности и надежности
работы.
Научная новизна полученных результатов. Научная новизна работы состоит в следующем:
-
Теоретически обосновано возникновение силы, действующей на рейку топливного насоса от плунжера в процессе впрыска, которая при определенных условиях становится достаточной для устранения зазоров в сопряженных деталях от плунжера до общей тяги управления.
-
Разработана математическая модель процесса впрыска топлива и нагрузочных характеристик топливной аппаратуры дизеля Д100 с учетом утечек топлива по форсунке между смежными впрысками и силы, приложенной от плунжера к рейке.
-
Разработаны конструкции плунжерных пар и нагнетательных клапанов топливных насосов, обеспечивающих поддержание в нагнетательном трубопроводе низкого постоянного давления для устранения цикловой неравномерности на режиме малых подач топлива и дополнительных впрысков на номинальном и близких к нему режимах.
-
Разработан способ устранения дополнительного впрыска топлива и стабилизации нагрузочных характеристик в эксплуатации для топливных систем с короткими трубопроводами.
-
Предложен гидравлический метод и разработаны устройства к стенду А106 для определения эффективного проходного сечения форсунок дизелей.
-
Разработаны способы устранения люфтов реек топливных насосов.
-
Разработаны методы и устройства для регулировки дизелей на равномерность распределения топлива по цилиндрам в режиме холостого хода.
-
Предложен способ совмещения нагрузочных характеристик топливных насосов на двух режимах и разработаны конструкции привода реек и механизма поворота плунжера для осуществления независимой регулировки дизелей на номинальном режиме и холостом ходу.
Практическая значимость полученных результатов. Реализованные технические решения и методы регулировки дизелей на режиме холостого хода, основанные на результатах теоретических и экспериментальных исследований, позволили резко снизить неравномерность распределения топлива по цилиндрам, повысить экономичность работы дизелей, устранить разжижение дизельного масла топливом и снизить минимальную частоту вращения холостого хода. В локомотивных депо Белорусской железной дороги внедрены устройства для определения гидравлических характеристик форсунок дизелей. Метод для регулировки дизелей на режиме холостого хода и способ устранения люфтов реек топливных насосов внедрены в локомотивных депо стран СНГ, и соответствующие изменения внесены в правила текущего ремонта и обслуживания тепловозов типа ТЭЗ и ТЭ10. Результаты исследования гидравлических характеристик форсунок дизелей типа Д100 были использованы при установлении предельных границ изменения эффективных проходных сечений сопловых наконечников в эксплуатации, что нашло отражение в правилах ремонта. Доработанная после эксплуатационных испытаний конструкция топливного насоса дизеля 1 ОД 100 для двойной независимой регулировки была использована заводом-изготовителем при выпуске опытной партии таких насосов. Устранение цикловой нестабильности при малых подачах топлива и снижение неравномерности подачи топлива по цилиндрам создают реальную основу для уменьшения минимальной частоты вращения холостого хода и расхода жидкого топлива при переходе дизеля на газожидкостный процесс.
Экономическая значимость полученных результатов. Эксплуатационные испытания дизелей 10Д100 тепловоза 2ТЭ10Л (В, М) с использованием разработанных технических решений показали снижение расхода топлива и масла на измеритель перевозочной работы тепловозов соответственно на 6,6 и 9,6 %. Уменьшенная на 10 % минимальная частота вращения холостого хода при одновременном снижении жесткости процесса сгорания в отдельных цилиндрах способствует увеличению моторесурса дизелей 1 ОД 100.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту.В результате выполненных в диссертации теоретических и экспериментальных исследований по совершенствованию топливоподаю-щей аппаратуры, методов контроля и регулировки получены новые результаты, направленные на повышение эксплуатационной эффективности тепловозных дизелей:
-
Теоретическое обоснование способа для устранения зазоров в сопряженных деталях от плунжера до общей тяги управления подачей.
-
Уточнение гидродинамического метода расчета процесса впрыска топлива с учетом утечек топлива под влиянием остаточного давления в нагнетательном трубопроводе и моментов, действующих на плунжер при впрыске.
-
Способы и реализация этих способов для ликвидации цикловой нестабильности при малых подачах топлива и дополнительных впрысков на номинальном режиме работы топливной аппаратуры.
-
Гидравлический метод и устройства для контроля эффективного проходного сечения форсунок дизелей.
-
Метод и устройства для регулировки дизелей на равномерность распределения топлива по цилиндрам в режиме холостого хода.
-
Способы двойной независимой регулировки и изменения крутизны нагрузочных характеристик топливных насосов.
Личный вклад соискателя. В диссертации использованы материалы 19 научно-исследовательских работ, выполненных под руководством и непосредственном участии автора в течение продолжительного периода работы в Белорусском институте инженеров железнодорожного транспорта (ныне Белорусский государственный университет транспорта). Все рассмотренные в диссертации методы и способы улучшения работы топливоподагощих систем и дизелей были предложены и разработаны ав-
тором, для практической же их реализации привлекались сотрудники кафедры «Тяговый подвижной состав» БелГУТа.
Апробация результатов диссертации. Основные положения диссертации докладывались на научно-техническом совете МПС СССР (1990 г.), научно-технических конференциях БелИИЖТа (1975 -1995 гг.), Всесоюзной научно-технической конференции «Методы и средства диагностирования технических средств железнодорожного транспорта» (Омск, 1989 г.), Международной научно-практической конференции «Ресурсо- и энергосберегающие технологии на транспорте и строительном комплексе» (Гомель, 1995 г.), Международной научно-практической конференции «Проблемы развития локомотивного хозяйства Республики Беларусь» (Гомель, 1996 г.), сетевых школах МПС СССР (1986, 1987, 1989 гг.), Международной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития транспортных систем» (Гомель, 1998г.)
Результаты исследований использованы при издании правил технического обслуживания и текущего ремонта тепловозов типа ТЭЗ и ТЭ10 (М.: Транспорт, 1988. ) и дополнений к правилам за № Н-9000 (1990 г.)
Опубликованность результатов. По теме диссертации опубликовано 47 научных работ, в том числе одна монография, 12 статей в центральных журналах «Электрическая и тепловозная тяга» и «Локомотив», 5 авторских свидетельств на изобретения, 22 статьи в межвузовских сборниках научных трудов и 7 тезисов докладов на научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, общей характеристики работы, семи глав, заключения, списка использованных источников (235 наименований) и 17 приложений. Объем диссертации 326 страниц, в том числе 20 таблиц на 13 страницах, 75 рисунков на 64 страницах и 49 страниц приложений.
