РЕМОНТ ПЛУНЖЕРНЫХ ПАР ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ВОПРОСЫ ТЕХНОЛОГИИ

Рис.1 Общий вид и основные
 конструктивные элементы
 плунжерной пары.

       В дизельном двигателе наиболее сложным и дорогим узлом является топливный насос высокого давления. Выход насоса из строя, как правило, связан с износом рабочих поверхностей установленных в нем плунжерных пар, которые, в свою очередь, являются самыми высокоточными и дорогими деталями как в самом насосе так и во всем двигателе.

Общий вид и основные конструктивные элементы плунжерной пары показаны на рис. 1. Типовая плунжерная пара состоит из штока 1 и гильзы 2. Гильза плунжерной пары имеет два сквозных отверстия: впускное 2 и перепускное 3, причем первое расположено несколько ниже второго. На штоке плунжерной пары имеется осевое отверстие 4 соединенное с двумя симметричными спиральными канавками 5.

Несмотря на большое разнообразие типов плунжерных пар все они имеют похожую конструкцию и выполняют аналогичные функции и это определяет сходный характер износов их рабочих поверхностей.

Износ поверхности штока (рис. 2) происходит на участках расположенных против впускного 1 и отсечного 2 окон гильзы. В процессе эксплуатации на доведенных поверхностях названных участков появляется матовый оттенок и, в последствии, поверхность становится гребенчатая. Глубина царапин достигает 10 мкм.

Рис.2. Места износа плунжерной пары

Наибольшей величины износ штока достигает у его нижней кромки. Характер этого износа – гидроабразивный. В момент, когда шток нижним торцом перекрывает впускное отверстие втулки и начинается цикл впрыска, в зазор между штоком и гильзой вместе с топливом попадают абразивные частицы, размеры которых могут быть больше величины этого зазора. При движении штока защемленные абразивные частицы протаскиваются и перекатываются через зазор между названными поверхностями и своими острыми кромками срезают металл с поверхности штока и втулки. По мере дальнейшего продвижения частиц их режущие кромки притупляются, частицы размельчаются, и их режущая способность уменьшается. Этим объясняется уменьшение величины износа при удалении от нижней кромки штока.

Изнашивание рабочей поверхности втулки плунжерной пары происходит на участках, примыкающих к впускному 3 и отсечному 4 отверстиям. Наибольший износ наблюдается в местах, расположенных у впускного отверстия. Характер износа зоны, примыкающей к впускному отверстию в основном абразивный, а зоны, примыкающей к отсечному отверстию обусловлен кавитацией.

           Известно, что детали плунжерных пар не взаимозаменяемые. По заводской технологии, последней операцией технологического процесса изготовления плунжерных пар, является их селективная сборка. Пары собираются с радиальным зазором не превышающим 1,5 мкм, притом, что сами детали изготавливаются с разбросом диаметральных размеров в несколько сотых долей миллиметра. В этой связи, в основу технологии восстановления работоспособности плунжерных пар была положена новая селективная сборка групп деталей одного типоразмера.

Для обеспечения возможности сборки «новых пар» обязательным условием является восстановление цилиндричности их изношенных поверхностей. Иными словами, рабочие поверхности пары должны быть перешлифованы с таким расчетом чтобы на них не осталось следов износа.

Анализ возможных вариантов обработки изношенных внутренней и наружной цилиндрических поверхностей плунжерной пары показал, что самым простым, дешевым и обеспечивающим высокую точность обработки оказался метод совместного перешлифовывания штока и гильзы с помощью алмазной пасты. Суть метода в том, что инструментом для обработки гильзы является шток, а для штока гильза, т.е. те самые детали которые работали в паре.

Рис.3. Схема совместного перешлифовывания
 изношенных рабочих поверхностей штока и гильзы

Схема перешлифовывания изношенных рабочих поверхностей штока и гильзы показана на рис. 3. По данной схеме гильза 1 помещается в самоустанавливающуюся оправку 2, а шток 3 закрепляется в шпинделе станка 4. Штоку сообщается вращательное рабочее движение со скоростью (n) не менее 3000 об/мин и возвратно-поступательное движение подачи с частотой (k) порядка 1 ход за секунду. Величина рабочего хода штока должно быть порядка половины длины рабочей поверхности гильзы, т.е. H = 0,5L.

В качестве режущего материала необходимо использовать алмазную пасту марки 2/1.

Если после перешлифовывания деталей плунжерной пары пастой 2/1 на их поверхностях остаются следы износа обработку следует повторить пастой 3/2, а затем и пастой 5/3.

После перешлифовывания плунжерные пары раскомплектовываются, детали моются в бензине или органических растворителях и направляются на новую селективную сборку.

Исследования изменения размеров деталей до и после обработки их изношенных поверхностей проводились на плунжерных парах к топливным насосам высокого давления дизельных двигателей автомобилей КАМАЗ.

Рис 4. Распределение размеров штока
 и гильзы до перешлифовывания

На рис. 4 показаны законы распределения диаметральных размеров штока и гильзы до перешлифовывания их изношенных поверхностей. Диаметр отверстия больше диаметра вала на несколько тысячных долей миллиметра, т.е. величину рабочего зазора плунжерной пары. После перешлифовывания кривые нормального распределения размеров (рис. 5) смещаются в разные стороны на величину снимаемого припуска. В результате перешлифовывания диаметр штока плунжерной пары уменьшается примерно на 3-5 мкм, а диаметр гильзы соответственно увеличивается на такую же величину.

Практика показала что при нормальных износах снятие указанного припуска практически полностью удаляет с поверхности деталей изношенные участки. Детали размеры которых лежат в зоне 1 имеют вероятность собраться в новые пары, так как их номинальные размеры перекрываются.

Рис.5. Распределение размеров штока
 и гильзы после перешлифовывания

В процессе изучения процесса была выработана простая методика новой селективной сборки пар. Без определения фактического размера перешлифованные гильзы разбивались на группы деталей близких по размерам. Диапазон колебаний размеров в группе составлял 5 мкм. В качестве инструмента разбиения на группы размеров использовался специальный конический калибр с разностью диаметров в 0,025 мм. По длине калибр был разделен рисками на пять равных частей пронумерованных соответственно от 1 до 5. Принадлежность гильзы к той или иной размерной группе определялась по глубине опускания калибра в отверстие гильзы. Схема метода разделения перешлифованных гильз на размерные группы показана на рис.6.

Рис.6. Конический калибр для определения размерной
 группы гильзы

              В результате каждая из деталей помещалась в одну из пяти ячеек где в конце концов собирались детали одной группы размеров. Ячейки с одинаковыми деталями размещались по возрастанию размеров находящихся в них деталей. При такой систематизации втулок подобрать штоку соответствующую по диаметру гильзу не составляет труда.

Изначально новая пара собиралась с небольшим натягом, так чтобы шток хоть и тяжело, но мог двигаться в гильзе. После этого производилась притирка пары алмазной пастой с размером зерна до 1 мкм, т.е. пастой марки 1/0.

Процент выхода хороших пар собранных по такой методике составляет примерно 40 процентов от общего количества першлифованных пар. Детали размеры которых лежат в зонах 2 и 3 (см. рис.5) в принципе собраться не могут. При любой комбинации зазор в паре будет больше допустимого.

Как было сказано, часть деталей после перешлифовывания не могут быть собраны в новые пары. Штоки диаметр которых находится в зоне 2 (см. рис. 5) и гильзы с диаметром из зоны 3 имеют размеры которые при любой комбинации не обеспечат необходимого зазора в паре.

Для обеспечения возможности совместной сборки названных групп деталей на шток необходимо нанести слой износостойкого покрытия толщиной 5-7 мкм.

Изучение этого вопроса позволило сделать вывод, что наиболее приемлемыми способами увеличения диаметра гильзы является химико-гальваническое нанесение максимально равномерного слоя хрома толщиной порядка 10 мкм с последующей обработкой поверхности для восстановления её цилиндричности.

Рис.7. Схема устройства для шлифования
 поверхности штока 

Как показала практика самым простым и дешевым способом восстановления цилиндричности штока после нанесения покрытия является шлифование последнего самоустанавливающимся бруском шаржированным алмазной пастой. Схема способа обработки показана на рис. 7. Обрабатываемой детали, поддерживаемой вращающимся центром, сообщается вращение со скоростью не мене 3000 об/мин. Шлифовальный брусок прижимаясь к детали самоустанавливается по её поверхности и сошлифовывает участки покрытия находящиеся выше средней линии образующей цилиндра. При данной схеме обработки формообразующим элементом является профиль шлифовального бруска, поэтому плоскостность его поверхности должна быть близка к идеальной. А так как в процессе обработки поверхность бруска изнашивается то его необходимо периодически притирать с другими аналогичными брусками до полного восстановления плоскостности их рабочей поверхности.

Последовательность восстановления прямолинейности образующей цилиндрической поверхности штока схематично показана на рис. 8.

Рис.8. Схема восстановления прямолинейности
 образующей цилиндрической поверхности штока

Комплексный контроль плунжерных пар осуществляется при проверке и регулировке топливных насосов высокого давления на которые они устанавливаются. В случае несоответствия рабочих параметров насоса расчетным плунжерные пары выбраковываются. Для исключения подобных ситуаций восстановленные плунжерные пары должны подвергаться стопроцентному контролю при сборке.

Наиболее объективным методом контроля качества сборки плунжерных пар является измерение скорости протекания дизельного топлива через зазор между штоком и гильзой плунжерной пары, а также величина рабочего давления создаваемого плунжерной парой при рабочем ходе штока.

В процессе выполнения настоящей работы был разработан стенд для контроля качества сборки плунжерных пар. Схема стенда представлена на рис.9. Основными элементами конструкции стенда является стакан 1 в который устанавливается плунжерная пара 2. Гильза плунжерной пары плотно прижимается к донышку стакана гайкой 3. Рабочая полость стакана соединена с манометром 4. В стакане должно находится дизельное топливо в которое опускается плунжерная пара с выведенным в верхнее положение штоком. Топливо при этом заполняет внутреннюю полость гильзы и может быть вытеснено штоком только через зазор между рабочими поверхностями штока и гильзы. Усилие на штоке создается рычагом 5 с помощью подвешенных на нем грузов 6.

Рис.9. Схема стенда для контроля гидравлической
 плотности плунжерных пар

Представленный стенд позволяет оценить плотность сопряжения пары и определить создаваемое ей давление при строго определенной нагрузке на штоке. Допустимая скорость опускания рычага и давление показываемое манометром должны быть оттарированы по контрольным образцам новых плунжерных пар.

В процессе селективной сборки плунжерные пары должны проверятся по пятну контакта сопрягаемых поверхностей. С этой целью был разработан метод с использованием графитной смазки. Рабочие поверхности плунжерной пары смазывались небольшим количеством названой смазки которая равномерно распределялась в зазоре между контролируемыми поверхностями путем перемещения штока в гильзе. Затем, смазка с поверхности штока вытиралась и он вставлялся и тут же извлекался из гильзы на внутренней поверхности которой оставалась смазка. В результате, в случае качественного сопряжения, поверхность штока должна быть снова равномерно покрыто смазкой. Наличие светлых пятен на его поверхности недопустимо.

Рис.10. Схема устройства для определения величины зазора
 в плунжерной паре по размаху качания штока

Зазор в сопряжении штока и гильзы может быть проконтролирован косвенным методом. С этой целью была разработана специальная оснастка показанная на рис. 10. Величина зазора может быть оценена по величине качания штока в гильзе когда шток входит в гильзу на величину порядка 1/10 своей длины. Как видно из схемы, величина качания стрелки индикатора, при приложении знакопеременной нагрузки к штоку, напрямую связана с величиной зазора в сопряжении. Так, для плунжерных пар дизельного двигателя КАМАЗ размах качания конца штока при 5 миллиметровом вхождении штока в гильзу не должен превышать 0,02 мм. В этом случае диаметральный зазор в паре не будет превышать 2 мкм.

Предлагаемый способ контроля достаточно прост и объективен. Его можно использовать как первую ступень контроля плунжерных пар. После чего проверяется пятно контакта сопрягаемых поверхностей и затем плотность сопряжения по утечке дизельного топлива.

В сообщениях на alekskrez@mail.ru спрашивали:

Какой самый простой способ оценки качества плунжерной пары?

На мой взгляд, самый простой, а может и самый объективный способ оценки гидравлической плотности плунжерной пары типа МАЗ, КАМАЗ, МТЗ заключается в следующем. Пару нужно смочить в солярке. Затем, зажав пальцем отверстие на торце гильзы, штоком захватить воздух, как это происходит с топливом в процессе впрыска. Воздух под штоком, находясь в замкнутом объеме, будет «пружинить» и, если пара не плотная, во впускном отверстии гильзы будут видны пузырьки воздуха. При плотном сопряжении поверхностей штока и гильзы пузырьков не будет, т.е. рабочий объем под штоком плунжерной пары будет герметичным.

Почему при взаимной притирке (перешлифовывании) штока и гильзы, на штоке появляется конусность?

При взаимной притирке штока и гильзы, вследствие возвратно-поступательного движения штока в гильзе, конусность появляется за счет того что нижняя часть штока и верхняя часть гильзы постоянно находятся в обработке, а верхняя часть штока и нижняя часть поверхности гильзы периодически выходят из активной зоны. Вопрос, какова величина этой конусности?

Последнее, можно минимизировать увеличением времени обработки и рациональным перемещением штока в гильзе. Шток в процессе притирки практически не должен выходить из гильзы. Кроме того, конусность будет появляться как на штоке, так и обратная ей в отверстии гильзы, и, при сборке деталей обработанных таким методом, эти погрешности практически компенсируют друг друга.