Rational hardness ratio of fuel equipment parts under static loading

Full Text

Введение Обеспечение заданного ресурса деталей, работающих в контактном взаимодействии, требует определения рационального сочетания их твердостей. Вопросы определения оптимального сочетания твердостей контактируемых деталей довольно подробно рассмотрены в отношении пары «рельс - колесо» и освещены, в частности, в работах [1-3]. Известны также попытки анализа контактного взаимодействия деталей топливной аппаратуры, например изложенные в работе [4]. Авторы этой работы даже предлагают свои рекомендации относительно изменений конструкции контактирующих частей деталей. Они рассматривают контакт типа «конус по конусу», характерный для топливной аппаратуры разделенного типа, которая в настоящее время применяется в новых разработках сравнительно редко. В двигателях внутреннего сгорания, в первую очередь в топливной аппаратуре типа Common Rail, получило широкое распространение соединение, в котором контакт деталей осуществляется по схеме «сфера по конусу». Оно является разновидностью линзового и применяется, например, при подключении топливопроводов высокого давления (ТВД) к штуцерам форсунок, топливных аккумуляторов, насосов высокого давления. Обычно регламентируют моменты затяжки гаек ТВД и предельно допустимое разрешенное количество снятий-установок компонентов топливной аппаратуры на мотор и, соответственно, количество сборок-разборок соединений. Например, для двигателей ЯМЗ-6565 допустимый момент 28-32 Н⋅м, (2,8-3,2 кгс⋅м) при обязательной принудительной замене ТВД после трех снятий-установок [1]. Для двигателей КАМАЗ значения моментов затяжки гаек ТВД несколько иные: 24,5-44,1 Н.м (2,5-4,5 кгс⋅м) [2, с. 226]. Можно предположить, что рекомендации связаны с достижением деталями предельного состояния второй группы, что может проявиться, прежде всего, в потере герметичности соединения, течи топлива на горячие части двигателя и его последующем воспламенении. До настоящего времени российские двигатели с топливными системами типа Common Rail комплектуют ТВД иностранного производства. Серийный выпуск ТВД в России находится на начальной стадии и не покрывает всей потребности рынка. Топливные аккумуляторы отечественного производства использует только ПАО «КАМАЗ». Кроме того, в эксплуатации находится большое количество двигателей с установленными первоначально компонентами топливных систем иностранного производства. При техническом обслуживании могут быть установлены и будут устанавливаться запасные части, сделанные в России. ТВД, топливные аккумуляторы и штуцеры в России и за рубежом имеют отличительные конструктивные особенности, при их изготовлении применяются различные материалы; стальной прокат и технологии механические свойства, в том числе, твердость иностранных и отечественных деталей различаются между собой. Существует объективная необходимость в информации, касающейся характера деформирования поверхностей ТВД и контактирующих с ними конических поверхностей штуцеров форсунок, аккумуляторов, топливных насосов высокого давления российского производства. Цель исследований Исследование деформирования контактных поверхностей ТВД и штуцеров при различном сочетании твердостей в условиях статического нагружения при затяжке регламентируемыми моментами. Материалы и методы Оценку остаточной деформации деталей проводили по ширине кольцевого следа на конусе детали, контактирующей с ТВД. Для расширения диапазона проверяемых сочетаний твердостей контактирующих деталей изготовили имитаторы штуцеров и ТВД, имеющие значения твердости в диапазонах, более широких, чем указанные в чертежах реальных деталей. По конструкторской документации, штуцеры, контактирующие с ТВД, должны иметь угол конуса 60°+30’. Высаженная часть ТВД, серийно выпускаемых на Алтайском заводе прецизионных изделий, имеет в зоне контакта с ответной деталью криволинейный профиль. В продольном диаметральном сечении профиль ТВД в зоне контакта имеет форму сферы, а сам контакт, теоретически, осуществляется по линии - окружности ∅7,5 мм. Для удобства изложения далее слово «имитатор» опущено и используются слова «трубка» и «штуцер». Изготовленные детали прошли объемную термообработку и имели следующие фактические значения твердости, HRC: - трубки: 26,8; 33,1; 33,9; 37,0; 47,3; 48,2; - штуцеры: 24,7; 27,6; 31,4; 32,5; 40,9; 43,4. Выбор для изготовления вариантов исполнения по твердости обосновывали следующими соображениями. Твердость контактного профиля ТВД определяется, с одной стороны, твердостью трубного проката и, с другой стороны, степенью деформации высаживаемой части, то есть конструктивными особенностями. В металлографической лаборатории Алтайского завода прецизионных изделий были выполнены измерения твердости в продольном сечении ТВД различного производства в районе запорного диаметра. Результаты представлены в табл. 1. Все варианты ТВД из табл. 1 имели криволинейный продольный профиль. Условно считая влияние конструктивных отличий (исходную величину кривизны профиля в зоне контакта, линейные размеры и т.д.) незначительным, можно связывать отличия в твердостях профиля только с механическими свойствами стального проката. Термообработка ТВД после высадки не производится. Ответной контактной поверхностью для высаженной части ТВД являются конические поверхности штуцеров, выполненных как в виде отдельных деталей, например, для топливных форсунок, так и заодно с топливными аккумуляторами, секциями топливных насосов. Типичная термообработка - улучшение или нормализация. При этом твердость считается одинаковой по всему объему детали. В табл. 2 приведены сочетания твердостей штуцеров форсунок и аккумуляторов российского и иностранного производства. Для всех деталей, перечисленных в табл. 2, номинальное значение угла конуса для установки высаженной части ТВД составляет 60°. Механическую обработку трубок и штуцеров для испытаний проводили по серийной технологии с обеспечением соответствующих параметров микрогеометрии поверхностей. Во время испытаний прижатие трубки к штуцеру осуществляли затяжкой серийной гайки ТВД с резьбой М14×1,5. В топливной аппаратуре от покрытия в обязательном порядке предохраняют поверхности, непосредственно омываемые топливом. Это объясняется необходимостью предотвращения попадания в прецизионные зазоры частиц покрытия. Кроме того, по условиям технологии производства, как правило, не имеют покрытия резьбовые штуцеры аккумуляторов высокого давления. Штуцеры форсунок оксидируют или фосфатируют. Изготовленные трубки и штуцеры были без покрытия. Гайка ТВД имела покрытие Ц6хр., включая резьбу. Затяжку выполняли по сухой резьбе. Перед выполнением работ образцы сгруппировали попарно. На первом этапе проводили оценку остаточной (пластической) деформации после однократной затяжки регламентированным моментом - минимальным и максимальным - по рекомендациям специалистов ПАО «КАМАЗ», то есть 2,5 кгс⋅м и 4,5 кгс⋅м. В табл. 3 приведены сгруппированные образцы и моменты затяжки. Для второго этапа испытаний сформировали новую выборку образцов из неработавших деталей (см. табл. 4). Как видно из табл. 4, для испытаний были подобраны следующие сочетания: самый мягкий штуцер - самая твердая трубка, две пары с близкой твердостью (вариант с более твердой трубкой и вариант с более твердым штуцером), самый твердый штуцер - самая мягкая трубка. Образцы трубок и штуцеров подвергали трехкратной затяжке с промежуточной выдержкой между окончанием затяжки и страгиванием продолжительностью 10 с. Перед проведением и после завершения работ на всех имитаторах были записаны профиллограммы поверхностей в зоне контакта. При этом на детали вне зоны контакта, но вблизи от нее наносили продольную маркировочную метку, в направлении которой впоследствии записывали профилограммы. Была сделана попытка определения глубины и кривизны зоны деформации - отпечатка на конусе штуцера без выполнения шлифа, как операции относительно трудоемкой. Штуцер устанавливали на координатно-измерительную машину. Касанием наконечника щупа в нескольких точках как вне, так и непосредственно на пояске контакта был построен виртуальный профиль конической поверхности. Результаты и обсуждение Для всех вариантов полученные следы от контакта имели форму круговых колец шириной до 0,3 мм при затяжке моментом М = 2,5 кгс·м и до 0,8 мм при затяжке моментом М = 4,5 кгс·м. Наибольшая ширина кольцевого пояска на конусе штуцера - 1,1 мм - зафиксирована для соотношения «твердость трубки / твердость штуцера» = 47,3/27,6 при моменте затяжки М = 4,5 кгс·м. На рис. 1 и 2 показаны фотографии шлифов трубки и штуцера указанного варианта сочетаний твердости. Замеренная по шлифу радиальная деформация профиля конуса штуцера составила 0,05 мм. В табл. 5 приведены результаты измерений шероховатости и ширины кольцевых поясков - следов контакта. На рис. 2-5 приведены фотографии штуцеров и трубок после нагружения для разных сочетаний твердостей деталей. Кривизну отпечатка в зоне максимальной деформации определить не удалось. Его глубина по результатам измерений составила 0,031 мм. Наименьшая ширина следа контакта трубки и штуцера при максимальном допустимом моменте затяжки получена при сочетании твердостей деталей: трубка - 33,9 HRC, штуцер - 31,4. При этом соотношение «твердость ТВД / твердость штуцера» составляло приблизительно 1,08. В условиях эксплуатации при наличии вибраций на работающем двигателе, несмотря на постоянство контакта ТВД и штуцера, деформирование будет происходить более интенсивно. Соединение будет испытывать ассиметричное знакопостоянное нагружение, что приведет к более быстрому деформированию взаимодействующих поверхностей. В качестве не столь далекой аналогии может быть упомянут работающий перфоратор или отбойный молоток, постоянно прижатый к обрабатываемой поверхности. Неизбежное технологическое рассеяние твердости при термообработке штуцеров и поковок аккумуляторов учитывается посредством указания в документации интервала задаваемых значений твердостей. Твердость высаженного профиля ТВД есть параметр более прогнозируемый и стабильный. Определяющую роль играют механические свойства стального трубного проката и степень деформации заготовки при высадке. Свойства проката непосредственно связаны с прочностными требованиями, предъявляемыми к ТВД, то есть зависят от давления в топливной системе. Именно твердость высаженной части ТВД должна служить реперным показателем, относительно которого необходимо выполнять подбор характеристик ответных деталей. В табл. 6 приведены значения отношения твердости штуцеров к твердости трубок, рассчитанные по данным табл. 1 и 2. Несоответствие значений можно объяснить, в частности, разными взглядами разработчиков на то, какой компонент топливной системы целесообразнее заменять чаще. Очевидно, что, если соотношение твердостей трубки и штуцера меньше единицы, то в большей степени деформироваться будет трубка и ее придется заменять. В качестве примера можно рассмотреть, в частности, пару ТВД производства фирмы Poppe und Potthoff GmbH - штуцер электроуправляемой форсунки производства R. Bosch GmbH». Эта пара используется на двигателях ЯМЗ-6565. Соотношение твердостей равно 0,89, и это хорошо коррелирует с рекомендациями ПАО «Автодизель» о принудительной замене ТВД после трехкратного снятия-установки. Из табл. 6 видно, что все указанные в ней ТВД будут деформироваться при установке на электроуправляемые форсунки R. Bosch. С точки зрения потребителя, это может быть оправдано: замена форсунки - операция более дорогостоящая, чем замена ТВД. В то же время ТВД производства Shandong Longhou Oil Pipe Co., Ltd. и Guide GmbH заметно тверже, чем аккумуляторы производства R. Bosch GmbH и Кузнечного завода ПАО «КАМАЗ». В качестве возможного объяснения можно предложить следующее. Фирма R. Bosch GmbH в настоящее время является основным поставщиком топливной аппаратуры типа Common Rail для двигателей ПАО «КАМАЗ». При этом, что очень важно, она не выпускает ТВД. Поставщик ТВД - компания Guido GmbH. R. Bosch GmbH, естественно, заинтересована в развитии рынка запасных частей собственного производства, в частности аккумуляторов. К тому же более мягкие аккумуляторы обрабатывать легче. Можно предположить, что фирма сознательно проводит политику принуждения потребителей к замене своих компонентов и, соответственно, к приобретению новых. Электроуправляемая форсунка - более сложный и, соответственно, чаще заменяемый компонент топливной системы, чем аккумулятор. Можно предположить некий компромисс: ТВД выходят из строя на форсунках, но одновременно «портят» аккумуляторы. В итоге потребитель все равно заменяет и ТВД, и форсунки, и аккумуляторы - все в свое время, и все, вроде бы, довольны. ПАО «КАМАЗ» выступает точно в такой же роли, будучи заинтересованным в производстве поковок аккумуляторов. Безусловно, такое утверждение чревато судебным риском со стороны производителя, но как предположение, имеет право на существование. Поставщики ТВД более связаны в своих действиях, поскольку, как говорилось выше, твердость высаженного профиля является функцией механических свойств трубного проката и степени деформации заготовки при высадке. Выводы Наиболее твердыми из рассмотренных оказались ТВД производства фирмы Guido GmbH, наиболее мягкими - производства ОАО «ПНТЗ». Это может быть объяснено применением разных марок сталей для изготовления проката. Сплав, используемый фирмой Guido GmbH, - сталь St70bk. Первоуральский завод применяет стали типа 17ГС с меньшим содержанием углерода, обеспечивая при этом заданный уровень механических свойств: предела прочности и текучести. Вопрос об оптимальности соотношения твердости контактирующих деталей топливной аппаратуры должен ставиться и решаться исходя из предпочтительности замены того или иного компонента. Судя по практически применяемым диапазонам твердостей деталей, изготовители компонентов топливной аппаратуры руководствуются именно этими соображениями. Таблица ١ Твердость в продольном сечении в районе запорного диаметра Топливопровод высокого давления Твердость на глубине 0,10-0,25 мм от наружной поверхности, HRC Изготовитель: Guido GmbH Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» 33,0 Изготовитель: Shandong Longkou Oil Pipe Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» 29,5 Изготовитель: прокат - ОАО «ПНТЗ», ТВД - ООО УК «АЗПИ» Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» 26,4 Изготовитель: прокат - Poppe und Potthoff GmbH ТВД - ООО УК «АЗПИ». Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» 30,5 Таблица ٢ Твердость штуцеров и топливных аккумуляторов Деталь Твердость Ввертной штуцер секции высокого давления. Изготовитель: ООО УК «АЗПИ». Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» 27…32 HRC Штуцер секции высокого давления (изготавливается заодно с секцией). Изготовитель: ООО УК «АЗПИ». Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» 40…45 HRC Топливный аккумулятор. Поковка: Кузнечный завод «КАМАЗ». Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» 235…277 HB Топливный аккумулятор. Поковка: Bosch GmbH. Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» ≤250 HB Штуцер электроуправляемой форсунки. Изготовитель: ООО УК «АЗПИ». Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» 27…32 HRC Штуцер форсунки. Изготовитель: Bosch GmbH. Применение: двигатели ПАО «КАМАЗ» 34,2 HRC Таблица ٣ Группировка трубок и штуцеров по твердости (HRC) и моментам затяжки М (кгс⋅м) для испытаний на однократное нагружение 24,7 Штуцер, HRC 27,6 31,4 32,5 40,9 43,4 Трубка, HRC 26,8 ● М = 2,5 26,8 ● М = 4,5 33,1 ● М = 4,5 33,9 ● М = 2,5 47,3 ● М = 4,5 48,2 ● М = 2,5 Таблица ٤ Группировка трубок и штуцеров по твердости (HRC) для испытаний на трехкратное нагружение моментом М = ٤,٥ кгс⋅м 27,6 Штуцер, HRC 31,4 40,9 43,4 Трубка, HRC 26,8 ● 33,9 ● 37,0 ● 48,2 ● Таблица ٥ Изменение характерных параметров поверхности в зоне контакта № пары Твердость деталей испытуемой пары, HRC Характерный параметр Трубка Штуцер До нагружения После нагружения До нагружения После нагружения 1 Трубка 26,8 Штуцер 43,4 Шероховатость, мкм: Ra Rz 1,115 5,501 2,009 11,443 0,305 1,580 1,643 8,463 Ширина кольцевого пояска контакта, мм 1,8 2 Трубка 33,9 Штуцер 31,4 Шероховатость, мкм: Ra Rz 1,606 6,454 0,637 2,633 2,292 11,578 1,086 6,055 Ширина кольцевого пояска контакта, мм 0,7-0,8 3 Трубка 37,0 Штуцер 40,9 Шероховатость, мкм: Ra Rz 0,574 2,629 0,200 0,911 2,169 12,190 0,885 4,933 Ширина кольцевого пояска контакта, мм 0,8-0,9 4 Трубка 48,2 Штуцер 27,6 Шероховатость, мкм: Ra Rz 0,564 2,583 0,592 2,656 3,470 18,116 1,438 8,580 Ширина кольцевого пояска контакта, мм 0,9 Рис. 1. Деформация продольного профиля конуса штуцера Рис. 2. Трубка и штуцер пары № 1 Рис. 3. Трубка и штуцер пары № 2 Рис. 4. Трубка и штуцер пары № 3 Рис. 5. Трубка и штуцер пары № 4 Таблица ٦ Практические соотношения твердостей компонентов топливной аппаратуры Common Rail Штуцер (место в топливной системе) Трубка ООО УК «АЗПИ» SHANDONG LONGKOU Oil Pipe Co., Ltd. Guide GmbH Poppe und Potthoff GmbH Ввертной штуцер ТНВД. Изготовитель: ООО УК «АЗПИ» 0,83…0,98 0,92…1,09 1,03…1,22 0,95…1,16 Штуцер ТНВД (изготавливается заодно с секцией). Изготовитель: ООО УК № АЗПИ» 0,59…0,66 0,66…0,74 0,72…0,83 0,68…0,76 Топливный аккумулятор. Поковка: Кузнечный завод «КАМАЗ» 0,99…1,17 1,06…1,26 1,15…1,36 1,08…1,28 Топливный аккумулятор. Поковка: Bosch GmbH ≥1,1 ≥1,18 ≥1,28 ≥1,2 Штуцер электроуправляемой форсунки. Изготовитель: ООО УК «АЗПИ» 0,83…0,98 0,92…1,09 1,03…1,22 0,95…1,13 Штуцер форсунки. Изготовитель: R. Bosch GmbH

About the authors

V. O Sveshchinskij

LLC management company «Altai Plant of Precision Products»

Email: sveschinsky@yandex.ru
PhD in Engineering Barnaul, Russia

S. P Bobrov

LLC management company «Altai Plant of Precision Products»

Email: sveschinsky@yandex.ru
Barnaul, Russia

References

Supplementary files