Напряженное состояние контактного слоя прецизионного сопряжения при тепловой защите распылителя форсунки в дизеле

Введение. В направляющем прецизионном сопряжении распылителя форсунки дизеля изменение отклонения оси иглы от оси отверстия в корпусе приводит к появлению радиальной силы N, определяемой давлением топлива и площадью его воздействия на иглу. Она вызывает локальное уменьшение радиального зазора до непосредственного контакта микронеровностей поверхностей иглы и корпуса. Величина радиальной силы определяется уровнями теплового (температурой газов в цилиндре) и гидродинамического (давлением топлива) нагружения, т. е. режимом работы дизеля. Осевая (результирующая) сила, действующая на иглу, формируется силой Г_т давления топлива и усилием Тпр пружины форсунки.

Для оценки напряженного состояния контактного слоя прецизионного сопряжения интересно изменение радиальной силы N. Повышение температуры распылителя, например, при увеличении мощности дизеля, ухудшении условий охлаждения или отсутствии тепловой защиты распылителя приводит к изменению зазора и повышению утечек в сопряжении, увеличению давления впрыскивания топлива, геометрической площади его воздействия на направляющую иглы вследствие теплового расширения материала и, как следствие, к увеличению радиальной силы N. В этой связи уменьшение радиальной силы N в среднем до 13 % [1] возможно за счет снижения температуры, например, тепловой защиты распылителя в виде заградительного экранирования корпуса (рис. 1, б) [2].

Методика исследования. Анализ напряженного состояния контактного слоя с соответствующим распределением теплоты в направляющем сопряжении распылителя форсунки в дизеле 4ЧН15/20,5 (Р_е = 0,85 МПа, п = 1250 мин " ') при отсутствии и наличии тепловой защиты включал решение термопрочностной задачи, конструкция штатного распылителя и распылителя с тепловой защитой представлены на рис. 1. Оценка фактических напряжений в поверхностном слое вследствие различного при этом механического взаимодействия иглы и корпуса распылителя осуществлялась контактным анализом. Совместное решение термопрочностной и контактной задач позволяет оценить характер механического взаимодействия шероховатых поверхностей в условиях внешнего теплоподвода g_BH и генерации теплоты вследствие трения 2тр- Здесь использованы расчетная модель размерами 80x80 мкм и глубиной 7 мкм, реальный микрорельеф

а)

б)

Рис. 1. Конструкции исследуемых распылителей форсунки и силы, действующие на иглу: а - без тепловой защиты; б — с тепловой защитой шероховатости поверхностей иглы и корпуса, 8-узловые тепловые и механические конечные элементы и метод статического прочностного анализа контактного слоя. Для контактного анализа применялось «фрагментарное» моделирование (sub-modeling) контакта двух элементарных микронеровностей с увеличенным количеством элементов малых линейных размеров. Для оценки напряжений в контактном слое сопряжения использована уточненная модель контакта поверхностей (рис. 2) с размерами 4x4 мкм и глубиной 1,5 мкм. Контактная задача решена с использованием 10-узловых элементов для корпуса и иглы и 6-узловых элементов контактного слоя, что позволяет описать топографические особенности микрорельефа поверхностей контакта. «Сгущение» элементов в области контакта поверхностей обусловлено снижением линейных размеров для формирования пятна контакта приемлемой точности.

Осевая

Рис. 2. Схема распределения теплоты и нагружения контактного слоя (а), конечно-элементная модель (б) элементов контактного сопряжения «игла - корпус» распылителя: QBH - теплота рабочих газов, воспринимаемая корпусом распылителя; QTP - теплота трения; QT - теплота, отводимая топливом; QK — доля теплоты трения, поглощаемая корпусом; ОИГ - доля теплоты трения, поглощаемая иглой; ОФ - теплота, отводимая в корпус форсунки

Результаты термопрочностного анализа. На рассматриваемой модели поверхности контактного слоя корпуса распылителя можно достаточно четко выделить два пятна контакта. Распределение температурных эквивалентных напряжений ое, Па, по поверхности контактного слоя корпуса распылителя имеет многоочаговый и несимметричный характер, обусловленный размерами и расположением пятен контакта. Максимальные значения напряжений, наблюдаемые на пятнах контакта, вызваны повышенными градиентами температур на поверхности и в объеме элементов. Это объясняется особенностями микрорельефа контактирующих поверхностей, несимметричностью поверхностных и, как следствие, объемных нагрузок (рис. 3).

Рис. 3. Распределение термических эквивалентных напряжений в контактном слое корпуса распылителя: а - без тепловой защиты; б - с тепловой защитой

В зонах контакта градиенты температур многократно превышают аналогичные значения в периферийной части поверхности. Градиенты, поверхностные и объемные температуры рассматриваемой модели выше для распылителя без тепловой защиты. На номинальном режиме работы дизеля термические эквивалентные напряжения при упругом характере теплового деформирования в среднем выше на 25 % для иглы и корпуса в распылителе без тепловой защиты.

Результаты контактного анализа. Результаты представлены (рис. 4—6) распределением контактных давлений Р,, Па, нормальных сг_у, Па, и эквивалентных напряжений сг_е, Па, по поверхности и глубине направляющего сопряжения распылителя в дизеле 4ЧН15/20,5 (Р_е = 0,85 МПа, п = 1250 мин "'), а также изменением максимальных значений указанных показателей в зависимости от среднего эффективного давления Р„, МПа, (рис. 6) при п = 1250 мин ”¹.

Абсолютные значения контактных давлений несколько выше фактических давлений, определенных аналитическим методом. Аналитический подход не учитывает распределения давлений по поверхности пятна контакта, предполагая равенство высот микронеровности в пределах пятна.

о

I .836E+08

. 167Е+09

Л, Па

Рг, Па

Области максимальных

контактных давлений на пятне контакта

о

. 739Е+О8

. 148Е+09

.251Е+09

. 334Е+09

.418Е+09

.501Е+09

585Е+09

669Е+09

752Е+09

а)

.222Е+О9 .296Е+О9 .3705+09

.444Е+О9 , 517Е+О9 .591Е+09

.665Е-Ю9

Рис. 4. Распределение контактных давлений в пределах пятна контакта в сопряжении: а - без тепловой защиты; б - с тепловой защитой

Это позволяет определить только некоторые средние распределенные фактические давления при контактировании для различных относительных сближений поверхностей.

Распределение нормальных напряжений в контактном слое сопряжения при различных режимах нагружения дизеля представлено на рис. 5. Распределение нормальных напряжений сгу в сопряжении имеет «очаговый» характер с увеличением напряжений в области контакта. Формирование «сжатой» среды сферической формы происходит внутри областей с напряжениями растяжения вследствие сложного характера распределения напряжений при контакте элементов.

-.696Е+09

(Ту, Па

Области максимальных          <гу, Па нормальных напряжений

596Е+09

. 521Е+0Э

Рис. 5. Распределение нормальных напряжений в контактном слое сопряжения: а - без тепловой защиты; б — с тепловой защитой

- .4462+09

- .3702+09

-.2952+09

-.2202+09

- . 145Е+09

-.6992+08

.5232+07

.8042+08

Распределение эквивалентных напряжений оё, Па, в области контакта (рис. 6) подтверждает существование сжатого подслоя контактной поверхности, глубина которого зависит от механических свойств материалов элементов, уровня нагружения и режима смазывания трибоконтакта.

Рис. 6. Распределение эквивалентных напряжений в контактном слое сопряжения: а - без тепловой защиты; б — с тепловой защитой

Распределение эквивалентных напряжений по поверхности и в объеме элементов сопряжения характеризуется максимальными значениями эквивалентных напряжений в контактном подслое глубиной от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров в зависимости от уровня механической нагруженности.

Максимальные значения эквивалентных напряжений в контактном подслое увеличиваются с ростом среднего эффективного давления дизеля в соответствии с рис. 7. Изменение средних зна- чений нормальных напряжений в функции от среднего эффективного давления Ре дизеля в соответствии с рис. 7 имеет характер, адекватный характеру изменения нормальной (радиальной) силы N в зависимости от среднего эффективного давления. Максимальные значения нормальных напряжений не превышают пределов текучести для материалов иглы и корпуса распылителя.

Рис. 7. Изменение средних нормальных напряжений а, (а) и максимальных эквивалентных напряжений ае (6) в контакте в зависимости от среднего эффективного давления дизеля:

---- - без тепловой защиты; — - с тепловой защитой

Сравнительный анализ распределения нормальных напряжений в контактной зоне сопряжения «игла-корпус» по глубине элементов в соответствии с рис. 8 свидетельствует о снижении абсолютных значений указанных показателей для распылителя с тепловой защитой на всех режимах работы дизеля. Таким образом, использование экранирования как способа тепловой защиты распылителей форсунок оказывает влияние не только на тепловую (термические напряжения), но и на механическую (эквивалентные и нормальные напряжения) напряженность сопряжения «игла-корпус». Распределение эквивалентных и нормальных напряжений по глубине контактного слоя сопряжения имеет нелинейный характер. Это отражает особенности контактирования иглы и корпуса распылителя и формирования механических нагружений в области контакта.

Абсолютные значения эквивалентных напряжений по глубине контактного слоя характеризуются максимальными значениями в контактном подслое толщиной до 100 нанометров с последующим снижением указанных параметров и интенсивности их изменения для иглы и корпуса распылителя. Абсолютные значения нормальных напряжений по глубине элементов имеют максимальные значения непосредственно в области контакта, что объясняется снижением площади контактирования в направлении условного центра пятна контакта с постепенным снижением нормальных напряжений и интенсивности их изменения с увеличением расстояния от контактной поверхности.

Изменение градиента нормальных напряжений по глубине контактного слоя в соответствии с рис. 9 характеризует интенсивность механического нагружения контактного слоя элементов сопряжения «игла-корпус» распылителя. Распределение градиентов нормальных напряжений позволяет выявить границу области условной стабилизации интенсивности механического нагружения на глубине от 400 до 600 нанометров для исследуемых распылителей и режимов работы дизеля. Наибольшие значения градиентов нормальных напряжений doydft соответствуют наиболее тяжелым режимам нагружения, т. е. большей мощности дизеля.

Границу условной стабилизации интенсивности механического нагружения удобно использовать для оценки глубины деформированного материала, предполагая, что контактный слой с максимальной интенсивностью изменения механического нагружения имеет максимальные деформации в условиях упругого контакта. Увеличение указанной глубины с ростом радиальной силы в сопряжении наблюдается с повышением нагрузки дизеля.

В сопряжении «игла - корпус» распылителя при изменении нагрузки дизеля от Р_е = О до Р_е = 0,85 МПа радиальная сила увеличивается.

Рис. 8. Распределение нормальных оу напряжений по глубине h контактного слоя в направляющем сопряжении распылителя при различных режимах нагружения дизеля: а - без тепловой защиты, б - с тепловой защитой.

.......Ре = 0; -------Ре = 0,2 МПа; — Ре = 0,5 МПа; ---Ре = 0,85 МПа (дизель 4ЧН 15/20,5; л = 1250 мин ~1)

б)

Рис. 9. Распределение градиентов нормальных напряжений dc/dh по глубине h контактного слоя в направляющем сопряжении распылителя при различных режимах нагружения дизеля: а - без тепловой защиты, б - с тепловой защитой

.......Ре = 0; ------- Ре = 0,2 МПа; — Ре = 0,5 МПа; --- Ре = 0,85 МПа (дизель 4ЧН 15/20,5; л = 1250 мин ~¹)

Выводы. Результаты анализа контактных параметров в направляющем сопряжении распылителя в условиях механического нагружения позволяют оценить глубину материала, воспринимающего механическую нагрузку, как одного из ключевых и трудноопределимых показателей энергетической теории трения и изнашивания. Они свидетельствуют о снижении напряженности контактного слоя с применением тепловой защиты, обуславливающей уменьшение температуры распылителя. Параметры напряженного состояния контактного слоя с учетом тепловой защиты необходимы для аналитической оценки интенсивности изнашивания и ресурса прецизионного сопряжения распылителя форсунки.

Научная и финансовая поддержка. Представленная работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации в рамках Федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 20092013 гг.» и гранта РФФИ (код проекта 10-08-00424-а «Моделирование нестационарных процессов тепломассообмена в динамически нагруженных трибосопряжениях с учетом гидродинамического и граничного режимов трения»).