Диплом 23.04. (1 часть) (актуальная). Исследование безотказности форсунки высокофорсированного дизельного двигателя, разрабатываемой в процессе импортозамещения

• Название: Исследование безотказности форсунки высокофорсированного дизельного двигателя, разрабатываемой в процессе импортозамещения
• Анкор: Диплом 23.04.03
• Дата: 07.08.2022
• Размер: 1.74 Mb.
• Имя файла: (1 часть) (актуальная).docx
• Тип: Исследование; #641899
• страница: 4 из 6

2.2 Расчет безотказности разрабатываемой форсунки
Основные допущения, применяемые при расчете:

- расчет показателей безотказности проводится на основе экспоненциального закона распределения вероятности отказов, в соответствии с СТ ЦКБА 008 [22]

- в виду того, что в ТЗ требования к безотказности изделия заданы на один час наработки, то полное время работы агрегата принимается равным один час;

- вероятности отказов, представленные в таблице 3 заданы в соответствии с требованиями ТЗ на разработку форсунки для дизельного двигателя;

Таблица 3 – Вероятность отказов заданная в ТЗ

Наименование	Обозн.	Вероятность отказа по ТЗ, ч-1
Отказ, приводящий к выключению двигателя в работе или установлению режима, не соответствующего режиму работы	R21	10-6
Отказ, приводящий к невозможности запуска двигателя	R22	10-5
Отказ, приводящий к необходимости экстренного выключения двигателя	R23	10-6
Отказ, приводящий к невозможности выключения двигателя	R24	10-7

Продолжение таблицы 3

Отказ, приводящий к невозможности приема сигналов от смежных систем	R25	5∙10-6
Отказ, приводящий к выдаче в САУ двигателя ложной информации	R26	10-6
Примечание – Возникновение отказа (R24) и по отношению к рассматриваемому изделию является недопустимым, в связи с тем, что выключение двигателя осуществляется путем перекрытия топливоподачи по линии низкого давления. Выдача в САУ ложной информации (R26) исключена, ввиду отсутствия обратной связи изделия с САУ двигателя.

- время работы под нагрузкой элементов, формирующих отказ, принимается равным 1 час, время работы без нагрузки равно нулю:



- коэффициент увеличения интенсивности отказов является справочной величиной и соответствует следующим значениям:




С
хема, используемая при расчете изделия представлена на рисунке 11.

Рисунок 11 – Схема отказа

Отказ R_21-23 возникает при выходе из строя любого из элементов: R₃₁, R₃₃, R₃₅, R₃₆, R₃₈ или при выходе из строя всех элементов входящих в систему: R₃₂, R₃₄, R_37. Отказ R₂₅ формируется при отказе элементов R₃₆, R₃₈.

Причинами вызывающими возникновение отказов R_21-23,25 могут быть следующие явления:

- отсутствие возможности регулирования топливоподачи;

- течь топлива по корпусу форсунки,

- повышенные утечки топлива в дренаж;

- снижение давления начала впрыскивания,

- выброс выхлопных газов из стакана головки блока цилиндров.

Основные неисправности форсунки, способствующие указанным явлениям предствлены в таблице 4.

Таблица 4 – Характерные отказы форсунки приводящие к отказам R_{21-23, 25}

Отказ	Последствия
1. Неисправность цепи питания	В случае загрязнения или окисления контактов электропитания отсутствует связь форсунки с САУ, следовательно и возможность регулирования топливоподачи. Также к данной неисправности может привести обрыв обмотки катушки электромагнита, чаще всего вызванный ее перегревом. При перегреве нарушается качество изоляционного покрытия обмотки (происходит постепенное разрушение изоляционного лака) это ведёт к появлению короткозамкнутых витков, что способствует ещё большему нагреву катушки с последующим выходом её из строя.
2. Зависание иглы в корпусе распылителя	При зависании в открытом положении иглы распылителя увеличивается количество подаваемого топлива, нарушаются процессы сгорания. В процессе эксплуатации происходит проникновение горячих газов через сопловые отверстия внутрь корпуса распылителя, что создает благоприятные условия для осмоления рабочих поверхностей сопряжений и отложения кокса Зависание в закрытом положении иглы распылителя приводит к непоступлению топлива в камеру сгорания, в результате обороты коленчатого вала дизеля снижаются. Чаще всего причинами вызывающие данные отклонения является: нестабильная работа других систем двигателя, попадание инородных частиц или воды, что приводит к повышению температуры в цилиндре двигателя, к абразивному изнашиванию трущихся поверхностей, коррозии. Таким образом происходит заклинивание прецизионных пар: игла-корпус распылителя, поршень-клапан.

Продолжение таблицы 4

3. Разгерметизация резьбовых соединении	Потеря герметичности в резьбовых соединениях форсунки может привести к подтекам топлива. Учитывая, что в процессе эксплуатации на повышенных режимах работы двигателя, температура выпускного коллектора достигает более 500 ℃, а температура самовоспламенения дизельного топлива составляет 250-300 ℃, то при попадании топлива на выпускной коллектор происходит его воспламенение, что приводит к необходимости экстренного выключения двигателя.
4. Износ запорного узла	Прецизионная пара шарик-клапан, отвечающая за гидроплотность при сливе топлива в дренаж, оказывает значительное влияние на работоспособность топливной системы в целом. Механический износ запорного узла, приводит к повышенным утечкам топлива в дренаж, утечки, превышающие 50 см3/мин, одной из форсунок говорят о ее неисправности. Выход из строя более 3 форсунок вызывает снижение производительности ТНВД, что в свою очередь сказывается на суммарной мощности двигателя.
5. Приработка запорного конуса иглы и седла распылителя	Предельное состояние распылителя форсунки характеризуется нарушением герметичности по запирающему конусу вследствие чего не обеспечивается необходимое качество распыла топлива, тем самым форсунка начинает «лить», в результате чего происходит потеря мощности двигателя, отсутствует возможность перехода на необходимый режим работы.
6. Износ медной шайбы распылителя	Причиной износа медной шайбы может стать повышенная температура газов в цилиндре двигателя, вследствие чего происходит нагрев носика распылителя через который тепло передается к медной шайбе. В результате чего шайба теряет свои механические свойства и прогорает, происходит выброс выхлопных газов из стакана головки блока цилиндров.

Элементы изделия, участвующие в расчете, представлены на рисунке 12 с обозначениями согласно схеме отказа.



1 – игла распылителя (R₃₁), 2 – шайба распылителя (R₃₂), 3 – пара трения (R₃₃),
4 – пружина (R₃₄), 5 – запорный узел (R₃₅), 6 – контакты электропитания (R₃₆)
7 – резьбовое соединение (R₃₇), 8 – катушка электромагнита (R₃₈),

Рисунок 12 – Общий вид и составляющие элементы изделия.

Интенсивности отказов для элементов: шайба распылителя (R₃₂), пара трения (R₃₃), контакты электропитания (R₃₆), резьбовое соединение (R₃₇), катушка (R₃₈), установлены в соответствии с СТ ЦКБА 008 [22]. В связи с тем, что в
СТ ЦКБА 008 [22] отсутствуют данные по интенсивности отказов для пружины (R₃₃), то значения для указанной составной части изделия приняты в соответствии со справочными данными по условиям эксплуатации и характеристикам
надежности [21]. Значения интенсивности отказов рассчитываемых элементов указаны в таблице 5.

Таблица 5 – Средняя статистическая вероятность отказов

Наименование элемента	Обозначение по схеме отказов	Интенсивность отказов λ, ч-1	Количество
Шайба распылителя	R32	0,0056·10-6	1
Пара трения	R33	0,052·10-6	2
Пружина	R34	0,2·10-6	3
Контакты электропитания	R36	0,004·10-6	2
Резьбовое соединение	R37	0,02·10-6	3
Катушка электромагнита	R38	0,014·10-6	1

Информация о надежности узлов R₃₁ и R₃₅ отсутствует, в связи с этим вероятность безотказной работы данных элементов рассчитывается с помощью модели не превышения типа «нагрузка-прочность» по формуле (2.8):
(2.8)
где F (…) –функция нормального закона распределения;

φ_i – коэффициент запаса прочности;

K_RI, K_SI – коэффициенты вариации (принимаются равными K_RI=0,06, K_SI=0,2).

Коэффициент запаса прочности определяется по формуле (2.9):
(2.9)
где M_RI – предел текучести металла;

M_SI–максимальное расчетное напряжение.

Запорный узел R₃₅ представляет собой стальной шарик, изготавливаемый по ГОСТ 3722 [24] диаметром 1,3 мм со степенью точности G3. Минимальное значение твердости шарика после термической обработки, в соответствии с указанным размером, составляет 63 HRC по Роквеллу. Для определения предела прочности данного элемента необходимо воспользоваться сравнительной таблицей значений твердости, представленной на рисунке 13.



Рисунок 13 – Сравнительная таблица значений твердости

Для расчета принято максимальное значение предела прочности, указанное выдержке из стандарта, равное 2180 Н/мм² (2180 МПа), при твердости 57,8 HRC
(618 HB по Бринеллю). Предел текучести M_RI вычисляется по формуле (2.10), согласно данным [25]:
(2.10)
где HB–твердость по Бринеллю, МПа.

, МПа
В качестве максимального расчетного напряжения, воздействующего на узлы R₃₁, R₃₅ принято максимальное давление топлива в системе M_SI = 200 МПа. Таким образом коэффициент запаса прочности для узла R₃₅ равен:

Вероятность безотказной работы запорного узла(R₃₅):

Игла распылителя (R₃₁) изготовлена из стали Р6М5 ГОСТ 19265, согласно данным ГСССД 9 [26] предел текучести данной марки в состоянии поставки при комнатной температуре составляет 490 МПа. Следовательно, коэффициент запаса прочности для иглы распылителя (R₃₁) равен:

Вероятность безотказной работы иглы распылителя (R₃₁):

Интенсивность отказов для эля элементов (R₃₁), (R₃₅) определяется по формуле (2.11):
(2.11)

Пересчет справочных данных о средней статистической интенсивности отказов таблицы 4 в интенсивность отказов с учетом нагрузки проводится по формуле (2.1). Результаты поэлементного расчета интенсивности отказов с учетом нагрузки и количества однотипных элементов приведены в таблице 6.

Таблица 6 – Расчет интенсивности отказов с учетом нагрузки и количества однотипных элементов

Обозначение элемента по схеме отказов	Интенсивность отказов λ, ч-1	Коэффициент Увеличения интенсивности β(3j)	Интенсивность отказов для нагруженного элемента λ', ч-1
R32	0,0056·10-6	2	0,012·10-6
R33	0,052	5	0,52·10-6
R34	0,2·10-6	5	3·10-6
R36	0,004·10-6	5	0,04·10-6
R37	0,02·10-6	5	0,3·10-6
R38	0,014·10-6	5	0,07·10-6

Суммарная интенсивность отказов рассчитываемая по формуле (2.2) для нагруженных элементов составляет:

Наработка на отказ для применяемой экспоненциальной формы вероятности безотказной работы вычисляемая по формуле (2.4) составляет:

Вероятность безотказной работы в течение 1 часа для единичного
элемента, находящегося под постоянной нагрузкой, вычисляется по формуле (2.3). Результаты расчета вероятности безотказной работы для единичных элементов приведены в таблице 7.

Таблица 7 – Расчет вероятности безотказной работы на время 1 час

Обозначение элемента по схеме отказов	Интенсивность отказов для нагруженного элемента λ', ч-1	Вероятность безотказной работы P3i(t)
R32	0,012·10-6	0,9999999888
R33	0,52·10-6	0,99999948
R34	3·10-6	0,999997
R36	0,04·10-6	0,99999996
R37	0,3·10-6	0,9999997
R38	0,07·10-6	0,99999993

Вероятность P_21-23 безотказной работы в течение 1 часа для отказов
R_21-23 вычисляется по формуле (2.5) для последовательно-параллельного соединения:



Вероятность P₂₅ безотказной работы в течение 1 часа для отказа R₂₅ вычисляется по формуле (2.6) для последовательного соединения:

Вероятность отказа за наработку 1 час вычисляется по формуле (2.7):