Введение. Топливная аппаратура – одна из важнейших составных частей системы питания дизеля. Она предназначена для обеспечения нормального питания топливом на различных режимах работы. От степени совершенства топливной аппаратуры и ее технического состояния в процессе эксплуатации зависят показатели рабочего процесса дизеля, его надежность, а также эксплуатационные характеристики [1, 2, 3].Работа топливной аппаратуры определяет основные мощностные и экономические показатели дизеля, его надежность, долговечность и стабильность параметров, удельные весовые и объемные характеристики, уровень создаваемого шума, а также токсичность и дымность отработавших газов [4, 5].Работу топливной аппаратуры дизелей, а также совершенство конструкции ее сборочных единиц и агрегатов оценивают сопоставлением наиболее характерных параметров подачи топлива. К их числу обычно относят угол опережения подачи топлива; продолжительность подачи; продолжительность разгрузки; характеристику впрыска (закон подачи); давление подачи и цикловую подачу [6, 7, 8].Параметры процесса топливоподачи: давление и продолжительность впрыска, угол опережения впрыска обычно выбираются, исходя из обеспечения требуемых показателей работы дизеля на максимальном скоростном режиме при полной подаче топлива [9].Оптимизация характеристик впрыска в широком поле режимов работы позволяет улучшить топливную экономичность дизеля на 2…7%.С целью оптимизации угла опережения впрыска с изменением скоростного режима применяют автоматические муфты, которые устанавливают на дизели с максимальной частотой вращения коленчатого вала nд > 1800…2000 об/мин [10].Автоматическая муфта опережения впрыска топлива изменяет начало подачи топлива в зависимости от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Применение муфты обеспечивает оптимальное для рабочего процесса начало подачи топлива по всему диапазону скоростных режимов, чем достигается необходимая экономичность и приемлемая жесткость процесса в различных скоростных режимах работы двигателя. Оптимальный угол опережения обычно выбирают на номинальном скоростном режиме и поэтому несоответствие угла опережения впрыска остальным скоростным режимам при отсутствии муфты приводит к ухудшению энергетических и экономических показателей, повышению дымности и токсичности отработавших газов, возрастанию максимальных давлений и жесткости процесса сгорания, повышению шумности работы [11, 12].В большинстве дизелей муфта опережения впрыска топлива представляет собой обособленный механизм, который крепится на переднем конце кулачкового вала топливного насоса высокого давления. Корпус муфты заполняют моторным маслом. После 6000 ч работы муфта должна быть проверена и заправлена свежим маслом. Основной диагностический параметр для муфты опережения впрыска топлива – угол опережения подачи топлива. При потере работоспособности муфта, как правило, не поддерживает угол опережения в заданных пределах. При ее эксплуатации будут наблюдаться повышенные дымность отработавших газов, жесткость работы, расход топлива. Основной дефект муфты опережения впрыска топлива – нарушение герметичности и утечка масла из полости муфты, что приводит к износу и разрушению ее деталей, изменению рабочих параметров. Износу подвержены рабочие поверхности ведущей и ведомой полумуфт, втулки ведущей полумуфты, осей грузов и самих грузов. В большинстве своем, эти детали подлежат восстановлению [13, 14, 15]. Как и всякая сборочная единица, имеющая в своем составе подвижные соединения в процессе ремонта муфта должна подвергаться обкатке и испытанию с целью приработки вновь образованных и восстановленных пар трения и определения ее скоростных характеристик.Применяемая на ремонтных предприятиях технология обкатки топливного насоса и муфты опережения впрыска топлива обеспечивает удовлетворительную приработку сопряжений только после 55…100 мин непрерывного прокручивания вала насоса, осуществляемого на неприспособленном для этого серийном регулировочном стенде. Цель исследований – разработка устройства, обеспечивающего равнопеременную угловую скорость ведомой полумуфты муфты опережения впрыска топлива.Условия, материалы и методы. Результаты экспериментального определения характеристики муфты опережения впрыска топлива на безмоторных стендах [16] свидетельствуют, что ее можно представить в виде линейной зависимости угла разворота полумуфт от частоты вращения кулачкового вала топливного насоса:                                                       (1)где  – угол разворота ведомой полумуфты, град.; G – обобщенный показатель чувствительности муфты к изменению частоты вращения;  (безразмерная величина).Чувствительность муфты зависит не только от жесткости ее пру­жины, но и от усилия сжатия пружины, а также коэффициента трения в подвижных сопряжениях. Свободный член уравнения (1) определяет «холостую» зону скоростной характеристики, когда при увеличении частоты вращения до некоторого предела не происходит раскрытия грузов и разворота ведомой полумуфты, относительно ведущей, из-за предварительного сжатия пружины и трения покоя в сопряжениях [17]. Очевидно, что начало действия муфты может быть изменено регулировкой предварительного сжатия пружины. При этом в рабочей зоне ее чувствительность не должна изменяться, а линия скоростной характеристики будет перемещаться вправо или влево параллельно себе.Согласно техническим требованиям на испытание автоматических муфт задается их нормативная характеристика, которую определяют значения угла разворота полумуфты на номинальном скоростном режиме и режиме максимального крутящего момента двигателя, а также указывается допуск на угол разворота (табл. 1). С использованием этих данных были построены графики нормативных характеристик серийных муфт (рис. 1). Они позволяют рассчитывать желаемую чувствительность муфты и ее отклонения, сравнивать между собой различные муфты, выбирать параметры при­вода стенда для испытания муфт и устройства для измерения разворота полумуфт, оценивать зависимости между изменением предварительной деформации пружины и начала действия муфты.Чувствительность муфты рассчитывается по формуле:                                                    (2)где – угол разворота на номинальном режиме, град.; – угол разворота на режиме максимального крутящего момента, град.; – номинальная частота вращения вала привода, с-1; – частота вращения на режиме максимального крутящего момента, с-1. Таблица 1 – Нормативные характеристики некоторых муфт опережения впрыска топливаТип муфтыСкоростной режим, с-1Угол разворота, град.СМД-6216,67±0,17*12,50±0,83 6…5**2±1Д-144 и Д-16020,00±0,1710,83±0,837±0,52±1ЯМЗ-240Н17,50±0,1710,83±0,177±0,53±1ЯМЗ-240Б15,83±0,177,50±0,176,5±0,52±1*первое значение – частота вращения коленчатого вала на номинальном режиме, с-1, второе – частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, с-1;**первое значение – угол разворота ведомой полумуфты на номинальном режиме, град., второе значение – угол разворота ведомой полумуфты на режиме максимального крутящего момента, град.Подставив в формулу (2) нормативные значения Θ и ω и их отклонения в пределах поля допуска, можно получить соответствующие значения чувствительности. Допустимая неравномерность чувствительности муфт рассчитывается по зависимости:                                               (3)где Gниж, Gверх – нижние и верхнее значение чувствительности муфты опережения впрыска топлива, град/с-1; Gнорм – нормативное значение чувствительности муфты опережения впрыска топлива, град/с-1.Результаты расчетов по формулам (2) и (3) свидетельствуют, что чувствительности серийных муфт различаются между собой и более строгие нормы установлены на харак­теристики муфт двигателей Д-144 и Д-160 (табл. 2). Поле характеристики муфты СМД-62 не пол­ностью перекрывается характеристикой двигателя Д-160 (см. рис. 1), а это осложняет их взаимозаменяемость, хотя известно, что такие муфты используют на насосе НД-22. Большие колебания нормативной и допустимой чувствительности, с одной стороны, облегчают ремонт муфт, с другой, требуют более тщательной проверки отдельных пружин на жесткость и использование большего числа регулировочных прокладок. Принципиально аналогичные выводы можно сделать и в отношении муфт ЯМЗ-240.  Рис. 1 – Нормативные характеристики муфт опережения впрыска топлива. Свободный член уравнения (1) можно найти путем подстановки нормальных и допустимых значений Θ на номинальном режиме:                                (4)Расчеты по формуле (4) показывают, что технические требования допускают значительное варьирование  (см. табл. 2). Интервал варьирования  можно также рассматривать как косвенную характеристику предварительного сжатия пружины муфты. Следовательно, у СМД-62 оно может быть значительно больше рабочей деформации пружины на номинальном скоростном режиме, что не рационально. Целесообразно ужесточить допуски на нормативную характеристику муфты СМД-62. Предварительный натяг пружины муфты Д-144 и Д-160 меньше их рабочей деформации. Угол мнимого начала разворота полумуфт ЯМЗ-240 меньше соответствующих характеристик муфт СМД-62 и Д-144.Результаты экспериментального определения характеристик муфты СМД-62 свидетельствуют, что при изменении предварительного сжатия пружины на 0,20 мм на скоростном режиме 16,67 с-1 угол разворота полу­муфт отклоняется примерно на 1°, то есть при допустимом изменении  от 6° до 15° варьирование предварительного сжа­тия пружины может достигать 1,80 мм, это значит, что на сборку будут поступать пружины с большими изменениями свободной длины и упругости. В соответствии с рабочим чертежом пружины муфты СМД-62 ее жесткость может варьировать в интервале 68,8...82,0 Н/мм. Таблица 2 – Нормативные характеристики муфт опережения впрыска топливаПараметр муфтыТип муфтыВерхнееНижнееНормативноеНеравномер-ность, %Чувствительность, град/с-1СМД-62Д-144 и Д-160ЯМЗ-240 и ЯМЗ-240НЯМЗ-240Б0,7190,4910,5250,4801,1980,6590,6750,6000,9590,5450,6000,54049,930,821,422,2 Угол начала мнимого разворота, град.СМД-62Д-144 и Д-160ЯМЗ-240 и ЯМЗ-240НЯМЗ-240Б6,02,321,680,614,996,685,313,59,993,93,52,1----Начало действия, с-1СМД-62Д-144 и Д-160ЯМЗ-240 и ЯМЗ-240НЯМЗ-240Б8,344,723,201,25-22,28*---2,0------*частота вращения муфты, при которой угол разворота полумуфты равен 8°. Начало действия муфты определим из условия Θ = 0, для этого формулу (1) перепишем в следующем виде:                                              (5)                                              (6)где  – максимальное значение угла разворота полумуфт, принятое в расчетах равным 8°.Результаты анализа характеристик известных серийных МОВТ свидетельствуют, что для расчетов по формуле (5) нижнего предела частоты вращения вала привода специализированного стенда следует принять характеристику чувствительности муфты ЯМЗ-240Б, а для расчета верхнего предела - нижнюю характеристику чувствительности муфты Д-144. Для получения полной скоростной характеристики муфты необходимо, чтобы частота вращения вала привода плавно изменялась хотя бы в пределах 1,25...22,28 с-1 (см. табл. 2). Однако целесообраз­но предусмотреть плавное регулирование частоты вращения в диа­пазоне 0...25 с-1. При этом возможно использование двухступенча­той передачи: 0...7 и 7…25 с-1. Цифровое табло с тремя регистра­ми позволит измерить частоту вращения с точностью 0,1 с-1 (или 6,0 мин-1). Оптимальные пределы регистрации угла разворота муфты находятся в диапазоне 0,0...10,0°. Обследование муфт опережения впрыска топлива на ремонтных предприятиях показывает, что им уделяется недостаточное внимание. Ремонтные работы ограничиваются, как правило, мойкой и заменой деталей. Регулировочные прокладки устанавливают по интуиции, без последующей проверки угла разворота полумуфт. Иногда допускается затягивание пружин до соприкосновения витков. Это связано, во-первых, со слабой подготовленностью персонала, во-вторых, с отсутствием на ремонтных предприятиях специализированных стендов и оснастки, а также с недостаточной разработанностью методики испытания муфт применительно к условиям ремонтных предприятий сельского хозяйства.Исследования методов испытания МОВТ, проведенные нами в 2021 г. в ЗАО ПФ «Чебоксарскагропромтехсервис» (ООО «Ремдизель»), позволяют наметить дальнейшие пути совершенствования этого технологического процесса и устройств для его осуществления. В частности, представляется целесообразным для имитации реальных условий работы муфты на двигателе подвергать ее при испытании воздействию искусственно созданных крутильных колебаний вала привода. Такой подход эффективен и при обкатке муфт, поскольку значительно ускоряет период приработки сопряжений. Использование цифровых индикаторов для регистрации исследуемых величин более удобно, нежели использование аналоговых устройств, так как они более информативны и не допускают искажения полученных результатов. Непременными условиями испытания должны быть измерение угла разворота в момент впрыска топлива через форсунки, изменение частоты вращения вала привода при испытаниях только в сторону возрастания. В случае нарушения последнего условия проявляется гистерезис муфты, и угол разворота может быть определен с ошибкой более чем на 1°, что соизмеримо с допуском по техническим условиям. Следует так же отметить, что правильнее измерять в процессе испытания угол разворота полумуфт, поскольку при измерении угла впрыска топлива необходимо выделять составляющую, связанную с изменением частоты вращения вала привода, а это достаточно сложно.Используемые сейчас методы и стенды, которые обеспечивают в процессе обкатки и испытания изменение только частоты вращения кулачкового вала привода ТНВД и, соответственно, МОВТ, отличаются высокой трудоемкостью и низкой эффективностью, так как не обеспечивают в процессе обкатки создание необходимых колебательных движений элементов самой муфты и, как следствие, не создают требуемых условий для приработки ее деталей [18, 19]. На основе анализа конструктивных особенностей и рабочих характеристик серийных муфт, нами разработана структурная схема специализированного испытания муфт опережения впрыска топлива, которая может   быть   использована при создании стендов для их обкатки и испытания (рис. 2). Рис. 2 – Структурная схема специализированного испытания муфт опережения впрыска топлива: БП – тиристорный блок питания, ПН – подкачивающий насос, Б – топливный бак, ЭД – электро­двигатель, ПМ – передаточный механизм, М – испытуемая муф­та, ТН – топливный насос высокого   давления, Т – тахометр, ВКК – возбудитель крутильных колебаний, ПС – приемник сиг­налов разворота полумуфт, ФР – форсунки, ИУР – измеритель угла разворота (сплошными линиями указаны функциональные связи, пунктирными – обратные связи с валом привода). Результаты и обсуждение. Устройства, в которых для повышения производительности испытания МОВТ, используют регулируемый привод ведомого элемента муфты и измерительные устройства с датчиками углового положения ведомого и ведущего элементов муфты, а также устройства, содержащие в конструкции привода муфты механические возбудители крутильных колебаний ведомой полумуфты, характеризуются сложностью конструктивного исполнения и настройки, нерациональным соотношением размеров составных частей элементов привода возбудителя крутильных колебаний муфты, необоснованно увеличивающим их размеры [20]. Поэтому для устранения перечисленных недостатков было разработано устройство, состоящее из приводного механизма с механическим возбудителем крутильных колебаний, выполненным в виде программирующей шайбы и кулачкового механизма для сообщения ведомому полувалу необходимой амплитуды и обеспечивающего возбуждение крутильных колебаний элементов испытываемой МОВТ (рис. 3).Основные параметры, определяющие габаритные размеры возбудителя крутильных колебаний устройства для обкатки и испытания МОВТ: Ra – радиус окружности впадин программирующей шайбы 7, ρ – радиус роликов 2 и 3 толкателя 1, rп – радиус ведомого полувала 4, lт – длина толкателя 1 и Smax – величина замыкающего звена размерной цепи в момент нахождения толкателя 1 в ВМТ (рис. 3 а). Результаты анализа работы возбудителя крутильных колебаний свидетельствуют, что для работы рассматриваемой схемы (см. рис. 3 в) и обеспечения заданной амплитуды колебаний необходимо соблюдение ряда условий: в положении НМТ (рис. 3 б) должно выполняться условие Smin≥0, предотвращающее заклинивание и повреждение механизма; высота hк кулачка программирующей шайбы 7 должна соответствовать условиям hк≤S и hк≤ 2ρ, при этом ход толкателей 1 и, следовательно, высота hк кулачка программирующей шайбы 7 (hк = Rа – Rв, где Rв – радиус окружности вершины кулачков см. рис. 3 а) зависит от величины S, то есть hк≤Smax. а)б) в)))                                                                                                           Рис. 3 – Кулачковый механизм возбудителя крутильных колебаний: а – положение верхняя мертвая точка (ВМТ); б – положение  нижняя мертвая точка (НМТ); в – промежуточное положение толкателей; 1 – толкатель; 2, 3 – ролик; 4 – ведомый полувал; 5 – лопатки; 6 – упругий элемент; 7 – программирующая шайба; Ra – радиус окружности впадин программирующей шайбы 7, мм; ρ – радиус роликов 2 и 3 толкателя 1, мм; rп – радиус ведомого полувала 4, мм; lт – длина толкателя 1, мм; Smax – величина замыкающего звена размерной цепи в момент нахождения толкателя 1 в ВМТ, мм; S = h – ход толкателя, мм; ω – угловая скорость вращения испытываемой муфты, с-1; ψ – угловая координата ведомой полумуфты, град.; d – направление движения вниз центра О1 ролика 3; Р – направление поворота ведомого полувала 4 под воздействием ролика 3. При положении толкателя в НМТ (рис. 3 б) его длинна определяется геометрически как два радиуса роликов ρ, а размеры ρ и Rа могут быть установлены из условия обеспечения необходимой контактной прочности или приняты по аналогии с кулачковыми механизмами таких же устройств или дизельной топливной аппаратуры, радиус rп ведомого полувала определяют диапазон посадочных размеров ведущей полумуфты на вал регулятора и значение передаваемого им момента. Ход толкателя должен задавать такие значения амплитуды крутильных колебаний ведомого полувала испытываемой МОВТ и динамику режимов ее обкатки, при которых гарантированно покрывались бы рабочие диапазоны углов разворота полумуфт, что в свою очередь обеспечивает необходимое взаимодействие и приработку ее элементов. Однако выбор габаритных размеров возбудителя крутильных колебаний, хода толкателя и высоты кулачков программирующей шайбы не имеет определенности и поэтому требует разработки специального критерия [21].При промежуточном положении толкателя между ВМТ и НМТ (рисунок 3 в) остаточная величина опускания ролика 3 до соприкосновения с поверхностью ведомого полувала в точке А равен S. Такому положению толкателя и величине S соответствует угловая координата полувала  ψ. Из рассматриваемой схемы (рис. 3 в) видно, что:                                                       (7) В промежуточном положении толкателя величина S соответствует его свободному ходу в пределах высоты hк кулачка программирующей шайбы 7, поэтому hк = S или:                                                                           (8)                                      Величина ξк в таком случае – безразмерная характеристика (параметр) кулачкового механизма возбудителя крутильных колебаний устройства, оптимальная величина которой может быть использована для выбора высоты кулачка программирующей шайбы hк при заданных значениях радиуса ролика толкателя ρ и радиуса ведомого полувала rп.Преобразовав выражение (7), с учетом (8), получим:                                                                       (9) Для нахождения оптимума этой функции определим ее первую производную:                                                        (10)                                        Решение этого уравнения относительно при  имеет два действительных корня (-0,272 и 0,272). Отрицательное значение из рассмотрения исключаем. Тогда оптимальная величина критерия кулачкового механизма возбудителя крутильных колебаний составит .                     Подставив полученное в выражение (8), найдем оптимальное соотношение:                                                                       (12)Такое соотношение необходимо использовать для определения высоты кулачка программирующей шайбы и назначения свободного хода толкателя от ВМТ до НМТ, что позволяет оптимизировать габаритные размеры возбудителя крутильных колебаний.Анализ конструктивных особенностей наиболее распространенных серийно выпускаемых автотракторных ТНВД серии ТН, НД и др. показал, что диаметр посадочной поверхности ведущей полумуфты на вал регулятора составляет в среднем от 12 до 25 мм, то есть диапазон размеров радиуса ведомого полувала rп может быть равным от 6 до 12,5 мм. Исходя из перечисленных ограничений, радиус роликов толкателя ρ может находиться в диапазоне 5…9 мм. Тогда, используя оптимальное соотношение (12) геометрических размеров кулачкового механизма возбудителя крутильных колебаний, получим высоту кулачка программирующей шайбы hк в интервале 2,99…5,85 мм.С целью определения оптимального соотношения геометрических размеров кулачкового механизма возбудителя крутильных колебаний устройства для обкатки и испытания МОВТ по теоретическим данным был построен график зависимости высоты кулачка программирующей шайбы hк от радиуса ведомого полувала rп и радиуса роликов толкателя ρ (рис. 4). По результатам его анализа было установлено аналитическое выражение для определения оптимальной величины высоты кулачка программирующей шайбы для различных конструкций МОВТ:                                                   (13) Рис. 4 – Зависимость изменения высоты кулачка программирующей шайбы от радиуса ведомого полувала и радиуса роликов толкателя (составлено авторами на основании собственных исследований) Как видно из графика (см. рис. 4), оптимум этой функции соответствует высоте кулачка программирующей шайбы hк > 6 мм. С использованием теоретической зависимости (13) можно определить оптимальное значение высоты кулачка программирующей шайбы hк при соответствующем сочетании размеров радиуса ведомого полувала rп и радиуса роликов толкателя ρ. Так, при rп = 12,5 мм   и ρ = 9 мм оптимальная высота кулачка программирующей шайбы составит hк опт = 5,86 мм. Это значение можно округлить до целого числа, то есть принять hк опт = 6 мм. При этом максимальная амплитуду колебаний ведомого полувала 4 составит 90°-52° = 38° (0,664 рад). Частота колебаний задается числом кулачков программирующей шайбы.Выводы. На основе анализа нормативных характеристик серийно выпускаемых муфт опережения впрыска топлива различных типоразмеров, технологии и методов их обкатки и испытания предложено устройство, обеспечивающее равнопеременную угловую скорость ведомой полумуфты. Неравномерная скорость вращения ведомой полумуфты обеспечивает приработку пар трения в динамических режимах нагружения путем оптимизации хода толкателей, радиуса роликов и высоты программирующей шайбы возбудителя крутильных колебаний, обеспечивающего при этом оптимальные режимы обкатки муфты при сочетании заданных крутящих колебаний в диапазоне амплитуд, перекрывающих рабочие углы разворота полумуфты серийно выпускаемых типоразмеров топливных насосов высокого давления дизелей.Определена оптимальная безразмерная характеристика кулачкового механизма возбудителя крутильных колебаний и получена теоретическая зависимость, которая дает возможность рассчитать оптимальную высоту hк кулачка программирующей шайбы возбудителя крутильных колебаний при сочетании максимальных значений радиуса полувала rп и радиуса копирующего ролика ρ, обеспечивающие оптимальные амплитуды колебаний, возбуждаемых программирующей шайбой и передаваемых через вал привода на испытываемую МОВТ для заданного интервала ее исходных конструктивных параметров. Полученная теоретическая зависимость позволяет определить  оптимальную высоту программирующей шайбы возбудителя крутильных колебаний для обкатки и испытания серийно выпускаемых муфт опережения впрыска топлива.