Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Анализ методов оценки технического состояния и надёжности электромагнитных устройств системы электростартерного пуска двигателей
1.1 Особенности конструкций системы электростартерного пуска двигателей автомобилей и анализ методов оценки технического состояния электромагнитных устройств 11
1.2 Структура, принципиальные схемы, функциональные возможности, алгоритмы работы средств испытания электромагнитной системы автомобильных стартеров 18
1.3 Анализ способов определения надёжности электромагнитной системы автомобильных стартеров 24
1.4 Обзор методов математического моделирования процессов, протекающих в элементах электростартерного пуска двигателей в динамических режимах при их испытании 31
Выводы 37
ГЛАВА 2. Математическое моделирование электромагнитной системы автомобильных стартеров при многократных режимах пуска
2.1 Функционально ориентированная математическая модель электромагнитной системы стартера при ресурсных форсированных испытаниях в динамических режимах 39
2.2 Математическая модель электромагнитной системы стартера при определении реакций электромагнитной системы на исследовательский импульс 50
2.3 Математическое моделирование электромагнитной системы при различном техническом состоянии стартеров 59
2.4 Моделирование режимов управления системой электростартерного пуска двигателей с учётом результатов контроля электромагнитной системы 71
Выводы 74
ГЛАВА 3. Методика определения параметров надёжности электромагнитных устройств системы электростартерного пуска при многократных пусковых режимах
3.1 Планирование эксперимента при форсированных ресурсных испытаниях электромагнитных устройств системы электростартерного пуска двигателей в динамических режимах на надёжность 76
3.2 Методика определения статистической, вероятностной надёжности электромагнитной системы стартеров при многократных режимах пуска 88
3.3 Числовые характеристики распределения вероятности отказа электромагнитных устройств системы электростартерного пуска двигателей 93
3.4 Структурно-функциональные расчётные схемы надёжности системы электростартерного пуска с учётом контроля величины деформаций электромагнитной системы стартера 98
Выводы 103
ГЛАВА 4. Устройства проведения ресурсных форсированных испытаний стартера многократными пусковыми воздействиями
4.1 Экспериментальная установка исследования переходных процессов при ресурсных форсированных испытаниях стартеров 105
4.2 Методика измерения параметров стартера при ресурсных форсированных испытаний в динамических режимах 109
4.3 Метрологическая проработка исследований стартера в динамических режимах на экспериментальной установке 117
4.4 Устройства и стенды для исследования работы и проведения ресурсных форсированных испытаний элементов системы электростартерного пуска двигателей 124
Выводы 141
ГЛАВА 5. Экспериментальные исследования пусковых режимов, надёжности электромагнитных устройств системы электростартерного пуска двигателей
5.1 Исследования свойств электромагнитной системы стартеров на экспериментальной установке при многократных пусковых воздействиях 143
5.2 Экспериментальные исследования эффективного использования учитываемых параметров электромагнитной системы при многократных режимах пуска на надёжность системы электростартерного пуска 151
5.3 Мероприятия и рекомендации повышения надёжности электромагнитной системы стартера при многократных пусковых воздействиях 162
Выводы 166
Заключение 168
Литература 170
Приложения
Приложение 1 Акты внедрения 180
- Анализ способов определения надёжности электромагнитной системы автомобильных стартеров
- Математическая модель электромагнитной системы стартера при определении реакций электромагнитной системы на исследовательский импульс
- Числовые характеристики распределения вероятности отказа электромагнитных устройств системы электростартерного пуска двигателей
- Метрологическая проработка исследований стартера в динамических режимах на экспериментальной установке
Введение к работе
Важным показателем развития и качества автомобильного транспорта является эксплуатационная надёжность, на которую значительно влияет система пуска двигателя: аккумуляторная батарея (АБ), двигатель постоянного тока (ДПТ) и система управления.
Реализация задач по улучшению работы автомобилей требует
дальнейшего повышения качества и надёжности системы электростартерного
пуска двигателей (СЭСП), что способствует повышению
конкурентноспособности автомобилей.
По результатам наблюдений автомобилей семейства ВАЗ-2110 в гарантийный период эксплуатации, на СЭСП приходится самый большой относительный процент рекламаций, равный 16-18 %. Ежегодно, по экспертным оценкам, возникает отказ в работе 250-300 тыс. стартеров по причинам разрушения коллектора (42%), пробоя корпусной изоляции (20%), межвиткового замыкания обмоток (7%), механических поломок якоря и механизмов привода (2-7%), неисправности тягового реле стартера (0,7%), в том числе вследствие многократных коммутационных воздействий.
Повышение интенсивности эксплуатации автомобилей, внедрение
электронных систем управления двигателем автомобиля, работа стартера в
стоп-стартовом режиме увеличивает количество нарушений
работоспособности, снижает вероятность безотказной работы (ВБР) по причине недостаточной стойкости электромагнитной системы (ЭМС) к многократным пусковым воздействиям, недостаточного запаса в динамических режимах. Следовательно, необходимо детальное исследование вопроса влияния пусковых режимов на надёжность ЭМС стартера, что и определяет научную актуальность диссертационной работы.
Динамические свойства учитываются при разработке новых моделей электростартеров (JhBosch (Германия), GM (США), Valeo (Франция), Hitachi
(Япония), завода им. Тарасова (г.Самара, Россия). В генеральном департаменте развития ВАЗа (г.Тольятти, Россия) выполняются работы по перспективным гибридным энергоустановкам, использующим индукционно-динамическую (ИДД), либо асинхронную (АД) электрические машины в качестве стартера и генератора. Комбинированные энергоустановки устанавливаются на экспериментальные автомобили Rover-MG TF 200 HPD (Англия), Honda-FCX (Япония). При переходе СЭСП с двигателя постоянного тока на ИДД или АД, динамические воздействия перераспределяются с коллекторно-щёточного узла на ЭМС, что подтверждает актуальность научного исследования динамических свойств ЭМС ЭСП.
Своевременное определение и предотвращение аварийных режимов работы СЭСП, окажет существенное положительное влияние на технико-экономические показатели эксплуатации при многократных пусковых режимах, стоп-стартовом режиме, гибридных энергоустановках.
Основными направлениями увеличения ВБР СЭСП являются оптимизация и изменение электротехнических параметров ЭМС, позволяющие повысить ВБР в стационарных режимах. При этом не учитываются особенности работы в переходных динамических режимах. Не исследованы вопросы накопления остаточных деформаций ЭМС стартера и изменение параметров при эксплуатации.
Разработка методов, позволяющих добавить значимые диагностические параметры ЭМС стартера, увеличить ВБР, уменьшить интенсивность отказов, средств идентификации остаточных деформаций, снизить эксплуатационные затраты на обслуживание и ремонт СЭСП двигателя, имеет большое хозяйственное значение, что обуславливает практическую актуальность диссертационной работы.
Целью диссертационной работы является повышение надёжности ЭМС стартера при многократных режимах пуска за счёт изменения характеристик и параметров параметров ЭМС по результатам теоретического и
7
экспериментального исследования статических, динамических,
эксплуатационных характеристик стартера.
Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные и практические задачи:
Анализ методов оценки ВБР с учётом динамических свойств ЭМС стартера, методов моделирования электромагнитных процессов, методов диагностики в части эффективности и чувствительности к остаточным деформациям ЭМС.
Исследование переходных процессов пусковых режимов стартера и влияние его параметров на их протекание, определение систематических и
lit случайных погрешностей для уточнения доверительного интервала измерений
индуктивной и емкостной составляющих полного сопротивления ЭМС.
Разработка обобщённой математической модели ЭМС стартера при ресурсных форсированных испытаниях в динамических режимах.
Разработка математической модели стартера при определении реакций ЭМС на исследовательский импульс при вероятных остаточных деформациях, неисправностях ЭМС.
5. Разработка алгоритмов определения показателей надёжности ЭМУ
СЭСП при форсированных испытаниях в многократных динамических
режимах.
'^ 6. Создание экспериментальной установки, позволяющей проводить
исследование ЭМС стартера в динамических форсированных режимах.
7. Разработка практических рекомендаций по изменению параметров обмоток ЭМС, по разработке элементов управления СЭСП двигателя, предотвращающих выход стартера из строя при его работе и испытаниях, повышающие его надёжность.
Вопросы испытаний и контроля СЭСП рассмотрены в работах А.Д. Борца
[1], А.Х. Синельникова [2], A.M. Резника [3], В.Е. Ютта [4], В.В. Литвиненко
^ [5], СВ. Акимова [6]. В трудах В.И. Шаховцева [7], А.Г. Сергеева [8], А.И.
8 Вольдека [9], В.А. Климова [10], В.И Веневцева [11] разработаны вопросы надёжности элементов системы ЭСП. Математическое моделирование электромеханических систем (двигатели постоянного тока, источники питания, измерительная аппаратура) выполнено в монографиях С.Я. Дунаевского [12], И.С, Таева [13], Л.В. Мазия [14], И.П. Беляева [15]. Моделирование элементов электроэнергетических систем представлено в работах С. Бернас и 3. Цяк [16], В.А. Веникова [17], М.С. Лысеева [18]. Особенности моделирования элементов систем ЭСП представлены в научных трудах М.Г. Калашникова [19], О.В. Арсентьва [20], О.Н. Любиева [21]. Методология планирования эксперимента рассмотрена в работах С.М.Ермакова [22], А.А.Жиглявского и В.З Бродского [23], З.И. Бежаевой [24].
В указанных работах представленных авторов рассмотрены виды, цели, особенности, режимы испытаний [1, 39]; проведение ускоренных полигонных испытания на надёжность автомобильных конструкций [26]; разработаны алгоритмы поиска неисправностей электрооборудования автомобилей [5]; рассматривается оборудование для испытаний элементов системы электростартерного пуска [4], представлено математическое моделирование аккумуляторной батареи [19, 27], двигателей постоянного тока [12] и систем электроснабжения испытательного оборудования [16, 28]; планирование эксперимента [22] и математическая обработка результатов испытаний [29, 30].
Однако рассмотренные в данных работах существующие методы и средства оценки технического состояния ЭМС не учитывают изменение контролируемых параметров и показателей надёжности стартера примногократных пусковых воздействиях, не учитывают ряд важных значимых факторов воздействия на ЭМС в переходных режимах для определения вероятных повреждений, остаточных деформаций. Диагностические стенды и приборы не позволяют выполнять ряд исследовательских испытаний по определению увеличения остаточных деформаций в ресурсных, форсированных режимах, в условиях интенсивной эксплуатации. Стенды предназначены для
9 определения определённого перечня параметров (электромеханические характеристики стартера, э.д.с. и падение напряжения АБ), но не определяют некоторые параметры, существенные для многократных пусковых режимов, в частности, начальную, текущую и остаточную деформацию ЭМС стартера.
Для решения задачи оценки величины накопления остаточных деформаций необходимо производить измерения в переходных режимах работы. Основы динамических измерений рассматриваются в работах российских учёных А.Н.Крылова, А.А.Харкевича, А.С.Немировского [31], Б.А.Школьник [32], В.А.Грановского и О.А.Кудрявцева [33, 34, 35], зарубежных учёных H.Dallmann, W.Gitt, D.Hofmann [36] и др. В методах исследования динамических процессов используется различный математический аппарат, позволяющий получать различные математические модели исследуемых объектов: линейные и нелинейные дифференциальные и разностные уравнения, обыкновенные дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных, преобразования непрерывные и дискретные, матричное и интегральное исчисление и т.д.
Анализ научно-технической литературы в области надёжности элементов СЭСП показал, что контролируемые показатели надёжности, согласно ТУ— средний и гамма-процентный ресурс, наработка на отказ, удельная трудоемкость технического обслуживания и текущих ремонтов, не в полной мере учитывают надёжность при многократных пусковых воздействиях на элементы СЭСП. При этом ВБР не учитывается, поскольку не определяются показатели надёжности в коммутационных режимах, и позволяет учесть влияние переходных процессов пусковых режимов в части оценки накапливания отрицательных изменений в изоляции при многократных импульсных воздействиях.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работы выполнены на кафедре «Автотракторное электрооборудование» Тольяттинского государственного университета в период с 2000 по 2004 год.
10
Материал диссертации одобрен на научно-технических семинарах
Электротехнического факультета и кафедры «Автотракторное
электрооборудование» Тольяттинского государственного университета, кафедры «Электромеханика» Самарского государственного технического университета. По материалам диссертации были сделаны доклады на Всероссийской научно-технической конференции «Перспективы развития автомобильного транспорта» в Тольяттинском государственном университете,
г. [38], городской научно-практической конференции «Новые технологии в промышленности, экономике и социально-культурной сфере» в Поволжском технологическом институте сервиса, 2000 г. [39], городской научно-практической конференции «Наука - сервису города» в Московском государственном университете сервиса, 2001г. [40], Всероссийской научно-технической конференции «Технический ВУЗ- наука, образование и производство в регионе» в Тольяттинском государственном университете,
г. [41], 6-й международной конференции по машиностроительной технике и технологии «Amtech 2001» в Техническом университете г. София, Болгария, 2001г. [109, 110].
Анализ способов определения надёжности электромагнитной системы автомобильных стартеров
Вопросы испытаний и контроля СЭСП рассмотрены в работах А.Д. Борца [1], А.Х. Синельникова [2], A.M. Резника [3], В.Е. Ютта [4], В.В. Литвиненко [5], СВ. Акимова [6]. В трудах В.И. Шаховцева [7], А.Г. Сергеева [8], А.И. Вольдека [9], В.А. Климова [10], В.И Веневцева [11] разработаны вопросы надёжности элементов системы ЭСП. Математическое моделирование электромеханических систем (двигатели постоянного тока, источники питания, измерительная аппаратура) выполнено в монографиях С.Я. Дунаевского [12], И.С, Таева [13], Л.В. Мазия [14], И.П. Беляева [15]. Моделирование элементов электроэнергетических систем представлено в работах С. Бернас и 3. Цяк [16], В.А. Веникова [17], М.С. Лысеева [18]. Особенности моделирования элементов систем ЭСП представлены в научных трудах М.Г. Калашникова [19], О.В. Арсентьва [20], О.Н. Любиева [21]. Методология планирования эксперимента рассмотрена в работах С.М.Ермакова [22], А.А.Жиглявского и В.З Бродского [23], З.И. Бежаевой [24].
В указанных работах представленных авторов рассмотрены виды, цели, особенности, режимы испытаний [1, 39]; проведение ускоренных полигонных испытания на надёжность автомобильных конструкций [26]; разработаны алгоритмы поиска неисправностей электрооборудования автомобилей [5]; рассматривается оборудование для испытаний элементов системы электростартерного пуска [4], представлено математическое моделирование аккумуляторной батареи [19, 27], двигателей постоянного тока [12] и систем электроснабжения испытательного оборудования [16, 28]; планирование эксперимента [22] и математическая обработка результатов испытаний [29, 30].
Однако рассмотренные в данных работах существующие методы и средства оценки технического состояния ЭМС не учитывают изменение контролируемых параметров и показателей надёжности стартера примногократных пусковых воздействиях, не учитывают ряд важных значимых факторов воздействия на ЭМС в переходных режимах для определения вероятных повреждений, остаточных деформаций. Диагностические стенды и приборы не позволяют выполнять ряд исследовательских испытаний по определению увеличения остаточных деформаций в ресурсных, форсированных режимах, в условиях интенсивной эксплуатации. Стенды предназначены для определения определённого перечня параметров (электромеханические характеристики стартера, э.д.с. и падение напряжения АБ), но не определяют некоторые параметры, существенные для многократных пусковых режимов, в частности, начальную, текущую и остаточную деформацию ЭМС стартера.
Для решения задачи оценки величины накопления остаточных деформаций необходимо производить измерения в переходных режимах работы. Основы динамических измерений рассматриваются в работах российских учёных А.Н.Крылова, А.А.Харкевича, А.С.Немировского [31], Б.А.Школьник [32], В.А.Грановского и О.А.Кудрявцева [33, 34, 35], зарубежных учёных H.Dallmann, W.Gitt, D.Hofmann [36] и др. В методах исследования динамических процессов используется различный математический аппарат, позволяющий получать различные математические модели исследуемых объектов: линейные и нелинейные дифференциальные и разностные уравнения, обыкновенные дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных, преобразования непрерывные и дискретные, матричное и интегральное исчисление и т.д.
Анализ научно-технической литературы в области надёжности элементов СЭСП показал, что контролируемые показатели надёжности, согласно ТУ— средний и гамма-процентный ресурс, наработка на отказ, удельная трудоемкость технического обслуживания и текущих ремонтов, не в полной мере учитывают надёжность при многократных пусковых воздействиях на элементы СЭСП. При этом ВБР не учитывается, поскольку не определяются показатели надёжности в коммутационных режимах, и позволяет учесть влияние переходных процессов пусковых режимов в части оценки накапливания отрицательных изменений в изоляции при многократных импульсных воздействиях.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работы выполнены на кафедре «Автотракторное электрооборудование» Тольяттинского государственного университета в период с 2000 по 2004 год. Материал диссертации одобрен на научно-технических семинарах
Электротехнического факультета и кафедры «Автотракторное электрооборудование» Тольяттинского государственного университета, кафедры «Электромеханика» Самарского государственного технического университета. По материалам диссертации были сделаны доклады на Всероссийской научно-технической конференции «Перспективы развития автомобильного транспорта» в Тольяттинском государственном университете, 2000 г. [38], городской научно-практической конференции «Новые технологии в промышленности, экономике и социально-культурной сфере» в Поволжском технологическом институте сервиса, 2000 г. [39], городской научно-практической конференции «Наука - сервису города» в Московском государственном университете сервиса, 2001г. [40], Всероссийской научно-технической конференции «Технический ВУЗ- наука, образование и производство в регионе» в Тольяттинском государственном университете, 2001 г. [41], 6-й международной конференции по машиностроительной технике и технологии «Amtech 2001» в Техническом университете г. София, Болгария, 2001г. [109, 110].
Математическая модель электромагнитной системы стартера при определении реакций электромагнитной системы на исследовательский импульс
Данная структурная схема двигателя постоянного тока не позволяет учесть влияние отдельных электромагнитных параметров стартера и, соответственно, оценить их влияние на показатели надёжности в длительной эксплуатации.
Большое значение при исследовании характеристик и надёжности ЭСП имеет моделирование переходных процессов являющихся следствием включения и отключения АБ; возникновение обрывов и коротких замыканий в элементах системы; внезапные набросы и сбросы нагрузки на валу стартера; атмосферно-климатические воздействия на элементы ЭСП [51].
Для определения значений токов и напряжений переходного процесса по законам Кирхгофа или другим методом составляется система уравнений, решаемая различными способами: классическим методом, принцип наложения (или суперпозиции), метода наложения, операционным способом, методом Гаусса, методом матрицы, методом обратной матрицы, простой итерации, методом Зейделя. Системы нелинейных алгебраических уравнений решаются методом Гаусса и матрицы Z-r, методом Зейделя, методом Ньютона [51, 52, 53, 54, 55, 56,57,58,49,36,59].
Для расчётного исследования переходных процессов ЭМС стартера целесообразно использовать классический метод решения систем дифференциальных уравнений, соответствующих различным состояниям ЭМС стартера при различных видах неисправностей: обрыве провода, межвитковом замыкании в обмотках, замыкание на корпус, замасливание коллектора
Кроме переходных процессов на работу системы электростартерного пуска оказывает влияние различные факторы воздействий, являющихся следствием внешнего воздействия или собственного изменения своего технического состояния. Основой построения математической модели в данном случае служит либо физический эксперимент, либо имитационный [60]. Математическая модель трёх видов: детерминированная, когда конечный результат определяется с помощью известных или неизвестных эмпирических выражений, вероятностная, когда присутствие фактора определяется с помощью генератора случайных чисел, временные или динамические, когда одним из факторов является время и система изменяет свои параметры с течением времени. Совмещение детерминированной и вероятностной модели позволяет получить совмещённую модель.
Для решения задачи оценки величины накопления остаточных деформаций необходимо производить измерения в переходных режимах работы. Основы динамических измерений рассматриваются в работах российских учёных А.Н.Крылова, А.А.Харкевича, А.С.Немировского [31], Б.А.Школьник [32], В.А.Грановского и О.А.Кудрявцева [33, 34, 35], зарубежных учёных H.Dallmann, W.Gitt, D.Hofmann [36] и др. В методах исследования динамических процессов используется различный математический аппарат, позволяющий получать различные математические модели исследуемых объектов: линейные и нелинейные дифференциальные и разностные уравнения, обыкновенные дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных, преобразования непрерывные и дискретные, матричное и интегральное исчисление и т.д.
По результатам анализа определены следующие задачи исследований: 1. Выполнить анализ методов оценки ВБР с учётом динамических свойств ЭМС стартера, методов моделирования электромагнитных процессов приборов СЭСП, методов диагностики в части эффективности и чувствительности к остаточным деформациям ЭМС. 2. Исследовать переходные процессы пусковых режимов стартера и влияние его параметров на их протекание, определить систематические и случайные погрешности для уточнения доверительного интервала измерений индуктивной и емкостной составляющих полного сопротивления ЭМС. 3. Разработать функционально ориентированную математическую модель ЭМС стартера при ресурсных форсированных испытаниях в динамических режимах. 4. Разработать математические модели стартера при определении реакций ЭМС на исследовательский импульс при вероятных деформациях, неисправностях ЭМС. 5. Составить алгоритмы определения показателей надёжности ЭМУ СЭСП при форсированных испытаниях в многократных пусковых режимах. 6. Создать экспериментальную установку, позволяющую проводить исследование ЭМС стартера в динамических форсированных режимах. 7. Дать практические рекомендации по изменению параметров обмоток ЭМС, по разработке элементов управления СЭСП двигателя, предотвращающих выход стартера из строя при его работе и испытаниях, повышающие его надёжность. В результате проведённого анализа методов и средств исследования работы, оценки надёжности, математического моделирования ЭМС стартеров двигателей автомобилей сформированы следующие выводы: 1. Существующие методы и средства оценки технического состояния ЭМС не учитывают изменение контролируемых параметров и показателей надёжности стартера при коммутационных воздействиях, не учитывают ряд важных значимых факторов воздействия на ЭМС в переходных режимах для определения вероятных повреждений, изменений параметров ЭМС. 2. Известные диагностические стенды и приборы не позволяют выполнять ряд исследовательских испытаний по определению увеличения остаточных деформаций в ресурсных, форсированных режимах, в условиях интенсивной эксплуатации. Стенды предназначены для определения определённого перечня параметров (электромеханические характеристики стартера, э.д.с. и падение напряжения АБ), но не определяют некоторые параметры, существенные для многократных коммутационных режимов, в частности, начальную, текущую и остаточную деформацию ЭМС стартера. 3. При интенсивной эксплуатации параметры надёжности ЭМС стартера оказываются ниже расчётных значений, требований стандартов. При этом, для решения вопроса повышения надёжности ЭМС стартера необходимо экспериментально исследовать статические и динамические характеристики.
Числовые характеристики распределения вероятности отказа электромагнитных устройств системы электростартерного пуска двигателей
Надёжность (вероятность безотказной работы ВБР P(t), вероятность отказа Q(t), частота отказов a(t), интенсивность отказов X(t)t средняя наработка до первого отказа TCp(t), параметр потока отказов co(t), наработка на отказ T0(t)) определяет неизменность на срок назначенного ресурса значений всех параметров ЭМС стартера [65, 66]. Надёжность электромагнитных устройств (ЭМУ) ЭСП, обладающих определённой номинальной мощностью Рн и назначенным ресурсом RHa3 (рис.3.1), описывается безотказностью (P(t), Q(t), a(t), X(t), Tcp(t), co(t), T0(t)), ремонтнопригодностью (средняя продолжительность текущего ремонта Ттр, средняя продолжительность технического обслуживания ТТО) вероятность восстановления работоспособного состояния PR(I), среднее время восстановления работоспособного состояния Твос), сохраняемостью (средний срок сохраняемоссти Тсох, гамма-процентный срок сохраняемости Ту-сох ) и долговечностью (средний срок службы Тслуж, средний срок службы до списания ТСГШС) гамма-процентный срок службы Ту.сл, средний срок службы до капитального ремонта T .K.P, средний срок службы между капитальными ремонтами Тсл.меж.к.р) средний ресурс R ,, гамма-процентный ресурс Ry) средний ресурс до капитального ремонта RcP.K.p средний ресурс между капитальными ремонта Rcp,Me)K.K.p средний ресурс до списания Rcp.crmc-X зависящих от времени эксплуатации t , тормозного момента Мт, температуры t, вибрации и ударов с ускорением], влажности В л, атмосферного давления Р, уровня U6pC и качества Аиз.с напряжения в бортовой сети автомобиля, чистоты воздуха- концентрации пыли КПЫл, концентрации соленого тумана Ксол, концентрации вредных выбросов предприятий и транспортных средств Квред), [17]. Процесс возникновения отказов элементов системы ЭСП двигателя представлен на рис.3.2.
Контрольные испытания на надежность проводятся периодически в сроки, установленные стандартами на данное техническое изделие, с целью определения соответствия количественных показателей надежности требованиям стандарта, технических условий или технического задания, [67].
Ресурс системы ЭСП двигателей составляет 20000—50000 часов наработки до отказа. Ускоренные форсированные испытания позволяют при заданной точности значительно сократить время испытаний, однако при этом должно быть найдено соответствие между испытаниями в нормальных условиях и форсированными (ускоренными), определены коэффициенты ускорения, [68]. Основное требование, предъявляемое к ускоренным испытаниям, это идентичность процессов старения и износа по отношению к нормальным условиям, что в свою очередь означает идентичность законов распределения, [69].
Число переменных факторов (рис.3.1), влияющих на показатели надёжности - P(t), Q(t), co(t) и T0(t), равняется одиннадцати, [70]. Кроме одиннадцати задаваемых переменных факторов, при испытании не учитывались случайные факторы — неоднородность элементов системы ЭСП, вызванная условиями сборки и полями допусков, отклонение напряжения и частоты питающего напряжения всех исследовательских установок, [71, 72].
Проведены форсированные ресурсные испытания 100 стартеров типа 29.3708 на надёжность, для наработки соответствующей 50000 тыс. км пробега автомобиля, в соответствии с требованиями ГОСТ 9944-87, ГОСТ 27.410-88, ГОСТ 16962-91, ГОСТ 27.002-83, ОСТ 37.003.084, [43, 66, 73].
Процесс возникновения отказов изделия СЭСП двигателя: N- количество отказавших элементов; nj... пз- количество отказов элементов за некоторые интервалы пробега; L- пробег автомобиля; прес и Lpec- количество отказов и пробег автомобиля соответствующий общему ресурсу автомобиля Параметры форсировки выбраны с учётом технических условий реальных испытываемых стартеров (типа 29.3708), рекомендаций заводов-изготовителей, планов форсированных испытаний других автомобильных электромеханических приборов (генератор, электродвигатель вентилятора, моторедуктор стеклоочистителя), по результатам сравнения с эксплуатационными режимами. Коэффициент ускорения для вращающегося момента (Ку,м=3) выбран с учётом режима работы стартера, приближённого к полному торможению и по результатам исследования пусковых режимов стартера 29.3708 выполненных на разработанной в данной работе исследовательской установки. Коэффициент ускорения по напряжению (Ку,и"5) выбран с учётом нагрева обмоток, а также на основании отношения среднего срока службы изоляции класса А в эксплуатации к сроку их службы при температуре 140-150С. Влажность и вибрация выбраны форсированными по отношению к эксплуатационным режимам.
Планирования эксперимента при форсированных ресурсных испытаниях стартера на надёжность выполнено на базе метода случайного баланса. Концом испытания является уменьшение номинальной мощностью Рн на 10% (Рн=1908 кВт), либо нарушение работоспособности.
Матрицы планирования типа ПФЭ 24 и ДФЭ 24"1 для первой группы факторов (температура t, вибрация и удары с ускорением j, влажность Вл, атмосферное давление Р) представлена в таблице 3.1, для второй группы факторов (уровнень UQ.C И качества Аш.с напряжения в бортовой сети автомобиля, концентрация пыли Кпьш , концентрация соленого тумана Ксол)- в таблице 3.2.
Формирование матрицы случайного баланса (таблица 3.3) с тройным дублированием опытов выполнено смешиванием строк таблиц 3.1 и 3.2 с помощью генератора случайных чисел, подчиняющихся нормальному закону распределения [74].
Метрологическая проработка исследований стартера в динамических режимах на экспериментальной установке
Датчик перемещения якоря тягового реле — соленоидная катушка, размещённая на выступе корпуса реле и концентрически охватывающей якорь реле в районе кольцевой проточки. Питание катушки осуществляется током повышенной частоты (7 кГц). Предусмотрено два варианта регистрации получаемых при испытаниях диагностических параметров. Данные поступают на вход осциллографа Н-117 или через аналого-цифровой преобразователь и последовательный порт, по протоколу связи RS-232, на персональный компьютер типа IBM PC. Данные преобразуются в десятичный код и записываются в текстовом формате [141], Для анализа данных используется программа MATLAB 6RL12. Выбор режима испытаний осуществляется устройством управления, воздействующим на три исполнительных механизма: регулятор питающего напряжения; источник питания ИП2, регулирующий тормозной момент на валу якоря стартера; контактор К1, обеспечивающий старт-стоповый режим испытаний. Испытания могут проводиться тремя способами: ручным, автоматическим, используя собственную схему устройства управления, и под управлением персонального компьютера.
Методы измерения параметров стартера в целом известны [81, 82, 83, 84, 85, 86, 87, 88, 89, 90, 91, 92, 93, 94, 95, 96]. Однако применительно к конкретному стартеру и конкретным условиям его монтажа и эксплуатации не все методы и приборы одинаково приемлемы.
Измерение моментов вращения вала стартера, необходимое для более точного определения момента появления э.д.с. якоря электродвигателя стартера при исследовании переходных процессов ЭМС стартера по разработанной математической модели, позволяет снизить погрешность расчёта тока стартера в переходном режиме. Определяющий элемент системы измерения момента — первичный датчик момента и устройство передачи информации датчика в блок преобразования и индикации. Недостатками гидроизмерителя момента являются: постепенная утечка жидкости из гидросистемы и её расстройка; инерционность и измерение только стационарных моментов; нет возможности записи момента во времени, не имеет на выходе электрического сигнала, пропорционального моменту. (, Из известных способов измерения момента вращения [86] на стенде применён тензометрический метод, на который не распространяются указанные недостатки. Полумост из проволочных тензосопротивлений типа ПКБ-100 наклеен на изготовленную переходную втулку, помещенную между тормозным устройством и зубчатым маховиком, воспринимающим крутящий момент стартера (см. рис.4.1). Питание полумоста и съем сигнала - с помощью гибких экранированных кабелей, подсоединенных непосредственно к выводам полумоста [97, 98]. Обработка сигналов тензодатчиков и балансировка полумоста произведена усилителем переменного тока ТА5-8, тарировка измерений - в статическом режиме. Для этого к зубчатому маховику крепился рычаг известной длины. Маховик затормаживался фрикционным тормозом, и к рычагу прикладывалось усилие, измеряемое динамометром типа ДПУ-0,20 и манометром гидроизмерителя. При стендовых испытаниях стартеров использовался метод с индуктивным дифференциальным датчиком ДД-10 (рис.4.3, рис.4.4), преимущества которого - линейность выходных характеристик, высокая чувствительность и малая погрешность измерения. Измерение момента на валу стартера произведено специально разработанным устройством, измеряющим деформации под действием момента деталей муфты свободного хода (рис.4.5).
На несущей втулке муфты свободного хода 1 (рис.4.5) наклеен тензорезистор 2 типа ГДТ, обладающий повышенной чувствительностью к деформациям втулки. Выводы тензорезистора подсоединены к медным контактным кольцам 3 и 4, расположенным на текстолитовой шайбе 5. Съём сигнала с контактных колец производится щётками 6 и 7, размещённых на поводковой шайбе 8. Перемещение шайбы компенсировалось пружинами. Сигнал с тензосопротивления усиливается и подаётся через избиратели пределов на гальванометр светолучевого осциллографа. Погрешность измерения определяется надёжностью скользящего контакта и температурной стабильностью тензорезистора.
Измерение момента стартера, установленного на двигатель, тензометрическим методом потребовало замены штатной МСХ на специальную, снаряжённую устройством для измерения момента. Для измерений без замены МСХ разработан измеритель динамических моментов- «акселерометр», внешнее устройство, не связанное конструктивно с испытуемым стартером (рис.4.7). В момент пуска угловая скорость маховика, обладающего моментом инерции, в первый момент несколько ниже угловой скорости вала стартера. Вследствие этого упругие элементы, связывающие маховик с валом, деформируются, и на тензорезисторах появляется сигнал рассогласования, пропорциональный деформации упругих элементов. Сигнал передаётся в измерительную схему с помощью скользящих контактов. Деформация упругих элементов пропорциональна угловому ускорению вала стартера. По моменту инерции ротора определяется динамический момент испытуемого двигателя.
