Содержание к диссертации
Введение
1. Особенности функционирования систем электроснабжения в климатических условиях Иордании 8
1.1. Современное состояние исследования путей совершенствования систем электрооборудования автомобильной техники 8
1.2. Характеристика условий функционирования систем электроснабжения 16
1.3. Надежность систем электроснабжения в условиях эксплуатации 22
1.4. Задачи исследования 31
2. Теоретические основы обеспечения безотказности ситемы электроснабжения в условиях жаркого климата 37
2.1. Анализ структуры системы электроснабжения методами системотехники 37
2.2. Обеспечение безотказности систем электрооборудования путем структурного резервирования системы элекгроснабжения 45
2.3. Обоснование возможности применения жидкостного магнитоуправляемого контакта в качестве коммутирующего элемента в цепях автомобильного электрооборудования 50
2.4. Модель функционирования системы элекгроснабжения с резервным регулятором напряжения 55
2.5. Результаты расчетно-аналитического исследования 67
Выводы 77
3. Экспериментальная установка и обработка результатов измерений 79
3.1. Экспериментальная установка для исследования электрических характеристик резервного регулятора напряжения 79
3.2. Методика проведения климатических испытаний, лабораторная установка и применяемая аппаратура 82
3.3. Методика проведения ресурсных и пробеговых испытаний
3.4. Обеспечение точности измерений 91
Выводы 95
4. Результаты экспериментального исследования системы электроснабжения 96
4.1. Проверка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований 96
4.2. Экспериментальное определение рациональных параметров элементов схемы 100
4.3. Исследование качества электрической энергии, вырабатываемой системой электроснабжения с резервным регулятором напряжения 104
4.4. Результаты исследования системы электроснабжения с резервным регулятором напряжения при температурных воздействиях 110
4.5. Результаты ресурсных и пробеговых исследований 114
Выводы 118
5. Технико-экономическая оценка внедрения резервного регулятора напряжения 120
Заключение 126
Список литературы 129
Приложения 138
- Современное состояние исследования путей совершенствования систем электрооборудования автомобильной техники
- Обеспечение безотказности систем электрооборудования путем структурного резервирования системы элекгроснабжения
- Экспериментальная установка для исследования электрических характеристик резервного регулятора напряжения
- Проверка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований
Введение к работе
В решениях Королевской научной ассоциации на выполнение плана экономического и социального развития Иордании указывается на необходимость повышения эксплуатации автомобильного транспорта и снижение расхода топлива. С целью реализации намеченных планов в автомобильном транспорте страны необходимо решить следующие задачи: повысить эффективность эксплуатации и долговечность имеющихся средств автомобильного транспорта; развивать и совершенствовать производство запчастей для автомобильного транспорта; обеспечить надежность автомобилей с период их использования по функциональному предназначению.
Развитие и совершенствование автомобилей неразрывно связано с широким применением электротехнического оборудования, автоматических устройств и систем, объединенных в единый комплекс - электрооборудование. Электрооборудование является одной из наиболее сложных систем современного автомобиля и во многом определяет его эксплуатационные качества. Использование электронных устройств позволяет существенно улучшить технические характеристики автомобилей, повысить их безотказность, экономичность, экологические и эргономические свойства. Перспективным направлением совершенствования автомобильной техники являсгся автоматизация управления процессами функционирования отдельных систем и объектов в целом на базе широкого применения электронных и электромагнитных приборов. Однако, применение электронных элементов на автомобильной технике, используемой в специфических условиях Иордании, предполагает решение ряда проблемных вопросов. Несмотря на длительный срок производства, надежность таких систем еще не достигла теоретически возможного уровня и не может считаться достаточной. Отказ электронного оборудования происходит внезапно, без предварительно наблюдаемого изменения характеристик, при этом диагностирование электронных систем без специального оборудования затруднено, а восстановление трудноосуществимо. Все указанные недостатки в полной мере присущи системе электроснабжения. Более того - качество функционирования системы электроснабжения оказывает непосредственное влияние на надежность всего электрооборудования, а ее отказы влекут за собой отказы всего электрооборудования и потерю подвижности автомобиля в целом.
Цель работы. Повышение безотказности систем электрооборудования автомобилей в сложных природно-климатических условиях на основе исследования их рабочих процессов путем струїаурного резервирования отдельных элементов на примере системы электроснабжения применительно к условиям Иордании.
На основе указанной цели определены задачи исследования: провести анализ безотказности систем электроснабжения автомобилей в сложных условиях эксплуатации, в том числе при воздействии высоких тем-/ ператур, и возможных пугей ее повышения на основе методов системотехники; обосновать возможность использования герметичных магнитоуиравляе-мых контактов (герконов) с жидкостным наполнением для коммутации тока обмотки возбуждения генераторной установки и исследовать способы улучшения работы его контактов; разработать математическую модель рабочих процессов системы электроснабжения с регулятором напряжения на базе жидкостных герконов, методику расчета системы электроснабжения новой конфигурации и определить рациональные значения параметров ее элементов; разработать методики экспериментального исследования системы электроснабжения с резервным регулятором и экспериментальные установки для их реализации; разработать схемы регуляторов напряжения па базе жидкостных гсрко-нов и провести экспериментальное исследование процессов их функционирования.
Научная новизна работы заключается в: научном обосновании способов и средств обеспечения требуемого уровня безотказности путем структурного резервирования электронных элементов на основе устройств, функционирующих на альтернативных физических принципах; разработке комплекса математических моделей системы электроснабжения автомобильной техники с новыми структурными элементами, отображающего процессы их совместного функционирования; установлении расчетно-аналитических и экспериментальных зависимостей изменения основных показателей систем электроснабжения новой конфигурации от эксплуатационных режимов и условий использования; обосновании новых технических и технологических решений, направленных на поддержание требуемого уровня эксплуатационно-технических характеристик автомобильной техники в сложных дорожно-климатических условиях.
Научная задача: схемная модернизация системы электроснабжения автомобиля путем структурного резервирования базовой схемы устройствами, функционирующими на альтернативных физических принципах, внедрение которых повышает ее готовность к использованию и обеспечивает требуемый уровень безотказности как в обычных, так и в сложных климатических условиях.
Практическая ценность. Результаты диссертационного исследования могут быть использованы при разработке стандартов на системы электрооборудования автомобилей, на заводах промышленности, выпускающих автомобильную технику, предназначенную для использования в сложных условиях эксплуатации, в том числе за рубежом, в научно-исследовательских работах при обосновании рациональных показателей надежности автомобилей, используемых в сложных условиях эксплуатации.
Реализация результатов исследования. Результаты исследования реализованы в виде методических рекомендаций и технических требований на системы электрооборудования автомобилей, используемых в климатических условиях Иордании.
Публикации. Новые научные результаты, включенные в диссертацию и выносимые на защиту, опубликованы в 3 печатных работах.
Апробация работы. Новые результаты, полученные в работе, докладывались и были одобрены на научно-исследовательских конференциях Московского автомобильно-дорожного института (технического университета) в 1998-2000 г.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций, списка литературы насчитывающего 99 наименований. Содержание работы изложено на 137 страницах машинописного текста, иллюстрируется 46 рисунками и 19 таблицами.
На защиту выносятся:
Комплекс математических моделей системы электроснабжения с новыми структурными элементами, отображающий процессы совместного функционирования штатных, и предлагаемых устройств;
Закономерности изменения показателей системы элекгроснабжения предлагаемой конфигурации и методика ее расчета;
Структурные и электрические схемы резервных регуляторов напряжения;
Результаты экспериментальных исследований процессов функционирования систем элекгроснабжения с новыми структурными элементами в поле эксплуатационных режимов с учетом вероятного уровня внешних воздействий.
Современное состояние исследования путей совершенствования систем электрооборудования автомобильной техники
Прогнозирование перспектив развития современного автомобильного электрооборудования, а следовательно, анализ предпосылок к зарождению противоречия между требованиями к системам электрооборудования коммерческих и военных автомобилей, невозможно без учета тенденций развития указанных систем на протяжении времени их существования.
Развитие конструкции автомобилей и повышение требований к комфорту и безопасности вызвало появление ряда новых потребителей электрической энергии и обусловило развитие электрического привода. Автомобили стали оборудоваться электрическими звуковыми сигналами, световыми сигналами торможения и поворота, стеклоочистителями, устройствами для обмыва ветрового стекла, отопления кузова, радиоприемником. До настоящего времени тенденция к увеличению числа потребителей электрической энергии на автомобиле устойчиво сохраняется.
Сегодня электронные элементы во всех системах электрооборудования вытеснили своих электромагнитных предшественников. На современном этапе развития наблюдается совершенствование электронных приборов, выполняющих традиционные функции на автомобиле, и создание микропроцессорных систем, способных выполнять новые, ранее не характерные для них функции. В направлении совершенствования традиционных элементов электрооборудования наблюдается устойчивая тенденция к полному исключению подвижных контактирующих пар, уменьшению массы, габаритов, снижению потребляемой мощности /2.7/.
Повышение степени сжатия двигателей до 8,5 и выше, увеличение искровых промежутков в свечах до 0,8-0,9 мм, увеличение частоты вращения коленчатого вала и применение восьмицилиндровых двигателей вызвали необходимость существенного повышения тока первичной цепи систем зажигания. Последнее обстоятельство значительно снизило надежность контактов прерывателя и в целом системы зажигания. Так, средний пробег на отказ контактов системы зажигания автомобиля Урал -375 составил 12 тыс.км. Кроме того, контактные системы зажигания не обеспечивали надежного искрообра-зования при наличии нагара на свечах зажигания или некоторой разрегулировке межэлектродного зазора. Указанные обстоятельства привели к появлению на автомобилях контактно-транзисторных систем зажигания (ГАЗ-53, ЗИЛ-130).
Дальнейшее повышение надежности было достигнуто применением бесконтактных систем зажигания семейства «Искра». В настоящее время в отечественном автомобилестроении получили наибольшее распространение бесконтактные системы зажигания с магнитоэлектрическим датчиком и не-нормируемым временем накопления энергии (семейство «Искра»), и системы с датчиком Холла и нормируемым временем накопления энергии. При этом количество используемых электронных элементов по сравнению с контактно-транзисторными системами возросло на порядок. Ужесточение требований к безотказности, топливной экономичности и экологической чистоте двигателя привело к необходимости разработки цифровых систем, позволяющих реали-зовывать сложные характеристики управления углом опережения зажигания со статическим распределением высокого напряжения. Однако, для достижения описанного результата потребовалось вновь существенно увеличить количество электронных элементов системы зажигания.
Снизить число полупроводниковых элементов и уменьшить габариты позволяет использование толстопленочных технологий. Например, коммутатор 56.3734 выполнен в виде большой интегральной схемы.
В настоящее время разработаны отечественные системы управления зажиганием и впрыскиванием легкого топлива, активно внедряемые на современных автомобилях, оснащенных двигателями с принудительным воспламенением (ГАЗ-3105, семейство ВАЗ), отечественной промышленностью выпускаются контроллеры микропроцессорной системы управления автомобильным двигателем серии МС-2715.03 для автомобилей ВАЗ-21083 и 21093 /2.40/ и МС-2713.01 для ЗИЛ-4314, управляющие углом опережения зажигания и клапаном экономайзера принудительного холостого хода (ЭПХХ).
Для уменьшения расхода топлива и снижения токсичности отработавших газов широко применяются системы экономайзера принудительного холостого хода - модели 19.3741 для автомобилей семейства УАЗ, ВАЗ, АЗЛК, ИЖ и модели 32.3747 для автомобилей семейства ЗИЛ. Широкое распространение получили электронные блоки управления стеклоочистителем (522.3747), электронные тахометры, прерыватели указателей поворота (РС-950, РС-951, 23.3747). Разработаны электронные антиблокировочные системы тормозов, поддержания постоянной скорости автомобиля, переключения передач, датчики и указатели. При этом количество электронных элементов имеет устойчивую тенденцию к увеличению (рис. 1.1) /2.53,2.77/.
Таким образом, в настоящее время на Российской автомобильной технике широкое применение нашли электронные приборы, в том числе обеспечивающие работу систем, непосредственно влияющих на подвижность автомобиля в целом.
Аналогичные тенденции просматриваются и в зарубежном автомобилестроении. Внимание, уделяемое автомобильной электронике за рубежом, постоянно растет. За 10 лет с 1974 г. по 1983 г. средняя стоимость электронных систем одного автомобиля в США увеличилась в 17 раз, в Японии - в 33 раза. Средняя стоимость электронных систем одного американского автомобиля среднего класса в 1990 г. составляла 12 % от стоимости автомобиля, а в 1995 г. - около 17 % /2.44/.
Обеспечение безотказности систем электрооборудования путем структурного резервирования системы элекгроснабжения
Схема системы, элементы которой предлагаются для резервирования, построена таким образом, что отказ одного из элементов ведет к отказу системы в целом. Такое соединение элементов, с точки зрения теории надежности, называется последовательным (основным). На (рис. 2.2) приведена структурная схема генераторной установки.
Так как все элементы систем работают независимо, то вероятность безотказной работы схемы Р из п элементов за промежуток времени / определяется выражением /2.14/: где/?/ вероятность безотказной работы /- го элемента. Интенсивность отказов нерезервированной системы X{t) равна сумме интенсивностей отказов всех ее элементов А. (О/2.34/ 7=1
Для выбора наиболее рационального метода резервирования целесообразно рассмотреть зависимости для вероятностей безотказной работы при общем и раздельном резервировании. При общем резервировании безотказность системы, состоящей из m параллельных групп и N последовательно соединенных элементов, определяется зависимостью где т - кратность резервирования, q( - вероятность появления отказа /-го элемента, P„.,(t)- безотказность системы при резервировании. +к Для случая равнонадежных элементов
Анализ приведенных зависимостей свидетельствует, что вероятность безотказной работы системы с общим резервированием, если число последовательно соединенных элементов стремится к бесконечности, не может стремиться к нулю даже при бесконечном числе параллельных ветвей. где т - число параллельно включенных элементов, N - последовательно соединенных групп. То есть каждый элемент системы раздельно резервируется параллельным подключением к нему т-1 аналогичного элемента.
Последнее выражение показывает, что вероятность безотказной работы приближается к единице при безграничном увеличении числа резервирующих элементов в группах, даже если число последовательно соединенных групп также приближается к бесконечности, т.е. раздельное резервирование обладает определенным преимуществом перед общим в смысле повышения надежности. Поэтому для обеспечения безотказности систем электрообору дования резервирование отдельных элементов, а не всей системы в целом, предпочтительнее.
«Холодное» резервирование отличается тем, что резервный элемент до своего включения в работу вообще не может отказывать. Однако, ненагру-женный резерв практически реализовать не удается, так как даже при отсутствии электрической нагрузки на резервный элемент могут действовать неблагоприятные факторы, такие как механические нагрузки, температура и другие, снижающие ресурс.
Так как «холодный» резерв не включается в работу до выхода из строя основного элемента, то он должен сохранять работоспособіїое состояние на протяжении всего заданного времени эксплуатации системы. Поэтому для определения надежности резерва определяющим является свойство сохраняемости.
Включение параллельно штатным резервных элементов представляет «холодный» резерв, т.к. до момента включения резервный элемент не нагружен, и его ресурс не расходуется. При «холодном» резерве интенсивность потока отказов первоначально действует на штатный элемент системы. Интенсивность потока отісазов начинает действовать на резервный элемент с момента включения его в работу.
Экспериментальная установка для исследования электрических характеристик резервного регулятора напряжения
Экспериментальные исследования систем электроснабжения с резервными регуляторами напряжения проводились на стенде модели Э-240 совместно с генератором Г-287Б, в комплекте с аккумуляторной батареей 6 СТ-90 в полностью заряженном состоянии (ЭДС = 12,6 В), и без аккумуляторной батареи. Выбор генератора указанной модели обусловлен тем, что он имеет наибольшее значение тока возбуждения. Таким образом, условия функционирования контакт-деталей оказываются наиболее жесткими, а следовательно характеристики регулятора напряжения на его базе, полученные с этим генератором заведомо окажутся не хуже, чем с любым другим ныне выпускаемым. Схема установки приведена на рис. 3.1. Внешний вид установіси изображен на рис. 3.2. Исследуемый регулятор напряжения подключался к генератору, ротор которого приводился во вращение от двигателя стенда. Возбуждение генератора при работе генераторной установіси без аккумулятора осуществлялось от стенда. Нагрузка генератора имела аістивньїй характер и создавалась проволочным резистором 4 типа РСП соответствующей мощности рассеивания, входящим в комплект стенда. Значение отдаваемого генератором тока измерялось амперметром из комплекта стенда. Установившееся отклонение напряжения при испытаниях генераторной установіси измерялось при помощи вольтметра универсального цифрового В 7-40. В ходе эксперимента частота вращения ротора генератора изменялась в пределах 500 - 6 103 мин" . Измерение частоты вращения ротора генератора проводилось при помощи частотомера электронно-счетного Ф-5034, сигнал на вход которого подавался с одной из фаз генератора. Амплитуда выпрямленного напряжения, длительность замкнутого и разомкнутого состояния контактов измерялись при помощи осциллографа модели С1-68.
На этой же установке экспериментально исследовались условия возникновения колебательного процесса в цепи возбуждения генератора. Первоначально был проведен расчет и определены граничные значения емкостей конденсаторов для различных режимов работы генераторной установки. Затем к контактам геркона подключались конденсаторы большей и меньшей емкости и по осциллографу проверялось наличие колебательного процесса в цепи возбуждения.
Климатические испытания резервных регуляторов напряжения проводились в соответствии с пунктом 1.13 ГОСТ 3940-84 /1.5/. Испытанию подверглось два регулятора напряжения. Для создания температурных воздействий, предусмотренных пунктом 1.13 ГОСТ 3940-84, регуляторы размещались внутри климатической камеры. Подключение регуляторов напряжения к генератору осуществлялось при помощи комплекта проводов, предусмотренного конструкцией камеры, и обеспечивающего совместную работу генератора и регуляторов напряжения в процессе воздействия на них высоких и низких температур. Генератор и аккумуляторная батарея размещались рядом с климатической камерой в условиях нормальных значений климатических фаісго-ров.
Привод ротора генератора осуществлялся от подвижного стенда. Нагрузка генератора носила активный характер и создавалась резисторами типа РСП. Частота вращения ротора генератора изменялась в диапазоне (1-6)103 мин 1 с шагом 103 мин"1. Ток нагрузки генератора изменялся в диапазоне I - 5 А; I -=" 0,5 1ном; I - Іном. В процессе исследований измерялась температура окружающей среды внутри климатической камеры и темиерату
pa внугри управляющей обмотки на поверхности корпуса геркона в непосредственной близости с контактирующими деталями. Подключение регуляторов напряжения в работу осуществлялось при изменении температуры внутри управляющей обмотки на 5 С. Выключение из работы регуляторов напряжения осуществлялось при стабилизации температуры внугри управляющей обмотки.
В процессе исследований измерялся ток нагрузки генератора и установившееся отклонение напряжения генераторной установки при работе с аккумуляторной батареей и без нее. Измерение параметров проводилось между клеммой «+» и «массой» генератора. По окончании испытаний проводилось измерение характеристик регулятора напряжения в холодном состоянии на стенде модели Э-240 в комплекте с генератором Г-287Б. По окончании проведения испытаний регуляторы напряжения разбирались для выявления механических повреждений, вызванных высокой (низкой) температурой.
Схема установки для проведения климатических испытаний показана на рис. 3.3. Внешний вид установки показан на рис. 3.4. Регуляторы напряжения испытывались при совместной работе с генератором Г-287Б (1), ротор которого приводился во вращение от стенда модели TZK-128H (2) (см. рис. 3.4). Климатические воздействия в соответствии с пунктом 1.13 (1.5) создавались при помощи камеры модели MZH-12 «Tabai» (3), внутри которой размещались резервные регуляторы напряжения (5,6). Температура окружающей среды и внутри управляющих обмоток измерялась при помощи термопар, расшифровку показаний которых с автомагической записью на бумажную ленту осуществлял самопишущий измеритель температуры модели Е 906 TZB. Изменение значения тока нагрузки генератора осуществлялось при помощи резистора RH. При этом ток нагрузки измерялся ампервольтметром модели М 2018 совместно с шунтом 0...75 мВ. Среднее значение напряжения генераторной установки фиксировалось по ампервольтметру М 2018.
Проверка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований
Для подтверждения адекватности модели (2.51) проведен ряд экспериментов с резервным регулятором не имеющим ускоряющих элементов, и с регулятором в схеме которого применен ускоряющий резистор (рис. 4.1). Исследовалось десять схем резервных регуляторов с различными значениями параметров цепи управления. Анализ полученных результатов (табл. 4.1) показывает, что модель, полученная в ходе расчетно-аналитических исследований, описывает процессы, происходящие в системе электроснабжения, работающей с резервным регулятором напряжения, с точностью до 5 % (рис. 4.2 а).
С целью подтверждения сходимости модели, описывающей условия возникновения колебательных процессов в цепи возбуждения генераторной установки, во всем диапазоне режимов функционирования для обеспечения снижения искрообразования подключался конденсатор, емкость которого устанавливалась несколько больше, а затем меньше граничного значения, определенного по предложенной во второй главе зависимости ( табл. 4.2).
Анализ полученных результатов (рис. 4.2 б) подтверждает достоверность модели, описывающей условия возникновения колебательного процесса.
Таким образом, с увеличением количества витков управляющей обмотки снижается мощность управления контакт-деталями с одновременным снижением частоты коммутации тока цепи возбуждения. При различных характеристиках генератора рациональные параметры цепи управления должны быть выбраны таким образом, чтобы, с одной стороны, обеспечить требуемый уровень качества электрической энергии, вырабатываемой генераторной установкой, в соответствии с требованиями нормативно-технической документации /1.1/, а с другой, чтобы обеспечить работу контакт-деталей в диапазоне наиболее благоприятных частот в поле рабочих характеристик герметичных магнитоуправляемых контактов (см. рис. 2.9). Для исследуемой системы таким значением частоты является значение равное 150 Гц, что соответствует количеству витков управляющей обмотки 4,5 10 .
С возрастанием тока нагрузки генератора и частоты вращения его ротора емкость искрогасительного конденсатора, при которой колебательный процесс отсутствует, возрастает. Для обеспечения стабильной работы генераторной установки, емкость искрогасительного конденсатора должна быть максимальной, однако для обеспечения благоприятных условий работы контакт-деталей емкость упомянутого конденсатора должна быть наименьшей из возможных. Следовательно, наиболее рациональным значением емкости следует признать ближайшее стандартное значение емкости, превышающее максимальное, обеспечивающее стабильное протекание процессов. Для исследуемой генераторной установки такое значение соответствует 0,5 мкФ.
Для стабилизации коммутации контакт-деталей и обеспечения возможности применения элементов с большим разбросом параметров в схему резервного регулятора напряжения дополнительно введены ускоряющий резистор R5 и диод VD, что вызвало необходимость в экспериментальном уточнении их рациональных параметров.
Для снижения постоянной времени генераторной установки, а следовательно, повышения добротности контура цепи возбуждения при разомкнутых контактах регулятора напряжения необходимо максимально увеличить значение управляющего резистора, однако, с увеличением значения добавочного резистора значительно возрастает ЭДС самоиндукции обмотки возбуждения во время коммутаций, что существенно ухудшает характеристики переходных процессов, активизирует процесс искрообразования, повышает уровень электромагнитных излучений. В связи с изложенным, во всем диапазоне частот вращения ротора генератора выявлена зависимость установившегося значения отклонения напряжения от значения дополнительного резистора в наиболее неблагоприятных условиях: при отсутствии тока нагрузки (за исключением тока цепи возбуждения при отключенной аккумуляторной батарее). Результаты исследования приведены на рис. 4.3 в качестве поверхности, устанавливающей соотношение между частотой вращения ротора генератора (п), значением дополнительного резистора (R) и напряжением, вырабатываемым генераторной установкой (U). Проекция поверхности на плоскость, ограниченную значениями сопротивления и отдаваемого напряжения (рис. 4.4), позволяет установить, что минимальное, а следовательно, и рациональное значение электрического сопротивления дополнительного резистора составляет ПО Ом. Однако, при таком значении добавочного резистора между контактирующими парами в процессе их функционирования наблюдалось значительное искрение, так как ЭДС самоиндукции на некоторых режимах достигала 300 В, что привело к необходимости установления искрогасительной RC- цепи и включению в состав схемы диода VD.
