Содержание к диссертации
Введение
1 Кластерные методы измерения многомерных перемещений и оценки деформаций элементов конструкций поршневых силовых установок 16
1.1 Поршневые силовые установки. Обобщенное представление объекта 16
1.2 Координатные и факторные составляющие многомерных перемещений элементов конструкций кривошипно-шатунного механизма 21
1.3 Измерение координатных составляющих смещений центра вкладыша шатунного подшипника и оценка деформации профиля его внутренней поверхности 25
1.4. Измерение координатных составляющих смещений центра шейки подшипника коренных опор 34
1.5 Измерение координатных составляющих смещения оси поршня 36
Выводы к разделу 1 42
2 Принципы построения системы измерения многомерных перемещений и деформаций на основе предложенных методов (структура, элементы алгоритмы) 44
2.1 Обобщенная структурно-функциональная схема системы измерения 44
2.2 Первичное преобразование сигналов в системе измерения 47
2.2.1 Одновитковые вихретоковые датчики 47
2.2.2 Измерительные цепи с одновитковыми вихретоковыми датчиками 51
2.3 Алгоритмы функционирования системы 61
2.3.1 Алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала 62
2.3.2 Алгоритмы вычисления координатных составляющих и оценки деформаций 67
Выводы к разделу 2 74
3 Погрешности системы измерения 76
3.1 Инструментальные погрешности 76
3.1.1 Анализ погрешностей измерительных каналов 78
3.1.2 Методы и алгоритмы коррекции аддитивных и мультипликативных погрешностей в измерительных каналах шатунного подшипника 91
3.2 Методические погрешности 111
Выводы к разделу 3 117
4 Системы измерения для стендовых испытаний элементов конструкций кривошипно-шатунного механизма двигателей внутреннего сгорания 121
4.1 Система измерения зазоров в шатунном подшипнике и
смещений шейки коленвала в подшипниках коренных опор 122
4.2 Модернизированная система. Измерение смещений вкладыша в шатунном подшипнике и оценка его деформации 133
4.3 Перспективы развития систем измерения 139
Выводы к разделу 4 146
Заключение 148
Литература
- Координатные и факторные составляющие многомерных перемещений элементов конструкций кривошипно-шатунного механизма
- Первичное преобразование сигналов в системе измерения
- Методы и алгоритмы коррекции аддитивных и мультипликативных погрешностей в измерительных каналах шатунного подшипника
- Модернизированная система. Измерение смещений вкладыша в шатунном подшипнике и оценка его деформации
Введение к работе
Актуальность темы. В современных силовых установках значительное влияние на основные показатели эффективности оказывают зазоры между подвижными и неподвижными элементами конструкции. В поршневых силовых установках это влияние в наибольшей степени проявляется в элементах конструкции кривошипно-шатунного механизма - соединениях «поршень-цилиндр», шатунных подшипниках и подшипниках коренных опор. Экономичность, надежность, экологичность (токсичность и шумность) поршневой силовой установки в конечном счете определяются зазорами между поршнями и цилиндрами, между шейками коленвала и вкладышами в шатунных подшипниках и опорными поверхностями в подшипниках коренных опор.
Очевидно, что перемещения элементов конструкции, формирующие зазоры, являются многомерными и в выбранной системе отсчета обычно характеризуются несколькими координатными составляющими. Диапазон и характер изменений перемещений на протяжении рабочего цикла зависят от режима работы поршневой силовой установки и соответствующих изменений тепловых, упругих и пластических деформаций элементов конструкций (например, смещения центра вкладыша шатунного подшипника относительно центра шейки коленвала зависят от силового воздействия со стороны поршня, инерционных сил и противодействия масляного клина, которые определяются скоростью вращения, геометрическими и физическими параметрами элементов конструкций, параметрами масла и окружающей среды, причем смещения центра вкладыша сопровождаются упругими деформациями профиля его внутренней поверхности, также влияющих на величину зазоров). Можно утверждать, что исследования поведения координатных составляющих многомерных перемещений, связанных с ними изменений зазоров, а также деформаций исключительно значимы в процессе разработки новых установок с более высокими показателями эффективности.
Однако, исследования перемещений (зазоров, деформаций), значения которых варьируются в пределах нескольких десятков микрон, методами моделирования не обеспечивают требуемой точности. Экспериментальные исследования также сопряжены с объективными трудностями: измерения должны выполняться в ограниченном пространстве, в условиях повышенных вибраций и температур (средние значения температур в соединении «поршень-цилиндр» достигают нескольких сотен градусов).
В таких условиях существующие методы и средства измерения имеют ограниченные возможности - они, как правило, ориентированы на измерение зазоров в конкретных видах элементов конструкций, но не обеспечивают измерение координатных составляющих смещений и деформации. В них отсутствует единая идеология и общие принципы построения, что препятствует разработке систем измерения, обслуживающих все элементы конструкции кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Кроме того, отсутствует какая-либо достоверная информация об эксплуатационной надежности и метрологической состоятельности существующих средств измерения.
Поэтому разработка новых методов и средств измерения многомерных перемещений элементов конструкций и их деформаций, а также систем измерения, построенных на основе единых принципов и общей идеологии с высоким уровнем автоматизации сбора, преобразования и обработки информации, требуемыми эксплуатационными и метрологическими показателями является актуальной задачей, решение которой имеет важное значение для промышленности.
Принятый подход к построению систем базируется на новых методах измерения многомерных перемещений элементов КШМ и оценки их деформаций в процессе экспериментальных исследований и испытаний поршневых силовых установок. Применяемые методы отличаются от существующих количеством датчиков и их размещением, принятыми допущениями и дополнительными операциями.
Предусматривается использование одновитковых вихретоковых датчиков (ОВТД) с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника с удлиненными тоководами, обеспечивающими функционирование ОВТД в соединении «поршень-цилиндр» в условиях повышенных температур (сотни градусов), а также ОВТД с укороченными тоководами - для работы в подшипниках КШМ, где изменения температуры значительно меньше (около ста градусов). ОВТД объединяются в кластеры и размещаются таким образом, чтобы их ЧЭ были ориентированы вдоль образующих поверхностей контролируемых элементов конструкций.
В соответствии с методом измерения координатных составляющих смещений центра вкладыша шатунного подшипника и оценки деформаций профиля его внутренней поверхности датчики размещаются в шейке колен вала (ЧЭ - на ее поверхности). Их число должно быть не менее четырех, причем четные и нечетные пары размещаются с угловым сдвигом 90 градусов, то есть на координатных осях X и Y системы остчета, жестко связанной с шейкой колен вала. В предположении, что деформация вкладыша происходит только в границах угла приложения равнодействующей сил, по результатам измерения зазоров в режиме «холодной» прокрутки от электропривода и в режиме «горячих» испытаний решением системы уравнений определяются неизвестные координатные составляющие и оцениваются деформации профиля внутренней поверхности вкладыша.
В крупногабаритных шатунных подшипниках более мощных силовых установок, когда в шейке колен вала можно разместить множество ОВТД, определение координатных составляющих и деформаций производится при допущении равенства деформаций профиля, контролируемых соседними датчиками.
В отличие от шатунных подшипников при измерении координатных составляющих смещений центра шейки коленвала в подшипниках коренных опор и незначительных деформациях шейки достаточно двух датчиков в кластере, расположенных вдоль координатных осей в крышке подшипника коренных опор.
Метод измерения координатных составляющих смещений оси поршня (в предположении отсутствия его деформаций) предусматривает размещение кластера ОВТД в цилиндре в нескольких уровнях (в плоскостях, перпендикулярных оси цилиндра). При этом в каждом уровне размещены два датчика по координатным осям Y, Z (ось цилиндра - координата X). Координатные составляющие смещений оси поршня, как и смещения элементов конструкций в подшипниках КШМ, находятся по измеренным значениям зазоров решением систем уравнений, составленных для двух уровней размещения ОВТД.
Система измерения, построенная на основе перечисленных методов, обеспечивает сбор, преобразование естественных выходных сигналов ОВТД в напряжение и цифровой код, а также вычисление координатных составляющих и деформаций. Для преобразования сигналов ОВТД в системе используются мосты Блумлейна или LR мосты с дифференцирующими усилителями и импульсным питанием, в которых реализуется один из известных методов тестовых переходных процессов - метод первой производной. Импульсное питание подается на все ОВТД одновременно, а сбор информации ведется в течении рабочего цикла поршневой силовой установки (за два оборота коленвала). Шаг квантования по углу поворота коленвала задается датчиком угловых положений и зависит от решаемых задач исследований. Для вычисления зазоров между поршнем и цилиндром, а также между шейкой коленвала и опорной поверхностью подшипника коренных опор используются семейства градуировочных характеристик измерительных каналов ОВТД при фиксированных значениях температуры, а также -значения кодов в каналах ОВТД и в каналах термопар, встроенных в датчики, обслуживающие соединение «поршень-цилиндр» или расположенных в непосредственной близости от датчиков, обслуживающих подшипник коренных опор. При этом осуществляется температурная коррекция результатов измерения.
Коррекция в каналах ОВТД, обслуживающих шатунный подшипник, основана на методах, в которых для устранения аддитивных погрешностей предусматривается использование «образцовых» сигналов - «нулевых» (минимальных) зазоров в режиме «холодной» прокрутки и средних значений зазоров за рабочий цикл установки (близких к значениям установочных зазоров). При этом вычисление зазоров в шатунном подшипнике производится с помощью градировочных характеристик измерительных каналов, аппроксимируемых линейными функциями.
Функционирование системы обеспечивают алгоритмы сбора, преобразования, выделения и отбраковки сигнала, алгоритмы вычисления зазоров по градуировочным характеристикам, аппроксимированным полиномиальными функциями, алгоритмы коррекции измерительных каналов и алгоритмы вычисления координатных составляющих и деформаций по найденным значениям зазоров в соответствии с рассмотренными методами.
В настоящее время известны многочисленные публикации Алешина В.И., Астрауха В.В., Бакума Н. В., Бойцова В.А., Вола В.А., Громыко В.Я., Гряника Г.Н., Захарова СМ., Кеба И.В., Козака А.И., Козловского В.Г., Коротеева СВ., Крутько СВ., Леонтьева А.Г., Ляшенко С.А., Нестерова В.Н., Никитина А.Ю., Никитина СП., Середина В.И., Скибы И.Т., Солодуха О.А., Cleveland P., Corless M, Drafts В., Gehrich M. J., Kim K.S., Kim S.S., Shih A.J., Tu J.F., Zosel P. [1 - 18], посвященные разнообразным методам измерения зазоров в силовых установках, их узлах и агрегатах.
В монографиях и статьях Абоимова М.А., Виноградова А.Н., Волченко Г.Н., Герасимова В.Г., Денисова В.А., Дмитриева Ю.С., Иванова В.В., Иванова Г.И., Католикова В.И., Клюева В.В., Легкобыта А.К., Лукина А.И., Полулеха А.В., Прокопьева В.Н., Рунга Э.Р., Стеблева Ю.И., Шатерникова В.Е., Шипова А.К., Bahniuk D.E., Billat A., Flueckinger N., Roach S.D., Vasseur P. аналогичные вопросы решаются вихретоковыми методами [19 - 26]. В работах Меркулова А.И. [27, 28] вихретоковые методы используются для измерения перемещений элементов конструкций лопаточных силовых установок по нескольким координатным осям, причем реализация методов осуществляется с помощью многовитковых датчиков с ограниченными температурными возможностями.
Появление высокотемпературных ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, предназначенных для применения в газовоздушном тракте компрессоров и турбин, явилось основой разработки кластерных методов и средств измерения координатных составляющих многомерных перемещений торцов лопаток, лопастей винтовентиляторов, оси вала в опорных подшипниках и т.п. Описание разработанных методов и средств содержится в публикациях Белкина В.М., Боровика С.Ю., Игонина С.Н., Квитко В.Г., Костина А.В., Ковалевой М.А., Пинеса В.Н., Райкова Б.К., Секисова Ю.Н., Скобелева О.П., Слепнева А.В., Тулуповой В.В., Хритина А.А. [29-40].
В диссертационной работе Секисова Ю.Н. [41] кластеры ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника предлагается использовать для измерений координатных составляющих многомерных перемещений элементов конструкций КШМ поршневых силовых установок и для оценки деформаций. Однако, предлагаемые методы имеют ограниченные возможности. В частности, для оценки деформации вкладыша шатунного подшипника приходится использовать не только измеренные значения зазоров, но и результаты моделирования смещений центра вкладыша, полученные путем решения уравнения баланса сил, которое не обеспечивает необходимой точности и создает определенные трудности при реализации в реальном времени. В соединении «поршень-цилиндр» измерения смещений поршня производятся только в одной плоскости в двух координатных направлениях (осевом и радиальном), хотя в реальных условиях они происходят в трехмерном пространстве, и это может быть причиной снижения точности. При этом в работе основное внимание уделено методам измерения в лопаточных машинах, а исследования и разработки, связанные с методами и средствами измерения в элементах конструкций КШМ, имеют обобщенный характер и недостаточно детализированы.
Следует также отметить, что несмотря на широкой круг исследований индивидуальных и групповых измерительных цепей, в которых реализован метод первой производной (диссертации Секисова Ю.Н., Скобелева О.П., Хритина А.А. [41 - 43]), основные характеристики дифференциальных измерительных цепей в виде LR мостов с ОВТД и дифференцирующими усилителями оказались практически неизученными. Кроме того, представляется полезной систематизация и классификация не только известных измерительных цепей и механических конфигураций ОВТД, но и датчиков, появившихся в последние годы.
Диссертационная работа призвана устранить пробелы в существующих исследованиях, снять указанные ограничения и связанные с ними недостатки в известных методах измерения, а также системах, реализующих эти методы.
Цель диссертационной работы - разработка теоретических основ построения систем измерения многомерных перемещений и деформаций элементов конструкций КШМ и их реализация в системах для экспериментальных исследований поршневых силовых установок. Постановка задачи. Для достижения указанной цели необходимы:
- разработка новых более совершенных методов измерения многомерных перемещений и оценки деформаций элементов конструкций КШМ поршневых силовых установок;
- разработка принципов построения систем измерения, реализующих эти методы (на уровне структур, элементов и алгоритмов);
- исследование погрешностей разработанных систем измерения;
- создание опытных образцов систем измерения, проведение метрологической аттестации измерительных каналов систем и проверка их работоспособности в лабораторных и производственных условиях.
Методы исследования основаны на использовании теории измерений, теории погрешностей, теории электрических цепей, операционного исчисления, численного анализа и методов имитационного моделирования на ЭВМ.
Научная новизна. Предложены кластерные методы измерения координатных составляющих смещений центра вкладыша шатунного подшипника и оценки деформаций профиля его внутренней поверхности, предусматривающие размещение минимального количества ОВТД (четырех датчиков) в шейке коленвала в предположении наличия деформации в границах угла приложения равнодействующей силы или размещение максимально возможного числа датчиков в предположении равенства деформаций в зоне контроля соседних датчиков. Предложен также кластерный метод измерения координатных составляющих смещений оси поршня, предусматривающий размещение ОВТД в цилиндре в трех уровнях по два датчика в каждом уровне. Разработаны принципы построения системы, реализующей предложенные методы (обобщенная структурно-функциональная схема и алгоритмы), оригинальный элемент системы - ОВТД с гибкими плоскими тоководами для измерений в соединении «поршень-цилиндр». Исследованы основные характеристики дифференциальных измерительных цепей в виде LR моста с дифференцирующим усилителем, включающего ОВТД и линии связи.
Исследованы погрешности измерительных каналов системы. Получены количественные оценки инструментальных и методических погрешностей. Разработаны методы и алгоритмы коррекции аддитивной составляющей погрешности в каналах, обслуживающих шатунный подшипник, где в качестве «образцовых» сигналов предлагаются минимальные значения зазоров в режиме «холодной» прокрутки и средние значения зазоров за рабочий цикл установки (установочные зазоры) в режиме «горячих» испытаний. Разработан метод и алгоритм коррекции мультипликативных погрешностей, причем в качестве «образцовых» сигналов предлагается использовать зазоры в области скосов вкладышей.
Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка литературы и приложений.
Раздел 1 посвящен методам измерения смещения центров вкладыша в шатунном подшипнике, шейки коленвала в подшипнике коренных опор, оси поршня относительно цилиндра, причем метод измерения смещений центра вкладыша шатунного подшипника предусматривает оценку деформации его поверхности. Подробному изложению методов предшествует описание поршневой силовой установки, как объекта измерения, приводится обобщенное представление процесса измерения, содержание которого детализируется в конкретных методах измерения. В разделе 2 излагаются принципы построения систем на уровне структур и алгоритмов. Рассматривается обобщенная структурно-функциональная схема системы измерения и ее элементы, осуществляющие первичное преобразование сигналов, в том числе приводятся описания датчиков и измерительных цепей, а также результаты исследований их основных характеристик. Рассматриваются также алгоритмы функционирования систем, включая алгоритмы сбора, преобразования и выделения информативного сигнала, алгоритмы вычисления координатных составляющих и оценки деформаций.
В разделе 3 исследуются инструментальные погрешности измерительных каналов системы измерения и методические погрешности, связанные с вычислением координатных составляющих и оценкой деформаций. Предлагаются методы коррекции аддитивных и мультипликативных погрешностей в измерительных каналах, обслуживающих шатунные подшипники, и алгоритмы их реализации.
В разделе 4 приводится описание нескольких модификаций систем, построенных на основе предложенных методов и принципов построения. Приведены их технические и метрологические характеристики, а также результаты измерений, полученные в процессе исследований двигателя внутреннего сгорания (ДВС) в производственных и лабораторных условиях.
Практические результаты. Созданы система измерения зазоров в шатунном подшипнике и смещений шейки коленвала в подшипниках коренных опор КПІМ ДВС, а также ее модернизированный вариант, который обеспечивает измерение смещений центра вкладыша шатунного подшипника и его деформаций. Определен состав базовых технических средств и разработан действующий макет перспективной системы, в котором использованы современные средства сбора и преобразования сигналов. Работоспособность системы измерения зазоров в шатунном подшипнике и смещений шейки коленвала в подшипниках коренных опор, характеристики системы были проверены в производственных условиях в процессе стендовых испытаний автомобильных ДВС в Отделе испытаний и доводки двигателей Дирекции по техническому развитию АО АВТОВАЗ. Модернизированный вариант системы был проверен в процессе лабораторных испытаний ДВС в ИГТУСС РАН.
На защиту выносятся:
- кластерные методы измерения координатных составляющих многомерных перемещений и оценки деформаций в элементах конструкции КШМ,
- структура и алгоритмы функционирования системы измерения, реализующей эти методы,
- результаты исследования основных характеристик и погрешностей,
- методы коррекции аддитивных и мультипликативных погрешностей в каналах, обслуживающих шатунный подшипник,
- система измерения зазоров в шатунном подшипнике и смещений шейки коленвала в подшипниках коренных опор и ее модернизированный вариант, в котором в дополнение к перечисленным параметрам обеспечивается измерение смещений центра вкладыша шатунного подшипника и деформаций профиля его внутренней поверхности, а также действующий макет перспективной системы и результаты их метрологических исследований.
Координатные и факторные составляющие многомерных перемещений элементов конструкций кривошипно-шатунного механизма
Большинство поршневых силовых установок выполняются многоцилиндровыми [46 - 49], но влияние этапов рабочего цикла на пространственно-временные изменения МП ЭК КШМ силовой установки можно рассмотреть на примере одноцилиндровой машины. От МП ЭК зависят зазоры в подвижных соединениях КШМ поршневой установки, которые определяют надежность, срок службы, шумность и другие важные технические характеристики установки. Величина зазоров должна быть минимальной, но и должна обеспечивать подвижность в соединениях во всем диапазоне режимов работы и внешних условий. Основными факторами, определяющими величины зазоров, являются температурные деформации и силовые воздействия на элементы конструкции установки.
В поршневой силовой установке можно выделить четыре вида взаимосвязанных соединений, это - «поршень-цилиндр», «поршень-шатун», «шатун - коленвал» и «коленвал - коренная опора» [44]. Так как энергетическая и тепловая напряженность двигательных поршневых установок выше по сравнению с установками, выполняющими только нагнетательную функцию, то именно на них будет ориентировано последующее изложение.
За рабочий цикл в зависимости от типа установки в соединении «поршень -цилиндр» (ПІД) поршень совершает одно или два возвратно-поступательных движения. Направление движения поршня задается стенками цилиндра.
Для обеспечения свободного перемещения поршня в цилиндре при любых режимах работы установки цилиндр изготавливается с большим диаметром по отношению к поршню. В результате поршень приобретает возможность перемещаться не только в осевом (поступательном), но и в радиальном направлении. Радиальная составляющая силы прижимает поршень в плоскости движения шатуна к стенке цилиндра. Величина радиальной составляющей силы зависит от углового положения шатуна, а при переходе через «мертвую» точку изменяется направление действия силы и, следовательно, поршень переходит на противоположную стенку цилиндра.
При перемещении поршня в радиальном направлении меняется пространственная ориентация его оси в связи со сложной геометрической формой его наружной поверхности. Для восприятия информации о пространственно-временном перемещении поршня (прежде всего в окрестности верхней «мертвой» точки (ВМТ)) необходимо разместить в стенке цилиндра кластер ОВТД. Количество ОВТД в кластере и точки установки датчиков должны обеспечить измерение КС МП поршня (ЧЭ ОВТД обращены к поверхности поршня).
Наибольшее распространение получил вариант соединения «коленвал шатун» на основе подшипника скольжения с вкладышем (шатунный подшипник - ШП). Для исключения «сухого» трения в ШП пространство между поверхностью шейки коленвала и поверхностью вкладыша шатуна заполняется моторным маслом. Величина зазора между шейкой коленвала и вкладышем изменяется по длине окружности вкладыша и зависит от начальных размеров шейки коленвала и вкладыша, рабочей температуры, вязкости масла, линейной скорости перемещения поверхностей коленвала и вкладыша, силового воздействия шатуна на вкладыш. Кроме того, изменение силовой нагрузки за рабочий цикл, упругая деформация и неравномерный износ поверхности вкладыша ведут к тому, что при каждом новом угловом положении коленчатого вала картина распределения зазора по длине окружности вкладыша меняется. Для исследования соединения «коленвал -шатун» на работающей установке необходимо разместить кластер ОВТД в шейке коленвала так, чтобы ЧЭ ОВТД были обращены к поверхности вкладыша и обеспечивали измерение КС его смещений относительно шейки.
Соединение «коленвал - коренная опора» по принципу действия также относится к подшипнику скольжения (подшипник коренных опор - ПКО). Опора размещена в корпусе двигателя и неподвижна, что и определяет размещение кластера ОВТД в опоре. Кластер ОВТД позволяет измерить КС МП шейки коленвала относительно опоры, а при наличии нескольких цилиндров выявить изгибные колебания коленвала за рабочий цикл.
На рисунке 1.3 [44] раскрывается содержание узлов, сборочных единиц, ЭК, КС МП и ФКС МП. В схеме взаимодействия обобщенной силовой установки и системы измерения (рисунок 1.2) преобразование МП ЭК осуществляется кластерами ОВТД, контролирующими перемещения поршня в соединении «поршень - цилиндр», вкладыша в ШП и шейки коленвала в ПКО. При этом в указанных преобразованиях используются три системы отсчета - жестко связанные с цилиндром, с шейкой в ШП и с коренной опорой в ПКО.
Для преобразования ПВС, ПСО и частично ПР используются датчики температуры, давления, изготавливаемые промышленностью (Две, Дпсо, ДПР, рисунок 1.2). Дополнительно для преобразования ПР применяются датчики момента (нагрузки на валу) и датчики частоты вращения ДЧВ. Последние используются также для цифрового преобразования угловых перемещений коленвала. Для точного преобразования угловых перемещений коленвала можно использовать и другие датчики, включая «многозонные» [50].
Первичное преобразование сигналов в системе измерения
На рисунке 2.1 представлена обобщенная структурно-функциональная схема СИ. Кластеры ОВТД располагаются как на неподвижных, так и на подвижных ЭК. Например, для контроля смещений вкладыша относительно шейки ШП кластер располагается в подвижной шейке, а при контроле смещений шейки относительно вкладыша в ПКО и смещений поршней относительно осей цилиндров кластеры ОВТД располагаются в крышках ПКО или стенках цилиндров соответственно.
Если ОВТД расположены на неподвижном ЭК, то преобразование естественных выходных сигналов датчиков (индуктивностей L) в напряжение производится непосредственно в мостах Блумлейна или LR « мостах с дифференцирующими усилителями, реализующими метод первой производной (ГТП) [55] и далее в усилителях выборки-хранения. При этом осуществляется одновременное (параллельное) и кратковременное импульсное питание всех мостовых схем с включенными в них ОВТД, коммутация, аналого-цифровое преобразование полученных квазипостоянных напряжений (U), а также последующая обработка. Если ОВТД расположены на подвижном ЭК, то передача их сигналов для последующего преобразования осуществляется с помощью контактного или бесконтактного токосъемника (ТС) [44, 56, 57].
Обработка, а также управление преобразованиями могут осуществляться ПЭВМ или микропроцессорами. Для этого необходима информация об угловых перемещениях приводного вала, получение которой обеспечивает датчик кадра (датчик частоты вращения-ДЧВ промышленного изготовления) и датчик угловых перемещений (ДУП).
С помощью ДЧВ формируются границы рабочего цикла. Если к разрешающей способности ДУП не предъявляются высокие требования, то его функции может исполнить зубчатый венец маховика в сочетании с ДЧВ [44]. Для получения высокой разрешающей способности могут использоваться другие разновидности датчиков [58 - 61], в том числе и многозонные токовихревые, причем для преобразования их сигналов можно применять технические решения аналогичные ОВТД [62].
Сигналы термопар (ТП), предназначенных для термокоррекции ОВТД, преобразуются в цифровой код Се и поступают на обработку. Обработка предусматривает фильтрацию или отбраковку цифровых кодов, вычисление КС и траекторий с учетом влияния температуры (9), оценки деформаций, представление полученных результатов как функций времени (угла поворота коленвала) в виде графиков или таблиц. Функции обработки могут быть расширены в зависимости от задач эксперимента и в перспективе включать процедуры верификации результатов измерений [63 - 66].
Рассматриваются принцип действия ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, известные варианты механической конфигурации этих датчиков, обосновывается новый вариант с удлиненными плоскими гибкими тоководами, предназначенный для использования в поршневой силовой установке.
Приводится краткий обзор существующих измерительных цепей (ИЦ) на основе моста Блумлейна и LR мостов с использованием дифференцирующих усилителей (ДУ), а также методов и средств их анализа. Рассматриваются вновь разработанные модели ИЦ с ДУ, позволяющие оценить основные характеристики ИЦ и влияние мешающих факторов.
Известны конструкции ОВТД с ЧЭ простейшей геометрической формы в виде линейного отрезка проводника, обеспечивающие работоспособность датчика и повторяемость его характеристик при воздействии дестабилизирующих факторов [30, 31].
Принцип действия ОВТД иллюстрируют схематические изображения, представленные в таблице 2.1 (колонка 1). ОВТД состоит из трех элементов: согласующего трансформатора, безиндуктивных тоководов и ЧЭ. С помощью удлиненных безиндуктивных тоководов ЧЭ вносится в зону измерения с неблагоприятными внешними условиями, в частности в зону с высокой температурой. Согласующий трансформатор расположен в нормальных условиях, а его первичная обмотка включается в ИЦ с импульсным питанием, реализующую метод ПП. Если ЧЭ датчика работает в условиях, приемлемых для магнитопровода, то необходимость в удлиненном тоководе отпадает.
Методы и алгоритмы коррекции аддитивных и мультипликативных погрешностей в измерительных каналах шатунного подшипника
В то же время известны методы, обеспечивающие коррекцию параметров уравнения преобразования в процессе функционирования объекта за счет вспомогательных измерений и образцовых сигналов [81 - 83]. Применительно к уравнению преобразования в виде линейной функции - это коррекция свободного члена и чувствительности, которая обеспечивает соответствующую коррекцию аддитивной и мультипликативной погрешности. Использование подобных методов вызывает необходимость анализа поведения КШМ поршневой силовой установки в режимах «холодной» и «горячей» прокрутки и исследования профиля внутренней поверхности вкладыша, основной целью которого является обнаружение таких входных сигналов ОВТД, которые можно было бы считать образцовыми для последующей коррекции. По сути дела результатом анализа должны быть значения зазоров между вкладышем и ЧЭ ОВТД (шейкой), которые сохраняли бы свое постоянство в процессе работы установки, при вариациях режима и воздействиях мешающих факторов (т.е. выполняли бы функции образцовых сигналов).
В настоящем разделе ведется поиск образцовых сигналов, а также приводится описание методов коррекции аддитивных и мультипликативных1 погрешностей каналов ОВТД, обслуживающих ШП, в которых используются найденные образцовые сигналы. Коррекция аддитивной погрешности. Рассматриваются два метода коррекции аддитивного смещения уравнения преобразования.
Первый метод использует результаты «холодной» прокрутки силовой установки, периодически проводимой в паузах процесса исследований объекта. В его основе - предположение о том, что в процессе вращения вкладыша и шейки существуют такие положения ЧЭ датчиков, когда действующие силы прижимают вкладыш к ЧЭ (к шейке) и зазор в зоне контроля датчика становится близким к нулю. Эта ситуация возникает при совпадении оси датчика и шатуна в положении ЧЭ, обращенном к шатуну.
Проверка предположения о наличии углов поворота коленвала, при которых зазоры в зонах контроля соответствующих датчиков близки нулю, проведена с помощью уравнения равновесия сил [51]. Для уменьшения количества однотипных преобразований все расчеты велись применительно к малогабаритному ШП, когда в шатунной шейке устанавливается четыре ОВТД. Расчетные соотношения для определения сил, действующих на шатунную головку КШМ (рисунок 3.3) и используемых при решении уравнения равновесия, а также условные обозначения сведены в таблицу 3.3. В строках 1 - 3 таблицы представлены сила от давления на поршень (FK) (в режиме «холодной» прокрутки сила FK связана с компрессией воздуха в надпоршневом пространстве), сила инерции F# и их суммарное значение F, представленное также на рисунке 3.3. В строке 4 таблицы приведена направленная вдоль шатуна (F#/) составляющая силы F, а в строках 5 и 6 -радиальная и тангенциальная составляющие силы Fui- Центробежная сила (Fu) приведена в строке 7. В строке 8 приведена суммарная внешняя сила (FT), а в строке 9 - уравновешивающая ее гидродинамическая сила (Ff). Уравнение равновесия имеет вид: Fz=Fr (3.5) Оно позволяет определить изменение зазоров (с) в зоне контроля каждого датчика за рабочий цикл через относительный эксцентриситет {%) (отношение смещения центра вкладыша от центра шейки к установочному зазору с0), который, в свою очередь, зависит от коэффициента грузоподъемности (0 (строки 10, 11, 12). Аппроксимация табличных зависимостей х f(Q) и вычисления зазоров представлены в Приложении Результаты расчетов приведены на рисунке 3.4. Из графиков видно, что при «холодной» прокрутке минимальные зазоры для ОВТДі наблюдаются при у/\ = 660 град., для ОВТДг - при у/2 = 575 град, для ОВТДз - при щ = 145 град., для ОВТД4 - при щ = 60 град. Для ОВТДі и ОВТД4 они составляют 1.5 мкм, для ОВТДг - 6 мкм и для ОВТДз - 5 мкм.
Полученные минимумы зазоров подтверждают выдвинутые ранее предположения. С известной степенью приближения, которая согласно выполненным расчетам составляет единицы микрон, они могут быть выбраны в качестве нулевых для коррекции уравнений преобразования всех четырех измерительных каналов1.
Иначе говоря, «нулевые» зазоры в режиме «холодной» прокрутки являются искомыми «образцовыми» сигналами на входах измерительного канала, а процедура коррекции сводится к выбору значений кодов в каждом канале при найденных угловых положениях коленвала {щ, Уг, №, Щ)-Выбранными значениями кодов заменяются свободные члены в прежних уравнениях преобразования, которые затем используются в обработке полученных данных «горячей» прокрутки силовой установки. Процедура коррекции повторится после очередной «холодной» прокрутки, завершающей серию «горячих» испытаний.
Модернизированная система. Измерение смещений вкладыша в шатунном подшипнике и оценка его деформации
Поочередно для каждого измерительного канала ШП осуществляется выборка значений кодов, соответствующих угловым координатам начала и конца скоса (Ст{у/и) и Стіщі), Cm(Vi\) и CmWii) Сзи(Узі) и СжІУгг), Сщ(щ\) И С4И( 42)), И вычисление приращения кода на скосе (блоки 4, 5, 6). Затем вычисляется отношение приращения кода к глубине скоса с учетом поправки є (блок 7) и вносится поправка є на изменение чувствительности в области скоса (блок 8). По результатам коррекции формируется массив новых значений чувствительности для всех измерительных каналов ШП (блок 9).
В заключение, оценивая точность предлагаемых методов коррекции аддитивных и мультипликативных погрешностей, необходимо отметить, что она в основном определяется «образцовыми» сигналами.
Что касается «образцовых» сигналов в методах коррекции аддитивной погрешности, то их экспериментальная оценка представляет серьезные трудности и в связи с этим приходится использовать результаты расчета «нулевых» зазоров (первый метод) и разброса средних значений зазоров в каналах ОВТД относительно установочного зазора (второй метод).
Для рассматриваемого примера маломощной силовой установки расчетные значения «нулевого» зазора в каналах ОВТД составляли 1 -г 6 мкм (страница 93), а разброс средних значений не превышал 3 мкм (страница 98). Указанные расчетные значения можно использовать для оценки точности обоих методов. Если зазоры изменяются в диапазоне 100 мкм, то относительные приведенные погрешности не превышают 6% для первого и 3% для второго метода.
Что касается метода коррекции мультипликативных погрешностей, то «образцовые» сигналы формируются на скосах в области стыков двух половин вкладышей. Скосы могут быть аттестованы с высокой степенью точности. Однако, в этом случае на «образцовый» сигнал оказывает влияние изменения зазоров на различных режимах работы поршневой установки.
Неучтенные вариации зазоров являются причиной погрешностей метода коррекции мультипликативных погрешностей. Расчетные значения этих вариаций не превышают около 1 мкм, что составляет 1% от диапазона изменений зазора.
Таким образом, предлагаемые методы коррекции обеспечивают существенное снижение аддитивной составляющей инструментальной погрешности и могут быть рекомендованы к практическому использованию в тех каналах СИ, которые обслуживают ШП.
Вместе с тем, сравнение мультипликативной составляющей инструментальной погрешности измерительного канала без коррекции (стр. 89) и погрешность предлагаемого метода коррекции той же составляющей не выявляют существенного различия. Поэтому практическое использование метода в каналах СИ, обслуживающих ШП, рассматриваемой силовой установки вряд ли целесообразно, но его применение необходимо в тех случаях, когда погрешности измерительного канала много больше погрешности предлагаемого метода.
Приведенные в настоящем разделе материалы дают представление о точности вычислительных алгоритмов системы, реализующей методы измерения КС и оценки деформации.
Рассматриваемые методические (алгоритмические) погрешности связаны, главным образом, с упрощающими допущениями в отношении физических процессов в исследуемых ЭК и некоторых геометрических параметров. Применительно к ШП - это допущения в отношении направления равнодействующей силы, вызывающей деформацию вкладыша, и величины угла приложения этой силы. В ПКО и соединении «поршень цилиндр» - неучтенные в расчете кривизна шейки и поршня (соответственно).
Рассматриваются погрешности вычисления КС смещения центра вкладыша ШП и его деформации, связанные с моделью угла приложения силы и ее направлением.
Пусть в шейке ШП размещены четыре ОВТД. Если реальный угол приложения силы (фпр) окажется меньше предполагаемого в исходной модели деформации угла (рп = 180 град, (раздел 1.3, рисунок 1.5), то оценка деформации окажется завышенной (рисунок 3.10).
Для количественной оценки погрешности используется модель распределения деформации по закону косинусоиды [51]. Максимальное значение погрешности определяется выражением АУЯтах =A max-cos——, где Лй?тах- максимальное значение деформации. Полагая, что фпр= 170 град., Admax = 50 мкм, абсолютное значение погрешности Дугьтх = 4.4 мкм.
Относительная погрешность, приведенная к максимальному значению измеряемого зазора стах, может быть найдена по формуле Wax= 100%. При W= 100 мкм Wmax = 4.4%. max Рисунок 3.11, а поясняет происхождение погрешности от расхождения между реальным и моделируемым направлением силы, вызывающей деформацию вкладыша ШП. Значение погрешности в пределах угла ср, составляющего половину угла приложения ((рп), определяется выражением Аяс =tfmax[cos(# )-cos( -/?)], где р - угол между реальным и моделируемым направлениями действия силы (F, Fp).
