Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования энергетических показателей и характеристик (ЭПХ) регуляторов частоты вращения (РЧВ) дизелей
1.1. Анализ существующих методов исследования ЭПХ РЧВ 10
1.2. Выводы по результатам анализа состояния вопроса 30
1.3. Предмет проводимого исследования 32
1.4. Обоснование выбранного направления исследования 34
1.5. Цель и задачи исследования 38
Глава 2. Программа и методики проведения исследования
2.1. Программа исследований 39
2.2. Используемые методы теоретического исследования САРЧВ дизелей 43
2.2.1. Методики математического моделирования САРЧВ дизеля 43
2.2.2. Методики математического моделирования ЭПХ РЧВ 44
2.3. Методы экспериментального исследования САРЧВ и РЧВ дизелей 45
2.3.1. Задачи экспериментального исследования 46
2.3.2. Приборы и аппаратура в проводимом исследовании 49
2.3.3. Особенности методик экспериментального исследования 58
Глава 3. Разработка динамических математических моделей элементов САРЧВ дизелей
3.1. Системный анализ взаимосвязей ЭПХ РЧВ и эксплуатационных показателей САРЧВ дизеля 61
3.2 Системный анализ факторов и причин изменения настроек САРЧВ 63
3.3 Динамические математические модели элементов дизеля как объекта управления и регулирования (ОУ) 66
3.3.1 Функциональная и структурная схемы модели дизеля как ОУ 66
3.3.2 Математическая модель процессов сгорания в дизеле как ОУ 68
3.3.3 Описание динамики движения кривошипно-шатунного механизма 69
3.3.4 Динамическая математическая модель сил сопротивления на рейке топливного насоса высокого давления (ТНВД) дизеля 72
3.3.5 Полная динамическая математическая модель дизеля как ОУ 73
3.3.6 Идентификация параметров динамических математических моделей элементов дизеля как объекта управления 74
3.4 Математические модели динамических и ЭПХ регулятора 80
3.4.1 Функциональные и структурные схемы модели РЧВ дизеля 80
3.4.2 Математическая модель центробежного измерителя частоты вращения и встроенного фильтра крутильных колебаний (демпфера) 81
3.4.3 Математическая модель гидравлического тракта регулятора 83
3.4.4 Математическая модель динамики серводвигателя 88
3.4.5 Математическая модель механических потерь и ЭПХ РЧВ 90
3.4.6 Математическая модель разогрева регулятора 95
3.5 Динамическая математическая модель САРЧВ дизеля 98
3.6 Оценивание параметров, точности и адекватности разрабатываемых математических моделей процессов в САРЧВ и регуляторах 99
Глава 4. Анализ результатов моделирования и экспериментального исследования характеристик дизелей как объектов управления и ЭПХ регуляторов
4.1 Анализ результатов наблюдений по отказам РЧВ в эксплуатации 101
4.2 Анализ характеристик дизелей и их нагрузочных устройств на штатных дизельных стендах заводов изготовителей 102
4.3 Исследование и анализ неравномерности частоты вращения привода РЧВ на дизельных стендах 104
4.4 Анализ сил сопротивления на рейках ТНВД дизелей 109
4.5 Исследование и анализ динамических характеристик элементов РЧВ . 110
4.6 Исследование динамики процессов нагрева и охлаждения РЧВ 130
4.7 Анализ динамики переходных процессов элементов САРЧВ 135
4.8 Исследование и анализ энергетических характеристик РЧВ дизеля 139
4.9 Выводы по результатам моделирования и экспериментального исследования 141
Глава 5. Оптимизация энергетических характеристик РЧВ . 142
5.1 Формирование оптимизационной математической модели 143
5.2 Критерии качества работы РЧВ дизелей с учетом ЭПХ 144
5.3 Параметрическая оптимизация энергетических характеристик РЧВ 147
5.3.1 Параметрическая оптимизация гидравлического аккумулятора 152
5.3.2 Оптимизация мощности механических потерь в РЧВ дизеля 156
5.3.3 Оптимизация диапазонов температур по использованию различных марок масел (рабочих жидкостей) в РЧВ дизеля 159
5.4 Выводы по результатам оптимизации энергетических характеристик.. 162
Общие выводы 162
Список использованной литературы 164
Приложения 173
- Обоснование выбранного направления исследования
- Системный анализ факторов и причин изменения настроек САРЧВ
- Идентификация параметров динамических математических моделей элементов дизеля как объекта управления
- Исследование и анализ динамических характеристик элементов РЧВ
Введение к работе
Как показывает практика эксплуатации, дизели продолжают оставаться основными источниками механической энергии, работающими в различных климатических зонах нашей страны и за рубежом. Широкое распространение дизелей обусловлено их лучшими показателями эффективности. Большая часть времени работа дизелей в эксплуатации осуществляется на неустановившихся режимах, которые характеризуются переходными процессами пуска, изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала.
В условиях эксплуатации на установившихся и неустановившихся режимах эффективность работы дизелей определяется мощностными показателями, показателями топливной экономичности и долговечности (надежности), которые снижаются на неустановившихся режимах.
САРЧВ является одной из основных систем дизелей, техническое состояние которой предопределяет их мощностные и экономические показатели на установившихся и неустановившихся режимах работы, надежность, стабильность и устойчивость системы.
Высокое качество САРЧВ, в первую очередь, определяется показателями, статическими и динамическими характеристиками РЧВ и его техническим состоянием (ТС).
Как показывают исследования и практика эксплуатации, на дизелях целесообразно устанавливать РЧВ непрямого действия. Конструкции этих РЧВ более сложны и дороги, но лучше обеспечивают требуемые законы регулирования и управления дизелем.
Множество разнообразных воздействий РЧВ со стороны окружающей среды и особенности протекания внутренних процессов с течением времени снижают ТС РЧВ, отрицательно сказываются на изменении точности САРЧВ, вызывают нежелательные изменения состояния всей системы, приводят к снижению работоспособности РЧВ и САРЧВ, к появлению отказов.
До 35% отказов большегрузных автомобилей приходится на САРЧВ дизелей, из них 20% на исполнительные устройства РЧВ непрямого действия. Отказы, вызванные нарушением энергетических показателей вследствие износа, сказываются на снижении качества САРЧВ, производительности автомобилей и топливной экономичности в нестационарных режимах работы, приводя к перерасходу топлива и поломкам, из-за тепловых износов, снижения термопрочности и т.д.
Расходы на поддержание работоспособности дизеля, включая САРЧВ, во много раз выше затрат на его изготовление, в 6-7 раз выше его первоначальной стоимости [30]. На систему организации ТО и ремонта приходится 18% доли от общих затрат, 21% - на эксплуатационные материалы. Это указывает на еще не
использованные резервы по совершенствованию элементов САРЧВ дизеля и системы его технического обслуживания и ремонта.
Существующие тенденции по непрерывному ужесточению технических
требований к качеству регулирования и управления эффективными
показателями дизелей (САРЧВ) определяют необходимость
совершенствования РЧВ.
Развитие конструкций РЧВ дизелей осуществляется совершенствованием и усложнением их функциональных схем, повышением степени автоматизации, за счет внедрения в конструкцию РЧВ дополнительных корректирующих устройств, устройств защиты и других, использующих часть гидравлической энергии РЧВ. На дизелях наиболее распространены конструкции механико-гидравлических РЧВ и электронных с гидравлическими серводвигателями в качестве выходных исполнительных устройств, так как они обладают наилучшими удельными массовыми и энергетическими показателями.
Необоснованный рост количества дополнительных встроенных устройств в РЧВ обусловливает появление отказов, что определяет жесткие требования к управлению и использованию энергетических показателей и характеристик РЧВ, необходимость теоретического обоснования количества полезной, аккумулируемой, механической энергии потерь, связанной с трением и затрачиваемой энергии. Отсутствие точного расчета в этом вопросе приводит к необходимости завышения выходной мощности на исполнительном элементе (органе) РЧВ. Вопросы обоснования и расчета потребной мощности исполнительного устройства РЧВ в технической и научной литературе отражены недостаточно. Отсутствуют объяснения факта существенного изменения усилия сопротивления на рейке ТНВД от частоты вращения дизеля и его зависимости от конструктивных параметров ТНВД. Поэтому потенциальные возможности РЧВ дизелей используются недостаточно. Развитие этого вопроса сдерживает и недостаточное теоретическое обоснование процесса выбора масел (рабочих жидкостей), приводящее к перегреву деталей РЧВ, к снижению или нарушению их работоспособности в условиях критических температур окружающей среды.
Рост количества вспомогательных корректирующих устройств в РЧВ,
использующих его энергию, без их теоретического обоснования установки и
учета изменений в перераспределении энергетических показателей,
увеличивает вероятность отказов САРЧВ, приводят к росту
* непроизводительных статей затрат (убытков) в эксплуатации автомобилей.
При этом уровень технического обслуживания остается низким, технические решения принимаются на основе дорогостоящих экспериментальных исследований, недостаточно используются современные теоретические разработки и новые технологии. Оценка технического состояния
САРЧВ и ее элементов (узлов, деталей, рабочих жидкостей и пр.) после ремонта, необходимые настройки и регулировки производятся непосредственно на дизеле, что требует больших затрат по топливу и других материальных затрат. Отсутствует теоретическое обоснование их рационального использования и условий технического обслуживания.
Одним из основных направлений повышения эффективности САРЧВ дизелей является разработка и использование научно-обоснованных решений по совершенствованию технического обслуживания РЧВ непрямого действия в составе САРЧВ дизеля. В связи с этим разработка новых способов повышений надежности РЧВ, совершенствования их технического обслуживания является актуальной задачей в современных условиях.
Основой совершенствования показателей САРЧВ и ее элементов (РЧВ) является изучение закономерностей взаимодействия процессов дизеля и РЧВ, влияния эксплуатационных факторов и особенностей режимов. Этот вид закономерностей целесообразно установить на основе физической сущности явлений, с целью прогнозирования изменений показателей РЧВ (САРЧВ) и эффективного управления.
Совершенствование показателей РЧВ сдерживает недостаточная изученность: большого многообразия взаимодействующих процессов внутри САРЧВ и возмущений со стороны окружающей среды в различных условиях эксплуатации; причин и факторов изменения ТС РЧВ, статических и динамических характеристик РЧВ с изменением его ТС.
Совершенствование конструкции САРЧВ ДВС требует подробного описания и изучения рабочих процессов в ее элементах, согласования их параметров и управления ими с учетом изменения режима эксплуатации дизеля.
Экспериментальная доводка опытных САРЧВ на дизельном стенде в лаборатории и в полевых условиях требует больших материальных затрат. В период доводочных работ снижение этих затрат возможно при использовании математического моделирования процессов САР и РЧВ и режимов работы дизеля в сочетании с алгоритмами оптимизации.
Практика исследования и проектирования указывает на недостаточное использование для совершенствования конструкции РЧВ непрямого действия методов теплопроводности, методов математического программирования и оптимизации.
Возможное значительное снижение затрат на исследование, доводку и совершенствование ТО РЧВ за счет: совершенствования теоретических методов анализа, синтеза, моделирования и оптимизации процессов в РЧВ, внедрения методик ТО с применением новых технологий полунатурного моделирования, - определяет новизну и актуальность исследования.
Цель работы: совершенствование технических средств моделирования САРЧВ дизеля и конструкции РЧВ посредством разработки оптимальных стратегий согласования параметров конструкции и рабочей жидкости с динамическими и энергетическими характеристиками элементов САРЧВ.
В данной работе с применением системного анализа разрабатываются и исследуются математические модели (ММ): основных процессов дизеля как объекта регулирования, элементов РЧВ дизеля непрямого действия как подсистем с распределенными параметрами, оценки эффективности и надежности РЧВ. По экспериментальным данным методами нелинейной регрессии и авторегрессионными методами осуществляется идентификация (оценивание) параметров ММ элементов САРЧВ, уточняется и развивается понятие ЭПХ элементов РЧВ, проводится параметрическая оптимизация ЭПХ РЧВ, исследуется тепловое состояние РЧВ и динамика его разогрева, теоретическое обоснование оптимальных диапазонов температур использования масел с различными вязкостно-температурными характеристиками. Оценивается возможность согласования рабочих процессов разрабатываемого РЧВ с целью снижения эксплуатационных затрат по дизелю.
Объект исследования: механико-гидравлический регулятор частоты вращения с автономной системой циркуляции масла в САРЧВ дизеля.
Предметом проводимого исследования являются: структура САРЧВ дизеля, ее влияние на качество переходных процессов; закономерности взаимодействия подведенной, используемой, аккумулируемой энергий и энергии теряемой в элементах РЧВ, т.е. взаимосвязи между энергетическими показателями; закономерности изменения и влияния теряемой энергии (мощности механических потерь) на процессы локального разогрева элементов регулятора; закономерности влияния температур, скоростного режима дизеля и различных вязкостно-температурных характеристик масел (рабочих жидкостей) на мощность механических потерь в регуляторе; влияние свойств масел на ЭПХ; закономерности изменения теплового состояния и ЭПХ при разогреве и охлаждении РЧВ; структура моделей дизеля как объекта управления и регулирования, описывающих режимы пуска, холостого хода, сброса или наброса нагрузки на дизель, закономерности влияния неравномерности частоты вращения коленчатого вала дизеля на динамику САРЧВ; закономерности использования ММ дизеля как ОУ и регулирования в составе ЭМС с реальным РЧВ, имитирующих работу САРЧВ дизеля; закономерности изменения и взаимного влияния статических и динамических характеристик элементов РЧВ дизеля.
Обоснование выбранного направления исследования
Общепринятая методика описания дизеля как объекта регулирования и управления не учитывает неравномерность частоты вращения приводного вала РЧВ. Практика доводки САРЧВ указывает, что это неравномерность частоты вращения в первую очередь вызывает колебания рейки ТНВД, возрастание неравномерности подачи топлива по цилиндрам дизеля, снижение его мощности и повышение износа деталей САРЧВ.
При исследовании работы РЧВ в САРЧВ, как при математическом моделировании всей системы, так и при испытании регуляторов на стендах необходимо учитывать неравномерность вращения в приводе регулятора, соответствующую реальным условиям эксплуатационных и нагрузочных режимов двигателя.
Знание величины усилия сопротивления в приводе реек ТНВД дизеля необходимо для выбора регулятора частоты вращения для дизеля или проектирования нового. Максимальная величина этого усилия определяет требуемую работоспособность регулятора, т.е. величину работы выполняемой исполнительным органом регулятора по преодолению этого сопротивления.
Уточнение динамической ММ усилия сопротивления, требуемого для перемещения рейки ТНВД дизеля, способствует росту адекватности моделирования САРЧВ, совершенствованию методик согласования ЭПХ серводвигателя и других элементов РЧВ с ЭПХ ТНВД, снижению необоснованных запасов энергии, подводимой к РЧВ (серводвигателя), увеличения работоспособности и надежности РЧВ в эксплуатации (снижение отказов, увеличение срока службы).
Уточнение динамической ММ дизеля как ОУ позволяет: повысить качество настроек при доводке и оценке ТС САРЧВ на ЭМС; максимально приблизить условия проведения доводочных и настроечных работ по САРЧВ дизеля к эксплуатационным; способствует снижению количества расходуемого дизельного. топлива для испытаний на штатных силовых дизельных установках.
Совершенствование методик оценки САРЧВ на ЭМС, способствует повышению качества и точности этих оценок, обоснованности принимаемых решений о ТС РЧВ и его элементах, сокращению материальных затратам и времени, необходимых для этих оценок.
Интенсивность нагрева регуляторов и его узлов, направленность тепловых потоков и их локальные значения в настоящее время являются совершенно не изученными. Поэтому решение данных вопросов является насущной необходимостью при разработке регуляторов повышенной работоспособности, при форсировании существующих РЧВ по параметру работоспособности.
Развитие ММ, описывающих тепловое состояние и интенсивность разогрева РЧВ и его элементов, способствует решению задач при разработке малогабаритных РЧВ и РЧВ с большой выходной мощностью. Позволит обосновать необходимость применения дополнительных нагревательных приборов для стабилизации теплового состояния РЧВ дизелей в условиях эксплуатации при критических температурах окружающей среды.
В гидравлических подсистемах отечественных РЧВ непрямого действия используются масла нефтяного происхождения. Наиболее распространенными в отечественных РЧВ являются авиационные масла МС-20 и МК-22. Эти масла термостабильны, не вспениваются в обычных условиях, но их вязкостно-температурные свойства не соответствуют требованиям при низких температурах окружающей среды.
По своим характеристикам авиационные масла достаточно полно удовлетворяют требованиям к рабочим жидкостям для РЧВ в диапазоне температур масла регулятора в пределах 80... 100 С. На транспортных машинах, при низких температурах окружающей среды, применение масла МС-20 создает серьезные трудности. В этих условиях желательно применение масла с более низкой вязкостью, например, М-14.
Решение вопроса о выборе марки масла, связано с условиями работы РЧВ. При проектировании РЧВ принята следующая стратегия выбора марки масла: если регулятор проектируется для широкого применения в самых различных условиях, то марку масла (его вязкостно-температурную характеристику) нужно выбирать, ориентируясь на самые тяжелые условия работы регулятора, но расчет гидросистемы регулятора вести таким образом, чтобы обеспечить минимум непроизводительных утечек масла из напорной полости гидросистемы.
По данным ЦНИДИ в дизелях производства отечественных дизелестрои-тельных заводов в настоящее время применяются моторные масла: М-ЮВгС, М-10Г2ЦС; М-14В2, М-14Г2, М-14ДМ, М-14Г2ЦС; М-20А, М-20В2Ф. Наибольшее распространение имеют масла с вязкостью 10 и 14 мм2/с, группы В.
При исследовании возможности применения этих масел в РЧВ производства завода "Сардизель" были выбраны масла М-10В2, М-14В2 и контрольное — МС-20, марка которого рекомендуется изготовителями РЧВ Саратовского дизельного завода. Сравнительный эксперимент производился на трех серийных регуляторах типа РН-30.
Развитие методики выбора для РЧВ марок масел с различными вязкостно-температурными характеристиками в качестве рабочих жидкостей может позволить снизить мощность механических потерь в элементах РЧВ, повысить работоспособность этих элементов, увеличить ресурс работы РЧВ, снизить количество отказов в эксплуатации.
Повышение эффективности и производительности РЧВ возможно обеспечить за счет минимизации энергии потребляемой на выполнение заданной работы.
Энергетика процессов, протекающих в подсистемах РВЧ, определяет и предельные их возможности в отношении быстродействия и точности (САРЧВ). Оценка состояния энергетики процессов механико-гидравлической системы производится в процессе энергетического расчета (анализа) с помощью энергетических показателей и характеристик. Исследование энергетики процессов в РЧВ направлено на: выявление наилучших значений энергетических показателей в различных рабочих режимах, закономерностей их изменения при изменении показателей рабочих режимов работы РЧВ, т.е. наилучших энергетических характеристик.
Совершенствование анализа и синтеза энергетических показателей и характеристик элементов РЧВ (ЦИС, демпфера, серводвигателя отрицательной изодромной механико-гидравлической обратной связи, аккумулятора и др.) способствует развитию теории автоматического регулирования тепловых двигателей, может позволить использовать исследуемые ЭПХ элементов РЧВ в качестве нормативных при оценке ТС РЧВ при его доводке и в эксплуатации. Таки образом, преимущества и мотивы выбранного направления исследования процессов в САРЧВ дизеля с РЧВ непрямого действия состоят в следующем: с научно-технической точки зрения - изучение и описание новой комбинации процессов, их моделей, проведение работ по моделированию процессов в конструкции разрабатываемой САРЧВ с РЧВ непрямого действия, способствуют развитию научной теории процессов в САРЧВ, формированию новых научных фактов и их использованию для совершенствования процедур проектирования; - развитие методики теоретического исследования и оптимизации РЧВ спо собствует расширению существующих и постановке новых теоретических це лей и задач, например, задач оптимального управления процессами в САРЧВ, согласования процессов в ОУ и РЧВ с режимами работы дизеля.
Системный анализ факторов и причин изменения настроек САРЧВ
Модель мощности механических потери в РЧВ формируется двумя способами: на основе применения регрессионных методов к экспериментальным данным и из физических моделей основных законов гидродинамики и теплопередачи, с учетом специфических граничных условий изучаемых элемента РЧВ.
Формирование закономерности изменения усилий на рейке ТНВД дизеля от частоты вращения, параметров насоса и положения рейки производится на основе теории подобия. Тепловое состояние описывается на основе теорий термодинамики и теплопередачи, при выявлении источников тепла, описании их интенсивностей, структуры потоков тепла, баланса потоков тепла (законы сохранения).
Динамические математические модели, характеризующие изменение теплового состояния, разрабатываются для двух уровней моделирования. На первом уровне разрабатываются ММ теплопередачи с сосредоточенными элементами в форме дифференциальных уравнений с обыкновенными производными (эллиптические и параболические дифференциальные уравнения) с учетом процессов конвективной теплопередачи на границах.
Во втором уровне формируются ММ с распределенными параметрами на основе дифференциальных уравнений с частными производными. Моделирование тепловых процессов на втором уровне осуществляется с применением метода конечных элементов (МКЭ) с учетом начальных и граничных условий.
Основу параметрической оптимизации СФ ОГ дизеля составляют: теория вариационного исчисления, теория нелинейного программирования, и тория исследования операций. Формирование оптимизационных математических моделей производится по следующим направлениям: выбор принципов оптимальности; выделение значимых целей, их формализация и ранжирование; формирование критериев качества и оптимизации, целевой функции; выбор основных процессов в изучаемой системе; разработка ММ процессов, подлежащих оптимизации; выделение варьируемых переменных и параметров и моделей ограничений (в форме равенств или неравенств); выбор или разработка алгоритма поиска оптимального решения методами линейного или нелинейного программирования (или с помощью разрабатываемого численного метода вычислительной математики).
Рассмотренные выше цели и задачи научного исследования определяют выбор, постановку и организацию экспериментального исследования САРЧВ и энергетических характеристик РЧВ. Эксперимент предполагает оценку и исследование с определенной целью реакции изучаемой системы (процесса) на сформированное (планируемое или не планируемое) возмущение (или управление). По наблюдаемым особенностям реакций и возмущений устанавливаются закономерности изучаемой системы или процесса, определяются её параметры (константы процессов).
Для наилучшего гарантированного решения задач исследования использовались следующие методы экспериментального исследования: натурные, лабораторные (активные и пассивные), модельные и комплексные.
Натурный эксперимент обеспечивает достаточное соответствие (адекватность) условий эксперимента реальным условиям работы проектируемой и исследуемой САРЧВ. Поэтому, полученные здесь результаты экспериментов используются для того, чтобы констатировать новые факты для разработки математических моделей и контролировать результаты, полученные в лабораторных методах исследования. Однако натурные эксперименты с САРЧВ с дизелем большой мощности отличаются высокими материальными и временными затратами и их целесообразно заменять лабораторными методами исследований. Эта задача наилучшим образом решается в лабораторных условиях комбинированием элементов натурных и модельных методов исследований, т.е. при полунатурном экспериментальном исследовании [14, 54, 69].
Реализация и совершенствование метода экспериментального исследования осуществляется по следующим направлениям: выбор и совершенствование способа формирования условий эксперимента; решение вопросов организации проведения эксперимента; выбор способа и качественное совершенствование характеристик внешних воздействий на изучаемый объект; выбор и совершенствование характера взаимодействия средств экспериментального исследования с изучаемым объектом. Существуют различные способы создания требуемых условий работы исследуемой САРЧВ по внешним воздействующим факторам, виды испытательных воздействий и способы внесения их в систему. При исследовании САРЧВ дизелей обычно вносят следующие возмущения: резкие и плавные изменения режимов работы системы с помощью изменения входных параметров (настройки тормоза, изменение нагрузок, перемещение реек ТНВД, настройки и регулировки РЧВ); переключение и изменение структуры САР (переход на другую конфигурацию); регулирование ТНВД (управление характеристиками цикловой подачи топлива); гармонические и не гармонические воздействия по ЧВ приводного валика РЧВ, при определении частотных характеристик; подогрев элементов и рабочих жидкостей и др. Анализ способов внесения таких возмущений показывает, что все они требуют создания специального оборудования. Это усложняет работу исследователя, увеличивает затраты времени и средств на проведение исследований. Все воздействия по ЧВ при исследовании динамических характеристик элементов САРЧВ можно разделить на три вида: линейные (пропорциональные времени), скачкообразные и гармонические. Реализация требуемых характеристик гармонических воздействий ограничивается мощность исполнительных элементов лабораторных средств исследования. В тоже время, энергия высокочастотных колебаний вращения валов дизеля очень высокая, поэтому после их измерений и регистрации целесообразна их последующая специальная обработка средствами гармонического анализа. Задачи экспериментального исследования Необходимость экспериментального исследования, использования измерительных приборов при решении основных целей работы определяется следующими факторами: потребностью сравнения полученных в измерении результатов с теоретическими результатами аналитических расчетов на моделях, где теория разработана; возможностью определения неизвестных параметров в математической модели по результатам измерений, где теория разработана недостаточно и/или вычисления составляют большой объем; требованиями задач оптимизации; для проверки диапазонов изменения параметров математической модели и структур моделей; использованием специфических, оригинальных инструментов исследования; комплекса аналого-вычислительного (КАВМ), электронного измерителя частоты вращения (ЭИН-7), значительно расширяющих возможности исследования за счет усиления функций исследователя; потребностью выявления новых явлений, их объяснений и моделирования;
Идентификация параметров динамических математических моделей элементов дизеля как объекта управления
При высокой неравномерности ЧВ в приводе РЧВ увеличивается и доля диссипации энергии в демпфере ЦИС. Все перечисленные энергетические показатели процессов в РВЧ взаимосвязаны и определяют их динамику. Поэтому целесообразно установить связь между показателями динамики САРЧВ дизеля и ЭПХ РЧВ.
В эксплуатации дизеля для оценки неустановившихся режимов, переходных процессов пуска и изменения нагрузки дизеля используют следующие показатели: время переходного процесса, максимальная величина относительного отклонения ЧВ, нестабильность ЧВ. Заключение о точности САРЧВ дизеля производится сопоставлением наблюдаемых показателей переходных процессов (по ЧВ) и их нормативных значений.
Интенсивность нагружения и подвода энергии каждому из элементов РЧВ определяют их работоспособность и надежность
Одной из причин изменения мощностных, экономических показателей дизеля, его технического состояния является изменение настроек и установок САРЧВ в эксплуатации. В основном, не контролируемые изменение установленных в производстве параметров РЧВ приводит к снижению точности САРЧВ и ухудшению всех показателей и характеристик дизеля, поэтому необходим дополнительный системный анализ такого влияния и выделение основных факторов вызывающих эти причины.
Из анализа структурной схемы САРЧВ дизеля видно, что причины изменения настроек статических характеристик составляют две группы. Первая группа объединяет факторы, обуславливающие изменение параметров и характеристик процессов дизеля. Вторая - причины, вызывающие изменения состояния процессов внутри РЧВ. Системный анализ всех факторов, оказывающих влияние на точность САРЧВ дизеля, позволяет выделить основные наиболее существенные факторы и отобразить их влияние структурной схемой, представленной на рис.
При системном анализе процессов дизеля выявлена зависимость частоты вращения коленчатого вала от: нагрузки дизеля; моментов трения в его навесных агрегатах; теплового состояния деталей, изменяющих момент трения в его элементах; изменение величины угла опережения впрыска топлива; изменение величин давлений в его системах. Изменение каждого из указанных факторов приводит к изменению показателя частоты вращения: амплитуды и частоты неравномерности вращения крутильных колебаний коленчатого вала и, следовательно, приводного валика РЧВ. Поэтому показатели неравномерности частоты вращения дизеля являются основными из рассмотренных факторов и требуют их самостоятельного исследования.
При анализе процессов в РЧВ рассматриваемые причины и факторы выбираются по степени их влияния на нарушение процессов передачи "входного" импульса ЧВ от приводного валика к исполнительному поршню серводвигателя РЧВ. На отклонение от требуемого закона перемещения поршня серводвигателя существенно влияют: неравномерность ЧВ приводного валика; неравномерность ЧВ ЦИС, вызванная нарушениями в работе демпфера или в деталях привода, силы трения в элементах РЧВ; величина давления в гидравлической системе (давление в гидравлическом аккумуляторе) и др. Силы трения в элементах РЧВ, приводят к нарушению балансов сил в элементах РЧВ, следовательно, к их перемещению и отклонению от заданного требуемого положения.
В первую очередь, величины сил трения обусловлены: вязкостью -температурной характеристикой рабочей жидкости (масла) и температурой элемента; вибрацией корпуса РЧВ (гармонической линеаризацией). Величина давления в автономной гидравлической системе РЧВ определяется силами сопротивления, возникающими при движении потока рабочей жидкости (масла) в каналах и щелях (уплотнений); долей утечек из напорной магистрали; усилием упругого элемента аккумулятора, зависящем от величины деформации и модуля упругости.
Увеличение зазоров (щелей, уплотнений) в гидравлической системе РЧВ, вследствие изнашивания его деталей в процессе эксплуатации приводит к снижению величины рабочего давления, следовательно, и усилий, требуемых для преодоления сопротивлений движущего и энергии по перемещению реек ТНВД дизеля.
Изменение теплового состояния элементов РЧВ вызывают: изменение модулей упру гостей пружин (упругих элементов) а РЧВ; изменение вязкости масла, следовательно, и доли утечек рабочей жидкости из напорной магистрали. Все это приводит к снижению требуемой величины рабочего давления и выходной мощности гидравлической системы. Таким образом, наибольшее влияние на работу РЧВ оказывают вязкостно-температурная характеристика, величина температура окружающей РЧВ среды, процессы теплопередачи по корпусу и в элементах РЧВ, возможные ошибки установок при предварительных настройках параметров РЧВ (ЦИС, обратных связей и пр.).
Исследование и анализ динамических характеристик элементов РЧВ
Потери гидравлической энергии, обусловленные утечками РЖ (масла) по зазорам щелей гидравлической подсистемы регулятора описываются ММ энергетических характеристик на основе уравнений балансов гидравлических и тепловых потоков Zqr = 0, ZGr = 0, (3.49) где Gi — средние значения расхода гидродинамического потока в і — м участке гидравлической цепи, qi - средние значения тепловых потоков по І - й поверхности (зоне) на функциональной схеме (рис. 3.6).
Исходные ММ для і — о участка гидравлической цепи наиболее точно представляются фундаментальным уравнением гидродинамики (Навье-Стокса) где оператор W- скорость потока РЖ, К- потенциальные силы, р — давление, /J - коэффициент динамической вязкости, div = д21 дх ЪЧ ду2+д21 dz2- оператор. Потери гидравлической энергии, обусловлены утечками РЖ (масла) по зазорам щелей гидравлической подсистемы РЧВ. Вследствие деформации слоев рабочей жидкости (масла), при их движения с различными скоростями (например, в пограничном слое и в центре канала) наблюдается диссипация энергии с образованием потоков тепла. Интенсивность таких источников тепла (Q) определяется уравнением [64]
Аналитическое решение уравнений (3.50) и (3.51) возможно только при задании простейших граничных условий. Наиболее точные их решения возможны и с использованием уравнения теплопередачи. Известны решения краевых задач для типовых узлов: вращающихся цилиндрического и торцевого упорного подшипников, двух цилиндров и двух дисков. Таким типовым узлам в РЧВ соответствуют узлы: вращающихся упорного подшипника центробежного измерителя ЧВ, золотника гидравлического усилителя и шестерен гидравлического насоса [82, 115]. Исследования показали, что в этих элементах РЧВ наблюдаются наибольшие значения мощности механических потерь. Поэтому рассматриваемые узлы РЧВ наиболее важны для моделирования ЭПХ его механико-гидравлической подсистемы, их гидродинамические и тепловые процессы необходимо учитывать в первую очередь и, по возможности, совместно.
Величина диссипации механической энергии потока используемой в РЧВ рабочей жидкости (масла) существенно зависит от её вязкости, конструктивных и режимных параметров исследуемых узлов РЧВ. Поэтому, при формировании методики выбора рабочей жидкости (масла) для РЧВ необходимо исследовать вязкостно-температурные зависимости и другие показатели различных марок масел.
Вязкость минеральных и синтетических масел снижается при повышении температуры. В линейных координатах кривые, отражающие зависимость между вязкостью и температурой, представляют собой ветви гиперболы, которые значительно отличаются одна от другой. Для получения тех же зависимостей в виде прямых с достаточной точностью могут быть использованы логарифмические координаты. В таких координатах достигается дифференциальная характеристика близких по вязкости масел. Другое преимущество логарифмических координат заключается в возможности построения полное зависимости вязкости от температуры по данным 2-х точек - результатов измерений вязкости при 2-х температурах. По данным [49, 107] вязкостно-температурную зависимость рекомендуется описывать уравнением где v - кинематическая вязкость; с, т - константы; Т- температура. Согласно Фогету -Камерону вязкостно-температурную зависимость рекомендуется описывать уравнением: где А,В,С - константы; Т - температура, К. Вязкостно-температурная зависимость является важным критерием при выборе и оценке масла. Использование индексов вязкости с произвольно установленными значениями от 0 до 100 относятся к маслам с различными вязкостно-температурными зависимостями: 0-для масла с наихудшей зависимостью, 100-для наилучшей.
Константа наклона (м) в первом уравнении математически отражает вязкостно-температурные свойства масла (Г в градусах К): Одинаковые значения m не означает наличия одинаковых РІВ, однако значения m позволяют дифференцировать масла по их ИВ (индексу вязкости) во всем диапазоне температур. Чем ниже ИВ, чем меньше значениям.
Наличие сведений о величине индекса вязкости масел имеет очень важное значение для практики их применения. Поскольку они необходимы для определения возможного значения диапазона температур, при которых могут эксплуатироваться смазываемые маслом агрегаты в регионах с низкими и высокими температурами, а также при определении размеров подшипников и шестерней, конструкции и ёмкости маслопроводов в гидравлических системах.
Пологая вязкостно-температурная кривая смазанного масла имеет преимущество, заключающихся в возможности применения маловязкого масла, и благодаря этому, в снижении потерь на составное требование масла при низких температурах.
Во многих случаях безаварийное и долговечное смазывание механизмов удается обеспечить, применяя масла с удовлетворительными антиокислительными свойствами. Особые требования предъявляют к вязкостно-температурным характеристикам масел только при работе механизмов или их узлов трения с централизованной системой смазки в условиях больших колебаниях температуры; для обеспечения гидродинамического режима смазки требуется масла с резко различными значениями вязкости. Применение высоковязких масел для обеспечения безизносности в наиболее нагруженных зонах фрикционного взаимодействия ведет к возрастанию расхода энергии набольших потерь на внутреннее трение в высоковязком масле, кроме того, при этом растет температура в узлах трения и ускоряется окисление масла. Для смазывания подшипников обычно требуется с вязкостями классов 5 и 7, в зависимости от класса обработки поверхности подшипника и скорости скольжения.
В работах [36, 39, 88] отмечается, что выбор гидравлической жидкости (масла) и требуемые свойства зависят от рабочих условий: температурных пределов работы, характеристик конструкции гидравлической системы, типа насоса, требований в отношении интенсивности утечек (потерь из-за утечек в зазорах) и т.д. Выбор также зависит от ожидаемого срока службы, совместности гидравлической жидкости с другими материалами, от экономических и экологических факторов. Рабочая температура стационарной гидравлической системы при низком или среднем давлении обычно на 40...50С выше температуры окружающей Среды. Вязкость гидравлического масла, равная при этой тем-пературе 13...16 мм /с, не должна падать ниже 10 мм /с во избежании износа деталей.
