Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований
1.1. Значение АМОВТ и анализ средств диагностики 7
1.2. Анализ повреждений и износов деталей АМОВТ 9
1.3. Анализ карт диагностики и микрометража деталей АМОВТ 20
1.4. Анализ методов обработки данных диагностики 27
1.5. Выбор, обоснование объекта и предмета исследования 28
1.6. Цель и задачи исследования 29
2. Общие методики
2.1. Методика проведения диагностики АМОВТ при использовании штатного метода 32
2.2. Методика проведения микрометража деталей муфты 36
2.3. Методика измерения жесткости пружин 38
2.4. Методика диагностики АМОВТ с использованием экспериментальной установки 40
2.5. Методика сборки муфты опережения впрыска топлива 43
3. Теоретические предпосылки оценки технического состояния АМОВТ
3.1. Выбор математической зависимости для учета крутящего момента, передаваемого АМОВТ, при построения ее модели работы . , 46
3.2. Определение жесткости пружин АМОВТ бывших в эксплуатации 55
3.3. Определение диапазона изменения размеров звеньев муфты в эксплуатации 57
3.4. Моделирование работы АМОВТ, с учетом износа деталей 58
3.5. Выбор параметров, оценивающих техническое состояние АМОВТ 70
3.6. Определение характеристик оборудования для диагностики АМОВТ 72
4. Экспериментальные исследования
4.1. Методика обработки данных диагностики с использованием спектрального анализа 74
4.2. Методика построения зависимости угла разворота полумуфт от частоты вращения вала ТНВД 89
4.3. Методика работы с устройством при диагностике АМОВТ 93
4.4. Определение места установки датчика на АМОВТ, обеспечивающего достоверность данных диагностики 99
4.5. Определение режимов работы и необходимого объема данных.. 100
4.6. Планирование эксперимента по исследованию зависимости зазора в сопряжении палец ведомой полумуфты - груз от частоты вращения начала разворота полумуфт и площади
спектра мощности 102
4.7. Исследование зависимости предварительного сжатия пружин муфты от частоты вращения начала разворота полумуфт. 106
4.8. Исследование зависимости зазора в сопряжении палец ведомой полумуфты - груз от площади спектра мощности и частоты вращения начала разворота полумуфт 108
4.9. Рекомендации по применению методики диагностики АМОВТ
с использованием микропроцессорной измерительной системы. 112
Общие выводы 113
Список литературы
- Значение АМОВТ и анализ средств диагностики
- Методика проведения диагностики АМОВТ при использовании штатного метода
- Выбор математической зависимости для учета крутящего момента, передаваемого АМОВТ, при построения ее модели работы
- Методика обработки данных диагностики с использованием спектрального анализа
Введение к работе
При эксплуатации на работу двигателя значительное влияние оказывает качество регулировки топливной аппаратуры (ТА). Непосредственное влияние на дымиость отработанных газов, расход топлива, жесткость работы двигателя оказывают такие характеристики ТА, как цикловая подача топлива, давление впрыска, качество распыла, момент начала подачи топлива. [13, 14, 36, 49, 54, 57, 60, 61, 71, 72, 85, 98, 97, 106, ПО, 112]. Момент начала подачи топлива зависит как от начальных регулировок по подъему плунжера, так и от регулировки и состояния муфты опережения впрыска. Если у топливного насоса высокого давления (ТНВД) нет устройства изменяющего момент начала подачи топлива в зависимости от скоростного режима, то трудностей не возникает. При наличие же его, необходима диагностика его работы. Эти устройства, в виде автоматических муфт опережения впрыска топлива (АМОВТ), входят в состав ТА, устанавливаемой на двигатели Ярославского моторного завода (ЯМЗ), начиная с 1961 года. Они нашли широкое применение на большегрузной технике, тракторах типа Кировец, а устройство и принцип работы достаточно широко отражен в работах Центрального научно-исследовательского и конструкторского института топливной аппаратуры автотракторных и стационарных дизелей (ЦНИТА) [95,106].
Диагностика технического состояния АМОВТ при регулировке ТА осуществляется с помощью приспособления, изображенного на рисунке 1. Оно включает в себя указатель и шкалу. Отсчет осуществляется с помощью стробоскопа, а частота вращения вала контролируется с помощью стендового тахометра.
При диагностике этим способом получаем данные о трех значениях угла, которые сравниваем с нормативом. Если наблюдается повышенный шум работы, стуки, то необходимо увеличить количество регулировочных шайб под пружины. [106] По полученным данным затруднительно определить техническое состояние муфты. Поэтому необходимо ее разбирать. Но каждая разборка-сборка может привести к выходу муфты из строя, так как для фиксации корпуса муфты его необходимо зачеканить.
Как показал опыт работы с муфтами, при соблюдении момента затяжки корпуса, места фиксации будут совпадать. Следовательно, необходимо максимально уменьшить число разборок-сборок муфты. Этого можно достичь в том случае, если диагностика сможет дать ответы на вопросы о состоянии деталей и регулировке муфты, без ее разборки. При диагностике необходимо различать состояния муфты, когда достаточно проведения регулировки и размеры деталей находятся в нормативных пределах, когда достаточно регулировки, но износ деталей подошел к границе допуска, когда регулировкой не обойтись, и необходим ремонт или замена муфты.
Для решения этой задачи необходимо провести анализ износов деталей муфты, конструктивно-технологических показателей сопряжений, определить степень влияния износов деталей на работу муфты, выявить параметры, зависящие от износов и регулировки, провести экспериментальную проверку. Задача работы заключается в разработке методики диагностирования АМОВТ с плоскими радиально движущимися грузами, позволяющей оценивать состояние муфты без ее разборки.
Изучению работы автоматических муфт опережения впрыска топлива посвящены работы Пожарова М.А., Лышевского А.С., Четверикова Н.М., Колулаева В.Я., Зимина Н.А. Основные работы выполнены на базе Центрального научно-исследовательского и конструкторского института топливной аппаратуры автотракторных и стационарных дизелей (ЦНИТА), которые достаточно полно отражают принцип работы, силы действующие в муфте, а также причины нестабильности угла в течение одного оборота. Работы ЦНИТА необходимо использовать в качестве основы для разработки методов диагностирования и оборудования. [56, 57, 58, 59, 60, 72, 85, 86, 87]
Штатная методика диагностирования базируется на использовании устройства (рисунок 1). Объем полученных данных составляет три-четыре значения угла разворота полумуфт, отсутствуют данные о диапазоне колебаний угла. Ошибка достигает ±0,5 градуса. [38] Поэтому разработка методов диагностирования, базирующихся на микропроцессорных системах, позволяющих оценить состояние деталей муфты без ее разборки, повышение точность и стабильность регулировки, является актуальной задачей.
Значение АМОВТ и анализ средств диагностики
Топливная аппаратура - неотъемлемая часть дизельного двигателя. Согласно данным [52] ежедневно до 15% дизельного парка страны простаивает по причине неисправностей топливной аппаратуры. Поэтому большое значение имеют методы и средства диагностики деталей топливной аппаратуры. [1,67]
Большое значение для работы дизельного двигателя имеет угол опережения начала подачи топлива. Он должен находиться в заданных пределах. Но при изменении частоты вращения, а таїсже при увеличении или уменьшении величины подачи топлива, угол должен изменяться по некоторому закону. Это необходимо для обеспечения максимальной эффективности процесса сгорания топлива в цилиндрах двигателя. [14, 28, 29, 30, 71, 72, 85]
Существует множество способов и устройств, для автоматического изменения угла опережения впрыска топлива. В отечественной и зарубежной технике широко используются АМОВТ центробежного типа с плоскими ради-ально движущимися грузами. Применяются АМОВТ центробежного типа на топливных насосах высокого давления (ТНВД), устанавливающихся на двигатели ЯМЗ, КамАЗ, которые нашли широкое применение в сельскохозяйственной технике. Такая муфта автоматически изменяет угол опережения впрыска в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля. Эффективность смесеобразования и сгорания подготовленной рабочей смеси в камере сгорания дизеля зависит от значения угла. Угол оказывает значительное влияние на протекание рабочего процесса двигателя. Наиболее чувствительны к его изменению дизели с неразделенными камерами сгорания, на которые и устанавливается АМОВТ. Он оказывает непосредственное влияние на жесткость работы двигателя, дымность выхлопных газов, топливную эко комичность. [13, 14, 16, 17, 32, 36, 49, 57, 60, 61, 71, 72, 73, 77, 85, 97, 98, 106, 110,112]
Угол опережения подачи топлива можно определять различными способами. По осциллограмме (с использованием датчиков вибрации или давления) — в этом случае расстояние от отметки верхней мертвой точки (ВМТ) до первого импульса характеризует угол опережения подачи топлива [24, 42, 67]. Точность определения угла при использовании датчиков вибрации составляет ±1 градуса. Стенд КИ-6251 позволяет измерять угол с точностью до ±0,5 градуса. Способ измерения основан на подсчете импульсов за промежуток времени, ограниченный моментом начала подачи топлива и отметкой ВМТ первого кулачка вала насоса.[69, 89, 90].
При диагностике этими способами угол зависит от многих факторов, а не только от работы АМОВТ. Так как вычисляется действительный угол между отметкой верхней мертвой точки (ВМТ) и началом впрыска. Он зависит от состояния форсунки, нагнетательного клапана, длины трубопроводов высокого давления, плунжерной пары, состояния подшипников кулачкового вала ТНВД, состояния кулачкового вала, роликов и оси толкателя, регулировочного болта толкателя. В процессе эксплуатации детали топливоподающей аппаратуры такие как: корпусные детали, подшипники, прецизионные детали, резьбовые поверхности, кулачковый вал ТНВД, изнашиваются. [18, 19, 27,37,55,67,86,90,105,113]
Выявлена размерная цепь, влияющая на угол опережения подачи топлива в пределах топливной аппаратуры. Размерная цепь: АМОВТ, подшипник кулачкового вала ТНВД, посадочное место под подшипник, кулачок вала, толкатель, ось толкателя, регулировочный винт, плунжерная пара, нагнетательный клапан, трубопровод высокого давления, корпус форсунки, распылитель.[113]
При диагностике технического состоянии АМОВТ по техническим требованиям на капитальный ремонт топливной аппаратуры дизелей (при использовании стенда КИ-15711) измерение угла опережения впрыска произ водится с помощью шкалы, закрепленной на корпусе муфты, указателя, закрепленного на ведущей полумуфте и стробоскопа [106, 112] рисунок 1. Частота вращения контролируется по тахометру стенда. В процессе диагностики снимается до трех-четырех значений угла опережения впрыска с точностью ±0,5градуса.[38]
В результате анализа средств диагностики устройств по измерению угла опережения подачи топлива выяснилось, что для того, чтобы оценить работу муфты необходимо использовать штатный метод диагностики, так как он исключат влияние размерной цепи на угол впрыска. Но низкая точность измерения и высокая трудоемкость при увеличении количества измерений не позволяет использовать этот метод для исследования работы АМОВТ. Поэтому необходимо разработать устройство, исключающее выше перечисленные недостатки.
Поставлена задача: разработать устройство с использованием электронных средств, не зависящее от размерной цепи, влияющей на угол опережения. Точностью определения угла не ниже 0,1 градуса [57, ЮЗ, 104]. Управление должно осуществляться с помощью микропроцессорной системы. Обработка данных - с помощью специально разработанных методик.
Формулировка технического задания на разработку устройства требует изучения процессов происходящих при работе муфты. Это необходимо для определения характеристик устройства. [31, 33, 34, 53, 54, 65, 66, 68, 72, 74, 75,76,78,81,88,92,93,94, 107, 108, 109, 114, 117, 118, 119].
Методика проведения диагностики АМОВТ при использовании штатного метода
Основным диагностическим параметром АМОВТ по ТУ является угол опережения подачи топлива. Он должен лежать в пределах, указанных в технических условиях на испытание. В ТУ для диагностики используется до четырех точек. Но для определения начала действия АМОВТ и определения угла на всех частотах работы необходимо снимать не четыре значения, а целый ряд точек. Так как для диагностики используется метод с применение кольца, указателя и стробоскопа, то при увеличении количества точек время на диагностику увеличивается. Поэтому принято решение снимать точки от 100 мин"1 до 1100 мин"1 с шагом 100 миы-1. Каждый замер необходимо проводить не менее трех раз. В этом случае доверительная вероятность будет равна 0,95.
Оборудование: Стенд КИ-15711; комплект приспособлений для установки ТНВД и диагностики.
Последовательность выполнения действий: Подготовка ТНВД и АМОВТ к испытаниям. 1. Очистить и помыть АМОВТ. 2. Провести внешний осмотр на наличие трещин, сколов. Особенно обратить внимание на состояние шпоночного паза. При наличии сколов у шпоночного паза муфта выбраковывается. Трещины на корпусе также не допускаются. 3. Проверить уровень и состояние масла в корпусе АМОВТ, при необходимости заменить. 4. Установить АМОВТ на вал ТНВД и затянуть гайку крепления муфты моментом 100-120 Нм. 5. Подготовить стенд к испытаниям. Убрать лишний инструмент и детали со станины. Протереть ее. Провести внешний осмотр. 6. Установить эталонные форсунки и подключить линию слива топлива. 7. Установить опоры ТНВД на станину стенда, не затягивая гайки крепления. 8. Установить ТНВД на опоры. 9. Установить кольцо на корпус АМОВТ. 10.Ввести ТНВД в зацепление с муфтой стенда, гайку не затягивать. 11 .Установить указатель. 12.Затянуть гайки крепления опор к станине, затянуть гайки крепления ТНВД к опорам. Затянуть гайку на муфте привода. 13.Подключить систему низкого давления топлива, используя прозрачные шланги. Топливо подавать от стендового топливного насоса низкого давления. Слив топлива через перепускной клапан. 14.Проверить давление открытия перепускного клапана. Для этого включить топливный насос стенда, предварительно проверив установку вентиля на ноль. Создать давление порядка 0,05 МПа. Снизить давление до нуля. Затем плавно повышать давление до момента открытия клапана. Смотреть по началу истечения топлива из шланга за перепускным клапаном. Давление открытия должно быть 0,18 МПа. 15.Проверить на утечки систему низкого давления. Создать давление порядка 0,2 МПа и в течение двух минут течь из соединений не допускается. В противном случае течь устранить. 16.Установить трубки высокого давления. Установку трубок производить по номерам. Первая секция со стороны привода АМОВТ. 17.Установить приспособление для фиксации рычага максимального холостого хода. Зафиксировать его в максимальном положении. .Создать давление 0,2 МПа, включить гидропривод стенда, вывести ТНВД на пусковой режим работы с частотой 100 мшгК Проверить на утечки места соединений трубок высокого давления, форсунок со стендом. При наличии течи - устранить ее. 19.Вывести ТНВД на частоту 500 мин- . Если в течение двух минут топливная система не прокачивается, то устранить причину подсоса воздуха. После подготовки ТНВД и АМОВТ - провести диагностику. Диагностику проводить согласно карте диагностики, в которой указаны частотные режимы, порядок снятия данных. При наличии отклонений в работе (такие как повышенный шум, стуки, колебания угла) отметить соответствующие частоты вращения и описать наблюдаемые явления в примечании. Три порядка снятия данных:
1. Значение угла разворота полумуфт снимать при повышении частоты вращения. При этом рычаг максимального скоростного режима находится в положении максимальной частоты вращения. Данные снимаются последовательно от 100 мин- до 1100 мин 1 с шагом 100 мин 1. Причем снижение частоты не допускается, поэтому необходимо плавно повышать частоту вращения и записывать данные.
2. Значение угла разворота полумуфт снимать при понижении частоты вращения. При этом рычаг максимального скоростного режима находится в положении максимальной частоты вращения. Перед тем, как снимать данные необходимо вывести ТНВД на режим работы с частотой вращения более 1100 мин"1, до отключения подачи топлива. Затем, плавно понижая частоту вращения, и останавливаясь на необходимых частотах снимать данные. Снимаются от 1100 мин 1 до 100 мин 1 с шагом 100 мин-1.
Выбор математической зависимости для учета крутящего момента, передаваемого АМОВТ, при построения ее модели работы
Муфта в процессе работы выполняет две задачи — изменяет момент начала подачи топлива в зависимости от частоты вращения вала и передает крутящий момент, необходимый для привода ТНВД. Силы от действия крутящего момента можно назвать внешними и зависят от состояния деталей ТНВД, его регулировок, а также от давления впрыска топлива. К внутренним силам можно отнести силы от сжатия пружин и центробежную силу грузов. Они зависят от частоты вращения вала и регулировки предварительного сжатия пружин.
Условия испытания муфт должны быть одинаковы для всех объектов, поэтому необходимо определить степень влияния величины подачи топлива, давления впрыска и частоты вращения на изменение крутящего момента. Это также необходимо и для адекватного описания процессов происходящих в муфте.
Крутящий момент, который передает муфта, зависит от частоты вращения вала, величины подачи топлива, давления впрыска топлива форсунками.
Момент, передаваемый муфтой, рассчитывался и определялся достаточно давно. Существует несколько формул для его определения, и все они дают разные результаты для одних и тех же условий. [23, 58, 56, 72, 85, 87, 111]. Необходимо определить зависимость наиболее подходящую для описания изменения момента применительно к объекту исследования. Для выбора наиболее подходящей формулы проведен их анализ. Первая: tf = 244-10-7/( -4)«[10 (42-0Ю16и)О?д-10) + 1], (3.1) где і — число секций насоса; d - диаметр плунжера, мм; п - частота вращения кулачкового вала ТНВД, мин 1; Рв - давление впрыска топлива МПа. [72, 85] Вторая: N 38 l r i(d -5) 10 (1875 - О.Ю5п)(рв -10) +1], (3.2) Формулы (1, 2) справедливы для условий: - 1=1 — 8; - d = 7 - 10 мм; - п = 200-2000 мин-1; - Рв= 100 -500 МПа. [85,72] Значение мощности, вычисленное по формулам (1,2) выражается в КВт [2]. Третья: N =11-10- pfV пі, (3.3) где V - цикловая подача, мм3; п — номинальная частота вращения кулачкового вала ТНВД, мин 1; [111] Значение мощности выражается в КВт. [3]
Обобщенный анализ формул приведен в таблице 3.1.
Формулы 1, 2 учитывают цикловую подачу топлива косвенно, через диаметр плунжера. Они позволяют вычислить мощность, необходимую для привода ТНВД во всем диапазоне работы, а именно от 200 до 2000 мшг Ї.
Формула 3 предназначена для расчета мощности привода ТНВД на номинальном режиме работы. Она используется при ориентировочном определении мощности двигателя стенда для испытания ТНВД [111]. Формула 3 позволяет определять изменение мощности в зависимости от изменения цикловой подачи.
В результате анализа выяснилось, что имеется два разных класса формул. А именно: формулы 1 и 2 - первый класс; формула 3 - второй. Принципиальное различие состоит в том, что формулы 1 и 2 позволяют определить изменение момента при изменении скоростного режима. Формула 3 не позволяет этого сделать, но дает возможность определить изменение момента на установившемся режиме работы в зависимости от изменения цикловой подачи.
Методика обработки данных диагностики с использованием спектрального анализа
Разработанную методику диагностики с использованием микропроцессорной измерительной системы рекомендуется применять в дополнение к штатному методу, изложенного в РК 10-05.0001-001-87 и ТУ 10-05.0001.028-86 с применением кольца, указателя и стробоскопа, в составе с безмоторным стендом для регулировки топливной аппаратуры.
Применение измерительной системы и разработанного метода диагностики для безмоторного стенда позволяет в два раза увеличить точность регулировки автоматической муфты опережения впрыска топлива. Определять без разборки муфты величину предварительного сжатия пружин с точностью ±0,1 мм, что вызывает ошибку в установке угла в ±0,25 градуса, и в два раза точнее, чем по техническим условиям. Определять величину зазора в сопряжении палец ведомой полумуфты - груз без разборки муфты во время диаг ностики с ошибкой не более ±0,02 мм в диапазоне его изменения от 0,06 до 0,25 мм.
Диагностику муфты необходимо проводить на внешней регуляторыой характеристике, в составе с топливным насосом высокого давления и форсунками, отвечающим техническим условиям. Перед диагностикой необходимо обеспечить необходимый уровень масла в муфте. Угол разворота полумуфт необходимо измерять в строго определенный момент времени, а именно в диапазоне от двух до пяти градусов после начала нагнетания топлива. Частоту вращения необходимо увеличивать плавно. Соблюдение этих условий позволяет получать достоверные данные при диагностике муфты с использованием разработанной методики и оборудования.
1. Наибольшее влияние на изменение угла разворота муфты оказывают следующие факторы — предварительное сжатие пружин, зазор в сопряжении палец ведомой полумуфты - груз.
2. Для моделирования работы муфты использован баланс моментов: сил сжатия пружин, центробежной силы грузов и передаваемого усилия от двигателя.
В моменте от сил сжатия пружин учитываются изменения: размеров звеньев муфты, угла разворота полумуфт, предварительного сжатия пружин и их жесткости. В моменте от центробежной силы грузов учитываются изменения: размеров звеньев муфты, угла разворота полумуфт, массы грузов. В моменте от передаваемого усилия от двигателя учитываются изменения: размеров звеньев муфты, угла разворота полумуфт, давления впрыска топлива, величины цикловой подачи.
Амплитуда колебаний угла разворота полумуфт и частота вращения, соответствующая началу разворота полумуфт, являются необходимыми диагностическими параметрами муфты.
3. Измерительная часть установки на базе микропроцессорной системы позволяет с ошибкой не более ±0,01 градуса измерять угол взаимного разворота полумуфт и с ошибкой до ±0,5 мин"1 частоту вращения за каждый оборот. Эта точность обеспечивает различие амплитуд колебаний угла полумуфт в зависимости от изменения зазора в сопряжении палец ведомой полумуфты -груз.
4. Измерительная система в реальном масштабе времени, осуществляет сбор, сохранение и отображение данных. Модуль статистической обработки опытных данных на установившихся режимах работы работает, как во время сбора информации, так и с архивными данными. Минимальный объем выборки для статистической обработки составляет 700 последовательных значений углов разворота полумуфт. Модуль обработки и построения зависимсти угла разворота полумуфт от частоты вращения работает по мере накопления минимально необходимого количества данных, которое составляет не менее 1100 значений углов разворота полумуфт, равномерно распределенных по диапазону частоты вращения от 160 до 1300 мин_1. Данные модули обеспечивают достоверность информации равной 0,95.
5. Амплитуда колебаний угла разворота полумуфт при условии поддер жания частоты вращения в пределах ±1 мин~1, является стационарным про цессом. Поэтому анализ данных целесообразно проводить с помощью корре ляционной и спектральной функций без проведения фильтрации нестацио нарной части.
