Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Аналитический обзор по теме и задачи исследований
1.1 Закономерности изменения технического состояния ДВС в эксплуатации 10
1.2 Зависимости изнашивания деталей 12
1.3 Неравномерность структурных и рабочих параметров 15
1.4 Анализ существующих методов контроля технического состояния ДВС .: 19
1.5 Анализ существующих средств контроля технического состояния ДВС по параметрам переходных режимов 21
1.6 Выводы по первой главе, задачи и программа исследований... 26
ГЛАВА 2. Теоретические предпосылки к разработке средств и алгоритма комплексного контроля технического состояния двс на переходных режимах
2.1 Цель и задачи теоретических исследований 28
2.2 Математическое описание систем двигателя на переходных режимах 28
2.2.1 Уравнение динамики ДВС 31
2.2.2 Система автоматического регулирования скорости 34
2.2.3 Механическая система двигателя 36
2.2.4 Термодинамическая система двигателя 37
2.3 Определение топливно-энергетических показателей двигателя по параметрам переходных режимов 40
2.4 Определение параметров технического состояния ДВС по показателям переходных процессов 42
2.5 Определение поцилиндровой мощности и неравномерности работы цилиндров в переходном режиме по неравномерности вращения 47
2.6 Применение динамических скоростных характеристик двигателя 59
2.7 Потери информации при использовании спектрального анализа механизированных процессов 66
2.8 Выводы по главе 75
ГЛАВА 3. Методика экспериментальных исследований
3.1 Цель и задачи экспериментальных исследований 77
3.2 Методика экспериментальных исследований при обосновании комплексного контроля ДВС на переходных режимах 78
3.2.1 Проверка теоретических выводов о влиянии низкочастотных составляющих на точность диагностирования мощностей цилиндров 78
3.2.2 Оценка влияния параметров технического состояния двигателя на диагностические сигналы при контроле мощ-ностных и топливно-энергетических показателей двигателя в целом и отдельно по цилиндрам 79
3.3 Экспериментальная установка и информационно-измерительная система 87
3.4 Алгоритм извлечения диагностической информации при комплексном использовании способов динамического метода... 98
ГЛАВА 4. Результаты экспериментальных исследований
4.1 Результаты экспериментальных исследований при обосновании способа контроля распределения мощности по цилиндрам с учетом составляющих низкочастотных гармоник 104
4.2 Исследование влияние параметров технического состояния двигателя на оценочные диагностические показатели 108
Выводы по главе 117
ГЛАВА 5. Оценка экономической эффективности новой технологии комплексного диагностирования
5.1 Общие положения экономической оценки новых технологий и техники 118
5.2 Определение показателей экономической эффективности 119
5.3 Трудоёмкость выполнения механизированных работ 122
5.4 Экономические показатели, формирующие основные параметры эффективности 123
5.5 Границы эффективного использования новой техники 123
5.6 Выводы и рекомендации 126
Общие выводы 127
Библиографический список 129
Приложение 142
- Анализ существующих средств контроля технического состояния ДВС по параметрам переходных режимов
- Определение параметров технического состояния ДВС по показателям переходных процессов
- Оценка влияния параметров технического состояния двигателя на диагностические сигналы при контроле мощ-ностных и топливно-энергетических показателей двигателя в целом и отдельно по цилиндрам
- Исследование влияние параметров технического состояния двигателя на оценочные диагностические показатели
Введение к работе
Суммарная мощность двигателей внутреннего сгорания (ДВС) значительно превышает мощность всех других видов тепловой и электрической энергии. В процессе эксплуатации ДВС требует значительных материальных и трудовых затрат на техническое обслуживание (ТО) и текущий ремонт (ТР), которые во много раз превышают его первоначальную стоимость [26, 36, 40, 53-54, 64].
Повышение уровня работоспособности ДВС, заключающегося в улучшении показателей надежности, топливной экономичности, экологичности и снижении затрат на ТО и ТР, в отрасли транспорта и других сферах имеет первостепенное значение [16, 26, 28, 59]. Внедрение электронной техники в конструкцию ДВС и технологические процессы ТО и ремонта дает значительный экономический эффект [117].
Сдерживающим фактором решения проблемы повышения качества управления техническим состоянием агрегатов автомобиля и трактора является отсутствие или низкая эффективность имеющегося диагностического оборудования [25,44-45,74,118].
Таким образом, снижению затрат на ТО, ремонт и повышению уровня работоспособности ДВС в значительной мере способствует комплексный подход к разработке эффективных методов, средств и технологий диагностирования и автоматизированных управляющих систем на базе микропроцессорной техники с минимальными требованиями к контролепригодности ДВС.
Наиболее оправданным в системе диагностики является применение безразборных методов при оценке технического состояния машин [115]. Многие работы в этом направлении доказали эффективность использования переходных режимов [46]. В работах [27, 36, 45, 51, 54, 74, 144] отмечается, что вне-
дрение безразборных методов диагностирования позволяет в 2 и более раз уменьшить число отказов и снизить простои машин по техническим неисправностям, увеличить в 2 раза межремонтный технический ресурс, снизить на 40% затраты на ТО, на 20 - 25 % снизить расход топлива, на 15 - 25 % повысить производительность машинно-тракторного парка (МТА) и на 16 - 26 % повысить долговечность деталей.
В условиях эксплуатации необходимо, чтобы используемые методы были оперативны, дешевы, малотрудоемки и с высокой информативностью диагностических сигналов. Таким является динамический метод контроля показателей ДВС на переходных режимах [23, 45-46, 55, 74]. Существуют ряд узкоспециализированных приборов, реализующих один или несколько алгоритмов [19, 43]. Лучшими являются Автодизель-тестер АДТ - 1, виб-роаккустический комплекс 15С, 16С, КИ - 13940 ГОСНИТИ и др [63, 114, 128-129,131]. Но эти комплексы недостаточно универсальны и ограниченны с точки зрения использования математического аппарата для обработки данных.
Совершенствованию динамического метода посвящена работа В.Н. Баш-маковой [19], в которой делалась попытка создания единой модели диагностирования ДВС, выраженной в виде алгоритма совокупностью логических и математических операций. В результате разработана технология на базе мик-роЭВМ «Электроника БК-0010». Данный комплекс серийно не выпускается и не применяется.
Развитие информационных технологий дает возможность более детально исследовать происходящие процессы в переходном режиме машины и применить новые, более совершенные, средства математической обработки диагностической информации. Это повышает достоверность, и объективность заключения [119,121].
В настоящее время многие серийно выпускаемые платы сбора данных обладают характеристиками достаточными для регистрации и записи информа-
ции с заданной точностью. Поэтому для применения нового современного оборудования в целях контроля технического состояния ДВС необходима разработка нового алгоритма диагностирования адаптированного к новым средствам и уточненного в теоретических моделях [8,108].
В частности это относится к определению коэффициента неравномерности распределения мощности по цилиндрам ДВС. При работе неисправных цилиндров происходит их влияние на диагностический сигнал при оценке остальных «соседних» цилиндров, что вносит ошибку [99].
Поэтому предлагается обработка диагностической информации стандартными прикладными программами на ЭВМ. Это даст возможность применить наиболее подходящие средства математического анализа, легко адаптируемые к различным компоновкам конструкции ДВС, а визуализация переходных процессов позволит специалисту накопить опыт при оценке технического состояния ДВС.
В связи с этим разработка новых способов и технических средств, базирующихся на компьютерных информационных технологиях и реализующих динамический метод диагностирования, а также создание алгоритма и технологии диагностирования, объединяющих разработанные методы и способы, является актуальной задачей.
Цель исследования. Обосновать и разработать способы и средства комплексного контроля состояния ДВС на переходных режимах, позволяющих снизить трудоемкость диагностирования в условиях эксплуатации.
Объект исследования - процесс контроля технического состояния ДВС на переходных режимах разгона и выбега в условиях эксплуатации.
Предмет исследования - закономерности, связывающие диагностические параметры со структурными параметрами технического состояния ДВС.
Рабочая гипотеза:
Повышение эффективности диагностирования можно достичь за счет компенсации составляющей, вносящей погрешность измерения углового ускорения;
Создание единого алгоритма диагностирования на переходных режимах базируется на современных компьютерных технологиях.
Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:
уточнены зависимости, связывающие составляющие углового ускорения коленчатого вала в переходных режимах с цилиндровыми мощностями в цикле его работы;
получены закономерности, отражающие влияние различных факторов, при комплексном диагностировании двигателя на переходных режимах;
разработан единый алгоритм комплексного диагностирования ДВС на переходных режимах.
Практическая значимость. Разработанный способ, уточняющий диагностирование неравномерности распределения мощности по цилиндрам, и алгоритм комплексного диагностирования позволяют: выполнить углубленную экспертную оценку общего технического состояния ДВС, а также отдельных его элементов; дает возможность своевременного осуществления регулировок систем двигателя и повысить его технический ресурс; снизить трудоемкости диагностирования, и улучшить санитарно-гигиенические условия труда эксперта-диагноста. Результаты исследования использованы в измерительной экспертной системе двигателя Сибирским физико-техническим институтом аграрных проблем (ГНУ СибФТИ). Разработанная технология комплексного контроля технического состояния ДВС на переходных режимах внедрена в учебном процессе на кафедре «Автомобили и тракторы».
Апробация работы. Основные полжения диссертационной работы доложены и одобрены: на международной научно-практической конференции
«Механизация сельскохозяйственного производства в начале XXI века» (Новосибирск, 2001 г.); на международной научно-практической конференции «Механизация и электрификация сельскохозяйственного производства» (Новосибирск, 2003 г.); на международной научно-практической конференции «Агроинженерная наука - итоги и перспективы» (Новосибирск, 2004г.).
Публикации. Материалы, отражающие основное содержание диссертационной работы, опубликованы в 6 печатных работах в том числе 1 патенте РФ на изобретение.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Содержит 142 страниц машинописного текста, 14 таблиц, 56 рисунков и приложение. Список использованной литературы включает 144 наименований отечественных и зарубежных авторов.
Работа выполнена в соответствии с планом НИР ГНУ СибФТИ 06.Н «Разработать методы информационного обеспечения автоматизированных технологических комплексов экспертизы и управления состоянием сельскохозяйственной техники (АТК ЭУ)»5 номер государственной регистрации 01.200.20.25.25, в соответствии с планом НИР ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» по теме «Исследование переходных режимов двигателей внутреннего сгорания. Комплексная диагностика дизельных двигателей», номер государственной регистрации 01.200.201130.
Анализ существующих средств контроля технического состояния ДВС по параметрам переходных режимов
Контроль технического состояния ДВС может осуществляться при тормозных испытаниях и бестормозным методом.
Применение тормозных испытаний позволяют присвоить двигателю его характеристику и основные параметры, определяемые стандартом (номинальные, максимальные значения). При определении межцикловой и межцилиндровой неравномерности рабочего процесса наиболее надежным и точным является метод индицирования всех цилиндров двигателя [44]. Используются разнообразные физические процессы: отклонения эффективных и максимальных давлений в отдельных цилиндрах, утечки воздуха в цилиндрах, время между циклами, мгновенные значения угловых скоростей и ускорений или тангенциальных сил коленчатого вала, соответствующие по углу поворота коленчатого вала (у.п.к.в), периодические колебания частоты вращения и др. Известен способ измерения температуры отработавших газов из отдельных цилиндров для контроля неравномерности. Известен также способ оценки неравномерности работы цилиндров, основанный на определении угловых ускорений в пределах у.п.к.в., соответствующих рабочим ходам в определенных цилиндрах двигателя на установившемся режиме . [1-6,139-143].
Более доступным является метод выключения одного или группы цилиндров [52, 53]. Этот способ обладает также высокой трудоемкостью, кроме того, недостаточной точностью, т.к. в случае отключения цилиндров искажается рабочий процесс двигателя. В то же время способ отключения цилиндров достаточно универсален — в качестве диагностических сигналов могут выступать любые физические процессы, которые несут информацию о техническом состоянии ДВС: давление, тангенциальная и реактивная силы, неравномерность угловых скоростей и ускорений, температура и состав выхлопных газов, расход топлива, пульсации тока стартера и др. [14].
Но эти методы практически не применяется в эксплуатации из-за высокой трудоемкости и стоимости, низкой оперативности и необходимостью использования дорогих стационарных тормозных установок.
Применение различных догрузочных устройств в сочетании с выключением из работы части цилиндров позволяет оценить неравномерность работы цилиндров без использования тормозных стендов. В этом способе, основанным профессором. И.П. Терских, в качестве дополнительного сопротивления применяют дросселирование отработавших газов на выпуске, дросселирование масла в гидросистеме трактора, комбинированную нагрузку и др. [16,53,]. Эти методы также сложны и трудоемки.
Известен также метод определения неравномерности работы цилиндров, основанный на определении угловых скоростей коленчатого вала в фазе угла поворота для соответствующего цилиндра в разгоне [36]. Данный способ оперативен, но несет недостаточную информацию, причем, в этом случае, оценка неравномерности работы цилиндров выполняется в неравнозначных условиях (при различных скоростных режимах отдельно для каждого цилиндра), обеспечивая погрешность результата оценки.
Способ, основанный на алгебраическом вычитании углового ускорения коленчатого вала на выбеге из ускорения соответствующего углу рабочего хода цилиндра в разгоне при достижении номинальной частоты вращения коленчатого вала, имеет достаточно высокую точность, не требует использования тормозных стендов, прост, оперативен и реализован в наборе средств диагностирования (ИМДЦ-ЦП, Цикл-2) [44]. Но и этот способ имеет погрешность в случае высокой остаточной неуравновешенности двигателя, а также при работе неисправных цилиндров.
Результаты предварительных экспериментов по определению коэффициента неравномерности распределения мощности по цилиндрам показали, что несправные цилиндры при работе оказывают влияние на диагностическую информацию, отражающую работу смежных по работе цилиндров. Это отмечается в работе Добролюбова И.П. при сравнении результатов измерений методом отключения цилиндров и методом электронного выделения. Разработанная диагностическая модель оценки неравномерности распределения мощности по цилиндрам по разности угловых ускорений, измеренных в разгоне в интервале между моментами впрысков в контролируемый и в последующий цилиндры и на выбеге в том же интервале не учитывает влияние низкочастотных гармоник внутри цикла двигателя, возникающих от работы неисправных цилиндров. Поэтому предлагается уточнить данную теоретическую модель с экспериментальной проверкой данной гипотезы.
Основы технического обслуживания и ремонта заложены в трудах В.Г. Веденяпина, В.В. Ефремова, С.А. Иофинова, В.И. Казарцева, Ю.К. Киртбая, И.С. Левитского, А.И. Селиванова, И.Б. Ульмана. Научные основы технической диагностики и рекомендации по диагностированию двигателей разработаны А.Г. Акчуриным, В.И. Виноградовым, Н.Я. Говорущенко, Н.С. Ждановским, А.В. Николаенко, В.М. Михлиным, Б.В. Павловым, И.П. Терских, Б.А. Улитовским и другими учеными. Диагностирование машины должно быть эффективным, т.е. точным и объективным, поэтому разработано множество средств и методов, совершенствующихся с каждым годом. Это обусловлено главным образом применением новой техники и предъявляемым к ней требованиям [87]. Трудоемкость диагностирования тракторов по-прежнему остается высокой и составляет примерно 40% трудоемкости технического обслуживания. При этом 60 — 80% операционной трудоемкости приходится на вспомогательную трудоемкость: постановку и снятие с трактора дополнительных приборов и датчиков, отсоединение и присоединение отдельных узлов и т.д [16, 23, 24, 26,36, 42,44, 49-54,58,115,102]. Из существующих методов диагностирования наиболее предпочтительным, с точки зрения трудоемкости, оперативности и информативности, является динамический метод [1-6, 44-46, 55, 74, 75]. Однако данный метод реализован рядом обособленных способов [43] и, соответственно, комплексом узкоспециализированных приборов, что значительно снижает эффективность процесса диагностирования. Разработка и внедрение безразборных методов и технических средств определения эксплуатационных характеристик ДВС по переходным процессам является важнейшей задачей [96]. Патентные исследования, анализ научно-технической информации, исследования технического уровня и тенденций развития способов и устройств для измерения параметров ДВС, показывают, что разработанный в СибИМЭ динамический метод диагностики автотракторных двигателей совершенствуется работами в СибИМЭ, СГТГАУ, ГОСНИТИ, СГТУ. Исследованиями в области динамического метода занимались и продолжают работать В.А. Змановский, Вик.А. Змановский, В.М. Лившиц, А.Т. Клейн, Д.М.Воронин, Л.В. Дролов, И.П. Добролюбов, А.А. Моносзон, СВ. Самойлов, Ю.Г. Радченко, В.Ф. Синий, В.И. Кочергин, К.Ю Скибневский, А.В. Колчин, В.А. Чечет, И.П.Терских, А.С. Гребенников, А.А Отставное и др. Появление электронных приборов по каждому способу диагностирования привело к снижению эффективности использования динамического метода. Положение усугубляется тем, что соответственно увеличивается число калибровочных и регулировочных операций, а также инструкций для принятия решения по результатам контроля табл. 1.3 [8,19, 43, 74].
Определение параметров технического состояния ДВС по показателям переходных процессов
В эксплуатационных условиях двигатели, кроме того, что имеют собственную остаточную неуравновешенность, также имеют неравномерно распределенную мощность по цилиндрам, в результате чего, в цикле работы двигателя возникают гармоники и вносят погрешность на точность диагностирования.
На рис. 2.8-2.12 приведены диаграммы процессов в многоцилиндровых двигателях различной компоновки, поясняющие появление гармоник ускорения, отражающих повышенные неравномерность работы цилиндров и неуравновешенность двигателя (рис. 2.8 - для компоновки 4-Р; рис. 2.9 - для компоновки 6-Р; рис. 2.10 -для компоновки 6-V с неравномерным чередованием впрысков; рис. 2.11 - для компоновок 8-V - (а, б) и 12-V, (в - д); рис. 2.12 -для компоновки 8-V при неработающем цилиндре).
В режиме разгона двигателя без нагрузки он нагружается собственными силами сопротивления и при неравномерной работе цилиндров, а также при повышенной неуравновешенности, в угловом ускорении коленчатого вала многоцилиндровых двигателей появляются (вставляющие с частотами [107]: где фц - угол поворота коленчатого вала за цикл работы двигателя; рча - угол чередования вспышек между соседними группами из двух и более цилиндров (при этом число групп в цикле работы двигателя четное);/) - частота цикла работы ДВС (для четырехтактных ДВС/) = 0,5f, f— частота вращения коленчатого вала, Гц); к- номер гармонической составляющей.
Гармоника же ускорения, кратная 4-й гармонике частоты вращения, отражает активные процессы горения топлива и создания положительного вращающего момента. Эти гармоники аналогичны гармоникам, проявляющимися в стационарном режиме работы ДВС под нагрузкой.
Как видно из диаграмм (рис. 2.8 - 2.12) для всех рассмотренных компоновок двигателя номера гармоник /к не превышает 3-й гармоники (для двигателей компоновок: 4-Р - 0,5-я и 1-я гармоники; 6-Р и 6-V - 0,5-я и 1,5-я гармоники; 8-V - 0,5-я и 2-я гармоники; 12-V - 0,5-я, 1-я и 3-я гармоники).
Для определения неравномерности работы цилиндров при достижении двигателем в режиме разгона заданной (чаще всего номинальной) частоты вращения измеряют средние значения ускорений на участках рабочих ходов цилиндров. Затем в режиме выбега на этих же участках также определяют средние значения ускорений цилиндров, вычитают их алгебраически из полученных ускорений в режиме разгона и по ним определяют коэффициент неравномерности.
Однако при числе цилиндров больше 4-х, повышенной неравномерности {Кнер 10 - 15%) работы цилиндров и в особенности при наличии одного и более неработающих (в том числе отключенных каким-либо способом) цилиндров происходит резкое торможение двигателя на участках дефектных (или неработающих) цилиндров, приводящее к существенному снижению угловой скорости (провалу скорости) на этих участках (рис.2.12). В результате при измерении ускорений в разгоне на участках рабочих ходов соседних цилиндров и расчете коэффициента неравномерности погрешность измерения резко возрастает, что приводит к существенному уменьшению достоверности диагностирования состояния двигателя.
Для уменьшения этой погрешности необходимо из полного ускорения разгона при достижении двигателем заданной частоты вращения выделить с привязкой по углу поворота коленчатого вала составляющие ускорения, кратные заданным гармоникам, которые характерны для двигателя данной компоновки. Затем необходимо определить средние значения этих гармоник на соответствующих участках рабочих ходов цилиндров и вычесть их алгебраически из величин, полученных на этих участках в разгоне и выбеге. Результирующие величины отражают активные процессы горения и создания положительного крутящего момента и используются для расчета коэффициента неравномерности по формуле: разгоне, выбеге и гармоник /к ускорения в разгоне на соответствующих участках работы цилиндров; к - число выделяемых гармоник ускорения для компоновки испытуемого двигателя). Уровень амплитуд гармоник ускорения отражает степень неуравновешенности двигателя, в особенности возрастающую при отключении каким-либо способом части цилиндров в случае недогрузки двигателя. У двигателя данной марки всегда имеются допускаемые остаточные неуравновешенные силы и моменты, вызванные конструктивными и технологическими факторами. Уровень допустимой неуравновешенности двигателя при его испытании можно задать с помощью задания допустимых амплитуд гармоник/ , ускорения. Превышение этого уровня свидетельствует о повышенной неуравновешенности двигателя.
Предложенная методика позволяет в эксплуатационных условиях упростить и значительно снизить трудоемкость определения неравномерности работы и неуравновешенности многоцилиндровых двигателей за счет исключения необходимости нагрузки двигателя, а также повысить точность диагностирования за счет исключения влияния неисправных (или отключенных) цилиндров при измерении процессов, отражающих состояние соседних с ними по очередности срабатывания цилиндров.
Определение индикаторной диаграммы по сигналам неравномерности вращения основывается на том, что между термодинамическими рабочими процессами в цилиндре двигателя и его динамикой существует тесная функциональная связь. Действительно, составляющие крутящего момента и углового ускорения неравномерности вращения є? и / , вызванные процессами сжатия и горения топлива, определяются значениями Р& Рь К( р), S( p) [11, 21, 38,126].
Оценка влияния параметров технического состояния двигателя на диагностические сигналы при контроле мощ-ностных и топливно-энергетических показателей двигателя в целом и отдельно по цилиндрам
Исследования проводились на тормозной установке в стационарном режиме номинальной нагрузки и частоты вращения и в переходном режиме - в режиме свободного разгона и выбега на двигателе Д-144. Последовательность проведения экспериментов была следующей: 1. Производится регулировка двигателя согласно матрице планирования эксперимента. 2. Прогревается двигатель и измерительные средства. 3. Производится калибровка измерительных средств. 4. При всех работающих цилиндрах измеряются и записываются мгновенные значения временных интервалов между метками по углу поворота коленчатого вала, а также метки ВМТ и начала цикла ДВС в режимах свободного разгона и выбега. 5. При всех работающих цилиндрах измеряются и записываются значения индикаторного давления, а также метки ВМТ и начала цикла ДВС в режиме номинальной нагрузки и частоты вращения. 6. Производится обработка полученной информации при измерении поцилиндровой мощности в динамическом режиме по формулам [98]: max и ЄІ min - максимальное и минимальное значения ускорений, вычисленные на участках работы цилиндров в разгоне и выбеге: І=єрі-єя- єг (єр, в и єг - средние значения ускорений, измеренных в разгоне, выбеге и гармоник fK ускорения в разгоне на соответствующих участках работы цилиндров; к — число выделяемых гармоник ускорения для компоновки испытуемого двигателя). диагностические сигналы при контроле мощностных и топливно-энергетических показателей двигателя в целом и отдельно по цилиндрам
В экспериментальных исследованиях необходимо получить действительные поцилиндровые ускорения коленчатого вала на установившихся и переходных режимах работы двигателя, исследовать влияние технического состояния двигателя на величины угловых ускорений на установившихся и переходных режимах, а также исследовать влияние технического состояния двигателя на скоростные и временные характеристики двигателя.
В качестве отклика было выбрано угловое ускорение коленчатого вала, отвечающее предъявляемым требованиям к отклику: простота, имеет физический смысл, легко определяется существующими современными платами сбора данных и приборами ИМДЦ, «Цикл-2».
Из анализа литературных источников [42-54, 65, 66, 69, 73] и предварительных экспериментов установлено, что на угловое ускорение коленчатого вала в.наибольшей степени влияют скоростной и нагрузочные режимы работы двигателя, а также такие обобщенные показатели технического состояния систем двигателя, как поцилиндровыи расход топлива и угол начала подачи топлива. Установлено также, что при отключении цилиндров полная динамично-скоростная характеристика (ДСХ) двигателя изменяется: помимо равномерного уменьшения среднего значения ускорения во всем диапазоне частот вращения увеличивается переменная составляющая. Это свидетельствует о влиянии неравномерности подачи топлива секциями топливного насоса на среднее значение полного углового ускорения двигателя. Также известно, что неплотность цилиндропоршневойй группы и фазы газораспределения слабо влияют на среднее значение углового ускорения двигателя. Остальные менее значимые факторы, такие как температурный режим, давление форсунок, состав топлива, состояние воздухоочистителя поддерживались на постоянном уровне. Проверка влияния на мгновенные значения ускорений и их спектр скоростного и нагрузочного режима осуществляется на тормозном стенде при фиксированных значениях остальных факторов. При оценке влияния параметров технического состояния на средние значения поцилиндровых ускорений и на коэффициент неравномерности в качестве влияющих факторов, с учетом сказанного, были выбраны: а) средняя подача топлива секциями топливного насоса; б) угол опережения подачи топлива; в) неравномерность подачи топлива секциями топливного насоса. Согласно исследованиям Л.В. Дролова, И.П. Добролюбова между ускорениями в переходных режимах и параметрами технического состояния существует нелинейная связь [44, 50]. Согласно теории планирования эксперимента [18, 22, 33, 79], варьирование факторов устанавливается не менее чем на Зх уровнях. При выборе интервалов варьирования факторов учитывались следующие ограничения [22, 33, 79, 125]: интервал варьирования не должен быть меньше погрешности фиксации фактора и интервала изменения возмущающих факторов (помех), он должен меньше изменения интервал данного фактора. Так как кривизна поверхности отклика не велика и диапазон изменения подачи топлива G и угла начала подачи топлива р достаточно широк, выбираем средний интервал варьирования « 30%. топливного насоса новых и капитально отремонтированных двигателей составляет 3 — 4 %, при вынужденных регулировках в условиях эксплуатации 10%; наконец, при очередном техническом обслуживании ТО-2 (или ТО-3) 14%. Номинальные значения: GH0M = 52 см3/мин (проверялось на топливном стенде КИ-921М); (рнол, = 30 - 32. Интервалы варьирования и уровни факторов приведены в таблице 3.
Исследование влияние параметров технического состояния двигателя на оценочные диагностические показатели
Установлено, что на мгновенные значения ускорения цилиндров оказывают сильное влияние не только скоростной, нагрузочный режимы, расход топлива, но и повышенная неравномерность работы цилиндров, а также инерционная составляющие: регулярная и остаточная. Причем измеренная амплитуда остаточной инерционной составляющей может использоваться как диагностический параметр при оценке качества технологии изготовления двигателей, после ремонта и при оценке совершенства конструкции. Это подтверждает вывод теоретических исследований о необходимости вычитания гармонической составляющей ускорения єг, из разности ускорений (єр — єв), измеренных в разгоне и выбеге, с целью компенсации влияния неисправных или отключенных из работы цилиндров, а также высокой остаточной неуравновешенности двигателя.
Результат выделения среднего и углового ускорения в фазе угла поворота коленчатого вала для соответствующих цилиндров в переходном режиме разгон-выбег двигателя представлен на рис. 4.1.
Как видно из рис. 4.1, разгон двигателя осуществляется за 16 оборотов коленчатого вала, причем работа цилиндров происходит в отличных скоростных условиях. Процессы газообмена, смесеобразования, горения топлива, тепловой напряженности неравнозначны в отдельных цилиндрах во время разгона. Поэтому среднее угловое ускорение коленчатого вала на периоде работы отдельных цилиндров существенно отличается.
На выбеге четко видно, что зависимость сопротивления компрессионных сил и сил трения вызывают примерно одинаковые значения ускорений каждого из цилиндров. Результирующая зависимость ускорения в фазе угла поворота коленчатого вала, усредненная по циклам работы цилиндров во всем периоде разгона-выбега представлена на рис. 4.2. Здесь четко прослеживается тенденция влияния сил инерции при увеличении частоты вращения. Последний цилиндр согласно порядку работы имеет завышенные значения ускорения, т.к. он заведомо находится в условиях увеличенного скоростного режима, в результате срабатывания предыдущих цилиндров. Для исключения этого явления, измерения ускорения коленчатого вала выполнялись в момент достижения соответствующего цилиндра номинальной частоты вращения коленчатого вала в разгоне и, соответственно, в выбеге [44]. Затем производилось алгебраическое вычитание ускорения выбега ев из ускорения разгона єр для получения результирующей Ее. Исследования показали, что все двигатели в виду их конструкции, технологических допусков при изготовлении имеют остаточную неуравновешенность. Проявление составляющей низкочастотной гармоники при прокручивании декомпрессированного двигателя КамАЗ-740.10 показано в приложении 2. Различная герметичность цилиндров также способствует образованию гармоник при вращении вала. Основная роль возникновения гармоники в цикле двигателя принадлежит неидентичным процессам в цилиндрах двигателя, которые действуют совместно с силами неуравновешенных масс и сил сжатия и горения газов. Амплитуда и фаза этой гармоники индивидуальна для каждого двигателя, в виду различного технического его состояния, конструкции и разброса масс в механизмах. Поэтому должен быть произведен учет описанной составляющей, влияющей на изменение частоты вращения вала, который можно произвести методом математического моделирования. Остаточная неуравновешенность, а также неравномерная работа цилиндров двигателя вносит погрешность в измерение мощности отдельно по цилиндрам методом измерения ускорений. Как видно на рис. 4.3 действительные значения угловых ускорений должны корректироваться на величину Ає от влияния гармоники /к (здесь за один оборот двигателя происходит два рабочих хода, а первая метка синхронизирована с ВМТ первого цилиндра). Также необходимо учитывать тот факт, что максимальные значения ускорения на периоде работы цилиндра не достаточно точно отражают характер его работы. В этом случае возможна потеря информации на величину fK (рис.4.3). Поэтому для оценки Кне,, использовались среднее максимальное и минимальное ускорение коленчатого вала на участке работы цилиндра. Погрешность или степень влияния низкочастотной гармоники при исследовании влияния технического состояния двигателя Д-144 на диагностический сигнал составляет 8К нер=ЛКне/ 1Снер = 4 - 6 %. Причем большее значение соответствует настройкам дизеля при (роп (Роп.нолі , GT GT.HOM , SHep=14%. Подтверждены и уточнены зависимости при исследовании комплексного влияния основных обобщенных показателей двигателя на диагностические параметры в области номинальной частоты вращения. Согласно методике определены регрессионные зависимости для ускорений цилиндров от работы газов отдельно для каждого цилиндра, косвенно характеризующий крутящий момент или мощность на участке работы цилиндра, а также регрессионная модель максимального и среднего давления в цилиндре и крутящего момента на валу в стационарном режиме номинальной нагрузки и частоты вращения двигателя.
