Содержание к диссертации
Введение
1.Обоснование направления исследования 22
1.1.Обоснование оценки эффективности использования машинно тракторного агрегата по параметру производительности 22
1.2. Основные хозяйственные факторы, влияющие на производительность и топливную экономичность машинно-тракторных агрегатов в эксплуатации
1.3. Технические факторы, влияющих на эффективность использования технологических процессов 26
1.4. Обоснование направления исследований в области развития методов и средств диагностирования 30
1.5. Практические направления разработки диагностических тестов и средств технических систем в эксплуатации 35
1.6.Потенциал парка техники Новосибирской области, приспособленного к внешним средствам диагностики 36
1.7. Анализ исследований в области контроля параметров тракторного двигателя, направленный на выявление методов, способов и устройств, обеспечивающих эффективность использования двигателей 37
1.8. Обоснование выбора направления исследований по моделированию переходных процессов двигателя 49
Выводы по главе 69
2. Теоретические исследования 71
2.1.Основные принципы разработки модели диагностирования двигателя внутреннего сгорания 71
2.2. Теоретические исследования по применению переходных процессов в задачах диагностирования двигателя 75
2.3. Схема динамической модели 94
2.4. Идентификация модели с объектом моделирования 95
2.5. Результаты исследований динамики двигателя 96
2.6. Точность и достоверность измерения динамических характеристик при свободном разгоне и выбеге двигателя 116
2.7. Оптимизация параметров диагностирования технического состояния двигателя по статистическому критерию 118
2.8. Обоснование информативных признаков состояния двигателя по параметрам диагностических сигналов 122
2.9. Оптимизация процесса диагностирования по информационно-стоимостному критерию 136
2.10. Обоснование параметров цифровых устройств измерения углового ускорения валов 138
Выводы по главе 141
3. Экспериментальные исследования 144
3.1. Программа экспериментальных исследований 144
3.2. Экспериментальная установка и информационно-измерительная система для исследований физических процессов 153
3.3. Интерпретация зарегистрированных процессов в экспериментальных исследованиях 154
3.4. Получение эмпирических зависимостей коэффициентов уравнения динамики двигателя 156
3.5. Экспериментальное обоснование метода диагностирования двигателей в эксплуатационных условиях 158
3.6. Результаты экспериментальных исследований оценки метода диагностирования в обосновании метрологических требований к программно аппаратным средствам 160
3.7.Результаты экспериментальных исследования по выбору информационно-технологических приемов диагностирования и поиска информативных зон 165
3.8. Оптимизация выбора информативных зон апостериорных функций переходных процессов двигателя для диагностирования его номинальных показателей 171
3.9. Результаты экспериментальных исследований по оценке метода диагностирования корреляционными функциями 176
3.10. Результаты сравнительных испытаний в эксперименте 177
Выводы по главе 178
4. Разработка технологии, алгоритмов технических средств и практическая реализация результатов исследований 180
4.1. Обоснование метода диагностирования с использованием данных электронного блока управления 180
4.2. Разработка технических средств диагностирования двигателей в эксплуатационных условиях 1 4.3. Алгоритм расчета диагностических параметров 184
4.4. Разработка методики диагностирования двигателя 191
4.5. Результаты испытаний двигателя в эксплуатационных условиях и методом стендовых испытаний 194
4.6. Практическая реализация результатов исследований с использованием программно-аппаратного комплекса для разработки технологических приемов диагностирования 199
4.7. Результаты испытаний опытного образца программно-аппаратного комплекса “МОТОР-ТЕСТЕР” в производственных условиях 200
4.8. Оценка экономической эффективности новой технологии диагностирования 206
Выводы по главе 216
Заключение 220
Список сокращений и условных обозначений 224
Словарь терминов 225
Список литературы 226
- Основные хозяйственные факторы, влияющие на производительность и топливную экономичность машинно-тракторных агрегатов в эксплуатации
- Теоретические исследования по применению переходных процессов в задачах диагностирования двигателя
- Экспериментальная установка и информационно-измерительная система для исследований физических процессов
- Практическая реализация результатов исследований с использованием программно-аппаратного комплекса для разработки технологических приемов диагностирования
Введение к работе
Актуальность темы. В технологической модернизации сельского
хозяйства основную роль отводится повышению энерговооруженности труда и
энергообеспеченности гектара пашни, ресурс повышения которых заключается в
применении парка техники нового поколения. Этот важнейший индикативный
показатель, находится в пределах 124 кВт на 100 га пашни; энергетические
мощности в расчете на одного работника занятого в АПК с 1990 г. увеличились
более чем на 8 кВт. В то же время показатель энергообеспеченности сельского
хозяйства России в 3 – 5 раз ниже чем в развитых странах. Это определяет
стратегическое направление машинно-технологической модернизации и
интенсификации самой энергоемкой отрасли (до 80 % использования энергоресурсов) сельскохозяйственного производства – растениеводства, где основным мобильным энергетическим средством, является трактор с дизельным двигателем внутреннего сгорания (ДВС). Мощность двигателей имеет тенденцию увеличения от 200 кВт тракторов класса 5 – 6 до 400 кВт и выше – класса 6 – 7. Суммарная мощность тракторных двигателей, используемой на самой загруженной операции (пашне) в России снизилась до 25,2 млн кВт. В таких сложившихся условиях, ценность показателя энергообеспеченности возрастает. Из анализа изменения структуры российского рынка тракторов за 5 лет (2008 – 2013 гг.) установлено, что темп ввода в сельскохозяйственную отрасль страны дополнительных мощностей незначителен – 2,3 млн кВт; нарушается баланс энергообеспеченности для выполнения объема работ в сельском хозяйстве. Ценность показателя технической готовности производительной техники растет и существенно влияет на сроки агротехнологий, потери от простоя техники достигают 15 – 20 млн т зерна в год.
Контролируя топливно-энергетические параметры техники возможно достичь повышения эффективности использования машинно-тракторных агрегатов (МТА), показателей производства, снизить эксплуатационные затраты и перерасход топлива на 10 – 15 %, однако, отсутствуют методы и средства оперативного мониторинга этих параметров. Отсюда средние в России совокупные потери мощности тракторов 1,2 млн кВт, топлива 270 т/ч или 1130 т за день пахотных работ. В этой связи задача контроля технического состояния двигателя по топливно-энергетическим параметрам представляется важной в инженерно-техническом обеспечении отрасли.
Степень разработанности. В настоящее время тенденцией развития технического сервиса является создание методов оперативного контроля показателей мобильной техники в эксплуатации. Проанализированы источники патентной информации и публикации по направлениям: моделирование переходных процессов; разработка способов и устройств диагностирования, использующих динамические свойства двигателя. Установлено, что в задачах диагностики ДВС перспективными являются методы анализа переходных процессов внутрицикловых и внешних характеристик двигателя, реализуемых как в бортовых электронных системах, так и в отдельных устройствах. Однако, созданные на этом принципе тесты бортовой диагностики, отечественные диагностические приборы серии ИМД-Ц и зарубежные
аналоги «Reiner-3000», «PCMSCAN Dyno», «Insoric» практически не внедрены в
инженерно-техническую сеть сервиса. Обусловлено это, во-первых, методической
погрешностью из-за распространенных в эксплуатационных условиях
неисправностей системы управления подачей топлива и, связанных с этим, нарушений технологических приемов диагностических тестов. Во-вторых, сложностью измерений при таких динамических испытаниях двигателя из-за стохастического характера координат выборок по скорости коленчатого вала. В-третьих, методической погрешностью в обработке данных нелинейных процессов в существующих технических решениях. В-четвертых, проблемой приведения испытаний к одинаковым (нормальным) условиям в эксплуатации, что требует применения адаптивных и интеллектуальных алгоритмов обработки регистрируемых, при испытании, данных. В-пятых, техническими возможностями (или, с другой стороны, ограничениями) при разработке устройств, чтобы обеспечить их работу в режиме реального времени при испытании (динамических тестах).
В алгоритмах работы таких устройств при определении технического состояния двигателя требуется реализовать анализ характеристик переходного процесса и расчет его параметров при моделировании функции не ниже 2-го порядка. Однако, отсутствие системного подхода в использовании имеющихся основ теоретических знаний по динамике двигателя не позволяет учитывать особенности формирования этой функции в зависимости от совокупного нелинейного влияния факторов технического состояния и переменных значений коэффициентов уравнений динамики при испытаниях (тестах) двигателя в эксплуатационных условиях. Между тем, интегрирование частных производных по их регрессионным и теоретическим зависимостям, полученных методом стендовых и «динамических» испытаний, позволит моделировать этот процесс и исследовать функцию моментов от скорости для задач диагностики. Требуется разработать модель динамики ДВС на основе теоретических достижений научных школ анализа переходных процессов и обосновать коэффициенты дифференциального уравнения, включающих зависимости параметров изменения технического состояния двигателя, для разработки алгоритмов идентификации в технологии и создания устройств диагностирования двигателя динамическим методом.
Сущность научной проблемы заключается в разработке системного подхода к исследованию переходных процессов тракторных двигателей на основе модели динамики ДВС, разработке методов и технических требований к средствам мониторинга изменения мощности техники в эксплуатационных условиях, как инструмента для комплексного использования резервов повышения эффективности применения тракторного парка: усовершенствовать систему технического сервиса методами выработки решений на основе анализа фактической энергообеспеченности, топливной экономичности, прогноза.
Цель исследования – повышение эффективности эксплуатации тракторов
путем разработки технологи диагностирования, способов, технических
требований к средствам диагностирования тракторных двигателей по энергетическим параметрам в эксплуатационных условиях на основе результатов моделирования переходных процессов.
Задачи исследований:
-
Разработать модель динамики ДВС на основе теоретических зависимостей неустановившихся режимов работы, отличающихся описанием функций моментов и систем двигателя при уточнении модели переходной характеристики для условий эксплуатации;
-
Обосновать структуру компонентов модели и их взаимосвязь по входным и выходным параметрам для моделирования функций моментов и скорости коленчатого вала на основе полученных зависимостей коэффициентов уравнения динамики двигателя;
-
Разработать способы и технологию диагностирования двигателя по параметрам переходных процессов, основанных на результатах моделирования функции скорости и ускорения коленчатого вала в зависимости от факторов технического состояния; разработать алгоритмы расчета параметров переходного процесса и обосновать их точность определения в экспериментальных исследованиях статистическими методами;
-
Обосновать характеристики технических средств контроля параметра топливно-энергетических параметров тракторных двигателей динамическим методом, отличающихся приспособленностью к диагностированию в эксплуатации и оперативностью их применения; разработать технические требования к созданию программно-аппаратных средств оперативного контроля топливно-энергетических параметров двигателя;
-
Провести экспериментальную проверку основных результатов теоретических исследований по адекватности модели динамики двигателя при определении его параметров методом стендовых испытаний и методом, используемым в разработанной технологии диагностирования на переходных режимах; дать технико-экономическую оценку результатов исследований.
Научная гипотеза. Объективно оценить эффективность использования техники, возможно по данным мониторинга топливно-энергетических параметров (характеру их изменения) трактора и/или парка техники, что позволит прогнозировать объем работ, предотвратить отказы и повысить эффективность технологических процессов производства сельскохозяйственной продукции. Требуется разработка технологии и средств оперативного контроля топливно-энергетических параметров тракторных двигателей в эксплуатационных условиях, что возможно на основе моделирования переходных процессов, с использованием уточненных зависимостей характеристик двигателя внутреннего сгорания, применяемых в алгоритмах расчетах диагностических параметров посредством вычислительных технологий, реализованных в программно-аппаратном комплексе.
Объект исследования – процесс диагностирования тракторных двигателей в эксплуатационных условиях на основе теоретических исследований и моделирования его динамики с применением информационных технологий, технического и алгоритмического обеспечения контроля энергетических параметров.
Предмет исследования – закономерности, раскрывающие связи
диагностических параметров и информативных признаков с техническим состоянием двигателя и его систем на установившихся и переходных режимах.
Новизна исследований состоит в совокупности научных положений,
реализующих принципы системного подхода при разработке систем оперативного
автоматизированного управления технологическими процессами
диагностирования двигателей на основе теоретических исследований его динамики. Определены закономерности изменения технического состояния ДВC и системы автоматического регулирования скорости, с использованием разработанной аналитической модели рабочих процессов на установившихся и переходных режимах работы и учитывающей факторы, совокупно влияющие на техническое состояние: изменение компрессионных, газовых, инерционных сил и существенно нелинейных элементов в процессе эксплуатации. Определены градиенты моментов, их связь с основными параметрами двигателя: удельного расхода и цикловой подачи топлива; давления наддува; коэффициента наполнения; силовой функции двигателя; составляющих момента инерции двигателя, которые экспериментально уточнены путем регрессионного анализа данных, полученных в соответствии с планом экспериментальных исследований динамическим способом для переходных режимов и методом стендовых испытаний – для установившихся режимов.
Связь темы исследований с гос. заданиями НИР. Исследования выполнялись в соответствии с Программами:
– фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению развития АПК РФ и Сибири на 2001-2005 гг. по заданию 04.02.02 « Разработать научные методы проектирования системы технического сервиса на сельскохозяйственных предприятиях с использованием автоматизированных технологий диагностирования автотракторной техники» по теме «Разработать методы информационного обеспечения автоматизированных технологических комплексов экспертизы и управления состоянием сельскохозяйственной техники (АТК ЭУ). РК ВНТИЦ № 01. 200. 2 02525.
– фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному
обеспечению развития АПК РФ и Сибири на 2006-2010 гг. по заданию 09.02
(09.01.02), «Разработать высокопроизводительную технику нового поколения и
методы оптимального управления ее работоспособностью для машинных
технологий производства приоритетных групп продукции растениеводства в
условиях Сибири» по теме 1) «Разработать методы и интеллектуальную
динамическую измерительную систему (ИДИС) для обеспечения
работоспособности двигателей внутреннего сгорания сельскохозяйственных мобильных энергетических средств» РК ЦИТИС № 01. 2. 006 07182.;
– фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2011–2015 годы по заданию 09.04 «Разработать методологию, организационно-экономические механизмы оптимального построения и функционирования инженерно-технической системы АПК, методы и технологии эффективного использования, повышения надежности и восстановления работоспособности техники в процессе ее эксплуатации и ремонта» по теме 2) «Разработать технологии и комплекс диагностических программно-аппаратных средств, обеспечивающих работоспособность ДВС для рационального использования
мобильной техники сельскохозяйственного предприятия»;
– фундаментальных научных исследований государственных академий наук на 2013–2020 годы по заданию 24 "Фундаментальные проблемы и принципы разработки интенсивных машинных технологий и энергонасыщенной техники нового поколения для производства основных групп продовольствия" по теме 3) «Разработать методические приемы и комплекс программно-аппаратных средств диагностирования двигателей внутреннего сгорания автотракторной техники», №114102840045.
– фундаментальных научных исследований государственных академий наук на
2017 - 2019 гг. годы по заданию 24 "Фундаментальные проблемы и принципы
разработки интенсивных машинных технологий и энергонасыщенной техники
нового поколения для производства основных групп продовольствия" по теме 4) (№
0778-2016-0081 ГЗ) «Разработать системные решения, программно-аппаратные
средства и программно-технологическое обеспечение сопровождения машинных
агротехнологий, включая новые методы безразборной диагностики ДВС
энергонасыщенной техники и обработки гетерогенных данных
сельскохозяйственного предприятия», РК ЦИТИС: АААА-А17-117042510312-5 и в 2017 г. по теме 5) «Разработать методические положения диагностики двигателей внутреннего сгорания энергонасыщенной техники динамическим методом».
Основным исполнителем первой темы и руководителем остальных тем являлся диссертант.
Практическая значимость и реализация исследований. Результаты патентно-информационного анализа систем индицирования быстропеременных процессов ДВС использованы для создания экспериментального исследовательского комплекса, включающего информационно-измерительную систему автоматизации измерений физических процессов двигателя и программно-аппаратные модули обработки полученных данных. Техническая и конструкторская документация на разработку аппаратных средств и программно-алгоритмического обеспечения позволили создать экспериментальное оборудование и получить научно-технические результаты в диагностике и в анализе физических процессов в ДВС.
Использование результатов вычислительных экспериментов на основе модели динамики ДВС обеспечило эффективность разработки иных способов автоматизации технологических процессов диагностирования, новизна которых подтверждается полученными патентами RU2428672, RU2541072, RU2208771, RU2543091, RU2571693, свидетельствами на программы для ЭВМ 2006611385, 2010614513, 2013612555, 2014662533, а также в обосновании требований к метрологическим характеристикам средств диагностирования.
Алгоритмы и программное обеспечение средств диагностирования могут быть применены для тиражирования и конфигурации новых устройств, адаптированных к конкретным задачам и условиям эксплуатации.
По результатам испытаний разработанных средств диагностирования с применением динамического метода в эксплуатационных условиях на отечественных и зарубежных тракторах в ООО «Соколово», ФГУП "Элитное"; ЗАО племзавод «Ирмень», ООО «АГРОСНАБТЕХСЕРВИС» при определении
топливно-энергетических параметров двигателей выявлены эффект
недоиспользования мощности и «скрытые» неисправности (механические потери), получена экономия затрат на обслуживание и снижен расход топлива.
Исходные требования, результаты использования технологии и
технические характеристики конструкторской разработки на различных этапах рассмотрены на Научно-техническом совете протокол № 6 от 06.07.2007 г. по экспертной системе «Обнаружение неисправностей дизелей» и получили одобрение для их использования в учебном процессе для подготовки молодых специалистов и рекомендованы Департаменту АПК Новосибирской области для использования их в техническом сервисе.
Утверждены от 24.05.2017 и внедрены на базе ФНАЦ ВИМ «Методические положения по измерению мощности и частоты вращения коленчатого вала дизеля тракторов с помощью устройства МОТОР-ТЕСТЕР-2» -Технологическая карта № 12 как дополнение к документу: «Рекомендации по организации и технология диагностирования тракторов с помощью установки КИ -13940 ГОСНИТИ».
Методология и методы исследований. В теоретических исследованиях применен принцип системного, структурно-функционального анализа и моделирования переходных процессов ДВС как динамической системы, состоящей из подсистем термодинамической, механической и автоматического регулирования. Исследование коэффициентов уравнения динамики, основывается на определении градиентов моментов от факторов: цикловая подача топлива, давление наддува, угловая скорость. Моделирование силовой функции в зависимости от угла поворота позволяет рассчитать переходный процесс скорости динамической системы и ее характеристику, являющихся откликом входных параметров динамической модели, и получить зависимости влияния технического состояния двигателя на характер протекания процесса.
Применены методы исследования на основе планирования активного эксперимента для получения регрессионных зависимостей отдельных частных производных модели, методы синтеза подсистем для разработки динамической модели, моделирование, вероятностно-статистические методы, спектральный, корреляционный анализ измеренных и смоделированных функций.
Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту:
– теоретические зависимости процессов идентификации динамических объектов, патенты на способы диагностирования;
– теоретические зависимости процессов динамики ДВС и экспериментальные данные исследований процессов на установившихся и переходных режимах;
– математическая модель динамики ДВС, включающей взаимосвязи входных и выходных данных, переменных факторов теоретических и эмпирических зависимостей, схемы и алгоритмы, реализующие ее функционирование для создания способов диагностирования технического состояния двигателя по стационарным и нестационарным процессам.
– методы и технология диагностирования двигателей по параметрам переходных процессов в условиях эксплуатации.
– информационно-измерительная система, технические средства и программно-8
алгоритмическое обеспечение для автоматизации экспериментальных
исследований.
– данные теоретических и экспериментальных исследований нестационарных
процессов, включая квазистационарных процессов статистическими методами, по
обоснованию требований к метрологическим характеристикам устройств
диагностирования и зависимости влияния ошибки воспроизводимости определяемых параметров в диагностических тестах на переходных режимах. Техническая документация, технология и средства диагностирования топливно-энергетических параметров ДВС в эксплуатационных условиях, результаты использования.
Степень достоверности исследований. Исследования быстропеременных физических процессов при установившихся и динамических испытаниях для определения параметров и характеристик двигателя в зависимости от его технического состояния проводились с использованием экспериментального оборудования испытания двигателей и измерительной системы для регистрации физических процессов, представляющего собой тормозной стенд с динамометром постоянного тока серии DS чешского завода MEZ Vseti (фирма MEZSERVIS), измерительно-вычислительный комплекс СибФТИ (аналог фирмы AVL) и фирмы National Instruments, комплект первичных и вторичных преобразователей различных фирм (Kistler, SKBIS, ФКП «НТИИМ» и т.д.) для каналов: измерения давления газов в цилиндре, давления в топливопроводе, хода иглы форсунки и угловых перемещений коленчатого вала, а также с использованием поверенных средств измерений. Адекватность полученных регрессионных зависимостей определялась в соответствии с методикой планирования экспериментальных исследований стандартным методом стендовых (по ГОСТ 18509-88 на аттестованном стенде SIEMENS 0007742 на базе АО «15 ЦАРЗ») и методом динамических испытаний двигателя (Протокол №01/17 от 27.04.2017).
Апробация работы. Материалы исследований в период 2001 по 2017 гг.
доложены на международных научно-практических конференциях СибФТИ
(22.10.2003, 17.10.2006, 15.10.2009, 11.10.2012, 11.10.2015, 11.11.2016),
г Краснообск; ГОСНИТИ (13.12.2011, 11.12.2013, 20.11.2014, 20.11.2015), г. Москва; БашГАУ (26.05.2006, 17.12.2015.), г. Уфа; ВИМ (19.09.2006, 19.09.2008, 14.09.2010, 05.10.2011) г. Углич; СЗНИИМЭСХ (05.06.2002) Санкт-Петербург, Тярлево; НГАУ (2001 г., 5.06.2006) г. Новосибирск; СибИМЭ (2003 г, 09.06.2008, 16.06.2011), г. Краснообск; СибНИИСХ (11.07.2006), г. Омск; ИрГСХА (25.09.2007, 25.09.2009), г. Иркутск; ЧитГУ (30.11.2007), г. Чита; СГТУ (12.09.2007), г. Саратов; БГАТУ (23.10.2009, 24.11.2013), г. Минск; ВИЭСХ (18.05.2010), г. Москва; НИЯУ МИФИ (30.01.2012, 22.01.2014 г.) г. Москва; НГТУ (02.10.2014), г. Новосибирск; ВШЭ (12-14.05.2016) г. Москва. Основные результаты экспериментальных исследований были представлены специалистам в рабочих совещаниях конструкторских отделов ООО «ККУ «Концерна Тракторные заводы», ОАО «Четра ПМ», ООО «Четра-КЗЧ», дивизион ЖДЛиВ, ОАО «Агромашхолдинг» (18.12.207, г Чебоксары, 19.12.2007, г. Москва), ОАО «ПО «Красноярский завод комбайнов» (12.06.2009), г. Красноярск, ООО «Сервис Промышленных Машин» (09.12.2010), АО «15 центральный автомобильный ремонтный завод» (2017). Автор работы с
проектом по технологии и средствам диагностирования поршневых двигателей принял участие: в IX Сибирской венчурной ярмарке 4-5.06.2015, г. Новосибирск; в бизнес-ускорителе «А:СТАРТ» в секции «Приборостроение» Технопарка Новосибирского Академгородка 01-20.02.2015; в федеральном акселераторе технологических стартапов GenerationS-2015 25-29.08.2015, г. Москва.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 82 работы общим объемом более 130 п. л., в том числе 3 монографии (55 п. л.), 5 патентов РФ, 4 свидетельства на программу для ЭВМ.
Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, общих выводов, списка литературы и приложения на 110 стр. Изложена на 262 стр. машинописного текста, содержит 41 рисунка (все рисунки разработаны автором), 10 таблиц. Библиография состоит 325 источников (включая труды автора). В приложениях приведены документы, отражающих уровень практического использования результатов исследований, материалы результатов теоретических и экспериментальных исследований, отдельные копии технической документации.
Основные хозяйственные факторы, влияющие на производительность и топливную экономичность машинно-тракторных агрегатов в эксплуатации
Особенностью технологических процессов в сельскохозяйственном производстве является необходимость оперативного управления всеми резервами организации при решении тактических задач. Для объективной оценки рисков и предотвращения угроз потерь продукции из-за невыполненных работ, влекущих нарушение технологии его производства, необходимо знать энергетический потенциал хозяйства, который складывается из мощности энергетических средств МТА. Вместе с тем, техническое состояние тракторного парка сельскохозяйственного
предприятия и его готовность также должны быть объективно оценены и быть прогнозируемыми, особенно в период ответственных полевых работ.
Загрузка парка техники может резко измениться (зачастую в сторону повышения) в силу природных, техногенных явлений, внешнего экономического влияния, рыночной ситуации и т.д. В решении задач при производстве продукции в текущий момент времени должны соответствовать планируемый объем работ и потенциал хозяйства по величине энергетических затрат, управление которых возможно мероприятиями по эффективному использованию указанных резервов.
Один из возможных путей – это снижение энергетических потерь. В работах Ю.А. Тырнова обосновывается резерв эффективности использования МТА за счет снижения потерь мощности и приводится зависимость, состоящая из суммы факторов, характеризующих недоиспользование мощности двигателей МТА в конкретных условиях [23]. Основная доля этих факторов относится к техническому резерву, которые зависят от технического состояния МТА.
Важнейшим фактором, который влияет на производительность, является поддержание параметров двигателя для обеспечения заявленной производителем его мощности. При эксплуатации вследствие нарушения регулировок и возникновения неисправностей мощность двигателя падает, расход топлива растет. С другой стороны, низкие качество и послеремонтная надежность повышают удельный расход топлива при проведении механизированных работ уже на 20 – 30 % [27]. Между тем, своевременный контроль топливно-энергетических показателей позволяет снизить расход топлива на 8 – 12 %, повысить мощность на 10 – 20 %, сократить время простоя за счет снижения вероятности отказов техники и увеличения межремонтных сроков в 2 – 2,5 раза, сократить затраты на обслуживание и ремонт на 15 – 20 % [19, 22, 23, 28-32]. Мощность двигателя (5) затрачивается для создания тяговой мощности и является единственным источником энергии в положительном балансе производительности (7). Мультипликативным влиянием факторов (6) мощность затрачивается на преодоление сопротивлений в трансмиссии, на самопередвижение, на буксование МТА. Коэффициент полезного действия (КПД) трансмиссии в зависимости от загрузки, режимов работы изменяется в пределах 0,83 – 0,92; на самопередвижение – 5 – 25 %; на буксование – 2 – 25 % [19, 22]. Отмечается значимость поддержания исправного технического состояния техники, например, поддержание в исправном состоянии трансмиссии, позволяет исключить потерю производительности до 9 – 11 % [7, 19, 32-34]. В своей работе 1997 г. В.Н. Кычев указывает на то, что при увеличении мощности двигателя в 1,7 раза производительность МТА возросла в 1,32 раза в виду совокупного влияния перечисленных выше факторов [35].
Проведенный анализ библиографических источников позволяет сделать вывод, что основной принцип повышения эффективности производства сельскохозяйственной продукции в конкретном хозяйстве является управление эффективностью использования МТА. В связи с этим, важное значение уделяется поддержанию в работоспособном состоянии техники.
Теоретическим основам совершенствования параметров двигателей и тракторов для повышения эксплуатационных свойств МТА посвящены труды В.Н. Болтинского, Л.Е. Агеева, С.А. Иофинова, В.Н. Попова, Б.А. Шароглазова, Ю.К. Киртбая, А.В. Николаенко, И.П. Ксеневича, В.С. Красовских и др. Совершенствованию сельскохозяйственных технологических процессов, конструкций машин и их рабочих органов для повышения технико-экономических характеристик и производительности посвящены труды В.В. Бледных, А.П. Иофинова, А.В. Лурье, В.П. Горячкина, Ю.Н. Блынского, Ю.А. Гуськова, А.П. Грибановского и др.
При совершенствовании состава тракторного парка и конструкций сельскохозяйственных машин, а также технологий, используемых в хозяйстве, возникает проблема эффективного использования энергонасыщенных тракторов в составе МТА на энергоемких операциях и проблема загрузки двигателя на простых операциях, а также нет однозначных рекомендаций по годовой загрузке такой техники. Например, при выполнении стратегических расчетов, современный посевной комплекс может играть основную роль в экономике растениеводческого хозяйства. Коэффициент готовности такой техники, чтобы выполнить требуемый объем работ в сжатые агротехнические сроки, должен быть максимальным, а экономические затраты на проведение обслуживающих и ремонтных работ могут быть несоизмеримо ниже от возможных потерь продукции из-за простоя техники.
В рядовых хозяйствах коэффициент эксплуатационной надежности МТА ниже на 10 % и более за счет устаревшей техники. Поддержание работоспособности на высоком уровне позволит повысить производительность на 18 – 30 % [5, 7, 34]. Значительные затраты средств на проведение ТО изношенной техники является причиной снижения показателя эксплуатационной надежности. Поэтому экономический обоснованный оптимальный уровень устаревшей техники обусловливает показатель эксплуатационной надежности в пределах 0,75 – 0,85 [36].
Приобретение новой энергонасыщенной техники организационно-технологически позволяет изменить производительность труда и достичь экономической выгоды для хозяйства. Однако, затраты средств на проведение ТО современной техники значительно выше, поэтому актуальными становятся вопросы определения фактического технического состояния и проведения, заявленного по состоянию технического обслуживания. С другой стороны, несвоевременный контроль параметров МТА может привести к существенным потерям продукции из-за снижения работоспособности и ресурса такой техники.
Теоретические исследования по применению переходных процессов в задачах диагностирования двигателя
Двигатель является тепловой машиной циклического действия. Работа двигателя характеризуется совокупностью параметров: Ne - эффективная мощность; М- крутящий момент; / - давление наддува; t - температура; а– коэффициент избытка воздуха; 7]е - эффективный КПД; т]м - механический КПД; ge - эффективный удельный расход топлива; Gm - часовой расход топлива; h - положение рейки топливного насоса высокого давления; Ї7– положение рычага управления подачей топлива (автоматическим регулятором); со– угловая скорость коленчатого вала; – угловое ускорение коленчатого вала и др. Ученые В.А. Ваншейдт, В.И. Крутов [52-54, 267] учитывают колебания цикла работы двигателя, оцениваемых степенью нестабильности (1 - 4 %).
За установившийся режим принимается постоянство во времени значений совокупности параметров: М, со, рк, a, rje, h и т.д., которые отражают свойства объекта или элементов системы управления. Однако, вследствие динамики деталей сложной кинематической схемы и работой газов, в отдельных цилиндрах образуются внутрицикловые колебания. Рассматривая параметры М, со, a, ge, є в функции угла поворота коленчатого вала на принятом установившемся режиме, они будут соответствовать характеру термодинамического цикла в отдельных цилиндрах, существенно отклоняясь от среднего их значения. Мы в динамической модели будем понимать под установившимся режимом постоянство во времени работы термодинамического цикла двигателя, иначе говоря среднее ускорение в цикле работы двигателя є = 0.
На каждом установившимся режиме имеются определенные функциональные зависимости [52, 54]: M=f(u),PK,a,rje,h...). (9) Эти зависимости остаются постоянными при условии равенства выработанной энергии двигателем и израсходованного потребителем. Совокупность установившихся режимов двигателя представляют характеристику, ограниченную зоной минимальной и максимальной скоростью вала двигателя, за которой работа двигателя будет неустойчивой, в этом случае динамическая система будет также обладать неустойчивостью.
Условие равновесия средних Mi - индикаторного и Mc - сопротивления моментов при работе двигателя называется статическим: Mt — Мс = 0.
В связи с нарушением условий статического равновесия и появления в системе изменений, все (или некоторые) координаты, входящие в зависимость (9), при установившемся режиме получат приращения и их значения становятся зависимыми от времени, поэтому зависимость (9) дополняется координатой t : М = (щ, рк, a, rje,h,...,t).
Для описания механической системы воспользуемся общим уравнением динамики Лагранжа, выраженного через моменты, действующие в ДВС: Jnj + yLY = Mi Mc, (10) где/п — приведенный к валу момент инерции, если/п = const, то: /П = МДВ-МС. (11) dt Уравнение (11) использовано в работах по управлению скоростным и нагрузочным режимами ДВС [52, 270, 297]. Внутрицикловые изменения вызваны работой термодинамических процессов в цилиндрах, а также переменным моментом инерции Jn((p).
Переходные процессы ДВС и САР в этих в работах не учитывают внутрицикловые изменения , считается, что ДВС отрегулирован и все процессы (внутрицикловые) усреднены до ш ДВС.
При импульсном наддуве в расчете турбокомпрессора А.Э. Симсон [298] использует переменное значение давления в выпускном коллекторе от dP давления газов в цилиндре — от изменения проходного сечения, причем рассматриваются периоды: 1 - очистка от остаточных газов; 2 - выход воздуха в выпускной коллектор. В этой модели учитываются условия надкритического выпуска, продувки и подкритического выпуска. Уточнённый расчёт турбокомпрессора приводит к получению индикаторных диаграмм давлений в коллекторах в зависимости от угловой координаты ср.
При анализе работы цилиндра в общем необходимо знать количество поступившего воздушного заряда, что уже является интегральным показателем. Поэтому при анализе динамических свойств ДВС достаточно рассматривать функцию крутящего момента на валу двигателя, полученную от влияния турбокомпрессора, т. к. компрессор изменяет параметры заряда в коллекторе для всех цилиндров. Однако, в целом, турбокомпрессор является инерционным звеном, что необходимо учитывать в переходных процессах.
Учеными В.М. Лившицем и И.П. Добролюбовым [46, 284, 285, 299] предложен способ анализа дифференциальных уравнений динамики ДВС для диагностирования по переходным характеристикам с учётом внутрицикловых изменений условий скорости коленчатого вала со, а по угловой координате ср становится возможных выделение работы отдельных цилиндров, влияющих на переходных процесс, вклад которых оценивается с позиции определения их технического состояния.
Экспериментальная установка и информационно-измерительная система для исследований физических процессов
Функциональная схема идентификации представлена на Рисунок 3. В каждый дискретный момент времени п=1, 2... (шаг по времени заранее известен) ко входам объекта и настраиваемой модели приложено внешнее воздействие U(n). На ОЭ воздействует также помеха (п) (возмущение). Выходной процесс ОЭ у(п) зависит как от внешнего воздействия и помехи, так и от неизвестного вектора параметров с Выходной процесс модели зависит от вектора настраиваемых параметров с, который пересчитывается в соответствии с алгоритмом, обрабатывающим вектор всех реализаций .
Разность выходных процессов (или их параметров) ОЭ и модели образует невязку е(( (п) ]} = У(п) У(п), которая поступает на вход функционального преобразователя FfeJ. Соответствие настраиваемой модели объекту, т.е. качество идентификации, оценивается критерием качества идентификации, характеризующим средние потери: I(c)=M{F[e(z(n),c]} = F[y(n)-y(n)] - min где F[...J - функция потерь, М{...} - символ математического ожидания. Улучшить качество идентификации можно уточнением структуры модели и изменением ее параметров, которое осуществляется алгоритмом идентификации с целью построения методов диагностирования, также показанного принципа на Рисунке Д.2.
Таким образом, идентификация динамических объектов в общем случае состоит в определении их структуры и параметров по измеряемым данным – входным воздействиям и выходным процессам. Идентификация осуществляется при помощи настраиваемой модели той или иной структуры, параметры которой могут изменяться.
Проведены исследования переходных процессов и характеристик скорости, ускорения, силовых функций, моментов и их производных, коэффициентов уравнения (32) в зависимости от переменных: ; ; .
Цель исследований динамики ДВС – получить зависимости нестационарных внешних и внутрицикловых процессов при моделировании скоростной характеристики разгона исправного и неисправного двигателя. Обоснование выбора шага интегрирования Характеристика переходного процесса при его моделировании зависит от функций: К(ф) (51); S(cp) (54); (62) ; j (63), которые аддитивно влияют на изменения крутящего момента М(ср) на валу двигателя по координате ср. Вместе с тем, полученное приращение Лео от действия момента обеспечивает At-var при Acp-const, и наоборот. При выборе шага интегрирования Аср ошибка расчета существенна на крутых фронтах функций, поэтому были получены зависимости отклонений аппроксимированных характеристик переходного процесса по угловой скорости со при дифференцировании уравнения динамики (32) и расчетной скоростной характеристики мощности Ne от со в зависимости от шага интегрирования: Аср=0,5; 0,25; 0,1; 0,075; 0,05; 0,025; 0,01; 0,0075; 0,005; 0,0025; 0,001 ;0,00075; 0,0005; 0,00025; 0,0001 рад.
Переходный процесс разгона двигателя по co(t) и скоростная характеристика Ne(co) аппроксимируются полиномом второй степени вида y = b + b1-x + b2-x2. Значения коэффициентов и величины достоверности аппроксимации - коэффициента детерминации R2 представлены в Таблица 2.Установлено, ошибка угловой скорости д 0.1 % при шаге интегрирования Аср 0,001 рад , однако, при этом резко возрастает потребность в вычислительных ресурсах: от 10 мин при до 130 мин времени расчета переходного процесса в t= 1 с при Аср 0,001 рад. Форма зависимости 8 при АдХ0,001 рад показана на Рисунок 5 а) и cf(a) - б).
Таблица 2Влияние шага интегрирования на относительную ошибку за время переходного процесса представлено на Рисунок 4. Из-за существенного сглаживания функций К( р\ S( p), dJf , f на участке 2ж при Аср, 0,05 рад ошибка переходного процесса скорости коленчатого вала 9(t) 10% за время переходного процесса t=l с; а ошибка скоростной характеристики по мощности (т) 10% в диапазоне от соо=60 рад/с до С0и=200 рад/с при Aq»0,01 рад.
Установлено, ошибка угловой скорости д 0.1 % при шаге интегрирования Лср 0,001 рад , однако, при этом резко возрастает потребность в вычислительных ресурсах: от 10 мин при до 130 мин времени расчета переходного процесса в t= 1 с при Лср 0,001 рад. Форма зависимости 8 при Лср 0,001 рад показана на Рисунок 5 а) и cf(a) - б).
Практическая реализация результатов исследований с использованием программно-аппаратного комплекса для разработки технологических приемов диагностирования
При решении дифференциального уравнения получали переходный процесс, а данные смоделированного процесса являлись экспериментальными данными для начальных условий параметров входных данных модели, характеризующих состояние динамической системы.
Дифференциальная взаимосвязь коэффициентов уравнения выражена взаимной совокупностью зависимостей параметров а(со), Рк(со), для которых необходимо экспериментально получить функции от со. Поэтому, на первом этапе экспериментальных исследований определялись зависимости параметров: а(со), Рк(со), gц(oo) и уточнялись эмпирические зависимости: gе(oo), Nе(co), Рс(оо), Ре(оо), РТ(оо), Pi(oo), входящих в уравнение динамики ДВС, полученных динамическим способом и методом стендовых испытаний.
В экспериментах получены данные а(со), Pк(oq), gц(oo) для построения регрессии по со и использования ее в модели. Данные представлены в Приложении Регрессионная зависимость а (со): а(со) = 0,193 - 0,849а) + 14,389о)2 - 55,856о)3 + 97,314о)4 (80) 81,249а)5 + 29,879оЛ Регрессионная зависимость и PK(w): PK( u) = -2,413 + 22,341а) - 57,64о)2 + 63,704о)3 - 25,08 и4. (81) Вид зависимости и j : приведен в Приложении Б. По данным активного эксперимента подтверждены и уточнены зависимости комплексного влияния основных показателей двигателя на диагностические параметры в области номинальной частоты вращения.
Определены регрессионные зависимости для ускорений коленчатого вала на участке работы цилиндров отдельно для каждого цилиндра, косвенно характеризующих крутящий момент или мощность на участке работы цилиндра, а также регрессионные модели максимального, среднего давления в цилиндре и крутящего момента на валу в установившемся режиме номинальной нагрузки и частоты вращения двигателя.
Выполнена проверка значимости коэффициентов уравнений регрессий и однородности по критерию Кохрена Go,os; вычисление дисперсии, характеризующей ошибку опыта 5/ и дисперсии неадекватности SLF2; проверка адекватности модели по критерию Фишера Fo,os и проверка гипотезы о близости регрессионных кривых по ґ-критерию tp0,05 для значений ускорений соответствующих цилиндров проводились по стандартным методикам. Результаты приведены в Таблице Б. 1
Установлено, что наибольшее влияние на ускорение цилиндра % оказывает расход топлива G, а также комплексное уменьшение угла и уменьшение подачи; уменьшение подачи и увеличение неравномерности подачи топливным насосом. Увеличение цикловой подачи топлива секциями насоса вызывает увеличение ускорения цилиндров по зависимости, общий характер которых имеет вид =0,918- +27,468.
Построены поверхности отклика Єці и Ріср регрессионных моделей fyifSbep&Gjи PicpfS (р, G) для сечений (8шр, q ), (8тр, G), (ср, G).
Комплексное уменьшение угла сроп и уменьшение подачи G вызывает снижение ускорения цилиндра &ц на 18 - 26 %, причем отклонение угла (роп от оптимального отражается снижением ускорения цилиндра &ц на 6 %. При комплексном уменьшении G (на 20 - 30 %) и возрастании 8тр (на 10 - 14 %) наблюдается убывание ускорения на 14 - 22 %. Комплексное влияние неравномерности подачи топлива секциями насоса 8тр и угла опережения подачи топлива (роп , характеризуется поверхностью, которая имеет явно выраженное экстремальное значение, соответствующее нормального технического состояния. На коэффициент неравномерности Ктр существенное влияние оказывает комплексное изменение факторов: угла опережения подачи топлива сроп и неравномерности подачи 8нер топливным насосом. При уменьшении угла (роп до крайнего состояния - 18 % и одновременном возрастании 8нер - 14 %, коэффициент Кнер увеличивается до 24 %. При значительных отклонениях подачи топлива G (на + 30 %), Кнер резко возрастает. Поверхность комплексного влияние факторов 5нер и (рна среднее индикаторное давление Рср также имеет экстремальное значение, которое соответствует номинальным настройкам систем и механизмов двигателя.
Результаты индицирования представлены на рисунке 7, по которым получены регрессионные модели Ріср(5нер,(р,0) и Ртах(5нер,(р,0). После проверки адекватности регрессионных моделей Ртах(8нер, р, G), Ріср(5нер, ср, G) и Мср(5нер, ср, G), проводилось также сравнение регрессионных моделей углового ускорения Єц с регрессионными моделями РІср и Мср.
Вторым этапом проведено моделирование переходного процесса и получены данные изменения скорости и ускорения коленчатого вала двигателя с целью разработки способов идентификации технического состояния двигателя.
Задача определения энергетического потенциала ДВС как динамической системы заключается в измерении процессов динамики угловых скорости со и ускорения є коленчатого вала на переходных режимах. Новый метод заключается в тестовом циклическом воздействии (динамический тест) на двигатель - подачей топлива от минимального уровня до максимального уровня. При этом, как показано на Рисунок 16, коленчатый вал ускоряется (зона II) и замедляется (зона IV) между установившимися режимами: минимальная (зоны I, V); максимальная частота вращения коленчатого вала на холостом ходу (зона III).