Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1 Эффективность работы дизельного двигателя и состояние его ци-линдропоршневой группы 9
1.2 Характеристика методов и средств контроля ЦПГ 17
1.3 Цель работы, гипотеза, и задачи исследования 30
Глава 2 Теоретические предпосылки к разработке способа оценки технического состояния дизеля по разности расходов воздуха 32
2.1 Теоретические исследования определения неплотности ЦПГ 32
2.2 Рабочий цикл дизеля при пуске 32
2.3 Выбор диагностического параметра при оценке технического состояния ЦПГ 38
2.4 Влияние клапанного механизма на значения разности расходов... 39
2.5 Корректировка при определении величины неплотности цилинд-ропоршневой группы другой модели двигателя 40
2.6.Оценка технического состояния ЦПГ по разности расходов воздуха 42
2.7 Качественная оценка способа по разности расходов в сравнении с давлением конца такта сжатия 43
Глава 3 Методика экспериментальных исследований ... 47
3.1 Экспериментальное моделирование о возможности применения в качестве диагностического параметра величину разности расходов воздуха 47
3.2 Цель и задачи экспериментальных исследований 50
3.3 Общая схема экспериментальных исследований 50
3.4 Выбор отклика, числа факторов, уровней варьирования факторов и матрицы планирования эксперимента 52
3.5 Экспериментальная установка, регистрируемые параметры, приборы и оборудование 56
3.6 Последовательность проведения эксперимента и обработки измерительных данных 62
3.7 Погрешность измерений 65
Глава 4 Результаты экспериментальных исследований .. 67
4.1 Результаты предварительной оценки возможности использования зависимости разность расходов воздуха от неплотности ЦПГ двигателя для ее оценки 67
4.2 Обработка экспериментальных данных для получения зависимостей по разности расходов воздуха от неплотности ЦПГ двигателя 69
4.3 Результаты экспериментальных исследований способом по разности расходов воздуха и по давлению конца сжатия 74
4.4 Погрешность проведения диагностирования предложенным способом 78
4.5 Апробация предложенного способа оценки по разности расходов воздуха 78
4.6 Общие выводы экспериментальных исследований 80
Глава 5 Оценка экономической эффективности резуль татов исследования 81
5.1 Технологическая схема оценки технического состояния цилиндро-поршневой группы дизельных двигателей 81
5.2 Расчет технико-экономической эффективности 83
Общие выводы 90
Литература 92
Приложения 1
- Характеристика методов и средств контроля ЦПГ
- Выбор диагностического параметра при оценке технического состояния ЦПГ
- Выбор отклика, числа факторов, уровней варьирования факторов и матрицы планирования эксперимента
- Обработка экспериментальных данных для получения зависимостей по разности расходов воздуха от неплотности ЦПГ двигателя
Введение к работе
Неплотность цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и камеры сгорания является одним из важных параметров технического состояния, существенно влияющих на эффективную работу двигателя. При увеличении неплотности ЦПГ снижаются такие технико-экономические показатели, как эффективная мощность, удельный и часовой расход топлива, повышается температура выхлопных газов, увеличивается количество вредных выбросов в атмосферу, значительно ухудшаются пусковые качества, снижается долговечность двигателя [6,7,8,9,61].
Отклонение мощности от номинальных значений негативно сказывается на работе машинно-тракторного агрегата (МТА). Уменьшение мощности приводит к снижению производительности, и как следствие — увеличению сроков выполнения сельскохозяйственных работ. Увеличение мощности сверх номинальной приводит к перерасходу горюче-смазочных материалов (ГСМ), быстрому износу ресурсоопределяющих деталей двигателя.
Анализ работы МТА показывает, что простои различной техники при уборке достигают 50%, а на пахоте до 35% от суммарного времени работы МТА [27,59,62].
По соотношению числа отказов двигатель внутреннего сгорания (ДВС) на примере цилиндропоршневой группы занимает второе место (20 %) после топливной аппаратуры (45%) [2,17,31].
На долю двигателя приходится по отдельным типам машин до 50 % основных неисправностей, а трудоемкость устранения может достигать 40 % общего времени устранения отказов и неисправностей машин [61].
С этой целью проводится широкий комплекс работ, связанных с повышением долговечности МТА. Не последнее значение при этом имеет вопрос, свя-
5 занный с технической диагностикой машин, которая позволяет уменьшить расходы на техническое обслуживание (ТО) и ремонт, сократить простои МТА из-за внезапного отказа, возникшего по техническим причинам, контролировать состояние узлов и агрегатов машин [53,71,72].
Успешное решение данного вопроса возможно при комплексном подходе, предполагающем разработку и внедрение новых методов оценки состояния двигателя влияющего на эффективные показатели работы МТА. Их внедрение позволяет в 2,5 раза уменьшить число отказов и снизить простои машин по техническим неисправностям, увеличить межремонтный ресурс в 1,5-2 раза, на 30-40 % снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт [60,74, 75].
По мере совершенствования конструктивно-технологических элементов машин (в первую очередь ДВС) повышаются требования к оборудованию технического сервиса. Не в последнюю очередь эти требования касаются и средств технической диагностики, где наблюдается заметное отставание в части развития новых методов диагностирования, способных существенно повысить достоверность диагноза при одновременном снижении его трудоемкости. В настоящее время существующие методы и способы оценки технического состояния цилиндропоршневой группы не обеспечивают в полной мере поставленную им техническую задачу. Поэтому они должны быть улучшены, усовершенствованны за счет разработки новых методов, позволяющих сократить затраты труда и материальных ресурсов за счет сокращения разборочно-сборочных работ, и повысить информативность диагноза при контроле. Таким образом, контроль технического состояния ЦПГ имеет практическую и научную значимость.
Проблемой технической диагностики тракторов и автомобилей занимались ГОСНИТИ, ВИМ, ВСХИ, СибИМЭ, НАТИ и другие научно-исследовательские учреждения. [76,77,78].
Научные основы технической диагностики машин изложены в работах Г.В. Веденяпина, Н.С. Ждановского, И.Е. Ульмана, В.М. Михлина, В.М. Лившица, И.П. Терских и других ученых. Методы и средства технической диагностики двигателей разрабатывали В.И. Вельских, И.П. Добролюбов, В.Ф. Синий, В.М. Лившиц, И.П. Терских, А.А. Моносзон, В.Д. Костин, В.М. Рогожкин и др.[11,24,28,29,30,32,47,54].
В данной работе исследована возможность использования параметра (разность расходов воздуха) в пусковом режиме двигателя без подачи топлива, для оценки цилиндропоршневой группы дизельного двигателя.
Объект исследования. Процесс изменения неплотностей цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания в условиях эксплуатации.
Предмет исследования. Закономерности изменения неплотностей цилиндропоршневой группы в зависимости от технического состояния и режима работы двигателя.
Научная гипотеза. В качестве параметра оценки технического состояния цилиндропоршневой группы может быть использовано значение разности расходов воздуха на впуске и выпуске двигателя в пусковом режиме без подачи топлива.
Научная новизна. Обоснован оперативный способ оценки технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя по разности расходов воздуха на впуске и выпуске в пусковом режиме. Новизна предложенного способа подтверждена патентом РФ (Пат. 2336513).
Разработана математическая модель, характеризующая зависимость разности расходов воздуха от неплотности цилиндропоршневой группы.
Разработана технология оценки технического состояния ЦПГ дизельных двигателей.
Практическая значимость. Разработанная технология позволяет упростить процесс оценки технического состояния ЦПГ, сократить его продолжи-
7 тельность и трудоемкость, повысить достоверность и точность диагноза и снизить общие затраты при эксплуатации машинно-тракторного агрегата (МТА) на техническое обслуживание и ремонт. На защиту выносятся:
разработанный способ оценки технического состояния ЦПГ по разности расходов воздуха в пусковом режиме без подачи топлива;
технология оценки технического состояния ЦПГ дизельных двигателей;
- результаты технико-экономического обоснования эффективности про
веденных научных исследований.
Реализация результатов исследования. Разработанная технология оценки технического состояния ЦПГ реализована в условиях предприятия технического сервиса г. Новосибирска ООО «Сибирь Дизель Сервис».
Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Новосибирский государственный аграрный университет» в рамках государственной темы № 01.200.201127 «Оперативный контроль состояния ЦПГ автотракторных дизелей».
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались:
на Международной научно-практической конференции «Современные и перспективные технологии в АПК Сибири» (г. Новосибирск, 2006 г.);
на Международной научно-практической конференции, посвященной 100-летию со дня рождения академика ВАСХНИЛ А.И. Селиванова (г. Новосибирск, п. Краснообск, 2008 г.);
на VI Межрегиональной конференции молодых ученых и специалистов Сибирского федерального округа «Научное и инновационное обеспечение АПК Сибири» (г. Барнаул, 2008 г.);
на VII Межрегиональной конференции молодых ученых и специалистов аграрных вузов Сибирского федерального округа (г. Новосибирск, 2009 г.).
8 Публикации. По теме диссертации опубликовано 7 печатных работ, в
том числе одна в издании, указанном в «Перечне ведущих рецензируемых научных журналов и изданий», рекомендованном ВАК.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и предложений. Работа изложена на 111 страницах машинописного текста, включающего 11 таблиц, 29 рисунков, библиографического списка литературы из 84 наименований и 6 приложений.
Характеристика методов и средств контроля ЦПГ
Компрессия - один из обобщающих показателей состояния поршней, гильз, колец, клапанов и их гнезд, прокладок головок блока и форсунок в гнезде. В результате износа указанных деталей и нарушения прокладок увеличиваются неплотность и утечка газов из цилиндра двигателя. Компрессия снижается, утечка газов возможна через прокладку головки блока, если она неплотно прижата, или порвана, неплотности прилегания всасывающего или выпускного клапанов, через зазор между поршнем и цилиндром при износе колец поршней, гильз, трещины в гильзе цилиндра, форсуночное отверстие при неплотной посадке форсунки в гнезде или неисправной прокладке. В результате таких утечек компрессия в цилиндрах двигателя уменьшается, мощностные и топливные показатели ухудшаются, падение компрессии особенно затрудняет пуск дизельных двигателей и особенно в холодное время. В таких случаях температура воздуха в конце такта сжатия получается недостаточной для самовоспламенения топлива.
Минимальное значение компрессии Рс [18,63,71] при прокрутке двигателя на пусковых оборотах (п = 180-200 об/мин) можно подсчитать по формуле: где Ра — давление конца впуска; пі— показатель политропы сжатия на пусковых оборотах; ДО,- доля утечки воздуха в картер двигателя в процентах от количества воздуха, всасываемого в цилиндры; s— степень сжатия; По данным НАТИ [77], при предельно изношенной цилиндропоршне-вой группе АО„ - 35%. Минимальное значение компрессии в цилиндре двигателя на пусковых оборотах составляет 15-17 кг 1см2. При меньших значениях давления конца сжатия дизельный двигатель в холодную погоду завести почти невозможно. Давление конца сжатия проверяют компрессометрами. Для определения компрессии в цилиндре наконечник прибора устанавливают на место форсунки и прижимают к гнезду так, чтобы не было пропуска сжимаемого воздуха в атмосферу. Перед проверкой воздухоочиститель промывают, а двигатель прогревают до рабочей температуры. Компрессию замеряют при включенном механизме декомпрессора на пусковых оборотах двигателя. При этом включена повышенная передача редуктора пускового двигателя, число оборотов которого замеряют тахометром. Спускной вентиль компрессометра завернут, как только стрелка прибора достигнет максимума и остановится, прокручивание вала двигателя прекращают, записывают показания, и так повторяют для каждого цилиндра.
Разница величин давления сжатия между цилиндрами одного и того же двигателя не должна превышать \,1-2кг 1см2. При большей разнице в компрессии резко увеличиваются неравномерность работы и вибрация двигателя. Если показания компрессии занижены в двух рядом расположенных цилиндрах, то вероятнее всего, пробита прокладка головки блока. Воздух из одного цилиндра перетекает в другой, чтобы выяснить причину низкой компрессии какого-нибудь цилиндра, нужно прослушать выход воздуха из сапуна в выпускной трубе и во всасывающем патрубке при поворачивании коленчатого вала рывками на такте сжатия. Свист и шипение воздуха в указанных местах свидетельствуют о том, что изношены сопряжения цилиндр - кольца - поршень, выпускной или всасывающий клапаны. Если прокладка пробита наружу или плохо затянуты гайки шпилек головки блока, то масло, которым смазывают стык, будет пузыриться, это явление так же, как и выход воздуха из-под форсунки, легко обнаружить визуально во время работы двигателя.
Недостатками этого способа определения состояния цилиндропоршне-вой группы являются: повышенная трудоемкость, так как необходимо выполнить операцию по снятию форсунок двигателя, а иногда это вообще невозможно, без предварительной разборки некоторых конструкций двигателей; недостоверность показаний, в силу выше всех перечисленных факторов, которые главным образом влияют на показания прибора.
Диагностика цилиндропоршневой группы по относительной величине неплотности [66,71].
Под неплотностью понимают суммарную площадь сечений, через которую проходят сжатый воздух и газы из надпоршневого пространства цилиндра. Непосредственно измерить абсолютную величину неплотности в различных сопряжениях очень трудно или совсем невозможно. Поэтому обычно замеряют не конкретные неплотности, а суммарные (относительные), характеризующиеся пропускной способностью газов, относительную неплотность измеряют пневматическим калибратором (прибор разработан в Волгоградском СХИ) [26].
Прибор (рис. 1.3) состоит из двух камер 4 и 6, сообщающихся между собой через калиброванное отверстие 8.
Выбор диагностического параметра при оценке технического состояния ЦПГ
В качестве диагностических параметров могут быть приняты давление (Р) и температура (Т) [12,31]. В соответствии с уравнением Менделеева-Клайперона: Из уравнения 2.12 следует, что с изменением весового заряда более интенсивно изменяется давление конца такта сжатия (Рс), что послужило основой выбора его в качестве диагностического параметра при определении ранее известных способов диагностирования [22,38]. 1.
Негерметичность впускного клапана. Учитывая непрерывность такта «впуск» для многоцилиндровых двигателей можно принять Q W] = Q"u, так как утечки направляются в впускной тракт. где 0 нп - регистрируемый расход воздуха; Q"n - расход воздуха для двигателя с нормальным состоянием ЦПГ. На степень заполнения цилиндров, негерметичность впускных клапанов не оказывает никакого влияния, и, следовательно, расход воздуха на выпуске будет таким же, что и при нормальном состоянии ЦПГ AO(SHf7 КЛ) = АО" . 2. Негерметичность выпускного клапана. Для неразделённых систем выпуска результирующий эффект аналогичен рассмотренному выше и следовательно: AQ(SHhm ,ап = АО" .
Влияние негерметичности впускного коллектора на разность расходов. Подсос воздуха может осуществляться через плоскость соединения между головкой блока цилиндров (ГБЦ) и впускным коллектором, тогда можно записать: Влияние негерметичности выпускного коллектора на разность расходов аналогично рассмотренной выше и представлено следующими выражения Из выше изложенного можно сказать что: 1. Не регистрируется негерметичность клапанов. 2. Качественно оценивается негерметичность впускного коллектора 3. Недостаточная достоверность диагноза при негерметичности выпускного коллектора, так как AQ{SHblllK) = AQm + АОныпк. 2.5 Корректировка при определении величины неплотности цилиндропоршневой группы другой модели двигателя 1. Поправка разности расходов воздуха по геометрическим размерам гильзы цилиндра где AQ1 — разность расходов воздуха проверяемого двигателя; AQ — базовое значение величины разности расходов воздуха (экспериментальные данные, полученные на двигателе Д-240), л/мин. kd — коэффициент корректировки по диаметру гильзы цилиндра 1) «,» для двигателей с величиной монтажного зазора 5 равной величи не зазора базового двигателя С(5 С) рассчитывается по формуле: где Д — диаметр гильзы цилиндра проверяемого двигателя; Dh — диаметр гильзы цилиндра базового двигателя. 2) «ки» для двигателей с 8ФС — рассчитывается по следующей формуле: где: S — величина монтажного зазора проверяемого двигателя, м; 5h- величина монтажного зазора базового двигателя. 2. Поправка по частоте прокрутки коленчатого вала. где кп— поправочный коэффициент, определяемый либо по графику (рис. 2.7, ось ординат), либо в зависимости от частоты прокрутки коленчатого вала проверяемого двигателя по формуле кп =1,44-0,4-потн— (экспериментальные данные), пот— отношение базовой частоты прокрутки коленчатого вала (частота прокрутки коленчатого вала двигателя Д-240 на котором проводился эксперимент) к частоте прокрутки проверяемого двигателя.
Выбор отклика, числа факторов, уровней варьирования факторов и матрицы планирования эксперимента
Исходя из поставленных задач, необходимо получить экспериментальные данные о влиянии факторов на диагностические сигналы. В качестве функций отклика в соответствии с ГОСТ 24026-80 выбраны: расход воздуха на впуске, расход воздуха на выпуске. Отклик должен быть: [3,33, 45,49,50,68] 1. Количественным; 2. Доступным для измерения; 3. Выражаться одним числом; 4. Однозначным в статистическом смысле, т.е. заданному сочетанию уровней факторов должно соответствовать одно значение отклика; 5. Эффективным в статистическом смысле, т.е. определяться с наибольшей точностью; 6. Существовать для всех состояний исследуемого объекта; 7. Иметь физический смысл. Выбранные отклики удовлетворяют перечисленным требованиям. Факторы технического состояния выбирали на основании анализа литературных данных и результатов поисковых исследований. Факторы должны быть: 1. Управляемыми, т.е. позволяющие экспериментатору устанавливать их требуемые значения и поддерживать постоянными эти значения в течение опыта; 2. Непосредственно воздействующими на объект исследования, так как трудно управлять фактором, который является функцией других параметров; 3. Совместимыми, т.е. все комбинации уровней факторов должны быть осуществимы и безопасны; 4. Независимыми, т.е. позволяющими экспериментатору устанавливать требуемые уровни любого фактора независимо от уровней других факторов. В качестве факторов по результатам анализа литературных данных [38, 73] были выбраны: частота вращения коленчатого вала двигателя и неплотность ЦПГ. Уровни варьирования факторов приведены в таблице 3.1. Частота вращения коленчатого вала влияет главным образом на величину разности расходов воздуха. Увеличение частоты вращения коленчатого вала влечёт за собой увеличение скорости потока воздуха проходящего через неплотности ЦПГ. С увеличением неплотностей ЦПГ, давление воздуха в цилиндре в конце такта сжатия снижается, при этом величина разности расхода воздуха будет увеличиваться, так как она является функцией давления.
При выборе интервалов варьирования факторов учитывались следующие ограничения: интервал варьирования не должен быть меньше погрешности, с которой фиксируется фактор, а также не должен быть слишком большим, чтобы верхний и нижний уровни за пределы области определения фактора. Для удобства записи условий эксперимента и обработки экспериментальных данных в дальнейшем уровни варьирования факторов записываются в кодированном виде: верхний уровень обозначают (+), нижний уровень (-), а основной (0). Кодированное значение фактора х, определяют по выражению где xt - кодированное значение і -го фактора; х" - натуральное значение і - го фактора; х" - натуральное значение основного уровня і - го фактора; /,- интервал варьирования і - го фактора. Так как конкретный вид связи между параметрами технического состояния и откликами был неизвестен, в качестве уравнения связи выбрана модель регрессионного анализа второго порядка. Анализ литературных источников по математическому моделированию показывает, что для практического описания большинства процессов в сельском хозяйстве и других отраслях такого полинома бывает достаточно[25]: где bQ- свободный член уравнения; b, ,bj- коэффициенты при линейных членах; Ъи , Ьп - коэффициенты при квадратичных членах; Ьц - коэффициенты взаимодействия между факторами; xt,Xj- факторы. Для оценки всех коэффициентов полинома второй степени, в силу небольшого числа факторов, проводим исследования по плану полного факторного эксперимента, в котором две переменные варьируются на трёх уровнях. Матрица планирования эксперимента представлена в таблице 3.2.
Обработка экспериментальных данных для получения зависимостей по разности расходов воздуха от неплотности ЦПГ двигателя
После полного факторного эксперимента производили обработку опытных данных с помощью регрессионного анализа. Целью обработки экспериментальных данных является получение функциональной зависимости AQ = f(Pl) = f(n,S). Для построения математической модели используется регрессионный анализ [45, 68]. Результаты обрабатывали в соответствии с методикой, описанной в главе 3, в последовательности: 1. Для каждой строки матрицы планирования по результатам всех параллельных опытов находили среднее арифметическое значение параметра оптимизации (отклика) и соответствующую каждому опыту дисперсию (табл. 4.2). 2. Однородность ряда дисперсий проверяли с помощью критерия Кох-рена - G(npn равномерном дублировании опытов), представляющего собой отношение максимальной дисперсии к сумме всех дисперсий.
Все дисперсии признаны однородными, так как расчётное значение Gp критерия не превышает табличного значения G,- критерия, Gp (0,384) GT (0,5157) [68]. 3. Так как дисперсии S2n опытов однородны, то дисперсия воспроизво димости эксперимента S2y, вычисленная в соответствии с методикой (см.гл.З), будет равна: 4. По результатам эксперимента вычислялись коэффициенты модели. Для проверки статистической значимости коэффициентов регрессии для каждого из них вычисляли критерий Стьюдента tp. Расчётные значения критерия сравнивали с табличным значением tr = 2Д0 [68]. Результаты расчётов приведены в таблице 4.3. Условие значимости коэффициента для принятого уравнения доверительной вероятности числа степеней свободы / = 18, ( / = (и- 1)JV - число опытов в матрице планирования, an — число параллельных опытов), с которым определялась дисперсия S : tp ir. В результате сравнения было определено, что коэффициенты bu,b22,ubi2, незначимы. 5. Тогда уравнение регрессии можно записать так: 6.
Далее определялась дисперсия адекватности S , которая характери зует рассеяние эмпирических значений параметра оптимизации (функции от клика), относительно расчетных значений, определённых по найденному уравнению регрессии (sfv =0.018). 7. Последним этапом обработки результатов эксперимента является проверка гипотезы адекватности найденной модели. Проверка гипотезы про изводилась по критерию Фишера - F. Модель считают адекватной, если расчетное значение критерия Фишера Fp меньше табличного значения - F,. Модель признана адекватной, так как Fp (0,6) Ft (2,7). В результате регрессионного анализа получено следующие уравнение регрессии: Из уравнения (4.2) следует, что функцией отклика является разность расходов на впуске и выпуске AQ = f(P,Z) Сделав подстановку факторов, влияющих, на функцию отклика получим: В результате регрессионного анализа установлено, что факторы n,S (другие факторы были стабилизированы), определяющие техническое состояние ЦПГ, являются значимыми для &Q = f{P,Z) т-е- изменение указанных факторов технического состояния ЦПГ двигателя в процессе эксплуатации обусловит изменение диагностического параметра. Предположение о существовании линейной связи между выбранной функцией отклика и частотой вращения коленчатого вала, а также величиной неплотности получило подтверждение (рис.4.2).
