Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Обзор существующих показателей надежности двигателей 7
1.2. Анализ методов повышения параметрической надежности двигателей 13
1.3. Физико-химические свойства топлив 15
1.4. Анализ влияния качества топлива на параметрическую надежность двигателей 24
1.5. Обзор методов подготовки топлива к сгоранию 33
1.6. Анализ перспективных направлений повышения параметрической надежности двигателей подготовкой топлива к сгоранию 38
1.7. Задачи исследования 41
1.8. Выводы по главе 1 42
ГЛАВА 2. Теоретическое обоснование методов повышения параметрической надежности двигателей 43
2.1 Постановка задачи оценки эффективности функционирования двигателя... 43
2.2. Модель формирования параметрического отказа двигателя 46
2.3. Прогнозирование отказов элементов двигателя по изменению обобщенного параметра 55
2.4. Определение исследуемых параметров работы двигателей и качества топлива, влияющего на его эксплуатационную надежность 60
2.5. Выводы по главе 2 71
ГЛАВА 3. Программа и общая методика проведения исследований 72
3.1. Программа исследований 72
3.2. Общая методика исследований 74
3.3. Обоснование исследуемых факторов и определение объема выборки 75
3.4. Методика планирования проведения экспериментов 77
3.5. Методика оценки погрешностей 90
3.6. Выводы по главе 3 92
ГЛАВА 4. Результаты оценки параметрической надежности двигателей 94
4.1. Результаты оценки эффективности работы двигателя при использовании топлива различного качества 94
4.2. Результаты испытаний двигателя на параметрическую надежность 99
4.3. Результаты микрометража деталей и оценки надежности двигателя после испытаний 105
4.4. Результаты исследований системы подготовки топлива к сгоранию на показатели работы дизельного двигателя 106
4.5. Выводы по главе 4 110
ГЛАВА 5. Апробация результатов и технико-экономическая оценка 111
5.1. Технико-экономическая оценка мероприятий 111
5.2. Рекомендуемая методика стендовых производственных испытаний отремонтированных двигателей 113
5.3. Выводы по главе 5 118
Общие выводы 119
Список литературы
- Анализ методов повышения параметрической надежности двигателей
- Модель формирования параметрического отказа двигателя
- Обоснование исследуемых факторов и определение объема выборки
- Результаты микрометража деталей и оценки надежности двигателя после испытаний
Введение к работе
Увеличение количества эксплуатируемых тракторов и автомобилей и рост стоимости ремонтных и сервисных работ вынуждает производителей повышать их надежность, наиболее сложным и дорогостоящим, элементом конструкции которых является двигатель. При эксплуатации тракторов и автомобилей 35...45% отказов приходится на двигатели.
В: сельском хозяйстве/эксплуатируется более 3 млн. двигателей; большая; часть которых после капитального ремонта. Ресурс двигателей прошедших капитальный ремонт составляет 30...47 % ресурса новых, двигателей! Затраты средств на техническое: обслуживание, текущий и капитальный! ремонты двигателей в 5...6 раз больше, а труда в 10... 15 раз больше, чем на их изготовление.
Как показывают исследования, в большинстве случаев^ затраты дополнительных средств на повышение надежности экономически целесообразны, и позволяют снизить затраты при эксплуатации техники. Не менее важной задачей является обеспечение* надежности при эксплуатации техники путем выбора оптимальных режимов эксплуатации, своевременного и качественного проведения технического обслуживания и ремонта, использования качественных топливно-смазочных материалов (ТСМ).
Низкий^ уровень надежности приводит к увеличению затрат в процессе эксплуатации, простоям неисправной техники, что вызывает значительные потери сельскохозяйственной продукции. При этом потери являются следствием снижения не только?физических свойств отдельных деталей, но и снижением эффективности функционирования техники в целом.. Возникает потребность разработки таких методов оценки эффективности функционирования двигателей, которые позволили бы оценить, показатели параметрической надежности, к которым относятся мощность, крутящий момент, расход топлива и др.
Таким; образом, при исследовании методов повышения надежности
техники, особое значение приобретают задачи связанные с испытанием узлов и агрегатов на надежность и анализ эксплуатационных данных, на основании которых осуществляется выбор параметрических методов, указывающих наилучшие алгоритмы обработки наблюдаемых величин, позволяющие оценить неизвестные параметры модели отказов или принять решение о соответствии этих параметров заданным техническим условиям. В таком случае модель отказов может быть известной лишь до некоторых неизвестных параметров, информация о которых в виде оценок или решений извлекается из совокупности выборок. В большинстве случаев, при исследовании процессов длительных по времени, целесообразно применять ускоренные испытания на надежность и расчетным путем получать показатели, соответствующие условиям реальной эксплуатации.
Одним из основных показателей, определяющих ресурс техники, является качество используемого топлива. Как известно, не все детали, узлы имеют одинаковый ресурс, в частности система питания двигателя, ресурс которой во многом зависит от качества топлива, т.е. цетанового и октанового чисел содержания в нем воды, абразивных частиц и загрязнений.
При эксплуатации тракторов и автомобилей часто качество используемого топлива не соответствует требованиям государственного стандарта, что приводит к снижению эффективности работы двигателя и уменьшению его ресурса. В данной ситуации возникает необходимость очистки и подготовки топлива к сгоранию.
Благодаря совершенствованию технологических и технических средств, в настоящее время, выполнять очистку возможно непосредственно на автомобиле, однако, существенного повышения эффективности существующими средствами достигнуто не было.
Одним из путей разрешения этой проблемы является разработка новых средств очистки и методов подготовки топлива к сгоранию, основанных на комплексном использовании силовых полей, воздействующих на механические примеси и воду, находящиеся в очищаемом топливе с целью повышения
параметрической надежности двигателей.
Поэтому работа, направленная на исследование надежности двигателей с целью обоснования эксплуатационно-технологических требований к новым и отремонтированным двигателям, разработку методов и критериев оценки качества функционирования двигателей, эксплуатируемых в сельском хозяйстве, является актуальной.
В данной работе рассматриваются способы и средства повышения надежности двигателей подготовкой топлива к сгоранию.
Анализ методов повышения параметрической надежности двигателей
Долговечность двигателей во многом зависит от принятой планово-предупредительной системы технического обслуживания и ремонта. Долговечность двигателей прежде всего зависит от: - своевременного проведения технического обслуживания; - проведения периодических технических осмотров; - применение топлив, масел и смазок, рекомендованных заводом-изготовителем; - периодической очистки двигателей и агрегатов.
Рассматривая двигатель как сложную техническую систему, можно выделить те звенья, которые являются слабыми в общей структуре. Так состояние топливной аппаратуры значительно влияет на показатели работы двигателей - их мощность, расход топлива, величину механических и тепловых нагрузок, на токсичность отработанных газов, и как следствие, на надежность двигателя в целом, Одним из основных показателей, влияющих на ресурс техники, является качество используемого топлива.
Поэтому наиболее перспективным является направление исследований не только физической надежности отдельных деталей, но и параметрической надежности всего двигателя [93].
Ухудшение показателей топливоподачи, влияющих на работу двигателя, происходит по нескольким причинам: из-за износа деталей и соединений [8], изменения состояния деталей, определяющих настраиваемые показатели (изменение жесткости пружин, регулировочных зазоров и т.п.), а также ввиду отклонения регулировочных показателей от необходимых в процессе ремонта или технического обслуживания топливной аппаратуры. По данным различных источников [17] от 25 до 50 % отказов у дизелей происходит вследствие неудовлетворительной работы топливной аппаратуры. В результате, в условиях реальной эксплуатации большая часть двигателей, особенно прошедших ремонт, работает со значительным отклонением основных показателей от требуемых значений.
Основными причинами ухудшения мощностных и экономических показателей, как для дизельных, так и для бензиновых двигателей, являются: неравномерность подачи топлива по цилиндрам, несвоевременность впрыскивания топлива, снижение номинальной частоты вращения коленчатого вала, неудовлетворительная работа форсунок, и др.
У большинства дизельных двигателей, поступающих в эксплуатацию после ремонта, неравномерность подачи топлива по цилиндрам на номинальном режиме на 20 % и более превышает допустимую. Это часто приводит к уменьшению мощности и всегда — к ухудшению экономичности двигателей. По данным ряда исследований каждые дополнительные 3 % неравномерности подачи вызывают увеличение расхода топлива на 2 %. У 10...20 % двигателей наблюдается снижение номинальной частоты вращения коленчатого вала [17].
Отклонение угла начала подачи на 3...5 градусов приводит к увеличению расхода топлива на 5 % и более. Одна неисправная форсунка вызывает повышение расхода топлива на 15...20 % [17].
Решение проблемы повышения долговечности двигателей в настоящее время сводится к организации системы технического обслуживания и применении в эксплуатации качественных топлив и масел, в то время когда необходимо разрабатывать методы и средства подготовки топлива к сгоранию, а также проводить исследования качества их функционирования.
Полноту использования химической энергии топлива обусловливают процессы воспламенения и сгорания. Сгорание происходит в условиях резко изменяющихся температур и концентраций взаимодействующих веществ. При горении топливно-воздушной смесей температура изменяется в довольно широких пределах и достигает 2000 С. В зависимости от температуры при которой протекает процесс, изменяется не только механизм химических реакций, но и скорость. От температуры зависят скорости образования и распада многих промежуточных продуктов химических превращений, скорости процессов переноса активных частиц из зоны горения в свежую смесь и т.д.
Горючесть - эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результат процесса горения паров топлива с воздухом, протекающего в камере сгорания- двигателей. Горение — комплекс физико-химических превращений смеси топлива с воздухом, сопровождающийся интенсивным выделением тепла и излучением света.
Воспламеняемость - эксплуатационное свойство, характеризующее особенности и результат процесса воспламенения. Воспламенение — возникновение очага пламени за счет окисления топливо-воздушной смеси под воздействием внешнего давления, температуры, источника зажигания, разряда, статического электричества либо за счет самоускорения экзотермических химических реакций - самовоспламенения.
Процесс воспламенения и последующее распространение зоны горения в пространстве, где: находится горючая смесь, могут осуществляться в определенных условиях. Для воспламенения и горения необходимо, паро- или газообразное состояние топливно-воздушной смеси; концентрация топлива и окислителя, при которой возможно воспламенение при данном давлении, а также необходимо иметь возможность накопления в реагирующей смеси тепла и активных промежуточных продуктов.
Модель формирования параметрического отказа двигателя
Общие закономерности формирования параметрического отказа Сложившаяся система оценки надежности, основывающаяся на безотказной работе, в полной мере не удовлетворяет современным требованиям к работе двигателей, т.к. не учитывается параметрическая надежность.
Исходя из этого, для оценки эффективности функционирования двигателя целесообразно исследовать его параметрическую надежность. В качестве контролируемых параметров работы автомобильного двигателя можно принять мощность, крутящий момент, показатели токсичности отработанных газов.
Оценка надежности машин основывается на отыскание закона распределения времени работы ее до отказа, выраженного в дифференциальной форме в виде плотности вероятности f(t) или в интегральной форме в виде функции распределения F (t). Закон распределения F (t) является полной характеристикой надежности машин или его элемента и позволяет определить вероятность безотказной работы Р (t) = 1 — F (і) и другие показатели надежности.
Для более полного анализа надежности новых машин необходимо построение моделей формирования отказов, которые отражают процессы, изменяющие выходные параметры.
Рассмотрим общую схему формирования отказа автомобильных двигателей (рис. 2.1), когда протекание различных процессов повреждения приводит к изменению во времени выходного параметра X. Отказ возникает при достижении предельно допустимого значения Хтак параметра, что произойдет через некоторый случайный промежуток времени работы двигателя.
На схеме показаны основные этапы формирования закона распределения f(t). Вначале имеет место рассеяние параметров двигателя f(a) относительно своего математического ожидания щ.
В общем случае процесс изменения параметра может начаться через некоторый промежуток времени тв, который также является случайной величиной и связан с накоплением повреждений или действием внешних причин [93].
Процесс изменения параметра X со скоростью ух (скорость деградации) также является случайным и зависит от изменения повреждений отдельных элементов изделия (их износа со скоростью уі, у2 ..., уО Надежная- работа изделия будет обеспечена в том случае, если его выходные параметры Х\, Х% .... Х„ находятся внутри области работоспособности, т. е. в области допустимых значений, которая определяется значениями Хіти, j ma» - max Для каждого параметра. В общем случае Хта% также может иметь рассеяние, если оно оценивает диапазон требований потребителей к предельным значениям показателей машины (размытое множество).
Область, в которой находятся параметры изделий в данный момент времени, называют областью состояний. Анализ явлений, приводящих к выходу области состояний за пределы области работоспособности, и должен дать возможность определить закон распределения f(X,t), оценивающий вероятность этого события и позволяющий определить вероятность отказа. Рассмотренная схема в общем виде описывает процесс возникновения отказа и при частных значениях входящих параметров может отражать те или иные случаи, характерные для определенных условий работы и конструкционных особенностей изделия. Если процесс изменения параметра начинается сразу
(тн = 0), то имеет место типичная схема возникновения постепенного параметрического отказа. Если при достижении Хтах будет резкое возрастание X (t), то, как правило, возникает отказ функционирования. Если в процессе формирования отказа основную роль играет возникновение (зарождение) процесса, т. е. функция f (тв), а затем процесс протекает с большой интенсивностью X (і) — со, то получаем модель внезапного отказа [93].
Данные зависимости позволяют, используя закономерности процесса изменения (деградации) параметра, прогнозировать надежность изделия.
В общем случае функция рассеяния параметра/() не будет подчиняться
нормальному закону распределения при рассеянии исходных параметров (а; ух) по нормальным законам.
Детерминированными случайными (или полуслучайными) процессами являются те случаи, когда модель, помимо закона старения, учитывает также флуктуацию параметра. Это случай, когда имеются дополнительные возмущения, приводящие к большему или меньшему перемешиванию реализаций [93].
Случайный процесс X(t), основанный на функциональной зависимости того или иного процесса старения, возникает в связи с тем, что его аргументы являются случайными величинами, не зависящими от времени.
В общем виде случайный процесс изменения параметра X во времени можно представить как X(f) = а + к (t) + e(t) (2.9) где: а — начальное значение параметра; о X(t) — центрированный случайный детерминированный процесс; e(t) — флуктуации параметра.
Флуктуации параметра также могут содержать детерминированную составляющую и случайные флуктуации. В результате этого реализации процесса старения (деградации) отличаются от линейных, обладают свойством «перемешанного» процесса и могут иметь как монотонный, так и немонотонный характер. Эти свойства случайного процесса влияют на параметры закона распределения flf) и на оценку вероятности безотказной работы изделия Р {і).
Обоснование исследуемых факторов и определение объема выборки
Для проведения исследований параметрической надежности двигателей важно выявить факторы, оказывающие влияние на- процесс, определить вид модели исследуемого явления, и способ анализа экспериментальных данных.
При проведении исследования были рассмотрены все факторы влияющие на процесс, и выявлены наиболее значимые.
В качестве основных исследуемых факторов характеризующих параметрическую надежность автомобильных двигателей были выделены наиболее значимые: эффективная мощность Ne, крутящий момент Ме, удельный расход топлива Ge.
Для решения этих вопросов очень важно обосновать исследуемые факторы и определить объем выбора при заданной и принятой стандартами достоверности.
При проведении исследований для получения достоверных результатов необходимо определить число объектов наблюдений, которое зависит от следующих факторов: законов распределения параметров; предполагаемой величины рассеивания результатов испытаний; характеризуемой коэффициентом вариации V; точности оценок, характеризуемой доверительной вероятностью оценки А средней относительной погрешности эксперимента.
Порядок определения объема выборки наблюдаемых объектов следующий: - задается средняя ориентировочная величина изучаемого показателя Z, т zv= — (3-і) т - устанавливается среднее квадратичное отклонение а; - проводится оценка коэффициента вариации; 1/ = - (3.2) z - устанавливается закон распределения изучаемых показателей; - определяется необходимая относительная погрешность эксперимента. 8 = — (3.3) Z Определяются границы возможных значений параметра (X) из условий Zn(l-S) Z Zn(l + S) (3.4) где: Zn — среднее выборки, состоящей из определенного количества измерений исходной величины Z.
Выбор величины доверительной вероятности А характеризующей достоверность относительной точности эксперимента.
При проведении испытаний, как правило, характеристики распределений параметров (тх ; дх) неизвестны, и коэффициент вариации выбирается исходя из априорных сведений.
Для решения задачи оценки достаточной надежности двигателя необходимо определить основные параметры работы двигателя и провести их количественную оценку.
При проведении эксперимента одним из факторов, оказывающих влияние на достоверность получаемой информации, является объем выборки исследования. Из генеральной совокупности N параметра х необходимо взять такую выборку п, статистические закономерности которой были бы справедливы для генеральной совокупности. Однако, полученные значения могут находиться в пределах возможной ошибки опыта, что приведет к неточным и даже неправильным выводам. Поэтому методической подготовкой этой части эксперимента предшествовала оценка точности измерений и определения необходимого количества опытов п. Объем выборки п определяется [62] по зависимости : п - - (3.5) где: t k — квантиль распределения Стьюдента; q5 — предельная ошибка оценки среднеквадратического отклонения. Значения квантиля распределения Стьюдента t k выбирают в зависимости от уровня значимости а и числа степеней свободы к Уровень а — 0,10, что соответствует доверительной вероятности 0,95.
Для сокращения значительного числа испытаний и установления оптимального плана их проведения, необходимо разработать методику планирования эксперимента. При планировании эксперимента сокращение числа испытаний достигается, за счет целенаправленного одновременного варьирования изучаемых факторов, за счет использования известных или предполагаемых зависимостей, возможности планировать эксперимент с учетом уже полученных результатов.
Определить влияния качества топлива на параметрическую надежность двигателя возможно при осуществлении многофакторного планирования эксперимента, которое в основном сводится к выбору числа факторов и определению значения каждого фактора в опыте.
При выборе факторов учитываются следующие требования: а) управляемость — возможность установления и поддержания фактора на выбранных уровнях; б) независимость — возможность устанавливать фактор на выбранном уровне вне зависимости от уровней других факторов; в) совместимость — все комбинации факторов осуществимы и безотказны.
Результаты микрометража деталей и оценки надежности двигателя после испытаний
Блок цилиндров 400 часовые стендовые испытания выдержал и находится в удовлетворительном состоянии. За время испытаний замечаний не было.
Поршневые кольца 400 часовые стендовые испытания не выдержали. При наработке 413 часов (330 часов циклами) и далее наблюдался повышенный расход масла на угар 0,305% (см. табл. 3). При разборке двигателя было выявлено, что нижнее компрессионное кольцо 1-го цилиндра было сломано на две части. Средний износ поршневых колец Средний износ по высоте: - верхних компрессионных колец, кроме 4 цилиндра, повышенный и составляет 56...155 мкм, - нижних компрессионных колец, кроме 4 цилиндра, повышенный и составляет 40...53 мкм, - маслосъемных колец, кроме 3 цилиндра, повышенный и составляет 17...25 МКМ, Средний радиальный износ: - верхних компрессионных колец, кроме 1 цилиндра, повышенный и составляет 48 мкм, - нижних компрессионных колец в пределах допустимого, - маслосъемных колец повышенный и составляет 41...51 мкм, Средний износ поршней
Кольца испытывались на серийных поршнях 421.1004015-02. Поршни находятся в удовлетворительном состоянии, износ не превышает допустимые пределы.
Средний износ юбок поршней составил 54 мкм. Средний износ канавок поршней по высоте: - под верхние компрессионные кольца не превышает 33 мкм; - под нижние компрессионные кольца не превышает 17 мкм; - под маслосъемные кольца не превышает 14 мкм. Среднее отклонение гильз находится в допустимых пределах и не превышает 29 мкм.
Износы деталей цилиндропоршневой группы находятся в области допустимых значений. В результате износа деталей двигателя в процессе испытаний наблюдалось снижение мощности на 0,23% и увеличение концентрации оксида углерода и углеводородов в отработанных газах.
Результаты исследований системы подготовки топлива к сгоранию на показатели работы дизельного двигателя
Для выявления эффективности работы системы подготовки топлива к сгоранию и обоснования влияния измерительного сигнала на показатели качества топлива проводились сравнительные стендовые испытания двигателя Д-240Л штатного исполнения и с установленной системой подготовки топлива к сгоранию (рис. 4.8). Исследования проводились в лаборатории испытаний двигателей кафедры «Тракторы и автомобили» Ульяновской ГСХА в соответствии с ГОСТ 18509-88.
В результате проведенных сравнительных стендовых испытаний двигателя Д-240Л были сняты характеристики холостого хода, скоростные и регуляторные [24].
Характеристика холостого хода (рис. 4.8) показала, что при использовании системы подготовки топлива к сгоранию в системе питания двигателя Д-240Л часовой расход топлива сократился от 7,4 % при па =2250 мин" до 19 % при пв =1580 мин" по сравнению с двигателем штатного исполнения. В результате статистической обработки результатов испытаний получена следующая зависимость:
Регуляторная характеристика (рис. 4.10 а) показала следующие изменения показателей работы данного двигателя: его крутящий момент М повысился по сравнению с двигателем штатного исполнения с 6 % при я в =2000 мин"1 и до 8,4 % при л„=1600 мин"; эффективная мощность Nt возросла с 5,5% при и, = 2000 мин"1 до 7,7 % при я, =1600 мин"1; удельный эффективный расход топлива сократился с 9,0 до 13,5 %. [24].
Скоростная характеристика, представленная на рисунке 4.10 б, показывает, что крутящий момент Ик повышается от 5 % при и„=2200 мин"1 и до 10,5 % при и, =1600 мин" ; эффективная мощность Nt возрастает от 6,5 % при «„=2200 мин"1 до 13,5 % при и, =1600 мин" ; удельный эффективный расход топлива сократился с 9,2 до ! 1,5 % [24].
Как показали исследования, происходит интенсификация процесса сгорания в цилиндрах двигателя при воздействии на топливо электромагнитного поля, и в результате этого улучшаются эксплуатационные показатели двигателя.
