Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и задачи исследования 9
1.1. Условия эксплуатации тракторов в Туркменской ССР и факторы, влияющие на надежность дизелей 9
1.2. Анализ методов безразборного определения технического состояния двигателей 18
1.3. Методы определения концентрации продуктов износа и оценки эксплуатационных свойств моторных масел. 31
1.4. Постановка вопроса и задачи исследования 38
Глава 2. Теоретические предпосылки к разработке системы функциональной оценки условий эксплуатации и технического состояния двигателя по анализу качества масел 44
2.1. Принципиальная схема построения системы оценки технического состояния двигателя 45
2.2. Оценка информативности системы 49
2.3. Определение обобщенного критерия оценки технического состояния двигателя 56
Глава 3. Программа и методика проведения экспериментальных исследования 61
3.1. Программа исследований 61
3.2.Планирование исследований 65
3.3. Методика проведения эксплуатационных испытаний . 67
3.4. Методика проведения микрометража двигателей . 71
3.5. Методика исследования физико-химических показателей качества масел и состава отложений . 74
3.6. Применяемые приборы и обработка результатов исследования 81
Глава 4. Результаты экспериментальных исследований 85
4.1. Показатели исследуемых двигателей при проведении испытаний 85
4.2. Изменение физико-химических локазателей качества работавших масел и состав отложений с РМЦ 89
4.3. Определение предельно допустимых показателей качества масел 99
4.4. Взаимосвязь и взаимозависимость показателей качества работавших масел 104
4.5. Износ деталей двигателей 105
Глава 5. Анализ полученных результатов и разработка системы функциональной оценки условий эксплуатации и технического состояния двигателей 117
5.1. Изменение технического состояния двигателей 117
5.2. Определение остаточного ресурса двигателей 124
5.3. Оценка условий эксплуатации тракторов и хлопкоуборочных машин 131
5.4. Определение эффективности системы оценки технического состояния двигателей 132
5.5. Организация системы оценки условий эксплуатации и технического состояния двигателей 139
Глава 6. Технико-экономическая эффективность исследуемого метода диагностирования 145
Выводы и рекомендации 155
Литература . 159
Приложения 170
- Анализ методов безразборного определения технического состояния двигателей
- Определение обобщенного критерия оценки технического состояния двигателя
- Методика проведения эксплуатационных испытаний
- Изменение физико-химических локазателей качества работавших масел и состав отложений с РМЦ
Введение к работе
ХХУІ съездом КПСС намечено осуществление крупнейших задач экономического, социального и культурного развития СССР /I/. Мощный фактором развития всего советского общества стали решения майского, ноябрьского (1982 г.)» июньского и декабрьского (1983 г.) Пленумов ЦК КПСС /2,3,4-/« КПСС, последовательно осуществляя экономическую стратегию в современных условиях, определила долговременный курс аграрной политики в Продовольственной программе СССР, являющейся "...и в хозяйственном и в политическом плане центральной проблемой текущего десятилетия, основным направлением реализации которой является обеспечение высоких темпов сельскохозяйственного производства, его переоснащение высокоэффективной техникой, всемерное укрепление материально-технической базы" /2/.
Одной из важнейших народно-хозяйственных задач и практическим вкладом в реализацию Продовольственной программы СССР является выполнение планов партии и правительства по производству хлопка-сырца. Основными направлениями экономического и социального развития СССР предусмотрено среднегодовое производство хлопка-сырца в объеме 9,2...9,3 млн. тонн /I/.
Туркменская СССР, другие среднеазиатские республики благодаря особым климатическим условиям являются основными производителями хлопка-сырца. Туркмения также основной поставщик ценных тонковолокнистых сортов хлопчатника. По Туркменской ССР на XI пятилетку определена генеральная задача в области производства этой важнейшей сельскохозяйственной продукции - довести сбор хлопчатника до I2I0...I230 тыс. тонн в год, в том числе тонковолокнистого 290...300 тыс. тонн, поднять урожайность до 4-5 т/га при снижении затрат до 8...10 чел.ч на 0,1 т /1,2,71/. Уровень произво - 5 -дительности труда в колхозах и совхозах республики возрастет в 1985 г. по сравнению с 1978 г. на 30%, а в 1990 г. в 1,6 раза.
В Постановлении ЦК КПСС и СМ СССР "О мерах по дальнейшему повышению технического состояния и качества машин и оборудования для сельского хозяйства, улучшению использования, увеличению производства и поставок их в 1983...1990 годах" указано на необходимость значительного улучшения технико-экономических показателей машин, имея ввиду повышение надежности и сроков службы, производительности, равнопрочности деталей и узлов, снижение материалоемкости, энергопотребления /5/. Постановлением намечается широкая программа работ по коренному улучшению использования, технического обслуживания, ремонта и хранения техники в сельском хозяйстве.
За годы X пятилетки улучшилось качество выпускаемой техники и, главным образом, повысилась надежность. Это привело к увеличению 80%-ного ресурса тракторов на 15...20%, безотказности на 20...3% снижению трудоемкости технического обслуживания на 8,..12% /45/. Применение воздухоочистителей с бумажными фильтр-патронами наряду с другими мероприятиями позволяет обеспечить моторесурс форсированных дизелей 8...10 тыс. моточасов /22,113/.
Однако потребитель современной тракторной техники в процессе эксплуатации затрачивает еще значительные средства на обеспечение ее нормального функционирования и работоспособности. В структуре себестоимости тракторных работ более 40% затрат приходится на капитальный и текущий ремонты, техническое обслуживание, хранение и отчисления на реновацию /50/.
Как показывает отечественный /44,52,54,55,69,96,110/ и зарубежный /85,104,124,126,133/ опыт, основным звеном и перспективным направлением по обслуживанию техники является техническое диагностирование, поскольку планово-предупредительная система технического обслуживания должна перерасти в "обслуживание по потребности".
Разработанные в настоящее время многочисленные методы и средства диагностики позволяют с определенной точностью оценивать и прогнозировать изменение параметров технич&ского состояния машинно-тракторного парка. В то же время для диагностирования дизелей тракторов в сельском хозяйстве нет достаточно простых и надежных методов, которые позволяли бы выявлять неисправности и прогнозировать моторесурс непосредственно в эксплуатации.
Целью данного исследования является разработка экспресс-метода безразборного диагностирования тракторных дизелей (определение технического состояния, остаточного ресурса, условий эксплуатации) по изменению показателей качества работавших моторных масел в условиях хлопководства ТССР.
Автор защищает научные аспекты работы:
- разработана система оценки остаточного ресурса, условий эксплуатации и безразборной диагностики дизелей по анализу качества работавших моторных масел на основе обобщенного критерия, отражающего уровень отдельных функциональных свойств;
- определены значения предельно допустимых показателей качества работавших масел при эксплуатации дизелей;
- установлены зависимости между интенсивностью изнашивания деталей двигателей, их техническим состоянием и изменением основных показателей качества масел, скоростью накопления железа и кремния в маслах и отложениях, пригодные для безразборной диагностики дизелей различного уровня форсирования при работе на маслах с разным уровнем эксплуатационных свойств;
-практические аспекты работы:
- разработаны номограммы, позволяющие определять наработку двигателей Д-І44 в зависимости от количества израсходованного топлива;
- определены предельно допустимые значения угара масла;
- разработаны номограммы для оценки технического состояния и определения остаточного ресурса двигателей по количеству железа в масле и отложениях;
- разработаны номограммы, позволяющие оценивать условия эксплуатации дизелей по анализу качества работавшего масла;
- разработаны предложения по организации и алгоритм поэтапного предупредительного диагностирования двигателей по анализу качества масла с помощью обобщенного критерия;
- система оценки технического состояния двигателей по качеству моторного масла внедрена в двух хлопководческих совхозах МСХ ТССР и опытном хозяйстве "Теджен" Туркменской государственной зональной машинно-испытательной станции; Госпланом ТССР (Туркмен НИЙНТИ) и Минсельхозом ТССР утверждены и выпущены "Рекомендации по диагностированию двигателей тракторов Т28Х4М по анализу качества работающих масел" /32/.
Структура диссертации:
1. Состояние вопроса и задачи исследования.
2. Разработка системы оценки технического состояния двигателей.
3. Программа и методика проведения экспериментальных исследований.
4. Результаты экспериментальных исследований.
5. Анализ полученных результатов и разработка системы оценки технического состояния двигателей.
6. Технико-экономическая эффективность исследуемого метода.
7. Выводы и рекомендации.
8. Литература.
9. Приложения.
Анализ методов безразборного определения технического состояния двигателей
В настоящее время разработан ряд методов определения технического состояния узлов и механизмов в процессе эксплуатации, осуществляемых в условиях как работающего, так и неработающего трактора /12,44,47,48,55,72,99,104,105,111/. При этом теоретические разработки и практические рекомендации направлены на увеличение срока безотказной работы двигателей и, в первую очередь, деталей ЦПГ и КШМ.
Техническое состояние деталей ЦПГ и КШМ определяет работоспособность двигателя в целом и возможность эксплуатации трактора в дальнейшем /12/. Необходимость ремонта шш замены деталей (поршневых колец, цилиндров, поршней, коленчатого вала, вкладышей) требует значительных материальных и трудовых затрат на разборку двигателя, собственно ремонт и сборку /38/. Изучение закономерностей изнашивания деталей ЦПГ и КІШ в реальных условиях эксплуатации, установление причин, снижающих их долговечность, знание остаточного технического ресурса имеет большое практическое значение, так как позволяет снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт машинно-тракторного парка /24,61/,
Для диагностики ДВС важно выбрать признаки, легко поддающиеся измерению или учету и достаточно точно отражающие техническое состояние механизма /12,55,69/. Безразборное определение технического состояния двигателей основано на косвенном измерении структурных параметров по внешним признакам: расход топлива, развиваемая мощность, угар масла, величина компрессии и т.д. /12,44, 47/. Принципиально методы диагностики ДВС подразделяются на 2 группы: узко- и широкоинформационные (рис. 1.2) /38/. Практическое применение находят методы диагностики цилиндро-поршневои группы.
Эффективная развиваемая мощность является функцией многих параметров, определяющих техническое состояние двигателя /12, 47,48/. Периодическую проверку и контроль мощностных и топливно-экономических показателей дизелей, а также рабочего процесса в целом осуществляют при ТО-2, ТО-3 тормозными, бестормозными и парциальными методами /12,44,48/. Однако их применение не позволяет выявить действительное техническое состояние двигателей тракторов, величины износа и остаточный моторесурс основных деталей.
Определенный интерес представляют виброакустические методы диагностирования по парметрам шума и вибрации, меняющихся по мере изнашивания механизмов или возникновения в них дефектов /8, 47,48,128/. Выделение диагностического сигнала является одним из основных звеньев в системе виброакустического метода исследования ДВС, так как вибрации, генерируемые механизмами и сопряжениями, рассматриваются как случайный процесс, характеризуемый плотностью распределения, математическим ожиданием, корреляционной функцией и спектральной плотностью /8,47/.
Выделение виброакустических параметров по частоте и времени использовано в электронных диагностических приборах типа ВДП-ЛСХЙ, ЭМДП-2, диагностической системе ДИПС ВНИИЭП /72/ и зарубежной установке MEPA-I0A фирмы SKF/I28/.
Метод ослушивания диагностических зон двигателя с помощью простейших электронных стетоскопов позволяет выявить неисправности на стадии аварийных износов, когда стуки в сопряжениях ЦПГ и К1Ш явно выражены и зазоры превосходят максимально допустимые /12/. Данный метод не позволяет получить объективную оценку износа и зависит от опытности и индивидуальных особенностей мастера-диагноста.
Наиболее простым, однако менее точным, является определение технического состояния двигателей и их систем... в процессе эксплуатации по показаниям встроенных контрольно-измерительных приборов и датчиков: масляного манометра, указателя температуры воды, масла и др. /12,44/» Давление в системе смазки снижается при увеличении зазоров в подшипниках коленчатого вала, а температура воды и масла характеризует тепловой режим, исправность работы двигателя и находится в прямой зависимости от величины сил трения сопряженных деталей /107/. В эксплуатации большое количество побочных факторов влияет на показания приборов и температуру воды и масла, поэтому метод не нашел широкого распространения.
Определение обобщенного критерия оценки технического состояния двигателя
В качестве условной безразмерной шкалы, позволяющей свести разнородные показатели к единому, могут быть выбраны непрерывная и дискретная шкалы с различным числом интервалов (градаций). Показатели, выраженные в единицах физической шкалы, переводят в безразмерные, однако на этом этапе, особенно для дискретных шкал балльного типа, возможна потеря информации. При введении той или иной балльной оценки, согласованной с определенным числом градаций в физической шкале, необходимо оценить величину потери количества информации от процесса дискретизации.
Один из распространенных приемов перехода к единой шкале - введение балльной шкалы порядка с двумя или несколькими градациями. Всю область измерения каждого показателя (диапазон возможных значений) разбивают на подобласти, в которых качество по данному показателю характеризуют в терминах: "допустимо" - "недопустимо", "хуже нормы" - "норма" - "лучше нормы", "хорошо" -"удовлетворительно" - "плохо" и т.д. Число терминов обычно определяют количеством классов разбиения по качеству, которое принимают одинаковьш для всех показателей. Каждой градации или классу приписывают число - балл (1,2 и т.д.), как правило, наименьший балл - худшему по качеству классу, наибольший - лучшему.
Качество объекта в целом затем оценивают в баллах, причем число градаций обобщенной оценки и отдельного признака совпадает. Оценка качества по двум или нескольким градациям, естественно, оказывается более приближенной, чем по непрерывной шкале. По этой причине при переходе к балльным шкалам с несколькими градациями, происходит потеря информации, величина которой зависит от размера диапазона и числа классов разбиения, ошибки измерения признаков.
На этапе перехода к безразмерной шкале наиболее целесообразно /123/ использовать функцию желательности Харрингтона, которая обладает /7/ рядом достоинств, т.к. позволяет учитывать психологические особенности восприятия оператором данных эксперимента. При этом перевод в шкалу желательности не меняет информативности всей системы, обобщенный критерий качества распределен по нормальному закону (если ошибки измерения признаков распределены нормально). Это позволяет в дальнейшем проводить с обобщенным критерием качества операции как с обычным выходным показателем: при -менять традиционные статистические методы обработки результатов наблюдений, а также регриссионный или дисперсионный анализ. И, наконец, шкала желательности устойчива к резко выделяющимся наблюдениям, т.е. к большим случайным ошибкам наблюдений.
Количество информации, получаемое в процессе измерения одного показателя и выраженное в битах, зависит от множества значений, которые может принимать измеряемый признак объекта, т.е. длины интервала , характеризующего все возможные значения измеренного признака, и от ошибки измерения А
При равновероятных значениях признака на интервале ik и равномерно распределенной на интервале ошибке измерения Д , количество информации вычисляется по формуле /13/:
При измерении признака, равномерно распределенного на отрезке длиной % с постоянной относительной ошибкой S , количество информации определяется как:
Измерения показателей с постоянными относительными S и абсолютными Л ошибками на практике встречаются наиболее часто. В отсутствии предварительного знания о распределении исследуемого признака наиболее целесообразно предположение, что измеренный признак распределен равномерно на некотором интервале или диапазоне измеряемого признака. Ширину диапазона и принимают за длину интервала . Тип ошибки или Л обычно определяется методом измерения.
В табл. 2.1 показаны диапазоны измерения показателей, входящих в систему, величина ошибки, а также значения показателей для принятой системы градации. В силу специфики методов измерения показателей качества масел ошибки всегда носят абсолютный характер. Поэтому расчет количества информации I для каждого показателя проводили по формуле (2.1). Результаты расчетов приведены в табл. 2.2 в графе "средняя информативность, физическая шкала".
Для предложенной системы оценки технического состояния двигателей по анализу качества масла на основании экспертного опроса установлены границы 3 классов градаций каждого показателя. Эти классы "хорошо" - "удовлетворительно" - "плохо" соответствуют 3 интервалам разбиения общего диапазона показателя на подмножества значений, оцениваемых экспертом как хорошее или плохое техническое состояние двигателя.
Соответствие интервалов разбиения и их качественная оценка приведены в табл. 2.1. Здесь же даны весовые коэффициенты, характеризующие значимость отдельного свойства в общей системе показателей. Для их расчета использовали методы непосредственной оценки, ранжирования и полного парного сравнения /13/. При обработке данных, полученных в результате анализа, использован метод ранговой корреляции /62/.
Количество информации для Я -бальной шкалы определяется следующим образом. Пусть значения исследуемого показателя равномерно распределены на интервале /А,В/ длиной L . Это означает, что вероятность попадания значения показателя в интервал /а,в/, лежащий внутри /А,В/, пропорциональна длине интервала
Методика проведения эксплуатационных испытаний
Минимальное число объектов, обеспечивающее заданную точность, зависит от точности С , коэффициента вариации v , доверительной вероятности Р , а также и от самого числа наблюдаемых объектов h. Поэтому формулу (3.2) можно представить в виде:
Разделив заданную точность С на коэффициент вариации и и воспользовавшись таблицей /77/, где даны значения tp/n для различных доверительных вероятностей и значений /t- от 5 до 31, находят необходимое количество наблюдений.
Для определения среднего технического ресурса двигателей Д.-І44 в группе с точностью 0,1 при доверительной вероятности 0,95 и коэффициенте вариации 0,31: jL_ -. р z?j
Для получения значения приР= 0,95; И--27. Таким образом, минимально необходимое количество двигателей Д-І44 для проведения исследований с требуемой точностью составляет 27 шт на каждой операции (посев и культивация, уборка). Тогда в каждой группе технического состояния необходимо взять 5-6 двигателей.
В наших исследованиях на каждой операции под наблюдение взято по 50 двигателей, а в каждой группе - около 10. Это позволяет получить требуемую точность эксперимента при различных случайных воздействиях, которые возможны при проведении эксплуатационных испытаний: кратковременные перегрузки, переохлаждения и перегревы двигателей, несвоевременное проведение технического обслуживания и т.д.
Для исследований подобраны двигатели с различной степенью износа деталей ЦПГ и КШМ, которые не подвергались ремонту или замене поршневых колец. Таким образом исключено влияние ремонтных воздействий. Кроме того, такие двигатели типичны для эксплуатации.
В процессе испытаний фиксировали год выпуска трактора, машины, заводской"номер двигателя, показания счетчика моточасов. Обязательным условием являлось исправная работа счетчика. Данные фиксировали в журнале наблюдений.
Двигатели тракторов и хлопкоуборочных машин разбивали на группы в зависимости от наработки:
При подборе соответствующих групп учитывали техническое состояние двигателей, исходя из наработки, угара масла, расхода топлива. Таким образом, за основу подбора двигателей, необходимых для эксплуатационных испытаний, был принят критерий их разного технического состояния с тем, чтобы за период испытаний получить достоверные данные о динамике износа и характере изменения оценочных показателей, характеризующих работоспособность двигателя, его систем и моторного масла. В этом случае обеспечивается установление наиболее объективных контрольных и предельно допустимых (нормативных) диагностических признаков технического состояния двигателей по изменению качества моторного масла и состава отложений с РМЦ.
До проведения испытаний проводили техническое обслуживание двигателей. Особое внимание обращали на надежность работы системы очистки воздуха и масла, проверяли исправность реактивной масляной центрифуги, указателей температуры и давления масла. Перед заправкой двигателей моторным маслом систему смазки промывали.
В процессе проведения исследований периодически контролировали следующие показатели: - температуру масла в картере, - давление масла в магистрали, - частоту вращения ротора центрифуги (прибор КИ-І308В), - частоту вращения коленчатого вала двигателя (прибор ИО-30).
Использование мощности двигателя оценивали по расходу топлива за моточас работы, а условия эксплуатации - по виду выполняемых работ и запыленности воздуха.
Тепловой режим работы двигателей на всем протяжении испытаний поддерживали нормальным. Температуру масла в картере определяли по показаниям на щитке приборов и проверяли термометром со шкалой до І5СЯс. В среднем она составляла 90-120С.
В процессе эксплуатационных испытаний вели постоянное наблюдение за тракторами. Наработку каждого трактора учитывали с указанием условий его работы на основании ежедневных записей в журнале и показаний счетчика моточасов, а расход топлива - по фактической заправке тракторов ежесуточно.
Расход масла по каждому трактору учитывали отдельно на заправку и долив. Масло для компенсации угара доливали по фактической потребности.
Изменение физико-химических локазателей качества работавших масел и состав отложений с РМЦ
В процессе проведения испытаний в хозяйство поступило несколько партий моторного масла M-IQBg. Для каждой партии на нефтебазе и в пробе, отобранной из емкости заправочного агрегата, определены основные показатели качества (табл. 4.3). Результаты анализа свидетельствуют о том, что все используемые партии масла по физико-химическим свойствам соответствуют требования ГОСТ 8581-78 и могут быть использованы для проведения испытаний.
Результаты исследования работавших масел и отложений представлены в приложении 2, а обобщенные по группам двигателей и видам работ - в табл. 4.4 и на рис. 4.2. При статистической обработке экспериментальных данных исключены аномально высокие и низкие результаты.
Анализ полученных зависимостей показывает, что для данного вида агротехнических операций интенсивность изменения показателей качества масел повышается с ростом наработки двигателей. При переходе от I к У группе двигателей закономерно ускоряются все процессы старения масел: окисления (рост вязкости и кислотного числа), срабатывания присадок (снижение щелочного числа и содержания бария), накопления механических примесей. Об удовлетворительной работе топливной аппаратуры свидетельствует неизменяющаяся температура вспышки масла.
Рост степени использования мощности двигателя при проведении уборки приводит к повышению температуры деталей и масла в картере. Это вызывает интенсификацию процессов старения масла во всех группах двигателей. Особенно значительно увеличивается темп накопления нерастворимых в масле соединений. Этот рост происходит тем быстрее, чем больше наработка двигателя. Содержание нерастворимого осадка в двигателях У группы при проведении уборки достигает 3,4%, в то время как на посеве и культивации не превышает
Результаты исследований, полученные на статистически достоверном числе объектов позволяют сделать заключение о том, что основные показатели качества масел, такие как кинематическая вязкость, щелочное число, содержание механических прішесей (рис.4.2) однозначно связаны как со степенью загрузки двигателя (вид выполняемой операции), так и его .техническим состоянием (наработкой). Это свидетельствует о принципиальной возможности диагностики технического состояния двигателей и оценки условий их эксплуатации по анализу работавшего масла.
Как повышение термической и механической нагруженноети на двигатели при уборке, так и ухудшение их технического состояния приводят к интенсификации накопления продуктов износа трущихся сопряжений и кремния в работавших маслах и отложениях с РМЦ (табл. 4.5, 4.6).
На рис. 4-.3 представлены зависимости накопления железа, меди и кремния в процессе работы двигателей различного технического состояния. Графики построены по концентрации указанных элементов в работавшем масле и отложениях с РМЦ с учетом вместимости системы смазки, количество доливок масла, массы и зольности отложений (формула 3.5).
Концентрация железа характеризует износ деталей двигателя в целом. Очевидно, что в процессе посева и культивации интенсивность изнашивания невысока и мало меняется с ростом наработки двигателя. На уборке хлопка рост температурных и механических нагрузок вызывает ускорение износа.1 Однако в обоих случаях по мере увеличения общей наработки (У группа) наступает стабилизаци скорости изнашивания.
Медь является продуктом износа, главным образом, втулок механизма газораспределения. Её концентрация существенно меньше, чем железа, но отмеченные выше закономерности сохраняются. Поэтому в дальнейшем для целей диагностики достаточно использовать только изменение концентрации железа.
При проведении посева и культивации интенсивность поступления кремния из окружающего воздуха невелика, но резко возрастает при выполнении уборочных работ. С увеличением степени изношенности двигателя в связи с ростом зазоров в цилиндро-поршневой группе и других сопряжениях скорость поступления кремния значительно возрастает.
