Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса и задачи исследований 7
1.1 Классификация методов определения энергетических параметров двигателей 7
1.1.1 Тормозные методы определения энергетических параметров двигателей 7
1.1.2 Бестормозные методы определения энергетических параметров двигателей 22
1.2 Выводы, задачи исследований 33
2. Теоретические исследования 35
2.1 Программа теоретических исследований 35
2.2 Теоретические предпосылки определения энергетических параметров двигателя на основании его динамических качеств в условиях переходных неустановившихся режимов 35
2.3 Анализ погрешностей определения энергетических параметров двигателя по ускорению коленчатого вала и пути их устранения 37
2.4 Совершенствование методики и средств определения углового ускорения коленчатого вала на переходном режиме . 39
2.5 Методика определения энергетических параметров двигателя по ускорению коленчатого вала на всем диапазоне скоростей 43
2.5.1 Измерительно-вычислительный комплекс 43
2.5.2 Методика записи закона движения коленчатого вала и обработки полученных данных 45
2.6 Выводы 51
3. Методика экспериментальных исследований 52
3.1 Задачи экспериментальных исследований 52
3.2 Методика проведения испытаний двигателей по стандартной и предлагаемой методикам 52
3.2.1 Объект исследований 52
3.2.2 Испытания двигателей по стандартной методике 54
3.2.3 Испытания двигателей по предлагаемой методике 55
3.3 Определение погрешности измерений энергетических параметров 57
3.3.1 Определение погрешности измерений энергетических параметров приборами типа ИМД 57
3.3.2 Определение погрешности измерений энергетических параметров разработанным измерительно-вычислительным комплексом 58
3.3.3 Определение погрешности измерений энергетических параметров тормозным оборудованием 58
3.4 Сравнительный анализ результатов 59
3.4.1 Оценка адекватности законов изменения крутящего момента испытуемых двигателей, полученных по стандартной и предлагаемой методикам 59
3.4.2 Оценка адекватности результатов определения номинальных значений частоты вращения и мощности испытуемых двигателей, полученных по стандартной и предлагаемой методикам 60
3.5 Выводы 61
4. Результаты экспериментальных исследований 62
4.1 Результаты тормозных испытаний 62
4.2 Результаты испытания двигателей по предлагаемой методике 63
4.3 Результаты определения адекватности результатов испытания двигателей по стандартной и предлагаемой методикам 77
4.3.1 Результаты определения адекватности законов изменения крутящего момента испытуемых двигателей, полученных по стандартной и предлагаемой методикам 77
4.3.2 Результаты определения адекватности номинальных значений частоты вращения и мощности испытуемых двигателей, полученных по стандартной и предлагаемой методикам 84
4.4 Выводы 86
5. Экономическая эффективность 87
5.1 Объект анализа 87
5.2 Исходные данные 87
5.3 Расчет эксплуатационных затрат 90
5.4 Расчет показателей эффективности 92
5.5 Выводы 95
Выводы и предложения 96
Литература 98
Приложения 110
- Бестормозные методы определения энергетических параметров двигателей
- Совершенствование методики и средств определения углового ускорения коленчатого вала на переходном режиме
- Определение погрешности измерений энергетических параметров тормозным оборудованием
- Результаты определения адекватности законов изменения крутящего момента испытуемых двигателей, полученных по стандартной и предлагаемой методикам
Введение к работе
Эффективность и экономичность работы тракторов в значительной степени зависят от состояния их энергетической установки - двигателя.
По своим техническим возможностям двигатели могут работать длительное время без существенных изменений гарантированной мощности и топливной экономичности. Между тем в практике эксплуатации тракторные двигатели нередко работают с пониженными показателями и значительным снижением межремонтных сроков, В общем комплексе мероприятий по повышению эффективности, экономичности и долговечности двигателей важную роль играют контроль и проверка их работы в процессе эксплуатации, которые позволяют объективно оценить состояние двигателя, выявить неисправности и нарушения регулировок и помогут наметить мероприятия по их устранению.
Определение и контроль технического состояния двигателя без разборки простым и доступным методом позволяют повысить эффективность использования тракторов и более рационально построить систему их технического обслуживания. Важное значение, при этом имеет определение энергетических параметров двигателя (крутящего момента и мощности), которые наряду с расходом топлива, являются основными обобщенным показателям его технического состояния.
В соответствии с вышеизложенным целью работы является совершенствование методики и средств определения энергетических параметров двигателей тракторов в эксплуатационных условиях.
В представленной к защите работе разработана методика позволяющая определять значения углового ускорения коленчатого вала через определенные промежутки времени (циклы работы двигателя) на всем диапазоне угловых скоростей (от минимального до максимального значений). На ее основе разработана методика определения энергетических параметров двигателя и скомплектован измерительно-вычислительный комплекс, ее реализующий, позволяющие построить регуляторную характеристику (без топливных показателей) исследуемого двигателя.
Разработанные методика и измерительно-вычислительный комплекс позволяют повысить точность и качество определения энергетических параметров двигателя в эксплуатационных условиях.
Применение разработанного измерительно-вычислительного комплекса позволяет определять энергетические параметры испытуемого двигателя при отсутствии или неисправном состоянии вала отбора мощности, что является невозможным при применении тормозного оборудования.
На защиту выносятся следующие научные результаты:
1. Теоретические предпосылки определения энергетических параметров двигателя по ускорению коленчатого вала двигателя при его разгоне.
2. Модели технических средств, позволяющие определять энергетические параметры двигателя с учетом цикличности его работы.
3. Методика и алгоритм определения энергетических параметров двигателя на основании закона изменения угловой скорости коленчатого вала при его разгоне.
4. Результаты сравнительных испытаний нескольких двигателей по предлагаемой и стандартной (тормозной) методикам.
Данная работа выполнена на кафедре «Эксплуатация машинно-тракторного парка» Азово-Черноморской государственной агроинженернои академии в соответствии с научно-технической программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК Российской Федерации и планом НИР ФГОУ ВПО АЧГАА на 2001-2005 гг. (№02.20.07).
Элементы теоретических и экспериментальных исследований используются в учебном процессе на кафедре «Эксплуатация машинно-тракторного парка» АЧГАА.
Бестормозные методы определения энергетических параметров двигателей
В статоре 4 (рис. 1.7) имеется набор дисков 3. В промежутки между дисками статора входят диски 2, связанные с валом тормоза и являющиеся ротором. Диски статора и ротора имеют вафельную поверхность. Статор 4 тормоза установлен на двух кронштейнах 1 /. Статор 4 имеет возможность поворачиваться в подшипниках. Заполнение статора водой производится через карманы / из бака постоянного уровня, трубы от которого располагаются над карманами. При заполнении статора водой создается сопротивление вращению ротора.
Величина силы сопротивления (нагрузка) зависит от уровня воды в статоре, который регулируется золотником при помощи маховичка 5. Ротор, вращаясь, увлекает за собой и статор; окружное усилие, которое необходимо приложить к статору для того, чтобы удержать его от вращения, будет равно силе сопротивления вращению ротора. Таким образом, если для удержания статора необходимо приложить на плече L усилие G , то мощность, потребная для вращения ротора, будет равна: Статор звеном 6 связан с кривошипом 7, на конце которого жестко посажен маятник 8. Если статор будет поворачиваться около своей оси на некоторый угол, то звено б, воздействуя на кривошип 7 маятника 8, повернет его такой-то угол, при котором момент от силы тяжести маятника уравновесит приложенный к статору момент. Чем больше этот момент, тем больше отклонение маятника. Отсчет усилия производится по шкале 10. Испытуемый двигатель устанавливается на подмоторной плите тормозной установки, и при помощи гибкой муфты вал тормоза соединяется с валом двигателя. Для загрузки при помощи этого тормоза двигателей с различной оборотностью и мощностью между валом тормоза и валом двигателя вводится редуктор. У некоторых гидравлических тормозов вместо дисков 3 и 2 на роторе и статоре устанавливаются штифты. Штифтовые гидравлические тормозные установки на пониженных оборотах работают с меньшей устойчивостью, чем дисковые. Основным недостатком гидравлических тормозов является потребление большого количества воды, что возможно при наличии водопроводной сети или большого резервуара с охлаждающим устройством. Электрический тормоз /13, 15/ представляет собой генератор, который приводится испытуемым двигателем и превращает механическую энергию двигателя в электрическую, отдавая ее в нагрузку. Нагрузка может быть создана реостатом с металлическими сопротивлениями или путем включения генератора во внешнюю сеть. В первом случае энергия, вырабатываемая тормозным генератором, превращается в тепловую; при отдаче в сеть эту энергию поглощает потребитель. Электрические тормоза бывают постоянного тока, переменного тока синхронные и переменного тока асинхронные. Машины постоянного тока более просты и универсальны. Они могут работать в большом диапазоне угловых скоростей как в режиме генератора, при торможении испытуемого двигателя внутреннего сгорания, так и в режиме двигателя при пуске, обкатке или при «холодных» испытаниях двигателя внутреннего сгорания. Для питания при работе в режиме двигателя и для рекуперации отдаваемой в сеть энергии при работе в режиме генератора тормозные установки постоянного тока снабжают мотор-генераторными агрегатами, включенными по системе Леонарда.
Машины постоянного тока для тормозных установок, за редким исключением, выпускают с независимым возбуждением от специального возбудителя, при этом регулировка возбуждения является основным средством регулировки тормозной мощности машины.
На рис. 1.8 показана функциональная электрическая схема тормозной установки типа МПБ. Балансирная машина БМ соединена механически с испытываемым двигателем внутреннего сгорания ДВС. Агрегат питания и рекуперации состоит из асинхронного электродвигателя АД и генератора постоянного тока Г. На одном валу с асинхронным двигателем установлен возбудитель В для питания обмоток возбуждения машин Г и БМ постоянного тока. Генератор Г и балансирная машина БМ соединены между собой электрически силовым кабелем.
При работе в режиме холодных испытаний двигателя внутреннего сгорания, при его обкатке или при пуске, асинхронный двигатель АД вращает генератор /"постоянного тока с независимым возбуждением. При этом балансирная машина БМ, получая питание от генератора Г, работает в режиме двигателя и вращает соединенный с нею испытуемый двигатель внутреннего сгорания ДВС.
В режиме тормозных испытаний двигателя внутреннего сгорания в цепь обмотки возбуждения ОВГ генератора Г вводится сопротивление. При этом балансирная машина БМ переходит в генераторный режим параллельно с сетью, генератор Г становится двигателем, заставляя асинхронный двигатель АД работать генератором и отдавать энергию в сеть. Такой режим называют режимом рекуперативного торможения. Введение сопротивления в обмотку ОВГ равносильно уменьшению сопротивления обмотки ОВБМ. Реостат введен в цепь обмотки возбуждения ОВБМ балансирной машины для тонкой регулировки возбуждения балансирной машины с целью более точного регулирования тормозного момента.
Синхронные машины переменного тока употребляют редко в связи со сложностью вспомогательных устройств при работе на внешнюю сеть (стабилизатор напряжения, преобразователь частоты и др.).
Работа с рекуперацией энергии возможна лишь с отдачей энергии в сеть мощной энергосистемы с большой стабильностью напряжения и частоты. В противном случае трудно поддержать постоянство тормозной нагрузки с достаточной точностью. Если нет возможности подключиться к мощной энергосистеме, энергию тормозного генератора отдают на реостаты.
Совершенствование методики и средств определения углового ускорения коленчатого вала на переходном режиме
Для того чтобы учесть цикличность процессов, протекающих в двигателе в блок-схему прибора ИМД-ЦМ (рис. 1.14) был введен блок задержки вычитания на время цикла /80, 111/ (рис. 2.1).
Теперь угловое ускорение определяется следующим образом. У прогретого двигателя, работающего на минимальных оборотах холостого хода, рычаг подачи топлива резко переводят в положение, соответствующее максимальной подачи топлива. Двигатель при этом разгоняется.
Зубья маховика, пересекая магнитное поле датчика /, наводят в его катушке импульсы, которые через формирующее устройство 2 поступают в блок фиксации.номинальных оборотов 3. При достижении двигателем номинальных оборотов с помощью блока фиксации номинальных оборотов 3 и блока управления б в работу включается реверсивный счетчик 7. Он за определенный промежуток времени, задаваемый генератором временных импульсов 5, суммирует импульсы, поступившие с индукционного датчика 1. Одновременно с реверсивным счетчиком, в момент достижения двигателем номинальных оборотов, включается блок задержки вычитания на время цикла 4. Он считает количество импульсов, соответствующее времени цикла (двум оборотам коленчатого вала). И по истечении этого времени, он через блок управления 6 включает реверсивный счетчик 7 в режим вычитания. Происходит вычитание импульсов за такой же промежуток времени, что и суммирование. Полученная таким образом разность, пропорциональная ускорению разгона коленчатого вала, поступает через вычислительное устройство 5 на индикатор 9.
Так же разработано принципиально несколько иное устройство для определения углового ускорения коленчатого вала, позволяющее повысить точность измерений /111/. Его блок-схема приведена на рис. 2.2. Измерение ускорения этим устройством производится следующим образом. У прогретого двигателя, работающего на минимальных оборотах холостого хода, рычаг подачи топлива резко переводят в положение, соответствующее максимальной подачи топлива. Двигатель при этом разгоняется.
Зубья маховика, пересекая магнитное поле датчика 7, наводят в его катушке импульсы, которые через формирующее устройство 2 поступают в блок выделения циклов 4, где происходит выделение циклов по мере прохождения импульсов. При достижении двигателем номинальных оборотов с помощью блока фиксации номинальных оборотов 3 и блока управления 5 в работу включается блок счета времени 6, который определяет продолжительность цикла, в котором произошло достижение номинальных оборотов, и продолжительность последующего цикла. Значения продолжительности циклов поступают в блок сравнения 7, где происходит сравнение этих значений. Полученная разность, пропорциональная ускорению разгона коленчатого вала, поступает через вычислительное устройство 8 на индикатор 9.
На данное устройство оформлена заявка № 2003-124095 и получен приоритет от 31.07.2003 г.
Таким образом, разработанные методики и устройства, с помощью которых они реализуются, позволяют определять угловое ускорение коленчатого вала при переходном режиме в момент, соответствующий номинальным оборотам, с учетом цикличности работы двигателя. Это позволяет определить номинальные значения крутящего момента и мощности исследуемого двигателя. Однако значения крутящего момента и мощности на номинальном режиме не дают полной картины о состоянии двигателя. В этой связи, используя за основу описанные ранее методики и устройства их реализующие, разработаны методика и соответствующее ей устройство (рис. 2.3), позволяющий определять значения углового ускорения коленчатого вала через определенные промежутки времени (циклы работы двигателя) на всем диапазоне скоростей (от минимального до максимального значений), что может служить основанием для построения регуляторной характеристики (без топливных показателей) испытуемого двигателя/107, 108, 109/.
У прогретого двигателя, работающего на минимальных оборотах холостого хода, рычаг подачи топлива резко переводят в положение, соответствующее максимальной подачи топлива. Двигатель при этом разгоняется.
Зубья маховика, пересекая магнитное поле датчика 7, наводят в его катушке импульсы с частотой, пропорциональной частоте вращения коленчатого вала (один импульс соответствует прохождению магнитного поля датчика одним зубом маховика). Импульсы от датчика поступают в блок выделения циклов 2, где происходит выделение из массива проходящих импульсов интервалов, соответствующих циклам работы двигателя (два оборота коленчатого вала). По-средствам блока управления 3 и блока счета времени 4, определяется продолжительность каждого из выделяемых циклов, которая поступает в вычислительное устройство 5, где происходит вычисление на ее основе средних значений угловой скорости и ускорения коленчатого вала по циклам.
Полученные средние значения угловых скорости и ускорения по циклам посредствам устройства вывода результатов 6 поступают либо на монитор, либо на печатное устройство.
Определение погрешности измерений энергетических параметров тормозным оборудованием
Основной причиной невысокой точности измерений приборами типа ИМД является то, что, лежащая в их основе, методика определения углового ускорения коленчатого вала на переходном режиме, не учитывает периодических колебаний угловой скорости коленчатого вала. Основной причиной этих колебаний /76, 97/ является неравномерность крутящего момента, обусловленная периодичностью рабочего процесса и кинематическими свойствами кривошипно-шатунного механизма.
Кроме того, существующая методика не учитывает возможной неравномерности распределения мощности по цилиндрам двигателя, обусловленной различным техническим состоянием цилиндров и количеством подаваемого в них топлива.
Так согласно (п. 1Л.2) в момент достижения двигателем номинальных оборотов импульсы от датчика поступают в течение калиброванного промежутка времени, определяемого генератором временных импульсов, на один из входов реверсивного счетчика, а затем, в течение такого же промежутка времени, на другой вход счетчика. Разность импульсов на счетчике, пропорциональна ускорению разгона коленчатого вала двигателя. Продолжительность калиброванного промежутка времени 1ген /93/, задаваемого генератором временных импульсов - 0,082 сек.
Продолжительность одного цикла работы t4 в области номинальных оборотов двигателей Д-240 и Д-65Н1 составляет 0,055 и 0,069 сек. соответственно. Таким образом вычислив время работы одного цилиндра этих двигателей ( =0,014 сек., / =0,017 сек.) легко видеть, что промежутки времени ггеи соответствуют времени срабатывания 6 цилиндров для двигателя Д-240 и 5 цилиндров для двигателя Д-65. Таким образом, даже у нормально работающего двигателя (согласно /13/ допускается неравномерность распределения мощности по цилиндрам не более 12%) описанное явление увеличивает погрешность измерений.
Для устранения выявленных недостатков методики определения углового ускорения, необходимо учитывать цикличность процессов, протекающих в двигателе.
Для того чтобы учесть цикличность процессов, протекающих в двигателе в блок-схему прибора ИМД-ЦМ (рис. 1.14) был введен блок задержки вычитания на время цикла /80, 111/ (рис. 2.1). Теперь угловое ускорение определяется следующим образом. У прогретого двигателя, работающего на минимальных оборотах холостого хода, рычаг подачи топлива резко переводят в положение, соответствующее максимальной подачи топлива. Двигатель при этом разгоняется. Зубья маховика, пересекая магнитное поле датчика /, наводят в его катушке импульсы, которые через формирующее устройство 2 поступают в блок фиксации.номинальных оборотов 3. При достижении двигателем номинальных оборотов с помощью блока фиксации номинальных оборотов 3 и блока управления б в работу включается реверсивный счетчик 7. Он за определенный промежуток времени, задаваемый генератором временных импульсов 5, суммирует импульсы, поступившие с индукционного датчика 1. Одновременно с реверсивным счетчиком, в момент достижения двигателем номинальных оборотов, включается блок задержки вычитания на время цикла 4. Он считает количество импульсов, соответствующее времени цикла (двум оборотам коленчатого вала). И по истечении этого времени, он через блок управления 6 включает реверсивный счетчик 7 в режим вычитания. Происходит вычитание импульсов за такой же промежуток времени, что и суммирование. Полученная таким образом разность, пропорциональная ускорению разгона коленчатого вала, поступает через вычислительное устройство 5 на индикатор 9. На данное устройство получен патент № 2147748 С1 (прил. 1). Так же разработано принципиально несколько иное устройство для определения углового ускорения коленчатого вала, позволяющее повысить точность измерений /111/. Его блок-схема приведена на рис. 2.2. Измерение ускорения этим устройством производится следующим образом. У прогретого двигателя, работающего на минимальных оборотах холостого хода, рычаг подачи топлива резко переводят в положение, соответствующее максимальной подачи топлива. Двигатель при этом разгоняется. Зубья маховика, пересекая магнитное поле датчика 7, наводят в его катушке импульсы, которые через формирующее устройство 2 поступают в блок выделения циклов 4, где происходит выделение циклов по мере прохождения импульсов. При достижении двигателем номинальных оборотов с помощью блока фиксации номинальных оборотов 3 и блока управления 5 в работу включается блок счета времени 6, который определяет продолжительность цикла, в котором произошло достижение номинальных оборотов, и продолжительность последующего цикла. Значения продолжительности циклов поступают в блок сравнения 7, где происходит сравнение этих значений.
Результаты определения адекватности законов изменения крутящего момента испытуемых двигателей, полученных по стандартной и предлагаемой методикам
Таким образом, чтобы определить мощность дизеля, достаточно измерить максимальный расход топлива и расход на холостом ходу. Для этого применяют расходомер КИ-8940 (рис. 1.11). Принцип действия его основан на использовании перепада давления в сужающемся отверстии диафрагмы, зависящего от расхода топлива. Расходомер включает в себя поплавковую камеру с поплавком и игольчатым клапаном и измерительную часть, состоящую из двух измерительных трубок и соответствующих шкал.
Поплавковая камера и измерительные трубки сообщаются соединительными трубками, в которые встроены калиброванные диафрагмы. Для переключения расходомера на тот или другой диапазон расхода имеется трехходовой кран. Чтобы исключить пульсацию топлива в измерительных трубках, расходомер снабжен демпферной камерой.
Расходомер действует следующим образом. При неработающем дизеле и закрытом трехходовом кране уровни топлива в поплавковой камере и измерительных трубках равны и находятся на нулевых отметках. Во время работы дизеля в зависимости от величины расхода посредством трехходового крана подводят топливо либо к одной, либо к другой измерительной трубке. При этом вытеканию топлива из поплавковой камеры препятствует диафрагма. Так как высота столба жидкости в соединительной трубке остается постоянной, то давление за диафрагмой уменьшится, а следовательно, снизится и уровень топлива в измерительной трубке. Чем больше расход топлива, тем значительнее снизится уровень в трубке. Разница уровней топлива в поплавковой камере и измерительной трубке зависит от количества расходуемого топлива.
Таким образом, при установившемся нагрузочном режиме дизеля расходомер описанной конструкции показывает расход топлива в единицу времени.
Нагрузку имитируют дросселированием воздуха на впуске с помощью имитатора нагрузки КИ-5653 (рис. 1.12). Он включает в себя корпус 2 с закрепленными на нем кронштейнами 3 и 10, дроссельную заслонку У, винт 4, жестко соединенный со стержнем троса 9 и маховичком 8, рычаг управления дроссельной заслонкой, закрепленный на ее оси, оттяжную пружину 6 и сменные фланцы 7.
Имитатор с помощью сменного фланца закрепляют на впускной трубе воздухоочистителя, предварительно сняв фильтр грубой очистки. Нагрузку имитируют прикрытием заслонки 1 маховичком 8, При этом вместе со стержнем троса вращается винт 4, поворачивая рычаг 5 с помощью закрепленной на нем гайки. В случае прикрытия заслонки уменьшается количество воздуха, поступающего в цилиндры (снижается коэффициент избытка воздуха), а также частота вращения коленчатого вала, под действием пружины регулятора рейка топливного насоса (дозатор подачи топлива) перемещается в сторону увеличения подачи. Так происходит имтация нагрузки.
Ввиду того, что коэффициенты а и Ь дробные, при подсчете мощности требуется логарифмирование. Чтобы облегчить эту задачу, строят номограмму или же составляют таблицу, задаваясь значениями AGm,v в диапазоне изменении мощности дизеля, происходящих при эксплуатации тракторов. При испытании двигателей с газотурбинным наддувом (ГТН) полученное значение Ne max корректируют с учетом давления наддува. Давление наддува определяют при номинальной частоте вращения коленчатого вала на холостом ходу прибором КИ-13932 (рис. 1.13), подключенным к системе воздух оподачи дизеля.
В Сибирском филиале ВИМа разработан метод измерения мощностных показателей двигателей основан на оценке динамических качеств двигателя в неустановившихся режимах - на разгоне или выбеге /1, 2, 3, 4, 5, 13, 44, 45, 48/.
Переходный режим в двигателе может быть осуществлен быстрым изменением подачи топлива. При резком увеличении подачи топлива в двигателе возникает переходный процесс разгона, а при уменьшении подачи - переходный процесс выбега. В обоих случаях процесс описывается следующим дифференциальным уравнением:
