Содержание к диссертации
Введение
1. Надежность работы и методы диагностики цилибдропоршневой группы двигателей внутреннего сгорания ... 7
1.1. Особенности работы тепловозов на Среднеазиатской железной дороге 7
1.2. Система сбора и обработки статистической информации по надежности работы 10
1.3. Классификация отказов и повреждений цилиндро-поршневой группы двигателей І0ДІ00 22
1.3.1. Втулки цилиндров 22
1.3.2. Поршни 23
1.4. Оценка показателей надежности работы поршней и втулок цилиндров двигателей IОД100 28
1.5. Методы диагностики цилиндро-поршневой группы д.в.с. 29
1.6. Цели и задачи исследования 37
2. Влияние утечек газа из цилиндра на показатели работы комбинированного двигателя 41
2.1. Физическая модель процесса утечек газа . 41
2.2. Математическая модель рабочего процесса 45
2.3. Численное моделирование рабочего процесса . 53
2.4. Расход газа через систему вентиляции картера... 62
2.5. Выбор параметров для диагностики 69
3. Влияние уменьшения сечений выпускных окон на показатели работы двухтактного комбинированного двигателя 72
3.1. Физическая модель процессов газообмена в цилиндре 72
3.2. Математическая модель процессов газообмена 80
3.3. Численное моделирование рабочего процесса 85
3.4. Излучение отработавших газов 97
3.5. Выбор параметров для диагностики ЮО
4. Разработка и эшпериментальная проверка средств диагностики
4.1. Измерение расхода газов через систему вентиляции картера ЮЗ
4.2. Измерение разрежения в картере ПО
4.3. Измерение температуры газов 116
4.4. Измерение излучения отработавших газов ,,..,.. 120
4.5. Экспериментальная проверка средств диагностики,. 134
4.6. Обработка результатов эксперимента 140
4.7. Анализ результатов экспериментальных исследований , 142
5. Технико-экономическая оценка эффективности србдств диагностики 151
Выводы 161
Литература
- Система сбора и обработки статистической информации по надежности работы
- Оценка показателей надежности работы поршней и втулок цилиндров двигателей IОД100
- Численное моделирование рабочего процесса
- Численное моделирование рабочего процесса
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС придается большое значение развитию железнодорожного транспорта, повышению эффективности его работы с целью более полного удовлетворения потребностей народного хозяйства в перевозках.
В локомотивном хозяйстве наиболее важной задачей в XI пятилетке является повышение производительности труда, что достигается повышением надежности работы локомотивов, сокращением затрат на их ремонт и обслуживание.
На отечественных железных дорогах большая доля грузовых и пассажирских перевозок, а также маневровой работы осуществляется тепловозами.
Наиболее напряженным узлом тепловозных двигателей внутреннего сгорания (д.в.с.) является цилиндро-поршневая группа (ц.п.г.). Надежность и долговечность работы этого узла определяет в значительной мере число порчь в пути следования и неплановых ремонтов тепловозов, а также их пробеги между текущими и заводскими ремонтами.
Целью настоящей работы является разработка методов оценки состояния ц.п.г. в эксплуатации, которые позволяли бы без разборки двигателя определять возникновение наиболее типичных неисправностей этого узла на тепловозах.
Такие методы диагностики получили достаточно широкое распространение в смежных областях эксплуатации техники -авиации, автотранспорте, тракторах и т.д.
Они позволяют предупреждать отказы в работе машин и сокращать время на поиск и устранение неисправностей. Многие методы диагностики, разработанные в этих областях, могут
быть применены и для тепловозов. Однако тепловозные д.в.с. имеют специфичные особенности в своем устройстве и принципах работы.
Наиболее распространены на отечественных железных дорогах двухтактные двигатели с противоположно движущимися поршнями типа ДЮО. Все д.в.с. магистральных тепловозов являются комбинированными, т.е. имеют газотурбинный наддув и повышенную форсировку. Вследствие этого возникают особенности в их методах диагностики и в характере типичных неисправностей. Поэтому некоторые известные методы не могут быть применены для тепловозных д.в.с, а для оценки некоторых неисправностей таких двигателей отсутствуют разработки способов диагностики.
С учетом этих обстоятельств в работе основное внимание уделено вопросам оценки газоплотности рабочего объема цилиндра, системе вентиляции картера и уменьшению сечения выпускных окон цилиндра, вследствие отложения на них нагаров.
Результаты выполненных исследований, относящиеся к первым двум вопросам, могут быть применимы к двухтактным и четырехтактным комбинированным двигателям. Уменьшение сечения выпускных окон характерно только для двухтактных двигателей типа ДЮО.
Решению поставленных задач предшествовала оценка показателей надежности работы поршней и втулок цилиндров дизелей ІОДІОО в условиях эксплуатации тепловозов на Среднеазиатской ж.д., анализ типичных неисправностей ц.п.г. и обзор существующих методов диагностики этого узла. Это позволило сформулировать цели и задачи исследования.
Для обнаружения, принятых в исследовании типичных неис-
правностей ц.п.г., прежде всего необходимо было выбрать приемлемые параметры. В качестве инструмента для выбора таких параметров, служила математическая модель рабочего процесса комбинированного двигателя. Она позволяла исследовать влияние неисправностей на параметры и показатели работы двигателя.
При разработке средств диагностики была поставлена задача, чтобы они позволяли непрерывно или периодически контролировать выбранные параметры. Кроме этого, выходная величина измеряемых параметров должна соответствовать требованиям бортовой диагностики, разрабатываемой ВНИЖГ, т.е. сигнал должен быть напряжением постоянного тока.
Диссертационная работа выполнена во Всесоюзном заочном институте инженеров железнодорожного транспорта.
Система сбора и обработки статистической информации по надежности работы
Отказы деталей и узлов дизелей в эксплуатации возникают при различной наработке. Это объясняется разными условиями эксплуатации тепловозов на тяговых участках обращения и неоднородностью качества и надежности дизелей при выпуске их с завода-изготовителя.
Объектом наблюдений выбраны дизели І0ДІ00, установленные на магистральных грузовых тепловозах 2ТЭ10Л. Выборочная совокупность состояла из 26 дизелей выпуска 1968 - 1969 годов. Они не имели существенных конструктивных различий и были изготовлены по единой технологии. Тепловозы состояли в приписных парках локомотивных депо Хавает, Бухара-1 и Ашхабад.
Сбор статистической информации проводила научно-исследовательская лаборатория надежности тепловозов ТашИИТа с участием автора. Информация собиралась по отказам дизелей и основных их узлов и деталей - втулки цилиндра, верхние и нижние поршни и др. Период наблюдений продолжался от начала эксплуатации до заводского ремонта тепловоза.
Количественный анализ отказов основных деталей и узлов тепловозных дизелей осуществлялся с помощью методов теории вероятностей и математической статистики. Эти методы основаны на рассмотрении множества данных о наработке, как случайных событиях в их статистической совокупности, характеризующей реальные условия эксплуатации и выборочного парка тепловозов 2ТЭ10Я.
В настоящее время разработаны стандартизованные методы выявления показателей надежности машин крупносерийного и массового производства. Государственные стандарты /2 7/ устанавливают терминологию, систему сбора и обработки информации, планирование наблюдений, определение количественных показателей надежное ти, а также требования к содержанию форм учета результатов наблюдений.
Одной из важнейших задач исследований выборочного парка тепловозов для оценки надежности основных узлов и деталей дизелей является планирование наблюдений.
При планировании эксплуатационных наблюдений предусмотрен сбор статистических данных, содержащихся в эксплуатационной ремонтной и другой технической документации тепловозных депо и локомотивной службы Среднеазиатской ж.д., Главного управления локомотивного хозяйства МПС и заводов-изготовителей.
Наряду с официальной деповской документацией для получения полной, достоверной и непрерывной информации были разработаны дополнительные учетные документы (карта-накопитель наработок, повреждений, отказов и т.д.).
Используемая эксплуатационная, ремонтная и другая нормативно-техническая документация относится к первичным формам учета, формам-накопителям и формам записи результатов и анализов надежности и полностью соответствуют требованиям ГОСТ /6/.
В работе по исследованию надежности из пяти планов проведения статистических наблюдений выбран план I /)U) Т /, который трактуется следующим образом: а) под статистическое наблюдение поставлено // деталей, узлов или дизелей; б) наблюдения ведутся в течение установленной наработки Т до заводского ремонта; в) отказавшие детали или узлы не заменяются новыми (мо гут заменяться, но данные об их отказах после восстановления не рассматриваются).
Первым шагом в обработке статистического материала по наблвдениям за моментами отказов, является построение таблиц интервальных вариационных рядов, которые позволяют выявлять закономерности распределения наработок к моменту возникновения отказа деталей и узлов по интервалам.
Для построения интервального вариационного ряда по каждой детали или узлу необходимо определить величину интервала h , установить полную шкалу интервалов и в соответствие с ней сгруппировать результаты наблюдений.
Для определения оптимальной величины интервала, при ко тором построенный интервальный ряд не был бы слишком гро моздким и, в то же время, позволял выявить характерные черты рассматриваемого явления можно использовать формулу Стерд жеса /8/
Оценка показателей надежности работы поршней и втулок цилиндров двигателей IОД100
Судя по значениям критерием согласия X Пирсона (табл. 1.3) приходим к выводу, что данные расчета подтверждают обоснованность выбора закона распределения Вейбулла для расчета показателей надежности деталей ц.п.г. двигателя ІОДІОО, так как во всех случаях Храс $кр По данным приложений I - 3 на рис. 1.4 - 1.6 приведены изменения опытной вероятности появления показателя надежности в каждом интервале Wi и накопленная (интегральная) опытная вероятность ZWl &ж втулок цилиндров, верхних и нижних поршней за период работы тепловозов до заводского (среднего) ремонта.
Имеющиеся резкие колебания в значениях опытной вероятности Wc по отдельным интервалам наработки возникают потому, что на плановых видах текущего ремонта, когда производят разборку двигателя и более тщательный контроль состояния узлов, происходит повышенная их отбраковка.
Математическое ожидание отказа X при среднеквадратичном отклонении 6 (табл. 1.3) составляет по втулке цилиндра X = 427,3 тыс. км, б = 164,8 тыс. км; верхним поршнямX = 377,2 тыс. км, 6= 104,5 тыс. км и нижним поршнямX = 334,0 тыс. км,& - 136,1 тыс. км. Значения математического ожидания отказа и среднеквадратичных отклонений показывают, что величины пробегов до повреждений сильно рассеяны. Ввиду этого не представляется возможным указать фиксированные значения пробегов тепловозов, при которых необходимо производить диаг ностику узлов с целью предупреждения отказов. Отказы происходят в широких интервалах пробегов. Поэтому более предпочтительным является применение бортовых средств диагностики ц.п.г.
Методы диагностики цилиндро-поршневой группы двигателей внутреннего сгорания
Методы диагностики базируются на измерении и анализе тех параметров, изменение которых в наибольшей мере характеризует уровни неисправностей или работоспособность систем двигателя.
Работы в области технической диагностики д.в.с. в настоящее время интенсивно ведутся в НАТИ, НАМИ, ВНИИЖТ, ЕНИТИ и других организациях. Этим проблемам посвящены исследования Ивановского Н.С. /13/, Говорущенко Н.Я. /14/, Пахомова Э.А. /15/, Чайкина В.В. /16/ и ряда других исследователей /17, 18, 19/.
В результате выполненных работ предложен ряд методик и аппаратурных средств, позволяющих оценивать техническое состояние д.в.с, без их разборки.
Техническое состояние деталей двигателей можно оценивать по анализу продуктов износа в масле и физико-химическим показателям масла. Исследователями /15, 16, 17/ установлено, что при длительной работе масла в двигателях, постоянной интенсивности очистки и постоянном расходе концентрация продуктов износа в масле стабилизируется и устанавливается на определенном уровне, характерном для данных условий эксплуатации и конструктивных особенностей двигателя. Значительное повышение концентрации того или другого элемента в масле свидетельствует об интенсивном изнашивании деталей, для ко торых этот элемент является характерным. Например, по концентрации алюминия можно судить об износе поршней, по наличию хрома - об износе хромированных поршневых колец и т.д.
Для наблюдения за процессом изнашивания двигателя ранее широко применяли так называемый способ "железа в масле".
Для целей диагностики более пригоден спектральный анализ, с помощью которого можно определить содержание многих металлических и неметаллических элементов, поступающих в масло при изнашивании двигателя. Спектральный анализ основан на определении химического состава вещества по спектру, излучаемому его атомами.
Основными преимуществами метода являются высокая чувствительность, быстрота анализа, возможность ограничиваться чрезвычайно малыми количествами вещества для проведения анализа.
У нас в стране и за рубежом спектральный анализ применяют для диагностики автомобильных, тепловозных и тракторных двигателей /15, 16, 20, 21, 22/. Этот метод применяется в зарубежной практике /23, 24/.
Однако, методы оценки технического состояния, основанные на.измерении содержания продуктов износа в масле, достаточно эффективны лишь при выявлении аварийных износов, а также при определении состояния той группы деталей, для которых характерен резкий изгиб кривой износа при наступлении предельных состояний изношенности и которые содержат характерные элементы.
Численное моделирование рабочего процесса
Численное моделирование рабочего процесса Численное решение приведенной системы обыкновенных дифференциальных уравнений выполнено применительно к тепловозному двигателю ІОДІОО. Для решения использован метод Рунге-Кутта, алгоритм которого приведен в работе /43/.
Начало счета соответствует моменту закрытия выпускных окон втулки цилиндра, после которого совершается процесс сжатия. Начальные значения искомых функций задаются: Gf Qj -Q j-O ; давление Р и температура Т начала сжатия определяется в зависимости от заданных Р и температуры Тк во впускном коллекторе по известным термодинацическим соотношениям; заряд G определяется из уравнения состояния, а массы воздуха Gi и "чистых" продуктов сгорания Ga по заданному коэффициенту Z » соответствующему коэффициенту остаточных газов jf - 0,06 для прямоточной клапанно-щелевой продувки двигателя. Объем цилиндра / определяется по известной функции І// //.
После расчета процессов сжатия, горения и расширения производится расчет процессов газообмена методами, рассмотренными в главе Ш. Далее рассчитывают агрегаты наддува и по балансу мощности турбины и компрессора определяют давление и температуру воздуха после первой ступени наддува. В результате расчета второй ступени наддува и охладителя воздуха определяют новые значения давления Ркр и температуры?/ во впускном коллекторе, а затем сравнивают их с принятыми ( Рк Тк ) в начале расчета рабочего процесса.
Условиями сходимости расчета всего рабочего процесса комбинированного двигателя служат соотношения /Ркр -Рк/ 6 Ер, /Тир -Тк/ і т, где р/ j- заданная точность.
Если эти соотношения не удовлетворяются, то расчет повторяется и путем последовательных приближений добиваются заданной точности.
Схема вычислений показана на рис. 2.5. Границами расчетных интервалов являются фазы газораспределения двигателя и характерные точки процесса по углу п.к.в.: Рх0 - закрытие выпускных окон; iff - начало подачи топлива; фг - начало горения топлива; (р - угол, соответствующий точке на линии расшире гле Р Ртах; Фв - начало открытия выпускных окон.
На каждом интервале, где производится интегрирование системы уравнений, принят постоянный шаг по углу п.к.в. Счетчиком числа шагов является целочисленная переменная у . Программа расчета составлена на алгоритмическом языке ІШ-І.
Расчеты произведены при постоянной цикловой подаче топлива Qu, = ІДО"3 кг и П = 850 об/мин, соответствующей номинальному режиму. Адекватность математической модели и объекта проверена путем сопоставления экспериментальных данных двигателя с расчетом контрольного режима при стандартных атмосферных условиях.
Изменение показателей работы двигателя в зависимости от величины эффективного сечения , через которое происходят утечки газа, выразим в относительных величинах (в %) по вы ражению У - Уо ,л У в —г. 100, Уо тдеуо у - значение величины соответственно на контрольном режиме (без утечек) и при наличии утечек.
Результаты численного моделирования рабочего процесса двигателя І0ДІ00 при наличии утечек газа приведены на рис. 2.6.
Утечки рабочего тела из цилиндра вызывают ухудшение показателей работы дизеля: уменьшается эффективная мощность, эффективный и индикаторный к.п.д. При увеличении эффективного отверстия до 50 шг мощность и к.п.д. уменьшаются на 19 %т Причиной понижения к.п.д. и мощности является уменьшение коэффициента избытка воздуха для сгорания и потерь тепловой энергии с рабочим телом, уходящим из цилиндра в процессе совершения рабочего хода.
Необходимо отметить, что несмотря на заметное понижение суммарного коэффициента избытка воздуха, температура газов перед турбиной изменяется мало. Между тем, при отсутствии утечек рабочего тела из цилиндра всякое понижение коэффициента избытка воздуха вызывает повышение этой температуры. Такую аномалию можно объяснить тем, что из цилиндра при утечках совершаются потери рабочего тела, имеющего высокую температуру. Эта энергия не используется как для совершения механической работы, так и изменения энергии отработавших газов.
Наиболее чувствительными параметрами к утечкам являются падения давлений на фильтре и охладителе воздуха.
Выясним причины этого явления. Потери энергии в фильтре воздуха, в котором движение характеризуется турбулентным режимом, пропорционально квадрату скорости воздуха. Поэтому из уравнения Бернулли можно получить где -ятг РФ = $р—Г Q. - расход воздуха двигателем, кг/с; F" - живое сечение фильтра, wr; J - плотность воздуха, кг/м3; $ф - коэффициент сопротивления фильтра.
Из этих соотношений и уравнения состояния для воздуха получаем 4 Рр = J где То Ро - температура и давление воздуха на входе в фильтр, е. Y. - постоянный коэффициент.
Таким образом, падение давления на фильтре пропорционально квадрату расхода воздуха. Расход же воздуха на двигатель пропорционален коэффициенту избытка воздуха в первой степени. Аналогичные зависимости имеют место и в охладителе воздуха. Эти закономерности хорошо подтверждает рис, 2.6.
Сопоставим результаты моделирования с опытными данными. Во ВНИМТе Фофанов Г.А. /44/ выполнил исследования с целью установления влияния износов втулки цилиндра и ушютнитель-ных поршневых колец на показатели работы тепловозного двигателя. Опыты были проведены на одноцилиндровом двигателе ДІ00, который имел автономный источник питания воздухом и обеспечивал постоянное давление наддува.
Показателем плотности рабочего объема цилиндра было принято отношение давления конца сжатия Рс к давлению во впускном коллекторе, т.е. Р0/Рк« При альбомных размерах и приработанных деталях Рс/Рк = 31,2, а для предельно изношенных - 29,98, т.е. относительное понижение плотности составило 0,96, На рис. 2,7 в верхней его части точками и линией СХ показано относительное изменение газоплотности цилиндра для условий численного моделирования, а внизу дано изменение параметров работы двигателя.
Численное моделирование рабочего процесса
Входными величинами для расчета процессов газообмена служат выходные величины окончания процесса расширения при = . Эти входные величины необходимо сохранить в памяти ЭВМ. Они используются для расчета каждый раз, когда производятся повторные расчеты для выполнения условий сходимости.
На интервале интегрирования рк if и ФЗЁ осуществляется решение двух систем уравнений, одна из которых относится к процессам с полным перемещением газов в цилиндре, а другая - с послойным их движением. Поэтому необходимо запоминать и переприсваивать значения искомых функций при переходе от одной системы уравнений к другой.
Блок сравнения 9 пределяет момент окончания процесса послойного движения газов и переход к системе с полным перемешиванием.
Когда выпускные окна закрываются { Рц- вв )» то производят расчет температуры газов перед турбиной Т-р по, значению энтальпии Ij, вышедших в выпускной коллектор газов. Затем производят термодинамический расчет турбины, используя заданные сечение.соплового аппарата, степень реактивности и к.п.д, турбины. В результате этого расчета определяют такое расчетное давление в выпускном коллекторе РТр, при котором обеспечивается пропуск через турбину количества газов, поступивших из цилиндров в выпускной коллектор.
Условием сходимости расчета процессов газообмена служит неравенство /Ртр-Рг/ 6, где Рj - принятое начальное давление газов перед турбиной; - заданная точность.
Если это условие не соблюдается, то изменяют значение P-j- , производят переприсваивание значениям искомых функций, счетчику шагов і и углу поворота коленчатого вала, и далее повторяют расчет газообмена.
При соблюдении условий сходимости производят расчет процессов дозарядки цилиндров.
По-прежнему условием сходимости всего рабочего процесса служит абсолютная величина разности принятого и расчетного давления во впускном коллекторе. Последнее определяют из баланса работы турбины и компрессора.
Результаты численного моделирования влияния уменьшения сечений выпускных окон на показатели работы двигателя ІОДІОО приведены на рис, 3.5, По оси абсцисс дано относительное (в %) уменьшение эффективных сечений выпускных окон, а по оси ординат - изменение показателей (в %),
Отложение нагара на выпускных окнах вызывает существенное ухудшение показателей работы дизеля: уменьшается эффективная мощность, эффективный и индикаторный к.п.д. При уменьшении эффективного сечения выпускных окон на 30 % мощность и к.п.д. уменьшаются на 12,5 %.
Уменьшение эффективного сечения выпускных окон вызывает снижение расхода воздуха через двигатель и давление отработавших газов перед турбиной, что приводит к уменьшению мощности турбины турбокомпрессора. Следствием этого является уменьшение коэффициента избытка воздуха для сгорания.и значительное увеличение температур газов перед турбиной, В результате заметно увеличивается тепловая напряженность работы втулки цилиндра в зоне выпускных окон, лопаток соплового ал 89 Влияние уменьшения сечения выпускных окон на показатели работы дизеля І0ДІ00 A(MFU)-20% -jQ О Цг Ці- эффективный и индикаторный к.п.д.; Ые - эффективная мощность; pz - давление сгорания; d - коэффициент избытка воздуха; - расход воздуха через дизель; Рк, Рг-давление во впускном и выпускном коллекторах; %, Тт - температура в выпускном коллекторе; &пъ- выброс газов из цилиндра во впускной коллектор.
Характерной особенностью протекания рабочего процесса дизеля при уменьшении эффективного сечения выпускных окон является значительное увеличение выброса газов из цилиндра в воздушный коллектор в начале продувки. Вследствие уменьшения сечения выпускных окон давление в цилиндре к концу свободного выпуска газов не успевает резко понизиться, а сам процесс удаления отработавших газов в выпускной коллектор растягивается по времени.
Выброшенные из цилиндра во впускной коллектор продукты сгорания имеют достаточно высокую температуру и в начале продувки, когда давление в цилиндре становится меньше давления в коллекторе, возвращаются в цилиндр. Вследствие этого заметно ухудшается процесс очистки цилиндра свежим воздухом от продуктов сгорания, увеличивается количество остаточных газов в цилиндре и уменьшается заряд цилиндра воздухом.
Повышение температур газов в цилиндре и перед турбиной вследствие уменьшения коэффициента избытка воздуха для сгорания повышает тепловую напряженность работы цилиндро-порш-невой группы и турбины.
Определение коэффициентов влияния уменьшения эффективно го сечения окон на параметры работы произведем при упрощающем условии, что в пределах А (MB FB ) = От - 20 % параметры линейно зависят от изменения эффективного сечения.
