Содержание к диссертации
Введение
1 Методы и средства диагностирования ДЗС
1.1. Виды диагностирования. 7
1.2. Обзор основных методов диагностирования ДВС II
1.3. Выбор объекта диагностирования в дизеле и диагностических параметров . 30
1.4. Постановка задачи и предмет исследования 36
2 Построение диагностических моделей и алгоритмов
2.1. Исследование влияния ряда неисправностей топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы дизеля на индикаторные параметры 38
2.2. Диагностические модели дизеля в двухмерном пространстве признаков 52
2.3. Алгоритм распознавания доминирующей неисправности... 58
2.4. Построение зонной диагностической модели, учитывающей одновременное влияние двух неисправностей 67
3 Анализ методов и разработка устройства для контроля реднего индикаторного давления
3.1. Методы непосредственного определения среднего индикаторного давления 80
3.2. Дискретный метод 82
3.3. Непрерывный метод 84
3.4. Дискретно-непрерывный метод... 87
3.5. Разработка устройства для контроля среднего индикаторного давления с использованием дискретно-непрерывного способа * ^2
З.6. Оценка погрешности устройства для контроля индикаторных параметров 109
4 Стендовые испытания алгоритмов диагностирования и стройства для контроля индикаторных параметров "архар"
4.1. Стендовые испытания на силовом отсеке 1ГК(Н) 121
4.2. Стендовые испытания на двигателе 6ЧН 12/14 130
Заключение, вывсды, внедрения 136
Список использованной литературы
- Обзор основных методов диагностирования ДВС
- Выбор объекта диагностирования в дизеле и диагностических параметров
- Исследование влияния ряда неисправностей топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы дизеля на индикаторные параметры
- Стендовые испытания на силовом отсеке 1ГК(Н)
Введение к работе
В решениях ХХУІ съезда КПСС, последующих Пленумов ЦК КПСС сформулирована важная народно-хозяйственная проблема: повышение эффективности общественного производства, в том числе транспорта.
Актуальность работ по развитию и созданию систем автоматического функционального диагностирования ДВС неоднократно подчеркивалась в постановлениях Совета Министров СССР и ГКНТ. В 1981-1985 г.г. предусмотрено осуществить мероприятия по повышению степени автоматизации двигателей, в том числе и силовых агрегатов, созданных на базе этих двигателей, путем оснащения их электронными системами автоматического управления и контроля, а также автоматизированными информационно-измерительными системами.
Особо остро стоит вопрос о внедрении современных средств измерения, позволяющих производить непосредственный контроль индикаторных параметров транспортных ДВС.
В настоящее время при доводочных работах и заводских испытаниях ДВС о характере протекания рабочего процесса судят по результатам обработки индикаторных диаграмм. Автоматизация обработки индикаторных диаграмм на ЭВМ не решает проблемы оперативного контроля, так как исходные данные подготавливаются вручную.
При эксплуатационных испытаниях тепловозных двигателей рабочий процесс контролируется по величине максимального давления в цилиндре и температуре отходящих газов, что не позволяет объективно его контролировать. Об этом свидетельствует увеличивающийся в последние годы рост числа порч и неплановых ремонтов тепловозов из-за неисправностей дизелей /32/. В течение 7 лет ( с 1974 по 1980 г.г.) количество неплановых ремонтов по дизелям увеличилось с 7,5 до 16,39 на I млн.км пробега (в 2,2 раза), из них до-
ля цилиндро-поршневой группы и топливной аппаратуры составляла в 1974 г. 3,13, а в 1980 г. - 6,3, то есть увеличилась на 4(#.
В речи Генерального секретаря ЦК КПСС Ю.В.Андропова на Пленуме ЦК КПСС, состоявшемся 22 ноября 1982 г., отмечено, что в Министерстве путей сообщения на низком уровне ведется организация ремонта и эксплуатации локомотивного парка. Один из способов повышения надежности тепловозов - широкое внедрение диагностики тепловозных дизелей. Достаточно указать только на одну достижимую при этом цель - переход от профилактики и планового ремонта по пробегу (или по наработке) к профилактике и ремонту по техническому состоянию.
Если для вспомогательных систем тепловозного дизеля разработаны и широко применяются методы тестовой диагностики, основанные, в частности, на измерениях выходных параметров на специально оборудованных стендах /8/, то применительно к двигателю в целом пути решения подобной задачи определяются прежде всего требованием функциональной безразборной диагностики энергосиловой установки.
В ряде стран работы по созданию приборов и устройств для безразборной диагностики крупных дизелей (судовых, тепловозных) уже вышли за рамки поисковых и доводочных. На мировом рынке уже имеется несколько типов диагностических систем, выпускаемых специализированными фирмами. Однако, анализ характеристик и принципов построения подобных систем показывает, что у их разработчиков и потребителей нет единого мнения о том, какой метод диагностики технического состояния ДВС является оптимальным с точки зрения достоверности диагноза и минимальных затрат для его аппаратурной реализации.
Вопросы создания алгоритмов диагностирования находятся в стадии поисков и исследований. Этот поиск в первую очередь направлен на выработку алгоритмов диагностирования наиболее ответственных узлов ДВС
Статистические данные показывают /35/, что трудозатраты на ремонт и обслуживание наиболее ответственных узлов и систем крупных судовых двигателей находятся в следующем соотношении: газовоздушные тракты, включая холодильники и трубокомпрессоры -30-40$, пилиндро-поршневая группа - 20-25$, топливная аппаратура - 15-20$, обслуживающие агрегаты - 10-15$.
Данные английской ассоциации дизельных инженеров и эксплуатационников промышленных дизелей /15/, изучавшей в 1970 г. отказы по 410 дизелям, показывают, что на долю топливной аппаратуры и цилиядро-поршневой группы приходится 46$ от общего числа неисправностей. Аналогичные данные приведены в /11,32/ и др.
Целью работы является выявление возможности диагностирования элементов дизеля посредством контроля индикаторных параметров; выделение наиболее информативных диагностических параметров, находящихся в тесной корреляции с неисправностями; исследование и разработка подхода к моделированию объектов диагностирования, основанного на выделении областей в двухмерном пространстве признаков для каждой неисправности, с использованием в качестве выходных индикаторных параметров; разработка на этой основе алгоритмов диагностирования.
Практическим результатом должно явиться создание алгоритма диагностирования топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы транспортного дизеля и устройства для определения индикаторных параметров.
Обзор основных методов диагностирования ДВС
В настоящее время получают широкое распространение различные виды диагностирования ДВС, как функциональные так и тестовые. Наиболее перспективны для судовых и тепловозных двигателей функциональные методы, так как они позволяют оценить состояние двигателя в естественных условиях эксплуатации.
Выявление дефектов в трущихся деталях дизеля, омываемых маслом, может производиться методом спектрального анализа масла, доведенного до практического внедрения во ВНИИЖГе /17/. Этот метод получил широкое распространение при эксплуатации тепловозов и в меньшей степени автотракторных двигателей. Имеются данные /54/ о перспективности диагностирования судовых двигателей методом спектрального анализа масла. Этот метод основывается на определении в масле концентрации элементов износа трущихся деталей дизеля и осуществляется с помощью фотоэлектрической установки МФС-3, позволяющей наблюдать и измерять характеристики спектров различных веществ. Так как у любого вещества вид инфракрасного спектра имеет совершенно определенный характер, то можно определить вид примеси в масле и ее концентрацию. О состоянии трущихся поверхностей цилиндро-поршневой группы можно судить по концентрации в масле железа, о состоянии вкладышей коленчатого вала - по концентрации свинца и т.д.
К недостаткам этого метода можно отнести то, что он дает интегральные данные износов по всем цилиндрам и не позволяет выявить причины повышенного износа. Кроме того, необходимо учитывать специфику работы двигателя, так, например, у тепловозов, выполняющих различные виды перевозок, уровень стабилизации примесей может отличаться в 2-3 раза /8/. Кроме того, в процессе эксплуатации могут быть неучтенные замены и доливы масла, что искажает результаты диагноза.
Виброакустические методы диагностирования широко применяются для нахождения ряда неисправностей дизелей. В работах Н.С.Іда-новского, А.В.Николаенко, В.А.Улитовокого, В.А.Аллилуева и других /9, 21, 46/ показано, что этот метод позволяет определять неисправности топливной аппаратуры (состояние иглы распылителя, затяжку пружины форсунки и угол опережения впрыска топлива), цилиндро-поршневой группы (зазор поршень-втулка цилиндра), подшипниковых узлов двигателя и газораспределительного механизма.
Основой метода является измерение параметров вибраций, возникающих при соударениях и трении деталей двигателя, их обработка, расшифровка и установление взаимосвязи с техническим состоянием отдельных деталей.
Вибрации двигателя включают в себя как полезные сигналы, так и помехи, затрудняющие постановку диагноза. Полезный сигнал при виброакустической диагностике поступает от диагностируемого узла двигателя, все остальные сигналы будут являться помехами, которые необходимо подавить. Выделение полезного сигнала при виброакусти-ческой диагностике производится методами частотного и.временного разделения и является сложной задачей.
Широкое внедрение виброакустических методов диагностирования ограничивает сложность аппаратуры, необходимой для анализа спектрального состава диагностического сигнала, поэтому часто ограничиваются контролем общего уровня вибраций без их расшифровки.
Цилиндро-поршневая группа является одним из труднодоступных узлов двигателя, работающим в условиях высоких температур и давлений. Для безразборного диагностирования состояния цилиндро-поршневой группы применяют методы, основанные на измерениях расхода картерных газов через сапун, расхода картерного масла, давления конца сжатия при прокрутке двигателя, давления в картере/9/. При применении метода, основанного на контроле расхода масла, значительные затруднения вызывает способ измерения расхода масла.Применяемый метод определения расхода масла по измерению уровня масла в картере связан со значительными погрешностями. Кроме того, расход масла зависит от многих причин, не связанных с износами в цилиндро-поршневой группе (состояние сальников, реши работы двигателя в эксплуатации и др.). Расход картерных газов через сапун не имеет прямой связи с износами и может колебаться в широких пределах даже для одного типа двигателя при различном состоянии цилиндр о-поршневой группы из-за состояния сальниковых уплотнений, термического разложения масла в картере и других факторов. Эти два метода не учитывают особенности износа в различных цилиндрах и из-за малой точности могут привести к ошибочным оценкам.
Выбор объекта диагностирования в дизеле и диагностических параметров
Очевидно, что нет необходимости определять техническое состояние всех деталей двигателя. На основании статистических данных по отказам можно выделить наиболее важные системы двигателя, ответственные за отказы и определяющие его технико-экономические показатели, которые нуждаются в диагностическом контроле /38/.
Опыт эксплуатации транспортных дизельных двигателей /32/ показывает, что нарушение нормальной работы системы топливопода-чи и особенно форсунок нередко наступает до выработки 500 моточасов. По данным В.С.Каргиева /II/ из 72 проверенных в эксплуатационных условиях тракторов различных марок 65% двигателей имели ряд неисправностей и развивали мощность ниже гарантированной, 55% двигателей имели заниженный часовой расход топлива,35%- завышенный и только 10% имели нормальный расход топлива. Повышенный удельный расход топлива показали 55% обследованных двигателей.По данным /32/ основной недостаток топливной аппаратуры тепловозов-низкая эксплуатационная надежность форсунок из-за отказов распылителей. Практически для обеспечения нормальной эксплуатации дизелей приходится после пробега тепловозом 7,5-15 тыс.км, т.е.1-2 раза в месяц, производить демонтаж форсунок и контролировать их работоспособность на стенде. ДО 20% распылителей при этом заменя-ются. Причинами отказа распылителей являются потеря запирающей способности конического уплотнения иглы и распылителя (заклинивание иглы, загар сопловых отверстий).
Как показала проверка 30 /9/ двигателей ЯАЗ-204А, около 30% двигателей не развивали номинальной мощности из-за плохой работы насосов-форсунок. Наиболее характерными неисправностями являются плохое качество распыла и подтекание топлива из-за нарушения герметичности контрольного клапана (износ клапана, усадка пружины), износа отверстий распылителей и износа прецези-онных деталей (плунжер-гильза). Имеет место также и закоксовыва-ние сопловых отверстий. Около 35% дизелей не развивали номинальной мощности из-за неправильной регулировки момента подачи и сдвига реек насосов форсунок, определяющего цикловую подачу топлива; в ряде случаев наблюдалось закоксовывание продувочных отверстий в гильзах цилиндров.
По данным /Ю, 33/, около 70% всех неисправностей тракторных и судовых двигателей составляют неисправности топливной аппаратуры, преимущественно форсунок. Нарушение регулировок топливной аппаратуры приводит не только к ухудшению мощностных и топливных показателей, но и к повышенному износу основных деталей цилиндро-поршневой группы двигателя.
В /25, 26/ показано влияние самопроизвольного изменения угла опережения верхнего вала низшим у двигателей ДІ00 из-за деформации и износа упругих элементов торсионного вала вертикальной передачи. Были обследованы 132 секции тепловозов 2ТЭКЖ; установлено, что 50% тепловозов имели люфт вертикальной передачи больше нормы ( 2,5), причем было установлено, что допускается выпуск дизелей с заводского ремонта с люфтом выше 2,5. Кроме того, имеется зависимость угла опережения нижнего вала от нагрузки двигателя. При изменении с 400 об/мин. (I п.к.) до 800 (ХУІ п.к.) угол меняется в проведенных опытах от 12,5 до 9 при штатном угле 12. Это приводит к изменению угла опережения подачи топлива, степени сжатия, фаз газораспределения, резкому ухудшению качества переходных процессов, повышенному нагарообразо-ванию и увеличению теплонапряженности.
Необходимость контролировать степень сжатия подтверждают данные, приведенные в /72/. В соответствии с заводскими нормами
высота камеры сжатия предкамерного дизеля 3V 17/24, устанавливаемого на тепловозах ВМЭ1, может меняться в пределах от 1,75 до 3,9 мм. Такой допуск оказывает существенное влияние на действительную величину степени сжатия и, тем самым, на давление конца сжатия. При изменении высоты камеры сжатия от 1,75 до 3,9 мм степень сжатия меняется на 12%, давление конца сжатия - на 16%. При ремонтах этих двигателей на отечественных заводах придерживаются тех же допусков на высоту камеры сжатия, а это приводит к значительному разбросу давления конца сжатия по цилиндрам» Согласно приведенным в /72/ данным, разброс рс по цилиндрам доходит до 10%.
Для двигателей небольших размерностей значительное влияние на степень сжатия могут оказать нагары на днище поршня и головке цилиндра /50/. Например, у дизеля Д144 отложение нагара на днище поршня толщиной 0,8 мм изменяет степень сжатия с 16,5 до 19,5; то есть на 15,3%.
Все рассмотренные неисправности и неравномерное их распределение по цилиндрам двигателя вызывают дополнительные тепловые и динамические нагрузки, приводят к залеганию поршневых колец, форсированному износу цилиндро-поршневой группы, что вызывает увеличение утечек газов из цилиндра.
Исследование влияния ряда неисправностей топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы дизеля на индикаторные параметры
Как показал анализ литературных источников, наиболее часто встречающиеся неисправности топливной аппаратуры приводят к отклонению от нормы количества топлива, подаваемого в цилиндр, и угла начала сгорания. В цилиндро-поршневой группе из-за повышенного износа наблюдается увеличение утечек газа из цилиндра и для двигателей (типа ДІ00) - изменение степени сжатия.
Эти четыре фактора были выбраны при создании диагностической модели дизеля.
Для разработки достоверной диагностической модели необходимо располагать достаточно точной математической моделью двигателя как объекта диагностирования. Однако, сложность внутренних связей структурных и диагностических параметров такой термомеханической системы, какой является дизельный двигатель, значительно затрудняет возможность аналитического их представления.
Выявление таких зависимостей целесообразно осуществлять методами планирования экспериментов /3/.
Применение этих методов позволяет не только получить математическое описание объекта в форме уравнений множественной регрессии, но и минимизировать число активных экспериментов, в ходе которых получается первичная информация.
Это обстоятельство послужило основанием для привлечения методов планирования экспериментов к решению задачи создания диагностической модели дизеля. В качестве представителя выбран широко распространенный на железнодорожном транспорте дизель 6ЧНІ2/І4.
Метод планирования эксперимента используется для определения влияния независимых факторов (количество топлива, подаваемого в цилиндр; угол начала сгорания; степень сжатия; утечки газа из цилиндра) на диагностические индикаторные параметры (давление конца сжатия рс , максимальное давление pmax , давление в точке 36 после ВМТ рз6 , среднее индикаторное давление р« , жесткость сгорания W » угол сдвига максимума давления относительно ВМТ 0СРта ). Такой подход отличается от работы В.Г.Гри-горьева /71/, где метод планирования эксперимента применен для оценки информативности максимального давления сгорания при идентификации цикловой нестабильности.
Для сокращения числа опытов в качестве плана эксперимента был выбран композиционный ортогональный план второго порядка /3,6/. Суть этого плана состоит в том, что сначала осуществляется полный факторный эксперимент 2. , где П. - число независимых факторов, к этому плану добавляется некоторое количество специальным образом расположенных "звездных" точек и опыт в центре плана.
При четырех независимых факторах полный факторный эксперимент при трехуровневом плане (-1,0, +1) требует числа опытов 3 « 81, выбранный план эксперимента позволяет ограничиться 25 опытами.
При четырех независимых факторах план эксперимента имеет вид, отображенный в табл.2.I , характеристика плана R si,414.
Нулевые уровни (средние значения факторов) заданы с учетом экспериментальных данных, полученных при испытании дизеля 6ЧНІ2/І4 на номинальной частоте вращения вала 25 Гц и нагрузке lOOfo и 50$.
Таким образом, для определения коэффициентов уравнения (2.1) четырехфакторной модели объекта необходимо провести 25 экспериментов, в которых реализуется перебор сочетаний факторов на трех уровнях варьирования (не считая "звездных" точек).
Сложность моделирования условий работы двигателя с различным износом цилиндро-поршневой группы и ТОПЛИВНОЙ аппаратуры її сохранением прочих регулировочных и режимных параметров двигателя в значительной степени затрудняет возможность получения искомых зависимостей вида (2.1) экспериментальным путем.
Проведение таких экспериментов с целью исследования зависимостей целесообразно осуществлять на базе существующих хорошо зарекомендовавших себя моделей рабочего процесса.
Как показывает обзор литературы /24, 45, 71/, метод численного моделирования рабочего процесса ЦНЦДИ дает достаточно высокую сходимость результатов моделирования и натурных испытаний.
Стендовые испытания на силовом отсеке 1ГК(Н)
Стендовые испытания устройства проводились с целью проверки надежности работы отдельных его элементов, достоверности получаемых результатов. Испытания проводились на силовом отсеке 1ГК(Н) на стенде ВНИИГАЗа и двигателе 6ЧН 12/14 на стенде отдела автоматизации ЦНИДИ.
Отсек 1ГК(Н) на стенде ВНИИГАЗа для измерения крутящего момента оборудован мотор-генератором с весами "рапидо". Приборы, установленные на стенде, позволяют контролировать температуры и давления воздуха и продуктов сгорания в различных точках газовоздушного тракта, топливного газа, охлаждающей воды и масла. Кроме того, отсек оборудован индикатором МАИ-2. Перед испытаниями была произведена статистическая калибровка датчиков давления. Датчик давления устанавливался на масляный пресс для проверки манометров. Создаваемое прессом давление контролировалось образцовым манометром.-Датчик давления соединялся кабелем с электронным блоком, на прессе создавалось давление, соответствующее верхнему пределу контролируемых индикаторных параметров р, , р , и потенциометром, регулирующим ток датчика, отклонение стрелки индикатора выхода устанавливалось на всю шкалу. После калибровки датчик давления устанавливался на индикаторный кран отсека.
Датчик угла поворота вала соединялся с промежуточным валиком системы привода барабана индикатора МАИ-2.
При испытаниях показания прибора и весов снимались одновременно на установившемся режиме. В этот же момент снималась ндикаторная диаграмма индикатором МАИ-2.
Затем устанавливался следующий режим работы, и измерения повторялись. Обработка снятых показаний весов и индикаторных диаграмм выполнялась в следующем порядке. По показаниям весов определялись эффективная мощность Ne и среднее индикаторное давление р. Ne = (0,17Ap4-0,243pr )-п кВт , (4.і) где Pj - истинное усилие на рычаге, определяемое по показанию весов и графику калибровки весов в кГ; рг - вес гирь в кГ; П - частота вращения вала отсека в Гц; р1=000506р,в+0,007077рг+0.00506р,вп э (4.2) где р. - истинное усилие на рычаге при "горячей" прокрутке вала отсека.
По индикаторной диаграмме определялась величина среднего индикаторного давления и максимального давления в цилиндре.
Для определения р использовались квадратурные формулы, учитывающие по пять ординат на линиях сжатия и расширения. Погрешность определения p этим способом не превышает 1,5% /41/. Было произведено две серии испытаний. Первая серия проводилась при постоянном значении % & 9, а нагрузка изменялась от холостого хода до 100%. Результаты этих испытании приведены в табл.4.2. Вторая серия проводилась при постоянной нагрузке, близкой к максимальной и изменяющемся угле опережения зажигания. Эти данные приведены в табл.4.3.
На всех режимах частота вращения вала двигателя была постоянной и равнялась 5 Гц. На основании формулы 4.2 и учитывая, что класс точности весов 0,5, можно принять погрешность определения р по показа ниям весов рб S = ±2Ї„.= ±Г/..
Погрешность измерения веса гирь на порядок меньше и может не учитываться. Величина Ор. в три раза меньше ожидаемой сум - 125 Таблица 4.2 Результаты испытаний на отсеке 1ГК(Н) марной погрешности определения р. с помощью разработанного устройства "Архар" и индикатора МАИ-2, поэтому молено принять значения среднего индикаторного давления, полученные по ПОкаЗа-ниям весов в качестве эталонных. Значения дисперсии о , характеризующей вариацию за счет случайных факторов и стандартного отклонения несмещенной оценки S приведенные в табл.4.4 и 4.5 для индикаторных параметров, полученных с помощью различных устройств показывают, что для р«0 , определенного с помощью ве-сов, 5 и 5 имеют наименьшее значение. Это подтверждает возможность принятия значения р 0 в качестве эталона.
Для оценки погрешности определения Р с помощью устройства "Архар" результаты, полученные в первой серии,разделяются на две выборки (режим ГК и ГКН), а вторая серия рассматривается как одна выборка.
Для значения р. , определенного с помощью устройства "Архар", наихудший результат дает вторая выборка SA 5=1,766 10 МПа.
По имеющимся выборкам целесообразно проверить гипотезу о симметричном распределении значений р д относительно значений pio , принятых за эталон. Подтверждение этой гипотезы позволяет использовать усиленное неравенство Чебышева /4/ X -2.96 - ==т М Х-4- 2.96 - =г - (4.8) уп ]/П согласно которому при любом одновершинном симметричном распреде лении отклонения от математического ожидания более чем на 3(Г практически невозможно при доверительной вероятности 0,95. Гипо теза о симметричном распределении справедлива, если вероятность события р. " р. в выборке равна 0,5. Оценкой вероятности гло жет сдушіть частота события по выборке. Если в полученной выбор ке к элементов меньше среднего выборочного (за которое прини мается значение р-10 ), то (i) = K/n . Значения частоты для первой и второй выборок 0,4, а для третьей выборки - 0,375. Для провер ки гипотезы необходимо установить доверительный интервал для не известной вероятности р события р. р. по вычисленной г 1А Ю частоте Сі) .
