Введение к работе
Актуальность темы. Одной из основных проблем современного дизелестроения является последовательное улучшение удельных энергетических, массогабаритных и экономических характеристик, которая наиболее полно решается путем форсирования рабочих процессов. В этих условиях дизель становится более чувствительным к уровню и характеру эксплуатационных нагрузок и качеству технического обслуживания.
Над решением этой задачи работают конструкторы, исследователи, производственники и эксплуатационники. Однако улучшение параметров дизелей возможно лишь при тщательном изучении происходящих в них процессов. Для сокращения сроков создания и доводки новых образцов дизелей, постановки их на производство, требуется решение многих вопросов, которые решаются путем замены длительных испытаний - ускоренными, а дорогостоящих испытаний всего агрегата - испытаниями отдельных узлов на специальных стендах по ускоренным методикам. Поэтому в настоящее время нельзя провести четкую грань между опытно-конструкторскими и исследовательскими работами.
В реальных условиях использования дизеля высокие эксплуатационные значения энергетических и экономических показателей, надежности и ресурса могут быть достигнуты только в тех случаях, когда имеется объективная информация о величинах параметров, качестве функционирования и техническом состоянии всех составляющих агрегатов и узлов дизеля. Стремление наиболее полно реализовать показатели, заложенные в дизеле при проектировании, требует более совершенных методов и средств контроля и регулирования в реальных эксплуатационных условиях.
Характерной особенностью ДВС является то, что это машина циклического действия, у которой рабочий процесс, осуществляемый в цилиндрах, так же как и кинематика кривошипно-шатунного механизма, преобразующего возвратно-поступательное движение поршня во вращательное коленчатого вала, являются мощными источником динамических возмущений в силовых потоках передачи механической энергии упругими звеньями этой сложной динамической системы. Существование периодических по времени и углу поворота коленчатого вала газовых и инерционных возмущающих сил и моментов определяет практически для всех силовых установок с
ДВС наличие нескольких резонансных зон во всем эксплуатационном диапазоне частот вращения коленчатого вала.
Теория и практика динамического анализа силовых установок с ДВС до настоящего времени ограничивает область изучаемых вопросов исследованием частотных характеристик отдельных составляющих ее звеньев, а затем на основе полученных результатов, производится оценка резонансных динамических характеристик для условий установившегося режима работы ДВС.
В такой постановке задач исследований функционально взаимосвязанные звенья механической системы (регулятор, топливный насос, турбокомпрессор, двигатель, потребитель и т.д.) оказываются разобщенными, что на практике приводит к неправильным заключениям, в частности, при оценке устойчивости работы системы автоматического регулирования скорости вращения коленчатого вала ДВС. Взаимосвязь всех звеньев динамической системы при их совместной работе в составе машинного агрегата усложняется, тем более что для ДВС желателен учет обеспечения оптимальных показателей работы не только на установившемся номинальном, но и в широком диапазоне скоростных и нагрузочных режимах при непрерывном их изменении.
Существующий уровень теории и практики управления процессами одновременно во всех звеньях сложной динамической системы еще не позволяет решить эту задачу и произвести в полной мере согласование работы и оптимизацию параметров всех входящих в нее агрегатов, при этом в ГОСТах на ДВС отсутствуют даже общие указания по условиям согласования.
По мере отклонения параметров эксплуатационного режима от соответствующих значений исследуемого расчетного такие показатели ДВС, как экономичность, тепловая и динамическая нагружен-ность и другие сместятся относительно расчетных оптимальных уровней, следовательно, экономические показатели машинного агрегата будут ниже возможных, заложенных в конструкции ДВС. Для транспортных ДВС в условиях реальной эксплуатации наиболее характерен широкий диапазон изменения скоростного и нагрузочного режимов, и в связи с динамическими явлениями в системе ДВС -ПОТРЕБИТЕЛЬ установленная мощность не может быть реализована полностью. Экспериментальные данные показывают, что, например, коэффициент использования установленной мощности дизеля при эксплуатации в условиях сельскохозяйственного производства составляет всего 0,4...0,5 (40...50% от N*»).
Отсутствие достаточно разработанного системного подхода к анализу физических процессов, вызывающих такое нерациональное использование ДВС, определяет актуальность разработки новых путей оценки их показателей в условиях эксплуатации и критериев согласования с потребителем.
Практический опыт, накопленный в различных отраслях промышленности и транспорта, свидетельствуют о том, что наиболее перспективным направлением совершенствования контроля за протеканием изменений параметров дизеля является безразборная диагностика. Разработка и внедрение систем технического диагностирования (СТД) позволяет повысить надежность дизелей, сократить трудоемкость ремонтов, существенно улучшить эксплуатационную экономичность и производительность агрегатов, а также прогнозировать остаточный ресурс.
Цель и задачи исследования. Изложенными выше положениями формулируется основная цель диссертационной работы: повышение эффективности использования дизелей на неустановившихся режимах.
Поставленная цель достигается решением следующих задач:
Анализа опубликованных методов и результатов исследований работы дизелей на неустановившихся режимах, определение на этой основе исходных положений и формирование физических предпосылок для создания теории неустановившихся режимов.
Разработки критериев оценки динамических качеств для теоретического определения на стадии проектирования возможностей использования их в составе машинных агрегатов.
Разработки методов экспериментального исследования динамических качеств дизеля и его агрегатов в условиях стенда с имитацией эксплуатационных нагрузок.
Проведения комплекса экспериментальных исследований по определению эффективности использования дизелей на неустановившихся режимах.
Разработки технических средств диагностирования для повышения эффективности использования в реальных условиях эксплуатации.
Научная новизна работы заключается в нижеследующем:
Разработан частотный метод оценки динамических показателей дизеля и его агрегатов.
Определены критерии оценки внутренней и внешней динамики дизелей.
Оценена правомерность и целесообразность использования результатов стендовых испытаний дизелей на неустановившихся режимов для повышения эффективности их использования в реальных условиях эксплуатации.
Разработан комплекс технических средств для безразборного диагностирования дизеля и его агрегатов в процессе рядовой эксплуатации.
Практическая значимость работы и реализация.
Практическая ценность выполненных в работе теоретических и экспериментальных исследований состоит в том, что на их основе возможно:
Достижение за счет применения разработанного автоматизированного стенда для исследования неустановившихся режимов высокой точности, достоверности и повторяемости результатов экспериментальных работ при значительном сокращении времени и численности обслуживающего персонала.
Проведение сравнительных испытаний дизелей по показателям внешней динамики и выбора рекомендаций по совершенствованию конструкций для использования в реальных условиях эксплуатации.
Оценка динамической нагруженности приводов топливного и масляного насосов дизелей семейства «А» и формулирования рекомендаций, предотвращающих поломки деталей приводов.
Получение экспериментальных частотных характеристик (как дизеля, так и его агрегатов), по которым выбирается оптимальная комплектация составляющих деталей и агрегатов дизеля.
Результаты проведенных исследований по эффективности использования дизелей в реальных условиях эксплуатации позволяют устранить психологическую инерцию в вопросах планирования расходов топлива для машинных агрегатов с ДВС и позволяют начать внедрение новых научно обоснованных по агрегатных норм расхода топлива. Это достигается с помощью применения разработанных под руководством и при непосредственном участии автора технических средств для безразборного диагностирования.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались на: научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава: АПИ им. И.И. Ползунова, г. Барнауі (1970, 1971 г.г.); ХПИ, г. Хабаровск (1972 - 1991г.г.); ЧИМЭСХ, г Челябинск (1972,1987 г.г.). На: Всесоюзной научной конференции
«Тепловыделение, теплообмен и теплонапряженность высокофорсированных ДВС, работа их на неустановившихся режимах», г. Ленинград (1976 г.); Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре «Исследование двигателей сельскохозяйственных машин в динамических (неустановившихся) режимах», г. Казань, (1983 г.); Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития комбинированных двигателей внутреннего сгорания и двигателей новых схем и на новых топливах», г. Москва (1987 г.); Всесоюзном научно-техническом семинаре «Разработка и оптимизация динамических характеристик двигателей мобильных сельскохозяйственных комплексов», г. Казань (1991 г.); Первом советско-китайском симпозиуме «Современные проблемы научно-технического прогресса Дальневосточного региона с учетом развития прямых советско-китайских связей», г. Хабаровск (1991); научно-технических советах в ПО «Сибэнергоцветмет» Минцветмет СССР, г. Красноярск (1997) и ПО «Северовостокзолото», г. Магадан (1986); НТС ДВГУПС, г. Хабаровск (1997 г.); Ученом совете ДВГМА им. адм. Г.И. Невельского э г. Владивосток (1998 г.); постоянно действующем семинаре при кафедре ДВС ХГТУ, г. Хабаровск (1997,1999 г.г.).
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 35 печатных работ и получено одно авторское свидетельство.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения и приложения. Общий объем работ составляет 266 страниц, в том числе 230 страниц машинописного текста, 71 рисунков и таблиц; список литературных источников включает 151 наименований, приложение - 24 страницы.