Оценка технического состояния ДВС автомотрисы АДМ-1. Часть 2.

Страницы:   1   2   3

---

1.3 Анализ методов технического диагностирования

 

Диагностирование – это процесс определения технического состояния объекта, причем преимущественно безразборным способом. Диагноз о техническом состоянии объекта ставится по средством анализа внешних признаков либо измерения характеризующих техническое состояние объекта величин. В дальнейшем измеренные величины сопоставляются их с нормативными значениями. Техническое диагностирование – это неотъемлемая составная часть системы технического обслуживания (ТО) и ремонта машин, Конкретный объект (машина, агрегат, механизм, деталь) диагностируются на основании проведения суммы соответствующих, выполненных в определенной последовательности, операций технологического процесса диагностики [4, 5]. Система технической диагностики представляет собой совокупность методов и средств проведения работ и собственно объекта диагностирования (рис. 1.10).В процессе диагностирования участвует также и технический персонал.

Методы диагностирования машин в зависимости от используемых способов технических измерений и физической сущности используемых параметров можно разделить на различные группы разными способами. Один из таких вариантов, определяющих классификацию средств технической диагностики, приведен на рисунке 1.11. Принято, в основном, делить средства диагностирования на внешние, среди которых можно выделить стационарные и переносные, и встроенные или бортовые, которые изначально входят в состав машины или же монтируются в ее составные части в процессе эксплуатации. Возможно использовать и субъективные (органолептические)методы диагностирования, основанные на использовании органов чувств, а также умений и навыков персонала.

Существуют функциональные и тестовые системы диагностирования. Функциональная система основана на проведении диагностики непосредственно в рабочем процессе машины, а тестовая – на измерении диагностических параметров в условиях его искусственного воспроизведения. С учетом дискретности процесса различаются непрерывные и периодические системы диагностирования.

Первый случай предполагает наличие встроенных средств диагностирования, а второй – предполагает проведение диагностики при наступлении определенных моментов времени или в момент достижения определенной наработки. Такие моменты, как правило, наступают перед проведением очередного ТО или ремонта.

Выделяют три основные группы средств, позволяющих провести технические измерения параметров, выбранных в качестве диагностических. Первая группа – это те средства, которые работают в основном, используя имитацию или подобие скоростных и нагрузочных режимов работы. Примерами таких средств могут служить нагрузочный стенд, стенд с беговыми барабанами (для колесных машин). Вторая группа включает в себя средства, предназначенные для оценки параметров износа узлов и механизмов и, в итоге, работоспособности машин и их отдельных элементов. Например, это методы измерения интенсивности изменения величины давления, присущего определенному потоку жидкости или газа, и т.п. Для третьей группы характерными признаками являются объективное измерение и оценка структурных параметров.

 

Наиболее важными являются функциональные системы диагностирования, а среди измеряемых в этом случае параметров наиболее важным, является мощность энергетической установки, поскольку именно это параметр, в первую очередь, определяет производительность путевой машины. Среди существующих методов оценки мощности ДВС можно выделить следующие:

– тормозные;

– парциальные;

– бестормозные.

Величина эффективной мощности ДВС зависит от полноты сгорания и количества подаваемого в цилиндры топлива, а также от частоты вращения коленчатого вала. Фактически на величину мощности работающего двигателя в значительной мере влияют абсолютные значения и параметры колебаний. Если двигатель работает без нагрузки, то его эффективную мощность следует считать равной нулю. Поэтому тормозные методы являются наиболее точными среди известных методов оценки мощности. Используемые при этом тормозные установки могут создавать необходимое сопротивление механическим, воздушным, гидравлическими электрическим путем.

Тормозные методы испытания ДВС обладают высокой точностью, но они не могут быть применены вследствие конструктивных особенностей автомотрисы АДМ-1 для оценки внешних показателей ее силовой установки. Кроме того, такой метод диагностирования отличается высокой стоимостью и не универсальностью, так как требует обязательного наличия возможности подключения к коленчатому валу двигателя. Одним из вариантов устранения данных недостатков являются так называемые парциальные методы испытаний. Эти методы основаны на отключении части цилиндров, что позволяет использовать тормозные установки малой мощности. Но при этом невозможно устранение основного недостатка тормозных методов контроля, а именно высокой стоимости диагностического оборудования. Помимо того, далеко не всегда современные конструкция двигателя позволяет реализовать данный режим работы. Неприемлем он и при диагностировании силовой установки автомотрисы АДМ-1.

 

В итоге, можно утверждать, что наиболее перспективными для достижения поставленной в данной работе цели являются бестормозные способы диагностирования технического состояния ДВС. Бестормозные методы оценки мощности можно выполнить путем отключения от работы части цилиндров ДВС, путем замера значений эффективного расхода топлива и измерением параметров переходных процессов.

Оценить мощность и экономичность дизельных ДВС путем измерения расхода топлива можно, к примеру, используя расходомер КИ-8940 конструкции ГОСНИТИ (рис. 1.12) [6]. Измеряется расход топлива данным устройством путем измерения перепада давления в сужающемся отверстии диафрагмы. Измерительные трубки и поплавковая камера устройства сообщены между собой через встроенные калиброванные диафрагмы. Измеряется расход топлива и производится оценка мощности двигателя внутреннего сгорания следующим образом. При неработающем ДВС и закрытом трехходовом кране устройства в поплавковой камере и измерительных трубках расходомера уровни топлива одинаковы и равны нулю. При работе же двигателя и изменении величины расхода топлива путем переключения трехходового крана топливо поочередно подводится к различным измерительным трубкам, а диафрагма устройства не дает топливу вытекать из поплавковой камеры. Поскольку высота столба жидкости в соединительных трубках является постоянной величиной, то при уменьшении давления в задиафрагменном пространстве снижается и величина уровня топлива в измерительной трубке. Следовательно, в режиме установившейся нагрузки дизельного двигателя разницей уровня топлива в измерительной трубке и поплавковой камере можно оценить величину расхода топлива. Но для оценки эффективной мощности ДВС посредством измерения расхода топлива все равно необходимо загрузить двигатель, используя тормозной стенд или имитатор нагрузки, смонтированный на впускном тракте [6].

Из этого следует сделать вывод о том, что наиболее целесообразно оценивать мощность двигателя по его реакции на изменение нагрузки. Это позволит обеспечить простоту и оперативность контроля. Изменить нагрузку можно и при отсутствии стендов и иных нагрузочных устройств, выключая из работы некоторые из цилиндров диагностируемого двигателя или нагрузив энергетическую установку собственными силами инерции в процессе его разгона до максимальной частоты вращения.

Поочередно выключая из работы цилиндры двигателя ,можно оценить величину его мощности оценивается по уровню снижения частоты вращения коленчатого вала ДВС в условиях имитации нагрузки. Для этого у дизельных ДВС следует прекратить подачу топлива в очередной цилиндр, отключив топливопровод высокого давления, ведущий от ТНВД к форсунке, а у искровых двигателей – отключить высоковольтный провод соответствующей свечи зажигания. Выключение цилиндров позволяет нагрузить двигатель компрессорным эффектом сжатия вхолостую воздуха в камере сгорания. Чем ниже мощность отключаемого цилиндра, тем значительнее уровень уменьшения угловой скорости вращения коленчатого вала. Данная процедура помогает выявить не развивающие установленной мощности цилиндры двигателя, и оценить величину потерь мощности в процентах. Вычислив сумму полученных результатов, мы можем оценить мощностные характеристики двигателя в целом.

 

Используемый в данной работе метод оценки мощности двигателя с использованием параметров переходных процессов (без использования внешних
источников нагрузки)основан на измерении интенсивности свободного разгона ДВС путем измерения ускорения коленчатого вала. Свободный разгон осуществляется путем включения режима полной подачи топлива и, соответственно, разгона двигателя от минимально устойчивой частоты вращения холостого хода до максимальной скорости. Двигатель при этом оказывается нагруженным собственными силами инерции его движущихся масс, которые для каждого конкретного двигателя являются постоянной величиной.

 

1.4 Описание существующих инструментальных методов контроля качества переходных процессов

 

Различными научными исследованиями установлено, что наиболее эффективно с экономической точки зрения, а также исходя из необходимости сокращения времени проведения и трудоемкости ТО и ремонта, использовать безразборные методы диагностики, основанные на измерении параметров качества переходных процессов в самом двигателе внутреннего сгорания и в элементах системы автоматического регулирования его частоты вращения. Наиболее известными и реализуемыми на практике являются разработки Сибирского НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства (СибИМЭ).В этом научном учреждении создан так называемый динамический метод диагностики, позволяющий не только оценивать мощность ДВС, но и выявлять наличие неисправностей конкретных узлов и агрегатов, приводящих к изменению мощности двигателя [7…11].Среди таких возможностей известны, например исследования в области оценки технического состояния цилиндро — поршневой группы ДВС [12] и автоматических регуляторов частоты вращения [13].

Динамический метод диагностики основан, как уже указывалось, на измерении величины ускорения коленчатого вала свободного разгона двигателя при его движении от минимальной частоты вращения холостого хода до максимальных оборотов. Для оценки величины механических потерь в двигателе, наоборот, измеряются отрицательные значения углового ускорения коленвала при выбеге ДВС. Для этих целей в СибИМЭ был разработан прибор ИМД-Ц (измеритель мощности двигателя), Его более совершенная модификация обозначается аббревиатурой ИМД-ЦМ. Данные приборы отличались достаточной точность измерений и относительной простотой эксплуатации.

Общий вид прибора для оценки мощности ИМД-Ц изображен на рис. 1.13. Устройство состоит из корпуса, блока устройства и стойки. В состав блока устройства, в свою очередь, входит передняя панель управления, на которой размещены клавишные переключатели рода работ, ручки потенциометров, гнезда «Вход», вход шнура питания и панель цифровой индикации результатов измерений.

Диагностирование с использованием данного устройства заключается в контроле мощностных показателей двигателя и сравнении полученных значений с эталонными. Если измеренные значения значительно отличаются от эталонных, производится поиск неисправностей. Так как невозможно унифицировать различные двигатели по конструктивным параметрам, то в принципе действия диагностического прибора предусмотрено введение калибровочных коэффициентов, которые зависят от количества зубьев венца маховика, значения частоты вращения, соответствующей режиму номинальной мощности, момента инерции двигателя, приведенного к коленчатому валу, и других причин. Под эталонными значениями подразумеваются величины угловых ускорений, которыми должен обладать исправный двигатель.

В итоге с помощью данного диагностического средства измеряются:

– частота вращения коленчатого вала;

– ускорение свободного разгона ДВС как характеристика его эффективной мощности;

– ускорение выбега как показатель уровня механических потерь;

– величина постоянного напряжения бортовой сети машины.

Полученные результаты измерений используются для:

– оценки эффективной мощности двигателя;

– определения показателей степени неравномерности работы цилиндров;

– оценки значений условной мощности механических потерь и опосредованно величины условного механического КПД;

– оценка распределения мощности по цилиндрам двигателя.

Скоростные динамические характеристики разгона ДВС, зафиксированные с помощью прибора ИМД-Ц, позволяют произвести оценку:

– частоты вращения, соответствующей максимальным значениям крутящего момента двигателя;

– величины номинальных значений показателей коэффициентов запаса крутящего момента.

Выводы по разделу

1. Диагностирование технического состояния двигателей внутреннего сгорания является неотъемлемым и обязательным элементом технической эксплуатации.
2. Применение функциональной диагностики ДВС, позволяющей оценить мощность и топливную экономичность силовой установки, позволит предупреждать появление отказов путевых машин в эксплуатации и обеспечить необходимые значения их производительности.
3. Наиболее целесообразно для оценки мощности ДВС автомотрисы использовать параметры переходных процессов, сопутствующих свободному разгону и выбегу двигателей внутреннего сгорания, которые могут быть зафиксированы с помощью измерителя мощности ИМД-ЦМ.

 

2 ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Методика проведения экспериментов

 

Экспериментальные исследования имели целью показать, что в условиях эксплуатации специализированного подвижного состава железнодорожного транспорта(на примере автомотрисы АДМ-1)возможно реализовать методику контроля технического состояния ДВС, используя параметры переходных процессов, сопутствующих свободному разгону двигателя. Конечной целью таких исследований является определение эталонных характеристик свободного разгона ДВС, входящих в состав силовой установки путевой машины, и оценка изменения разгонных характеристик при возникновении или моделировании неисправностей дизельного двигателя различного характера [14].

В данной работе выполнялось моделирование основных неисправностей. В качестве моделируемых выбраны наиболее распространенные неисправности дизельных ДВС ЯМЗ-238Б, устанавливаемых на автомотрисы АДМ-1: увеличение и уменьшение угла опережения подачи топлива; увеличение расхода топлива; отказ части цилиндров двигателя.
Угол опережения впрыска топлива регулировался посредством совмещения соответствующих контрольных меток, расположенных на шкиве коленчатого вала и на крышке шестерен распределения (рис. 2.1). Величина подачи топлива изменялась посредством соответствующей регулировки топливного насоса высокого давления (ТНВД), а отказ части цилиндров двигателя имитировался путем отсоединения топливо провода высокого давления, идущего от ТНВД к соответствующей топливной форсунке.

При измерении параметров переходных процессов использовался модернизированный вариант измерителя мощности двигателя ИМД-ЦМ (рис. 2.2). Этот прибор имеет следующие технические характеристики [15].

1. Габаритные размеры: длина – 207 мм; ширина – 155 мм; высота – 83 мм.
2. Масса (включая массу первичных преобразователей) не более 4 кг.

 

3. Питание устройства осуществляется внешним источником постоянного тока (аккумуляторной батареей) с напряжением 10,8…13,5 В. Уровень потребления электрического тока составляет не более чем 0,5 А.

4. Продолжительность непрерывной работы прибора допускается в течение не более 8 ч.
5. Характеристика климатических условий эксплуатации: температура в диапазоне от –50 до +50°С, относительная влажность воздуха 98% при температуре 25 °С и атмосферном давлении 70…106,7 кПа (537…800 мм рт. ст.).
6. Средняя наработка на отказ составляет не менее 1000 ч.

 

Данное устройство в своей работе использует принцип преобразования частоты импульсов, получаемых с помощью индуктивного датчика частоты вращения, установленного напротив зубьев венца маховика, в величину напряжения сигнала. В режиме измерения частоты вращения коленчатого вала напряжение синусоидальной формы с выхода преобразователя частоты поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП). Измеренные значения отображаются на цифровом табло [13].

При измерении частоты вращения коленчатого вала в первичном преобразователе, который вворачивается в резьбовое отверстие кожуха маховика напротив его зубчатого венца, наводится сигнал с частотой, равной частоте вращения коленчатого вала, но при этом умноженной на число зубьев венца маховика. Данный первичный преобразователь имеет встроенный постоянный магнит и катушку индуктивности, что позволяет генерировать последовательность импульсов синусоидальной формы. Частота следования этих импульсов пропорциональна значениям угловой скорости коленвала ДВС. Счетчик импульсов через делитель частоты получает импульсы от кварцевого генератора устройства. Количество поступивших на счетчик импульсов в итоге и позволяет определить частоту вращения коленчатого вала. С выхода счетчика импульсов управляющие потенциалы поступают на цифровой индикатор, представляющий собой электронное табло, состоящее из четырех люминесцентных индикаторных ламп.

При измерении ускорения, являющегося в данном случае аналогом эффективной мощности ДВС, полученное на выходе преобразователя частоты напряжение поступает на вход дифференцирующего устройства. Величина этого напряжения пропорциональна угловому ускорению. Затем данное напряжение с выхода дифференциатора поступает на вход АЦП и в итоге отражается на цифровом табло в виде цифровых значений. Для запоминания значений напряжения, пропорциональных скорости изменения частоты в момент достижения установленной частоты вращения в приборе ИМД-Ц предусмотрено запоминающее устройство.

Для проведения измерений с помощью выбранного диагностического устройства первоначально необходимо просверлить отверстие в картере маховика и нарезать резьбу M16x1,5 с целью установки первичного преобразователя. Место сверления определяется инструкцией по эксплуатации приборов ИМД-Ц и ИМД-ЦМ. Затем перед проведением измерений необходимо выполняется следующие операции [15]:

1. Прогреть двигатель до температуры картерного масла 80…85°С или, соответственно, температуры охлаждающей жидкости90…95°С. Заглушить двигатель.
2. Ввернуть в отверстие картера маховика индуктивный датчик (первичный преобразователь частоты вращения). Датчик вворачивается до упора в зубчатый венец маховика, затем необходимо отвернуть его на два оборота и зафиксировать контргайкой.
3. Подключить, соблюдая полярность, первичный преобразователь к питанию от аккумуляторной батареи. Включить питание поворотом ручки «Вкл» по часовой стрелке. При необходимости при ярком дневном свете затенить индикатор. Если не происходит свечения индикаторных ламп, следует заменить местами штекеры шнура питания.
4. Откалибровать прибор ИМД-ЦМ по частоте вращения. Калибровка осуществляется при нажатой клавише «n». Вращая ручку потенциометра «калибровка», необходимо установить на цифровом табло калибровочное значение для данной марки двигателя, затем повторным нажатием клавиша «n» возвращается в исходное состояние.
5. Откалибровать прибор по ускорению. Для этого необходимо нажать клавишу «ε» и вращением ручки соответствующего потенциометра, установить на цифровом табло калибровочное значение 327,2±0,5. Это значение является постоянным для всех дизельных двигателей. Повторным нажатием клавиша «ε» возвращается в исходное положение.
6. Установить частоту вращения, соответствующую угловой скорости измерения ускорения.
7. Запустить двигатель. Установить минимально устойчивые обороты коленчатого вала двигателя. Зафиксировать отражаемые на цифровом табло значения частоты вращения коленчатого вала двигателя. Установить удобное для считывания время индикации результатов измерения на цифровом табло посредством вращения ручки потенциометра «Вкл».
8. Клавиша числа цилиндров устанавливается в положение, соответствующее числу цилиндров испытуемого двигателя. Исходное положение данной клавиши соответствует числу цилиндров двигателя 1-4, а нажатое – числу 6-12. Нажать кнопку «ε».
9. Рычаг управления подачей топлива для осуществления свободного разгона двигателя резко перевести в положение, соответствующее полной подаче. Записать показания цифрового табло, не меняя положения рычага управления топливоподачей.
10. Зафиксировать максимальную частоту вращения коленчатого вала двигателя и нажать клавишу «–ε». Резко выключить подачу топлива. В момент появления цифровых показаний на индикаторе перевести рычаг управления топливоподачей в режим минимальных оборотов холостого хода. Записать результаты измерений.
11. По измеренному ускорению разгона оценить эффективную мощность двигателя. В процессе диагностирования двигателей, оснащенных газотурбинным наддувом, рекомендуется провести корректировку измеренных значений ускорения разгона по давлению наддува, измеренному перед проведением диагностики[15].
12. Оценить степень отклонения мощности двигателя от номинальных значений. Допускается уровень снижения мощности двигателя порядка 5%, а превышения – 7%.
13. Оценить (при необходимости) неравномерность работы цилиндров двигателя. Для этого необходимо разгонять ДВС, поочередно отключая один из цилиндров. Разность между ускорением разгона двигателя при работе на всех цилиндрах и ускорением, полученным при работе с одним отключенным цилиндром, является характеристикой индикаторной мощности каждого цилиндра. Допускаемая степень неравномерности работы цилиндров ДВС 12%.

 

2.2 Результаты экспериментальных исследований

 

Используемое в процессе экспериментов диагностическое оборудование позволило зафиксировать значения углового ускорения свободного разгона ДВС при различных величинах угловой скорости коленвала, измеренной в процессе свободного разгона двигателя от минимума до максимума. Значения угловой скорости задавались с небольшими интервалами во всем диапазоне частоты вращения испытуемого двигателя. Это позволило выполнить построение разгонных характеристик, аналогичных внешним скоростным характеристикам дизельного двигателя.
На рис. 2.3…2.7 представлены построенные по результатам измерений изображения переходных процессов свободного разгона ДВС, описываемых зависимостями углового ускорения коленчатого вала ε от частоты вращения коленчатого вала n. Разгон производился при различных моделируемых технических состояниях дизельного двигателя ЯМЗ-238Б. С целью оценки воспроизводимости результатов экспериментов измерения повторялись не менее десяти раз. При существенном отклонении от полученного среднего значения результат измерений не учитывался в качестве значимого результата.

Сводные характеристики переходных процессов, состоящие из зависимостей, соответствующих рисункам 2.3…2.7 приведены на рис 2.8.. Целью приведения сводных характеристик является наглядная иллюстрация перспективности использования переходных процессов при диагностирования технического состояния ДВС путевых машин. В случае необходимости при построении зависимостей углового ускорения свободного разгона от времени производилось усреднение полученных результатов. Это было необходимым в связи с тем, что абсолютная повторяемость результатов измерений невозможна из-за наличия погрешности измерительного оборудования, погрешности создания условий эксперимента (свободного разгона двигателя) и стохастичности работы двигателя внутреннего сгорания. На стохастичность рабочих процессов ДВС в значительной степени влияют возраст и техническое состояние диагностируемого двигателя.

В результате выполнения экспериментальных исследований была разработана укрупненная технология диагностирования ДВС путевых машин на основе
использования параметров переходных процессов свободного разгона. Ее схема представлена на рис. 2.9.

 

2.3 Предложения по совершенствованию динамического метода диагностики

 

Прибор ИМД-ЦМ, выбранный в качестве экспериментального оборудования, также как и другие аналогичные приборы, обладает рядом несомненных достоинств. К ним относятся простота использования, компактность и низкая стоимость. Но при этом они имеют и ряд серьезных недостатков. Во-первых, диагностирование ДВС с использованием данных приборов возможно лишь в определенном диапазоне частот вращения коленчатого вала(как правило, не более 2100 об/мин), не позволяющем использовать устройства типа ИМД-ЦМ для диагностирования современных двигателей. Во-вторых, это устаревшая элементная база, которая, к сожалению, несовместима с современными компьютерными устройствами [24…27]. Поэтому данный метод технической диагностики может быть перспективным только в том случае, если диагностическое оборудование может использовано для широкого круга современных транспортных и транспортно-технологических машин.

Современные ДВС имеют значительно более широкий рабочий диапазон частоты вращения и углового ускорения разгона коленчатого вала, чем возможности измерения с помощью прибора ИМД-ЦМ. Следовательно, для реализации динамического метода диагностики в современных условиях необходим прибор, использующий тот же принцип, но способный измерять угловую скорость и угловое ускорение коленчатого вала двигателя в значительно более широком диапазоне.

Нецелесообразным в ряде случаев представляется и использование первичных преобразователей, требующих получения диагностического сигнала с зубьев маховика ДВС. Это связано с тем, что выполнение сверления в кожухе маховика зачастую является трудноосуществимым из-за особенности конструкций путевых машин и, в любом случае, повышает трудоемкость контроля.
Кроме того, заводы-производители могут быть против подобных воздействий в течение гарантийного периода. Из этого следует, что, необходимо использовать более современные и быстромонтируемые датчики угловой скорости коленчатого вала, например, лазерные или оптические. В качестве примера на рис. 2.10 показано применение оптического датчика для измерения параметров угловой скорости энергетической установки [16].

Использование современных оптических датчиков, кроме того, способствует повышению точности измерений. В современных условиях в процессе диагностирования необходимо обеспечение возможности коммутации систем диагностики на основе цифровой передачи информации с современными компьютерными средствами. При этом необходимо обеспечить использование стандартных программных продуктов. Данные задачи возможно реализовать как раз используя оптические датчики, так как в этом случае импульсы от зубьев маховика заменяются временными интервалами между метками диска оптического датчика, которые удобно представлять в цифровом виде. Скорость изменения этих интервалов и будет в этом случае являться информацией о величине угловой скорости и углового ускорения вращающихся деталей двигателя [16…18].

---

Страницы:   1   2   3