CC BY
68
УДК 621.43.018.7.001.42
МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СМД-62
© 2010 г. А.Г. Арженовский, С.В. Асатурян
Представлена бестормозная методика определения основных показателей двигателей тракторов с турбонаддувом по ускорению коленчатого вала и давлению наддува. Разработанная методика и измерительно-вычислительный комплекс, её реализующий, позволяют определить значения действительного момента инерции двигателя и построить полную регуляторную характеристику двигателя с ГТН в производственных условиях.
Ключевые слова: диагностирование двигателей, бестормозная методика, трактор, турбонаддув, мощность, момент инерции.
Unbroken methods of determining of main results of tractor engines having turbosupercharge for crankshaft speeding and supercharge pressure are given. The working out methods and calculating complex realizing it let determine the meaning of an engines active inertia moment and make a complete regulating characteristics of the engine having GTN underproduction conditions.
Key words: diagnostics, an engine, unbroken methods, a tractor, supercharge, power, an inertia moment.
Основой агропродовольственной политики на современном этапе развития страны является ускорение темпов роста объемов сельскохозяйственной продукции, повышение её конкурентоспособности, интеграция в мировое сельскохозяйственное производство и рынки продовольствия. Для производства сельскохозяйственной продукции применяют современные машинные технологии. Эксплуатация машин сопровождается процессами изнашивания, физическим и моральным старением. Огромный технико-экономический эффект даёт внедрение диагностирования - важной составной части планово-предупредительной системы технического обслуживания и ремонта машин. Техническое диагностирование позволяет прогнозировать ресурс объекта диагностирования до очередного ремонта в соответствии с поставленным диагнозом и наработкой от начала эксплуатации новой или отремонтированной машины. Известные методики диагностирования дизельных двигателей не позволяют в полной мере дать оценку технического состояния двигателей, оснащенных турбонаддувом, в производственных условиях.
Разработанные в настоящее время методы диагностирования основных пока-
зателей дизельных двигателей можно разделить на тормозные, бестормозные и парциальные.
Диагностирование двигателей тормозными методами является более точным, но требует дорогостоящего оборудования и существенных финансовых затрат и усилий на его подготовку и проведение. В связи с этим этот метод применяется лишь в крупных хозяйствах и на МИС.
Бестормозные методы, уступая по точности тормозным, не требуют сложного и дорогого оборудования, отличаются простотой и доступностью применения в эксплуатационных условиях.
Для производственных условий эксплуатации представляет интерес метод диагностирования двигателей, основанный на оценке динамических характеристик двигателя.
На кафедре «Механизация растениеводства» ФГОУ ВПО АЧГАА разработана методика диагностирования тракторных двигателей с турбонаддувом в производственных условиях, заключающаяся в определении основных показателей двигателя по ускорению коленчатого вала в режиме свободного разгона и давлению наддува в режиме полной загрузки двигателя.
Методика реализована посредством измерительно-вычислительного комплекса [ 1 ] (рис. 1).
Предлагаемая методика предусматривает последовательность операций:
1. Запись закономерности движения коленчатого вала двигателя и определение действительного момента инерции двигателя.
Маховик устанавливается так, чтобы при соединении с валом отбора мощности трактора карданный вал маховика и ВОМ составляли угол 0±50 (рис. 2). Индукционный датчик, зафиксированный на переход-
Рис. 1. Измерительно-вычислительный комплекс
ной плите, устанавливается в технологическое отверстие кожуха маховика напротив зубчатого венца на расстоянии 2-3 мм от вершин зубьев [2] (рис. 3).
Преобразователь избыточного давления ПД 100-ДИ 0,1 монтируется во впускном трубопроводе. Учитывая конструкцию двигателя СМД-62, где распределение наддувочного воздуха по цилиндрам осуществляется под привалочной плитой с воздуховодами, датчик давления герметично, с помощью переходника, соединялся со штуцером, ввернутым в технологическое отверстие привалочной плиты (рис. 4).
Рис. 2. Маховик для определения момента инерции двигателя
Рис. 3. Расположение индукционного датчика
Перед записью закономерности движения коленчатого вала двигателя в соответствии с максимальной частотой вращения коленчатого вала и количеством зубьев
Рис. 4. Расположение датчика давления
маховика диагностируемого двигателя плату АЦП необходимо настроить на частоту опроса, достаточную для получения достоверных данных [3].
Частота опроса, на которую необходимо настроить плату АЦП, у=30 кГц. Время записи значений ЭДС датчика tзап=5 с.
2. Определение передаточного отношения.
Частота вращения вала отбора мощности определяется с помощью приспособления КИ-13941, которое устанавливается на ВОМ.
По результатам диагностирования определяется действительное значение передаточного отношения и рассчитывается величина действительного момента инерции диагностируемого двигателя 1п, а также строится зависимость.
3. Определение давления наддува.
Для определения закона изменения давления наддува с одновременной записью закона движения коленчатого вала измерительно-вычислительный комплекс необходимо разместить непосредственно в кабине трактора (рис. 5).
Датчик давления наддува тарировали с помощью установки, состоящей из:
1 - персонального компьютера с платой АЦП; 2 - платы сопряжений; 3 - ресивера; 4 - механического манометра и 5 - датчика давления (рис. 6).
Рис. 5. Размещение измерительно-вычислительного комплекса
в кабине трактора
Рис. 6. Общий вид тарировочной установки
Тарировку проводили в 5-кратной повторности, на основании чего были получены информационные файлы, в соответствии с которыми корректировались истинные значения выходных величин давления наддува.
При разгоне трактора одновременно проводили запись сигналов от двух датчиков. Разгон проводили в пятикратной по-
вторности, в результате получали зависимости рН = /(п) .
4). Определение топливо-экономичес-ких показателей.
Снятие характеристик топливных насосов НД-22/6, установленных на диагностируемых двигателях, проводится на стенде для проверки и регулировки топливного оборудования (рис. 7).
Рис. 7. Диагностирование топливного насоса высокого давления
№. кВт
і і
120
110
ЮО
90
во МкД
70 700
60 600
50 500
І0 100
30 300
20 200
Ю ЮО
", Л9, 9 1
ч
Ни
Мк 0
6г бг.
де.
зо
го
то
тюо то ооо ноо яво ыо то воо пт люо лю лот гзоо Частото Вращения коленчатого бала сХнгатепя об/пин
г/кВт ’ч
1200
1100
1000
900
800
700
600
500
ІОО
300
200
ЮО
п
Рис. 8. Регуляторная характеристика двигателя СМД-62 трактора Т-150К
При безмоторном диагностировании топливного насоса показатели определены по ГОСТ 10278-95. Для определения параметров ТНВД стенд необходимо укомплектовать штатными (демонтированными с двигателя) форсунками.
После снятия характеристик ТНВД (Ог = / (п) ), определяется зависимость & = /(п).
Для проверки предлагаемой методики диагностировались два двигателя с ГТН по стандартной (ГОСТ 18509-88) на базе Кубанской МИС и предлагаемой методикам.
Определение мощностных и топливоэкономических показателей проводилось в комплектации, соответствующей определению эксплуатационной мощности, в стандартных условиях по ГОСТ 18509-88 на балансирном динамометре МПБ-49.3/36.
Частота вращения коленчатого вала двигателя, крутящий момент, частота вра-
щения ВОМ, расход топлива и время опыта регистрировались аппаратурой ОИПД-1 конструкции РОСНИИТИМ.
Дополнительно при диагностировании одного двигателя СМД-62 и снятии регуляторной характеристики определялась мощность двигателя с отключенным турбокомпрессором (ГТН).
Влияние турбонаддува на мощность двигателя трактора Т-150К приведено на рисунке 8.
Анализ зависимости мощности от частоты вращения коленчатого вала двигателя позволяет заключить, что наличие турбокомпрессора вызывает увеличение мощности в среднем на 18% в диапазоне частот вращения от 1200 до 2100 об/мин.
При снятии регуляторных характеристик двигателей фиксировали давление наддува на всем диапазоне угловых скоростей (рис. 9).
Рис. 9. Зависимость давления наддува от частоты вращения коленчатого вала двигателя
СМД-62 трактора Т-150К
В результате обработки экспериментальных данных (рис. 8 и 9), полученных при торможении двигателя СМД-62 методом регрессионного анализа, определены
частные коэффициенты, на всем диапазоне угловых скоростей.
Данная закономерность имеет вид:
N = 0,006441 • ^б2н + 0,00003135 • Ыш • рн + 55,761, Вт.
Из этого уравнения следует, что для определения мощности двигателя, оборудованного турбокомпрессором, необходимо знать мощность двигателя без наддува и давление наддува.
Для диагностирования двигателей по предлагаемой методике необходимо иметь зависимость углового ускорения коленчатого вала от его частоты вращения.
Угловое ускорение коленчатого вала двигателя при разгоне без маховика и с присоединенным маховиком определяли в пятикратной повторности. Графики зависимостей углового ускорения от частоты
вращения коленчатого вала в режиме свободного разгона двигателя без маховика и с маховиком (с определением среднего значения) представлены на рисунке 10.
Анализ данных рисунка 10 позволяет заключить, что угловое ускорение плавно уменьшается с ростом частоты вращения коленчатого вала. Это обусловлено тем, что с ростом частоты вращения уменьшается роль присоединенного маховика.
Значения действительных моментов инерции составили 1п = 4,66 кг м и [4].
Зная действительный момент инерции двигателя можно определить энергетические показатели диагностируемых двигателей.
Рис. 10. Зависимость угловых ускорений от частоты вращения коленчатого вала двигателя СМД-62 без маховика и с маховиком
Определение давления наддува на всем диапазоне угловых скоростей при полной загрузке двигателя проводили сразу после определения энергетических показателей в режиме свободного разгона.
По результатам определения давления наддува построены графики зависимости давления наддува от частоты вращения коленчатого вала двигателя при разгоне трактора (рис. 11).
Анализ этих зависимостей, полученных при диагностировании по предлагае-
мой методике, показывает, что характер кривых давления наддува близок к зависимостям, полученным по стандартной методике (рис. 9).
Таким образом, использование разработанной методики и измерительновычислительного комплекса позволяет оценить состояние газотурбинного нагнетателя в производственных условиях, когда не требуется разборка двигателя и дорогостоящее диагностическое оборудование.
Рис. 11. Зависимость давления наддува от частоты вращения коленчатого вала двигателя СМД-62 трактора Т-150К (хоз № 548)
В связи с тем, что запись закономерностей изменения ускорения коленчатого вала и закона изменения давления надува производили на различных частотах вращения коленчатого вала, привели полученные значения к единым интервалам.
Значения эффективной мощности определены по уравнению (1).
Закономерности изменения давления наддува, эффективной мощности и удельного расхода топлива диагностируемых двигателей, полученные по предлагаемой
кВ V
120
111
ЮО
90
80 Лкд
70 700
60 600
50 500
40 400
30 300
20 200
Ю ЮО
К ^ч
\
Нм
пкр
& Ог.
методике, адекватны законам изменения давления наддува, эффективной мощности и удельного расхода топлива, полученным по стандартной методике согласно критерию Фишера.
Номинальные значения частоты вращения и эффективной мощности диагностируемых двигателей, полученные по предлагаемой методике, адекватны номинальным значениям частоты вращения и эффективной мощности, полученным по стандартной методике, по критерию Стьюдента.
де. г/квт’ч
30
20
Ю
1200
то
то
900
800
ТОО
600
500
400
300
200
юо
'«О ООО 'КС *00 1500 *00 пао ООО 1900 2000 200 2200 2X0 П
Частота Вращения коленчатого Вала двигателя об/мин Рис. 12. Регуляторная характеристика двигателя СМД-62 по предлагаемой методике
Результаты проведенных экспериментов представлены в виде регуляторной характеристики, полученной с помощью разработанной методики и измерительновычислительного комплекса её реализующего (рис. 12).
Для реализации предлагаемой методики на тракторные двигатели дополнительно необходимо устанавливать индукционный датчик импульсов напротив зубьев маховика коленчатого вала или шестерни топливного насоса и преобразователь избыточного давления во впускном трубопроводе, что позволит контролировать
давление наддува на всем диапазоне угловых скоростей в период эксплуатации двигателя. Разработанная методика и измерительно-вычислительный комплекс позволяют определить значения действительных моментов инерции диагностируемых двигателей и построить регуляторную характеристику двигателя с ГТН. Адекватность диагностирования двигателей с ГТН по стандартной (тормозной ГОСТ 18509-88) и разработанной методикам оценивалась по критериям Фишера и Стьюдента. Применяемость разработанной методики подтверждена с достоверностью 95%.
Литература
1. Асатурян, С.В. Диагностический комплекс для определения основных показателей двигателей с турбонаддувом / А.Г. Арженовский, С.В. Асатурян // Совершенствование конструкции и повышение эффективности эксплуатации колесных и гусеничных машин в АПК. - Зерноград, 2010. - С. 11-15.
2. А.с. 1 2361187 RU G 01 M 15/04. Способ определения мощности двигателя внутреннего сгорания / Н.В. Щетинин, А.Г. Арженовский, Д.В. Казаков, Д.О. Мальцев, О.Е. Асатурян, С.Н. Микрюков, И.И. Чичиланов; заявитель и патентообладатель АзовоЧерноморская государственная агроинженерная академия. - № 2007146150/06; заявл.
11.12.2007; Изобретения. - 2009. - № 19. - С. 4.
3. Пат. № 2009615659. Программа для определения энергетических показателей дизельных двигателей на переходных режимах / С.В. Асатурян, А.Г. Арженовский, И.И. Чи-чиланов; заявитель и патентообладатель Азово-Черноморская государственная агроинже-нерная академия. - № 2009614513; заявл. 18.08.2009; Изобретения. - 2009. - С. 1.
4. Асатурян, С.В. К определению основных показателей двигателей тракторов с турбонаддувом по ускорению коленчатого вала на переходном режиме / А.Г. Арженовский, С.В. Асатурян // Вестник ДГТУ. - 2008. - № 4 (39). - С. 420-425.
Сведения об авторах
Арженовский Алексей Г ригорьевич - канд. техн. наук, доцент кафедры «Механизация растениеводства» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград). Тел. 8(86359) 34-0-62.
Асатурян Сергей Вартанович - ассистент кафедры «Механизация растениеводства», заведующий учебной лабораторией кафедры теоретической и прикладной механики Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии (г. Зерноград).
Тел. 8-918-534-02-24.
Information about the authors
Arzhenovskiy Alexey Grigorievich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor of the department of mechanization of plant-growing, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8(86359) 34-0-62.
Asaturyan Sergei Vartanovich - assistant of the department of mechanization of plant-growing, head of the department’s laboratory of theoretical and applied mechanics, Azov-Blacksea State Agroengineering Academy (Zernograd). Phone: 8-918-534-02-24.
