CC BY
90
УДК 629.424:629.436.004.58
Б. е. БОДНАР, О. Б. ОЧКАСОВ, Д. В. ЧЕРНЯСВ, О. Я. ДЕЦЮРА (ДПТ)
МОДЕЛЮВАННЯ НЕР1ВНОМ1РНОСТ1 ОБЕРТАННЯ КОЛ1НЧАТОГО ВАЛА ДИЗЕЛЯ
Розглянуто питання дiагностування дизелiв та природа виникнення HepiBHOMipHOCTi обертання колшчас-того вала. Наведено результати моделювання нepiвномipностi частоти обертання кол1нчастого валу дизеля типу 1Д12. На пвдстаи моделювання отримано залeжностi, вiдповiднi прояву дeфeктiв в pоботi вузлiв дизеля.
В статье рассмотрены вопросы диагностирования дизелей, рассмотрена природа возникновения неравномерности вращения коленчатого вала. Приведены результаты моделирования неравномерности частоты вращения коленчатого вала дизеля типа 1Д12. На основании моделирования получены зависимости, соответствующие проявлению дефектов в работе узлов дизеля.
In the article the issues of diagnostics of diesels are considered; the nature of origin of irregularity of crankshaft rotation is considered. The results of simulation of irregularity of crankshaft rotation frequency for diesel of type 1D12 are presented. On the basis of simulation the dependences corresponding to the manifest of defects in operation of diesel units are obtained.
Одним з перспективних напрямюв розвитку локомотивного господарства е поступовий пе-рехщ вщ планово-попереджувально! системи ремонту рухомого складу до техшчного обслу-говування по фактичному техшчному стану. Система утримання по фактичному передбачае виконання ремонтов по мiрi фактично! необхщ-носп, а не через жорстко призначеш термши, яю нерщко виявляються невдало вибраними, i це призводить або до непотрiбного передчасно-го розбирання механiзмiв, або до масштабних ремонтних робiт, якi можна було б попередити лiквiдацiею несправносп ще до появи аварiйно небезпечного пошкодження. Крiм того, кожне розбирання та складання вузлiв викликае шту-чний процес припрацювання, пiд час якого шд-вищуеться iнтенсивнiсть зносу деталей.
Перехщ до експлуатаци рухомого складу за фактичним станом можливий лише за наявност ефективних автоматизованих систем техшчного дiагностування, призначених для оцiнки стану техшчних об'екта, пошуку несправностей i визначення !х причин, прогнозування залишко-вого ресурсу механiзмiв i визначення термшв профiлактичного ремонту.
На тепловозi дизель е одним iз найскладш-ших i найвiдповiдальнiших вузлiв, вiд надшно-стi роботи якого залежить надшшсть роботи тепловоза в цiлому, ^м того, стан дизеля впливае на економiчнiсть тепловоза. Визначення техшчного стану вузлiв дизеля без його роз-бирання дозволить значно скоротити витрати на його ремонт.
На основi аналiзу юнуючих методiв нерозб> рного дiагностування дизеля можемо зробити висновки, що розглянут методи та побудованi на !х основi комплекси дiагностування ДВЗ мають недолiки, основними з яких е:
- велик трудовитрати, пов'язанi з частко-вим розбиранням двигуна i монтажем дiагнос-тичного устаткування;
- техшчш засоби, за допомогою яких вико-нуеться дiагностування, не ушфшоваш для ви-користання на рiзних типах двигунiв.
Аналiз методiв та способiв дiагностування ДВЗ дозволив дшти висновку, що серед юную-чих методiв метод дiагностування за нерiвномi-рнiстю частоти обертання колiнчастого вала дизеля являе собою перспективний напрям у розвитку методiв нерозбiрного дiагностування ДВЗ, використання якого дозволить збiльшити достовiрнiсть результатiв дiагностування i про-гнозувати подальшу експлуатацiю дизеля. При цьому методi дiагностування в якостi дiагнос-тичного параметра використовуеться частота обертання колiнчастого вала. Цей параметр комплексно характеризуе яюсть роботи дви-гуна.
Нерiвномiрнiсть обертання вала двигуна по-яснюеться, перш за все, iмпульсною складовою обертаючого моменту в кожному з його цилш-дрiв. Крiм того, якщо вважати, що момент опору обертанню вала при сталому режимi е по-стшним, i порiвняти значення цього моменту з обертаючим моментом двигуна, що безперерв-но змшюеться, то ясно, що при спалахах в ци-лiндрах обертаючий момент буде бшьше моме-
© Боднар Б. е., Очкасов О. Б., Черняев Д. В., Децюра О. Я., 2010
нту опору, а в перюди м1ж спалахами - менше. Прийнято говорити, що в першому випадку мае мюце надлишок обертаючого моменту, а в другому - нестача.
Для оцшки нер1вном1рносп обертання вала протягом одного перюду змши сумарного обертаючого моменту вщ вс1х цилшдр1в двигуна введено поняття ступеня нер1вном1рносп обертання, що е вщношенням р1знищ максимально! { мш1мально! кутових швидкостей обертання вала до середньо! кутово! швидкосп. Чим менше стутнь нер!вном!рносп вала, тим бшьш р1вном1рно вш обертаеться. Зменшення нер1в-ном!рност обертання або доведення И до необ-хщних меж досягають зазвичай установкою маховика на кол1нчастому валу. Маховик вико-нуе роль акумулятора мехашчно! енергп мас, що обертаються: вш накопичуе И в перюди надлишку обертаючого моменту, а в моменти нестач! - вщдае.
Кр1м того, на р!вном!ршсть обертання вала впливае число цил1ндр1в в двигуш. У багатоци-лшдровому ДВЗ кол1нчастий вал сприймае обертаюч! моменти по черз1 вщ вс1х цил1ндр1в. Д1я цих момента не сшвпадае за часом, оскшь-ки кривошипи розташоваш не в однш площиш, а шд певним кутом один до одного. Тому зб1-льшення числа цилшдр!в пов'язане з часпшою змшою обертаючого моменту в двигуш, а, от-же, з бшьш р1вном1рним обертанням кол1нчас-того вала.
При д!агностуванш двигушв внутршнього згорання зазвичай прийнято вважати, що куто-ва швидюсть обертання кол1нчастого вала при сталому режим! постшна, отже кут його повороту пропорцшний часу. Обертовий момент дизеля вр1вноважуеться моментом опору 1 моментом дотичних сил шерци рухомих мас, при-ведених до колшчастого вала.
Для будь якого моменту часу:
ся, то неминуче виникають коливання кутово1 швидкост вала, тобто:
М0б = М0
ё ю
(1)
де Моп - момент, що враховуе отр наванта-ження, сил тертя { витрати енергп на привод допом1жних мехашзм!в;
1о - момент шерци рухомих мас, приведений до колшчастого вала;
ё ю
--кутове прискорення вала.
ё
При сталому режим! роботи д1ють середш значення момента, але оскшьки перюд \ характер фактичних змш цих момента не зб1гають-
Моб - МоП = 1о
ё ю
(2)
Значна частина нер!вном!рносп обертання вала компенсуеться моментами шерци мехаш-зму ур1вноваження { сполучених з його валом агрегата. Тому за допомогою звичайних тахо-метр1в визначити нер!вном!рнють обертання вала дизеля не е можливим.
У бшьшосп систем д1агностування за нер1в-ном!ршстю частоти обертанш вала ДВЗ вико-ристовуються ¿ндукцшний або оптичний датчики, яю подають сигнали вщповщно прохо-дженню зуб1в вшцево! шестерш бшя (через) них. Такий спошб вим1ру мае недолши, голо-вний з яких: невелика та нестабшьна точшсть ¿з-за зношення та змащування зуб1в шестерш. Кр1м того, ¿ндукцшний датчик мае нещеальш магштш властивосп й тому не в змоз1 ч1тко ф> ксувати наближення зуба шестерш при великш його швидкосп. А оптичний датчик у силу того, що вшцева шестерня знаходиться не в герметичному вщику, мае ризик забруднитися змащенням чи пилом або спрацювати на бризки змащення.
Датчик кутово! швидкосп повинен вщпов> дати ряду вимог:
- спроможшсть зам1ряти частоту обертання в межах одного оберту з достатньою точшстю;
- малогабаритнють;
- зручшсть монтажу та демонтажу;
- робоча частота обертання не менше ном> нально! частоти обертання дизеля (не менш шж 1500 хв-1);
- незалежнють надшносп та точносп вим1ру вщ умов зовшшнього середовища.
На основ! наведених вимог пропонуеться використання шкрементального оптичного датчика кутового перемщення (енкодер).
В якосп об'екту експериментальних досл> джень було обрано дизель 1Д12-400.
Дизель 1Д12 е чотиритактним швидкохщ-ним безкомпресорним без наддування з рщин-ним охолодженням та струменевим розпилю-ванням палива. Розташування цилшдр!в -У-под1бне у двох блоках шд кутом 60°. Анал> тично було розраховано ¿ндикаторну д1аграму робочого процесу для номшального режиму (рис. 1) експериментального дизеля. Також розраховано ¿ндикаторш д1аграми робочих про-цес1в при зниженому на 1 МПа тиску Р2 вщно-сно номшального режиму та при вимкненш подач! палива (рис. 2).
Для моделювання впливу несправностей ро-бочого процесу на частоту обертання колiнчас-того вала створено спрощену твердотшу модель дизеля 1Д12 в масштабi 1:1. Вона склада-еться з 62 елементiв, серед яких: картер, колш-частий вал, по 12 поршшв i поршневих пальщв, по 6 основних та причшних шатунiв та ix паль-
щв. На рис. 3 зображено штерфейс програми Autodesk Inventor для створення зборки моделi з твердотiлиx елеменпв. Вiкно програми скла-даеться зi стандартно].' панелi iнструментiв, аш-мацшного вiкна, браузера елементiв та панелi iнструментiв для створення моделi.
Р, ШЙ
1
/ *
t 1 /» / 1 3 Г
...... / / / ' / 1 1 ч П, ХВ '
-^ у" 9 у Э Ii ¡0 2 ■j Ч з 0 .■*' 4! 0 5 С 6 ■■N ■о '-S т. •N
\ 2
Рис. 1. Графiки залежностi питомих зусиль ввд кута ф для одного цилiндра при частот обертання п = 1500 об/хв:
1 - РГ , сила тиску газ1в; 2 - Р1, сила шерцп; 3 - РЕ , сумарна сила, що дie на поршень
I', Ulla
1 1 f 1 1 г 1 ( Л_
/1 /1 1 1 / ' / I > I 1 1 t 1 1 д
1 / 1 / f / ' / 1 1 1 \ ( \ 1 \ 1 \ \ V,- ^ П3ХБ"1
/ f Ч
/■ / / Э 1 50 2 \ 0 \ 31 ч ¡0 .*' 4 / ¡0 5 0 6 !0 ^ 7 \ \
2
Рис. 2. Графши залежностi питомих зусиль ввд кута ф для одного цилiндра при нульовiй подачi палива при частотi обертання п = 1500 об/хв:
1 - РГ , сила тиску газ1в; 2 - Р1, сила шерцп; 3 - РЕ , сумарна сила, що дie на поршень
Рис. 3. Вид в^а створення зборки у програмi Autodesk ТпуеПог
Експерименти з ¡]штацшною моделлю були проведеш в чотири етапи, { на кожному еташ проводилось по два експерименти: при номша-льнш частой обертання кол1нчастого вала -
1500 хв-1, та на режим1 холостого ходу -500 хв-1. Вихщними даними експеримент1в е граф1чш залежносп частоти обертання вщ часу (рис. 4).
Рис. 4. Залежшсть частоти обертання колшчастого вала моделi дизеля вщ часу на режимi холостого ходу: 1 - нормальна робота всх цилшдрш, 2 - для першого правого цилшдра подачу палива вимкнено
За результатами моделювання можна зроби-ти таю висновки:
- порушення у робот навiть одного з цилш-дрiв суттево впливають на нерiвномiрнiсть час-тоти обертання колiнчастого вала дизеля при сталому режимi (табл. 1);
- дiагностування дизеля ращональшше про-водити на обертах холостого ходу, тому що не-справносп проявляються бiльшою мiрою саме при низьких частотах обертання колiнчастого вала.
Таблиця 1
Результата моделювання
Ампттуда коливань частоти обертання , об/хв
Режим роботи Нормальна робота 1П цилшдр без палива 1П цилшдр з1 зниженим Р2 1П, 3 Л цилшдри з1 зниженим Р2
Номшальний, 1500 об/хв 3 22 13 21
Холостий хвд, 500 об/хв 3 82 58 69
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Кончаков, Е. И. Техническая диагностика судовых энергетических установок [Текст] : учеб. пособие / Е. И. Кончаков. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. - 112 с.
2. Борщенко, Я. А. Разработка метода диагностирования автомобильных дизелей по неравномерности вращения коленчатого вала: автореф. дисс. ... канд. техн. наук: 05.22.10 / Курган. гос. ун-т. - Курган, 2003. - 21 с.
3. Боднарь, Б. Е. Теоретические основы, опыт создания систем испытания и диагностирования тепловозов с гидродинамической передачей:
дисс. ... докт. техн. наук: 05.22.07 / Боднарь Борис Евгеньевич; Днепропетр. гос. техн. ун-т ж/д трансп. - Д., 1997. - 366 с.
4. Тепловозные двигатели внутреннего сгорания [Текст] : учеб. пособие для вузов / под ред. А. Э. Симсона. - М.: Транспорт, 1987. - 536 с.
5. Тепловоз ТГМ23 [Текст] / под ред. Ю. С. Бибикова. - М.: Транспорт, 1973. - 200 с.
6. Тепловоз ТГМ1 [Текст] / под ред. Ю. С. Бибикова. - М.: Транспорт, 1974. - 216 с.
Надшшла до редколегп 17.12.2009.
Прийнята до друку 29.12.2009.
