Автоматизация стендовых испытаний топливной и регулирующей аппаратуры тепловозных дизелей Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Учитывая возможности и свойства граф-моделей, их можно рекомендовать к использованию в задачах оптимизации количества параметров контроля сложных объектов.

Список литературы

1. Бервинов, В. И. Техническое диагностирование локомотивов [Текст] / В. И. Бервинов / УМК МПС РФ. М, 1998. - 193 с.; 21 см. - Библиогр.: с. 187, 188. - 3000 экз. - ISBN 5-89035004-8.

2. Осис, Я. Я. Диагностирование на граф-моделях: На примерах авиационной и автомобильной техники [Текст] / Я. Я. Осис, Я. А. Гельфандбейн. - М.: Транспорт, 1991. - 244 с.; 22 см. - Библиогр.: с. 239 - 243. - 3000 экз. - ISBN 5-277-006-49-4.

3. Пушкарев, И. Ф. Контроль и оценка технического состояния тепловозов [Текст] / П. Ф. Пушкарев, Э. А. Пахомов. - М.: Транспорт, 1985. - 162 с.; 22 см. - Библиогр.: с. 161. -9000 экз.

4. Тепловоз ТЭ10М. Руководство по эксплуатации [Текст] / Под ред. М. П. Сазоновой -М.: Транспорт, 1985. - 421 с.; 24 см. - 40000 экз.

УДК 629.424.3: 621.436.03.001.42

П. Н. Блинов, А. П. Блинов

АВТОМАТИЗАЦИЯ СТЕНДОВЫХ ИСПЫТАНИЙ ТОПЛИВНОЙ И РЕГУЛИРУЮЩЕЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

В статье приводятся теоретические и практические подходы к автоматизации диагностирования на специальном оборудовании некоторых ответственных узлов тепловозных дизелей, таких как топливные насосы высокого давления, форсунки, нагнетательные трубопроводы и регуляторы частоты вращения и мощности. Предлагаемые инновации позволят значительно повысить качество настройки топливной аппаратуры, исключив человеческий фактор, повысить производительность и условия труда работников ремонтных локомотивных депо, создать на стендах условия работы аппаратуры, максимально приближенные к реальным условиям их эксплуатации на тепловозе.

Комплексной программой реорганизации и развития отечественного локомотивострое-ния, организации ремонта и эксплуатации подвижного состава с целью роста производительности труда, улучшения условий и качества труда в локомотивном хозяйстве предусмотрено всемерное внедрение средств автоматизации технологических процессов ремонта и настройки деталей и узлов локомотивов.

В настоящее время при значительном объеме автоматизации технологических операций ремонта локомотивов «узким местом» остается автоматизация диагностирования на специальном оборудовании некоторых ответственных узлов тепловозных дизелей, к которым следует отнести топливные насосы высокого давления (ТНВД), форсунки, нагнетательные трубопроводы и регуляторы частоты вращения и мощности (РЧО). Автоматизация этих операций позволит значительно повысить качество настройки топливной аппаратуры (ТА), исключив человеческий фактор, повысить производительность и условия труда работников ремонтных локомотивных депо, создать на стендах условия работы аппаратуры максимально приближенные к реальным условиям их эксплуатации на тепловозе.

Известно, что обобщенные гидравлические характеристики (ОГХ) элементов ТА оказывают существенное влияние на показатели топливоподачи [1]. С целью снижения неравномерности подачи топлива по цилиндрам дизеля необходим подбор комплектов ТА с учетом ОГХ элементов. Для этого ремонтные предприятия должны быть обеспечены соответствующими средствами контроля, отвечающими следующим требованиям: достаточная точность (класс точности - не ниже 0,5 - 1,0); воспроизводство условий контроля, близких к реальным

условиям работы ТА; минимальная трудоемкость испытаний; универсальность по отношению к различным элементам ТА; простота обслуживания и надежность в работе.

Для определения эффективного проходного сечения т/деталей линии высокого давления могут использоваться пневматические и гидравлические устройства [2], структурные схемы которых представлены на рисунке 1.

а — пневматический прибор «солекс»; б — пневматический длинномер-ротаметр; в — гидравлическое устройство перепада давления; г — стенд постоянного напора; д — автоматизированный стенд постоянного напора.

— устройство измерения параметров, указанных внутри знака

Рисунок 1 - Структурные схемы установок для контроля ОГХ

Принцип действия названных устройств основан на использовании уравнения неразрывности потока:

е=/рр ( р - р2), (1)

где е - расход жидкости (газа) через контролируемый элемент, м/с; т - коэффициент расхода жидкости (газа) через элемент; /- площадь поперечного сечения канала элемента, м2; т/- эффективное проходное сечение элемента, м ; Р1, Р2 - давление на входе и выходе элемента, Па; р - плотность жидкости (газа), кг/м .

жмт

Ш20Т0

Из пневматических устройств наибольшее распространение получили приборы с водяным манометром «солекс» (рисунок 1,а) и длинномеры-ротаметры (рисунок 1,б). Однако они имеют класс точности не выше 2, что ставит под сомнение эффективность их применения.

Разработаны гидравлические устройства перепада давления [3] для определения пропускной способности распылителей форсунок путем создания в объеме начального давления топлива, сообщения этого объема с распылителем в течение заданного промежутка времени, измерения остаточного давления и сравнения результата с эталоном (рисунок 1,в).

Точность измерения этим устройством в большой степени зависит от плотности топлива в системе устройства. Стенды же, которые оборудуются приставками-измерителями т/, не имеют устройств стабилизации температуры, а значит, и плотности рабочей жидкости. Кроме того, гидравлическое устройство перепада давления не может быть использовано для проверки ОГХ других элементов ТА, имеющих эффективное проходное сечение, значительно большее, чем у много дырчатых распылителей. Поэтому очевидна необходимость в другом способе определения ОГХ элементов ТА, свободном от перечисленных выше недостатков, позволяющем повысить точность измерений и применимым для различных деталей линии высокого давления.

Если стабилизировать значения Р1, Р2, р во времени независимо от состояния контролируемого элемента, то выражение (1) примет вид:

0=V= ст/,

(2)

где С1 - постоянная, зависящая от конструкции прибора.

Гидравлические стенды постоянного напора, основанные на использовании условия (2) могут применяться без переделок для измерения т/различных деталей и узлов ТА. Принцип их действия основан на измерении объема жидкости, протекающей через контролируемый элемент при стабилизированных Р1, Р2, р и г (рисунок 1,г).

Применяя метод малых отклонений [4], преобразуем уравнение (1):

1п 0 = 1п т/ + 1п

Р (Р' - Р2 )

дд = +1 0 т/ 2"

'( Р1 - Р2 )

(Р1 - Р2 )

= 5/ + ■

Р 2 -5Р1 —-—2—- 5Р2--5р;

2 (Р, - Р2) 1 2 (Р1 - Р2) р2

¿0 = 5т/+к15Р1 - ^5Р2 - k35Р, где к\, £2, к3 - коэффициенты влияния Р1,Р2 и р на расход 0, определяемые из выражений:

к = , Р—т, к„ =

Р

_ _ к = 2_ П_2(Р1 -Р2)' ^"2(Р1 -Р2), 3 = р2.

Приняв за исходное состояние параметров их средние значения и вычислив к1, к2 и к3, получим метрологическую модель измерения ОГХ элементов ТА с помощью стенда постоянного напора:

5 V = 5т/ + 0,5565Р1 - 0,0565Р2 - 2,7 -10-6 5р + 5г. (3)

Анализируя модель (3), убеждаемся в том, что точность измерения при ее использовании высока. Нестабильность параметров оказывает незначительное влияние на точность.

Так, устройства контроля и стабилизации давлений Р\ и Р2 и времени перепуска топлива t позволяют поддерживать их значения с точностью до 1 %. Следовательно, погрешность, вносимая нестабильностью Р1, составит около 0,5 %, нестабильностью Р2 - около 0,05 %, а нестабильностью t - 1,0 %. Стенды оборудованы устройствами стабилизации температуры рабочей жидкости, что практически устраняет погрешность от нестабильности плотности р. Однако стенды постоянного напора имеют визуальный отсчет накопленной жидкости и не позволяют автоматизировать процесс испытаний.

На основании изложенного следует, что ни одно из существующих устройств не отвечает в полной мере предъявляемым к ним требованиям по точности измерений, универсальности по отношению к различным элементам ТА, условиям и трудоемкости испытаний.

С целью устранения указанных недостатков разработан автоматизированный стенд для контроля ОГХ составляющих элементов комплекта ТА [5, 6].

В основу определения ОГХ элементов положено измерение времени заполнения заданного объема жидкостью через контролируемый элемент при постоянном перепаде давления жидкости на входе и выходе элемента (рисунок 1,д).

Перепишем условие (2) в виде:

t --V. - с

схт/ /9

(4)

где V- постоянный объем измерительной емкости, м3; С2 - постоянная устройства; t - время заполнения объема V, с.

Стенд, работающий на основе условия (4), позволяет автоматизировать процесс испытаний и документирования их результатов, универсален по отношению к различным элементам

ТА, дает возможность максимально приблизить условия испытаний к реальным условиям работы ТА на дизеле.

Процесс измерения ОГХ элементов ТА с помощью автоматизированного стенда описывается метрологической моделью вида:

6t = 5у/+5 V + 0,5565Р1 - 0,0565Р2 - 2,7 • 10-6 5р.

Таким образом, точность определения ОГХ элементов на данном стенде соответствует предъявляемым требованиям и, учитывая автоматизацию процесса испытаний, получение высокой достоверности результатов и возможность применения современной цифровой измерительной аппаратуры, предпочтение следует отдать этому стенду.

Гидравлическая схема стенда для контроля ОГХ приведена на рисунке 2.

Стенд содержит бак дизельного топлива 1, фильтр тонкой очистки 2, аксиальнопорш-невой насос 3 с электродвигателем, переливной клапан 4, зажимы для подсоединения контролируемых элементов 5, электроуправ-ляемый гидропереключатель 6, гидроцилиндр 7, аккумулятор 8 для сглаживания

пульсаций, манометры 9 и 10, устройство стабилизации температуры топлива 11, датчик и указатель температуры топлива, систему управления и считывания.

Система управления и считывания состоит из двух бесконтактных электронных конеч -ных выключателей КВ1 и КВ2, ограничивающих перемещение штока гидроцилиндра и оп -ределяющих его рабочий объем, схемы управления и усилителя мощности сигнала включения электромагнита электроуправляемого гидропереключателя и схемы считывания времени заполнения измерительной полости А гидроцилиндра топливом.

Стенд работает в автоматическом режиме следующим образом. Топливо под действием силы тяжести заполняет приемную полость аксиально-поршневого насоса 3. Рабочее давление в нагнетательной полости насоса поддерживается за счет переливного клапана 4, отрегулированного на давление 2 МПа. Топливо под действием этого давления протекает через контролируемый элемент и заполняет либо полость А, либо полость Б гидроцилиндра. Полость А заполняется при включенном электромагните гидропереключателя 6 за счет срабатывания КВ1, а полость Б - при отключенном электромагните за счет срабатывания КВ2. Полость, смежная с заполняемой, сообщается через гидропереключатель 6 с баком и топливо из нее вытесняется, преодолевая давление столба жидкости в баке.

Окончание заполнения одной из полостей сопровождается переключением распредели -теля с помощью схемы управления на заполнение смежной полости. Время заполнения измерительной полости А фиксируется счетчиком, высвечивается на цифровом индикаторе и может быть задокументировано. Погрешность измерения составляет не более 0,5 %.

Отличительными особенностями описываемой конструкции стенда являются заполнение и вытеснение топлива в бак под действием силы тяжести столба жидкости, исключающей наличие воздуха в системе и имитирующей реальную работу контролируемых элементов; простота и достаточная точность измерения, сочетающая с автоматической работой стенда.

С помощью применения аналогичных мерных гидроцилиндров и элек-троуправляемых гидропереключателей (см. рисунок 2, поз. 6 и 7) разработан способ автоматизации процесса измерения производительности ТНВД на стенде. Гидравлическая схема топливной системы стенда, реализующего этот способ автоматизированного измерения производительности ТНВД, показана на рисунке 3, имеющем следующие обозначения: Б - бак для топлива; НА - насосный агрегат; Ф1 -фильтр приемный; Ф2,Ф3,Ф4 - фильтры топливные; КЛ1,КЛ2 - коллекторы; КП1 - клапан предохранительный; КП2 - клапан перепускной; АК - аккумулятор; МН - манометр; Т - термометр; ПГ - пеногаситель; Л - лоток с воронками; Ж - желоб; СВ - секция водяного радиатора; ГП - гидроцилиндр с гидропереключателем.

На несущей плоскости стола стен -да установлена стойка, на которой закреплены мерные гидроцилиндры с бесконтактными датчиками крайних положений их штоков и электроуправляемые гидропе -реключатели ГП, обеспечивающие изменение направления потоков топлива при работе ТНВД.

Из каждой секции ТНВД топливо по трубке высокого давления поступает в форсунку и далее - в пеногаситель. Затем топливо поступает в электроуправляемый гидропереключатель, а из него - в нижний рабочий объем мерного гидроцилиндра, из верхнего нерабочего объема гидроцилиндра топливо вытесняется в бак.

Отсчитав и зафиксировав время заполнения рабочего объема гидроцилиндра на соответствующем режиме работы ТНВД (частота вращения кулачкового вала, положение рейки), счетчик переключает питание гидропереключателя, и топливо из рабочего объема вытесняется на слив в бак.

Использование предложенного способа позволяет измерить производительность топливного насоса, выполнить автоматическое документирование результатов испытаний, а также сократить трудозатраты и продолжительность технологического процесса обкатки и настройки ТНВД на стенде.

Разработан способ автоматизации процесса обкатки и настройки на стенде регуляторов частоты вращения и мощности дизелей.

В типовых стендах, используемых в локомотивных депо, обратная связь регулятора с электродвигателем привода осуществляется через дополнительный индуктивный датчик, связанный со штоком силового сервомотора регулятора. Настройка регулятора при этом выполняется оператором по выходу штока, который оценивается оператором визуально с присущей такому способу большой погрешностью.

Предлагается модернизировать систему контроля выхода штока силового сервомотора регулятора на стенде путем замены индуктивного датчика преобразователем линейных перемещений, например, типа ЛИР-7, имеющего пределы допустимого значения погрешности перемещений не более 10 мкм (рисунок 4).

На вилку штока силового сервомотора регулятора закрепляется планка с нанесенной на ней измерительной шкалой. Преобразователь линейных перемещений закрепляется на металлическую пластину, которая в свою очередь крепится на корпус стенда.

Предлагаемая замена на стенде индуктивного датчика преобразователем линейных перемещений позволяет контролировать выход штока силового сервомотора регулятора по позициям контроллера машиниста и точно установить шток в нижнее или верхнее исходное штатное положение.

Под нижним исходным штатным положением штока понимается крайнее нижнее положение (максимальный выход штока), при котором он сохраняет подвижность и чувствительность к изменению режима работы (колеблется с амплитудой 1 - 3 мм).

В верхнем штатном положении (минимальный выход штока) шток также сохраняет подвижность и чувствительность к изменению режима работы и имеет запас хода вверх не менее 5 мм.

Исходное штатное положение штока фиксируется датчиком перемещений, используется схемой для автоматической настройки обратной связи стенда и может контролироваться оператором с помощью цифрового индикатора на пульте управления стендом.

Рисунок 4 - Схема стенда для настройки регулятора дизеля ПД1М с датчиком линейного перемещения ЛИР-7

Из представленного анализа методов и средств контроля ОГХ элементов ТА вытекают следующие выводы.

Применяемые в производстве пневматические приборы в силу своих конструктивных особенностей не позволяют приблизить условия испытаний к условиям работы ТА на дизеле, имеют низкую точность измерений вследствие работы на низком давлении воздуха и зависимости коэффициента расхода т каналов от давления продувки. При повышении давления воздуха увеличивается погрешность измерений от сжатия и нагрева воздуха в объеме контролируемого элемента.

Конструкция данных приборов не позволяет повысить давление продувки до значений, обеспечивающих турбулентный режим движения в канале, при котором величина коэффициента расхода т стабилизируется и точность измерений повышается.

Таким образом, пневматические приборы не отвечают требованиям, предъявляемым к подобным устройствам, и не могут быть использованы при ремонте и настройке ТА дизелей.

У гидравлических устройств перепада давления нет некоторых недостатков, присущих пневматическим приборам, но вследствие недостаточной точности измерений, необходимости специальных эталонов и возможности использования для контроля ОГХ элементов с большим проходным сечением они не могут быть использованы для контроля т/ элементов ТА дизелей.

Гидравлические стенды постоянного напора в большей мере пригодны для измерения т/ элементов и разбивки их на группы. Однако они не позволяют автоматизировать процесс измерений, громоздки по своему исполнению, дорогостоящи и трудоемки при использовании.

В наибольшей степени предъявляемым к таким устройствам требованиям по точности измерений, универсальности по отношению к различным элементам ТА, условиям и трудоемкости испытаний отвечает автоматизированный стенд [5, 6], в основу работы которого положено измерение времени заполнения гидроцилиндра рабочей жидкостью через контролируемый элемент при постоянном перепаде давления жидкости на входе и выходе элемента.

Использование гидроцилиндра в качестве мерной емкости на стенде для обкатки и настройки ТНВД позволяет измерять производительность топливного насоса в автоматическом режиме, выполнять автоматическое документирование результатов испытаний, а также сокращает трудозатраты и продолжительность технологического процесса обкатки и настройки ТНВД на стенде.

Предлагаемая модернизация системы контроля выхода штока силового сервомотора регулятора частоты вращения коленвала дизеля на стенде заменой индуктивного датчика преобразователем линейных перемещений позволяет автоматизировать процесс обкатки и документировать результаты настройки регуляторов на стенде.

Список литературы

1. Володин, А. И. Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов [Текст] : Монография / А. И. Володин, Е. И. Сковородников, А. К. Белоглазов; под общ. ред. А. И. Володина. - М. : Желдориздат, 2007. - 264 с. : ил.

2. Денисов, А. А. Пневматические и гидравлические устройства автоматики [Текст] : учеб. пособие для втузов / А. А. Денисов, В. С. Нагорный. - М. : Высшая школа, 1978. -214 с. : ил. - Библиогр.: с. 210 - 213.

3. А. с. 1011891 СССР, МКИ Б 02 М 65/00. Способ определения пропускной способности распылителя форсунки [Текст] / Р. К. Гизатуллин, Б. А. Чмыхов, Г. Б. Федотов, Г. В. Никонов, П. В. Кулаев (СССР). - № 3259363/25-06; заявл. 11.03.81 ; опубл. 15.04.83, Бюл. № 14. - 2 с.

4. Черкез, А. Я. Инженерные расчеты газотурбинных двигателей методом малых отклонений [Текст] : научное издание / А. Я. Черкез. - 3-е изд., испр. и доп. - М. : Машиностроение, 1975. - 380 с.: граф., табл., рис. - Библиогр.: с. 376.

5. А. с. 879002 СССР, МКИ Б 02 М 65/00. Стенд для испытания топливной аппаратуры дизеля [Текст] / В. А. Четвергов, А. И. Володин, А. М. Сапелин, Я. Ю. Гельфонд (СССР). -№ 2863142/ 25-06; заявл. 03.04.80 ; опубл. 07.11.81, Бюл. № 41. - 2 с. : ил.

6. Володин, А. И. Стенд для измерения гидравлического сопротивления узлов и деталей топливной аппаратуры [Текст] / А. И. Володин, П. Н. Блинов, В. П. Шаповал // Исследование надежности и экономичности дизельного подвижного состава: Межвуз. темат. сб. науч. тр./ Омский ин-т инж. ж.-д. трансп. - Омск, 1981. - С. 27 - 29.

УДК 621.815

А. В. Бородин, И. Л. Рязанцева

ВЛИЯНИЕ МОДИФИКАЦИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ СОПРЯЖЕНИЯ НА НЕСУЩУЮ СПОСОБНОСТЬ СОЕДИНЕНИЯ С НАТЯГОМ

Показано влияние параметров модификации на величину контактного давления, несущую способность деформационной волны и соединения. Приведены данные, свидетельствующие об эффективности предлагаемого решения.

Соединения с гарантированным натягом (напряженные соединения) определяют работоспособность многих технических конструкций. Ярким примером таких конструкций могут служить ходовые узлы транспортных машин: соединение «бандаж колеса - колесный центр локомотива», «шестерня тягового двигателя - вал двигателя», «колесо грузового вагона -колесная ось» и др. Нередко возникает необходимость в разборке соединения с натягом для проведения ремонтных работ. Так, при ремонте колесных пар локомотивов бандаж снимают с колесного центра, его рабочую поверхность обтачивают, затем производят повторную сборку. Уменьшение толщины бандажа приводит к снижению величины контактного давления в соединении, к снижению несущей способности посадки.

Данная публикация посвящена решению актуальной, имеющей практическое значение задачи восстановления несущей способности соединений с натягом. Для ее решения предлагается на поверхности сопряжения одной из соединяемых деталей, имеющей большую твердость, изготавливать канавки малой глубины, соразмерной натягу [1 - 4]. Так, в конструкции на рисунке 1,а для увеличения несущей способности соединения по осевой сдвигающей силе на поверхности сопряжения вала 1 предусмотрены кольцевые канавки 3, имеющие постоянную ширину ¡к и равномерно распределенные на поверхности сопряжения.

Канавки изменяют напряженно-деформированное состояние материала деталей и условия их контакта. После температурной сборки материал детали 2 на разных участках сопряжения деформируется по-разному. На участках контакта с валом точки ее посадочной поверхности перемещаются в радиальном направлении на некоторую величину и2,

зависящую от размеров и конструктивных особенностей соединяемых деталей, натяга, механических характеристик материалов и т.д. В пределах же канавок из-за отсутствия контакта с

а

Рисунок 1 - Соединение с натягом и модифицированной поверхностью сопряжения: 1, 2 - соединяемые детали; 3 - кольцевые канавки; 4 - упругая деформационная волна