CC BY
124
УДК 621.236.038
Ю. П. МАКУШЕВ Л. Ю. ВОЛКОВА
Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия,
г. Омск
Калининградский государственный технический университет
ДАТЧИКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ И ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПРОЦЕССА ПОДАЧИ ТОПЛИВА В СИСТЕМАХ ПИТАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ
Приведена схема подключения датчиков к измерительной аппаратуре для исследования или диагностирования топливной системы дизелей. Рассмотрена конструкция комбинированного датчика для определения давления топлива в штуцере насоса и хода нагнетательного клапана. Предложены датчики для записи давления топлива в трубопроводе и перед сопловыми отверстиями, а также движения иглы распылителя форсунки. Ключевые слова: насос, клапан, трубопровод, форсунка, датчики, сопло.
Топливная аппаратура (ТА) с механическим или электронным управлением хода иглы является одной из основных систем дизелей. Она в значительной степени влияет на мощностные, экономические, экологические показатели, надежность и долговечность. Технические показатели ТА можно определить по анализу давления в топливопроводе и хода иглы распылителя форсунки.
Разработкой, модернизацией, эксплуатацией, диагностированием ТА занимается широкий круг инженерно-технических работников, ученых, для которых важно иметь определенную информацию о конструктивных особенностях, методах исследования, испытания и диагностирования ТА.
Для исследования и диагностирования ТА необходима измерительная аппаратура — датчики, усилители, преобразователи, осциллографы, компьютеры. При исследовании оценивают интенсивность впрыска топлива (величину давления, продолжительность впрыска, характеристику впрыска). Протекание процесса подачи топлива в камеру сгорания дизеля должно обеспечивать малый расход топлива, минимальную токсичность отработавших газов и допустимую жесткость сгорания.
Диагностирование ТА обычно проводят следующими методами:
1. Осциллографируют процесс подачи топлива, фиксируя импульс давления в топливопроводе и движение иглы распылителя форсунки. Полученную
диаграмму сравнивают с эталонной (контрольной) диаграммой, определяют интенсивность впрыска топлива и техническое состояние ТА.
2. Сравнивают опытную диаграмму с набором диаграмм, полученных с заведомо известными характерными неисправностями (например, потеря подвижности иглы распылителя). Эффективность данного метода диагностики зависит от набора имеющихся в базе данных диаграмм с известными неисправностями и сравнения их при помощи ЭВМ с контрольной диаграммой.
Для исследования и диагностирования ТА необходимы датчики различной конструкции, сигналы с которых усиливаются и регистрируются специальной аппаратурой. Ряд датчиков выпускают отечественные или зарубежные фирмы (например, австрийская фирма AVL, Clamp-On Trandsduser — преобразователь на зажиме) [1]. В современных датчиках давления и перемещения возможно применение встроенных аналогово-цифровых преобразователей (АЦП), что упрощает процесс исследования или диагностирования ТА.
На рис. 1 представлена схема подключения датчиков к измерительной аппаратуре для исследования или диагностирования форсунок ТА дизелей по анализу хода иглы распылителя форсунки. На схеме показан датчик индуктивного типа для определения верхней мертвой точки (ВМТ) кривошипно-шатун-ного механизма дизеля и датчик хода иглы распыли-
Рис. 1. Схема подключения датчиков к измерительной аппаратуре при исследовании или диагностировании ТА
теля индуктивного или тензометрического типа. Сигналы с датчиков усиливаются, поступают на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), и при помощи персонального компьютера (ПК) исследователь получает необходимые осциллограммы.
Рассмотрим несколько видов датчиков, которые могут быть использованы в процессе исследования или диагностирования ТА.
На рис. 2 показана конструкция разработанного комбинированного датчика [2], позволяющего одновременно записывать изменение давления в штуцере насоса и перемещение нагнетательного клапана.
Корпус датчика 1 является штуцером насоса высокого давления. Объем полости датчика должен соответствовать внутренним размерам штуцера. К нагнетательному клапану припаивается шток из немагнитной стали со стальным сердечником в верхней части. При установке клапана в штуцер длина штока должна быть равна расстоянию до центра между катушками 6. Катушки выполнены из провода ПЭЛ диаметром 0,15 мм с числом витков 100. Площадь отверстия корпуса 7 должна быть не менее площади сечения трубопровода.
Корпус 7 выполнен из немагнитной стали Х18Н9Т. Стакан 3 с упругим элементом изготовлен из стали 45ХНМФА. Мембрана имеет диаметр 20 мм с толщиной 1 — 3 мм в зависимости от величины максимального давления топлива. Наиболее полно диаграмма давления топлива регистрируется при учете гармоник не ниже 150 порядка [1]. Верхний предел частот (Гц), которые должен пропускать датчик, рекомендуется определять из выражения
/=150 п/ (60т),
(1)
Рис. 2. Датчик комбинированный: 1 — корпус датчика; 2 — вытеснитель; 3 — стакан с упругим элементом; 4 — крышка; 5 — рабочий и компенсационный тензорезисторы; 6 — катушки индуктивности; 7 - корпус датчика перемещения нагнетательного клапана; 8 — прокладка; 9 — винт; 10 — разъем
где п — частота вращения коленчатого вала, мин" ; т — коэффициент тактности двигателя (т =1 для двухтактного и т = 2 для четырехтактного).
Частота собственных колебаний датчика должна быть в три раза больше частот исследуемого процесса и должна соответствовать не менее 50 кГц.
На рис. 3 приведены основные виды нагнетательных клапанов. Внутренние размеры корпуса датчика 1 (рис. 2) выполнены для нагнетательного клапана перьевого типа (рис. 3 в).
Для исследования процесса подачи топлива возможно использование кварцевых датчиков [3]. На рис. 4 показана конструкция пьезоэлектрического датчика для измерения давления на выходе из насоса или входе в форсунку. При повышении давления мембрана деформируется и через опорный диск 10 передает усилие на кварцевые пластины 8. Электрический заряд, создаваемый при деформации кварцевой пластины, передается от медной пластины с проводником на контакт 5 и поступает к усилителю.
Для записи перемещения иглы распылителя форсунки рекомендуется индуктивный датчик в виде «проставки» [4]. На рис. 5 приведен разрез форсунки дизеля с установкой индуктивного датчика 3, при помощи которого записывается движение иглы, и тензометрического датчика 8 для оценки изменения давления в полости форсунки. Корпус датчика 3 и штанга 4 выполнены из немагнитной стали Х18Н9Т. Рабочая катушка 10 намотана из провода ПЭЛ диаметром 0,13 мм с числом витков 35. Компенсационная катушка имеет те же параметры и размещается вне форсунки. Принцип работы датчика основан на изменении индуктивного сопротивления рабочей катушки в зависимости от зазора между торцом иглы и корпусом форсунки.
Рис. 3. Нагнетательные клапаны: а — клапан с обратным дросселем; б — клапан с корректирующим отверстием; в — клапан перьевого типа; 1 — корпус штуцера; 2 — обратный дроссель; 3 — пружина; 4 — клапан нагнетательный; 5 — поясок разгрузочный; 6 — корпус клапана; 7 — корректирующее отверстие; 8 — подводящее отверстие
Рис. 4. Датчик давления пьезоэлектрический: 1 — корпус датчика; 2 — сильфон; 3 — стакан с измерительной мембраной; 4 — изолятор; 5 — контакт; 6 — корпус модуля; 7 — контргайка; 8 — кварцевые пластины; 9 — медная пластина с проводником; 10 — опорный диск
В условиях эксплуатации двигателя применение индуктивного датчика, расположенного между корпусом форсунки и распылителем, связано с определенными трудностями. В данной работе рассмотрена возможность записи хода иглы съемным датчиком давления, который устанавливается в линии отвода утечек топлива из форсунки [5].
А Е х
I
О 00
Рис. 5. Установка датчиков в форсунке для записи
перемещения иглы и давления: 1 — игла распылителя; 2 — корпус распылителя;
3 — датчик перемещения иглы; 4 — штанга; 5 — корпус форсунки; 6 — пружина; 7 — регулировочный винт; 8 — датчик давления; 9 — проставка с проточкой для катушки 10
Рис. 6. Осциллограммы процесса впрыска топлива
Рис. 7. Верхняя часть форсунки тепловозного дизеля 16ЧН 26/26 с датчиком индуктивного типа для записи хода иглы: 1 — корпус форсунки; 2 — винт регулировочный; 3 — шток; 4 — катушки; 5 — корпус датчика; 6 — штуцер
В момент подъема иглы 1 (рис. 5) в полости корпуса форсунки 5, заполненной топливом, давление повышается и может быть зафиксировано датчиком давления 8. Упругим элементом датчика является мембрана с наклеенным проволочным тензорезис-тором.
На рис. 6 приведены осциллограммы процесса впрыска топлива, зафиксированные при работе дизеля Д-440 (4ЧН13/14) на номинальном режиме с частотой вращения вала насоса 875 мин-1 и цикловой подачей 103 мм3. На представленных осциллограммах показаны отметка времени 1 (0,001 с), давление топлива в штуцере насоса 2, ход нагнетательного клапана 3, давление в замкнутом объеме форсунки 4 (полости пружины), ход иглы 5, давление перед сопловыми отверстиями 6. Сравнение осциллограмм изменения давления в замкнутом объеме форсунки (4) и хода иглы (5) показывает их идентичность [5].
Таким образом, закономерность движения иглы распылителя форсунки для топливных систем с низким остаточным давлением, можно определить при помощи датчика давления, установленного в дренажную магистраль. На рис. 6 при помощи комбинированного датчика (рис. 2) записаны осциллограммы изменения давления в штуцере насоса (2) и движения нагнетательного клапана (3). Ход иглы (5) записан датчиком в виде «проставки», изменение давления в замкнутой полости корпуса форсунки 5 зафиксировано при помощи датчика давления 8 (рис. 5).
Движение иглы распылителя форсунки может фиксироваться индуктивным выносным датчиком, корпус которого изготовлен из немагнитной стали (рис. 7). В корпусе датчика 5 расположены две катушки 4. К штанге форсунки приварен шток 3, выполнен также из немагнитной стали. На конце штока 3 припаяна короткая стальная трубка, расположенная в середине катушек 4. При движении иглы и штанги шток 3 перемещается, изменяя индуктивность катушек 4, что позволяет фиксировать ход иглы.
Для определения давления в трубопроводе возможно применение съемного датчика [6], пьезоэлектрическая пленка 8 которого при помощи специального устройства прижимается к поверхности трубопровода 7 (рис. 8).
При деформации трубки изменяется сопротивление пьезоэлектрической пленки. Используя усиливающую и регистрирующую аппаратуру, фиксируют импульс давления. Датчик давления с рычажным креплением выпускает австрийская фирма ЛУЪ. Размер внутренней полости датчика должен соответствовать значению наружного диаметра трубопровода (6, 7, 8, 9, 10, 11, 12 мм).
На рис. 9 приведена конструкция датчика для определения давления перед сопловыми отверстиями (давления впрыска). В корпусе распылителя 4 выполняется центральное отверстие, которое соединено при помощи втулки 5 с полостью мембраны чувствительного элемента 8. На рис. 6 приведена осциллограмма (импульс 6), записанная данным датчиком. Для распылителей со съемным сопловым наконечником (судовые, тепловозные двигатели) предлагается датчик для записи давления впрыска, изображенный на рис. 10.
Погрешность датчиков для измерения перемещения движущихся деталей насоса и форсунки, а также давления топлива не превышает 5-7 % [7].
Выводы:
— разработана конструкция комбинированного датчика для определения давления топлива в штуцере насоса и перемещения нагнетательного клапана;
Рис. 8. Датчик давления съемный (зажимной): 1 — неподвижный корпус датчика; 2 — подвижный корпус датчика; 3 — упругий элемент; 4 — наружный электрод; 5 — внутренний электрод (медная фольга); 6 — петля; 7 — трубопровод; 8 — пьезопленка; 9 — ручка прижимного устройства; 10 — гнездо датчика
Рис. 9. Датчик давления впрыска топлива: 1 — форсунка; 2 — гайка; 3 — корпус датчика; 4 — корпус распылителя с центральным отверстием; 5 — втулка; 6 — штуцер для слива топлива; 7 — уплотнительная прокладка; 8 — чувствительный тензометрический элемент
— разработаны индуктивные датчики для записи движения иглы распылителя в виде «проставки», расположенной между корпусом распылителя и форсунки, а также на выходе из форсунки;
— предложен способ записи движения иглы датчиком давления, который устанавливается в линии отвода утечек топлива из форсунки;
— предложен съемный пьезоэлектрический датчик для записи давления в любых сечениях топливопровода;
— разработаны датчики для измерения давления перед сопловыми отверстиями распылителей.
Библиографический список
1. Коньков, А. Ю. Диагностирование дизеля на основе идентификации рабочих процессов : моногр. / А. Ю. Коньков, В. А. Лашко. — Владивосток : Дальнаука, 2014. — 365 с.
2. Пат. № 2272168 РФ, МПК Б 02 М 1/00. Датчик комбинированный / Макушев Ю. П. ; заявитель и патентообладатель Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ). - № 2004120817 ; заявл. 07. 07.2004 ; опубл. 20.03.2006, Бюл. № 8.
Рис. 10. Датчик измерения давления под конусом иглы: 1 — корпус датчика; 2 — игла распылителя; 3 — штанга форсунки; 4 — корпус форсунки; 5 — корпус распылителя; 6 — мембрана; 7 — разъем; 8 — стакан; 9 — компенсационный тензоэлемент; 10 — рабочий тензоэлемент; 11 — вытеснитель; 12 — штуцер прижимной; 13 — съемный сопловый наконечник
3. Файнлейб, Б. Н. Топливная аппаратура автотракторных дизелей : справ. / Б. Н. Файнлейб. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л. : Машиностроение, 1990. - 352 с.
4. Живоченко, А. В. Датчик для записи подъема иглы форсунки дизеля / А. В. Живоченко, Л. Ю. Михайлова // Вестник Павлодарского ун-та : науч. журн. — 2001. — № 4. — С. 110—112.
5. Михайлова, Л. Ю. Датчик давления для осциллогра-фирования хода иглы распылителя форсунки / Л. Ю. Михайлова // Ориентированные фундаментальные прикладные исследования — основа модернизации и инновационного развития архитектурно-строительного и дорожно-транспортного комплексов России : материалы Всерос. 65-й науч.-техн. конф. ФГБОУ ВПО «СибАДИ». — Омск, 2011. — Кн. 2. — С. 397—402.
6. Коньков, А. Ю. Основы технической диагностики локомотивов : учеб. пособие / А. Ю. Коньков. — Хабаровск : Изд-во ДВГУПС, 2007. — 98 с.
о
оэ
7. Кассандрова, О. Н. Обработка результатов наблюдений / О. Н. Кассандрова, В. В. Лебедев. — М. : Наука, 1970. — 104 с.
МАКУШЕВ Юрий Петрович, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры тепловых двигателей и автотракторного электрооборудования Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Адрес для переписки: makusev321@mail.ru
ВОЛКОВА Лариса Юрьевна, старший преподаватель кафедры судовых энергетических установок и теплоэнергетики Калининградского государственного технического университета. Адрес для переписки: volkova0969@mail.ru
Статья поступила в редакцию 18.03.2016 г. © Ю. П. Макушев, Л. Ю. Волкова
УДК 623.435
В. П. ПИВОВАРОВ
Омский автобронетанковый инженерный институт
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПНЕВМАТИЧЕСКОГО НАКАТНИКА ОСНОВНОГО ТАНКОВОГО ВООРУЖЕНИЯ
Приведены результаты исследований параметров накатника в условиях изменения температуры воздуха и изменения объема в пневмополости накатника. Ключевые слова: танковая пушка, пневматический накатник, температура, давление, математическая модель артиллерийской системы.
Одними из основных факторов, влияющих на точность стрельбы танковых артиллерийских систем, являются конструктивные, энергетические (баллистические) и технологические параметры пушки и снаряда, динамика перемещений составных частей пушки при выстреле. Теоретическое и экспериментальное исследование динамики механической системы «танк — пушка — снаряд» при выстреле позволяет выявить общие закономерности происходящих при выстреле явлений и обосновать требования к конструктивной схеме пушки, ее отдельным составным частям и способам их сопряжения. Математическая модель артиллерийской системы, построенная на методе векторных уравнений, при достаточной строгости позволяет просто и наглядно описать динамику артиллерийской системы независимо от числа обобщенных координат. Уравнение движения системы составляется на основании законов сохранения количества и моментов количества движения [1]:
Р
Мту = У ¥1 +У N;
= ТМ +Хмш .
(1)
Р
- —
(2)
где то — масса откатных частей;
ускорение поступательного движения откат-
кн
ствола
сила давления пороховых газов на дно канала
В соответствии с расчетной схемой, представленной на рис. 1, откатные части, как составные элементы механической системы «пушка — снаряд», описываются следующим уравнением — уравнением отката
ных частей;
Ят — сила сопротивления тормоза отката; Ян — сила сопротивления накатника.
Исходя из уравнения (2), увеличение силы сопротивления отката Ян вследствие увеличения давления в воздушной полости накатника, возможно уменьшение величины ускорения поступательного движения откатных частей (отката) Хотк (минимально допустимая величина, перемещения откатных частей при котором обеспечивается срабатывание полуавтоматики должно быть не менее 169 мм) [1, 2]. Увеличение силы сопротивления отката Ян (особенно на начальном участке) негативно отражается на формировании углов вылета снарядов, а следовательно, на точности артиллерийской системы в целом.
Проводимые исследования работоспособности пневмоустройств показывают, что основным фактором, характеризующим их надежное функционирование, является постоянство давления в пневмо-полости, зависящее от изменения температурного режима и от изменения объема пневмополости.
Анализ теплового режима рассматриваемого пневмопривода свидетельствует о том, что температура газа в накатнике изменяется весьма медленно. За 0,64 секунды при совершении прямого (300 мм) и обратного (300 мм) ходов цилиндра со скоростью 10 м/с прирост температуры газа не превышает 1,0 °С. Вместе с тем проведенные исследования показали наличие факта влияния изменения температуры сжатого воздуха внутри цилиндра накатника на изменение усилий отката, экспериментальным и расчетным путем по интервальным значениям температуры от —30 до 50 °С [3].
Для накатника 120 мм танковой пушки по результатам расчета построены зависимости (рис. 2) из-
т
отк отк
32
