CC BY
51
2. Богинский, О. И. Укреплять безопасность движения [Текст] / О. И. Богинский // Вагоны и вагонное хозяйство. - 2007. - № 4. - С. 10 - 13.
3. Сергеев, К. А. Повышение работоспособности буксового узла с кассетным подшипником [Текст] / К. А. Сергеев, А. Н. Францев // Железнодорожный транспорт. - 2008. - № 7. -С. 58 - 62.
4. Пат. 82011 Российская Федерация, МПК Б16С 17/04. Подшипник со сферическими упорными поверхностями [Текст] / А. В. Бородин, Ю. А. Иванова; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2008145684/22; заявл. 19.11.2008; опубл. 10.04.2009. Бюл. № 10. - 2 е.: ил.
5. Пат. 65008 Российская Федерация, МПК В 61 Б 15/12. Букса с цилиндрическим роликоподшипником [Текст] / А. В. Бородин, Ю. А. Иванова; заявитель и патентообладатель Омский гос. ун-т путей сообщения. - № 2007112328; заявл. 02.04.07; опубл. 27.07.2007. Бюл. № 21. - 2 е.: ил.
6. ГОСТ 18855-94. Подшипники качения. Динамическая расчетная грузоподъемность и расчетный ресурс (долговечность) [Текст]. - М.: Изд-во стандартов, 1996. - 22 с.
УДК 621.436:629.424.1
А. И. Володин, Е. И. Сковородников, А. С. Анисимов
ОЦЕНКА АДЕКВАТНОСТИ МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ТЕПЛОВОГО РАСЧЕТА ДИЗЕЛЯ МЕТОДОМ ВИБЕ
Рассматривается математическая модель тепловогорасчета дизельного двигателя методом Вибе. Приведен алгоритм последовательности вычислений. Проведено сравнение полученных в результате моделирования данных с опытными значениями. Рассмотрено влияние доли сгоревшего топлива на индикаторные и эффективные показатели работы дизеля.
Контроль технического состояния дизельного подвижного состава в условиях эксплуатации и поддержание его в технически исправном состоянии возложено на систему планово-предупредительного ремонта, которая функционирует в настоящее время в ОАО «РЖД».
В настоящее время считается, что планово-предупредительная система ремонта неэффективна, так как по циклу ремонта выполняются работы по некоторым узлам и деталям, которые, исходя из их технического состояния, выполнять нецелесообразно.
Несомненно, что это приводило к увеличению стоимости и продолжительности ремонта, в связи с чем в настоящее время различными научными коллективами разрабатываются системы диагностирования тепловоза, что предполагает исключить ряд работ в ремонтном цикле, которые выполняются в основном для контроля технических размеров и характеристик узлов и агрегатов тепловоза, т. е. для контроля их исправного и неисправного состояния.
Как показывает опыт эксплуатации таких диагностических систем, в локомотивных депо они не выполняют возложенных на них функций. Конечно, основную сложность на разработку таких систем, включающих в себя алгоритмы обработки результатов контроля и принятия решений и формирования объема предшествующего ремонта, оказывает контроль тепловых и динамических параметров энергетических установок.
При использовании систем диагностирования доя предремонтного диагностирования потребуется проведение полных реостатных испытаний перед выполнением ремонта, а это -увеличение времени отвлечения локомотива из эксплуатации, повышение стоимости ремонта и ряд других непроизводительных затрат. Очевидно по этой причине перспективная система ремонта - ремонт по техническому состоянию - на сегодняшний день не получил широкого распространения.
Тем не менее следует отметить, что независимо от качества работы системы диагностирования и количества контролируемых параметров использование статистических методов анализа результатов диагностирования практически во всех случаях просто необходимо.
Считаем, что наибольшую эффективность в системе ремонта тепловозов будут иметь системы диагностирования, направленные на контроль качества для выполненных ремонтов и формирование базы данных (такая база данных необходима в системе планово-предупредительных ремонтов). База данных, основная часть автоматизированной системы управления локомотивным хозяйством, подсистема анализа параметров ремонта и надежности тепловозов должна включать в себя информацию по конкретному номеру локомотива, полученную во всех возможных имеющихся в настоящее время в локомотивных депо системах контроля и диагностирования.
Например, на кафедре «Локомотивы» ОмГУПСа разработаны и готовы к внедрению в системе диагностирования и анализа эффективности использования тягового подвижного состава анализ степени износа и прогнозирование остаточного ресурса трущихся деталей шатунно-поршневой группы и коленчатого вала дизельных двигателей по результатам спектрального анализа картерного масла; анализ режимов работы и экономичности эксплуатации тепловозов с использованием программно-аппаратного комплекса «Смена»; методика расчета термодинамических параметров рабочего цикла и расчет экологических характеристик дизельных двигателей для различных режимов работы; расчет нормы расхода топлива тепловозами в поездной и маневровой работах по режимным картам и утвержденным в ОАО «РЖД» формам первичной документации.
В последнее время на кафедре «Локомотивы» выполняются научные исследования по совершенствованию методики безразборного диагностирования энергетических устано-вок тепловозов, сущность которой приведем ниже.
Тепловозный парк, эксплуатирующийся в системе ОАО «РЖД», оснащен в основном дизелями мощностного ряда ПД1М, 10Д100, Д49. Большинство этих дизелей были выпущены более 10 - 20 лет тому назад и прошли несколько капитальных ремонтов. Однако несмотря на их моральное и физическое старение они еще долго будут оставаться основными энергетическими установками автономных локомотивов. Замена на тепловозах серии ТЭ10 дизелей 10Д100 на более экономичные дизели Д49, а также ввод в эксплуатацию модернизированных дизелей ПД1М пока не находят широкого применения по ряду организационных и технических причин.
В связи с этим проблема поддержания в исправном техническом состоянии эксплуатируемого парка тепловозов является одной из важнейших задач, решаемых ОАО «РЖД».
Несомненно, что одним из путей улучшения технического состояния локомотивов является применение достаточно эффективной системы послеремонтного диагностирования, позволяющего оценить качество ремонта и настройки тепловозов при выполнении реостатных испытаний.
Одним из существенных недостатков действующей и утвержденной правилами ремонта технологии реостатных испытаний является отсутствие процедуры индицирования цилиндров дизеля.
В технологический процесс реостатных испытаний включены подготовительные работы, обкатка дизель-генераторной установки (ДГУ), наладочно-регулировочные работы с применением термодизельного комплекта или стационарных систем диагностирования.
Между тем, диаграммы, характеризующие изменение давления газов в цилиндрах дизеля в зависимости от угла поворота коленчатого вала, являются наиболее информативными параметрами, характеризующими качество протекания рабочего цикла двигателя внутреннего сгорания (ДВС) и его экономичность. Известные методы прямого и косвенного индицирования [1] технологически довольно сложны, требуют дополнительной экспериментальной приборной базы, которая не входит в штатный комплект станции реостатных испытаний. Так, для проведения прямого индицирования дизеля обычно используются специальные миниа-
тюрные датчики давления, устанавливаемые в форсунку (например, фирмы Ор^апё (США). Косвенные методы применяются в виде отдельных экспериментальных проработок, например: использование сигналов неравномерности вращения коленчатого вала; определение давления тензодатчиками, установленными на уплотнительную прокладку газового стыка; установка стальной шайбы с закрепленными на ней тензорезисторами под гайку или болт крепления крышки (головки) цилиндров [1].
Между тем, возможен принципиально другой, но наиболее удобный и менее затратный метод получения развернутой индикаторной диаграммы. Использование аналитических методов расчета действительного рабочего цикла испытываемого двигателя, основанных на известных теоретических положениях, изложенных в работах В. И. Гриневецкого-Е. К. Мазин-га, И. И. Вибе, Н. Ф. Разлейцева и др.
Для оценки технического состояния и качества настройки ДВС разработана математическая модель, описывающая действительный рабочий цикл дизеля, в основу которой положен метод Вибе [2].
Согласно работе [2] уравнение выгорания топлива в дизельных двигателях описывается выражением:
с № Г +1
X =1 - ^ , (1)
где С = 1п(1 - х );
х2 - доля топлива, сгорающего в цилиндре двигателя за рабочий цикл;
X/ - доля топлива, сгоревшего за время от начала сгорания до угла щ поворота коленчатого вала;
(р1 - текущий угол поворота коленчатого вала, ° п.к.в.;
(рг - продолжительность процесса выгорания топлива для заданного режима нагружения, ° п.к.в.;
т - показатель характера сгорания.
Продолжительность процесса сгорания (рг и показатель характера сгорания т являются кинетическими параметрами закона выгорания топлива, однозначно определяющими развитие процесса сгорания во времени.
Для математического решения задачи описания динамических и тепловых процессов в цилиндре двигателя в алгоритм введены следующие уточнения:
для повышения точности оценок процессы сжатия и расширения рассчитываются с переменными показателями политропы сжатия и расширения;
при расчете процесса сгорания введен блок расчета коэффициента эффективности сгорания, который вычисляется в зависимости от угла поворота коленчатого вала или текущего объема цилиндра и площади поверхности теплообмена.
Для определения коэффициента теплоотдачи от газа к стенкам цилиндра по каждому углу поворота коленчатого вала дизеля от момента начала сжатия до момента окончания расширения используется уравнение Вошни [3].
Реализации такого алгоритма возможна
при известных значениях мощности и частоты вращения коленчатого вала дизеля;
определенных по результатам испытаний максимального давления сгорания и давления наддува;
известной величине геометрического угла опережения подачи топлива;
известной температуре газов на выходе из цилиндров и давлении и температуре окружающей среды.
Данные параметры определяются штатными измерительными приборами во время проведения реостатных испытаний.
Разработанный алгоритм позволяет с большей точностью определить величину индика-
торной работы, текущее н среднее индикаторное давление, индикаторный КПД и удельный индикаторный расход топлива рабочего цикла.
Для оценки адекватности математической модели использовано сравнение расчетных и опытных индикаторных диаграмм, снятых сотрудниками НИИ ТКД в локомотивных депо Моршанск и Уссурийск для дизелей 10Д100 и ПД1М.
Индицирование дизелей ПД1М проводилось на четвертой позиции контроллера машиниста (КМ), дизелей 10Д100 - на седьмой позиции для каждого цилиндра. Всего было испытано по 10 дизелей каждого типа, т. е. для дизелей ПД1М получено 60 индикаторных диаграмм, а для дизелей 10Д100 - 100. Пределы изменения исходных для расчета термодинамических параметров рабочего цикла для выбранной группы дизелей приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Пределы изменения исходных данных при индицировании дизелей
Наименование параметра Значение параметра для дизеля
ПД1М (4-я позиция КМ) 10Д100 (7-я позиция КМ)
Мощность ДГУ, кВт 149 - 220 945 - 1100
Частота вращения вала дизеля, мин-1 382 - 426 575 - 600
Давление наддува, МПа 0,099 - 0,107 Не измерялось
Температура наддувочного воздуха, К 304 - 341 Не измерялась
Максимальное давление сгорания, МПа 4,35 - 5,59 5,73 - 7,77
Температура газа за выпускными органами, К 513 - 697 660 - 713
Давление окружающей среды, МПа 0,097 - 0,099 0,097 - 0,100
Температура окружающей среды, К 261 - 308 265 - 305
Предварительный анализ индикаторных диаграмм, полученных для каждого дизеля, показывает, что отклонение нагрузки по цилиндрам не превышает установленной величины (рисунки 1 а, б).
Р МПа / 4 4
0
I ), МПа 6
4
0
-120
-40
40 (р, град 120
-120
-40
40 (р, град 120
Рисунок 1- Загрузка по цилиндрам дизелей: а - ПД1М, б - 10Д100
Подробный анализ результатов индицирования и математических расчетов показывает, что основное отличие диаграмм наблюдается в области сжатия и расширения рабочего тела и на начальной стадии горения топлива в цилиндре до положения внутренней мертвой точки
0
0
(в.м.т.). Можно предположить, что процессы теплопередачи тепла от газов к охлаждающей жидкости, зависящие от температуры стенок и крышек цилиндра или днища поршней, изменяются с большой скоростью по причине быстрого изменения площади теплообмена и температуры теплоносителей. Приближаясь к положению в.м.т. по мере возрастания температуры и уменьшения объема камеры сгорания и площади теплообмена, это влияние становится несущественным. В этом случае наблюдается достаточно хорошее совпадение экспериментальных и теоретически полученных кривых (см. рисунок 1).
При выполнении расчетов предполагалось, что величина эффективной мощности по цилиндрам дизеля одинакова, доля сгоревшего топлива по каждому цилиндру х2 принималась равной 0,999.
Расчет эмпирических коэффициентов для серийных дизелей в уравнении (1) для построения линии сгорания осуществляется по критерию наименьшего отклонения максимального давления сгорания цикла, определенного в результате индицирования дизеля и математического расчета. Поскольку на начальном этапе расчета значение коэффициента избытка воздуха неизвестно, его определение выполняется по условию достижения наименьшего расхождения между значениями среднего эффективного давления, определенного по выходным параметрам работы дизеля и рассчитанного в результате математического моделирования.
На рисунке 2 показана последовательность расчета термодинамических параметров рабочего цикла и параметров выгорания топлива в цилиндре с учетом установленного угла опережения подачи топлива.
/Изменить т\
(ре принимает
начальное Ч^начение^/
Нет
Рисунок 2 - Алгоритм расчета рабочего цикла дизеля ПД1М
В общем случае, как отмечалось выше, адекватность математической модели, принятой для математического описания процессов, протекающих внутри цилиндра, оценена по результатам сравнения.
На рисунках 3, а, б и 4, а, б представлены индикаторные диаграммы цилиндров дизелей ПД1Ми 10Д100 тепловозов ТЭМ2 № 0046, № 7366 и тепловоза ТЭ10 № 0383.
р, МПа
-140 -105 -70 -35 0 35 70 105 140 % град а
■140 -105 -70 -35 0 35 70 105 140 <р, град
Рисунок 3 - Индикаторные диаграммы цилиндра дизеля ПД1М тепловозов ТЭМ2: а - № 0046; б - № 7366; (------опытная;- - расчетная)
а б
Рисунок 4 - Индикаторные диаграммы цилиндра дизеля 10Д100 тепловоза ТЭ10 № 0383: а - секция А; б - секция Б (------опытная;--расчетная)
Сравнение показывает, что математическая модель рабочего цикла достаточно точно отражает качественные и количественные характеристики реальных процессов изменения со -стояния рабочего тела в цилиндре дизеля.
Определенная в результате математического моделирования величина Ье удельного эффективного расхода топлива несколько меньше, чем ее паспортное значение. Так, для всех
проанализированных дизелей типа ПД1М расход топлива Ье составил 0,190
кг
кЯт • ч
(паспорт-
кг кг ное значение - 0,22-), для дизелей 10Д100 - 0,199 —- (паспортное значение -
кЯт • ч
кЯт • ч
0,231 ———).
кЯт • ч
Удельный эффективный расход топлива дизелем для заданного режима расчета опреде-лялся по формуле:
3600q
Ь =
и I
где д2 - общая удельная использованная теплота сгорания;
(2)
теор
1 1
1 1 1
1 А 1 , к А к
и теор - индикаторная теоретическая (расчетная) работа цикла.
Величина индикаторной работы цикла, общая удельная использованная теплота сгорания и коэффициент эффективности сгорания напрямую зависят от продолжительности сгорания <рг, а следовательно, и от доли топлива х2, сгоревшего к моменту практического конца реакции сгорания (рисунок 5).
560
кДж/кг 540-
| 530
520
геор
510
500
0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0,95 ^ _
-412
кДж/кг -408
406 ■404 402
-400 1.05
I
Рисунок 5 - Зависимость индикаторной работы дизеля (а) и удельного эффективного расхода топлива (б) от доли сгоревшего топлива (■ - дизель 10Д100; ▲ - дизель ПД1М)
Из диаграмм, представленных на рисунке 5, видно, что наименьшее отклонение между расчетными значениями удельного эффективного расхода топлива и индикаторной работой и их опытными (паспортными) значениями соответствует интервалу х*, равному 0,80 - 0,95.
Величина доли сгоревшего топлива оказывает существенное влияние на смещение расчетной линии сгорания относительно в.м.т., приближая или удаляя ее от опытной кривой (рисунок 6). Так линия сгорания, рассчитанная при доле сгоревшего топлива раной х* = 0,95, имеет наименьшие расхождения с опытной кривой.
По результатам обработки опытных индикаторных диаграмм, снятых для дизелей ПД1М и 10Д100 при различных режимах нагружения, можно сделать следующие выводы:
разработанная математическая модель удовлетворительно описывает рабочий цикл как двухтактного, так и четырехтактного дизелей для различных режимов нагружения при различном угле опережения подачи топлива;
для повышения точности расчетов при моделировании рабочего цикла целесообразно дополнить предложенную модель блоком расчета индикаторной работы цикла при изменении доли сгоревшего топлива, тем самым приблизиться к опытным значениям удельного эффективного расхода топлива и фактической линии сгорания топлива; провести дополнительные экспериментальные исследования, позволяющие оценить долю сгоревшего топлива
26 ИЗВЕСТИЯ Транссиба мг.21(02)
при различных режимах нагрузки дизель-генераторной установки; в случае равномерной загрузки цилиндров, оцениваемой максимальным давлением сгорания, анализ рабочего процесса в целом по дизелю можно выполнять по некоторой «средней» индикаторной диаграмме, рассчитанной с учетом средних параметров работы ДГУ;
приведенная математическая модель позволяет отказаться от прямого индицирования дизеля, что существенно снижает затраты времени и средств на его проведение. При этом результаты моделирования могут оказаться более достоверными, поскольку исключаются ошибки, возникающие при проведении измерений.
-10 0 10 20 град 40
9 -►
Рисунок 6 - Расчетные индикаторные диаграммы дизеля 10Д100 для различных долей сгоревшего топлива:
— опытная диаграмма; ....... ■ — при хг = 0,95
Список литературы
1. Малышев, В. С. Техническая диагностика двигателей методом косвенного индицирования [Текст] / В. С. Малышев, А. Ю. Корегин // Сб. науч. статей. Всероссийская науч.-техн. конф. «Наука и образование 2002» / МГТУ. М., 2002.
2. Вибе, И. И. Новое о рабочем процессе двигателя [Текст] / И. И. Вибе. — Свердловск: Машгиз, 1962. — 272 с.
3. Кавтарадзе, Р. 3. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учебное пособие [Текст] / Р. 3. Кавтарадзе / МГТУ им. Н. Э. Баумана. — М., 2007. — 472 с.
УДК 629.4.083:543.423.1
А. А. Кузнецов, А. В. Глазырин, А. В. Шахов
ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМАХ КОНТРОЛЯ КАЧЕСТВА МАТЕРИАЛОВ НА ТРАНСПОРТЕ И В ПРОМЫШЛЕННОСТИ
В данной работе рассмотрены вопросы совершенствования автоматизированных систем атомно-эмиссионного спектрального анализа для контроля качества материалов на транспорте и в промышленности. Предлагаются пути повышения точности, достоверности и расширения традиционного назначения таких
