CC BY
14
УДК 656.13
ПРОГНОЗИРОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ АВТОМОБИЛЬНОЙ ГАЗОВОЙ АППАРАТУРЫ НА ПРИМЕРЕ РЕДУКТОРА-ИСПАРИТЕЛЯ МАРКИ РЗАА
Е.В. Бондаренко1, А.А. Филиппов2, В.А. Морозов3
Оренбургский государственный университет, 460018, г. Оренбург, пр. Победы, 13.
Представлены результаты исследования процессов старения и восстановления редуктора-испарителя автомобильной газовой аппаратуры. Описана методика эксперимента и результаты обработки его данных. Представлены методики практического применения полученных в эксперименте зависимостей. Ил. 5. Табл. 2. Библиогр. 5 назв.
Ключевые слова: прогнозирование; работоспособность; редуктор-испаритель; имитационное моделирование; регрессионный анализ.
PERFORMANCE FORECASTING OF AUTOMOTIVE GAS EQUIPMENT ELEMENTS ON EXAMPLE OF REDUCER-EVAPORATOR OF РЗАА MAKE E.V. Bondarenko, A.A. Filippov, V.A. Morozov
Orenburg State University,
13, Pobeda Av., Orenburg, 460018.
The article presents the study results of ageing and recovering processes of the reducer-evaporator of automotive gas equipment. The technique of the experiment and the results of its data processing are described. The techniques of practical application of the obtained in the experiment dependencies are presented. 5 figures. 2 tables. 5 sources.
Key words: forecasting; performance; reducer-evaporator; simulation; regression analysis.
Использование газового моторного топлива является эффективным способом сокращения затрат на эксплуатацию автомобиля, улучшения его экологических, а при определённых условиях, тягово-динамических и мощностных качеств. Однако эксплуатация газобаллонных автомобилей (ГБА) характеризуется худшими показателями безотказности по сравнению с их бензиновыми аналогами вследствие отказов и неисправностей элементов газовой аппаратуры (ГА), а также недостаточным уровнем развития системы мер по их предупреждению. Существующая система поддержания работоспособности ГБА имеет недостатки, связанные с отсутствием учёта динамики процессов старения ответственных быстроизнашивающихся элементов ГА. На практике это приводит к повышенным эксплуатационным затратам. Преждевременное старение материала резинотехнических деталей ГА обусловлено действием комплекса эксплуатационных факторов, управление которыми требует применения научно-обоснованных методов. К числу данных факторов относится использование топлива, не соответствующего требованиям ГОСТ 520872003 (топливный фактор), несовершенство конструкции и несоответствие состава резинотехнических ком-
плектующих техническим условиям, нарушение правил эксплуатации, ошибки при монтаже и техническом обслуживании ГА.
При обеспечении работоспособности такого важного агрегата, как редуктор-испаритель, применяется метод групповой замены его резинотехнических деталей. В этом случае периодичность предупредительной замены строго определена, что влечёт экономические потери от недоиспользования их ресурса или от устранения последствий преждевременных отказов в эксплуатации. Недостаточно проработанными являются вопросы комплексной оценки технического состояния редуктора-испарителя без разборки и демонтажа его с автомобиля. Причиной является многообразие конструктивных исполнений редуктора-испарителя и недостаток информации о механизмах процессов старения агрегата. Решение проблемы видится в разработке методов диагностирования и использования его результатов для прогнозирования наработки на отказ конкретной марки редуктора-испарителя.
Анализ статистического материала по безотказности элементов ГА позволяет сделать вывод о том, что в 65% случаях она лимитируется отказами резинотех-
1Бондаренко Елена Викторовна, доктор технических наук, профессор кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей.
Bondarenko Elena, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Technical Exploitation and Maintenance of Motor-Vehicles.
2Филиппов Андрей Александрович, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей, e-mail: andrulia@rambler.ru
Filippov Andrey, Candidate of technical sciences, Senior Lecturer of the Department of Technical Exploitation and Maintenance of Motor-Vehicles, e-mail: andrulia@rambler.ru
3Морозов Владислав Анатольевич, аспирант, тел.: 89068445842, e-mail: vlad1485@yandex.ru Morozov Vladislav, Postgraduate Student, tel.: 89068445842, e-mail: vlad1485@yandex.ru
нических деталей её наиболее ответственного агрегата - редуктора-испарителя. Старение материала данных деталей заключается в потере эластичности и разрушении, что ведёт к нарушению функций агрегата и ухудшению технико-экономических показателей ГБА. Оценку изменения свойств материала указанных деталей и прогнозирование на её основе можно проводить с помощью методов технической диагностики, используя в качестве структурного параметра величину уменьшения хода клапанов первой и второй ступеней, а в качестве диагностического - отклонение давления во второй ступени редуктора-испарителя от нормативной величины [1, 2, 3].
Авторами проведён отбор на основе практического опыта эксплуатации ГБА и ранжирование факторов преждевременного старения ГА методом экспертного опроса. Результаты ранжирования факторов преждевременного старения (рис. 1) показали доминирующее влияние топливного фактора в эксплуатации, получившего наименьшую сумму рангов.
тов подтверждена в работах А.Н. Мельникова, Е.В. Бондаренко и других исследователей. Под потенциалом работоспособности понимают состояние системы в момент времени I, характеризующее возможную её работоспособность. За момент времени I принята наработка редуктора-испарителя в километрах пробега.
Исходя из физической сущности потери работоспособности автомобилей и их составных частей, в общем случае выражение для ПР в единицах измерения параметра, отражающего процессы старения системы, имеет вид:
П(t) = Пакт (t) + Ппас, (1)
где Пакт ^) - активная (изменяемая) часть ПР;
Ппас - пассивная (неизменяемая) часть ПР;
Восстановление активной части ПР направлено на обеспечение работоспособности в процессе эксплуатации.
« 0
2 5
Я 5
й Л
й 10
£ 15
О
20
Факторы
Рис. 1. Диаграмма рангов: 1 - топливный фактор; 2 - несоблюдение правил эксплуатации; 3 - несовершенство конструкции и низкое качество резинотехнических комплектующих; 4 - неквалифицированное обслуживание
Проведённое исследование подтвердило статистическую информацию об ускорении процессов старения резинотехнических деталей редуктора-испарителя в эксплуатации на фоне комплексного воздействия рассмотренных факторов [5].
С учётом полученных выводов проведены теоретические исследования процессов старения и восстановления редуктора-испарителя с разработкой универсальной математической модели прогнозирования потенциала работоспособности резинотехнических деталей агрегата.
В основу методики прогнозирования работоспособности редуктора-испарителя положен метод имитационного моделирования процессов старения и восстановления технической системы, разработанный В.П. Апсиным, Л.В. Дехтеринским и С.Б. Норкиным [4, 5]. Данный метод имеет преимущества в сравнении с другими методами прогнозирования и отличается тем, что одновременно учитывает динамику процессов старения и восстановления «средней» технической системы за счёт использования понятия потенциала работоспособности (ПР). Эффективность применения данного метода в решении задач прогнозирования работоспособности автомобиля, его систем и агрега-
Выражение для описания процессов старения и восстановления систем с управляемым потенциалом работоспособности имеет вид:
П(t) = П0е-а (1 - е-а ), (2)
а v ' где П0 - ПР новой системы; а - параметр скорости приближения к нулю формирующей функции старения
^ (t) = е~ш, [а] = ^] 1 0 — А - интенсивность
потока ремонтных воздействий; Пк - математическое ожидание скачка ПР в результате проведения ремонтного воздействия.
Потенциал работоспособности редуктора-испарителя обладает свойством аддитивности и состоит из потенциалов работоспособности мембран и клапана второй ступени. На основании существующей нормативно-технической документации и анализа кинематических схем редуктора-испарителя уточнена номенклатура структурных и диагностических параметров, однозначно отражающих процессы старения резинотехнических деталей. По данным кинематического анализа второй ступени редуктора-испарителя
известно, что величина давления Р2 в ней определяется функционалом:
Р2 =
= ^(Рвх1'^кл.2'Ккл.2'Р0'^м2'ам2' , (3)
Ькл2.'спр.' *3' ст2' Ы)
где Рвх1 - давление газа на клапан второй ступени со стороны первой ступени, Нм; Бкл2 - рабочая поверхность клапана второй ступени, м2; ккл2 - коэффициент активности клапана второй ступени, зависящий от его формы; Р0 - величина атмосферного давления (давление окружающей среды); - площадь эластичной части мембраны второй ступени, м2; ам2 - коэффициент активности мембраны второй ступени; спр - жёсткость пружины, Нм; Икл2 - величина хода клапана
второй ступени; ¡3= б/с - передаточное отношение рычажной системы второй ступени редуктора-испарителя относительно точки приложения сил, действующих на мембрану; ¡4= е/б - передаточное отношение рычажной системы второй ступени редуктора-испарителя относительно точки приложения усилия пружины; ст 2 - эластичность мембраны второй ступени, Н/м.
Функционал (3) показывает связь величины давления во второй ступени редуктора-испарителя с ходом клапана - основным структурным параметром, однозначно отражающим процессы старения резинотехнических деталей в эксплуатации. Остальные структурные параметры определяют пассивную составляющую потенциала работоспособности или отражают процессы старения, скорость которых гораздо ниже скорости старения активной составляющей (например, изменение жёсткости пружины, соотношений плеч рычагов, износа сёдел клапанов). В качестве комплексного диагностического параметра, отражающего процессы старения активной составляющей потенциала работоспособности редуктора-испарителя, принято отклонение давления во второй ступени ЛР2
от нормативной величины. При этом динамика процессов старения клапана второй ступени оценивается
величиной ЛР2, измеренной в режиме работы двигателя на минимальной частоте вращения коленчатого вала, а мембран - на повышенной.
Для практического использования модели (2) ПР представляется в единицах измерения диагностического параметра. Скачок потенциала работоспособности редуктора-испарителя в момент проведения ремонтного воздействия Пк в паскалях определяется:
(4)
п (р ) = п = р;ред - Р0,
к \ 2 / к.акт 2 2 '
где Р° - начальное значение Р2 значение 2 .
Р2пред - предельное
Тогда активная составляющая скачка потенциала работоспособности редуктора-испарителя в момент проведения ремонтного воздействия составляет
(5)
Пк.акт (Р2 ) = ЛР2
пред
Параметр йР2 является лимитирующим работоспособность второй ступени, так как при Р2пред нарушаются рабочие характеристики редуктора-испарителя. Тогда с учётом (1)-(5) математическое ожидание ПР редуктора-испарителя любой марки составит (в процентах):
П(г) = 100
а МР"ред е а +-2—
а
(1 - е-ш)
(6)
где ЛР2пред - среднее значение диагностического параметра, Па.
Данная модель универсальна и может использоваться в целях прогнозирования наработки на отказ редуктора-испарителя любой марки.
Для приведения модели (6) к виду, удобному для практического использования, были проведены экспериментальные исследования процессов старения редуктора-испарителя на примере марки РЗАА. Данный эксперимент включал два этапа:
- установление регрессионной модели взаимосвязи комплексного диагностического параметра со структурными путём физического моделирования про-
Таблица 1
Матрица планирования эксперимента с эффектами взаимодействия
№ опыта Факторы
Хо Х1 Х2 Х3-Х1Х2 ЛР2, Па
1 + + + + ЛР1
2 + - + - ЛР22
3 + + - - лр2
4 + - - + ар:
Примечание: Хо - фиктивная переменная; Х1 - изменение хода клапана первой ступени; Х2 - изменение хода клапана второй ступени; Хз - эффект взаимодействия факторов Х1 и Х2; ЛР2 - среднее отклонение давления во второй ступени редуктора-испарителя (диагностический параметр).
Ч Выход \ Паддод разрежения
Рис. 2. Комбинированная схема экспериментальной установки: 1 - баллон сжатого воздуха; 2 - вентиль баллона; 3 - соединительный рукав;
4 - клапан закрытия подвода воздуха из баллона; 5 - редуктор давления; 6 - манометр контроля давления в баллоне; 7 - манометр контроля давления на входе в редуктор-испаритель; 8- блок питания; 9 - вакуумная установка; 10 - редуктор-испаритель с дополнениями в конструкции
цессов старения мембран и клапанов на примере редуктора-испарителя марки РЗАА;
- установление зависимости комплексного диагностического параметра от наработки в условиях эксплуатации.
Измерение отклонения давления во второй ступени редуктора-испарителя осуществлялось в соответствии с разработанными частными экспериментальными методиками согласно матрице планирования первого этапа эксперимента, представленной в табл. 1. Для полного факторного эксперимента принято варьирование факторов на двух уровнях. Число опытов М=22=4, число параллельных наблюдений в каждом опыте п=3, общее число опытов составило 12.
На рис. 2 представлена комбинированная схема экспериментальной установки.
Суть стендовых испытаний редуктора-испарителя состоит в том, чтобы, имитируя его работу в условиях эксплуатации на автомобиле и варьируя уровни факторов, фиксировать изменения диагностического параметра. Значения верхнего, нижнего, основного уровней факторов и интервалов варьирования струк-
турными параметрами установлены экспериментальным путём (табл.2).
На основе полученных экспериментальных данных установлена регрессионная модель зависимости отклонения величины давления во второй ступени редуктора-испарителя от уменьшения хода клапанов:
ЛР2 = 35,93 +17,53 • х, +
1 . (7)
+2,86 • х2 +1,26 • х3
Проверка гипотезы об адекватности модели проводилась с помощью критерия Фишера и показала, что уравнение (7) с 95% доверительной вероятностью является адекватным опытным данным, в связи с чем им можно пользоваться в целях прогнозирования значений диагностического параметра при известных значениях структурных. Полученное уравнение регрессии позволяет давать прогноз значений диагностического параметра и может использоваться в составе методики определения потенциала работоспособности новых резинотехнических деталей без многократной разборки, сборки и контрольных испытаний редуктора-испарителя.
Таблица2
Значения верхнего, нижнего, основного уровней факторов
и интервалов варьирования стр\ /ктурными параметрами
Факторы Х, X п, X, АХ. г
Величина уменьшения хода клапана первой ступени -Х,, мм 1,5 1 1,25 0,25
Величина уменьшения хода клапана второй ступени -Х2, мм 1,5 1 1,25 0,25
резинотехнических деталей редуктора-испарителя:
-пред.
П1 (I) - предельное значение потенциала работоспособности;
AP2 - предельное значение диагностического параметра
Разработанная методика представлена в виде алгоритма и последовательности действий (рис. 3).
Последовательность оценки следующая:
- при проведении текущего ремонта редуктора-испарителя измерить значения отклонения хода клапанов от нормативных значений (измерения проводить у редуктора-испарителя с новыми резинотехническими деталями);
- представить измеренные значения х1, х2, х3 в кодированном виде, присвоив знак "+" или "-" в зависимости от принадлежности уровня фактора к интервалу 1-1,25 или 1,25-1,5 мм;
- подставить кодированные значения отклонений хода клапанов в уравнение регрессии
ЛР2 = /(л1'Х2'Х3)и вычислить прогнозируемое
значение ЛР>2отклонения давления во второй ступени редуктора-испарителя от нормативной величины;
- используя прогнозируемое значение ЛР2, определить потенциал работоспособности новых резинотехнических деталей, воспользовавшись
методом имитационного моделирования процессов старения и восстановления;
- на основании прогноза принять решение о сборке редуктора-испарителя и установке его на автомобиль или о невозможности эксплуатации агрегата по причине низкого потенциала работоспособности резинотехнических деталей.
Результаты проведения второго этапа экспериментальных исследований представлены в графической форме рис. 4. В качестве примера практического использования универсальной модели (5) установлена зависимость AP2(t) и уточнены параметры выражения n(t) для редуктора-испарителя марки РЗАА. Второй этап эксперимента проводился в условиях типового пассажирского автотранспортного предприятия (ПАТП) среди группы автобусов марки ПАЗ 3205 общим количеством 69. Зависимости диагностического параметра от наработки, полученные в результате обработки экспериментальных данных в программе REGRESS (рис. 4), позволили установить математические модели процессов старения и восстановления мембран и клапана второй ступени редуктора-испарителя марки РЗАА.
15 10 5 0 -5 -10
А P2(t) = \ -10,047 + 0,0( 016 t i у?
\ W
) 2 0 4 0 8 0 1 00 1 20 14
а) Наработка, тыс.
км
15
s а
щ В Ч Й0 до w
0
§ 5
К 5
8 5
о
f4 л
О 0
-15
А ,P2(t) = 10, 01 + 0,000 13 t
ft» / /
/
0 2 0 4 0 f 0 *8 0 10 0 12 » 1' 01 ¡0 1!
N *
б)
Наработка, тыс. км
^ Экспериментальные данные
Аппроксимирующая функция
Рис. 4. Зависимости диагностического параметра от наработки для режима работы двигателя: а - на минимальной частоте вращения коленчатого вала
n„
= 600 об/мин; б - на повышенной, n . = 2100 об/мин
' ' УИ1Г)
Я 0
Выражение для определения потенциала работоспособности клапана второй ступени редуктора-испарителя марки РЗАА имеет вид:
П 1(t) = 42924,68■
■ exp(-1,86143 ■ 10-5t) - . (8) -42824,68
Наступление предельного состояния клапана второй ступени происходит при t =125,3 тыс. км. Этой
-пред.
наработке соответствует значение П1 =10 Па.
Выражение для определения потенциала работоспособности мембран редуктора-испарителя марки РЗАА имеет вид:
П2(t) = 385000 ■ -6
■ exp(-1,68410 t)- . (9)
-384900
Наступление предельного состояния мембран
происходит при I =154,1 тыс. км. Этой наработке со-пред.
ответствует значение П2 =-10 Па.
В соответствии с полученными значениями средних наработок на отказ экономико-вероятностным методом определена оптимальная периодичность комплексного диагностирования редуктора-испарителя, равная 52,2 тыс. км. Разработанные математические модели (8) и (9) предлагается использовать в составе алгоритма и схемы принятия решения по результатам диагностирования редуктора-испарителя, представленной на рис. 5.
Разработанная схема позволяет идентифицировать отказы и учитывать динамику процессов старения ответственных резинотехнических деталей редуктора-испарителя при принятии решения по результатам диагностирования. Применение метода имитационного моделирования процессов старения и восстановления для прогнозирования потенциала работоспособности редуктора-испарителя любой марки подразумевает непрерывное обновление данных учёта отказов и неисправностей редуктора-испарителя интересуемой марки, причём полученные на основании этих данных математические модели динамичны, и зависят от постоянно изменяющихся факторов преждевременного старения.
Рис. 5. Схема принятия решения по результатам диагностирования редуктора-испарителя марки РЗАА: . линии хода принятия решения в режиме оценки потенциала работоспособности
клапана второй ступени;_______линии хода принятия решения в режиме оценки потенциала
работоспособности мембран; лЛР?,р'в' - предельное верхнее значение диагностического параметра,
Лр'пр-в- = 10Па; ЛРпр'- предельное нижнее значение диагностического параметра, ЛР?,р'= -10Па;
Лртекущ. - текущее значение диагностического параметра; ЛР2,ред' - значение диагностического параметра, измеренное при предыдущем диагностировании (используется для выяснения характера протекания процессов старения); ^ - текущая наработка редуктора-испарителя; /прогно3 - прогнозная наработка редуктора-испарителя; /ТО - наработка до технического обслуживания редуктора-испарителя
Схему, представленную в виде алгоритма, предлагается использовать в составе программного обеспечения автотранспортных предприятий с целью ав-
томатизации учёта процессов старения и восстановления редуктора-испарителя.
Биографический список
1. Ерохов В.И., Карунин А.Л. Газодизельные автомобили (конструкция, расчёт, эксплуатация): учеб. пособие. М.: Граф-Пресс, 2005. 560 с.
2. Кленников Е.В., Мартиров О.А. Крылов М.Ф. Газобаллонные автомобили: техническая эксплуатация. М.: Транспорт 1986. 175 с.
3. Певнев Н.Г., Елгин А.П., Бухаров Л.Н., Крылов В.Ф., Рачков В.Ф. Техническая эксплуатация газобаллонных автомобилей. Омск: СиБади 2002. 220 с.
4. Дехтеринский Л.В., Апсин В.П., Доценко Г.Н. и др. / под ред. Л.В. Дехтеринского. Технология ремонта автомобилей. М.: Транспорт, 1979. 342 с.
5. Морозов В.А., Филиппов А.А., Бондаренко Е.В., Мельников А.Н. Методика прогнозирования потенциала работоспособности редуктора-испарителя // АвтоГазоЗаправочный Комплекс + Альтернативное топливо. 2010. № 4(52). С. 31-36.
