CC BY
15
ограничениях по напряжении U и току I (ограничение по I фактически определяется параметрами преобразователя частоты, поскольку для двигателя допустимы 5-7- кратные пусковые перегрузки по току. Однако, соответственно вырастут перегрузки по электромагнитному моменту и вероятность возникновения механических деформаций привода).
Например, при тех же параметрах k¿ = 100,/í;7, ки и Hj и Мс = 0,2 плавный пуск достигается при скорости изменения уставки 0,7/65 (í = iq = М = 1,3 dj время пуска). При тех же условиях и Hj = 200, условие плавного пуска — — = 0,7/150.
В заключение заметим, что использование приведенной выше математической модели позволяет выбрать целесообразное время пуска по условию минимизации тепловых потерь. Адекватность рассматриваемой математической модели подтверждена в работе [6].
Литература
1. Овчинников И.Е. Вентильные машины электрические двигатели и привод на их основе (малая и средняя мощность): Курс лекций - СПб.: «Корска-Век», 2006. - 336с.
2. Вейнгер A.M. Регулируемый синхронный электропривод. - М.: Энергоатомиздат, 1985 -224с ил.
3. Фираго Б.И., Павлячик Л.Б. Регулируемые электроприводы переменного тока. - М.: Техноперспектива, 2006. - 363с.
4. Терехов В.М., Осипов О.Н. Системы управления электроприводов: Учебник для студентов высших учебных заведений; Под ред. В.М. Терехова. - М.: Издательский центр «Академия», 2005. - 305с.
5. Деруг Р.К., Бишоп Р.Х. Современные системы управления. - М.: Лаборатория базовых знаний, 2004.
6. Сидельников Б.В. Синхронная машина с магнитоэлектрическим возбуждением в программном комплексе MATLAB/SIMULINK // Проблемы создания и эксплуатации новых типов электроэнергетического оборудования /Российская академия наук. Отдел электроэнергетических проблем. - 2003. - №5. - С 152-162.
УДК 621.43
Канд. техн. наук В.Н. БОНДАРЬ (ЮУрГУ, scatt_74@mail.ru) Доктор техн. наук A.A. МАЛОЗЁМОВ (ЮУрГУ, malozemovi@gmail.ru) Канд техн наук P.A. ЗЕЙНЕТДИНОВ (СПбГАУ, zra61 i@mail.ru)
РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ И КОНСТРУКТИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМЫ ТЕРМОСТАТИРОВАНИЯ МАСЛА НА ТЕМПЕРАТУРНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
ДИЗЕЛЯ ПЕРЕД ПУСКОМ
Дизель, пуск, система термостатирования масла, предпусковая подготовка, тепловое состояние, нейросеть
В зимний период надежность колесных и гусеничных машин в эксплуатации зависит от времени, которое необходимо затратить на его подготовку к пуску и движению. Для сокращения этого времени применяются средства предпусковой подготовки и облегчения пуска. Одним из эффективных методов обеспечения нормативных значений пусковых качеств является термостатирование (поддержание постоянной рабочей температуры) масла. Система термостатирования масла (СТМ)
обычно включает масляный бак с трубчатыми электронагревателями (ТЭН), насосы, соединительные трубопроводы и арматуру. Учитывая важность задачи снижения времени предпусковой подготовки дизелей специального назначения, проблема математического моделирования процессов в СТМ и двигателе представляется актуальной.
Пуск дизеля обусловлен двумя группами факторов, определяемых:
1) силами трения в механизмах и агрегатах двигателя;
2) параметрами состояния рабочего тела в камере сгорания.
Поэтому решение задачи математического моделирования процесса пуска сводится к решению сопряженных задач:
1) динамики кривошипно-шатунного механизма и других механизмов и агрегатов;
2) термодинамики и газовой динамики рабочего тела в камере сгорания и газовоздушных каналах ДВС.
Условием пуска дизеля является положительная величина суммарного момента на коленчатом валу дизеля, определяемого из баланса моментов трения, крутящих моментов средств пуска и рабочего процесса в камере сгорания. При предпусковой подготовке двигателя существенно увеличивается неравномерность прогрева его отдельных компонентов из-за неспособности насосов прокачать масло одинаково равномерно через каналы двигателя, где происходит остывание и увеличение вязкости масла вследствие теплоотдачи в стенки, поэтому для режимов пуска потери на трение зависят как от конструктивных параметров дизеля, так и от характеристик и режимов функционирования СТМ.
В рамках традиционных одномерных гидродинамических и термодинамических математических моделей течения жидкостей решить сопряженную задачу прогнозирования теплового состояния силовой установки с СТМ невозможно, так как они не учитывают сложный и часто неявный характер взаимного влияния параметров деталей дизеля, СТМ, масла, охлаждающей жидкости. Применение многомерных СББ моделей нерационально, так как из-за своей сложности они чрезмерно трудоемки в подготовке и расчете. Математическое описание поведения системы «Дизель-СТМ» с использованием регрессионных зависимостей приводит к большой погрешности определения параметров состояния отдельных элементов, с увеличением числа элементов погрешность накапливается.
Математическое описание поведения системы «ДВС-СТМ» с использованием регрессионных зависимостей приводит к большой погрешности определения параметров состояния отдельных элементов, с увеличением числа элементов погрешность накапливается. Можно выявить только некоторые общие зависимости:
- при увеличении температуры масла в картере дизеля снижается средняя температура масла в баке СТМ;
- при снижении средней температуры масла в баке соответственно уменьшается температура масла в нижней части бака, откуда осуществляется забор масла;
- при уменьшении температуры масла в нижней части бака увеличивается температура масла на выходе из основного бака;
- рост температур масла в баке влечет увеличение температуры масла перед масляным насосом дизеля и маслозакачивающим насосом (МЗН);
- увеличение температуры масла перед маслозакачивающим насосом приводит к росту температуры масла в главной масляной магистрали (ГММ);
- при повышении температуры масла в ГММ увеличивается условная средняя температура двигателя;
- рост средней температуры двигателя приводит к увеличению температуры масла в картере.
Для решения задач настоящего исследования ранее было предложено использовать математическую модель, основанную на элементах искусственного интеллекта -нейросеть [1]. После перебора возможных конфигураций нейросетей выбор был остановлен на модели SOFMs (self-organizing feature maps - самоорганизующиеся структуры), которая обеспечивает приемлемую точность (среднее квадратичное отклонение не более 5%) прогнозирования выходных параметров. Выбор модели SOFMs обусловлен ее следующими особенностями:
- выявление неявных связей и закономерностей между параметрами;
- возможность проведения оценки системы в динамике;
- прогнозирование значений одних параметров системы через другие.
Сеть SOFMs имеет 2 скрытых уровня, в каждом 4 элемента класса гиперболический тангенс. Данная структура нейронной сети соответствует модели сложной адаптивной системы, в которой все элементы связаны друг с другом за счет прямых и обратных связей. Обучение построенной нейронной сети осуществлялось по алгоритму Backpropagation (обратного распространения ошибки) [2], количество эпох -2000. Для тренировки нейросети использованы экспериментальные данные (входы: время, мощность ТЭНов, температура окружающего воздуха; выходы: температура масла в характерных точках СТМ и средняя температура блока двигателя), которые с целью повышения точности и адекватности модели дополнены параметрами при выключенных ТЭНах N■/■■>!! =0 (t,=toi:p, где - температура /-го элемента системы, tOKp - температура
^ОКР' С
Рис. 1. Зависимость температуры масла в ГММ от температуры окружающего воздуха и мощности
ТЭНов (установившийся режим)
Верификация математической модели, с использованием экспериментальных данных, подтвердила её адекватность [3], среднее квадратичное отклонение не превысило 5%. С использованием модели БОРМв проведен расчет теплового состояния двигателя типа 12ЧН15/18 с системой термостатирования масла. Анализ зависимости температуры масла в главной масляной магистрали 1М гкш от 1окр и Ытэн на установившемся режиме (рис. 1) показывает, что СТМ обеспечивает температуру масла в ГММ выше минус 20°С при мощности ТЭНов 1000 - 2000 Вт и температуре окружающего воздуха не ниже 38°С. Средняя температура двигателя (рис.2) превышает минус 20°С при Ыт)ц> 1500 Вт и температуре окружающего воздуха не ниже 33°С. Вышеизложенное подтверждает, что СТМ может обеспечить требуемое для пуска дизеля (без использования предпускового жидкостного подогревателя (ПЖД)) температурное состояние дизеля при ЛУ.)// = 1500 Вт и 1окр >-30°С. Повышение мощности ТЭНов до 2000 Вт нецелесообразно, т.к. при этом уменьшается гкш при 1окр> -30°С (рис.1).
-20 § -30
ш
40 -50
45 40 -35 -30 -25
^окр; С
Рис. 2. Зависимость средней температуры двигателя от температуры окружающего воздуха
и мощности ТЭНов (установившийся режим)
При температуре среды ниже минус 30°С рекомендуется использовать совместно СТМ и ПЖД. Система термостатирования позволяет повысить температуру масла в ГММ в момент пуска на 15±5°С, что должно положительно сказаться на снижении износа деталей дизеля.
о
о
ю
45 40 -35 -30 -25
Рис. 3. Зависимость температуры масла в баке СТМ от температуры окружающего воздуха
и мощности ТЭНов (установившийся режим):------в верхней части,-- в средней части,
-- в нижней части
Перепад температуры масла в баке СТМ (рис. 3) в общем случае уменьшается с ростом мощности ТЭНов и увеличением температуры окружающей среды, что связано с повышением интенсивности его циркуляции. Средняя температура масла (рис. 4) при увеличении 1окр уменьшается при Ыт)ц> 1000 кВт и увеличивается при ЛУ.)//<500 кВт. Забор масла целесообразно организовать из верхней части бака СТМ, где температура масла выше (на 5-20 °С чем в нижней части при Ытэн = 1500 кВт и 1ОКр= -25 - -30 °С), а нагреватели размещать в нижней части.
Рис. 4. Зависимость средней температуры масла в баке СТМ от температуры окружающего воздуха и мощности ТЭНов (установившийся режим)
Температура масла в картере 1мкар растет с увеличением мощности ТЭНов СТМ (рис. 5). При 7Утэя<1000 кВт циркуляция масла в системе «Дизель-СТМ» практически прекращается, в результате чего 1мкар уменьшается до 1окр. Рис. 8 подтверждает, что при температурах среды от минус 30°С до минус 25°С увеличение Ыгэн ДО 2000 Вт нецелесообразно, т.к. не приводит к существенному увеличению 1мкар.
Зависимость средней температуры двигателя от эффективной мощности СТМ (с учетом теплопотерь в масляном баке) при различных температурах окружающей среды показана на рис. 6.
-10
-20
О
о
& -30
«г
40
-50
45 40 -35 -30 -25
toKpi С
Рис. 5. Зависимость температуры масла в картере двигателя от температуры окружающего воздуха
и мощности ТЭНов (установившийся режим)
Из рис. 6 видно, что применение СТМ (эффективной мощностью 1500 кВт) позволяет повысить среднюю температуру двигателя на 7-12 К (при температуре окружающего воздуха - 220 - 250 К, соответственно). При эффективной мощности СТМ 700 - 800 Вт, прирост температуры двигателя линейно уменьшается в 2 раза.
Рис. 6. Зависимость средней температуры двигателя от мощности ТЭНов и температуры окружающей среды (с экспериментальными точками)
Потери тепла в масляном баке {Ым,-,) при включенных маслозакачивающих насосах при понижении температуры окружающей среды увеличиваются до значений, сравнимых с ТУигзд, что подтверждает предположение о практически полном отсутствии циркуляции масла при ^кр< -30°С.
С использованием разработанной математической модели выполнена оценка влияния СТМ на динамику предпускового разогрева дизеля 12ЧН15/18 с использованием ПЖД при температурах окружающего воздуха минус 30°С и ниже (рис. 7). Время на подготовку дизеля к запуску с использованием только ПЖД - 20 мин. Начальная средняя температура двигателя при работе СТМ принималась для ЛУ.)//= 1 500 Вт (^вср-Ъкр ~ 7 -8°С), эффективная мощность СТМ - 1000 кВт. Минимальная температура tдв.cp, ниже которой не рекомендуется производить пуск двигателя - минус 15°С.
-50 45 40 -35 -30
1<>1ф! ^
Рис. 7. Время достижения заданной средней температуры двигателя:
¿дв ср "15 С, - - - Iде ср С
Анализ рис. 7 показывает, что применение СТМ, при прочих равных условиях, позволяет уменьшить время на предпусковой разогрев двигателя (соответственно и время пуска) с использованием ПЖД на 1 - 2 минуты, что в критических условиях может оказать существенное влияние на возможность выполнения поставленной задачи.
Проведенное с использованием ранее разработанной математической модели [1] расчетное исследование позволило обосновать рациональные конструктивные параметры системы термостатировання масла для дизеля типа 12ЧН15 18, которые позже были экспериментально подтверждены в ходе пусковых испытаний [5]:
¡.Рациональная мощность ТЭНов СТМ составляет 1500 Вт. Системы СТМ и подогрева воздуха на впуске (ПВВ) обеспечивают пуск двигателя без предварительного разогрева на масле М-12ВгРК при температурах окружающего воздуха до минус 20°С за время, не превышающее 5 мин. При этом продолжительность пуска составляет 3 - 5 с, а давление масла в ГММ при работе маслозакачивающего насоса по выбранной циклограмме появляется через 2 - 3 с и составляет 1,2 МПа.
2. При температурах минус 25°С (N,,,,= 1200 Вт) и минус 30°С (N,,,,= 1500 Вт) СТМ поддерживает тепловое состояние масла, при котором обеспечивается подача масла к трущимся узлам двигателя и пуск с использованием ПВВ за время, не превышающее 5
3. При температурах окружающего воздуха ниже минус 25°С (Нпи=1200 Вт) и минус 30°С (N1,11=1500 Вт) работа МЗН в составе СТМ по выбранной циклограмме становится менее эффективной, т.к. из-за значительного возрастания вязкости масла его прокачка через двигатель и прогрев подшипников существенно снижаются.
4. При совместной работе СТМ и ПВВ пуск двигателя при температурах окружающего воздуха от минус 25°С до минус 40°С обеспечивается за время, не превышающее 20 минут. При температуре минус 45°С суммарные затраты времени на пуск составляют 22 минуты, а при минус 50°С - 26 - 28 минут.
5. При температурах окружающего воздуха до минус 30°С (при работающих МЗНах) средняя температура масла в основном баке СТМ составляет 5 С, а при температурах ниже минус 30°С не превышает 45°С. Разность температур масла в верхней и нижней частях бака при работе СТМ без включения МЗНов достигает 40°С, а при работающих МЗНах - 20°С, поэтому нагреватель рационально располагать в нижней части основного маслобака, откуда производился забор масла в систему смазки двигателя, а также увеличить поверхность теплосъема.
6. Дополнительный маслобак с электронагревателем мощностью 400 или 500 Вт не оказывает заметного положительного влияния на прогрев маслозаборной трубы (термосифонный эффект) и на тепловое состояние масла и двигателя при работе СТМ, поэтому его из конструкции СТМ можно исключить.
7. Включение СТМ с работающими МЗНами рекомендуется производить только до температуры минус 25 - 30°С в зависимости от располагаемой мощности ТЭНов. При температурах ниже минус 30°С при включении СТМ должны работать только ТЭНы, поддерживая в основном баке постоянную положительную температуру масла.
8. С целью поддержания температуры масла в баке в интервале от 70°С до 90°С, с последующей подачей его к подшипникам двигателя в момент запуска, целесообразно расширить диапазон работы нагревателя по температуре охлаждающей жидкости с 70 -90°С до 80- 100°С.
9. Рекомендуется установить следующие температурные диапазоны применения элементов систем предпусковой подготовки и облегчения пуска:
-ПВВ-до минус 15°С;
- СТМ и ПВВ - от минус 15°С до минус 30°С;
- СТМ, предпусковой жидкостный подогреватель и ПВВ - от минус 30°С до минус
50 °С.
Результаты исследования внедрены ООО «ЧТЗ-Уралтрак» в серийное производство двигателей. Предложенная математическая модель может быть использована при разработке новых и модернизации серийно выпускаемых дизелей специального назначения.
Литература
1. Малозёмов A.A., Бондарь В.Н., Селедкин A.A., Шавлов A.B. Комплексная математическая модель процесса предпускового разогрева дизеля с системой термостатирования масла // Вестник академии военных наук. - № 2 (35). - 2011. - С. 227 -232.
2. Kohonen Т. Self-Organizing Maps Springer Series in Information Sciences, Vol. 30, Springer, Berlin, Heidelberg. - New York, 2001. - 501 p.
3. Малозёмов A.A., Бондарь B.H., Сеначин П.К. и др. Результаты экспериментального исследования влияния теплового состояния дизеля типа В-2 на его пусковые характеристики // Ползуновский вестник,- 2011.- № 2/4 .-С. 131-136.
4. Шавлов A.B. Использование нейросетевой математической модели для анализа процесса предпускового разогрева поршневого двигателя внутреннего сгорания // Автомобильная техника. Научный вестник ЧВВАКИУ. - Вып. 20. - Челябинск, 2009. - С. 117-122.
5. Малозёмов A.A., Бондарь В.Н., Селедкин A.A., Шавлов A.B. Улучшение пусковых характеристик транспортных дизелей использованием системы термостатирования масла: Мат. междунар. науч.-техн. конф. Ассоциации автомобильных инженеров (ААИ) «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров», посвященной 145-летию МГТУ МАМИ. - Кн. 2. - М: МГТУ МАМИ, 2010. - С. 46-51.
УДК 621.9: 658.5 Доктор техн. наук В.Я. СКОВОРОДИН
(СПбГАУ, \.у. вкоуогосНп. (й^тай.сот) Аспирант Е.Е. ПУРШЕЛБ
(СПбГАУ, РигеЬеШтаП.га)
ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОКЕРАМНЧЕСКИХ ПЛЁНОК ПРИ ФИНИШНОЙ АНТИФРИКЦИОННОЙ ОБРАБОТКЕ ГИЛЬЗ ЦИЛИНДРОВ ГЕОМОДИФИКАТОРАМИ
Гильза блока цилиндров, геомодификатор, температура, упрочнение, финишная обработка, алмазное выглаживание, антифрикционная плёнка
Решение проблемы повышения долговечности отремонтированных машин продолжает оставаться одной из важнейших в сельскохозяйственном производстве. Сопряжение поршень-гильза является одним из основных сопряжений, определяющих долговечность отремонтированных двигателей. Одним из путей решения этой проблемы является применение новых антифрикционных материалов.
Как показывает анализ научных источников, перспективным материалом являются геомодификаторы трения. К настоящему времени разработано большое количество смазочных композиций с геомодификаторами трения на основе серпентинов. Использование смазочных композиций с добавлением геомодификаторов трения повышает работоспособность трущихся сопряжений деталей: потери энергии на преодоление трения могут снизиться на порядок, износостойкость сопряжённых деталей повысится в 2-4 раза, шероховатость поверхностей трения снизится в несколько раз.
