Влияние параметров поршневого расходомера топлива на точность его измерения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 629.1.056.8 Ф.Ф. Романов, А.В. Палицын

ВЛИЯНИЕ ПАРАМЕТРОВ ПОРШНЕВОГО РАСХОДОМЕРА ТОПЛИВА НА ТОЧНОСТЬ ЕГО ИЗМЕРЕНИЯ

В статье рассматривается теория поршневого расходомера. Приводится эпюра скоростей и анализируется влияние наличия зазора между стенкой мерного цилиндра и поршнем на погрешность измерения при условии свободного движения поршня в потоке жидкости. Анализируется рабочий процесс поршневого расходомера и предлагаются пути повышения точности измерения.

Ключевые слова: точность измерения, поршень, расходомер, жидкость, сопротивление.

F.F. Romanov

, A.V. Palitsyn

THE INFLUENCE OF THE PARAMETERS OF THE FUEL PISTON FLOWMETER ON THE ACCURACY

OF MEASUREMENT

The article deals with the theory of the piston flowmeter. The epure of speeds is considered and the influence of the clearance availability between the measurement cylinder wall and the piston on the error in measurement under the condition of the free movement of the piston in the liquid stream is analyzed. The working process of the piston flow- meter is analyzed and the ways of increasing the accuracy of measurement are offered.

Key words: accuracy of measurement, piston flowmeter, liquid, resistance.

Расход топлива дизельных двигателей является одним из основных критериев оценки эффективности эксплуатации МТА. Данный параметр при различных режимах загрузки ДВС МТА позволяет решать целый комплекс управленческо-организационных задач:

- контролировать и управлять режимами работы двигателя трактора и машинно-тракторного агрегата (МТА);

- организовать систему технического обслуживания по нарастающему итогу расхода топлива;

- осуществить диагностику технического состояния двигателя по расходу топлива на фиксированных режимах;

- произвести оценку эффективности использования МТА по отношению времени его работы с нагрузкой выше минимально допустимой к общему времени работы.

Для быстрого и точного измерения расхода топлива необходим расходомер, конструкция которого учитывала бы специфические особенности движения топлива в системе питания дизельного двигателя. Движение топлива изменяется по циклическому, пульсирующему закону, подача топлива в цилиндры двигателя осуществляется порционно и на этот процесс накладывается режим работы топливоподкачивающей помпы.

В настоящее время применяют различные типы расходомеров: ротационный, мембранный, турбинный, поршневой и т.д. Опыт показывает, что наибольшей точностью обладают поршневые расходомеры. В расходомере поршневого типа учет расхода топлива сводится к измерению единичного объема жидкости и подсчету количества этих единичных объемов. Варианты технического исполнения различны, но алгоритм измерения неизменен [1-3].

Измерение расхода топлива поршневыми расходомерами сопровождается погрешностями, причинами появления которых являются, как конструкция расходомера, так и пульсирующий характер движения топлива в трубопроводе. Пульсации расхода топлива связаны с особенностями работы системы питания дизельного двигателя, они принципиально неустранимы, как и погрешности, вызываемые ими. Например, в расходомере ИПД-3 конструкции ГОСНИТИ частично удалось снизить пульсации топлива в трубопроводах. Компенсируя пульсации топливоподкачивающей помпы за счет увеличения диаметра присоединительных трубопроводов, выполняющих роль ресивера, и составляющая пульсации расхода от ТНВД остается. Погрешности же, зависящие от конструкции расходомера, могут быть изучены и снижены совершенствованием конструкции, а если они носят систематический характер, то введением компенсирующих поправок.

Основными узлами расходомера являются мерный цилиндр, в котором возвратно-поступательно движется поршень, датчики, определяющие крайние положения поршня, клапаны, управляющие потоком топлива для осуществления возвратно-поступательного движения поршня, схемы управления клапанами и определения результатов измерения. Эти узлы в той или иной степени при измерении расхода вносят погрешности, но наибольшее внимание уделяют погрешностям, возникающим в паре «мерный цилиндр - пор-

шень». Для снижения погрешности эту пару выполняют с высокой точностью, достигаемой при штучном изготовлении притиркой пары, при массовом производстве - селективной сборкой. Все это увеличивает стоимость расходомера.

Для удешевления расходомера заменяют пару «мерный цилиндр - поршень» на две камеры, разделенные гибкой мембраной, при сохранении всех остальных узлов [1]. Это решение исключает погрешности, вызванные утечками жидкости при движении поршня из одной мерной полости в другую, но возникают погрешности, связанные с нестабильностью процесса прогиба мембраны при заполнении мерных камер жидкостью.

Необходимо изучить, как влияет наличие зазора между стенкой мерного цилиндра и поршнем на погрешность измерения при условии, что поршень движется в потоке жидкости свободно. Схема движения поршня и эпюра скоростей жидкости в зазоре приведены на рис. 1.

Известно, что при движении жидкости вдоль стенки образуется пристеночный слой, толщина которого зависит от свойств жидкости и может составлять несколько десятых долей миллиметра. Распределение скоростей жидкости в пристеночном слое чаще всего описывают параболой. Если же зазор Д меньше или существенно меньше толщины пристеночного слоя, то эпюру распределения скоростей можно принять линейной. Тогда скорость движения жидкости, если известен ее расход Qж, можно определить, учитывая два сечения: одно по кругу с радиусом Гп; второе - кольцевое по зазору Дп.

Рис.1. Схема движения поршня и эпюра скоростей жидкости в зазоре Расход жидкости:

°ж = °жп + ОжА (1)

(У/1_ (У/1_ АI (У/1_ 1_ \

или

О = V 7тг 2 + 2тг А = 7гУ г (г + А ) ■ (2)

Тогда скорость движения жидкости будет:

V = V =____________________°ж"_____________________________________________________■ (3)

ж п Ґ . Л \

7гп (гп +Ап )

При определении скорости жидкости было сделано упрощение расчета площади кольцевого зазора, так как зазор существенно меньше радиуса поршня.

Определение расхода жидкости по скорости движения поршня Уп и сечению мерного цилиндра будет давать завышенные результаты, так как

Уп — Уж > Уж.ср..

Погрешность определения расхода может быть определена следующим образом:

АО = О - О (4)

В относительных единицах:

— О'^ 0ж.изм. 1 ^‘тр^/Г ж 1 . (5)

О Л V V

Ъ^ж тр ж.ср. ж.ср.

V

Ож

:ж.ср.

К(гп + А п )'

(6)

Подставляя в (5) выражения (3) и (6), получим:

'У 'У

§0 — 1 ОжМ'п + А п ) — 1 (гп + А п ) —

^'п (гп + Ап )0ж Гп (гп + Ап )

1

г„ 2 + 2г А,, +А„ 2

'

+ Гп А п

'

п

2гп А п

'

п

г А

г п^ п

+ Гп А п

г

+ Гп А п

А

г (г +А )

п п п

Гп +А п

А

(7)

Погрешность измерения расхода на основе измерения скорости перемещения поршня носит систематический характер и определяется в пределах принятого допущения о линейности распределения скоростей в зазоре только геометрией сопряжения «трубопровод - поршень». Она не зависит от свойств жидкости, поэтому может быть скорректирована.

Несмотря на то что поршень движется с той же скоростью, что и жидкость, для его перемещения необходимо преодолевать силу трения слоев жидкости в зазорах между трубопроводом и поршнем. При этом на поршне создается определенный перепад давления Др. Для определения этих параметров воспользуемся известным выражением, описывающим возникновение сил трения в ньютоновской жидкости, принимая зависимость изменения скорости движения жидкости в зазоре линейной (рис. 1). Если жидкость, движущуюся у стенки, разбить на слои, то сила сопротивления, возникающая между слоями, будет равна:

dV

ЛН

(8)

где Э - площадь соприкосновения слоев; ц - динамический коэффициент вязкости жидкости; dV/dh -градиент скорости; dV - разность скоростей соседних слоев; dh - расстояние между осями соседних слоев. Отсюда

Г — 8 ^ — 27Г I ^ _Уж1 —

п пб ' тт п п ' А А

ЛН А п А п

(9)

Перепад давления, необходимый для перемещения поршня, определится следующим образом:

— Гп — 2Жп КЛ.щУп — 21 пЛж^ . (10)

Ар

S,

п п /ж п л 2 А п^п

п / ж п

г А

пп

Подставляя в выражения (9) и (10) значение скорости поршня, определяемое выражением (3), можно получить зависимость силы сопротивления движению поршня и необходимого для его движения перепада давления от расхода жидкости:

2

^ ^ 2 1 п П. ж ж ■ --- 21 п П гж ж -

(11)

Ап^п (Гп +Ап ) Ап (Гп +Ап )

(12)

Выражение (12) показывает, что при постоянном расходе жидкости перепад давления пропорционален длине поршня и обратно пропорционален зазору между стенкой трубопровода и поршнем. Наиболее значительное уменьшение перепада давления происходит при увеличении радиуса поршня: перепад давления обратно пропорционален его третьей степени.

Следует отметить, что перепад давления Др для перемещения поршня длиной 1п в трубопроводе диаметром с1 близок к потере давления при движении жидкости в этом же трубопроводе на такой же длине.

Выражение (12) справедливо лишь при концентричном движении поршня относительно мерного цилиндра. Под действием сил, например, силы тяжести поршня, при горизонтальном положении трубопровода поршень может двигаться эксцентрично по отношению к трубопроводу. В этом случае сила и перепад давления, необходимые для перемещения поршня, будут зависеть от его смещения относительно оси мерного цилиндра. Схема движения поршня приведена на рис. 2.

Примем длину поршня равной 1п, а распределение скоростей жидкости в зазоре ДЕ аналогичным распределению, приведенному на рис. 1.

Для определения силы, необходимой для перемещения поршня, выделим на боковой поверхности поршня полосу длиной 1п и шириной С1, находящейся под углом ф к вертикали (начало отсчета угла ф выбрано условно). Тогда элементарная сила, возникающая на этой полосе, принимая во внимание выражение (8), определится так:

Д+є

Д-і

Рис. 2. Схема движения смещенного поршня

(13)

Выразим текущее значение зазора Д через угол ф, зазор Дп при концентричном положении поршня и эксцентриситет £. В первом приближении:

А —А +ЄСОБЮ- (14)

Є п г

Очевидно также, что сії — г (ію ■ (15)

п *

Тогда

сіР — п ї г сію-----------Vn---------— п ї г ------------------------сію' (16)

1 п п А , п п Л

А п +єе о$>ф А п +ЄС о$>ф

Сила сопротивления движению поршня равна интегралу от выражения (16).

, 2ж 2ж V

Еп — і — і Пж1п гп ---------п-------ію —

0 0 Ап +ЄСО$Ю (17)

1 ію

— П ї г V ---- і

:ж п п п \ ~ €=•

Ап 0 1+— СОЭР

А

Обозначим отношения е/Д как K и вычислим интеграл, входящий в выражение (17). Для этого произведем замену переменных и пределы интегрирования [4].

р 1—/ у 2Л/

г — созр —----------; Лр —--------

2 1+г2 1+г2

2л Лр л dV 2л Лр

/------—-------— /----------------+ /------—------—

о 1+К со&р о1+К со&р 7т 1+К со^р

+^ 2Лг о 2Лг

^ 1__________________/2 + 1____________________-2

0 (1+г 2)(1+К -—2) “ (1+г 2)(1_ К -—2)

1+г 2 1+г 2

+ о

2іг + 0 2іг

-О 1+г 2 + к - кг 2 і г 2 (1-к )+1+к

1-к -о г 2 + 1 1 к 1-к 1+к 1+ к

1-к \л-к Л/1

_ К V 1—К

_ 2 2л (18)

Л/(1_К)(1+К) 2 2 Л/(1_К)(1+К) '

Подставим значение интеграла в выражение (17), восстановив исходное значение К, получим выражение для силы:

-Щ—'’ _ 7 Т г 1 2л

п —^жп Гп п а I ^ ^ ■ (19)

% (1_^)(1+^)

V А п Ап

Для определения влияния эксцентриситета е на величину силы перепада давления, необходимых для перемещения поршня, исследуем переменную часть выражения (19).

+ о

о

При отсутствии эксцентриситета, то есть е ^ 0:

(20)

и выражение (19) превращается в (9).

При увеличении эксцентриситета до максимума, то есть е ^ Д:

(21)

а это значит, что сила и перепад давления, необходимые для перемещения поршня, стремятся к бесконечности.

Реально при смещении поршня от центра трубопровода в наиболее узкой части зазора за счет искажения эпюры скоростей жидкости (средняя скорость жидкости в широкой части зазора больше, чем в узкой) возникает сила, препятствующая дальнейшему увеличению эксцентриситета, и рост силы и перепада давления, необходимых для перемещения поршня, прекращается. При этом через увеличенную часть зазора утечки жидкости возрастают, увеличивая погрешность измерения расхода. Увеличению утечек способствует и увеличение силы и перепада давления, необходимых для перемещения поршня, при его смещении от центра мерного цилиндра. [5].

Для того чтобы устранить основные причины смещения поршня в трубопроводе, необходимо, чтобы объемная плотность поршня была равна или близка к плотности жидкости, в которой движется поршень.

С учетом специфики работы топливной системы дизельного двигателя и математических моделей работы измерительной системы «гильза - поршень» на факультете механизации ВГМХА им. Н.В. Верещагина был разработан, сконструирован и испытан опытный образец поршневого расходомера.

В программу экспериментальных исследований входили:

1 - получение исходной информации для моделирования процессов в измерительной системе «гильза - поршень» при ламинарном и пульсирующем потоке движения топлива в трубопроводе;

2 - проверка достоверности модели процессов в измерительной системе «гильза - поршень»;

3 - сбор статического материала с целью определения оптимальных типоразмерных параметров в измерительной системе «гильза - поршень»;

4 - повышение точности поршневого расходомера в пульсирующих потоках.

В качестве объекта исследования принят экспериментальный поршневой расходомер. Программа эксперимента включала проведение следующих видов испытаний:

1 - испытание расходомера в ламинарном потоке топлива;

2 - испытание расходомера в пульсирующих потоках топлива в трубопроводе. Для этого был собран макет системы питания дизельного двигателя на топливном стенде ДД 10-01, состоящий из топливного насоса УТН-5 с топливоподкачивающей помпой, комплекта форсунок, топливного фильтра, расходомера и мерного цилиндра;

3 - испытание расходомера на натуральном объекте, определение эффективности его применения на примере дизельного двигателя Д-240, СМД-62.

Поршневой расходомер был установлен непосредственно на двигатель трактора в промежутке между фильтром грубой очистки топлива и топливоподкачивающей помпой. Система топливоподачи выполнена по одноконтурной схеме. При этом расходомер является элементом индивидуальной системы контроля за работой машинно-тракторного агрегата. Информация с расходомера преобразуется и отображается интегрирующим счетчиком импульсов или компьютером, который выдает оптимальную (расчетную) и действительную характеристику загрузки МТА по ряду рабочих параметров.

Производственные испытания поршневых расходомеров, как средства индивидуального контроля МТА, в хозяйствах Вологодской области ПЗК имени 50-летия СССР и СПК «Русь» дали положительные результаты. Например, в ПЗК имени 50-летия СССР применение МТА, оснащенных поршневым расходомером, на транс-

портных работах позволило сэкономить до 5% дизельного топлива, а на пахоте экономия достигала 21%. В СПК «Русь» экономия составила 8 и 17% соответственно.

Выводы

Поршневые расходомеры могут быть достаточно точными при наличии зазора в измерительной системе «гильза - поршень».

Минимум погрешности измерения при прочих равных условиях может быть достигнут при объемной плотности поршня, близкой к плотности жидкости.

Литература

1. Глотов, С.В. Оценка эффективности функционирования тракторов / С.В. Глотов. - Саранск: Красный Октябрь, 2003.

2. Иофинов, С.А. Приборы для учета и контроля работы тракторных агрегатов / С.А. Иофинов, Х.М. Рай-

хлин. - Л.: Машиностроение, 1972.

3. Кремлевский, П.П. Расходомеры / П.П. Кремлевский. - М.: Машгиз, 1963.

4. Корн, Г. Справочник по математике для научных работников и инженеров / Г. Корн, Т. Корн. - М.: Нау-

ка, 1978. - 831 с.

5. Угинчус, А.А. Гидравлика / А.А. Угинчус, Е.А. Чугаева. - Л.: Стройиздат, 1971.

УДК 631.3 Н.И. Селиванов

РАСШИРЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛЬНЫХ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ТРАКТОРОВ

Обосновано расширение потенциальных тягово-скоростных диапазонов использования сельскохозяйственных тракторов общего назначения с разными типами движителей рациональным изменением массоэнергетических параметров.

Ключевые слова: возможность, тяговая сила, масса тракторов, мощность управления, повышение скоростных возможностей двигателя, балласт.

N.I. Selivanov AGRICULTURAL TRACTORS POTENTIAL EXPANSION

The potential expansion of the draught-speed ranges in tractors of general application with different types of engine by means of mass and energy parameters is substantiated.

Key words: range, draught power, mass of the tractors, operation power, engine speeding up ballasting.

Создание тракторов тягово-энергетической концепции для эффективного использования в тяговом диапазоне 2-3-х смежных классов требует обоснования наиболее рациональных методов достижения оптимальных массоэнергетических параметров в зависимости от их назначения и типа движителя.

У колесных тракторов общего назначения в основу повышения тягово-сцепных показателей указанной концепции положены следующие принципы:

а) кратное увеличение эксплуатационной массы тъ установкой сдвоенных колес с корректировкой нагрузки на опорные колеса навесной машины;

б) дополнительное увеличение массы трактора со сдвоенными колесами балластными грузами массой тб или навешиванием технологической части МТА.