Повышение надежности электромагнитной системы автомобильных стартеров

Важным показателем развития и качества автомобильного транспорта является эксплуатационная надёжность, на которую значительно влияет система пуска двигателя: аккумуляторная батарея (АБ), двигатель постоянного тока (ДПТ) и система управления.

Реализация задач по улучшению работы автомобилей требует дальнейшего повышения качества и надёжности системы электростартерного пуска двигателей (СЭСП), что способствует повышению конкурентноспособности автомобилей.

По результатам наблюдений автомобилей семейства ВАЗ-2110 в гарантийный период эксплуатации, на СЭСП приходится самый большой относительный процент рекламаций, равный 16−18%. Ежегодно, по экспертным оценкам, возникает отказ в работе 250−300 тыс. стартеров по причинам разрушения коллектора (42%), пробоя корпусной изоляции (20%), межвиткового замыкания обмоток (7%), механических поломок якоря и механизмов привода (2−7%), неисправности тягового реле стартера (0,7%), в том числе вследствие многократных коммутационных воздействий.

Повышение интенсивности эксплуатации автомобилей, внедрение электронных систем управления двигателем автомобиля, работа стартера в стоп-стартовом режиме увеличивает количество нарушений работоспособности, снижает вероятность безотказной работы (ВБР) по причине недостаточной стойкости электромагнитной системы (ЭМС) к многократным пусковым воздействиям, недостаточного запаса в динамических режимах. Следовательно, необходимо детальное исследование вопроса влияния пусковых режимов на надёжность ЭМС стартера, что и определяет научную актуальность диссертационной работы.

Динамические свойства учитываются при разработке новых моделей электростартеров tjxBosch (Германия), GM (США), Valeo (Франция), Hitachi.

Япония), завода им. Тарасова (г.Самара, Россия). В генеральном департаменте развития ВАЗа (г.Тольятти, Россия) выполняются работы по перспективным гибридным энергоустановкам, использующим индукционно-динамическую (ИДД), либо асинхронную (АД) электрические машины в качестве стартера и генератора. Комбинированные энергоустановки устанавливаются на экспериментальные автомобили Rover-MG TF 200 HPD (Англия), Honda-FCX (Япония). При переходе СЭСП с двигателя постоянного тока на ИДД или АД, динамические воздействия перераспределяются с коллекторно-щёточного узла на ЭМС, что подтверждает актуальность научного исследования динамических свойств ЭМС ЭСП.

Своевременное определение и предотвращение аварийных режимов работы СЭСП, окажет существенное положительное влияние на технико-экономические показатели эксплуатации при многократных пусковых режимах, стоп-стартовом режиме, гибридных энергоустановках.

Основными направлениями увеличения ВБР СЭСП являются оптимизация и изменение электротехнических параметров ЭМС, позволяющие повысить ВБР в стационарных режимах. При этом не учитываются особенности работы в переходных динамических режимах. Не исследованы вопросы накопления остаточных деформаций ЭМС стартера и изменение параметров при эксплуатации.

Разработка методов, позволяющих добавить значимые диагностические параметры ЭМС стартера, увеличить ВБР, уменьшить интенсивность отказов, средств идентификации остаточных деформаций, снизить эксплуатационные затраты на обслуживание и ремонт СЭСП двигателя, имеет большое хозяйственное значение, что обуславливает практическую актуальность диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является повышение надёжности ЭМС стартера при многократных режимах пуска за счёт изменения характеристик и параметров параметров ЭМС по результатам теоретического и экспериментального исследования статических, динамических, эксплуатационных характеристик стартера.

Для достижения поставленной цели в работе решаются следующие научные и практические задачи:

1. Анализ методов оценки ВБР с учётом динамических свойств ЭМС стартера, методов моделирования электромагнитных процессов, методов диагностики в части эффективности и чувствительности к остаточным деформациям ЭМС.

2. Исследование переходных процессов пусковых режимов стартера и влияние его параметров на их протекание, определение систематических и случайных погрешностей для уточнения доверительного интервала измерений индуктивной и емкостной составляющих полного сопротивления ЭМС.

3. Разработка обобщённой математической модели ЭМС стартера при ресурсных форсированных испытаниях в динамических режимах.

4. Разработка математической модели стартера при определении реакций ЭМС на исследовательский импульс при вероятных остаточных деформациях, неисправностях ЭМС.

5. Разработка алгоритмов определения показателей надёжности ЭМУ СЭСП при форсированных испытаниях в многократных динамических режимах.

6. Создание экспериментальной установки, позволяющей проводить исследование ЭМС стартера в динамических форсированных режимах.

7. Разработка практических рекомендаций по изменению параметров обмоток ЭМС, по разработке элементов управления СЭСП двигателя, предотвращающих выход стартера из строя при его работе и испытаниях, повышающие его надёжность.

Вопросы испытаний и контроля СЭСП рассмотрены в работах А. Д. Борца [1], А. Х. Синельникова [2], A.M. Резника [3], В. Е. Ютта [4], В. В. Литвиненко [5], С. В. Акимова [6]. В трудах В. И. Шаховцева [7], А. Г. Сергеева [8], А.И.

Вольдека [9], В. А. Климова [10], В. И Веневцева [11] разработаны вопросы надёжности элементов системы ЭСП. Математическое моделирование электромеханических систем (двигатели постоянного тока, источники питания, измерительная аппаратура) выполнено в монографиях С. Я. Дунаевского [12], И. С. Таева [13], JI.B. Мазия [14], И. П. Беляева [15]. Моделирование элементов электроэнергетических систем представлено в работах С. Бернас и 3. Цяк [16], В. А. Веникова [17], М. С. Лысеева [18]. Особенности моделирования элементов систем ЭСП представлены в научных трудах М. Г. Калашникова [19], О. В. Арсентьва [20], О. Н. Любиева [21]. Методология планирования эксперимента рассмотрена в работах С. М. Ермакова [22], А. А. Жиглявского и В. З Бродского [23], З. И. Бежаевой [24].

В указанных работах представленных авторов рассмотрены виды, цели, особенности, режимы испытаний [1, 39]- проведение ускоренных полигонных испытания на надёжность автомобильных конструкций [26]- разработаны алгоритмы поиска неисправнрстей электрооборудования автомобилей [5]- рассматривается оборудование для испытаний элементов системы электростартерного пуска [4], представлено математическое моделирование аккумуляторной батареи [19, 27], двигателей постоянного тока [12] и систем электроснабжения испытательного оборудования [16, 28]- планирование эксперимента [22] и математическая обработка результатов испытаний [29, 30].

Однако рассмотренные в данных работах существующие методы и средства оценки технического состояния ЭМС не учитывают изменение контролируемых параметров и показателей надёжности стартера примногократных пусковых воздействиях, не учитывают ряд важных значимых факторов воздействия на ЭМС в переходных режимах для определения вероятных повреждений, остаточных деформаций. Диагностические стенды и приборы не позволяют выполнять ряд исследовательских испытаний по определению увеличения остаточных деформаций в ресурсных, форсированных режимах, в условиях интенсивной эксплуатации. Стенды предназначены для определения определённого перечня параметров (электромеханические характеристики стартера, э.д.с. и падение напряжения АБ), но не определяют некоторые параметры, существенные для многократных пусковых режимов, в частности, начальную, текущую и остаточную деформацию ЭМС стартера.

Для решения задачи оценки величины накопления остаточных деформаций необходимо производить измерения в переходных режимах работы. Основы динамических измерений рассматриваются в работах российских учёных А. Н. Крылова, А. А. Харкевича, А. С. Немировского [31], Б. А. Школьник [32], В. А. Грановского и О. А. Кудрявцева [33, 34, 35], зарубежных учёных H. Dallmann, W. Gitt, D. Hofmann [36] и др. В методах исследования динамических процессов используется различный математический аппарат, позволяющий получать различные математические модели исследуемых объектов: линейные и нелинейные дифференциальные и разностные уравнения, обыкновенные дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных, преобразования непрерывные и дискретные, матричное и интегральное исчисление и т. д.

Анализ научно-технической литературы в области надёжности элементов СЭСП показал, что контролируемые показатели надёжности, согласно ТУ— средний и гамма-процентный ресурс, наработка на отказ, удельная трудоемкость технического обслуживания и текущих ремонтов, не в полной мере учитывают надёжность при многократных пусковых воздействиях на элементы СЭСП. При этом ВБР не учитывается, поскольку не определяются показатели надёжности в коммутационных режимах, и позволяет учесть влияние переходных процессов пусковых режимов в части оценки накапливания отрицательных изменений в изоляции при многократных импульсных воздействиях.

Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Работы выполнены на кафедре «Автотракторное электрооборудование» Тольяттинского государственного университета в период с 2000 по 2004 год.

выводы.

По результатам экспериментальных исследований сделаны следующие выводы:

1. Испытания стартеров в статических режимах, проводимые в процессе заводских испытаний, не могут в полной степени характеризовать их эксплуатационные качества и технический уровень разработки. Для более полной и объективной оценки этих характеристик необходим контроль динамических параметров стартеров.

2. В число динамических параметров, подлежащих контролю, следует отнести как электрические величины, характеризующие изменение потоков, напряжений, мощности при запуске двигателя, так и неэлектрические величины, характеризующие динамику поведения деталей привода МСХ.

3. Несмотря на то, что графики распределения показателей надёжности приборов электрооборудования по форме напоминают известные законы распределения, например ВБР АБэкспоненциальный, использовать их для описания функций распределения невозможно вследствие высокой надёжности приборов электрооборудования, т. е. незначительного изменения показателя надёжности за длительный период эксплуатации.

4. Для составления аналитического выражения графиков распределения показателей надёжности приборов электрооборудования предпочтительно использовать их разложение в ряд Фурье.

5. Результаты испытаний на надёжность элементов электрооборудования автомобилей семейства ВАЗ позволяют сделать выводы: а) установлено, что с увеличением продолжительности испытаний от поступления на испытание до наработки половины ресурса показатели надёжности изменяются следующим образом:

— увеличивается общее количество отказов и вероятность отказа;

— параметр потока отказов и интенсивность отказов резко увеличивается в интервале наработки соответствующей 0.3 тыс. км пробега автомобиля, резко уменьшаетсяот 3 до 10 тыс. км пробега, затем плавно уменьшается до пробега автомобиля, соответствующего наработки половины ресурса;

— уменьшаются: средняя наработка на отказ, вероятность безотказной работы, наработка до первого отказаб) для системы ЭСП двигателей автомобилей семейства ВАЗ-2110 показатели надёжности изменяются в следующих пределах: вероятность безотказной работы от 1 до 99,33−10″ - вероятность отказа от 0 до 0,15−10″ - параметр потока отказов от 0 до 47−10″ 7 км" 1- интенсивность отказов от 0 до.

7 1 о.

47−10' км" - средняя наработка на отказ от 0 до 4,0−10 кмнаработка до первого отказа от 0 до 8000 кмв) наибольшие количество отказов системы ЭСП автомобилей и интенсивность приходятся на интервал пробега от 0 до 10 тыс.км.

6. Рекомендовано для повышения надёжности работы СЭСП при эксплуатации автомобиля, перед установкой стартера на двигатель проводить его обкатку в форсированном режиме до наработки равной 5 тыс. км пробега автомобиля, позволяющую выявить вероятные отказы.

7. Для стартера 29.3708 рекомендовано: увеличить индуктивную составляющую полного сопротивления ЭМС на 12−16% для снижения максимальной амплитуды пускового токаиспользовать в системе управления стартером УООД, позволяющее оптимизировать время и динамику включения стартера. Для стартера 52.3708 рекомендовано: уменьшить емкостную составляющую полного сопротивления ЭМС на 8−10% для снижения максимальной амплитуды пускового тока.

8. Увеличение толщины корпусной изоляции обмотки возбуждения на 820% позволяет увеличить фактический ресурс работы стартера на 18−30%, что обеспечит требуемый ресурс 5000 запусков с вероятностью 0,95.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Результатом проведённого исследования является следующие.

1. Использование математической модели электромагнитной системы стартера с учётом ёмкостных и индуктивных связей между элементами ЭМС позволяет учитывать влияние состояния обмоток стартера (межвитковое замыкание, обрыв проводников, замыкание на корпус) на динамические режимы работы стартера, по реакции обмоток на испытательный импульс определять токи в изоляции стартера, величину отклонения параметров (деформации) ЭМС стартера.

2. Основная погрешность расчёта установившегося тока стартера для номинальных параметров — Ai=3,23А или 4,61%- при их увеличении на 20% — Zl/—4,01 А или 5,72%- при их уменьшении на 20% - Ai=2,65A или 3,78%. Основная погрешность расчёта напряжения на стартере при импульсных воздействиях составляет в интервале времени до 10 мкс. — 20-К30%- от 10 до 39 мкс.-4−5-18%.

3. Использование в качестве критерия надёжности остаточной деформации ЭМС стартера, рассчитываемой в процессе испытания по реакциям обмоток на исследовательский импульс, а ВБР в качестве основного показателя надёжности позволяет при ограниченном объёме выборки, в обычных и форсированных режимах испытаний проследить динамику снижения надёжности ЭМС, оценить текущее состояние и спрогнозировать время отказа.

4. Установлено, что отклонение индуктивной составляющей полного сопротивления ЭМС более чем на 2% снижает ВБР стартера на 20−24%, отклонение емкостной составляющей на 6−8% снижает ВБР стартера на 15%.

5.

Введение

раздельного резервирования элементов СЭСП повысило ВБР на 5,73%- введение индикации неисправности увеличило коэффициент готовности на 4,6%- контроль и учёт остаточных деформаций ЭМС стартера в системе управления ЭСП двигателя, позволяет повысить ВБР стартера для заданной наработки на 24. .32% или повысить ВБР СЭСП на 8. .12%.

6. Для стартера 29.3708 рекомендовано: увеличить индуктивную составляющую полного сопротивления ЭМС на 12−16% для снижения максимальной амплитуды пускового токаиспользовать в системе управления стартером УООД, позволяющее оптимизировать время и динамику включения стартера. Для стартера 52.3708 рекомендовано: уменьшить емкостную составляющую полного сопротивления ЭМС на 8−10% для снижения максимальной амплитуды пускового тока.

7. Разработаны устройства и методика управления ЭСП двигателей, предотвращающие работу стартера в аварийном режиме, позволяющие определять отклонение параметров ЭМС, прогнозирующие их надёжность, осуществляющие непрерывный контроль работоспособности элементов ЭСП двигателей.