Совершенствование методики и средств диагностирования тракторных двигателей с турбонаддувом

Основой агропродовольственной политики на современном этапе развития страны является ускорение темпов роста объемов сельскохозяйственной продукции, повышение её конкурентоспособности, интеграция в мировое сельскохозяйственное производство и рынки продовольствия /11,14/.

Для производства сельскохозяйственной продукции применяют современные машинные технологии. Эксплуатация машин сопровождается процессами изнашивания, физическим и моральным старением. В результате ухудшаются технико — экономические показатели использования техники. Для поддержания машин в исправном состоянии необходимо управлять их техническим состоянием, своевременно и качественно проводить технические обслуживания и ремонты, осуществлять хранение техники при оптимальном расходовании трудовых и материальных ресурсов.

Огромный технико-экономический эффект даёт внедрение диагностирования — важной составной части планово-предупредительной системы технического обслуживания и ремонта машин. Оно позволяет полнее использовать межремонтный ресурс машин, устранить необоснованную разборку механизмов, сократить простои по техническим неисправностям, снизить трудоёмкость ремонта и технического обслуживания, поддерживать мощность и экономичность тракторов /15/.

Техническое диагностирование позволяет прогнозировать ресурс объекта диагностирования до очередного ремонта в соответствии с поставленным диагнозом и наработкой от начала эксплуатации новой или отремонтированной машины. Оно дает возможность не только определять техническое состояние составных частей машины, но и устанавливать виды и объёмы ремонтных работ безразборными методами, осуществлять переход на ремонт сложных машин агрегатным методом.

Вопросами диагностирования энергетических параметров двигателей занимались (ЛСХИ, БИМСХ, ГОСНИТИ, НАТИ, ГрузНИИМЭСХ, ВИМ,.

ВНИПТИМЭСХ, СибИМЭ) Иофинов С. А., Шхвацабая Г. Я., Ждановский Н. С, Вельских В. И., Райхлин Х. М., Коробочкин И. В. Змановский В.А., Лившиц В. М., Чувиков И. А., Рехтин A.C. Попов И. Е., также работа по данным вопросам велась на кафедре ЭМТП ФГОУ ВПО АЧГАА, Щетининым Н. В. и Арженовским А.Г.

Наибольший вклад в разработку методов и средств ТО и диагностирования внесли сотрудники Всероссийского научно-исследовательского технологического института ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка (ГОСНИТИ).

Простой бестормозной метод диагностирования мощности основан на использовании механических потерь в отключенных цилиндрах в качестве нагрузки работающих цилиндров. Данный метод, разработан проф. Н. С. Ждановским. Мощность работающих цилиндров определяют на режиме перегрузки по частоте вращения коленчатого вала/16,18,39,42,106/.

В Сибирском филиале ВИМа разработан метод измерения мощностных параметров двигателей, основан на оценке динамических характеристик двигателя в неустановившихся режимах — при разгоне или выбеге, разработанный Ждановсим Н. С. совместно с Змановским В. А. и Лившицем В.М.

Широкое применение средств диагностирования обеспечило на практике увеличение использования ресурса и сокращения эксплуатационных издержек контролируемых деталей их соединений, систем тракторов и комбайнов в среднем на 30%. Разрабатываются технологии диагностирования тракторов и комбайнов по измеряемым диагностическим параметрам и качественным признакам /41/.

Задачи диагностирования непосредственно зависят от области его применения и назначения.

Диагностирование проводят как при техническом обслуживании, так и при ремонте.

При техническом обслуживании задачи диагностирования заключаются в установлении: необходимости отправки машины или её составных частей на специализированное ремонтное предприятие для проведения капитального ремонтапотребности в текущем ремонте машины или её составных частейработоспособности механизмов и систем машиныперечня работ, которые необходимо выполнить при очередном техническом обслуживании.

Перечисленные задачи выполняются полностью или частично в зависимости от конкретного вида работ, предусмотренных системой технического обслуживания и ремонта машин.

Диагностирование тракторов проводится при всех видах периодического технического обслуживания, при технических осмотрах, простоях машин по техническим причинам, после окончания нормативного межремонтного периода, при оценке качества ремонта.

При техническом обслуживании № 3 и сезонном обслуживании проверяют общее состояние всех механизмов и систем двигателя, оценивают тяговые, мощностные и экономические показатели, которые являются основными обобщенными показателями его технического состояния. Проверка мощности и топливной экономичности двигателя позволяет обнаружить неисправности и нарушение регулировок в системе питания двигателя /84,37/.

В последние годы наблюдается тенденция оснащения сельскохозяйственных предприятий тракторами отечественных и зарубежных марок оборудованных газотурбинными нагнетателями, отличающимися высоким техническим уровнем. Поэтому изучение методов и средств диагностирования дизельных двигателей с газотурбинным наддувом является важной народнохозяйственной задачей.

На современном этапе развития широкое распространение получили бестормозные методы диагностирования, отличающиеся своей простотой и доступностью применения в рядовых хозяйствах. Наиболее перспективными являются бестормозные методы, основанные на оценке динамических характеристик двигателей с турбонаддувом/11/.

По мере развития методов и средств диагностики необходимость обслуживания и ремонта будет определяться не опытно-статистическими показателями периодичности, а на основе диагностирования и учета особенностей состояния двигателей с газотурбинным наддувом.

На основании выше изложенного объектом исследования является процесс диагностирования тракторного двигателя с турбонаддувом и средства для определения энергетических и топливо-экономических показателей его функционирования.

Предметом исследований являются закономерности, описывающие изменения основных показателей двигателя с газотурбинным наддувом от давления наддува при его разгоне.

В качестве рабочей гипотезы выдвинуто предположение о том что, точность определения основных показателей двигателей с ГТН основанной на оценке его динамических характеристик может быть повышена путем учета закономерностей изменения давления наддува и уточненной величины приведенного момента инерции двигателя.

В соответствии с рабочей гипотезой целью работы является повышение точности, снижение трудоёмкости и производственных затрат при определении основных показателей тракторных двигателей с турбонаддувом путём совершенствования методики и средств диагностирования в производственных условиях.

Для достижения поставленной цели потребовали решения следующие задачи исследований:

1. Обосновать применимость бестормозных методов диагностирования двигателей тракторов в режиме свободного разгона при переходном процессе с газотурбинным наддувом (ГТН);

2. Разработать методику и средства диагностирования двигателей с газотурбинным наддувом по ускорению коленчатого вала и давлению наддува;

3. Разработать способ определения момента инерции двигателя в производственных условиях;

4. Обосновать экономическую целесообразность применения предлагаемой методики и средств измерения.

В первой главе диссертации «Анализ существующих методов и средств диагностирования основных показателей дизельных двигателей» изложены результаты анализа известных технических решений в данной области, дан анализ методов диагностирования основных показателей дизельных двигателей. Анализ показал, что диагностирование двигателей тормозными методами являются более точными, но требуют дорогостоящего оборудования, существенных затрат и усилий на их подготовку и проведения. Бестормозные методы, уступая по точности тормозным, не требуют сложного и дорогого оборудования, отличаются простотой и доступностью применения в условиях рядовых хозяйств.

Во второй главе «Теоретическое обоснование методики и средств диагностирования основных показателей дизельных двигателей с турбонаддувом» обоснована необходимость, совершенствования методики диагностирования энергетических показателей двигателей по ускорению коленчатого вала. Получены зависимости для определения действительного момента инерции двигателя, определения мощности двигателя с турбонаддувом, определения топливо-экономических показателей дизельного двигателя.

В третьей главе «Программа и методика экспериментальных исследований» изложены программа, общие и частные методики диагностирования основных показателей дизельных двигателей с турбонаддувом. В соответствии с программой исследований проводилось диагностирование двух двигателей с ГТН по стандартной (ГОСТ 18 509−88) и предлагаемой методикам.

Четвертая глава содержит результаты экспериментальных исследований. Установлено, что применение разработанной методики и измерительно-вычислительного комплекса с достаточной достоверностью позволяет определить энергетические и топливо-экономические показателей двигателя с турбонаддувом. Проверена адекватность закономерностей изменения давления наддува, эффективной мощности и удельного расхода топлива диагностируемого двигателя, полученных по стандартной и предлагаемой методикам.

В пятой главе «Определение технико-экономической эффективности применения разработанной методики и измерительно-вычислительного комплекса» приведен расчет эксплуатационных затрат при использовании базовой и новой методики. За базовый вариант принята стандартная методика, используемая на базе Кубанской МИС. Результаты экономической эффективности показали что использование предлагаемой методики и измерительно-вычислительного комплекса обеспечивает снижение эксплуатационных затрат на 69,1%, а годовая экономия эксплуатационных затрат составляет 374 008,86 рублей.

В представленной к защите диссертации разработана методика и скомплектован измерительно-вычислительный комплекс, позволяющие диагностировать двигатели с ГТН по угловому ускорению коленчатого вала и давлению наддува и выполнить построение полной регуляторной характеристики.

Разработанные методика и измерительно-вычислительный комплекс позволяют повысить точность определения основных показателей двигателя с газотурбинным наддувом.

Научная новизна состоит в усовершенствовании методики и средств диагностирования двигателей с турбонаддувом основанной на оценке динамических характеристик двигателя при переходном процессе и при статических режимах работы, в результате которых получены:

— аналитическая зависимость действительного момента инерции двигателя с турбонаддувом от номинального ускорения коленчатого вала при разгоне двигателя без маховика и с маховиком с известным моментом инерции;

— зависимость давления наддува от частоты вращения коленчатого вала двигателя при разгоне трактора на всем диапазоне угловых скоростей;

— зависимость эффективной мощности двигателя с турбонаддувом от давления наддува (определены частные коэффициенты уравнения регрессии для двигателей СМД-62, с помощью которых корректируется значение мощности, полученное в режиме свободного разгона двигателя);

— зависимости для определения топливо-экономических показателей, на всем диапазоне угловых скоростей.

На защиту выносятся следующие научные результаты:

1. Теоретические предпосылки определения основных показателей двигателя с ГТН по ускорению коленчатого вала и давлению наддува.

2. Модели технических средств, позволяющие диагностировать двигатели с ГТН.

3. Методика и алгоритм диагностирования двигателя с ГТН на основании закона изменения угловой скорости коленчатого вала при его разгоне и давления наддува в режиме полной загрузки двигателя.

4. Результаты сравнительного диагностирования нескольких двигателей по предлагаемой и стандартной (тормозной) методикам.

Методы исследования включали теоретические исследования с использованием законов теоретической механики, методы математической статистики, применение стандартных гостированных методик, а также частных методик, разработанных для диагностирования двигателей с газотурбинным наддувом. Расчеты и обработка результатов экспериментальных исследований выполнялись с использованием ЭВМ и пакета прикладных программ.

Достоверность основных положений и полученных функциональных зависимостей подтверждена лабораторными и полевыми экспериментальными исследованиями.

Практическая значимость. Применение разработанной методики и измерительно-вычислительного комплекса позволяют определить основные показатели технического состояния двигателя с турбонаддувом без применения тормозного оборудования, а также осуществлять постоянный контроль технического состояния двигателя на протяжении всего периода эксплуатации, что позволит:

— оценивать общее техническое состояние двигателя с ГТН в производственных условиях и принимать решения о целесообразности дальнейшей эксплуатации;

— снизить трудоемкость диагностирования основных показателей двигателя с ГТН на 25%;

— получить экономический эффект, сократив эксплуатационные затраты при диагностике одного двигателя с ГТН на 15 583,7 рублей.

Реализация работы. Результаты исследований используются в учебном процессе ФГОУ ВПО АЧГАА на кафедре «Механизация растениеводства» при проведении лабораторных работ по дисциплине «Эксплуатация машинно-тракторного парка».

Апробация. Основные положения диссертационной работы доложены и получили одобрение на научно-практических конференциях ВНИПТИМЭСХ, ФГОУ ВПО ДГТУ, ФГОУ ДПО РИПКК АПК и ФГОУ ВПО АЧГАА в 2007;2010 г. г.

Публикации. Основные результаты исследований опубликованы в 7 работах, в том числе 3 патента РФ и две работы в изданиях из перечня ВАК Министерства образования и науки РФ.

Данная работа выполнена на кафедре «Механизации растениеводства» Азово-Черноморской государственной агроинженерной академии в соответствии с научно-технической программой фундаментальных и приоритетных прикладных исследований по научному обеспечению АПК Российской Федерации и планом НИР ФГОУ ВПО АЧГАА на 2007;2010 гг.

Структура и объём работы. Работа содержит введение, пять глав, общие выводы, список литературы из 116 наименований и приложения. Диссертация изложена на 153 страницах, включает 51 рисунок и 21 таблицу.

ВЫВОДЫ И ПРЕДЛОЖЕНИЯ.

1. Существующая методика определения одномоментных номинальных показателей работы двигателя при неустановившихся режимах не соответствует динамическому процессу выполняемому им. В условиях переходных неустановившихся режимов, метод не точен и возникает необходимость разработки на его основе качественно новой методики диагностирования энергетических и топливо-экономических показателей двигателей с ГТН на всем диапазоне угловых скоростей, что позволит сократить затраты времени и трудоёмкость.

2. Методика диагностирования тракторных двигателей с турбонаддувом должна быть основана на оценке динамических характеристик по ускорению его коленчатого вала в режиме свободного разгона и давлению наддува при полной загрузке. Для реализации этой методики скомплектован измерительно-вычислительный комплекс, состоящий из персонального компьютера с разработанным программным обеспечением, платы аналого-цифрового преобразования, платы сопряжений, индукционных датчиков импульсов, датчика давления и инвертора напряжения, что позволяет определять энергетические и топливо-экономические показатели двигателя с ГТН на всем диапазоне угловых скоростей.

3. Усовершенствованная методика и предложенный измерительно-вычислительный комплекс позволяют определить значения действительных моментов инерции диагностируемых двигателей с ГТН в широких пределах от 2 кг • м2 до 8 кг • м2 и получить полную регуляторную характеристику их в производственных условиях.

4. Установлено, что эффективная мощность двигателя с турбонаддувом зависит от давления наддува на всем диапазоне угловых скоростей и описывается полиномом 2ой степени Ые = а • Л/|н + /? • Л^БН • рн + С, частные коэффициенты которого определяются экспериментально для каждой марки двигателя. Например, для двигателей марки СМД-62 эти коэффициенты составляют: а = 0,6 441- /? = 0,3 135- С = 55,761.

5. При использовании усовершенствованной методики диагностирования тракторного двигателя с турбонаддувом в производственных условиях затраты времени и труда снижаются в среднем на 25%, а трудоемкость диагностирования одного двигателя с ГТН с 8 чел-ч./шт. до 6 чел-ч./шт.

6. Экономия средств при использовании разработанной методики и измерительно-вычислительного комплекса может составить более 374 тысяч рублей в год.