автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для оценки прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания по параметрам вибраций

гсс:. ■ . ■ »мм ля

БЛЬ.чиО Тй&Л

На правах рукописи

КРИВОЛАПОВ Вячеслав Павлович

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ ВИБРАЦИЙ

Специальность 05.11.16 -

Информационно - измерительные системы г-

I

У

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

САМАРА - 1998

Работа выполнена на кафедрах "Автоматика, телемеханика и связь на желе: нодорожяом транспорте" и "Локомотивы" Самарского института инженеров ж« лезнодорожного транспорта им. М.Т.Елизарова.

Научный руководитель: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор КОПЕЙКИН Сергей Владимирович

Официальные оппоненты: заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор КОНЮХОВ Николай Евгеньевич

кандидат технических наук, доцент БУКАНОВ Федор Федорович

Ведущее предприятие: Куйбышевская железная дорога

Защита состоится "// "Фа&^апэ 1999г. ь^С час. на заседании диссертацион ного совета Д 063.16.01 при Самарском государственном техническом универси тете по адресу: 443010, Самара, ул. Галактионовская, 141, ауд.23.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государст венного технического университета по адресу: ул. Первомайская, 18.

Автореферат разослан " '¿р&^аХ^Р 1999г.

"(о "лкИа^

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 063.16.01 кандидат технических наук, доцент ^ В.Г. Жиров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Прогресс в машиностроении в значительной степени связан с созданием высокоэффективных и надежных машин и механизмов. Для успешного решения проблемы обеспечения высокого качества и надежности при разработке, производстве и эксплуатации разнообразных технических устройств и систем различных типов большое значение имеют средства информационно - измерительной техники, в том числе с применением микропроцессорных систем и микро-ЭВМ.

Повышение эффективности промышленных объектов идет по пути совершенствования как самих технологических процессов и оборудования, так и процессов управления ими с целью снижения издержек производства. Особое внимание уделяется повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и связанных с ними экологических показателей машин и механизмов. Поэтому, перед машиностроением поставлена задача создания и внедрения средств технического диагностирования и определения остаточного ресурса машин и оборудования.

Наиболее важными показателями двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются надежность и эффективность функционирования, а также экологические показатели. Эти параметры формируются на стадии разработки и изготовления ДВС и реализуются в период эксплуатации. Однако в процессе эксплуатации в результате физических, химических и других воздействий техническое состояние узлов, блоков и систем ДВС ухудшается, что приводит к постепенным и внезапным отказам,

Для предупреждения отказов была разработана и внедрена в производство планово-предупредительная система технического обслуживания и ремонта двигателей. Эта система обладает рядом недостатков, основным из которых является то, что она не учитывает реального технического состояния ДВС.

Качество работы топлнвной аппаратуры (ТА) в значительной степени определяет эффективность работы двигателя и его экологические показатели. В то же время, ТА представляет собой один из наименее надежных узлов ДВС, на техническое обслуживание, которого затрачиваются значительные средства. Поэтому, определение и прогнозирование технического состояния ТА ДВС

представляет собой актуальную задачу.

Одним из очень важных требований, предъявляемых к системам диагностики является применение безразборных методов диагностирования. К таким методам следует отнести виброакустическую диагностику, которая не требует демонтажа и разборки оборудования, а также является наиболее чувствительной к различньм отклонениям технического состояния объекта от нормы.

Исходя из этого следует, что разработка и создание информационно-измерительной системы (ИИС) для диагностирования и прогнозирования технического состояния ТА ДВС с использованием безразборных методов представляет собой актуальную задачу.

Цели и задачи исследования. Основной целью данной работы является повышение надежности, улучшение технико-экономических и экологических показателей ДВС, что в свою очередь достигается путем решения научно - технической задачи по разработке методов, алгоритмов, программного обеспечения и аппаратных средств ИИС для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС по параметрам вибраций с использованием в качестве ядра системы микро-ЭВМ.

Методы исследования. При решении поставленных задач теоретические исследования проводились с использованием методов структурного и корреляционно-регрессионного анализов, метода группового учета аргументов, метода экспертных оценок, теории графов, алгоритмов, распознавания образов и планирования экспериментов.

Научная новизна. В результате выполнения данной работы теоретически выявлены и обоснованы, а также экспериментально подтверждены следующие положения:

- методы построения диагностических и прогнозирующих моделей оптимальной сложности, разделения источников вибраций, повышения достоверности вводимой в память микро-ЭВМ виброакустической информации, а также, алгоритмы и машинные программы для функционирования ИИС при использовании микро-ЭВМ системы как в режиме съема, диагностирования и прогнозирования технического состояния ТА ДВС, так и в режиме построения моделей оптимальной сложности; ИИС для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС по параметрам вибраций на базе микро-ЭВМ.

Практическая ценность работы. Разработанная ИИС предоставляет возможность эффективно оценивать и прогнозировать техническое состояние топливной аппаратуры ДВС, что в свою очередь, позволяет снизить издержки, связанные с расходом горюче-смазочных материалов, изменением мощности ДВС, отдаваемой в нагрузку, улучшить экологические параметры ДВС. Кроме того, разработанная ИИС может применяться для диагностирования и прогнозирования технического состояния циклически работающих машин и механизмов. Предложенный метод построения диагностических и прогнозирующих моделей оптимальной сложности может быть использован для построения математических моделей объектов и систем рассматриваемого класса.

Реализация результатов работы. На основании полученных в процессе исследований данных построены диагностические и прогнозирующие модели ТА ДВС типа Д100, а также алгоритмы и программное обеспечение для диагностики и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры этих ДВС. Кроме того, разработано и внедрено в производство аппаратное обеспечение ИИС на базе микро-ЭВМ класса не ниже СМ1803 с внутримашинным интерфейсом типа И41 (специальные блоки для связи с объектом). Разработанная ИИС применяется:

- в локомотивном депо ст. Сызрань Куйбышевской ж.д. при проведении реостатных испытаний тепловозов, что подтверждается Актом внедрения;

- на кафедре "Локомотивы" Самарского института инженеров железнодорожного транспорта им. М.Т.Елизарова для научных исследований с целью расширения функций ИИС.

Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы доложены автором и обсуждены на: IX, X областных научно-практических конференциях (Куйбышев,!985,1989г.г.);отраслевой научно-технической конференции "Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте" (Москва, 1984г.); научной конференции "Новые методы вибродиагностики технического состояния машин" (Каунас, 1986г.); VI Всесоюзном совещании "Техническая диагностика" (Москва,1987г.); Всесоюзной научно-практической конференции "Методы и средства виброакустической диагностики машин" (Ивано-Франковск, 1988г.); Всесоюзной с участием специалистов Соц. стран научно-практической конфе-

ренции "Проблемы повышения надежности и безопасности технических средств железнодорожного транспорта" (Москва,1988г.); Республиканской конференции "Техническая диагностика и повышение надежности средств транспорта" (Ташкент,1988г.); II Всесоюзной научно-технической конференции "Вибрация и вибродиагностика" (Горький, 1988г.); научно-техническом семинаре "Диагностика, повышение эффективности и долговечности двигателей" (Ленинград, 1989,1990,1992г.г.); III Международной научно-технической конференции "Проблемы развития локомотивостроения" (Луганск, 1990г.); III Всесоюзной научно-технической конференции "Автоматизированные системы испытания объектов железнодорожного транспорта"(Омск,1991 г.); научно-техническом семинаре "Современные средства диагностирования дизельных двигателей автотранспортных средств и методы оптимального регулирования их тягово-экономических и экологических характеристик" (Рига, 1991г.); Всесоюзной научно-технической конференции "Проблемы безопасности движения поездов" (Ташкент, 1991г.); VII конференции "Проблемы механики железнодорожного транспорта"(Днепропетровск, 1992г.); Международной конференции "Концепция развития и высокие технологии индустрии ремонта транспортных средств" (Оренбург, 1993г.); заседании научно-технического семинара электромеханического и электротехнического факультетов СамИИТа (Самара,1996, 1997г.г.)

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 6 статей, 18 тезисов научных докладов и получено 4 авторских свидетельства.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 150 страницах машинописного текста, содержит 15 рисунков, выполненных на 11 страницах, списка литературы из 114 наименований библиографических источников и 7 приложений на 36 страницах, содержащих 23 рисунка, 5 таблиц и акты внедрения.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Метод построения диагностических и прогнозирующих моделей оптимальной сложности.

2. Метод разделения источников вибраций при вводе виброакустической информации в память микро-ЭВМ.

3. Метод повышения достоверности вводимой в память микро-ЭВМ виброакустической информации.

4. Алгоритмы и машинные программы для функционирования ИИС при использовании микро-ЭВМ системы как в режиме съема, диагностирования и прогнозирования технического состояния ТА ДВС, так и в режиме построения моделей оптимальной сложности.

5. ИИС для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС по параметрам вибраций на базе микро-ЭВМ.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность разработки ИИС для оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания (ДВС) по параметрам вибраций, сформулированы цели и задачи исследований, указаны пути их достижения и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ состояния вопроса, постановка и уточнение задачи по определению возможности оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры (ТА) ДВС по параметрам вибраций.

Критический анализ существующих методов и средств оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС с целью удовлетворения ими требований по точности в постановке диагноза и технологичности проведения диагностических испытаний показал, что с этой точки зрения, оптимальными и перспективными являются методы и средства виброакустической диагностики с использованием микро-ЭВМ.

На основании полученных результатов анализа состояния проблемы уточнены цели исследования, а также задачи для ее достижения и последовательность их решения.

Во второй главе рассматриваются теоретические аспекты создания и оценки диагностических моделей оптимальной сложности.

Современный этап развития теории диагностики характеризуется все большим вниманием к вопросам построения математических моделей объектов диагностики по данным "выхода", в качестве которых может служить уравне-

кие, система уравнений, описывающих функционирование объекта. Причем, как правило, для построения модели число экспериментальных точек наблюдения невелико. Существуют два подхода к решению задачи выбора модели объекта: аналитический и экспериментальный. В настоящее время интенсивно развивается статистический подход, который основан на обработке экспериментальных данных. Одним из эффективных направлений этого подхода является метод группового учета аргументов (МГУА). Однако, реализация МГУА требует больших затрат машинного времени для нахождения моделей оптимальной сложности. Всегда можно найти такую сложность математической модели процесса, чтобы ока была адекватна сложности самого процесса. Можно, по крайней мере, теоретически по выбранному критерию отбора моделей выполнить полный перебор заданного тезауруса моделей. Но если тезаурус довольно полон перебор в этом случае просто невозможен. Поэтому требуется целенаправленный перебор.

В главе показано, что если математическое описание исследуемого процесса имеет вид:

У, = + £,; / = Ш,

а статистическую структуру экспериментальных данных можно представить в виде:

вопрос диагностирования и прогнозирования может быть решен.

Основная задача, которая стоит в процессе перебора моделей в том, чтобы определить некоторые критерии, по которым ЭВМ сможет кайти единственную модель оптимальной сложности. Для решения этой задачи воспользуемся принципом А.Г.Ивахненко: при постепенном повышении сложности математической модели процесса значения некоторых критериев сначала уменьшаются, доходя до минимума, а затем начинают повышаться. Следовательно, основной задачей является задание критериев или обобщенного критерия отбора моделей. Очевидно, глубина найденного минимума является косвенным показателем заданного тезауруса и оптимального выбора аргументов.

Используя принцип оптимальности Р.Беллмана, заключающийся в том, что оптимальная политика обладает тем свойством, что каково бы ни было первое решение(модель), остальные решения должны соответствовать оптимальной политике по отношению к тому решению, которое получилось в результате

указанного первого решения, сформулируем принцип перебора моделей.

Пусть задано множество из "к" элементов, каждый из которых является выбранной координатной функцией. Из этого тезауруса элементов множества {Ч*,^ строится модель процесса. Совокупность этих моделей образует тезаурус моделей. Сама модель процесса строится как линейная комбинация элементов множества (ЧО^ или его подмножества. Обозначим через £)к - модель, которая строится из "к" элементов путем их линейной комбинации. Пусть т<к, тогда:

{у,}. С и £>„ с: А-

Если критерий достигает локального минимума на модели , то он достигает локального минимума и на модели £>т с Вк-

Если на заданном тезаурусе существует модель оптимальной сложности, то перебор моделей заключается в следующем:

- задаются множеством элементов моделей ;

определяют значение критерия на множестве моделей первого порядка:

<р, = А,+ В,КУ];

- находят элемент, на котором критерий принимает минимальное значение и исключают этот элемент из множества {Ч'/}4;

- определяют значение критерия на множестве моделей, которые являются линейной комбинацией найденного элемента с каждым отдельным элементом множества {ч*,^ 1, т.е. на множестве моделей вида:

У**

- снова определяют элемент, на котором критерий имеет минимум.

Этот процесс продолжается до тех пор, пока значение критерия не перестанет уменьшаться, или же не исчерпается все множество элементов. Найденная таким методом математическая модель будет являться моделью оптимальной сложности.

Третья глава посвящена методам обработки информации для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС.

Выбор диагностических признаков является довольно сложной задачей. Для определения наиболее информативных составляющих виброакустического

сигнала необходимо знать его структуру, процесс возникновения и передачи этого сигнала. В настоящее время в качестве диагностических признаков используются самые разнообразные характеристики виброакустических сигналов. Для получения этих характеристик применяются различные методы обработки, описанные в отечественной и зарубежной литературе.

В тех случаях, когда изменение параметров технического состояния объекта сопровождается изменением уровня колебательной энергии и изменением структуры виброакустического сигнала, одной из задач технической диагностики является локализация источника повышенной виброактивности, т.е. разделение источников вибраций. Это позволяет оценить вклад каждого источника в создании общего виброакустического поля и выделить сигнал от необходимого элемента или блока. На основании анализа этого сигнала создают диагностическую модель объекта.

Анализ существующих методов показал, что их применение не позволяет выявить виброакустическую диагностическую информацию для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС.

Двигатель внутреннего сгорания является механизмом циклического действия, следовательно, все процессы, обеспечивающие его работоспособность, должны происходить при определенном, заданном циклограммой работы, угловом положении базового элемента двигателя. Этим элементом является коленчатый вал ДВС. Следовательно, если "привязать" получаемую виброакустическую информацию о процессе или элементе двигателя к углу поворота коленчатого вала, то появляется возможность разделения источников вибраций, даже если частотный диапазон сигналов одинаков у нескольких источников.

Предлагаемый метод регистрации сигнала заключается в выделении его I соответствии с выражением:

где У(/,ф) - выходной сигнал внутри фазового "окна", стробируемый импуль сами фиксированной частоты; Х(?,ф) - сигнал от процесса; д<р -фазовое окно;

4*1,92 - углы начала и окончания фазового "окна".

С целью выявления наиболее эффективных диагностических признаков I

методов обработки информации, в главе рассматриваются наиболее характерные реализации виброакустических сигналов форсунок тепловозных дизелей типа Д100, полученные в результате экспериментальных исследований.

Исходя из анализа виброакустических сигналов эталонных и дефектных форсунок двигателей, работающих на различных скоростных и нагрузочных режимах можно сделать следующие выводы:

- применение спектрального анализа виброакустического сигнала работающей форсунки с целью диагностирования и прогнозирования ее технического состояния довольно затруднительно, т.к. спектры сигналов у различных эталонных форсунок на одном и на разных режимах значигельно различаются; тем не менее, спектры эталонной и дефектных форсунок также имеют различия;

- использование временных характеристик сигнала для диагностики ТА также довольно проблематично, т.к. при работе двигателя наблюдается неравномерность вращения коленчатого вала, а при изменении скоростного режима двигателя зависимость этих характеристик от нагрузки также изменяется;

- наиболее эффективными, с точки зрения простоты обработки виброакустической информации и применения, а также достоверности, для диагностирования и прогнозирования технического состояния ТА ДВС являются фазовые параметры, а именно: угол опережения впрыска топлива и продолжительность подачи топлива в цилиндр двигателя. Это объясняется тем, что существует довольно тесная связь между этими параметрами и техническим состоянием топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания.

В четвертой главе рассматриваются принципы организации ИИС для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС.

Анализируя существующие методы построения ИИС можно сделать вывод о том, что различные подходы к построению ИИС, тем не менее, учитывают все основные показатели информационно-измерительной системы с включением свойств объекта измерения или диагностирования. Поэтому, применяя любой метод или их комбинацию можно построить оптимальную, с точки зрения выбранной целевой функции, информационно-измерительную систему для диагностирования и прогнозирования технического состояния ТА ДВС.

Структурная схема ИИС для диагностирования и прогнозирования технического состояния ТА ДВС показана на рис.1. В ее состав входят виброакусти-

ческие датчики (Д), нормирующие усилители (НУ,), коммутатор аналоговых сигналов (КМ), заграждающий фильтр (ФНЧ), аналого-цифровой преобразователь (АЦП), датчик положения коленчатого вала двигателя (ДП), блок управления вводом информации (БУВ), микро-ЭВМ (мЭВМ), блок отображения информации (БОИ).

Все блоки ИИС выбраны исходя из структуры и частотного диапазона виброакустического сигнала и входят в Государственную систему промышленных приборов и средств автоматизации.

Для "привязки" вводимой в микро-ЭВМ виброакустической диагностической информации к углу поворота коленчатого вала двигателя и организации фазового "окна", согласно методу, описанному раннее, разработан блок управления вводом информации, который входит в состав ИИС. Этот блок связан с датчиком положения вала и содержит два модуля, которые конструктивно выполнены на стандартных платах микро-ЭВМ СМ-1803.

В состав блока входит модуль прямого доступа к памяти, предназначенный для записи виброакустического сигнала, преобразованного в цифровой код, в оперативную память микро-ЭВМ по каналу прямого доступа к памяти. Структурная схема модуля показана на рис.2. В состав модуля входят дешифратор адреса(ДА), буфер адреса(БА), узел захвата интерфейса(УЗИ), узел формирования ответа(УФО), узел формирования команд(УФК), буфер данных(БД), узел формирования запросов устройств ввода/вывода (УЗ УВВ).

Блок управления вводом информации также содержит модуль управления аналого-цифровым преобразователем. Этот модуль предназначен для управления АЦП, формирования фазового "окна", "привязке" вводимого сигнала к углу поворота коленчатого вала двигателя, т.е. для стробирования сигнала в функции угла поворота вала и времени. Структурная схема модуля изображена на рис.3. Модуль содержит программируемый делитель частоты(ПДЧ), регистр данных(РД), дешифратор адреса(ДА), счетчик количества записанных реализаций сигнала(СЧР), формирователь(ФМ), узел разрешения записи(УРЗ), узел запроса прямого доступа к памяти (УЗ ЦДГГ), узел управления АЦП (УУ АЦП). Ввод информации в память микро-ЭВМ осуществляется синхронно в функции времени и угла поворота коленчатого вала.

После записи сигналов от всех форсунок на определенных диагностических режимах производится оценка и прогнозирование технического состояния топливной аппаратуры по диагностическим моделям оптимальной сложности с использованием полученной информации. По окончании работы распечатывается протокол диагностирования, на основании которого производится замена дефектных элементов топливной аппаратуры по их фактическому техническому состоянию. Кроме замены узлов, на основании протокола диагностирования, производятся соответствующие регулировки топливной аппаратуры.

Программное обеспечение ИИС разработано с использованием алгоритмических языков Assembler и Pascal.

Структурная схема информационно - измерительной системы

Рис.1

Структурная схема модуля прямого доступа к памяти

Интерфейс И-41

Рис.2

Структурная схема модуля управления аналого-цифровым преобразователем

Интерфейс-М-Д1

Рис.3

В главе также рассмотрены погрешности, влияющие на определение диагностических параметров и произведен расчет результирующей погрешности. Так как в состав ИИС входят стандартные блоки, при расчете погрешности системы использовались паспортные данные этих блоков. Исходя из полученной результирующей погрешности можно сделать вывод, что определение диагностических параметров производится с достаточной точностью, необходимой для построения достоверной диагностической и прогнозирующей моделей и определения технического состояния топливной аппаратуры двигателей.

Как следует из структурной схемы ИИС и технических характеристик блоков и узлов составляющих ее, доминирующую погрешность получения виброакустической информации вносит виброакустический преобразователь (ВП). Серийно выпускаемые отечественной промышленностью ВП имеют основную погрешность ±10-г 15%. Для уменьшения этой погрешности, с целью получения достоверной виброакустической диагностической информации, необходимо индивидуально тарировать ВП, полученную амплитудно-частотную ха-рактеристику(АЧХ) каждого ВП записывать в память микро-ЭВМ ИИС и, затем, использовать для коррекции полученного сигнала. Такой метод коррекции погрешности не всегда является оптимальным.

Предлагаемый метод повышения точности состоит из двух циклов коррекции, а именно, цикла выравнивания коэффициентов преобразования и цикла выравнивания АЧХ. Устройство, рис.4, для реализации метода содержит задающий перестраиваемый генератор тестовых сигналов(ЗПГ), вибростенд(ВС),

на платформе которого закрепляются эталонный(ВПЭ) и корректируемый (ВПК) вибропреобразователи. В канал эталонного ВП входит усилитель(УЭ) со стабилизированным и фиксированным коэффициентом преобразования. В канал корректируемого ВП входит усилитель(УК) с перестраиваемым коэффициентом передачи и схема коррекции(СК), представляющая собой, в общем случае набор перестраиваемых фильтров. Каналы образцового и корректируемого ВП через амплитудные детекторы(АДЭ и АДК) соединены с входами компара-тора(КП). Для синхронизации работы всех узлов устройства при автоматизированном процессе коррекции служит блок управления(БУ), который подает по заданной программе управляющие сигналы.

Первый цикл коррекции осуществляется на базовой (номинальной) частоте, на которой нормируется номинальное значение коэффициента преобразования виброакустического датчика. В результате, за счет изменения коэффициента преобразования УК наступит равенство выходных напряжений в каналах образцового и корректируемого ВП:

7Г»(¡к Ум^э г

где 7*«, - амплитудное значение выходного напряжения в канале корректируемого ВП на базовой частоте:

7л = ао-Рк-Ки{(Об^)' К, - амплитудное значение выходного напряжения в канале эталонного ВП на базовой частоте:

У„<, = аи' Р,- К,(бОг„У Ку, , где до - амплитуда виброускорения на базовой частоте; рэ,рк - коэффициенты передачи эталонного и корректируемого ВП, соответственно, на базовой частоте; ^.(сй^), .К« ((£>&,)■ частотные характеристики эталонного и корректируемого ВП, соответственно, на базовой частоте; С0ва,- базовая частота, на которой нормируются коэффициенты передачи ВП; ^.^-коэффициенты передачи усилителей в тракте эталонного и корректируемого ВП.

Второй цикл коррекции отличается от первого тем, что последовательное сравнение напряжений с выходов амплитудных детекторов будет осуществляться в рабочем диапазоне частот при дискретной перестройке частот поступающих с генератора тестовых сигналов через вибростенд на оба ВП и син-

хронного переключения индивидуальных фильтров схемы коррекции с последовательной перестройкой их коэффициентов передачи. Количество фиксированных частот для коррекции АЧХ ВП можно расчитать исходя из выражения, которое используется при снятии АЧХ виброакустических датчиков:

n = ln(F„jF„„)/ln(l+2b), где F,m Fm« - рабочий диапазон частот ВП; Ъ - относительный коэффициент демпфирования ВП.

Структурная схема устройства коррекции вибропреобразователей

Рис.4

Процесс коррекции завершится после достижения равенства выходных напряжений образцового и корректируемого трактов, при перестройке коэффициента передачи последнего фильтра на частоте соответствующей Fm* ■

Таким образом, выходной сигнал канала коррекции в диапазоне рабочих частот ВП будет иметь следующий вид:

Y. = а-рк-К,{со)- К„■ К«{С0), где а - амплитуда виброускорения; р,- коэффициент передачи ВПК;Кк((х))-частотная характеристика ВПК; К у,- коэффициент передачи усилителя УК; Ka(d)) ■ АЧХ схемы коррекции,

и по окончании процесса коррекции будет соответствие:

Y.(0))=Y,{(0},

где Уг(С0),Г,(С0) - соответствующие выходные сигналы корректируемого и эталонного трактов.

После завершения процесса коррекции откорректированный ВП вместе с усилителем и схемой коррекции может быть изъят из устройства и использован для получения виброакустической информации с погрешностью, близкой к погрешности образцового ВП.

Пятая глава посвящена результатам внедрения и оценке технико-экономической эффективности ИИС.

В процессе экспериментальных исследований для определения влияния режимов работы двигателя внутреннего сгорания на оценку технического состояния топливной аппаратуры, т.е. на выбранные диагностические параметры, испытания были проведены как с исправными форсунками, проверенными и отрегулированными согласно ТУ, так и с форсунками, имеющими различные дефекты. Испытания проводились на режимах соответствующих определенным позициям контроллера машиниста, при этом поддерживались номинальными температурные и другие параметры работы ДВС.

Для построения диагностических моделей оптимальной сложности исправной, согласно ТУ топливной аппаратуры использовались данные, полученные в экспериментах, при которых дизельная установка локомотива функционировала на номинальных, минимальных и максимальных нагрузочных и скоростных режимах, указанных в технических требованиях на обкаточные и сдаточные испытания.

В результате обработки этих данных получены модели оптимальной сложности следующего вида:

где - продолжительность подачи топлива(°пкв); У2 - угол опережения впрыска топлива(°пкв); х; -номер позиции контроллера машиниста; хг -частота вращения коленчатого вала двигателя (мин"'); хъ- нагрузка дизельной установки (кВт); а.Ь.А,^!- полученные коэффициенты; /"(х",)- соответствующие координатные функции, выбранные из тезауруса моделей согласно заданному критерию отбора моделей.

Графики полученных зависимостей и экспериментальных данных при оп-

тимальных режимах работы двигателя приведены на рис.5; при работе двигателя на минимальных и максимальных режимах показаны на рис.6,7.

Анализируя экспериментальные данные и полученные диагностические модели можно сделать вывод что модели оптимальной сложности не противоречат теории и расчетам топливной аппаратуры ДВС.

Зависимости параметров на оптимальном режиме работы двигателя

а ДАННЫЕ ЭКСПЕРИМЕНТА А ДАННЫЕ ПО МОДЕЛИ

1 - кривая изменения угла опережения впрыска топлива

2 - кривая изменения продолжительности подачи

Рис. 5

Зависимости угла опережения впрыска топлива в цилиндр

е.«--

15-

14-13-

Ю 11 12 13 ПОЗИЦИИ КОНТРОЛЛЕРА МАШИНИСТА

МИНИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ

МАКСИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ

1

16

16

Рис. 6

Зависимости продолжительности подачи топлива в цилиндр

МИНИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ —•- МАКСИМАЛЬНЫЙ РЕЖИМ

Рис. 7

В процессе эксплуатации ИИС на каждый локомотив формируется свой файл базы данных, по которым для каждого двигателя строится прогнозирующая модель оптимальной сложности оценки технического состояния топливной аппаратуры. Используя эту модель, определяется остаточный ресурс ТА данного ДВС.

В главе также произведен расчет годового экономического эффекта от применения ИИС для оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания по параметрам вибраций, который подтверждается Актом внедрения ИИС.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Выполненная работа представляет собой анализ и исследование вопросов, связанных с разработкой информационно-измерительной системы для оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания (ТА ДВС) по параметрам вибраций. Разработанные методы и средства позволяют решать проблемы надежности, экономичности и улучшения экологических характеристик двигателей внутреннего сгорания.

Основные результаты работы сводятся к следующему:

1. На основании анализа отказов узлов и систем ДВС сделан вывод о необходимости диагностики и прогнозирования ТА ДВС в условиях эксплуатации. Причем, в качестве структурного параметра выбраны и обоснованы такие фазовые параметры, как действительные угол опережения впрыска топлива и продолжительность подачи топлива в цилиндр двигателя.

2. Исходя из основных требований к типу ИИС в условиях эксплуатации сделан вывод о целесообразности применении методов и средств виброакустической диагностики с использованием микро-ЭВМ.

3. Разработан и теоретически обоснован метод построения диагностических и прогнозирующих моделей оптимальной сложности для объектов и систем рассматриваемого класса.

4. Разработан алгоритм построения модели оптимальной сложности для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС с учетом единого внешнего критерия, тезауруса опорных функций и выбранных с помощью метода экспертных оценок входных переменных.

5. Разработан метод разделения источников виброакустических сигналов циклически работающих машин и механизмов.

6. Проведены экспериментальные исследования ТА виброакустическим методом, подтвердившие правильность выбора фазовых характеристик в качестве структурных параметров.

7. С учетом основных требований разработана структурная схема ИИС и составляющих ее блоков.

8. Разработан и теоретически обоснован метод уменьшения погрешностей виброакустических преобразователей и устройство для его реализации.

9. На основании экспериментальных данных построены диагностические и прогнозирующие модели ТА ДВС. Полученные модели проверены на адекватность описываемого процесса.

10. Разработана, изготовлена и внедрена в производство ИИС для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС по параметрам вибраций.

11. Расчитана и подтверждена Актом внедрения в производство технико-экономическая эффективность разработанной ИИС.

Разработанные в диссертационной работе методы, средства, алгоритмы и

программное обеспечение для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС по параметрам вибраций, а также построения диагностических и прогнозирующих моделей оптимальной сложности, разделения источников виброакустических сигналов и уменьшения погрешности информации, посту-паемой в ИИС, целесообразно использовать для определения технического состояния большинства узлов, систем и агрегатов ДВС и других машин и механизмов, применяемых в промышленности и на транспорте. Это позволит уменьшить затраты на ремонт, поддерживать необходимый уровень надежности и, в конечном итоге, выполнять ремонтные и регулировочные работы по фактическому техническому состоянию разнообразных устройств.

В заключение должен выразить глубокую благодарность моему научному руководителю профессору Копейкину C.B. и научному консультанту доценту Гуменникову В.Б., а также профессору Павловичу Е.С. и профессору Просви-рову Ю.Е. за большую помощь в работе над диссертацией.

Основное содержание диссертации опубликовано в следующих работах:

1. Криволапое В.П., Гурьянов С.З. Диагностическая информационно-измерительная система комплексного контроля дизеля тепловоза //Роль молодых ученых и специалистов в развитии научно-технического прогресса на железнодорожном транспорте: Тез. докл. отр.науч.-техн. конф.Ч.2.-М.,1984.-С.67-68.

2. Криволапов В.П., Сорокина Г.Н. Проблемы контроля технического состояния дизеля тепловоза// Тез. докл. IX обл.науч.-практ.конф.-Куйбышев: КИИТ,

1985.-С.42-43.

3. Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д., Целиковская B.C. Об одном методе вибродиагностики дизельного двигателя // Тез. докл. науч.конф."Новые методы вибродиагностики технического состояния машин"/ ИМАШ АН СССР.-Каунас,

1986.-С.30-31.

4. Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д., Целиковская B.C. Об одном методе диагностирования ДВС по параметрам виброакустических сигналов//Тез. докл. Все-союз. науч.-практ. конф."Методы и средства виброакустической диагностики машин" / ИМАШ АН СССР.- Ивано-Франковск,1988.-С.50-51.

5. Виброакустическое диагностирование топливной аппаратуры дизелей типа Д100 / Е.С.Павлович, В.П.Криволапов, Ю.Д.Ермаков, В.С.Целиковская // Тез. докл. Всесоюз. с участием спец. Соц. стран науч.конф. "Проблемы повышения

надежности и безопасности технических средств железнодорожного транспорта" ,-М.: ВЗИИТ, 1988.-С.25-26.

6. Копейкин С.В., Криволапов В.П. Алгоритм оптимального перебора диагностических моделей по выбранному критериюУ/Тез.докл. II Всесоюз. науч.- тех-нич. конф. "Вибрация и вибродиагностика. Проблемы стандартизации" /ИМАШ АН СССР.- Горький,1988.-С. 55-56.

7. Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д., Целиковская B.C. Источники вибрационного сигнала форсунок дизеля и их использование в диагностических целях //Тез. докл. науч. семинара "Диагностика, повышение эффективности и долговечности двигателей". -Л.:ЛСХИ,1989.-С.17-18.

8. Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д. Исследование вибраций работающей форсунки дизельного двигателя//Тез. докл. X обл. науч. конф.-Куйбышев: КИИТ, 1989.-С.29-30.

9. Анализ фазовых параметров топливоподачи при диагностировании форсунок дизелей/С.А.Серпов, В.П.Криволапов, Ю.Д.Ермаков, В.С.Целиковская // Тез. докл. науч. семинара "Диагностика, повышение эффективности и долговечности двигателей". -JI.: ЛСХИ, 1990.-С. 11-12.

10. Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д., Целиковская B.C. Некоторые результаты опытной эксплуатации стационарной системы диагностирования тепловозных дизелей на базе ЭВМ СМ-1803// Тез. докл. III Всесоюзн. науч.конф. "Проблемы развития локомотивостроения'УМПС СССР.-Луганск, 1990.-С.17-18.

11. Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д. Ввод и обработка вибросигналов в ЭВМ при диагностировании топливной аппаратуры // Тез. докл. III Всесоюзн. науч. конф. "Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта".- Омск: ОМИИТ, 1991.-С.27-28.

12. Связь фазовых параметров топливоподачи с дефектами топливной аппаратуры/ С.А.Серпов, В.П.Криволапов, Ю.Д.Ермаков, В.С.Целиковская// Тез.докл. науч. семинара "Современные средства диагностирования дизельных двигателей автотранспортных средств и методы оптимального регулирования их тя-гово-экономических и экологических характеристик".- Рига, 1991.-С. 19-20.

13. Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д., Целиковская B.C. Автоматизированная система технической диагностики топливной аппаратуры дизелей локомотивов

// Тез.докл. Всесоюз. науч. конф."Проблемы безопасности движения поездов".-Ташкент: ТашИИТ, 1991-С.37-38.

14. Серпов С.А., Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д. Особенности диагностирования топливной аппаратуры дизелей//Тез. докл науч. семинара стран СНГ "Диагностика, повышение эффективности и долговечности двигателей".-Санкт-Петербург, 1992.-С.26-27.

15. Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д., Целиковская B.C. Результаты исследования форсунок дизелей типа Д100 в эксплуатации//Тез.докл.VIII науч. конф. "Проблемы механики ж.-д. транспорта, прочность и надежность технических средств.".- Днепропетровск, 1992.-С.25-26.

16. Оптимизация экономических и экологических характеристик транспортных дизелей/ Ю.Е.Просвиров, В.П.Криволапов, Ю.Д.Ермаков, В.С.Целиковская // Тез.докл. Междунар.науч.конф. "Концепция развития и высокие технологии индустрии ремонта транспортных средств".-Оренбург: Оренбургский ПТИ,-1993.-C.33-34.

17. Серпов С.А., Криволапов В.П., Ермаков Ю.Д. Об одном способе дифференцирования дефектов топливной аппаратуры дизелей в процессе диагностирования/Лез. докл. науч. с междунар. участием конф. "За технический прогресс на железных дорогах".-Самара: СамИИТ, 1993.-С.23-24.

18. Кручинин В.П., Криволапов В.П. Метод повышения точности виброакустических преобразователей // Тез. докл. межвуз. науч. конф. "Надежность путей и строений",- Самара: СамИИТ, I995.-C.17-19.

19. Криволапов В.П. Организация ввода диагностической виброакустической информации в микро-ЭВМ // Надежность и эффективность тягового подвижного состава: Межвуз. сб. науч. тр./КИИТ.-Куйбышев,1988.-Вып.136.-С.37-41.

20. Копейкин C.B., Криволапов В.П. Анализ случайных процессов на основе моделей регрессии оптимальной сложности //Совершенствование организационных, технических и технологических мер по формированию, пропуску и обслуживанию поездов повышенной длины и массы на особо грузонапряженных линиях: Межвуз. сб. науч. тр./КИИТ.-Куйбышев,1988.-Вып.1.-С.13-21.

21. Структура системы ввода диагностической информации в оперативное запоминающее устройство УВК СМ-1803/ А.М.Добронос, Ю.Д.Ермаков,

В.ПКриволапов и др.//Автоматизированные системы испытаний объектов железнодорожного транспорта:Межвуз.сб.науч.тр.-М.,1988.-Вып.814.-С.73-76.

22. Ермаков Ю.Д., Криволапов В.П., Серпов С.А. Экспериментальные исследования топливной аппаратуры дизеля типа ДЮО для целей диагностики // Повышение надежности подвижного состава железнодорожного транспорта: Меж-вуз.сб.науч.тр./КИИТ.-Куйбышев, 1989.-Вып.2.-С.13-16.

23. Исследование фазовых параметров вибропроцессов топливной аппаратуры дизелей типа ДЮО в диагностических целях/ Ю.Д.Ермаков, С.А.Серпов,

B.П.Криволапов, В.С.Целиковская // Двигателестроение.-1989.-№2.-С.22-25.

24. Копейкин C.B., Криволапов В.П. Автоматизированная система технической диагностики топливной аппаратуры дизелей локомотивов // Автоматизированные информационные системы: Межвуз. сб. науч. тр./СамПИ.-Самара, 1992.-

C.36-42.

25. A.c. 1343089 СССР, МКИ5 G 01 M 15/00. Устройство измерения фазовых параметров топливоподачи двигателя внутреннего сгорания с форсунками /Ю.Д. Ермаков, В.П. Криволапов (СССР).- №4022472/25-06;Заявлено 18.02.86; Опубл. 07.10.87//0ткрытия. Изобрет.-1987.-№37.

26. A.c. 1379671 СССР, МКИ5 G 01 M 15/00. Устройство для диагностирования двигателя внутреннего сгорания/Ю.Д.Ермаков, ВЛ.Криволапов (СССР).-№4045729/25-06; Заявлено 28.10.88; Опубл. 23.02.91//0ткрытия. Изобрет,-1991,-№7.

27. A.c. 1629778 СССР, МКИ5 G 01 M 15/00. Способ оценки технического состояния ДВС и устройство для его осуществления/Ю.Д.Ермаков, В.П.Криволапов (СССР).- №4499091/06; Заявлено 28.10.88; Опубл. 23.02.91// Открытия. Изобрет,- 1991.-№7.

28. A.c. 1768793 СССР, МКИ5 F 02 M 65/00. Способ диагностики топливной аппаратуры дизеля / С.А. Серпов, Ю.Д. Ермаков, В.П. Криволапов (СССР).-№4863140/06; Заявлено 27.08.90; Опубл. 15.Ю.92//Открытия. Изобрет.-1992.-№38.