автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Контроль рабочего процесса в цилиндрах дизеля по кривой угловой скорости коленчатого вала на установившемся режиме

РГ6 ОД

, п ! ? ». ' д <' ' "!

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ имени адмирала С.О.Макарова

на правах рукописи

КОЖЕВНИКОВ Андрея Владимирович

КОНТРОЛЬ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА В ЦИЛИНДРАХ ДИЗЕЛЯ ПО КРИВОИ УГЛОВОЙ СКОРОСТИ КОЛЕНЧАТОГО ВАЛА НА УСТАНОВИВШЕМСЯ РЕЖИМЕ

Специальность 05.08.05 Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1993

Работа выполнена на кафедре "Судовые двигатели внутреннего сгорания" Государственной морской академии им. С.О.Макарова.

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

кандидат технических наук профессор Возницкий И.В.

доктор технически* наук, црофессор Русинов Р.В.

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Бавв А.С.

Ведущее предприятие:

Инженерно - производственный центр "Техномарин", г. Санкт-Петербург

Защита диссертации состоится " •З " 1993 года в

!** час. З^Р мин. на заседании специализированного совета Д. 101.02.01. в Государственной морской академии имени С.О.Макарова по адресу: 199026, Санкт-Петербург, 21 линия , д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке академии. Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения, просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря специализированного совета.

Автореферат разослан "" о~^/а<М1980 года.

Ученый секретарь специализированного совета, д.т.н. .профессор

Денисенко Н.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы ЗаДЭЧа КОШрОЛЯ ЗЭ ПрОТвКЗНКШ рабОЧОГО

процесса в цилиндрах двигателя всегда была и остаётся актуальной для эксплуатационников, так как без соответствующего контроля невозможно обеспечить надёжную и экономичную работу дизеля. Для обеспечения безотказности дизеля необходимо непрерывно, а не периодически, контролировать показатели его тентовой и механической напряжённости. Они не должны превышать предельно допустимых значения. Кроме того, Еажным требованием является выравнивание распределения рабочих параметров по цилиндрам. Фактическое распределение может быть выяснено только при одновременном контроле работа всех цилиндров. В полное мере указанным требованиям непрерывности и одновременности контроля работы всех цилиндров отвечает метод контроля работы двигателя по кривой угловой скорости коленчатого вала. К достоинствам метода следует отнести простоту и надёжность измерительной аппаратуры (датчик не подвергается высокому давлению и температуре), а также её высокую точность.

Цель исследования - разработка алгоритма извлечения диагностической информации о протекании рабочего пронрссз Ь цилиндрах дизеля из измеряемой кривой .угловой скорости коленчатого вала. Для теоретического обоснования возможности такого подхода и получения инструмента практической его реализации необходимо разработать математическую модель, адекватно описывающую дапахику дизеля и увязывающую в обпую расчётную схему протекание рабочего процесса в цижндрах я закон движения коленчатого вала даззля с учетом массовых и геометрических характеристик его нш. Отправной топкой в создании такой модели являются фуадэкентальные работы по динамике дизелей и по теоретической механике; выполненные в разное згетя ".ш.Нейманом, ГГ.А.Иетодашыч, З.К.йвбэсаоБьи, Е.Н.Шаатпгаш, Я.З.КОЛСВСКИХ и /фугимк УЧбЕИйИ.

Методика исследования. АНЭЛИЗ И339СТНЫХ рабОТ, ПОСВЯЩёННЫХ

динамике дизелей, показал, что большинство из них для расчёта сил и моментов сил инерции далаэт предположение о неизменности .угловой

океросп1; колозч^гсго вала к ц'&лэ .ч:-; у отгкп^ижг

< что ;ф01;лз')реч!гг задаче -

лггэрэтуре утегепз.тггтгг, лзухм»?совая "о лст.о тьзуеуая в •грэд1Шионнси рассмотришь ~(-.?,чОг:т;.э;: но у: у:

его инерционные свойства, влияющие на формирование крутящего момента. Такая модель является лишь статически эквивалентной. Поэтому в приводимом ниже рассмотрении она не использовалась. Движение шатуна рассматривается как плоское движение твердого тела, раскладывающееся на поступательное движение его цэнтра масс и вращательное движение вокруг центра масс. Третье отличие описываемого рассмотрения от традиционного заключается в том,- что в нем использовались точные формулы для перемещения, скорости и ускорения поршня. Как показали расчеты, с увеличением отношения радиуса кривошипа к дайке шатуна х что характерно для современных судовых длинноходных машин, ошибка от применения приближенных формул растет и достигает 2.4% при вычислении скорости поршня и 10% при вычислении ускорения поршня для двигателей ряда бмс (\=0.-4357) .

научная новизна Разработана модель динамики многоцилиндрового рядного дизеля удовлетворяющая следующим основным требованиям:

- не требуется предварительного задания закона движения коленчатого вала, кривая его угловой скорости рассчитывается;

- учитывается изменение приведенного к оси коленчатого вала момента инерции КПМ двигателя по углу пкв;

- используется динамически эквивалентная модель движения шатуна;

- силы тяжести элементов КШМ включены в рассмотрение, так как в судовых ДВС они имеют значительные величины;

- для описания кинематики используются точные, а не приближённые тригонометрические формулы, ошибка которых быстро растёт с ростом х, что характерно для современных судовых мало оборотных дизелей.

Получено уравнение, устанавливающее связь между законом движения коленчатого вала дизеля и крутящими моментами внешних сил -тяжести, давления газов, сопротивления. В обратной постановке основной задачи механики это уравнение позволяет при известных внешних силах рассчитать закон движения коленчатого вала дизеля, то есть для каждого момента времени определить угол поворота ф, угловую скорость ф и угловое ускорение $ коленчатого вала. Решая прямую задачу динамики, при известном (измеренном) законе движения коленчатого вала можно находить один неизвестный внешний момент -крутящий момент от сил давления газов, либо момент сопротивления, либо их разность. Проведён анализ влияния массовых и

геометрических параметров КШМ на результаты расчёта, на защиту выносятся: Математическая модель динамики

многоцилиндрового рядного дизеля, позволяющая рассчитывать закон движения коленчатого вала, кинематические параметры других элементов КШМ, силы и моменты в КШМ. Алгоритм диагностирования протекания рабочего процэсса по кривой угловой скорости коленчатого вала, заключающийся в расчете по измеренной кривой угловой скорости кривой избыточного крутящего момента с использованием разработанной модели динамики, и дальнейшей сравнительной оценке по рассчитанной 1фквог параметров рабочего процесса в цилиндрах дизеля.

достоверность полученных в работе результатов обе.сгаченз соответствием основных полоякяга и выводов рзйоты заколам и принципам классической теоретической механики, а тзке» подгверадена сопоставлением результатов расчёта кривей угловой скорости коленчатого ВЯВД ИСПРЯВИОГО Ц иои^ПРят™пт-п пргяА.ля на тазличвме режима* работн с эксшхл^энтяльн^те sj^hbwtï. практическая ценность Разработанный алгоритм диагностирования протекания рабочего процесса в цилиндрах дизеля по измеряемой кривой угловой . скорости коленчатого вала позволяет вести непрерывный контроль за работой всех цилиндров одновременно в процессе его эксплуатации, осуществляя сравнительную оценку протекания рабочего процесса в отдельных"цилиндрах по параметрам рассчитываемой кривой избыточного крутящего момента, соответствующим качественно и количественно параметра;-; огрнкг-рабочего процесса по индикаторный дазгра^зл.

Крокв тего, разработанная модель /$аимш£1 д::зел:' соачс.пя^т р&ссчигшэтъ кризу» угрозой асорооти Kuaesww.io * .+>>•.,, с«а*> моконты в КШМ в зависимости от режима работы дагохя и от «асссвс - гео.*етркчегких параметров олошнтов КИМ. тго позволяет." mn.rit определенные проектно - конструкторские задачи. Апробация раооты Основные положения циосертащш домалывались V обсуждались на 12-ом Всесоюзном межотраслевом научно-техническом семинаре "Рабочий процесс, тэп.'теой^ен в ДВС и теплотпнрг^г'етпет1 va. деталей", Ленинград 1391, за ка^зо-тозигачоеккх воаферсодиг v> Государс1венной морской Академии I9&0, 1991, 1992 годах. Iiu чека исследования опубликованы пять статей..

Структура и оВъем работы. Диссертация СОСТОИТ ИЗ ВБ8ДЭНИЯ, ЧО'ГЫрвХ

глав к заклкя&ния. Общиа объем тпз с., оютшя 51 р;-о., ! • ,*.

5 с. списка литератур из 54 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ '

.в Главе 1 освещается подход к задаче контроля и функционального параметрического диагностирования технического состояния дизеля в процессе эксплуатации. Подчёркивается важность непрерывного контроля за работой дизеля, а также необходимость одновременного контроля параметров всех цилиндров. В полной мере указанным требованиям непрерывности и одновременно ста контроля работы всех цилиндров отвечает метод контроля работы двигателя по кривой угловой скорости коленчатого вала. К достоинствам метода следует отнести простоту и надёжность измерительной аппаратуры (датчик не подвергается высокому давлению и температуре), а также её выефсую точность.

Проведён анализ известных методов извлечения диагностической информации о протекании рабочего процесса в цилиндрах дизеля из измеряемой кривой угловой скорости коленчатого вала, в результате которого сделаны следующие вывода:

1. Способ контроля за протеканием рабочего процесса в цилиндрах дизеля по измеряемой кривой угловой скорости коленчатого вала является перспективным, так как обеспечивает:

- простоту, надёжность и высокую точность измерений;

- непрерывный контроль за работой дизеля в процессе

эксплуатации;

- одновременный контроль за работой всех цилиндров дизеля.

2. Применять указанный способ диагностирования к судовым дизелям следует не на переходных, а на установившихся режимах работы. Экспериментальные исследования показали заметное отличие параметров переходного режима по сравнению с установившимся режимом работы дизелей, что объясняется значительной деформацией рабочего цикла на неустановившемся режиме и является следствием инерционности дизеля как механической, тепловой и газодинамической системы.

3. Применение для диагностирования метода эталонных параметров предполагает сравнение измерений в процессе эксплуатации с эталоном. Эмпирические способы получения эталона для всего многообразия режимов и условий эксплуатации не обеспечивают требуемой для постановки диагноза точности. Необходим расчётный способ получения эталона на основе модели динамики дизеля.

Анализ традиционной модели динамики дизеля приводят к выводу, что она не может быть использована для решения поставленной задачи, так как:

- при расчёте сил инерции делается доцущэние о постоянстве угловой скорости коленчатого вала, что противоречит задаче исследования;

- момент инерции КШМ считается постоянным, игнорируется зависимость его величины от угла пкв;

- используется двухмассовая модель шатуна, которая не явля&тся динамически эквивалентной;

- для расчёта кинематики используется приближенные выражения, ошибка которых быстро растет с ростом х, что характерно для современных судовых МОД.

Существующие модели динамики, как правило, ориентированы на прочностные расчёты. В них делаются допущения, не позволяющие применять эти модели для задач контроля * яиятностировлпия технического состояния дизолаа.

В заключении главы сформулированы основные задачи исследования.

глава г посвящена разработке математической модели динамики дизеля, отвечающзй требованиям, сформулированным в первой главе.

Рассмотрение ведётся для рядного двигателя с центральным КШМ, так как к этому типу принадлежит большинство судовых дизелей.

С точки зрения механики, К1ВМ является системой то.-» в состав которой входят 4.элемента: поршень (со штоком и крайцкепром), шатун, коленчатый вал и кеподздашкг корпус (остов) да«гатоля. В процессе работы от взаимодействуют друг с другой. Каждый из зламвнтов КШ взаимодействует с двумя другими: порвопь - с остозом и шатуном, шатун - с поршнем и коленчатым валом, коленчатый вал -с шатуном и остовом, остов - с коленчзтым валом и поршнем. Эта взаимодействия когут быть описаны с покощью понятия силы как меры воздействия одного элемента на другой. Сила характеризуется точкой приложения, направлением и числовым значением (модулем). Например, зоздзястзкэ поршня на шатун описывается силой ?пш (рис.1), приложенной к верхней головке шатуна, направленной под определенным углом к оси цилиндра и ймеющей опрэделенную числовую величину. По закону равенства сил действия и противодействия шатун зоздействует на поршень с силой ?шп, имвгадей такой же модуль и тротивоположное направлен!® Приложена сила ?шп к поринэвоку

Рис.1 Внутренние силы КШМ.

Pri

рис.2

Внешние по отношению к КШМ силы.

пальцу (поперечине крейцкопфа). Таким образом, поршень взаимодействует с шатуном в головном подшипнике, а силы их взаимодействия нагружают вкладыши подшипника (?пш) и поршневой палец (?шп). Аналогично описывается взаимодействие шатуна с кривошипом. Они взаимодействуют в мотылввом подшипнике, а силы их взаимодействия нагружают вкладыши мотылевого подшипника (?кш) и мотылевую шейку коленчатого вала (fш*). В рзмовом подшипнике взаимодействуют колончатая вал с остовом двигателя. Силами" их взаимодействия нагружаются вклада™ ракового подиипника (?ко) и коренная шейка коленчатого вала (!ок >. Поршень (ползуны крейцкопфа) взаимодействует с остовом, оказывая давление на втулку (направляющие крейцкопфа) силой ?по. к поршня (ползуну) приложена реакция остова ?ол, равная по модулю и противоположная по направлению.

Рассмотренные СИЛЫ ?пш, ?шп, fmx, |кв, ?ко, fon, ?по, fon

ЯВЛЯЮТСЯ ВДУТрЭНЯПГЛИ CHJZ2.ÜI IÍSM, так кгк ОНИ ОПЕСЫБЗЕТ

взаимодействие йезду элементами КЕМ: псрпепь - азтун, шатуп коленчатый вал, коленчатый вал - остов, остов - поршень. По закону равенства сил действия и противодействия

?пш = —f шп; fnjjc = -?кш; fico = -fox ; fon = -fno ( I ).

Внутренние силы в КШМ является следствием действия на его элементы внешних сил, а также движения элементов КШМ. В работающем двигателе на элементы КШМ действуют следующие внешние силы (рис. 2): давления газов, сопротивления нагрузки двигателя, тяже с т»т и реакшм фундамента. Силы давления газов на поршень со стороны камеры сгорания Рп и со стороны подпоршневой полости ргг приложены к поршню. Момент сопротивления нагрузки ífc приложен к коленчатому валу. Си,яы тяжести приложены к каждому элементу КШМ в его центре масс. Центр масс коленчатого вала многоцилиндроЕого двигателя с равномерной заклкнкой кривошипов лежит на оси вращения. Силы реакции фундамента Ri и Иг приложены к остову. Являясь внешними по отношению к КШМ, силы реакции фундамента сами являются следствием действия всех вышеупомянутых сил и могут быть найдены только после определения внутренних сил КШМ.

В описанной модели сделаны следующие допущения:

- КШМ рассматривается как плоский механизм с недеформируемыми элементами;

- не учитывается наличие зазоров в сопряжениях;

- силы трения непосредственно в рассмотрение они не включены.

Создаваемый ими момент сопротивления Ммех и потребляемая мощность Имех рассматриваются как составляющие полного сопротивления

Мс = Ме + Ммех ( 2 ),

где ífc - полный момент сопротивления;

Ме - момент сопротивления полезной нагрузки.

Динамика КШМ как системы тел описывается системой уравнений движения каждого из элементов КШМ под действием приложенных к нему внешних по отношению к КШМ сил и внутренних сил взаимодействия между элементами КШМ.

Пренебрегая влиянием зазоров в цилиндровой втулке (в направляющих крейцкопфа), движение поршня будем рассматривать как поступательное вдоль оси цилиндра. Так как при поступательном движении скорости и ускорения всех точек тела равны между собой, рассмотрим движение центра масс поршня, приложив к нему все действующие на поршень силы. Из внешних по отношению к КШМ сил на поршень действуют:

- сила тяжести mng , где шп - масса поршня, колец, штока и крейцкопфа;

- сила давления ?г, равная разности силы давления газов в цилиндре и силы давления воздуха со стороны подпоршневой полости. Взаимодействие поршня с другими элементами КШМ описывается внутренними силами КШМ:

- сила действующая на поршень со стороны шатуна ?шп;

- нормальная реакция втулки цилиндра (направляющих крейцкопфа)

fon .

Шатун совершает плоское движение в плоскости, перпендикулярной оси коленчатого вала и проходяшрй через ось цилиндра. Плоское движение твёрдого тела раскладывается на поступательное движение вместе с центром масс и вращательное движение вокруг центра масс. Шатун движется под действием приложенных к нему сил и их моментов. Из внешних по отношению к КШМ сил на шатун действует только сила тяжести rnmg , приложенная в цзнтре масс шатуна. Взаимодействие шатуна с другими элементами КШМ описывается внутренними силами КШМ:

- сила действующая на шатун со стороны поршня ?пш = -?шп приложена к верхней головке шатуна;

- сила действующая на шатун со стороны кривошипа ficm приложена к нижней головке шатуна.

Кривошип вращается вокруг неподвижной оси коленчатого вала

под действием силы, действующей на него со стороны шатуна ?шх = -?кш , приложенной к мотылевой шейке, и под действием момента сопротивления Мс;

Применяя закон освобождаемости от связей, запишем упавнения движения каждого из элементов КШМ под действием приложенных внешних и внутренних сил в неподвижной плоской ортогональной системе координат. Начало координат выберем на оси коленчатого вала, ось У направим вдоль оси цилгидра, ось X - горизонтально. Прямолинейное движение поршня описывается одним дифференциальным уравнением. Плоское движение шатуна описывается тремя дифференциальными уравнениями. Вращрнкэ кривошипа вогфуг неподвижной оси описывается одним дифференциальным уравнением. Система та этих пяти уравнений описывает динамику КШМ:

Гч-'Пу - тп£ - Рг = ШЛ'УП

Рппг* — — депмХпг

( 3 ) Гкшу - Гпшу - = Иш'Уа

1пшу1о«а1Л/» - Епш*• 1с • СОВр + Гкшу (1-1с)'31ДО -

- Гкшх« (1-1с)'С03р = 1с*/Э

Мс - Гпжх'Г'СОЗФ - Гшку*Г431Х№ = 1кв«Ф С учётом (I) в уравнения системы (3) входят только четыре неизвестных составляющих . внутренних сил взаимодействия между ая?ые.нт»чи кга,?.'Кйдавйстнч также ускорения всех аяэизвтов систокы.

чо тз:с как КШМ является механизмом с одной степень?.' свобода, законы даегчжя всех зл&мзктсг» могут бнггъ выракогж через закон /дошиия колончатого вала. акдоцатлшю, кз пяти урагнвяил скс10чы (3) колно получшъ ВЫраРЗНИЯ для ДОИЯВвСТДОС ВНуТрьЕПИГ сы КШМ к закона дзнягзння колончатого вала:

Тагу к Тг +■ 1Г;Т0 П-ч-уп ( 4 )

= Г»' + ШП'б + Шп-уп + Иш-5 + ВИВ-^Й. ( 5 )

Ггапх - ( Рг + Шп-2 + Щп-уп )-ЪвР + С + Щш-уш ^-СЬвР +

1-ссзЛ

(

ршк* = ( Рг + + Шп-уп )-ЬеР + С Ии^ + Шш-уш

- шш-хш-<1-с> - т^я-'Р ( 7

1кв-ф = Мс - ( Рг + Щп^ + тп-уп )-Г- <31.пФ + соэф-ЪВР) -( тш-£ + тш-уш )-г- (б1.пф + с-соэФ^в^з) +

+ тш-хш-г- (1-с)-со5Ф + и + ( 8 >

В правые части уравнений (4) - (8) входят:

- внешние силы ( давления газов Рг, тяжести и 1И£, момент сопротивления Мс);

- массовые и геометрические параметры КПМ;

- ускорения элементов КШМ.

Выражения для последних с целью подстановки в (4) - (8) выводятся в разделе "Кинематика КШМ": Необходимые обозначения:

х = г / 1 - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна, с = 1 - 1с/1 - характеризует положение центра масс шатуна на его продольной оси.

соэф

0 = 1 ~ безразмерная угловая скорость шатуна

/ 1/Хг-зз.п2ф

на V*-2 ~ 1

= -запФ-----—- - безразмерное угловое

аф (1/Х -si.il ч>)

ускорение шатуна'.

Координата, скорость, ускорение поршня:

уп = г-( соэф + г1/х2 - 81пф2 ) уп = - ф-Г-зхпф- ( 1 + & )

уп = -г- ( $-81ПЧ>- ( 1 + о ) + ф2 ■ СОвф- ( 1 + © > + )

Координаты, скорость, ускорение центра масс шатуна:

(Хш = г- (1 -С)• si.ni!>

уш = г-( созф + С-У1/Х2 - з1пфг ( )

{Хш = ф-Г- (1-С)-соаф

уш = - ф*Г*81пф*( 1 + С'в )

{Хш = Г- (1-С)" ( ф-оозф - ф2'в1.пф' )

уш = -г- [ Ф'б1пФ- (1+с-е) + ф2-оовф- (1+с-е) + ф2-з1пф-с-д^

Угол поворота, угловая скорость и угловое ускорение шатуна:

si.ii 0 =

созЭ = ■/ 1 - X2 • si.ru)>2

р = ф-0

Как видно, все кинематические параметры в левой части вышеприведённых уравнений выражены через угол поворота ф, угловую скорость ф, угловое ускорение :р коленчатого вала и геометрические размеры КШМ в правой части уравнений, что и требовалось для подстановки в уравнения (4) - (8).

Ядром разработанной модели динамики дизеля является система дифференциальных уравнений (4) - (8). В ной' определены взаимозависимости мээду следующими величинами:

- внешними по отношению к КШМ силами;

- внутренними силами взаимодействия между элементами КШМ;

- кинематическими параметрами движения элементов КШМ;

- массовыми и геометрическими параметрами' КШМ.

Необходимые для подстановки в систему кинематические соотношения приведены выше.

Рассмотрим основные отличия разработанной модели от традиционного подхода. Они есть как в описании кинематики, так и в

описании динамики дизеля.

Основное качественное кинематическое отличие заключается в той, что но требуется задавать закон движзяия криводапз - он рассчитывается при решении уравнения (8). Кроне того. для кинематических соотношения модели ислользуэтся точные тригонометрические формулы. Использование приблжэнных зависимостей приводит при расчёте ускорения поршня уп к ошибке до ЮЖ.

Наиболее существенным динамическим отличном разработанной модели является пржтендэ динамически эквивалентной модели движэяия шатуна. На рис.3 приведена нркзэя силы дазлония на втулку (направляющие крейцкопфа) равная по модули горизонтальной составляющей силы нагружения головного подшипника, рассчитанная по (6) для дизеля ЧН 22/32 при работе на номинальном режиме. Для сопоставления иа график нанесена и кряпзп, рассчитанная по традиционной модели. Анализ уравнения (6) позволяет шястггь

Рис.3 Горизонтальная составляющая силы нагружвния головного

подшипника, рассчитанная

по традиционной модели ..........

по разработанной модели -■— .

причину столь существенного расхождения. Первое и второе слагаемые (6) - члены с множителем ьвР - по смыслу и по форме записи аналогичны нормальной силе, традиционной модели динамики. Эта часть силы давления на втулку возникает от вертикально действующих сил. Расчётом этой составляющей и ограничивается 1радиционная модель. Третье слагаемое (6), содержащее горизонтальную составляющую ускорения ЦМ шатуна хш, в терминах метода кинетостатики может быть названо горизонтальной составляющей силы инерции шатуна. Четвёртое слагаемое описывает действие момента сил инерции шатуна. Неучет этих составляющих в традиционном рассмотрении и объясняет столь существенные различия в результатах расчёта. Как видно из рис.3, кривые различаются даже по количеству горизонтальных перекладок поршня (пересечения оси абсцисс). Максимальное размерное отклонение приходится на угол 269° (максимум неучтённых составляющих) и равно 77%. Горизонтальная составляющая силы инерции шатуна в течении рабочего хода частично разгружает головной подшипник и стенку цилиндра, на такте выпуска действует в обратном направлении и т.д. . Момент сил инерции шатуна действует практически в противофазв, но в данном расчёте имеет вдвое меньшую амплитуду. Учёт этих составляющих в замкнутой модели возможен благодаря принятому способу описания движения шатуна, в главе з получено уравнение вращения . коленчатого вала игаогоцилиндрового дизеля:

Ф- ( 1кв + Пл-Г^А + Шш-Г2- (Во + Вт) + 1ш-С ) + ф2' ( П1п-Г2'А' +

+ ти-г2 - (Во + Вг) + 1ш-с* ) = Мс - Мз - Мг ( 9 )

Сопоставляя ( 9 ) с общим видом уравнения динамики механизма .

^ + = М5:

запишем выражение дяя приведённого момента инерции КШМ

IX = 1кв + Шп• Г2• А + ШиТ2*(Вв + Вт) + 1а'С ( 10 ) и его производной по углу пкв ч>

= 2 • С шпт2-а' + ти -г2- (& + Вг) ч-ЬтС* ) ( II ) Безразмерные тригонометрические функции А, &», Вт, С отражают зависимость приведённого момента инерции КШМ 1т. от угла пкв ч> и вычисляются по формулам:

I сог^ А = Е (зз-пф-с 1+ -э)2

/1/Х2-31п2ф '

270

Рис.4 Изменение приведенного к оси коленчатого вала момента инерции КШМ - А + Вв + Вг + С- /<ч>) для \=0.4; с=0.4; г = 1 - 6

СОБф

Вв = £ fsiIH)>'CH-0- Э)^

/ l/\z-sin2v|>

1=1

Br = (1-е)2' Е (созф)2

i=l

z СОЭф

с = E С

i = i /j ^ 2 ,

1/Х -sin ф

Качественный характер зависимости Ir от ф при различном количестве цилиндров г представлен на рис.4.

В уравнение ( 9 ) входят следующие параметры КШМ : 1*в - момент инерции коленчатого вала относительно оси вращения,

КГ* М2;

г - радиус кривошипа ,м ; тп - масса комплекта поршня ,кг ; и® - масса шатуна ,кг ¡

1ш - момент инерции шатуна относительно оси, проходящей через его

центр масс перпендикулярно плоскости движения .кг-м2 ; \ - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна х=г/1 ,

где 1-длина шатуна ; с - коэффициент, характеризующий положение центра тяжести шатуна на его продольной оси с=1-1с/1 ,

где lc-рас'стояние от оси головного подшипника до центра тяжести шатуна.

Рассмотрены выражения для крутящих моментов внешних сил: давления газов Mr, тяжести Mg и сопротивления Мс, расположенных в правой части уравнения ( 9 ).

Уравнение ( 9 ) - обыкновенное нелинейное дифференциальное уравнение второго порядка. Оно устанавливает связь между моментами внешних сил и законом движения коленчатого вала. Решая прямую задачу динамики, при известном (измеренном) законе движения коленчатого вала можно находить один неизвестный внешний момент -крутящий момент от сил давления газов, либо момент сопротивления, либо их разность. В обратной постановке задачи при известных моментах решением уравнения ( 9 ) является функция фШ, позволяющая в любой момент времени определить угол пкв, угловую скорость и угловое ускорение, то есть закон движения коленчатого вала.

В Главе 4 ПрИВвДОНЫ ПрИМврЫ раСЧёТЭ КрИВОЙ угловой СКОрОСТИ

коленчатого вала ( см. рис.5 ). Показано и проанализировано

z

м а>

а

515

510

газ 530 4« 4Т0 413 419 475

1 об/мин (У1 / 1 \ " 1 \ / \ /~Ч 10

\ 1 /V ^5

П I 270 ЗСО таг 540 830 -■------,— ,„. ..,, т«.

1 об/иш и Л кг \ " \ / Щ

\\ V V VI / 3

\ 1 X Т. гД.. я^

0 370 \ Э 0 450 \ 5 0 630 \ Т, ПМЯ.

0 90 1&0 270 360 430 540 630

>0 183 273 355 4Я 540 ИЗ

Рис.5 Угловая скорость коленчатого вала (I) и суммарный- крутящий момент от сил давления газов (2) для а - одно-, б - четырех-, в - шестицилиндровой модификации дизеля ЧН 22/32 (ВАН 22).

влияние режимных факторов - нагрузки и средней частоты вращения -на форму кривой угловой скорости коленчатого вала дизеля. Сопоставление результатов расчёта кривой угловой скорости коленчатого вала исправного и неисправного дизеля на различных

режимах работы с экспериментальными данными, показало адекватность полученных расчётом результатов реальным физическим процессам, что даёт основание рекомендовать использование разработанной модели динамики дизеля в практических целях.

На конкретном примере изложен алгоритм диагностирования протекания рабочего процесса в цилиндрах дизеля по измеренной кривой угловой скорости коленчатого вала. Показано, что непосредственно по кривой угловой скорости (рис.6) можно определить распределение нагрузки по цилиндрам. Более подробная диагностическая информация может быть получена, если по уравнению (9) рассчитать кривую избыточного крутящего момента, равного разности крутящего момента от сил давления газов и момента сопротивления (рис.7).

Возможность количественной оценки протекания рабочего процзсса в цилиндре по кривой крутящего момента обосновывается тем, что крутящий момент от сил давления газов рассчитывается по формуле:

Г

Mr = г- ЕС Pr-sin4>- (1+е) ). i =1

где функция sinip- (1+е) отражает закон изменения плеча силы давления газов в цилиндре Рг. В связи с этим полученная кривая на рис.7 непосредственно отражает особенности протекания рабочего процесса в отдельных цилиндрах. Логично поэтому кривую момента уценивать теми же показателями, по которым обычно сравнивают щдикаторные диаграммы:

- давление сжатия рс ...... момент сжатия Меж;

- максимальное давление сгорания р* .....максимальный момент М*;

- угол максимального давления api .. угол максимального момента

аМ*;

- среднее индикаторное давление цикла pi ..... средний момент

цикла Mí.

!казанное выше подтверждено сопоставлением характеристик вдикаторных диаграмм нормально работающего и дефектного цилиндров рис.8) с соответствующими показателями кривой крутящего момента рис.7), полученной путём расчёта по исходной кривой угловой

504.5 304.0 503.3 503.0 502.5 302.0 301.5 301.0 300.3 500.0 499.3 499.0 498.5 498.0 497.3 497.0 496.5 498.0

0 so iso 270 3£0 450 540 630

Рис.6 Исследуемая кривая угловой скорости коленчатого вала.

18 16 14

12 10 8 6 4 2 О -2 -4 -6 -8

so 1g0 270 3s0 4 so 540 630

Рис.7 Расчётная кривая крутящего момента

О

Р,МПа.

/

1

/

1 1 N=4— г

О 90 180 270 360 450 540 630 Ч*

Рис.8 Индикаторные диаграммы исправного и дефектного цилиндров

_Рис.9 Оценка, углового интервала адекватности алгоритма:

1 - отношение ординат индикаторных диаграмм исправного

и дефектного цилиндров (с рис.8)

2 - отношениэ ординат соответствующих участков кривой

крутящего момента (с рис.7) тд

скорости (рис.6). Показано, что расчет распределения нагрузки по цилиндрам по кривой угловой скорости ( как и по кривой крутящего момента ) даёт некоторое "сглаживание" распределения нагрузки по сравнению с действительным из-за отнесения части линии расширения дефектного (недогруженного или перегруженного) цилиндра к участку работы следующего при интегрировании. При этом в качественном отношении картина остаётся верной, то есть наиболее нагруженный и наименее нагруженный цилиндры определяются безошибочно, поскольку основная часть работы цикла совершается в пределах интегрируемого участка кривой момента.

Чтобы оценить угловой интервал кривой момента, на котором можно с определённой степенью точности судить об изменении давления в цилиндре, рассмотрим рис.9. На нём кривая 1 есть график отношения давления в дефектном цилиндре к давлению в нормально работающем цилиндре при одинаковых углах пкв относительно ВМТ соответствующего цилиндра (см. рис.8). Кривая 2 на рис.9 есть график отношения величин крутящего момента на тех же углах соответствующих участков рабочего цикла (см. рис.7). Из рис.9 видно, что на угловом интервале -20° ... +45° относительно ВМТ соответствующего цилиндра изменение кривой момента отражает изменение давления в цилиндре с погрешностью не более 5 %, причём при определении отношения давлений сжатия рс . и максимальных давлений сгорания рь эта погрешность не превышает 2.5 %. Отметим, что в указанный угловой интервал попадают все диагностические параметры кривой индикаторного процесса (включая давление на линии расширения рзс). по которым обычно судят о качестве его протекания известные системы диагностики, такие как ик-в фирмы деготка. .За пределами этого углового интервала ошибка в определении изменения давления в цилиндре по кривой момента нарастает из-за усиливающегося влияния соседних по порядку работы цилиндров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

( основные результаты и выводы по работе )

I. Способ контроля за протеканием рабочего процесса в цилиндрах дизеля по измеряемой кривой углозой скорости коленчатого вала является перспективным, так как обеспечивает:

- простоту, надёжность и высокую точность измерений;

- непрерывный контроль за работой дизеля в процессе

эксплуатации;

- одновременный контроль за работой всех цилиндров дизеля.

2. Применять указанный способ диагностирования, к судовым дизелям следует не на переходных, а на установившихся режимах работы. Экспериментальные исследования показали заметное отличие параметров переходного режима по сравнению с установившимся режимом работы дизелей, что объясняется значительной деформацией рабочего цикла на неустановившемся режиме и является следствием инерционности дизеля как механической, тепловой и газодинамической системы.

3. Для расчёта эталонных и обработки измеренных кривых угловой скорости коленчатого вала разработана модель динамики дизеля, удовлетворяющая следующим требованиям:

- не требуется предварительного задания закона движения коленчатого вала, кривая его угловой скорости рассчитывается;

- учитывается изменение приведённого к оси коленчатого вала момента инерции КШМ двигателя по углу пкв;

- используется динамически эквивалентная модель движения шатуна;

- силы тяжести элементов КШМ включены в рассмотрение, так как в судовых две они имеют значительные величины;

- для описания кинематики используются точные, а не приближённые тригонометрические формулы, ошибка которых

быстро растет с ростом х, что характерно для современных судовых малооборотных дизелей.

4. Рассмотрено влияние массово - геометрических параметров КШМ на форму кривой угловой скорости коленчатого вала дизеля. Проанализированы возможности упрощения расчётной схемы в зависимости от параметров КШМ .

5. Показано и проанализировано влияние режимных факторов нагрузки и средней частоты вращения - на форму кривой угловой скорости коленчатого вала дизеля.

в. Сопоставление результатов расчёта кривой угловой скорости коленчатого вала исправного и неисправного дизеля на различных режимах работы с экспериментальными данными, показало адекватность полученных расчётом результатов реальным физическим процессам, что даёт основание рекомендовать использование разработанной модели динамики дизеля в практических целях.

7. Разработан алгоритм диагностирования протекания рабочего

процесса в цилиндрах дизеля, заключающийся в расчёте кривой избыточного крутящего момента па измеренной кривой угловой скорости коленчатого вала с использованием разработанной модели динамики и дальнейшей оценке по рассчитанной кривой параметров рабочего процесса в цилиндрах дизеля. Приведён пример использования алгоритма.

8. Разработана методика оценки погрешности предлагаемого алгоритма диагностирования.

Результаты исследования могут быть использованы:

- в системах контроля и диагностирования работы дизелей;

. - для решения расчётных проектно - конструкторских задач по динамике ДВС;

- в учебном процессе по курсу "Динамика ДВС".

Основные положения диссертации опубликованы в работах:

1. Кожевников A.B. Расчёт кривой угловой скорости коленчатого вала дизеля // Дзигателестроение.- 1991.- N« 7 .- С. 25 - 28.

2. Кожевников A.B. Сравнительный анализ некоторых аспектов традиционной и замкнутой моделей динамики дизеля. // Двигателестроение.- 1992.- К? 4-8 .- С.

3. Басалыгин Г.М.v Кожевников A.B. Анализ динамических погрешностей расчёта инерционных масс центрального КШМ. .// Двигателестроение.- 1992.- Ks 7-9 .- С.

4. Кожевников A.B. Диагностирование технического состояния судовых дизелей. / Сборник научных трудов ЛВИМУ км. С.0.Макарова "Совершенствование судовых' энергетических установок и систем судов", М.: - В/О "Морггехинформреклама", 1931. - С. .132 - 138.

5. Кожевников A.B. Расчет кинетической энергии шатуна. / Современное состояние и перспективы развития СЭУ. Сборник научных трудов ГМА им. С.О.Макарова,' 1993. - С.

6. Кожевников A.B. Уравнение вращения коленчатого вала ДВС. / Разработка и внедрение перспективных технологий и устройств. Тезисы докладов конференции. Л.: 1991. - С. 105 - III.