автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение эффективности диагностирования систем газотурбинного наддува двигателей мобильной сельскохозяйственной техники

На правах рукописи

КУВШИНОВ Алексей Николаевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ГАЗОТУРБИННОГО IIАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

1 О ОКТ 2013

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саранск 2013

005534751

005534751

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор технических наук профессор Иншаков Александр Павлович

Салмин Владимир Васильевич

доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой эксплуатации автомобильного транспорта ФГБОУ ВПО «Пензенский государственный университет архитектуры и строительства»

Влаекин Владимир Викторович

кандидат технических наук, ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева», доцент кафедры технического сервиса машин

ФГОУ ВПО «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия»

Защита состоится 25 октября 2013 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д 212.117.06 при ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по адресу: 430904, г. Саранск, п. Ялга, ул. Российская, д. 5.

С диссертацией можно ознакомиться в Научной библиотеке им. М. М. Бахтина ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева».

Автореферат разослан «25» сентября 2013 г. и размещен на официальных сайтах Минобрнауки РФ http://vak2.ed.gov.ru и ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарёва» Шр:/Аулулу.тг5и.ги.

«25» октября 2013 г. Ученый секретарь

диссертационного совета 1 Величко С. А.

ОБ1ЦЛЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Развитие рыночных отношений в АПК ставят актуальной проблему повышения эффективного использования мобильной сельскохозяйственной техники. В этой связи уделяется большое внимание мероприятиям, направленным на поддержание техники в работоспособном состоянии. Однако финансовая и материальная затратность таких мероприятий остается весьма высокой, и за весь период эксплуатации машин соизмерима с затратами на производство новой техники. Уменьшить затратность технических мер на поддержание сельскохозяйственной техники в работоспособном состоянии возможно путем диагностирования в процессе её функционирования.

Наиболее трудоемким и наукоемким остается процесс диагностирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) мобильных энергетических средств. Неисправности двигателя ведут к снижению производительности, ухудшению экономичности и экологичное™ машинно-тракторного агрегата (МТА).

Статистика выхода из строя отдельных узлов и агрегатов автотракторных ДВС показывает, что 45% все отказов составляют отказы системы питания топливом и воздухом. Следовательно, исследования, направленные на совершенствование методов и средств диагностирования системы воздухоподачи автотракторного двигателя с газотурбинным наддувом (ГТН) при техническом сервисе является актуальными.

Связь работы с планами научных исследований. Работа выполнена в соответствии с планом НИОКР ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н. П. Огарева» по теме «Энергоэффективность и ресурсосбережение технологий и систем в растениеводстве», отвечающей приоритетным направлениям работ (ПНР 1 № 28/2010 «Энергосбережение и новые материалы») и программы «У.М.Н.И.К.» по теме «Разработка технологи и средств контроля и диагностики систем наддува двигателей внутреннего сгорания транспортных средств и мобильных энергетических средств».

Цель работы - разработка методов и средств диагностирования системы воздухоподачи двигателей мобильной сельскохозяйственной техники.

Объект исследования - система воздухоподачи тракторного двигателя с газотурбинным наддувом.

Предмет исследования - закономерности изменения показателей работы турбонаддува двигателя в условиях эксплуатации.

На защиту выносятся:

- теоретические зависимости, описывающие влияние различных эксплуатационных факторов на показатели работы турбокомпрессора и двигателя мобильного энергетического средства;

- рекомендации по допусковым значениям давления надувочного воздуха двигателя Д-245-35 с ТКР-6.1-00-01, обоснованные расчетно-численными и экспериментальными исследованиями;

- новые методы и средства диагностирования функционирования турбокомпрессора двигателя мобильного энергетического средства.

Научная новизиа работы:

- получены теоретические зависимости, описывающие влияние различных эксплуатационных факторов на показатели работы турбокомпрессора и двигателя;

- установлена количественная взаимосвязь диагностических параметров турбокомпрессора (ТКР) с теплонапряженностыо двигателя;

- предложены новые эффективные средства диагностирования систем газотурбинного наддува сельскохозяйственной техники.

Методика исследований предусматривала разработку математической модели зависимости давления наддува Рк от параметра тсплонапряженности двигателя qn; проверку адекватности данной математической модели; разработку программы для ЭВМ; изучение закономерностей изменения показателей работы турбокомпрессора.

Практическую значимость представляют:

- разработанный диагностический комплекс;

- результаты экспериментального изучения зависимости диагностических параметров от характерных неисправностей систем воздухоподачи;

- программа регистрации параметров функционирования мобильных энергетических средств (свидетельство РФ № 2011610457);

- программа «Система исследования режимов работы турбокомпрессора» (свидетельство РФ № 2013617233);

- программа «Мотор-тестер диагностики систем наддува двигателей внутреннего сгорания» (свидетельство РФ № 2013615096);

- обосновано нормативное значение диагностического параметра -давления наддува.

Реализация результатов исследований.

Техническая документация на технологию диагностирования дизельных двигателей с газотурбинным наддувом принята к внедрению в малом инновационном предприятии ООО «ЭФФЕКТ ГАРАНТИЯ» и головным предприятием по диагностике транспортных средств ООО «ТЕХТРАНСКОНТРОЛЬ».

Лабораторный комплекс для изучения влияния неисправностей на показатели работы системы газотурбинного наддува, программы «Controlmes» и «TURBOCOMP» внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» по направлению подготовки «Агроинжснерия».

Апробация. Основные положения и результаты исследований докладывались на Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (г. Саранск, 2009 г.); XXXVII Огарсвских чтениях ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (г. Саранск, 2009 г.); XII научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (г. Саранск, 2007, 2010, 2011 г.); X Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде Lab VIEW и технологии National Instruments» (г. Москва, 2011 г.); научно-практической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие

технологии и системы» (г. Саранск, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Khurel Togoot» (г. Уланбатар, 2011 г.); на расширенном заседании кафедры мобильных энергетических средств ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н.П. Огарева» (2013 г.), в ходе реализации гранта по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») (2011 -2012 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 5 в изданиях по «Перечню...» ВАК Минобразования и науки РФ, получено 3 свидетельства на программы для ЭВМ «Программа регистрации параметров функционирования мобильных энергетических средств», «Мотор-тестер диагностики систем наддува двигателей внутреннего сгорания» и «Система исследования режимов работы турбокомпрессора».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 155 страницах машинописного текста, включает 65 рисунков и 8 таблиц, список литературы содержит 186 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, поставлена цель, обозначен объект исследований, охарактеризована научная новизна и кратко изложена общая концепция работы.

В первой главе «Состояние проблемы и основные задачи исследования» выполнен анализ научной литературы и определены задачи исследования.

Теоретическими и экспериментальными исследованиями в области эксплуатации и диагностирования технического состояния двигателей занимались Н. С. Ждановский, В. М. Михлин, К. Ю. Скибнсвский, И. И. Габбитов, А. Э. Симеон, А. Б. Азбсль, Ю. Б. Моргулис, И. А. Биргер, А. П. Савельев, В. В. Салмин, О. А. Алексеев, И. П. Терских, А. В. Николаенко, В. И. Вельских, В. II. Попов, А. П. Иншаков, II. II. Патрахальцев, В. И. Белоусов, В. И. Кругов, А. Г. Рыбальченко и мног ие другие отечественные и зарубежные ученые.

Краткий обзор и анализ состояния проблемы показал, что к настоящему времени созданы определенные научно-мстодичссис и технические основы технического сервиса воздухоподающих систем автотракторных ДВС. Вместе с тем, существующие технологии и методы диагностирования, контроля и оценки технического состояния отдельных элементов современных систем газотурбинного наддува не учитывают в полной мерс особенностей их функционирования.

Повышение достоверности и снижение трудоемкости диагностических работ при техническом сервисе ДВС с газотурбинным наддувом может быть достигнуто совершенствованием средств диагностирования, обладающих возможностью оцифровки полученных прямым измерением данных и последующей обработки их с использованием математического аппарата.

Для достижения поставленной цели были определены к решению

следующие задачи:

1. Изучить условия работы ТКР в системе воздухоподачи автотракторных дизелей.

2. Провести анализ существующих методов и средств диагностирования агрегатов воздухоподачи тракторных дизелей с газотурбинным наддувом.

3. Провести комплексный анализ взаимосвязей показателей воздухоподачи с показателями двигателя при газотурбинном наддуве.

4. Разработать методы и обосновать предельно допустимые показатели работы турбонаддува в процессе эксплуатации.

5. Изучить и сформулировать причинно-следственные связи дефектов агрегатов воздухоподачи тракторных дизелей с газотурбинным наддувом.

6. Разработать диагностические средства для безразборной оценки технического состояния систем газотурбинного наддува на основе портативных ЭВМ для стационарных и эксплуатационных условий.

7. Оценить экономическую эффективность разработанных мероприятий и внедрить их в производство.

Во второй главе «Теоретические исследования по обоснованию методов и средств диагностирования ТКР автотракторных дизелей» на основе аналитически описанных зависимостей численно установлено влияние возникающих в процессе эксплуатации МЭС параметров технического состояния воздухоочистителя (!;„ - гидравлического сопротивления) и турбокомпрессора (r)M - адиабатического К.П.Д.) на показатели турбонаддува (Рк - давление наддува) и теплонапряженность двигателя (q„ - критерий теплонапряженности). Математическая модель взаимосвязи указанных показателей была представлена системой уравнений в малых отклонениях: Г AM8P-' + A]_55qUB =В|, Л2_,5Р' + Л2_25Рк =В2>

Л3_15Р'-Лз_25Рк+АЗ_361к=ВЗ, Л4_45рк -А4_55яЦ11 =В4, J A^Sp, + A^SP, + = BS, (1)

Л6-55Яцв +Лб_65а = в6, A,Jpx + A„SNe + A^Sa = Я7, Ag-gSq,. + A8_75Nc =B8,

v A jp, + Л-А + 4,-68a+л„_ч&1п = в,.

где SP", SqUB, SNC, StK, Sp„ SPK - соответственно малое приращение сопротивления воздушного фильтра, циклового расхода воздуха, эффективной мощности, температуры, плотности воздуха, давления наддува.

В системе коэффициенты влияния A|_j, A2_j ... A9.j на каждом цикле

решения играют роль постоянных при неизвестных 8Р', 8Рк, ... 5qп. В правую часть вынесены независимые постоянные (для данного цикла) В], В1 ... В9. В общем случае каждую постоянную в правой части системы уравнений рассматриваем как сумму

В; = В;., +

где j — порядковый номер уравнения в системе.

Постоянные вида представляют собой произведение тех или иных коэффициентов на 5gцT. Постоянные вида В^2 содержат в виде алгебраической суммы одну или несколько величин 8г|ад), каждая из которых может быть домножена на постоянные коэффициенты. Во всех рассматриваемых случаях, если Ф О, ТО В;_2 = О, И наоборот В;_2 Ф О, = 0.

Постоянные В;_2 всегда содержатся в правой части равенства и характеризуют либо внешние условия, либо другие факторы, которые воздействуют на показатели дизеля.

Решение системы уравнений (1) позволило установить, что в классических системах топливоподачи появление и развитие неисправностей, связанных с нарушением воздухоподачи на режимах эксплуатации мобильных сельскохозяйственных агрегатов, близких к номинальным, может приводить к чрезмерному повышению теплонапряженности двигателя возрастает до 6,2 что выше предельного qп = 6,0 для исследуемого типа двигателя).

Проведенные расчеты на данном этапе позволили продолжить теоретические исследования в направлении обоснования предельных значений параметров турбокомпрессора, характеризующих эффективность его функционирования в системе воздухоподачи двигателя и которые могут быть определены методом диагностирования.

В качестве оценочных характеристик работы турбокомпрессора двигателя рассматривается как допусковыс значения давления наддува Рк и давления перед турбиной Рт, так и вид их взаимосвязи. Указанные характеристики наддува в процессе функционирования МЭС могут изменяться в зависимости от технического состояния ТКР, неисправностей во впускной и выпускной системах двигателя, изменения режима работы двигателя и другим причинам. В таких условиях важно, во-первых, установить действительную причину снижения давления наддува и, во-вторых, оценить насколько опасно ухудшение воздухоснабжения для работоспособности двигателя и ТКР.

Для установления взаимосвязей между параметрами Рк и Рт было использовано уравнение баланса мощностей:

(2)

где Нг- мощность, развиваемая на валу турбины, кВт; И* — мощность, требуемая для привода компрессора, кВт.

Выразим Ыт и N,1

где 0|ч - расход газов через турбину, кг/ч; Г|г - общий КПД турбины; К] - показатель адиабаты расширения газов, для центробежных турбин можно принять К) = 1,35; II| -газовая постоянная, Я] = 29,27 кг-с-м/кг-°С; Т(-температура газов перед турбиной, "С.

N.. = -

К

75/7, К-1

КТ0

1-

Р

Ч о У

-1

(4)

где К - показатель адиабаты сжатия, для центробежных компрессоров, принимаем К = 1,4; Я0- газовая постоянная воздуха, К0= 29,27 кгс--м/кг"С.

Уравнение (2) представим в виде: ; ч

Р

VI/ Обозначим:

К, К-1 Л, Т вт

-1=—1-----— —т--ц,-г!,

АГ, —1 К К Т0 О>

1-

р т;

(5)

К,

К-1 Л,

К,

К Д„

Тогда:

Т вт

■»о

р V о/

1-

Из уравнения (6) может быть получено выражение для Рт:

я=-5-

К(ЛГ,-|>

(6)

(7)

Уравнение (6) устанавливает взаимосвязь между давлением наддува Рк и давлением Рт перед турбиной. Анализ выражения показывает рост Рк при нормальном функционировании двигателя и турбокомпрессора может быть достигнут: за счет увеличения давления Рт; увеличения КПД турбокомпрессора; увеличения температуры газов перед турбиной Т,. Таким образом, рост Рк при повышении Тт заложен в самом принципе действия дизельных двигателей с газотурбинным наддувом и достигается за счет увеличения цикловой подачи топлива при повышении нагрузочного режима работы двигателя. Поэтому в обычных системах топливо-, воздухоподачи двигатель «не распознает» те неисправности ТКР, которые приводят к понижению Рк по закономерностям, отличающимся от заложенных в принципе совместной работы исправных двигателя и турбокомпрессора. Последствием работы в таких случаях могут быть внезапные отказы как двигателя, так и ТКР по причине повышенной теплонапряженности. Учитывая данное обстоятельство, что одна и та же

абсолютная температура газов перед турбиной может характеризовать различное давление наддува исправного и «неисправного» ТКР, сделаем попытку установления предельного Рк по более объективному критерию теплонапряжснности цилиндропоршневой группы двигателя qп.

Известное выражение критерия теплонапряжснности запишем в виде:

Г ^ Л0'38

-.0,5 „ „ ■'*\0,88

ч^ъ-с:

' (а ■*.§•)'

Г!у-Рк

(8)

к У

где Ь - коэффициигг, учитывающий тактность двигателя, для четырехтактных двигателей Ь = 1,0; Рк - давление наддува воздуха, кг/см2; Тк - температура надувочного воздуха, К; Ст -средняя скорость поршня, м/с; О - диаметр нилиндра, дм; г|у - коэффициент наполнения, для двигателя Д-245-35 и турбокомпрессора ТКР 6,1-00-01 равен 0,95; рс — среднее эффективное давление, кг/см2; & - удельный расход топлива, кг/(л.с.ч); То - температура окружающего воздуха при нормальных условиях, То = 293 К.

После преобразований, приняв я„ = qnrlp, Рк = РКПрСд, получим:

Р1 пред. = -

■О

-• (9)

-Лу

Результаты расчета критерия теплонапряженности от давления наддува Рк (рис. 1) подтверждают ранее высказанную гипотезу о том, что в зависимости от скоростного режима работы, двигатель может достигать предельного по qп состояния при различных давлениях наддува Рк. Так предельной величины qп = 6 двигатель Д-245-35 достигает при скоростном режиме пя = 2200 об/мин при Рк пред = 122 кПа, а на скоростном режиме пд = 1400 об/мин Рк прсд =117 кПа. Таким образом, контроль Рк в процессе функционирования двигателя является непременным условием контроля работоспособности ТКР в эксплуатации.

г 1400 1000 800 вермняя фанк

ца чп

-4* — —- — - -----

' —т II-г

30

110 120 130 140 Рк, К Па 160

Рисунок 1 - Зависимость показателей работы двигателя Д-245-35 от частоты вращения двигателя и давления на впуске Рк

Расчет предельных эксплуатационных параметров Рк и Рт контролыю-

допусковой диагностической математической модели проводился с помощью разработанного программного обеспечения «Control MES» (Свидетельство №2011610457) и «TURBOCOMP» (Свидетельство № 2013617233).

Изложенное выше позволяет констатировать, что в эксплуатации МЭС имеется возможность отслеживать информацию о функционировании системы газотурбинного наддува, контролируя давление наддувочного воздуха. Учитывая, что на диагностику отводится определенное время, то целесообразно за этот промежуток времени находить такие значения Рк турбокомпрессора, которые обеспечат наибольшую достоверность результатов контроля его работоспособности.

На основании теоретических положений функциональной диагностики (И. П. Терских, И. А. Биргер), считаем, что ценность Рк, как диагностируемого параметра, определяется тем, какой объем информации он несет. При этом важно установить степень связи Рк с техническим состоянием объекта. Если принять вероятность исправного (работоспособного) состояния системы наддува до диагностики P(S) (априорная вероятность), а после диагностики aj-го параметра (апостериорная вероятность) стала Paj(S). Тогда разность между апостериорной и априорной вероятностями работоспособного состояния покажет насколько повысилась достоверность информации о техническом состоянии проверяемого объекта.

Таким образом, чем больше разность ДРС = Paj(S) - P(S), тем более ценен для диагностики параметр Рк. В связи с тем, что время диагностирования при техническом сервисе ограничено, то оно должно быть обязательно учтено. Ведущую функцию процесса рассчитываем по формуле:

' t

где <pj - ведущая функция процесса; t - время, затрачиваемое на диагностику выбранного параметра.

Из зависимости (10) видно, что при выборе диагностируемого параметра важны как приращения апостериорной вероятности работоспособного состояния, так и время, затрачиваемое на диагностику выбранного параметра.

Апостериорную вероятность работоспособного состояния объекта Paj(S) определяем по формуле Байеса:

W =-й—(">

где Р(—) - вероятность работоспособного состояния объекта при условии, что выбраны для

а1

диагностики параметр RBj - полная вероятность события, заключающаяся в том, что выбранный параметр щ действительно годен для диагностики с вероятностью (1 - а) и негоден с вероятностью р.

Подставляя (10) в (11) получим:

Д5)

(12)

Из формулы (12) следует, что ведущая функция процесса будет иметь

максимум при Р(—)/ Ка = тах. а,

Таким образом, обоснование диагностируемых параметров системы газотурбинного наддува сводится к подсчету ведущей функции процесса и выбору параметра, имеющего максимальное значение ф;.

При комплексной диагностике, когда одновременно проверяется несколько диагностируемых параметров, ведущая функция процесса определяется соотношением:

Я(-)-1

Я.,

/>(-)-1 к

Я,

+ ¡'Г11ак.

Р{~)~ 1

п

Я.

<Р<

(13)

Е<» {

Анализ уравнения (13) показывает, что ведущая функция процесса будет в п раз больше той, которая получается при последовательной диагностике параметров.

Данные теоретические предпосылки были положены в основу разработки комплекса диагностических параметров и соответствующего оборудования. При этом ведущая функция процесса диагностирования системы газотурбинного наддува на основе (13) в общем виде представлена зависимостью:

<Р, =

яЕ -П,

(14)

где Пе — показатель работоспособного состояния системы наддува, принимаем его известным и равным номинальному значению; П] — показатель работоспособного состояния системы наддува после диагностики (фактически замеренный показатель).

Зависимость (14) запишем применительно для давления наддува:

Р..-Р,

давления после турбины:

/

(15)

(16)

где Рш, Рт„ - номинальные значения давления наддува и давления перед турбиной технически исправного ТКР, кПа; Ркф, Р,ф -фактические значения давления наддува и давления перед турбиной, замеренное в момент диагностирования , кПа; I - время на диагностирование, мин.

Для того, чтобы обеспечить максимум функции гк и ф, ^ необходимо, чтобы разность I числителе зависимости (15) и (16) была наибольшей.

Данному условию соответствует предельное в эксплуатации.

Предельное снижение давления наддува может быть назначено но лопустимсму ограничению роста теплонапряжснностн двигателя Дц„ (ДТ>). Ранее проведенный расчет позволил установить Р,1Чка ~ 122 кПа.

В третьем главе «Методика экспериментальных исследований» описаны методика исследований, экспсримешальная установка, измерительная аппаратура, разработанные способы тарировки датчиков, опенка погреншост измерений и обработка экспериментальных данных.

Разработанная нами методика и соответствующее средство контроля систем наддува представляет совокупность программно-аппаратных средств. К аппаратным средствам отнесены первичные преобразователи физических величин, встроенные усилители аналоговых сигналов, аналогово-цифроьыс преобразователи. Программные средства представлены в виде профа.ммы для ЭВМ. Ирофамма выполняет задач» как самостоятельно, так и в качестве модуля средства контроля и диагностики систем наддува воздуха двигателей

Разработанный модуль собран в программной среде 1.аЬ\'11;.\У 8.0 (университетская лицензия ФКГОУ ВПО «МГУ имени Н.П. Огарева) на графическом я:.ыкс нро!раммирования С. Программа выполнена в виде исполняемого райла TURBOCOMP.EXE («Система исследования режимов работы турбокомпрессора»), обеспечивающею се автономную работу вне

Основное окно

про1раммы представлено на рис. 2.

В рабочем окне отображаются графя ки

снимаемых сигналов, сверху находится панель со стрелочными индикаторами, обеспечивающих оптимальное восприятие измеряемых показателей. Вверху справа находятся основные функциональные кнопки: РЕГИСТРАЦИЯ, АНАЛИЗ, КАЛИБРОВКА,' ПАРАМЕТРЫ, О СИСТЕМЕ, СТОП.

У измерительной системы имеется функция тарировка (калибровка) сигналов. Оснсвные параметры средств контроля и днагнооики систем наддува воздух» двигателей транспортных средств и двигателей мобильных энергетических средств, требующие калибровки давление и разрежение. На датчик массового расхода воздуха П1.М2-4.7 калибровочные значения представлены в документации. Завод-изготовитель гарантирует по1рсшность в пределах 1 %, -1то на порядок превышает требования к точности измерения расхода воздуха.

Рисунок 2 - Основное окно модуля программы

Датчики лавлсиня

наддува воздуха 47.3829 и датчик абсолютного давления 45.3829 тарировались с помощью разработанной

установки для калибровки (рис. 3). Она представляет собой раму, ресивер, компрессор малой мощности с пределом развиваемою давления ло 10 бар. контрольный манометр класса точности I и выше (ДНМП-100, измерение давление-вакуум, корректировка нуля, контрольный манометр МПТИ-У2 класс точности 0,6), запорный клапан, соедини тельные шланги, баромор, вакуумный насос.

В кнопке КЛЛИЬРОВКЛ имеется окно, где задаются калибровочные

Разрабатываемый модуль про!раммы средств контроля и диагностики систем наддува двигателей

сельскохозяйственной техники выполняет следующие функции:

- опрашивает с заданной частотой подключенные аналоговые каналы платы сбора данных;

- осуществляет первичную математическую обработку сигналов на основе разработанных алгоритмов для их представления в абсолютных значениях физических величин;

- визуально отображает снимаемые с турбокомпрессора параметры в основном окне

профаммы в режиме сбора данных;

- сохраняет данные в бинарные файлы (*Лс<1);

• загружает и отображает ранее сохраненные данные, определяющие техническое состояние газотурбинного наддува;

• обеспечивает импорт сохраненных данных из бинарною файла данных в текстовый для обеспечения возможности дальнейшего их анализа и статистической обработки в специализированных математических пакетах;

- обеспечивает выгрузку данных в текстовые файлы данных C.txt) для дальнейшей статической обработки;

- сохранно полученные сигналы в графическом формате (*. Ьтр).

Для оценки влияния различных неисправностей в системе воздухоподачи

Рисунок 3 - Установка ля« калибровки

значения (рис. 4).

СЕ Пвромприсисимм

Рисунок 4 Калибровка лагчнков в окне программы

двигателя на диагностические показатели турбонаддува была разработана схема их взаимосвязей (рис. 5). При этом учитывали наиболее проявляемые н эксплуатации неисправности. Как правило, в системе впуска и выпуска это неисправности вызванные утечками воздуха и дополнительными сопротивлениями на впуске и выпуске. Их можно подразделить на утечки воздуха до и после компрессора и утечки до и после турбины, сопротивления до и после компрессора и сопротивлении в системе выпуска.

ДВС •

—

дилХЦуспгчкгой алгшггг Рг

ЯЕктЛРжэа'Хта с пежин еыяУск*

УТЕЧКИ ДО ТУШИЫ

УТЕЧКИ ПОСЛЕ ТУРБИНЫ

ТКР

витккшчкскя* Р»

сопротиыт 1И£Д0

1 КОМПРЕСС >РА

СОПРОТИВЛЕНИЕ ПОСЛЕ КОМПРЕССОРА

СОПРОТИВЛЕНИЕ В СИСТЕМЕ ВЫПУСКА

УТЕЧКИ ПОСЛЕ КОМПРЕССОР*

Рисунок 5 - Схема взаимосвязей неисправностей системы ЛВС - ТКР при диагностировании гаютурбинноги иадлупа

В четвертой главе «Экспериментальные исследования работы турбокомпрессора тракторного дизеля» приведен анализ результатов экспериментальных исследований. Для опенки адекватности математических зависимостей проведена их идентификация путем сравнения экспериментальных и расчетных данных. Оценка по критерию Пирсона

покачала удовлешорительпуюсходимость результатов на уровне 0,88. ..0,94.

Экспериментальными исследованиями воздухонолачи двигателя Л-245 проведены и уточнены границы допусковых отклонений Р, и Р„ полученных расчслю-численным моделированием. Экспериментально исследовалось повеление Р, и Р, в качестве диапюстируемых показателей при изменении одного из параметров, характеризующих состояние системы наддува на впуске и выпуске согласно рис. 5. I) качестве примера на рис. 6 показана область распределения давления наддува при различных значениях Р,.

Точка Л

расположена на

пересечении верхнего ■рафика Р. под нагрузкой с нижним 1рафиком Р, без нагрузки. Значение Р, в данной точке является нижней ■ рани ней для Р, по значениям предельной тсплонанряжснности, что согласуется с результатами теоретических исследований. Следовательно, условием безопасной по теплонанряжешшети двигателя является нагрузочный режим, когда Р, больше 122 кИа. Величина Рт „^ при этом должно быть больше 130 кПа.

Взаимосвязь между Р, и Р. при наличии утечек газа на номинальном режиме работы двигателя представлена на рис. 7. Как видно, предельное Р, = 122 кПа достигается при Р, = 135 кПа. Логично сделать заключение, что при работе с полной нагрузкой допустимое снижение Р, по причине утечек газа составляет 25 кПа (от 160 до 135 кПа). Данному диапазону Рт соответствует

диапазон снижения Р. от 146 до 120 кПа. «

190 МО ПО 1» 110

110 120 1» 140 Р».«Г*

Рисунок 7 - График зависимости распределении ипнснмости Р, от Р. при номинальной частоте крашения вала лвтатсля

13

р».

Рг. »Л.

130

115

135

1<0Рт,(1Ь

Рисунок 6 Область распределения Рк н Рг .читателя Д-245-35 при различных значениях Рт на режиме холостою хаза и ноыинашном режиме

\

fr \ 1 1 г»

у R 'я "fr н

Л Ü Jv { [\Л1 р. ~

_ ]

На линии впуска воздушного заряда наиболее характерными неисправностями являете« засорение воздухоочистителя и nci срметичность воздушных патрубков.

График изменения Р. и Р, при увеличении оборотов двигателя без нагрузки при установ; сипом сопротивлении воздушного фильтра 5 кПа показан на рис. 8. Как видно, мри увеличении скоросгного режима гидравлическое сопротивление растет с 5 кПа до 20 кПа. Верхний эксплуатационный предел для сопротивления воздушного фильтра допускается не более 10 кПа. При увеличении частоты вращения без ншрузки Р, увеличивается со 105 кПа до 130 кНа и Р. снижается от 100 до 75 кПа. л. Пол нагрузкой

указанные закономерности сохраняются (рис. 9), однако численные оценки взаимосвязей изменяются. Так при увеличении оборотов сопротивление растет с 10 до 30 кПа. При увеличении оборотов

двигатель пол на!рузкой идет незначительное

увеличение Р, и снижение Р„. Р, снижен со 160 до 125 кПа при глубине сопротивления до 60 кПа (относительное значение сопротивления 40 к! 1а, что в 4 раза превышает верхний допустимый предел в 10 кПа).

Таким образом,

засорение воздухоочистителя (повышенное сопротивление на впуске) является неисправностью в системе воздухонолачи. которая приводит к уменьшению

Р.. Наибольшую информацию несет

о м м »т.«

Рисунок 8 - Графики изменения цок»г»гелей надлуаа при ноиышснном оопроптлеимв на впуске и режиме холостого пол« (пунктиром попииы 1рафикн исправного состояния системы »пуска и выпуска)

■IV

110

II« N

,1

j 1

: к

t' 1 Г ■ь К

"...

\ _J

Рисунок 9 - Графики изменения показателей наллува

при повышенном сопротивлении на »пуске при номинальной нагрузке (пунктиром показаны графики исправного состояния «истемы впуска и выпуска)

диагностических показателей Р, и . показатель Р. на режиме повышенных оборотов как на холостом ходу, так и под нагрузкой. Если для Р, изменение скоростного и нагрузочного режимов сопровождается некоторым ростом давления перед турбиной, то для Р„ характерным является более заметное уменьшение. Поэтому падение Р, на

холостом холу является предметом углубленной диагностики системы наддува.

Аналогичные закономерности изменения Р, и Р, были получены при имитации неисправностей: нсгермегичность патрубков и воздуховодов «после компрессора», повышенное противодавление на выпуске «после турбины», повышенное сопротивление вала ротора ТКР, неисправность работы топливной аппаратуры.

Полученные результаты определили предпосылки к созданию автоматизированного диагностического мотор -тестера для проверки функционирования систем газотурбинного наддува двигателей мобильной сельскохозяйственной техники (рис. 10).

В ниюй главе «Рекомендации по разработке технологии диагностирования работоспособности ТКР» приведены разработанные диагностические средства, которые можно использовать при испытании двигателя на обкаточно тормозном стенде и в процессе эксплуатации мобильного сельскохозяйственного агрегата.

Для снижения трудоемкости

диагностирования систем турбонаддува были разработаны мотор-тестер, технология

диагностирования и программа для ЭВМ (Свидетельство №2013615096). Особенностью данного мотор- тестера является возможность измерения и индикации давлений Р. и Р, и с высокой точностью. Разработанная технология

диагностирования позволяет сократить время нахождения неисправноеш в двигателе, повысить надежность мобильной ссльскохозяйсшенной техники, увеличить ее коэффициент технической готовности. Расчет показал, что головой экономический эффект составляет 24418 руб. на программу 100 диагностирований при сроке окупаемости капиталовложений 1,46 года.

Общие выводы

1. В ходе изучения условий работы системы наддува двигателей мобильной сельскохозяйственной техники установлены причины появления в эксплуатации отказов ГКР и двигателя, связанных с нарушением нормальной воздухополачи. Наиболее опасным проявлением таких отказов является повышение тсплонапряжснности дизельного двигателя.

2. Проведенный анализ существующих методов и средств диагностирования воздухополающнх систем автотракторных дизелей позволила определить пути их совершенствования за счет оптимизации компоновочных решений (выбора режимов использования, количество датчиком, ям бор платы сбора данных и т.д.) и разработки программного обеспечения.

3. Разработана математическая модель, позволяющая в комплексе

г*

л

¡л.

' Г-

ЦА

¿и

Рисунок 10 - Ра|рабоганимй мотор-тсстср ляя диагностирования систем газотурбинного шллум

изучать взаимосвязи показателей работы двигателя и воздухоподачи на различных скоростных и нагрузочных режимах. Результатами расчета установлено, что нарушение нормальной воздухоподачи по различным причинам (засорении воздухоочистителя, понижении адиабатического КПД) на режимах работы двигателя, близких к номинальному, сопровождается не только понижением давления наддува (до 122 кПа), а также недопустимым ростом теплонапряженности двигателя (критерий теплопапряженности я„ возрастает до 6,2).

4. Разработана методика и программа расчета предельных по теплонапряженности двигателя значений давления наддува и давления газов перед турбиной. На программное обеспечение получены охранные документы РФ:

а) Программа «СоЩго1те8» «Программа регистрации параметров функционирования мобильных энергетических средств».

б) Программа «Т1ЖВОСОМР» «Система исследования режимов работы турбокомпрессора».

5. Разработана схема взаимосвязей характерных неисправностей воздухоподачи с диагностическими показателями системы турбонаддува, позволяющая идентифицировать причины выхода диагностических показателей за допустимые пределы. Экспериментально получены файлограммы, отражающие закономерности изменения Рк и Рт при различных неисправностях в газотурбинном наддуве.

6. Разработан мотор-тестер с программным обеспечением, позволяющий диагностировать систему наддува по входным и выходным параметрам Рк и Рт, определять неисправности в системе ДВС-ТКР, отображать графики в пользовательском режиме, импортировать результаты диагностирования в базы данных.

7. Разработана технология диагностирования системы наддува двигателей мобильной сельскохозяйственной техники, позволяющая в эксплуатации получить экономический эффект на программу 100 диагностирований в сумме 24418 рублей в год.

Основные публикации по теме диссертации

Статьи в рецензируемых журналах из списка ВАК РФ

1. Иншаков А. П. Контроль давления наддува при диагностировании турбокомпрессоров тракторных дизелей / А. П. Иншаков, А. Н. Кувшинов // Тракторы и сельхозмашины. -2011. -№ 1.-С. 24-25.

2. Кувшинов А. Н. Комплексная схема системы диагностирования турбокомпрессоров тракторных дизелей /А. Н. Кувшинов // Тракторы и сельхозмашины. - 2011. - № 1. - С. 49 - 50.

3. Иншаков А. П. Измерительные модули для диагностики турбокомпрессоров / А. П. Иншаков, А. Н. Кувшинов, С. С. Родионов// Сельский механизатор. -2011. - №8. - С. 40-41.

4. Иншаков А. П. Необходимость комплексного подхода к диагностированию систем наддува тракторных дизелей / А. П. Иншаков, А. Н. Кувшинов, О. Ф. Корнаухов //Тракторы и сельхозмашины. — 2012. — № 10. — С. 15 — 16.

5. Иншаков А. П. Автоматизированный комплекс для диагностирования систем наддува воздуха в двигателях МЭС / А. П. Иншаков, А. Н. Кувшинов, И. И. Курбаков // Тракторы и сельхозмашины. — 2012. —№ 10, —С. 16—18.

Статьи в других изданиях, включая труды международных и всероссийских научно-технических конференций

6. Иншаков Л. П. Энергетическая оценка режимов работы трактора К-3180 на предпосевной обработке почвы / Л. П. Иншаков, А. М. Карпов, А. И. Панков, П. Ф. Кочетков, Л. II. Кувшинов // Сб. науч. тр. Вссрос. науч.-техн. конф. - Саранск: Тип. «Красный Октябрь», 2007. — С. 171 — 176.

7. Кувшинов Л. Н. Проблемы повышения энергоэффективности МТЛ / А. Н. Кувшинов, О. А. Сонников, П. Ф. Кочетков // Мат-лы XII научной конф. молодых ученых, аспир. и студ. Мордовского гос. университета им. Н. П. Огарева:в 2 ч. Ч. 2. Естеств. и техн. науки. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2007. С. 197 - 198.

8. Кувшинов А. II. О средствах и методах диагностирования мобильных энергетических средств / А. Н. Кувшинов, Л. П. Иншаков, Л. В. Настюшкин, А. В. Филин // XXXVII Огаревские чтения: материалы науч. конф. в 3 ч. Ч. 3: Технические науки. -Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009. С. 47 - 51.

9. Кувшинов А. Н. Совершенствование методов испытания топливной аппаратуры тракторных дизелей / Л. Н. Кувшинов, А. П. Иншаков, С. В. Крючков // Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем: мат-лы Всерос. науч.-техн. конф., 19-23 окт. 2009 г. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2009. - С. 229 - 233.

10. Кувшинов Л. II. Возможности современных измерительных модулей на примере модуля FSA 720 фирмы «Bosch» // А. Н. Кувшинов, А. П. Иншаков, С. С. Родионов // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвуз. сб. науч. тр. -Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010. С. 70 - 73.

11. Кувшинов A. Н. О контроле давления наддува тракторных дизелей // А. Н. Кувшинов, А. П. Иншаков // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвуз. сб. науч. тр.-Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010.-С. 107- 109.

12. Кувшинов А. Н. О методах диагностирования турбокомпрессоров и систем наддува тракторных дизелей // A. Н. Кувшинов, А. П. Иншаков, С. В. Крючков // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: межвуз. сб. науч. тр. -Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2010.-С. 110- 112.

13. Кувшинов А. Н. Анализ проблем диагностирования систем наддува / А. Н. Кувшинов //Мат-лы Международ, науч.-практич. конф. «HurelTogoot». -Уланбатар, 2011.-С. 46-47.

14. Иншаков А. П. Автоматизированный комплекс для диагностики систем наддува воздуха двигателей автотракторной техники / А. П.Иншаков, А. II. Кувшинов, В. В. Кузнецов, С. В. Крючков // Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments: сб. тр. X международ, научно-практич. конф. -М. изд-во РУДН, 2011.-е. 156-159.

15. Кувшинов А. Н. Анализ существующих методов диагностики систем наддува в мотор-тестерах российского и зарубежного производства / А. Н. Кувшинов, С. И. Харитонов, А. А. Наумов // Эиергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. - Саранск: Изд-во Мордов. ун-та, 2012. С. 84 - 87.

Авторские свидетельства на программы ЭВМ

16. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2011610457. Программа регистрации параметров функционирования мобильных энергетических средств. А. П. Иншаков, С. В. Крючков, А. Н. Кувшинов, С. С. Родионов; заявка № 2010616311 от 15.10.2010. Зарег. 11.01.2011.

17. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2013615096. Мотор-тестер диагностики систем наддува двигателей внутреннего сгорания. А. П. Иншаков, В.В. Кузнецов, А. Н. Кувшинов; заявка № 2013612573 от 01.04.2013. Зарег. 28.05.2013.

18. Свидетельство о гос. регистрации программы для ЭВМ № 2013617233. Система исследования режимов работы турбокомпрессора. В.В. Кузнецов, А. Н. Кувшинов; заявка № 2013612570 ог01.04.2013.3арег. 06.08.2013.

Подписано п печать 23.08.13. Формат 60х84Хс . Усл. нсч. л. Тираж 100 экз. Заказ № 1343. Издательство Мордовского университета Типография Издательства Мордовского университета 430005, г. Саранск, ул. Советская, 24

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОРДОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ Н. П. ОГАРЕВА»

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ ГАЗОТУРБИННОГО НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

Специальность: 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

04201362999

КУВШИНОВ АЛЕКСЕИ НИКОЛАЕВИЧ

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

ИНШАКОВ АЛЕКСАНДР ПАВЛОВИЧ

Саранск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 5

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ ИССЛЕ- 10 ДОВАНИЯ

1.1 Особенности функционирования ТКР дизелей мобильных сель- 10 скохозяйственных агрегатов

1.2 Эксплуатационные показатели турбонаддува тракторных дизелей 16

1.3 Анализ причин отказов и проявлений неисправностей ТКР авто- 16 тракторных двигателей в эксплуатации

1.3.1 Алгоритм действий при поиске причин отказа «Низкая мощность 18 двигателя, черный дым из выхлопной трубы»

1.3.2 Алгоритм действий при поиске причин отказа «Синий дым из 18 выпускной трубы»

1.3.3 Алгоритм действий при поиске причин отказа «Повышенный 19 расход масла (без синего дыма)»

1.3.4 Алгоритм действий при поиске причин отказа «Шумная работа 19 турбокомпрессора»

1.3.5 Анализ причин повышенной теплонапряжённости автотрактор- 21 ного двигателя в эксплуатации

1.4 Структурные и диагностические параметры турбокомпрессоров 26

1.5 Методы и средства диагностирования агрегатов турбонаддува 29

1.6 Существующие методические подходы в оценке работоспособно- 38 сти турбокомпрессоров по параметрам воздухоподачи и теплонапряжённости двигателя

1.7 Цели и задачи исследования 41

2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПО ОБОСНОВАНИЮ 43 МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СИСТЕМ НАДДУВА

2.1 Теоретические исследования взаимосвязей показателей воздухо- 43

подачи с показателями работы двигателя при газотурбинном наддуве

2.2 Обоснование предельных значений показателей работы турбо- 53 компрессора

2.3 Обоснование и выбор диагностируемых параметров турбоком- 60 прессора

2.4 Развитие методов оценки состояния тракторных двигателей по 64

параметрам воздухоподачи и теплонапряжённости

2.5 Выводы по главе 2 68

3 МЕТОДИКИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 69

3.1 Экспериментальное оборудование 69

3.2 Определение контролируемых параметров и их пределов 70

3.3 Первичные преобразователи и плата сбора данных 71

3.4 Методика выбора параметров измерительной системы 75

3.5 Оценка погрешностей измерения 80

3.6 Разработка модуля программного обеспечения ТЦКВОСОМР и 81 калибровка датчиков

3.7 Методика проведения испытаний с имитацией различных неис- 84 правностей в системе ДВС - ТКР

3.8 Имитация неисправностей в системе выпуска 85

3.9 Выводы по главе 3 87 4 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ СИС- 88

ТЕМ ГАЗОТУРБИННОГО НАДДУВА ДВИГАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНОЙ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ

4.1 Закономерности изменения диагностических показателей ТКР на 88 различных режимах работы двигателя

4.2 Результаты проверки адекватности математической модели 92

4.3 Закономерности изменения диагностических показателей ТКР 93 при имитации неисправностей в системе наддува

4.4 Разработка средств диагностирования систем наддува автотрак- 104 торных ДВС

4.4.1 Реализация методов диагностики систем наддува двигателей 106 внутреннего сгорания в мотор-тестерах российского и зарубежного производства

4.4.2 Определение оптимальной компоновочной схемы мотор-тестера 108

4.4.3 Разработка программного обеспечения мотор-тестера 110

4.4.4 Разработка передвижной консоли и основного модуля мотор- 111 тестера

4.5 Выводы по главе 4 113

5 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО РАЗРАБОТКЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИАГ- 115 НОСТИРОВАНИЯ РАБОТОСПОСОБНОСТИ СИСТЕМ НАДДУВА

5.1 Технология диагностирования систем газотурбинного наддува с 115 использованием разработанного мотор-тестера

5.2 Расчет экономической эффективности метода диагностирования с 123 помощью разработанного мотор-тестера

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 126

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 128

ПРИЛОЖЕНИЯ

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Развитие рыночных отношений в АПК ставят актуальной проблему повышения эффективного использования мобильной сельскохозяйственной техники. В этой связи уделяется большое внимание мероприятиям, направленным на поддержание техники в работоспособном состоянии. Однако финансовая и материальная затратность таких мероприятий остается весьма высокой, и за весь период эксплуатации машин соизмерима с затратами на производство новой техники. Уменьшить затратность технических мер на поддержание сельскохозяйственной техники в работоспособном состоянии возможно путем диагностирования в процессе её функционирования.

Наиболее трудоемким и наукоемким остается процесс диагностирования двигателей внутреннего сгорания (ДВС) мобильных энергетических средств. Неисправности двигателя ведут к снижению производительности, ухудшению экономичности и экологичности машинно-тракторного агрегата (МТА).

Статистика выхода из строя отдельных узлов и агрегатов автотракторных ДВС показывает, что 45% все отказов составляют отказы системы питания топливом и воздухом [6]. Следовательно, исследования, направленные на совершенствование методов и средств диагностирования воздухоподачи систем автотракторных двигателей с газотурбинным наддувом (ГТН) при техническом сервисе являются актуальными.

Цель и задачи исследования. Целью диссертационной работы является разработка методов и средств диагностирования систем воздухоподачи двигателей мобильной сельскохозяйственной техники.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- изучить условия работы ТКР в системе воздухоподачи автотракторных дизелей;

- провести анализ существующих методов и средств диагностирования

агрегатов воздухоподачи тракторных дизелей с газотурбинным наддувом;

- провести комплексный анализ взаимосвязей показателей воздухоподачи с показателями двигателя при газотурбинном наддуве;

- разработать методы и обосновать предельно допустимые показатели работы турбонаддува в процессе эксплуатации;

- изучить и сформулировать причинно-следственные связи дефектов агрегатов воздухоподачи тракторных дизелей с газотурбинным наддувом;

- разработать диагностические средства для безразборной оценки технического состояния систем газотурбинного наддува на основе портативных ЭВМ для стационарных и эксплуатационных условий;

- оценить экономическую эффективность разработанных мероприятий и внедрить их в производство.

Объект исследований. Система воздухоподачи тракторного двигателя с газотурбинным наддувом.

Предмет исследования. Закономерности изменения показателей работы турбонаддува двигателя в условиях эксплуатации.

Теоретической и методологической основой диссертационного исследования послужили труды отечественных и зарубежных ученых в технической области, публикации в периодической печати, методологические материалы практического характера, материалы международных, всероссийских и региональных конференций.

В работе использовались законодательные акты и другие нормативно-правовые документы РФ и РМ.

Научная новизна диссертационного исследования:

- получены теоретические зависимости, описывающие влияние различных эксплуатационных факторов на показатели работы турбокомпрессора и двигателя;

- установлена количественная взаимосвязь диагностических параметров турбокомпрессора (ТКР) с теплонапряженностью двигателя;

- предложены новые эффективные средства диагностирования систем

газотурбинного наддува сельскохозяйственной техники.

Практическая значимость диссертационного исследования:

- разработан диагностический комплекс;

- получены результаты экспериментального изучения зависимости диагностических параметров от характерных неисправностей систем воздухо-подачи;

- разработана программа регистрации параметров функционирования мобильных энергетических средств (свидетельство РФ № 2011610457) [148];

- разработана программа «Система исследования режимов работы турбокомпрессора» (свидетельство РФ № 2013617233) [150];

- разработана программа «Мотор-тестер диагностики систем наддува двигателей внутреннего сгорания» (свидетельство РФ № 2013615096) [149];

- обосновано нормативное значение диагностического параметра - давления наддува.

На защиту выносятся:

- теоретические зависимости, описывающие влияние различных эксплуатационных факторов на показатели работы турбокомпрессора и двигателя мобильного энергетического средства;

- рекомендации по допусковым значениям давления надувочного воздуха двигателя Д-245-35 с ТКР-6.1-00-01, обоснованные расчетно-численными и экспериментальными исследованиями;

- новые методы и средства диагностирования функционирования турбокомпрессора двигателя мобильного энергетического средства.

Внедрение результатов исследования.

Техническая документация на технологию диагностирования дизельных двигателей с газотурбинным наддувом принята к внедрению в малом инновационном предприятии ООО «ЭФФЕКТ ГАРАНТИЯ» и головным предприятием по диагностике транспортных средств ООО «ТЕХТРАНС-КОНТРОЛЬ».

Лабораторный комплекс для изучения влияния неисправностей на по-

казатели работы системы газотурбинного наддува, программы «Controlmes» и «ТШВОСОМР» внедрены в учебном процессе ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» по направлению подготовки «Агроинженерия».

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на Международной научно-технической конференции «Повышение эффективности функционирования механических и энергетических систем» (г. Саранск, 2009 г.); XXXVII Огаревских чтениях ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (г. Саранск, 2009 г.); XII научной конференции молодых ученых, аспирантов и студентов ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (г. Саранск, 2007, 2010, 2011 г.); X Международной научно-практической конференции «Образовательные, научные и инженерные приложения в среде LabVIEW и технологии National Instruments» (г. Москва, 2011 г.); научно-практической конференции «Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы» (г. Саранск, 2010 г.); Международной научно-практической конференции «Khurel Togoot» (г. Улан-Батор, 2011 г.); на расширенном заседании кафедры мобильных энергетических средств ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева» (2013 г.), в ходе реализации гранта по программе «Участник молодежного научно-инновационного конкурса» («У.М.Н.И.К.») (2011 - 2012 г.).

Публикации. Результаты исследований опубликованы в 18 печатных работах, в том числе 5 в изданиях по «Перечню...» ВАК Минобразования и науки РФ. Получено 3 свидетельства на программы для ЭВМ «Программа регистрации параметров функционирования мобильных энергетических средств», «Мотор-тестер диагностики систем наддува двигателей внутреннего сгорания» и «Система исследования режимов работы турбокомпрессора».

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, содержания, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложений.

Работа изложена на 144 страницах машинописного текста, содержит 65 рисунков и 8 таблиц. Библиография включает 186 источника, из них 12 иностранных источника.

Работа оформлена в соответствии с требованиями и правилами, предусмотренными стандартом СТП 006-2012 ФГБОУ ВПО «МГУ им. Н. П. Огарева».

1 СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ И ОСНОВНЫЕ ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности функционирования ТКР дизелей мобильных сельскохозяйственных агрегатов

Основой энергетического обеспечения технических процессов в растениеводстве на ближайшую перспективу останутся энергонасыщенные тракторы, оборудованные высокофорсированными двигателями с газотурбинным наддувом [2, 9, 17, 87, 94]. Сегодня газотурбинным наддувом снабжены практически все комбайновые и многие тракторные двигатели (СМД-60/61, СМД-62/63, СМД -64/65, СМД-66/67, СМД-31/32, СМД-17/18, ЯМЭ-238НБ, ЯМЗ-240Н, Д-245, Д-260 и др.) [1, 56, 57, 83].

Для наддува этих двигателей используются турбокомпрессоры (ТКР) различных типоразмеров: ТКР - 11 (с наружным диаметром колеса компрессора Бк = 110 мм), ТКР-9 (с Вк = 90 мм), ТКР - 8,5 (с Бк = 85 мм), ТКР - 7 (с 0К = 70 мм) [45].

Опыт эксплуатации турбокомпрессоров тракторных и комбайновых двигателей с газотурбинным наддувом (ЯМЗ-238НБ, СМД-60, СМД-17КН и др.) показывает, что турбокомпрессор является одним из менее надежных узлов. Доля отказов турбокомпрессора составляет до 13 % от всего количества отказов по двигателю. Средние доремонтные и межремонтные средние ресурсы отдельных двигателей и их турбокомпрессоров, характеризуются данными, приведенными в таблице 1.1 [100].

Таблица 1.1 Средние ресурсы двигателей и турбокомпрессоров

Марка двигателя Новые, м-ч Отремонтированные, м-ч

двигатель турбокомпрессор двигатель турбокомпрессор

СМД-60 3800 3140 2200 1950

ЯМЭ-238НБ 4200 3580 3400 2700

Ресурс как у нового, так и у отремонтированного турбокомпрессора в среднем на 20 % ниже ресурса соответственно нового и отремонтированного двигателей. Ресурс отремонтированного турбокомпрессора составляет 62 %

от ресурса нового.

Слабыми звеньями ТКР являются сопряжения «вал ротора - подшипник» и «наружная поверхность подшипника - отверстие корпуса», долговечность которых определяет ресурс агрегата.

Турбокомпрессоры, установленные на дизели, работают совместно с поршневыми двигателями и используют низкотемпературную часть общего теплового напора отработавших газов. Скорость вращения ротора ТКР зависит от количества, давления и температуры, поступающих от двигателя газов, которые в свою очередь, зависят от нагрузки двигателя и частоты вращения коленчатого вала.

Номинальные частоты вращения роторов современных турбокомпрессоров достигают 60000 мин"1, максимальные - значительно выше [11]. Высокий скоростной режим работы турбокомпрессоров значительно ужесточает условия работы, как самого ротора, так и контактирующих с ним деталей.

Рабочие колеса турбокомпрессоров подвергаются действию центробежных сил и пульсирующего давления газов. Под действием переменных усилий возникают вибрации диска и лопаток [16].

В наиболее тяжелых условиях работает колесо турбины, испытывающее действие высоких нестабильных температур и скачков давления. Температура газов перед турбиной при длительной работе достигает 700 °С, температура корпусных деталей достигает 107... 147 °С со стороны компрессора и 670...720 °С со стороны турбины [154].

Одной из причин потери работоспособности ТКР является разрушение турбинных колес из-за потери устойчивости работы на некоторых режимах, приводящих к помпажу, при котором возникают резкие периодические колебания давления и расхода воздуха [49]. При помпаже происходит значительное увеличение амплитуды вибрации лопаток и накопление в них усталостных повреждений (рис. 1.1) [49], что может привести к потери части лопаток (рис. 1.2), а вне которых случаях колесо может разрушиться.

Фактором снижения частоты вращения ротора турбокомпрессора в

эксплуатации служит увеличение механических потерь в результате трения вращающихся частей ротора о неподвижные детали ТКР.

Рисунок 1.1- Усталостные трещины на Рисунок 1.2 - Усталостные трещины на

крыльчатки турбины вследствие повышен- крыльчатки турбины с частичным разру-

ной вибрации и перекручивания. Выделено шением лопаток вследствие повышенной красным вибрации и перекручивания

Такое явление наблюдается в практике при увеличенном осевом перемещении ротора, а также вследствие отложения смолистых нагарообразова-ний на рабочих деталях турбокомпрессора (рис. 1.3) [6].

Рисунок 1.3 - Отложение смолистых отложений на валу турбокомпрессора

Отклонение скоростного режима ТКР от номинального в сторону уменьшения приводит при неизменной топливоподаче к снижению коэффициента избытка воздуха, а, следовательно, и росту теплонапряженности двигателя [92]. Аналогичную закономерность изменения показателей двигателя в эксплуатации отмечают авторы в случае увеличения сопротивления воздухоочистителя [52, 77, 91, 92].

На недопустимое нарушение теплового состояния двигателя в эксплуатации в последнее время заостряют свое внимание все большее число исследователей [46, 70, 71, 81, 136].

Особенностью работы двигателей с ГТН на переходных режимах является несоответствие воздухоснабжения цикловым подачам топлива, приводящее к снижению коэффициента избытка воздуха. Нарушение рабочего процесса двигателя при этом возникает не только за счет инерционности ротора ТКР, вызывающей запаздывание подачи воздуха, но и за счет характеристики механичееского регулятора, осуществляющего подачу топлива независимо от подачи воздуха [69, 71]. Указанные особенности системы воздухоснабжения двигателей с турбонаддувом приводят в условиях эксплуатации к существенному отклонению коэффициента избыт�