автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение эффективности приработки дизелей совершенствованием технологии и средств обкатки с динамическим нагружением



На правах рукописи

Моисеев Кирилл Леонтьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИРАБОТКИ ДИЗЕЛЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВ ОБКАТКИ С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ

Специальность 05.20.03 - технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Пенза-2012

1 9 ЯНВ 2012

005008220

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Пензенская государственная сельскохозяйственная академия» (ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА»)

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Тимохин Сергей Викторович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Сенин Петр Васильевич

кандидат технических наук, доцент Орехов Алексей Александрович

Ведущая организация

ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный аграрный университет имени Н.И. Вавилова»

Защита состоится «17» февраля 2012 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д 220.053.02 при ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» по адресу: 440014, г. Пенза, ул. Ботаническая, 30, ауд. 1246.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА».

Автореферат разослан «16» января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Кухарев О.Н.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Дизели являются энергетическими установками большинства мобильных машин аграрно-промышленного комплекса страны. Ресурс новых и отремонтированных дизелей во многом зависит от качества их обкатки перед вводом в эксплуатацию. Технологическая обкатка выполняется на моторных заводах и ремонтных предприятиях и включает этапы холодной обкатки, горячей обкатки на холостом ходу и под нагрузкой, а также испытания ДВС. Наиболее важным является этап обкатки под нагрузкой, но для его реализации по типовым технологиям необходимы специальные тормозные стенды большой мощности и стоимости. В качестве альтернативной в настоящее время используется технология бестормозной обкатки ДВС с динамическим нагружением (ДН), обладающая существенными преимуществами по сравнению с тормозной. К недостаткам горячей обкатки с ДН следует отнести сравнительно малое (25-30%) время действия динамической нагрузки (только на тактах разгона) в общем времени цикла динамического нагружения (ЦДН) и этапа в целом, а также пониженное среднее значение угловой скорости коленчатого вала (УСКВ), что снижает эффективность приработочных процессов. Устранение указанных недостатков обкатки с ДН путем совершенствования структуры и нагрузочно-скоростных режимов ЦДН, разработки новых средств и технологий на его основе представляет собой актуальную задачу, имеющую важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнена по планам НИОКР ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» на 2005-2010 гг. и 2011-2015 гг. по теме № 30 «Улучшение технико-экономических показателей мобильных машин и технологического оборудования АПК» и ГНУ ГОСНИТИ по теме № 09.03.02.14 «Провести исследования процессов динамического нагружения и разработать технологию и стенд для обкатки и испытаний ДВС методом динамического нагружения» на 2009 г.

Цель исследования. Повышение эффективности приработки дизелей совершенствованием технологии и средств обкатки с динамическим нагружением.

Объект исследования. Процесс горячей обкатки с динамическим нагружением дизеля Д-144-32 после текущего ремонта.

Предмет исследований. Закономерности изменения нагрузочно-скоростных режимов обкатки и управляющих воздействий, тягово-скоростные, энергетические и электрические характеристики средств для реализации обкатки с динамическим нагружением, а также показатели приработки сопряжений дизеля Д-144-32 после текущего ремонта.

Методика исследований. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений классической механики, теории ДВС, электропривода и математики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии со стандартными и разработанными частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием стандартных программ ADCLab (осциллограф-спектроанализатор), Excel, MathCAD.

Научную новизну работы представляют:

• способ повышения эффективности обкаточных ЦДН исключением такта стабилизации УСКВ на нижнем пределе и повышением его значения;

• нагрузочная, скоростная и управляющая математические модели усовершенствованного обкаточного ЦДН;

• алгоритм работы и конструкция автоматизированной системы управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением (АСУ-ДН).

Практическая значимость работы. Разработанные технология и автоматизированная система управления динамическим нагружением позволяют увеличить средний скоростной режим до 10%, время действия динамической нагрузки до 3545%, а работу ДВС по преодолению механических потерь в режиме динамического нагружения на 57% по сравнению с существующей (базовой) технологией обкатки с ДН, что, при одинаковом времени обкатки под нагрузкой, обеспечивает улучшение показателей качества приработки сопряжений.

Реализация результатов исследований. Автоматизированная система управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением исследована в лаборатории испытаний автотракторных двигателей ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» и прошла производственную проверку в ОАО «Завод коммунальной энергетики» г. Пензы при проведении технологических обкаток дизелей отечественного и импортного производства. Данная система используется в указанном предприятии в составе разработанного с участием автора стенда КИ-28263 ГОСНИТИ. Один экземпляр АСУ-ДН передан лаборатории №4 «Ремонт ДВС» ГНУ ГОСНИТИ.

Апробация работы. Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2009-2011 гг.); международных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «Пензенский ГУАС» (2010 г.), ГНУ ГОСНИТИ г. Москва (2010 г.), ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА» (2011 г.), ГОУ ВПО «Пензенский ГУ» (2011 г.); представлялись на втором туре Всероссийского конкурса научных работ аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа по номинации «Технические науки» в ФГОУ ВПО «Башкирский ГА У» (третье место в 2010 г. и первое место в 2011 г.), а также на третьем туре Всероссийского конкурса научных работ аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ в ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» в 2010-2011 гг.

Результаты исследований представлялись на научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно технической сфере (г. Пенза 2011 г.), в результате которого получено право на заключение государственного контракта на выполнение НИОКР по теме диссертационной работы.

Опытный образец АСУ-ДН и информационно-иллюстративные материалы по стенду КИ-28263 ГОСНИТИ экспонировались на международных выставках «АГРОСАЛОН» и «ЗОЛОТАЯ ОСЕНЬ» г. Москва (2009 г.), на региональной выставке «Пенза - Arpo» Пензенский ЦНТИ (2009 г.).

Публикации результатов исследований. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в т.ч. 3 статьи в изданиях, указанных в «Перечне. ..ВАК», получено положительное решение о выдаче патента РФ на полезную модель. Две статьи опубликованы без соавторов. Общий объем публикаций составляет 3,54 п.л., из них 1,2 п.л. принадлежит автору.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка используемой литературы из 124 наименования и приложения на 22 с. Работа изложена на 135 с, содержит 51 рис. и 6 табл.

Научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту: • структура усовершенствованного обкаточного цикла динамического нагружения без такта стабилизации, с периодом остановки рычага регулятора частоты вращения в конце такта разгона и повышенным значением нижнего предела угловой скорости коленчатого вала, его нагрузочная, скоростная и управляющая математические модели;

• алгоритм работы и конструкция автоматизированной системы управления обкаткой с динамическим нагружением, а также технология обкатки дизеля после текущего ремонта с динамическим нагружением;

• параметры и характеристики исполнительного механизма и блока управления автоматизированной системы управления обкаткой с динамическим нагружением, а также показатели приработки сопряжений и закономерности изменения момента прокрутки при экспериментальных обкатках дизеля Д-144-32 после текущего ремонта.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулирована цель исследований, дана общая характеристика работы, изложены научные положения и результаты исследований, выносимые на защиту.

В первом разделе «Анализ существующих способов и средств обкатки двигателей внутреннего сгорания» проведен анализ способов и средств для проведения технологической обкатки ДВС, а также рассмотрены способы повышения ее эффективности.

Существенный вклад в разработку новых способов, технологий и средств для обкатки ДВС внесли JI.M. Гаенко, Н.С. Ждановский, В.И. Казарский, М.Х. Нигама-тов, A.B. Николаенко, Н.З. Савченко, В.В. Стрельцов, П.В. Сенин, C.B. Тимохин, Н.В. Храмцов, И.П. Погорелый, В.И Цыпцын и другие исследователи.

Анализ литературных источников и опыта производства показал, что типовые технологии обкатки ДВС, с использованием обкаточных тормозных стендов, обладают рядом существенных недостатков, таких как большая мощность и стоимость применяемого оборудования, сложность и трудоемкость процесса, значительные затраты электроэнергии и топливо-смазочных материалов. Одним из наиболее эффективных в настоящее время является способ обкатки с динамическим нагружением. В результате проведенных НИОКР на его базе были разработаны новые эффективные технологии и комплекс оборудования для обкатки и испытаний автотракторных ДВС с ДН, в том числе универсальный обкаточный стенд КИ-28263 ГОСНИТИ производства ОАО «Завод коммунальной энергетики» и ООО «Инновационный научно-технический центр «Контакт» г. Пензы. Анализ опыта производственного использования показал его эффективность, в том числе и при обкатке дизелей после текущего ремонта, установленных на машинах. Вместе с тем выявлен и ряд указанных выше недостатков используемого ЦДН, кроме этого не решен вопрос проведения холодной обкатки дизелей после текущего ремонта, оснащенных электростартерной системой пуска, без их снятия с машины (дизели, оснащенные пусковым ДВС, обкатывают в течение 3-5 минут с их использованием).

Одним из возможных путей устранения указанных недостатков является разработка и внедрение системы управления обкаткой ДВС с ДН, реализующей усовершенствованный алгоритм реализации ЦЦН с воздействием на рычаг регулятора частоты вращения (РЧВ), а также технологии и автономного устройства для холодной обкатки ДВС, установленных на машинах, после текущего ремонта.

На основании проведенного анализа и поставленной цели сформулированы следующие задачи исследований:

1. Провести расчетно-теоретическое обоснование нагрузочно-скоростных режимов и параметров автономного устройства для холодной обкатки дизеля после текущего ремонта, изготовить макетный образец устройства и провести его экспериментальные исследования.

2. Провести расчетно-теоретическое обоснование нагрузочно-скоростных режимов, управляющих воздействий и параметров автоматизированной системы управления обкаткой дизелей с динамическим нагружением, реализующей усовершенствованный алгоритм цикла динамического нагружения.

3. Разработать алгоритм работы, функциональную, кинематическую, электрическую схемы, изготовить макетный образец автоматизированной системы управления обкаткой дизелей с динамическим нагружением, а также разработать технологию обкатки дизеля Д-144-32 после текущего ремонта без снятия с трактора.

4. Провести лабораторные и моторные исследования разработанной автоматизированной системы управления обкаткой дизелей с динамическим нагружением.

5. Провести сравнительные моторные исследования дизеля Д-144-32 по определению показателей качества приработки сопряжений после текущего ремонта по базовой и предлагаемой технологиям обкатки с динамическим нагружением; оценить экономическую эффективность внедрения в производство усовершенствованной технологии обкатки дизеля с динамическим нагружением и средств для ее реализации.

Во втором разделе «Расчетно-теоретическое обоснование методов и средств обкатки ДВС после текущего ремонта» рассмотрены закономерности изменения нагрузочно-скоростных режимов обкатки ДВС, сущность способа обкатки с ДН, проанализированы существующие способы и алгоритмы реализации обкаточных ЦДН, предложен и теоретически обоснован усовершенствованный алгоритм реализации ЦДН, проведено расчетно-теоретическое обоснование параметров средств для его реализации.

Процесс приработки сопряжений при обкатке ДВС происходит вследствие взаимного перемещения их поверхностей, приводящего к срезанию выступов неровностей, а также действия на них нагрузок, вызывающих уменьшение зазоров между ними, смятие и пластическую деформацию неровностей. Эти процессы обеспечиваются величиной и динамикой изменения нагрузочно-скоростных режимов работы ДВС, а также продолжительностью их воздействия. Общепринятым является постепенное увеличение нагрузочно-скоростных режимов в процессе обкатки ДВС. Наименьшие значения частот вращения и нагрузок имеют место при холодной обкатке. При холодной обкатке на установившемся скоростном режиме момент Мпр, развиваемый устройством для прокрутки коленчатого вала, затрачивается на преодоление момента механических потерь ДВС , который вначале обкатки может быть дополнительно снижен путем исключения сжатия воздуха в цилиндрах (декомпрессии), т.е.

м,„. =л-С. (1)

Для определения момента механических потерь при различных УСКВ с учетом

тактности и основных конструктивных параметров ДВС получено выражение

ю +

Мш= 0,00314т4 , (2)

где а и с - постоянные для ДВС данной марки коэффициенты (для дизеля Д-144-32: о= 0,105МПа, с = 0,00046Н-м/с"'); - рабочий объем цилиндра ДВС, л (КЛ=0,945л); г - число цилиндров, (2=4); г* - тактность двигателя, (г,,, = 4).

Выражение (2) при известной угловой скорости прокрутки коленчатого вала (к.в.) и к.п.д. передачи г] позволяет определить необходимую мощность устройства NПP для прокрутки к.в. в процессе холодной обкатки ДВС, т.е.

Мир = М-\„ -а/= -----4—. П)

"Р ш 0,00314 -т^ 1 ^

Для дизеля Д144-32 при частоте вращения 250-270 мин"1 расчетная величина Ыпр не превышает 1,1 кВт.

После холодной обкатки ДВС его запускают и проводят горячую обкатку на холостом ходу. На установившемся скоростном режиме развиваемый ДВС индикаторный крутящий момент затрачивается на преодоление момента механических потерь ДВС М™, т.е.

= (4)

Вследствие предшествующей холодной обкатки и отсутствия внешней нагрузки имеет пониженное значение, что снижает эффективность приработки.

Наиболее важным и ответственным является этап обкатки под нагрузкой, при правильном проведении которого сопряжения подготавливаются к восприятию эксплуатационных нагрузок. Для повышения эффективности приработки сопряжений на этапе горячей обкатки под нагрузкой в типовых технологиях к к.в. прикладывают тормозную нагрузку мт, при этом уравнение моментов ДВС на установившемся на-грузочно-скоростном режиме имеет вид

М, =Л/; + М™. (5)

Анализ уравнения (5) показывает, что индикаторный момент ДВС в этом случае затрачивается на преодоление повышенного, вследствие действия дополнительных нагрузок на сопряжения, момента механических потерь М"'п , и момента тормозной установки. Однако тормозной способ обкатки, как указывалось выше, обладает рядом недостатков, в связи с чем рассмотрим бестормозной динамический метод.

Динамическое нагружение сопряжений ДВС (например, дизеля) при обкатке заключается в создании периодически повторяющихся тактов разгона и выбега УСКВ при отсутствии внешней нагрузки, путем перемещения органа управления скоростным режимом (рычага регулятора частоты вращения) по определенному закону, обеспечивающему включение подачи топлива на такте разгона, ее фиксирование на заданном для каждой ступени обкатки уровне и выключение подачи топлива при выбеге. Уравнение динамики ДВС в этом случае имеет вид

М,=МД+ Мш =1-е + Мш , (6)

где Мд - динамический момент, Н-м; е - угловое ускорение коленчатого вала, с"2; I - момент инерции вращающихся и движущихся возвратно-поступательно масс ДВС, приведенных к коленчатому валу, кг-м2.

Анализ уравнения (6) показывает, что повышение индикаторного крутящего момента ДВС путем увеличения подачи топлива на такте разгона приводит к появлению положительного углового ускорения к.в.,

е-(М,- )/1 >0, (7)

и возникновению динамического нагрузочного для ДВС момента Мл=1-е, направленного, как и повышенный момент механических потерь (М™ = Мш) противоположно направлению индикаторного, увеличению УСКВ и кинетической энергии системы.

На такте выбега подача топлива выключается (Л/) =0), тогда из (6) имеем

откуда

Л^=-Мд =-*-/, (9)

т.е. в системе появляется направленный противоположно моменту механических потерь и равный ему по величине динамический крутящий момент (-Мд), образующийся за счет накопленной при разгоне кинетической энергии движущихся масс, а также отрицательное угловое ускорение (-£• = £■„) - ускорение выбега.

Отрицательное ускорение ведет к уменьшению УСКВ и кинетической энергии системы, которая затрачивается на преодоление пониженного, вследствие малых газовых нагрузок, момента механических потерь и совершение приработочных процессов. При необходимости повышения эффективности такта выбега возможно применение циклического, только при выбеге, дросселирования газов на выпуске ДВС.

Такт выбега и такт разгона, а также вспомогательный такт стабилизации УСКВ образуют ЦЦН. Многократное повторение ЦДН в заданном интервале изменения УСКВ с требуемыми значениями нагрузочного и крутящего динамических моментов на ступенях обкатки под нагрузкой обеспечивает приработку сопряжений ДВС и является сущностью рассматриваемого способа обкатки с ДН. Изменение УСКВ а, углового ускорения е (динамического момента Мд) и угла поворота рычага регулятора частоты вращения (РЧВ) а в пределах времени ЦЦН показано на рисунке 1.

Рисунок I - Теоретические циклы динамического погружения с постоянным нагрузочным моментом при разгоне и воздействием на рычаг РЧВ: а) - с тактом стабилизации УСКВ б) без такта стабилизации УСКВ, переменным нижним пределом и стабильным значением верхнего предела УСКВ: (ù- угловая скорость коленчатого вала, с е - угловое ускорение коленчатого вала, с"; а -угол поворота рычага РЧВ, град.; ^ и tenu - время тактов разгона, выбега, стабилизации УСКВ, допдлнительное времени нахождения кулачка в зоне аг и паузы в а) б) зоне а, и цикла, с.

Анализ цикла ДН с воздействием на рычаг РЧВ, который реализован в стенде КИ-28263 ГОСНИТИ, показывает, что в нем обязательным элементом является вспомогательный такт стабилизации УСКВ tcm на ее нижнем пределе а, (рисунок 1,а), обеспечивающий идентичность начальных условий тактов разгона и не превышение расчетных динамических нагрузок. Вместе с тем наличие этого такта увеличивает время ЦЦН t4 и этапа в целом, что и снижает эффективность приработочных процессов. В связи с этим проанализируем ЦДН с измененной структурой - без такта стабилизации УСКВ (рисунок 1,6 кривая со). Анализ показывает, что исключение такта

стабилизации уменьшает время цикла !ч, соответственно увеличивает частоту следования ЦЦН и действующее значение динамической нагрузки за цикл и этап обкатки в целом (рисунок 1, кривые е и Мд), что повышает эффективность приработочных процессов.

На эффективность приработочных процессов при горячей обкатке под нагрузкой также значительное влияние оказывают и частоты вращения к.в. Их значения для ступеней обкатки ДВС каждой марки приводятся в нормативно-технической документации. При обкатке отечественных тракторных дизелей, имеющих сравнительно не высокие максимальные частоты вращения к.в., данный этап проводится при максимальном скоростном режиме (рычаг РЧВ па упоре). При обкатке дизелей с ДН по базовой технологии в качестве верхнего предела рекомендуется использовать значения со, ~ (0,95 -1,00)о>1П а нижнего (со, = (0,55-0,75)сон). Анализ этих режимов показывает сравнительно большое значение интервала изменения УСКВ в пределах ЦДН (от 0,55 до 1,00 со и ),что снижает среднее значение (юа,) УСКВ циклов и, как следствие, эффективность приработочных процессов. Уменьшить интервал изменения УСКВ можно, например, повысив ее нижний предел с &>, до со] (рисунок 1,6 кривая а)) Кроме этого, на последних ступенях обкатки по базовой технологии происходит некоторое уменьшение верхнего предела УСКВ а,ф относительно заданного со, (рисунок 1,а кривая со), т.к. при больших ускорениях разгона и соответственно большой скорости поворота рычага РЧВ возникает рассогласование между его положением и УСКВ, которая не успевает достигнуть заданного максимального значения, вследствие этого занижается и среднее значение УСКВ, что также снижает эффективность приработочных процессов. Для устранения данного недостатка предлагается в конце поворота рычага РЧВ на такте разгона ввести участок с постоянным значением а = а, и расчетной продолжительностью достаточной для гарантированного достижения верхнего предела УСКВ со, на последней ступени обкатки с ДН (рисунок 1 ,б кривая а).

С учетом вышеизложенного в качестве рабочей гипотезы было выдвинуто предположение, что на первых ступенях обкатки с ДН и воздействием на рычаг РЧВ такт стабилизации необходим для исключения возможных перегрузок сопряжений не обкатанного ДВС в начале тактов разгона, а на последних его можно исключить, кроме этого предлагается повысить нижний предел, а также стабилизировать верхний предел УСКВ ЦДН.

На первых ступенях обкатки с ДН по предлагаемой технологии изменение УСКВ в пределах ЦДН происходит в соответствии с рисунком 1 ,а, а на последних в соответствии с рисунком 1,6.

Математическая скоростная модель усовершенствованного ЦДН имеет вид

0<1<{р+1д,

А .

й)2+1) 'р+1д<1<1р+1д+1в

- , (Ю)

где / - текущее время ЦДН; со], со, - значения нижнего, повышенного по сравнению с

базовым ЦДН и верхнего пределов УСКВ, с"'; ёР - среднее за такт ускорение разгона, с ; ¡р- время разгона УСКВ с со] до со2, с; ^ - дополнительное время в конце такта разгона, с; 1в - время выбега УСКВ с со2 до со,, с; 1р + 1д + 1В -Н'ц- период усовершенствованного ЦДН, с; А, В - постоянные для данного типа ДВС коэффициенты

(В = Ь-8-Ук-г/0,00314-71-тд„А = У1,-:-а/0,00314-тдв, для дизеля Д-144-32 Л=31,6 Н-м, 5=0,138 Нмс).

Анализ (10) показывает, что период усовершенствованного цикла {'ц меньше периода базового Гц на время такта стабилизации 1Ст, а также на величину сокращения времени такта выбега при новом, повышенном значении нижнего предела УСКВ на последних ступенях, однако введение дополнительного времени /„, необходимого для получения стабильного значения верхнего предела УСКВ, эту разницу несколько уменьшает.

Математическая нагрузочная модель усовершенствованного ЦДН имеет вид

, \м-мш. 0<1<1р+1д, М „ = <

[-Мм. 1р+1д<1<1ц. (1))

Анализ модели (11) показывает большую эффективность усовершенствованного ЦДН, так как в нем отсутствует такт стабилизации УСКВ на уровне со, с нулевым средним значением динамического момента, кроме этого частота следования циклов ДН (/' = 1/1п ) на последних ступенях обкатки по предлагаемой технологии будет больше чем, при базовой, т.е.

/=1/1ц >/ = ///„- (12) Таким образом, исключение такта стабилизации позволяет повысить частоту ЦДН и эффективность приработочных процессов по сравнению с базовой технологией.

В общем случае для получения прямоугольного закона изменения НДМ на такте разгона угол поворота рычага РЧВ должен изменяться по закону параболы с различными для каждой ступени обкатки значениями свободного члена и коэффициентов перед переменными (рисунок 1,а кривая а). Такой закон несколько усложняет технологию обкатки и систему управления. В связи с этим в предлагаемой АСУ-ДН использован линейный закон изменения угла поворота рычага РЧВ, обеспечивающий достаточно близкий к прямоугольному закон изменения нагрузочного динамического момента (НДМ) и упрощение технологии обкатки и системы управления.

Математическая управляющая модель усовершенствованного ЦДН имеет вид

а,+п^ 0<(<1р

а =

1р<1<1р+1д

а2-к-1 1р+1а<1<(р+(д+1№, (13)

где а,,а1 - угол поворота рычага РЧВ в начале и в конце такта разгона, град.; п, к- постоянные для каждой нагрузочной ступени обкатки ДВС коэффициенты; 1}Р - время уменьшения радиуса кулачка, с (вследствие малого значения на рисунке 1 не показано).

Для реализации управляющих воздействий согласно (13) разработана методика и проведены расчеты профиля кулачка исполнительного механизма (ИМ), развертка которого представлена на рисунке 2.

Дополнительное время необходимое для выхода угловой скорости на верхний предел определяется по формуле

'„=-=--4 (14)

£ р.с

где Аас - разность между заданным <а, и фактическим т2ФС значениями верхнего предела УСКВ последней ступени обкатки по базовому алгоритму, с"1, Аюс =<о]-<о2ФС\

ер.с - ускорение разгона ступени, с'2.

Угол сектора кулачка с постоянным максимальным радиусом <рХта определяется из условия обеспечения требуемого времени 1а при максимальной угловой скорости кулачка (на последней ступени обкатки с ДН) &Кх. по формуле

(15)

Угловая скорость кулачка определяется по выражению

с>„ -л

1рс-т

(¡6)

где фе, - сектор нарастания и максимального значения радиуса кулачка, град.; / - время разгона на последней ступени обкатки, с.

Для четвертой, последней ступени обкатки дизеля Д-144-32 рекомендованное ускорение разгона составляет ег = 170с1, верхний предел УСКВ <а2 = 204с'', фактические значения верхнего предела УСКВ и времени разгона при реализации базового алгоритма управления по экспериментальным данным соответственно составляют (0,,„. = 193,5с'1 и / с= 0,46 с, а сектор нарастания радиуса кулачка составляет

<рр - 280град, подставляя эти данные в (16), (14) и (15) получим

<Рр-я 280-3,14

{Ок

',,■180

0,46-180

-= 10,6с

са,

170

= ¡0,6-0,061 -^- = 37град. я 3,14

(17)

(18) (19)

Аналитические зависимости радиуса кулачка Л от его углового положения <р в общем а) и явном б) виде для дизеля Д-144-32 имеют вид

Ъи&рщ,»

а.

20

20+0,106-(<)>-45) 45

45-0,714-(<р-325)

0<<р<45 45<<р<280 280<(р<,325" 325<<P<360

(20)

160 200 210 2в0 320 360 9, грод Рисунок 2 - Развертка профиля кулачка для реализации усовершенствованного ЦДН дизеля Д-144-32 --------теоретическая;--- сглаженная

Оценка энергетической эффективности рассматриваемых вариантов обкатки с ДН, определялась путем сравнения работ, затрачиваемых на преодоление механических потерь и совершение приработанных процессов по формуле

А = Мш-(о„-1- л,

(21)

где А/1ш - момент механических потерь дизеля, одинаковый для базового и усовершенствованного способа обкатки, Н-м;®^- средняя в пределах ступени угловая скорость коленчатого вала, с"1; 1Р - время такта разгона на данной ступени, с; п - количество ЦДН за ступень.

В результате расчетов установлено, что на последних ступенях обкатки с использованием усовершенствованного ЦДН, вследствие увеличения времени действия динамической нагрузки и среднего значения УСКВ работа возрастает в среднем на 57%.

В третьем разделе «Разработка средств и технологии обкатки ДВС после текущего ремонта» разработаны алгоритм работы, функциональная, кинематическая и электрическая схемы АСУ-ДН, а также технология проведения обкатки дизелей с ДН.

Для реализации предлагаемой технологии обкатки с использованием усовершенствованного ЦДН разработана и запатентована АСУ-ДН, реализующая алгоритм управления по положению кулачка ИМ в зоне верхнего и нижнего пределов УСКВ на первых ступенях и по значению УСКВ нижнего, переменного предела (или по времени паузы) на последних ступенях обкатки. Она содержит датчик частоты вращения к.в., блок управления, первый и, при необходимости, второй ИМ.

Первый ИМ предназначен для воздействия на рычаг РЧВ, согласно разработанной управляющей модели (см. раздел 2). Он содержит (рисунок 3) первый мотор-редуктор постоянного тока 8, на выходном валу которого закреплен кулачок 7, который через шарикоподшипник 6 перемещает каретку 5 по направляющим плиты 9. Каретка через предохранительную пружину 4 соединена с тросиком 3, который через шкив сектор 2 связан с рычагом РЧВ 1 дизеля. С помощью ходового винта 10 с приводом от рукоятки 12 или второго мотор-редуктора 11 плита перемещается по направляющим станины, обеспечивая управление рычагом РЧВ и скоростным режимом дизеля.

Блок управления (БУ) предназначен для управления процессом динамического нагружения двигателя при обкатке в автоматическом режиме путем подачи команд на ИМ (рисунок 4) . На передней панели БУ расположены: диагностический прибор ИМД-ЦМ, тумблеры включения сети, ИМ, кнопки управления частотой вращения к.в. ДВС, переключатель режимов работы, контрольные лампы, регуляторы нагрузки и времени паузы. На задней стенке прибора установлены разъемы для подключения кабелей ИМ, датчика частоты вращения и питания от сети.

' ? М-2-4-. Л 10 7 9 6 11 12 8 Рисунок 3 - Кинематическая схема привода

рычага РЧВ с кулачковым исполнительным механизмом:

1 — рычаг РЧВ; 2 - шкив-сектор: 3 — тросик; 4 - предохранительная пружина: 5 - каретка (ползун): б - шарикоподшипник: 7 - кулачок. 8 — 1-й мотор-редуктор постоянного тока: 9 - плита: 10 - винт перемещения плиты, II - 2-й мотор-редуктор, 12 - рукоятка ручного управления скоростным режимом ДВС, 13 - установочные отверстия шкив-сектора

Рисунок 4 - Блок управления АСУ-ДН (передняя панель)

Для плавного регулирования напряжения питания первого мотор-редуктора и соответственно динамической нагрузки, в электрической схеме реализован экономичный способ широто-импульсной модуляции, при котором регулирующий транзистор работает в ключевом режиме с минимальными потерями мощности, а действующее значение напряжения определяется скважностью импульсов управления. Требуемое значение нижнего предела УСКВ на последних ступенях обкатки по предлагаемой технологии обеспечивается установкой соответствующего времени паузы 1П, расчетные значения которого для ступеней обкатки с ДН приведены в таблице 1. Таблица 1 - Режимы предлагаемой технологии обкатки дизеля Д-144-32 после теку-

щего ремонта

Этап Режимы

п, мин"', (время паузы 1„, с) £р, с 2 t, мин

Холодная обкатка (автономным устройством) п=п„с> без компрессии - 2

п=Ппуск с компрессией - 3

Горячая обкатка на холостом ходу С плавным увеличением частота вращения от минимальной до максимальной холостого хода 10

Горячая обкатка под нагрузкой п,=1200(1п=2,4с),п2=1950 45 5

п,=1200 (1„=2,4с),п2=1950 90 5

п,=1440 а„==С,77с), пз-1950 135 5

п,=1520 (у=0,62 с), п2=1950 170 5

Испытания Три цикла разгон-выбег с максимальной подачей топлива £г я182 Ев"56 -

Преимуществом данной системы является ее универсальность и простота использования, заключающаяся в том, что оптимальной диапазон изменения УСКВ и закон изменения НДМ для данного дизеля обеспечивается установкой соответствующего кулачка, что упрощает настройку системы и схему блока управления.

Для холодной обкатки ДВС после текущего ремонта без его снятия с машины предложено использовать устройства небольшой мощности, в том числе штатные или технологические пусковые устройства ДВС, автономные устройства для прокрутки к.в. через ВОМ или через зубчатый венец маховика (при их установке вместо агрегатов системы пуска). В исследованиях использовался штатный доработанный электростартер СТ-212Б дизеля Д-144-32 с принудительной системой охлаждения и сетевым источником питания.

В четвертом разделе «Программа и методика экспериментальных исследований» излагаются общая программы и методики экспериментальных исследований разработанных средств и технологий обкатки ДВС с ДН.

Программа исследований включала: лабораторные исследования АСУ-ДН, с целью определения тягово-скоростных параметров управляющих воздействий, эффективности динамического торможения кулачка исполнительного механизма, а также зависимостей потребляемого тока и напряжения питания мотор-редуктора от времени цикла ДН; моторные исследования с целью определения фактических параметров средств и реализуемых ими нагрузочно-скоростных режимов (на примере дизеля

Д-144-32); моторные сравнительные исследования по определению показателей качества приработки ДВС полученных при обкатке по базовой и предлагаемой технологиям.

Для проведения экспериментальных исследований была сформирован измерительно-регистрирующий комплекс, включающий АСУ-ДН, пружинный динамометр, динамометрический ключ, набор грузов, электронно-лучевой С1-68 и цифровой USB осциллографы, персональный компьютер, а также датчики хода каретки ИМ, тока и напряжения питания первого мотор-редуктора, индуктивный датчик частоты вращения от прибора ИМД-ЦМ (МИПД-1). Визуальный контроль за наличием и параметрами сигналов исследуемых процессов, проводился с помощью электронно-лучевого осциллографа С1 -68 и коммутатора. Синхронная запись сигналов всех регистрируемых параметров и отметок времени осуществлялась на персональный компьютер с помощью аналого-цифрового преобразователя LA 2-USB.

Моторные исследования проводились на дизеле Д-144-32 в составе трактора Т-40М и в стендовых условиях.

При проведении моторных сравнительных исследований проводилась оценка показателей качества приработки сопряжений при обкатке ДВС по базовой и предлагаемой технологиям. В качестве оценочных показателей качества приработки приняты: момент прокрутки до и после проведения экспериментальных обкаток; общая площадь приработанных поверхностей поршневых колец, шатунных вкладышей, а также характер ее распределения по поверхности сопряжений. Исследования проводились согласно ГОСТ 18509-88 «Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний».

В пятом разделе «Результаты экспериментальных исследований» выполнен анализ результатов лабораторных исследований АСУ-ДН, моторных исследований процессов динамического нагружения и сравнительных исследований показателей качества приработки сопряжений дизеля Д-144-32 после текущего ремонта при его обкатке с ДИ по базовой и предлагаемой технологиям.

В результате лабораторных исследований АСУ-ДН установлено, что время торможения каретки (и кулачка) (рисунок 5) линейно возрастает по мере увеличения ее скорости и не превышает 0,35 с, при максимальном угле поворота кулачка не более 30 град. Величина нагрузки на время торможения и угол поворота кулачка влияет незначительно, так как на участках постоянного радиуса полностью компенсируется реакцией шарикоподшипника. По мере роста напряжения питания мотор-редуктора постоянного тока (типа 161.3730) и постоянных весовых нагрузках 50, 100, 150 и 200 Н (рисунок 6) средняя скорость перемещения каретки и троса ИМ линейно возрастает и

Н 0.35 1 0.25 2 Э2 33 2

ю п

Э 0,005 0.01 0015 3. Скер«с1*> V.u/с 2 С .С > =9.17' R' 25 0 Э1< + 0.1№ C.98S1

Рисунок 5 - Зависимость времени торможения кулачка от скорости перемещения каретки (при переменной от 15 до 85Н нагрузке)

i б a то 12 * е » не Рисунок 6 - Зависимость средней скорости перемещения каретки от напряжения питания и постоянных нагрузках (50. 100, ISO, 200Н)

В результате моторных исследований процессов динамического нагружения, создаваемых АСУ-ДН, подтверждена возможность реализации усовершенствованных ЦЦН (рисунок 7), а также соответствие характера изменения параметров ЦДН теоретическим графическим зависимостям (рисунок 1) и математическим моделям (10),

(11), и (13).

Н с

200

№

КО 50 0 с.с1 т 50

-уь аграа (V1

50

п

0

Рисунок 7 - Осциллограммы параметров циклов динамического нагружения дизеля Д-144-32: а) с тактом стабилизации УСКВ; б) без такта стабилизации УСКВ: О) - угловая скорость коленчатого вала, с'; е - угловое ускорение коленчатого вала, с"; а - угол поворота рычага РЧВ, град.

Исключение такта стабилизации при нагрузках более 70% от номинального значения не влияет на характер изменения углового ускорения и при одинаковых значениях времени тактов разгона и выбега, снижает время ЦДН на 0,9 с (до 30%). При этом максимальная частота следования ЦДН возрастает с 0,36 до 0,5 Гц (рисунок 7,6).

В процессе исследований также установлена возможность существенного повышения нижнего предела и среднего значения УСКВ цикла путем управления по величине нижнего предела УСКВ или путем сокращения времени паузы при неизменном значении амплитуды НДМ (углового ускорения разгона) ступени (рисунок 8).

Шг

Рисунок 8 - Осциллограмма изменения параметров циклов динамического нагружения дизеля Д-144-32 в зависимости от времени паузы

Анализ осциллограммы показывает, что при уменьшении времени паузы с 1,1 до 0,35 с нижний предел УСКВ повысился с 136 с"1 до 168 с"1, средняя УСКВ цикла с 171 с"'до 188 с"1 (на 10%), частота циклов увеличилась с 0,5 ю 1 Гц (в 2 раза).

Результаты исследований устройства для холодной обкатки показали, что за время обкатки без компрессии (2 мин) частота вращения к.в. повысилась с 220 до 270 мин"1, при давлении в смазочной системе - 0,35 МПа, а потребляемый электростартером ток снизился с 240 А до 220 А, при напряжении питания около 12 В. При обкатке с компрессией (3 мин) средняя частота вращения к.в. составила 215 мин"1, давление в смазочной системе - 0,23 МПа, потребляемый электростартером тек - 300 А, а напряжение питания - 11 В. Температура корпуса стартера за время обкатки повысилась с 20 до 40°С, а щеточного узла с 25 до 149°С.

Результаты сравнительных исследований показателей качества приработки сопряжений дизеля Д-144-32 показывают, что среднее значение момента прокрутки динамометром в процессе экспериментальных обкаток с ДН снижалось до 19,3% (при обкатке по базовой технологии) и до 24,7% по предлагаемой (рисунок 9).

а) б)

Рисунок 9 - Зависимости момента прокрутки от углового положения когенчатого вала в процессе экспериментальных обкаток дизеля Д-144-32: а) по баювой технологии; 6) по предлагаемой технологии

Исследования поверхностей поршневых колец показам, что цилиндрические поверхности первых компрессионных колец после экспериментальных обкаток имели равномерный по периметру приработочный поясок со следами приработки по всей поверхности, вторые и третьи компрессионные кольца при обкатках имели односторонний приработочный поясок шириной 0,6 - 0,9 мм, с площадью приработанных поверхностей 26 - 40% и 28 - 40% соответственно. Протяжен юсть просветов между поршневыми кольцами и калибром после обкатки по базово! технологии уменьшилась в среднем на 57%, а по предлагаемой на 65,6%.

Наличия задиров и следов перегрева шатунных вкладышей не обнаружено. Среднее значение общей площади приработанных поверхностей верхних шатунных вкладышей составило 12,4% и 12,9%, а нижних - 1,3% и 2,4% от площади всей поверхности при обкатках по базовой и предлагаемой технологиям соответственно.

В шестом разделе «Экономическая эффективность обкатки автотракторных дизелей динамическим погружением после текущего ремонта» выполнен расчет экономической эффективности, который показал, что расчетный годовой экономический эффект от внедрения в производство разработанных средств и технологий обкатки ДВС с ДН за счет снижения затрат на оборудование и производственной площади, составил 2483 рублей на одну обкатку дизеля Д-144-32.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Получена зависимость момента механических потерь дизелей от частоты вращения к.в. и их конструктивных параметров. Установлено, что на пусковой частоте вращения к.в. дизеля Д144-32 равной 250 мин"1, расчетный момент механических потерь составляет 36 Н-м, а необходимая мощность устройства для прокрутки к.в. в процессе холодной обкатки не превышает 1,1 кВт. Моторные исследования автономного устройства на базе электростартера СТ-212Б подтвердили возможность холодной обкатки дизеля Д-144-32 после текущего ремонта с его использованием, при этом частота вращения на первой ступени (без компрессии) составила 250-270 мин"', а на второй (с компрессией) - 215 мин"1.

2. Разработаны скоростная, нагрузочная и управляющая математические модели усовершенствованного ЦДН без такта стабилизации УСКВ на нижнем пределе и повышенном его значении. Предложен алгоритм управления усовершенствованным ЦДЛ по положению кулачка ИМ в зоне верхнего предела УСКВ и по времени паузы (или по значению нижнего, переменного предела УСКВ). Проведены расчеты профиля кулачка исполнительного механизма АСУ-ДН для обкатки дизеля Д-144-32, при этом величина сектора постоянного максимального радиуса составляет 37 град., а сектора линейного увеличения радиуса 235 град. Минимальное значение времени паузы, формируемое блоком управления АСУ-ДН при обкатке дизеля Д-144-32, должно быть не более 0,62 с, а максимальное - не менее 2,4 с. Согласно проведенной оценке энергетической эффективности усовершенствованного ЦДН, расчетное увеличение работы дизеля Д-144-32 по преодолению механических потерь в режиме динамического нагружения (на тактах разгона) достигает 57% по сравнению с базовым циклом.

3. Разработаны алгоритм работы и функциональная схема АСУ-ДН, обеспечивающей управление нагрузочно-скоростными режимами обкатки дизелей и их контроль в полуавтоматическом режиме. Разработана кинематическая схема универсального кулачкового исполнительного механизма АСУ-ДН с тросовым приводом рычага РЧВ и шкив-сектором. Разработана электрическая схема АСУ-ДН, отличающаяся пониженным энергопотреблением, вследствие широто-импульсного способа регулирования напряжения питания мотор-редуктора привода кулачка ИМ. Изготовлен экспериментальный образец АСУ-ДН с кулачковым ИМ. Разработана технология обкатки дизеля Д-144-32 после текущего ремонта без снятия с трактора с использованием разработанного автономного устройства для холодной обкатки и АСУ-ДН для горячей обкатки на холостом ходу и под нагрузкой.

4. В результате лабораторных исследований АСУ-ДН установлена линейная зависимость скорости перемещения каретки и троса ИМ от напряжения питания мотор-редуктора, а также времени торможения каретки (и кулачка) в зоне минимального радиуса от угловой скорости кулачка. Максимальное время торможения не превышает 0,35 с, что меньше минимального времени паузы - 0,62 с, средняя скорость перемещения каретки при постоянных весовых нагрузках 50, 100, 150 и 200 Н и увеличении напряжения питания ИМ линейно возрастает и слабо зависит от нагрузки в исследуемом диапазоне ее изменения.

Моторные исследования АСУ-ДН подтвердили ее работоспособность, стабильность реализуемых нагрузочно-скоростных режимов и возможность их плавного изменения в требуемом для обкатки диапазоне, путем регулировки напряжения питания мотор-редуктора. Установлено, что исключение такта стабилизации на последних ступенях обкатки не влияет на характер изменения нагрузочного динамического мо-

мента и снижает время ЦДН до 30%, Также установлена возможность существенного до 20% повышения нижнего предела и до 10% среднего значения УСКВ цикла.

5. В процессе сравнительных моторных исследований обкатки дизеля Д-144-32 установлено, что при холодных обкатках момент механических потерь снизился на 8%, а за все время обкаток по базовой и предлагаемой технологиям он снизился на 19,3 и 24,7% соответственно. Общая площадь приработанных поверхностей верхних шатунных вкладышей составила 12,4% и 12,9%, а нижних - 1,3% и 2,4% от площади всей поверхности, соответственно. Цилиндрические поверхности первых компрессионных колец после экспериментальных обкаток имели равномерный по периметру приработочный поясок со следами приработки по всей поверхности. Вторые и третьи компрессионные кольца имели односторонний приработочный поясок шириной 0,6 - 0,9 мм, с площадью приработанных поверхностей 26 - 40% и 28 - 40% соответственно. Протяженность просветов между поршневыми кольцами и калибром после экспериментальных обкаток дизеля уменьшилась в среднем на 57% и 65,6% соответственно. Таким образом, при обкатке по предлагаемой технологии получены лучшие показатели приработки сопряжений дизеля.

Экспериментальный образец АСУ-ДН для обкатки дизелей и основные результаты диссертационной работы приняты к внедрению ОАО «Завод коммунальной энергетики» г. Пензы и ГНУ ГОСНИТИ г. Москва. Расчетный годовой экономический эффект от внедрения АСУ-ДН составляет 2483 рублей на одну обкатку дизеля Д-144-32.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Тимохин, C.B. Результаты лабораторных исследований автоматизированной системы управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением / C.B. Тимохин, К.Л. Моисеев // Нива Поволжья. - 20И. -№2(19). - С. 84-89.

2. Тимохин, C.B. Результаты экспериментальных исследований обкатки дизеля Д-144-32 после текущего ремонта на стенде КИ-28263 с микропроцессорной системой управления / C.B. Тимохин, К.Л. Моисеев, O.A. Царев // Нива Поволжья. - 2011. - №3(20). - С. 79-83.

3. Моисеев, К.Л. Обкатка дизелей с динамическим нагружением / К.Л. Моисеев, C.B. Тимохин // Сельский механизатор. - 2011. - №12. - С. 32-33.

Публикации в журналах, сборниках научных трудов, материалах форумов и конференций

4. Тимохин, C.B. Стенд для обкатки ДВС с динамическим нагружением КИ-28263 / С.В.Тимохин, К.Л. Моисеев, A.B. Шкинев // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: Сб. матер, науч. студ. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2009. - С. 103.

5. Тимохин, C.B. Автоматизированная система управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением / C.B. Тимохин, К.Л. Моисеев, P.P. Девликамов // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: Сб. матер, науч. студ. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2009. - С. 104.

6. Тимохин, C.B. Альтернативные технологии обкатки автотракторных дизелей / Тимохин C.B., Морунков А.Н., Царев O.A., Моисеев К.Л. // Машинно-технологическая станция. -2009. -№ 2,- С. 20-23.

7. Тимохин, C.B. К разработке микропроцессорной системы управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением / C.B. Тимохин, К.Л. Моисеев, O.A. Царев // Вклад молодых

ученых в инновационное развитие АПК России: Сб. матер. Всерос. НПК. - Пенза: РИО ПГСХА, 2009. -С. 16.

8. Тимохин, C.B. Методика и результаты лабораторных исследований автоматизированной системы управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением / C.B. Тимохин, К.Л. Моисеев, O.A. Царев, Д.В. Быков // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: Сб. матер, науч. студ. конф. - Пенза: РИО ПГСХА, 2010. -С. 113.

9. Тимохин, C.B. Результата экспериментальных исследований автоматизированной системы управления обкаткой автотракторных дизелей с динамическим нагружением / C.B. Тимохин, К.Л. Моисеев // Проблемы качества и эксплуатации автотракторных средств: матер. VI Меадунар. НТК. - Пенза: ПГУАС, 2010. - 4.1. - С. 356.

10. Моисеев, К.Л. Основные результаты исследований микропроцессорной системы управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением / К.Л. Моисеев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Сб. матер. Всерос. НПК. - Пенза: РИО

ПГСХА,2010.-С. 127.

11. Моисеев, К.Л. Исполнительный механизм микропроцессорной системы управления обкаткой дизелей с динамическим нагружением / Моисеев К.Л., Тимохин C.B. // Машинно-технологическая станция. -2011. - № 1. - С. 34-36.

12. Моисеев, К.Л. Результаты экспериментальных исследований автоматизированной системы динамического нагружения обкаточного стенда КИ-28263 ГОСНИТИ (на примере дизеля Д-144-32) / К.Л. Моисеев // Наука и молодежь: новые идеи и решения: матер. V Меж-дунар. НПК молодых исследователей. - Волгоград, 2011. - С. 72-75.

13. Моисеев, К.Л. Способ холодной обкатки ДВС после текущего ремонта и устройство для его реализации / К.Л. Моисеев, А.Г. Трекин // Наука и молодежь: новые идеи и решения: матер. V Между нар. НПК молодых исследователей. - Волгоград, 2011. - С. 80-81.

14. Моисеев, К.Л. Расчегно-теоретическое обоснование режимов и средств холодной обкатки ДВС после текущего ремонта (на примере дизеля Д-144-32) / К.Л. Моисеев, C.B. Тимохин //Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Сб. матер. Всерос. НПК. - Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - Т.2. - С. 52-55.

15. Моисеев, К.Л. Теоретическое обоснование усовершенствованного алгоритма реализации обкаточных циклов динамического нагружения ДВС / К.Л. Моисеев, C.B. Тимохин // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России: Сб. матер. Всерос. НПК. -Пенза: РИО ПГСХА, 2011. - Т. 2. - С. 48-51.

Подписано в печать 13.01.2012. Объем 1 усл. пл. Тираж 100 экз. Заказ № Ч Ошечатано с готового оригинал-макета в Пензенской мини-типографии Свидетельство № 5551 Адрес: 440600, г. Пенза, ул. Московская, 74.

61 12-5/1433

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ»

На правах рукописи

Моисеев Кирилл Леонтьевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРИРАБОТКИ ДИЗЕЛЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕМ ТЕХНОЛОГИИ И СРЕДСТВ ОБКАТКИ С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ

Специальность 05.20.03 - технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Тимохин С.В.

Пенза-2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ 5

ВВЕДЕНИЕ 6

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОБКАТКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 11

1.1 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ХОЛОДНОЙ ОБКАТКИ ДИЗЕЛЕЙ 12

1.2 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ГОРЯЧЕЙ ОБКАТКИ 17

1.3 ВАРИАНТЫ ЦИКЛОВ ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ 20

1.4 СРЕДСТВА ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ОБКАТКИ ДВС С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ 24

1.5 ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ДЛЯ ИСПЫТАНИЙ ДИЗЕЛЕЙ ПОСЛЕ ОБКАТКИ 28

1.6 ВЫВОДЫ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 30

2 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОБКАТКИ ДВС ПОСЛЕ ТЕКУЩЕГО РЕМОНТА 32

2.1 РАСЧЕТНО-ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ РЕЖИМОВ И СРЕДСТВ ХОЛОДНОЙ ОБКАТКИ ДВС

ПОСЛЕ ТЕКУЩЕГО РЕМОНТА 3 2

2.2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ НАГРУЗОЧНО-СКОРОСТНЫХ РЕЖИМОВ, УПРАВЛЯЮЩИХ ВОЗДЕЙСТВИЙ И ПАРАМЕТРОВ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ, РЕАЛИЗУЮЩЕЙ УСОВЕРШЕНСТВОВАННЫЙ АЛГОРИТМ ЦИКЛА ДИНАМИЧЕСКОГО НАГРУЖЕНИЯ 3 8

2.2.1 РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ КУЛАЧКА ИСПОЛНИТЕЛЬНОГО

МЕХАНИЗМА 49

ВЫВОДЫ 55

3 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ И ТЕХНОЛОГИИ ОБКАТКИ

ДВС ПОСЛЕ ТЕКУЩЕГО РЕМОНТА 57

3.1 РАЗРАБОТКА СРЕДСТВ ДЛЯ ОБКАТКИ ДИЗЕЛЕЙ С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ 57

3.2 АНАЛОГО-ЦИФРОВАЯ АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБКАТКОЙ ДВС С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ 58

3.3 МИКРОПРОЦЕССОРНАЯ СИСТЕМА УПРАВЛЕНИЯ ОБКАТКОЙ ДВС С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ 66

3.4 ТЕХНОЛОГИЯ ОБКАТКИ ДИЗЕЛЯ Д-144-32 ПОСЛЕ ТЕКУЩЕГО РЕМОНТА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ РАЗРАБОТАННЫХ СРЕДСТВ 72 ВЫВОДЫ 79

4 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 80

4.1 ОБЩАЯ ПРОГРАММА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 80

4.2 МЕТОДИКА ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБКАТКОЙ

С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ 80

4.2.1 ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 81

4.3 МЕТОДИКА МОТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБКАТКОЙ С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ 83

4.3.1 ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 83

4.4 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ХОЛОДНОЙ ОБКАТКИ ДИЗЕЛЯ Д-144-32 С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ АВТОНОМНОГО УСТРОЙСТВА 86

4.4.1 ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 86

4.5 МЕТОДИКА СРАВНИТЕЛЬНЫХ МОТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ОБКАТКИ ДИЗЕЛЯ Д-144-32 ПОСЛЕ ТЕКУЩЕГО РЕМОНТА 88

4.5.1 ПРИМЕНЯЕМЫЕ ПРИБОРЫ И ОБОРУДОВАНИЕ 88

4.5.2 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПРИРАБОТКИ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБКАТКАХ 92 ВЫВОДЫ 96

5 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ 97

5.1 РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБКАТКОЙ ДВС 97

5.2 РЕЗУЛЬТАТЫ МОТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБКАТКОЙ ДВС 102

5.3 РЕЗУЛЬТАТЫ СРАВНИТЕЛЬНЫХ МОТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ПРИРАБОТКИ ДИЗЕЛЯ Д-144-32, ПОЛУЧЕННЫХ ПРИ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ОБКАТКАХ 104 ВЫВОДЫ 113

6 ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРЕДЛАГАЕМОЙ ТЕХНОЛОГИИ ОБКАТКИ ТРАКТОРНЫХ ДИЗЕЛЕЙ С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ ПОСЛЕ ТЕКУЩЕГО РЕМОНТА (НА ПРИМЕРЕ ДИЗЕЛЯ Д-144-32) 115 ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 119 СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 122 ПРИЛОЖЕНИЕ 136

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ СОКРАЩЕНИЙ И ТЕРМИНОВ

АПК - агропромышленный комплекс;

АСУ - автоматизированная система управления;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

БПУ - блок программного управления;

ДВС - двигатель внутреннего сгорания;

ДН - динамическое нагружение;

ИМ - исполнительный механизм;

КШМ - кривошипно-шатунный механизм;

НДМ - нагрузочный динамический момент;

РЧВ - регулятор частоты вращения;

ТНВД - топливный насос высокого давления;

УСКВ - угловая скорость коленчатого вала;

ЦДН - цикл динамического нагружения;

ЦПГ - цилиндро-поршневая группа.

ВВЕДЕНИЕ

Дизели являются энергетическими установками большинства мобильных машин аграрно-промышленного комплекса страны. Ресурс новых и отремонтированных дизелей во многом зависит от качества их обкатки перед вводом в эксплуатацию. Технологическая обкатка выполняется на моторных заводах и ремонтных предприятиях и включает этапы холодной обкатки, горячей обкатки на холостом ходу и под нагрузкой, а также испытания ДВС [67,69,92,95,114,120].

Наиболее важным является этап обкатки под нагрузкой, но для его реализации по типовым технологиям необходимы специальные тормозные стенды большой мощности и стоимости. В качестве альтернативной в настоящее время используется технология бестормозной обкатки ДВС с динамическим нагружением (ДН), обладающая существенными преимуществами по сравнению с тормозной [67,92,114].

К недостаткам горячей обкатки с ДН следует отнести сравнительно малое (25-30%) время действия динамической нагрузки (только на тактах разгона) в общем времени цикла динамического нагружения (ЦДН) и этапа в целом, а также пониженное среднее значение угловой скорости коленчатого вала (УСКВ), что снижает эффективность приработочных процессов. Устранение указанных недостатков обкатки с ДН путем совершенствования структуры и нагрузочно-скоростных режимов ЦДН, разработки новых средств и технологий на его основе представляет собой актуальную задачу, имеющую важное народнохозяйственное значение.

Работа выполнена по планам НИОКР ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА» на 2005-2010 гг. и 2011-2015 гг. по теме № 30 «Улучшение технико-экономических показателей мобильных машин и технологического оборудования АПК» и ГНУ ГОСНИТИ по теме № 09.03.02.14 «Провести исследования процессов динамического нагружения и разработать технологию и стенд для обкатки и испытаний ДВС методом динамического нагружения» на 2009 г.

ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ - повышение эффективности приработки дизелей совершенствованием технологии и средств обкатки с динамическим нагружением.

ОБЪЕКТ ИССЛЕДОВАНИЯ - процесс горячей обкатки с динамическим нагружением дизеля Д-144-32 после текущего ремонта.

ПРЕДМЕТ ИССЛЕДОВАНИИ - закономерности изменения нагрузоч-но-скоростных режимов обкатки и управляющих воздействий, тягово-скоростные, энергетические и электрические характеристики средств для реализации обкатки с динамическим нагружением, а также показатели приработки сопряжений дизеля Д-144-32 после текущего ремонта.

МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ. Теоретические исследования выполнялись с использованием основных положений классической механики, теории ДВС, электропривода и математики. Экспериментальные исследования проводились в соответствии со стандартными и разработанными частными методиками. Обработка результатов экспериментальных исследований осуществлялась на ПЭВМ с использованием стандартных программ ADCLab (ос-циллограф-спектроанализатор), Excel, MathCAD.

НАУЧНУЮ НОВИЗНУ работы представляют:

• способ повышения эффективности обкаточных ЦДН исключением такта стабилизации УСКВ на нижнем пределе и повышением его значения;

• нагрузочная, скоростная и управляющая математические модели усовершенствованного обкаточного ЦДН;

• алгоритм работы и конструкция автоматизированной системы управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением (АСУ-ДН).

Новизна технической разработки подтверждена положительным решением на выдачу патента РФ на полезную модель по заявке № 2011128955(042797) от 07.12.2011 «Устройство для обкатки двигателя внутреннего сгорания».

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ работы. Разработанные технология и автоматизированная система управления динамическим нагружением позво-

ляют увеличить средний скоростной режим до 10%, время действия динамической нагрузки до 35- 45%, а работу ДВС по преодолению механических потерь в режиме динамического нагружения на 57% по сравнению с существующей (базовой) технологией обкатки с ДН, что, при одинаковом времени обкатки под нагрузкой, обеспечивает улучшение показателей качества приработки сопряжений.

ДОСТОВЕРНОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ работы подтверждена результатами лабораторных и моторных исследований параметров разработанных средств и реализуемых ими нагрузочно-скоростных режимов обкатки проведенными с использованием современных цифровых методов сбора, обработки и регистрации информации, применением метода сравнительных исследований и автоматизацией процессов задания режимов экспериментальных обкаток.

РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. Автоматизированная система управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением исследована в лаборатории испытаний автотракторных двигателей ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» и прошла производственную проверку в ОАО «Завод коммунальной энергетики» г. Пензы при проведении технологических обкаток дизелей отечественного и импортного производства. Данная система используется в указанном предприятии в составе разработанного с участием автора диссертации стенда КИ-28263 ГОСНИТИ. Один экземпляр АСУ-ДН передан лаборатории №4 «Ремонт ДВС» ГНУ ГОСНИТИ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации и результаты исследований доложены и одобрены на научно-практических конференциях ФГБОУ ВПО «Пензенская ГСХА» (2009-2011 гг.); международных научно-технических конференциях ГОУ ВПО «Пензенский ГУАС» (2010 г.), ГНУ ГОСНИТИ г. Москва (2010 г.), ФГОУ ВПО «Волгоградская ГСХА» (2011 г.), ГОУ ВПО «Пензенский ГУ» (2011 г.); представлялись на втором туре Всероссийского конкурса научных работ аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ Приволжского федерального округа по

номинации «Технические науки» в ФГОУ ВПО «Башкирский ГАУ» (третье место в 2010 г. и первое место в 2011 г.), а также на третьем туре Всероссийского конкурса научных работ аспирантов и молодых ученых высших учебных заведений МСХ РФ в ФГОУ ВПО «Саратовский ГАУ» в 2010-2011 гг.

Результаты исследований представлялись на научно-инновационном конкурсе «У.М.Н.И.К.» фонда содействия развитию малых форм предприятий в научно технической сфере (г. Пенза 2011 г.), в результате которого получено право на заключение государственного контракта на выполнение НИОКР по теме диссертационной работы.

Опытный образец АСУ-ДН и информационно-иллюстративные материалы по стенду КИ-28263 ГОСНИТИ экспонировались на международных выставках «АГРОСАЛОН» и «ЗОЛОТАЯ ОСЕНЬ» г. Москва (2009 г.), на региональной выставке «Пенза - Arpo» Пензенский ЦНТИ (2009 г.).

ПУБЛИКАЦИИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ. По результатам исследований опубликовано 15 научных работ, в т.ч. 3 статьи в изданиях, указанных в «Перечне...ВАК», получено положительное решение о выдаче патента РФ на полезную модель. Две статьи опубликованы без соавторов. Общий объем публикаций составляет 3,54 пл., из них 1,2 пл. принадлежит автору.

СТРУКТУРА И ОБЪЕМ ДИССЕРТАЦИИ. Диссертация состоит из введения, шести разделов, общих выводов, списка используемой литературы из 124 наименования и приложения на 22 с. Работа изложена на 135 с, содержит 51 рис. и 6 табл.

НАУЧНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ:

• структура усовершенствованного обкаточного цикла динамического на-гружения без такта стабилизации, с периодом остановки рычага регулятора частоты вращения в конце такта разгона и повышенным значением нижнего предела угловой скорости коленчатого вала, его нагрузочная, скоростная и управляющая математические модели;

• алгоритм работы и конструкция автоматизированной системы управления обкаткой с динамическим нагружением, а также технология обкатки дизеля после текущего ремонта с динамическим нагружением;

• параметры и характеристики исполнительного механизма и блока управления автоматизированной системы управления обкаткой с динамическим нагружением, а также показатели приработки сопряжений и закономерности изменения момента прокрутки при экспериментальных обкатках дизеля Д-144-32 после текущего ремонта.

1 АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ОБКАТКИ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Обкатка автотракторных двигателей (ДВС) осуществляется в несколько стадий [67,69,92,95,114,120]. На первой стадии отремонтированные (или новые) дизели проходят технологическую обкатку в стационарных условиях на ремонтных предприятиях или заводах - изготовителях. Продолжительность такой обкатки не превышает нескольких часов, однако её роль, по мнению большинства исследователей, чрезвычайно важна, так как в её процессе происходит предварительная приработка сопряжений, обеспечивающая возможность восприятия ограниченных эксплуатационных нагрузок; выявление и устранение отказов, возникающих из-за отклонений в качестве запасных частей, в технологии ремонта деталей, сборки сопряжений и узлов двигателей, оказывающих влияние на всю последующую работу дизеля. Для качественного проведения технологической обкатки необходимо точное поддержание рекомендуемых режимов с использованием соответствующего оборудования.

На второй стадии производится начальная эксплуатационная обкатка ДВС в составе машин, на которых он установлен. Задачей второй стадии является полная приработка основных сопряжений и частичное устранение отказов. Продолжительность начальной эксплуатационной обкатки автотракторных ДВС составляет 30...60 мото-часов. На этой стадии технической документацией устанавливается ограничение нагрузочно - скоростных режимов работы машин.

На третьей стадии проводится заключительная эксплуатационная обкатка, продолжительность которой у дизелей достигает 400...600 мото-часов. Задачей третьей стадии является полная обкатка сопряжений, во время которой происходит окончательное выявление и устранение дефектов, заложенных технологией ремонта или изготовления. На этой стадии дизель работает на частичных и номинальных режимах.

Тенденция развития технологической обкатки ДВС основывается на дальнейшем сокращении ее продолжительности, с одновременным уменьшением начальных (приработочных) износов трущихся деталей и создания в их поверхностных слоях структур с высокими триботехническими свойствами, и выполнения большей ее части при ремонте ДВС и в сфере их производства [123].

1.1 СПОСОБЫ И СРЕДСТВА ХОЛОДНОЙ ОБКАТКИ ДИЗЕЛЕЙ

Структура технологической обкатки автотракторных ДВС, сложившаяся на заводах изготовителях, ремонтно-технических (РТП) и других предприятиях, включает три этапа - холодную обкатку, обкатку на холостом ходу и обкатку под нагрузкой, а также кратковременные испытания с целью определения её качества и технико-экономических показателей дизелей [1, 70, 93, 100,114,117].

Холодная обкатка предназначена для предварительной приработки сопряжений, выявления дефектных узлов и деталей, проверки функционирования узлов, механизмов и систем двигателя и осуществляется путем прокрутки коленчатого вала с определенной частотой вращения в течение необходимого времени. Важность этапа холодной обкатки подтверждается большинством отечественных и зарубежных исследований [32,33,47,48,71,74,96,124] и опытом производства. Это объясняется тем, что на данном этапе износы составляют от 20 до 70 % начального износа деталей, причем большие значения относятся к отремонтированным ДВС, имеющим значительные отклонения микро - и макрогеометрии сопрягаемых деталей, обусловленные низким качеством запасных частей, несовершенством оборудования и низкой культурой производства.

При назначении режимов холодной обкатки чрезвычайно важным является вопрос о выборе начальной частоты вращения, оказывающей существенное влияние на качество приработки сопряжений [114].

Например, по технологии обкатки, предлагаемой ГОСНИТИ, холодную обкатку, в зависимости от модели ДВС, начинают с достаточно высоких частот вращения (400... 1000 мин*1) и заканчивают при 950... 1500 мин"1 [71]. Однако высокие начальные частоты холодной обкатки при наличии значительных микро и макрогеометрических отклонений поверхностей сопряжений могут привести к образованию задиров и их повышенному первоначальному износу.

При начале холодной обкатки с малых пусковых частот вращения достигается снижение температур и сил инерции, а подача масла к сопряжениям уменьшается, что может ухудшить условия их приработки, однако исследования, проведенные Савченко Н.З. [95], показали отсутствие вредного влияния малой подачи масла в зону трения, существенное улучшение приработки и снижение износа при начале холодной обкатки ДВС с частот вращения 50...70 мин"1.

Исследования, проведенные под руководством профессора Н.С. Жда-новского, подтвердили возможность и целесообразность проведения холодной обкатки тракторных дизелей после текущего ремонта путем прокрутки коленчатого вала от пускового двигателя, сначала с декомпрессие