автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Повышение параметрической надежности двигателей автотранспортных средств в системе технического сервиса

На правах рукописи

Варнаков Дмитрий Валерьевич

ПОВЫШЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В СИСТЕМЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СЕРВИСА

Специальность 05.20.03 — Технологии и средства технического обслуживания в сельском хозяйстве

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

1 НОЯ ш

Москва-2013

005538157

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный агроинженерный университет имени В .П. Горячкина» (ФГБОУ ВПО МГАУ)

Научный консультант Дндмапнлзс Отара Назарович, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент РАСХН, Заслуженный работник высшей школы РФ, ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный университет - МСХА имени К. А. Тимирязева», проректор по дополнительному образованию и повыше!шю квалификации.

Официальные 01Ш0ненты: Голубев Иван Григорьевич, доктор технических наук, профессор, заведующий отделом «Анализа и обобщения информации по техническому сервису и оборудованию для перерабатывающих отраслей АПК» ФГБНУ «Росинформагротех»;

Юдин Владимир Михайлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Надежность и ремонт машин им. И.С. Левитского», ФГБОУ ВПО «Российский государственный аграрный заочный университет»; Сндыгаиов Юрий Николаевич, доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Эксплуатации машин и оборудования», ФГБОУ ВПО «Поволжский государственньш технологический университет».

Ведущая организация Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ГОСНИТИ Россельхоз академии)

Защита состоится «16» декабря 2013 года в 13 часов на заседании диссертационного совета Д.220.044.01 при ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина» по адресу: 127550, Москва, ул. Лиственничная аллея, д. 16-а, корпус 3, конференц-зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Московский государственный агроинженерный университет имени В.П. Горячкина». *

Автореферат разослан «2>0 » 2013 г.

Ученый секретарь диссертационного совета А.С. Дорохов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Основной стратегической задачей агропромышленного комплекса (АПК) России является техническое переоснащение. Согласно «Стратегии машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года», машинно-технологическая модернизация сельского хозяйства определена как важнейший фактор инновационного развития продовольственного комплекса России.

Низкий уровень надежности двигателей автотранспортных средств (АТС) приводит к увеличению затрат в процессе эксплуатации, простоям неисправной техники, что приводит к экономическим потерям. При этом потери являются не только следствием отказов отдельных деталей, но и снижением эффективности функционирования техники в целом. Возникает потребность в разработке таких методов оценки эффективности функционирования двигателей, которые позволили бы оценить параметры их работы в процессе эксплуатации, прогнозировании параметрической надежности и совершенствовании системы технического сервиса.

Большое значение, при этом, имеет соответствие двигателя установленным экологическим стандартам. Выход экологических параметров работы двигателя за допустимые пределы происходит, как правило, до появления физического отказа, и может характеризовать его параметрическую надежность.

Таким образом, при исследовании методов повышения надежности техники, особое значение приобретают задачи связанные с оценкой параметрической надежности агрегатов и анализом эксплуатационных данных, на основании которых осуществляется выбор методов, указывающих наилучшие алгоритмы обработки наблюдаемых величин, позволяющие оценить неизвестные параметры модели отказов или принять решение о соответствии этих параметров заданным техническим условиям. Одним из перспективных направлений повышения параметрической надежности является разработка системы оперативного контроля параметров, для совершенствования организации технического сервиса.

Цель диссертационной работы. Научное обоснование повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств и совершенствование организации технического сервиса.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели исследования предусмотрено решение следующих основных задач:

- обосновать необходимость повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения;

- проанализировать показатели оценки эффективности работы автотранспортных средств;

- провести моделирование и оптимизацию граничных интервалов параметрической надежности двигателей автотранспортных средств;

- разработать систему оперативного контроля качества топлива двигателей автотранспортных средств;

- получить эмпирические зависимости основных параметров работы двигателей, влияющих на эффективность их функционирования;

- провести технико-экономическую оценку предлагаемых мероприятий по повышению параметрической надежности двигателей автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения;

- разработать научно-обоснованные рекомендации по совершенствованию организации технического сервиса автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения с учетом их параметрической надежности.

Объект исследования. Система технического сервиса автотранспортных средств агропромышленного комплекса.

Предмет исследования. Параметрическая надежность и эффективность функционирования двигателей автотранспортных средств.

Методы исследований. Теоретические исследования проводились с использованием теории вероятностей, факторного анализа, метода ранжирования, статистических методов, теории марковских процессов. Экспериментальные исследования охватывали использование стандартных методик испытания двигателей и получения скоростной и нагрузочной характеристик двигателя, методы планирования эксперимента. Результаты теоретических исследований подтверждаются данными экспериментальных исследований, выполненных с помощью стандартных методик испытания двигателей, что подтверждает их достоверность.

Научная новизна заключается в теоретическом обосновании новых направлений в оценке параметрической надежности автотранспортных средств, технологии, техническом оснащении и организации предприятий технического сервиса:

- научно обоснован метод оценки эффективности функционирования сложных технических систем;

- научно обоснована методика прогнозирования параметрического отказа;

- разработана система оперативного контроля и оценки качества топлива;

- получены математические зависимости граничных значений основных параметров характеризующих эффективность функционирования двигателя;

- разработан метод оптимального выбора объектов технического сервиса.

Практическая значимость результатов исследования состоит в:

- разработке системы оперативного контроля и оценки качества топлива;

- внедрении индивидуальных контрольных карт, позволяющих качественно повысить уровень технического сервиса автотранспортных средств;

- повышении коэффициента готовности от. внедрения • системы оперативного контроля параметрической надежности автотранспортных средств;

- разработке рекомендаций по совершенствованию организации и технологии технического обслуживания и ремонта автотранспортных средств с учетом их параметрической надежности.

Реализация результатов исследовании. Результаты исследований используются при обслуживании топливной аппаратуры, обкатке, и регулировке двигателей на ремонтно-обслуживающих предприятиях, и организации технического сервиса автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения.

Результаты теоретических и экспериментальных исследований рассмотрены и внедрены в ООО "Инверсия", ООО "Техоснастка", ООО "Экга", ООО «Транспортная компания «Партнер», что подтверждается соответствующими актами.

Результаты исследований используются при подготовке специалистов технического сервиса машин по специальности «Автомобили и автомобильное хозяйство», «Технический сервис в АПК».

Апробация работы.

Основные положения исследования новых направлений повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств, на основе внедрения математического моделирования параметрической надежности и оценки качества их функционирования, обеспечивающих повышение эффективности в процессе эксплуатации, обсуждены и одобрены на: международной конференции «4th International Conference on European Science and Technology», Германия, Мюнхен, 2013; международной конференции «Modern directions of theoretical and applied researches» Украина, Одесса, 2013; XVI-той Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросхемы». - Ульяновск, Ульяновск, 2013; 2-й Международной научно-практической интернет-конференции «Актуальные вопросы инновационного развития транспортного комплекса», Орел, 2012; XIII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы», Ульяновск, 2011; Международной конференции «Инноватика-2010», Ульяновск, 2010; Всероссийской научно-практической конференции с международным участием. Актуальные проблемы современной науки и образования. Ульяновск, 2010; Международной конференции «Инноватика - 2009», Ульяновск, 2009; Седьмой международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов», Ульяновск, 2009; Международной научно-практической конференции роль молодых ученых в реализации национального проекта «Развитие АПК». Москва, МГАУ, 2007.

Получена Серебряная медаль «Международного салона изобретений» (1-3 апреля 2009г. г. Женева, Швейцария).

5

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 43 научных работах общим объемом 41,3 печатных листа, в том числе в одной монографии, в трех учебно-методических пособиях, в 32 статьях (24 из них — в изданиях, рекомендованных ВАК РФ для публикации материалов диссертаций) и тезисов докладов, имеется 5 патентов РФ на изобретение, 2 свидетельства о государственной регистрации программы для ЭВМ.

На защиту выносятся научно обоснованные направления повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения, в том числе:

- анализ существующих показателей оценки эффективности функционирования технических систем;

- теоретическое обоснование методов повышения параметрической надежности технических систем;

- моделирование и оптимизация доверительных интервалов параметрической надежности автотранспортных средств;

- способ и система оперативного контроля качества топлива;

- результаты исследования параметрической надежности двигателей автотранспортных средств;

- результаты оценки технико-экономической эффективности внедрения мероприятий по повышению параметрической надежности, в систему технического сервиса автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения;

- рекомендации по повышению параметрической надежности автотранспортных средств, и совершенствованию организации технического сервиса автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация включает введение, семь глав, общие выводы, список используемых источников информации из 281 наименований, в том числе 24 на иностранном языке и приложения на 67 страницах. Объем диссертации - 412 страниц машинописного текста,- в том числе 345 страниц основного текста, поясняется 34 таблицами и 96 рисунками.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении приведен краткий анализ состояния вопроса, обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований и основные результаты, выносимые на защиту.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования. Анализ существующих показателей оценки эффективности работы автотранспортных средств» обоснована необходимость повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств, рассмотрены основные показатели надежности, проведен анализ причин отказов и основные методы повышения надежности, проанализированы программные комплексы расчета надежности технических систем, определены перспективные направления исследований параметрической надежности двигателей автотранспортных средств.

6

Значительный вклад в развитие теории надежности внесли: Барлоу Р., Голубев И.Г., Дидманидзе О.Н., Ерохин М.Н., Кряжков В.М., Михлин В.М., Проников A.C., Прошан Ф., Пучин Е.А., Селиванов А.И., Сидыганов Ю.Н., Скороходов А.Н., Черепанов С.С., Черноиванов В.И., Шишонок H.A., Юдин В.М., и др.

Вопросам повышения качества технического обслуживания и ремонта техники в сельском хозяйстве посвятили свои исследования: Ананьин А.Д., Балабанов В.И., Батищев А.Н., Варнаков В.В., Верещагин Н.И., Дорохов A.C., Курчаткин В.В., Кушнарев Л.И., Левшин А.Г., Новиков А.Н., Пасечников Н.С., Семейкин В.А., Стрельцов В.В. и др.

Повышение надежности автотранспортных средств остается актуальной задачей, т.к. парк машин значительно изношен, а их количество недостаточно для выполнения поставленных задач, что приводит к повышенной загрузке техники, и ее преждевременному износу, при выполнении работ в сжатые агротехнические сроки. Все более актуальными становятся вопросы повышения параметрической надежности машин, и оперативного диагностирования основных параметров работы.

Актуальность темы исследования в первую очередь обусловлена тем, что современные сложные системы характеризуются не только большим числом элементов, но главным образом, сложностью внутренней структуры.

Для соответствующей количественной оценки качества сложных систем целесообразно ввести показатели эффективности. При рассмотрении сложной системы главным образом интересует количественная оценка качества функционирования, . т.е. эффективность функционирования. Критерием эффективности функционирования сложной технической системы может служить некоторый параметр, количественно оценивающий качество выполняемых ею функций.

Эффективность сложной технической системы меняется с изменением условий, в которых она функционирует. Идея предлагаемого метода оценки эффективности сложной технической системы: состоит в том, что оценка производится как по внутренним свойствам, так и с учетом качества ее функционирования, качества выполнения задач, т.е. по выходному эффекту. Использование такой оценки позволяет сравнивать функционирование сложных систем, принципиально различных по структуре, принципу действия, но предназначенных для выполнения одной и той же задачи.

Эффективность функционирования системы, характеризующая математическое ожидание выходного эффекта, может быть определена по формуле полного математического ожидания:

Е-Ф^+Ф^.+ФьИ,. (1)

Если отказы элементов а и b независимы, то

Е = Ф„Р„ А + ФйЧЛ\ + ФьЯьР*, (2)

где Ф0 — показатель состояния So', р, - вероятность того, что i'-й элемент (/' = а, Ь) находится в состоянии работоспособности в рассматриваемый

мЬмент времени; ц, — вероятность того, что 1-й элемент находится в состоянии отказа.

Рассматривая сложную систему, состоящую из п элементов имеющую конечное число несовместимых состояний получим:

50,55 (3)

где Б о - состояние сложной системы, когда все элементы работоспособны;

— состояние сложной системы, когда неработоспособен только /-Й элемент (1 может принимать значения 1,2,..., п); ^ - состояние сложной системы, когда неработоспособны только /-Й и _/-й элементы (¿<7;/, ./ = 1,2,..., и); - состояния сложной системы, когда

неработоспособна совокупность только /,],...,т элементов (7 <] <,... < т\ = 1, 2,..., и); 5| 2...л - состояние сложной системы, когда отказали все элементы.

Вероятности состояний сложной системы можно определить как равенство являющееся суммой вероятностей всех возможных состояний сложной системы, составляющих полную группу событий.

к я и

И0 +ХН1+ЕЯ</+-+ £ НЧ_________Н,а. . = 1 ' (4)

1=1 т=1

где Н0 — вероятность состояния 50; Я, - вероятность состояния 5,; Нц - вероятность состояния 5„; Нп...т - вероятность состояния ,...„; ЯЛ2...„ - вероятность состояния 2...„-

Эффективность функционирования сложной системы, можно определить как математическое ожидание показателя технической эффективности:

Е = Ф0Я0 +£ф,Н, + £ «V. +•••+ X +Ф,г.дЯи..„ ,

><1

(5)

где Ф0 — показатель состояния Б0; Ф/ — показатель состояния Ф„ — показатель состояния 5,,; Фц...т - показатель состояния %;.„,; Ф/2..Л - показатель состояния

В случае независимости отказов отдельных элементов можно записать:

Н1=д1ПРк=^ПРк=г1Н,,

;! р>

н„

Нд...т = г,гГ..гтН0,

я я

Ни..м = ПгкНй = ПхЧк.

Здесь у, определяется как у, = —.

Р,

В таком случае выражение для оценки эффективности функционирования сложной технической системы примет вид:

Я П П л

/,У«1 //....<*■1

1<] /</<...<га

(7)

где Ф'п - нормированное значение.

Большое значение в системе технического сервиса автотранспортных средств имеет диагностирование его технического состояния. Оценка эффективности функционирования автотранспортных средств осуществляется по диагностическим параметрам, которые характеризуют параметрическую надежность.

Критерием оптимальности диагностических мероприятий, выполняемых для восстановления технического состояния автотранспортных средств, является обеспечение минимальных материальных и трудовых затрат, а для систем влияющих на безопасность движения и работы — минимальная заданная вероятность отказа.

Широкое внедрение систем оперативной диагностики и контроля прогнозирующих параметров обеспечивает переход от регламентного проведения сервисных работ к проведению по прогнозированию и фактической потребности.

В настоящее время не решен ряд вопросов организационного и методического характера оценки паргметрической надежности автотранспортных средств. Особенно актуальными являются решения проблемных задач оценки эффективности функционирования техники в условиях сельскохозяйственного производства.

Оценку эффективности функционирования и повышения параметрической надежности автотранспортных средств

сельскохозяйственного назначения следует проводить на основе поиска решений, удовлетворяющих условию оптимального соотношения эффективности функционирования к затратам по обеспечению надежности техники в системе технического сервиса машин.

Решение данной проблемы затруднено из-за отсутствия возможности имеющимися методами и средствами измерений высокопроизводительно и точно проверить все параметры, характеризующие эффективность и параметрическую надежность двигателей автотранспортных средств на соответствие их требованиям нормативно-технической документации.

Основная проблема заключается в том, что при эксплуатации автотранспортных средств достаточно сложно обеспечить оперативный контроль эффективности функционирования. В связи с этим необходимо стремится, чтобы совершенствование организации технического сервиса способствовало повышению параметрической надежности автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения.

Таким образом, разработка научно-обоснованных методов повышения параметрической надежности автотранспортных средств, учитывающих влияние различных факторов на эффективность функционирования, предложений по совершенствованию организации технического. сервиса в настоящее время, является крайне необходимой.

Во второй главе «Теоретическое обоснование методов повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств» приводятся теоретические основы расчета и прогнозирования параметрической надежности автотранспортных средств.

Система оценки надежности, основывающаяся на безотказной работе, в полной мере не удовлетворяет современным требованиям к работе автомобильных двигателей, т.к. не учитываются функциональные и параметрические отказы. При этом все более актуальными становятся вопросы повышения параметрической надежности двигателей, обеспечения нахождения- основных параметров в заданных границах, контроль и прогнозирование их состояния. Исходя из этого, для оценки технического состояния двигателей автотранспортных средств целесообразно применять теорию параметрической надежности.

Прогнозирование параметрического отказа может осуществляться методами непосредственного контроля прогнозирующих параметров, как в нормальных режимах эксплуатации, так и методами прогноза с имитацией явлений старения, износа в специальных режимах.

Методы прогнозирования в специальных режимах заключается в применении перегруженных или облегченных режимов работы элементов (узлов), которые позволяют с достаточной точностью моделировать явления старения или изнашивания. Данные методы можно применять для раннего выявления деградации основных прогнозирующих. параметров двигателей автотранспортных средств. Методы прогнозирования в специальных режимах, в сравнении с методами прогнозирования в нормальных режимах, обладают большей чувствительностью прогноза или более ранним выявлением параметрического отказа.

Основная идея предлагаемого метода заключается в выборе прогнозирующего параметра и определении его временной характеристики а = /(I) по результатам проведения специальных испытаний.

На рисунке 1 представлена зависимость изменения прогнозирующего параметра. По оси ординат откладывается значение прогнозирующего параметра а, время работы / — по оси абсцисс. Для момента времени / = 0, по результатам оценки параметра строится кривая плотности его распределения (кривая 1).

/ £ ' <3* Зс, / , а', - За, 1 ¡-г Г * ' а; -s="fc За, С. *

т„ t

Рисунок 1 - Зависимость изменения прогнозирующего параметра

Кривая плотности распределения 2 строится по измерениям параметра после определенного времени эксплуатации элементов в реальных условиях работы. Следующие кривые строятся аналогично. Количество замеров зависит от характера зависимости а = f(t). В случае линейной или близкой к ней зависимости достаточно двух-трех измерений параметра а в течение времени испытаний, при нелинейной зависимости функции « = f(t) необходимо ее определение по статистическим данным процесса деградации параметра.

Как правило, разброс параметров подчинен нормальному закону распределения. В таком случае каждое из построенных распределений будет характеризоваться математическими ожиданиями параметра аг, а} и средиеквадрагическими отклонениями сг,,сг2,ег3. Зная допустимые значения относительного числа элементов д, которые могут выходить из строя, находим нижнюю границу допустимых значении параметра а по величине допустимого отшюнения параметра Да = zcr.

р(*)=--Ь9 = 0.5--^- J exp^-yjdr (8)

Точки а\,аг ,а3 (рисунок 1) соответствуют q = 1% или Аа =2,57, при условии, что разброс параметров подчинен нормальному закону, а участок, соответствующий возможным отклонениям параметра, лежит в пределах За. В таком случае после прогнозирования предотвращаемых отказов только 1% от общего числа отказов может произойти в результате ухудшения качества.

Метод прогнозирования отказов элементов при работе в специальных контрольных режимах представлен на рисунке 2. Испытание в специальных режимах приводит к изменению контролируемого параметра 6<k) (t) (кривая 2) который пересечет критический уровень Б^ раньше, чем в нормальном режиме 6(t) (кривая 1). Использование специального режима приводит к

смещению прогнозирующего параметра бар к нижней границе критического значения параметра что позволяет осуществлять прогнозирование с большей перспективой. Изменение параметра б, представляющее разность -5ч> имитирует изменение параметра за счет искусственного старения. При прогнозировании состояния параметра и выполнении условия б^-б^ < Лб^, можно говорить том, что параметр не превышает профилактического запаса надежности.

Прогнозирование в специальных контрольных режимах обладает высокой степенью чувствительности прогнозирования (к(„к) >К8).

Период прогнозирования Тщ, зависит от степени соответствия изменения режима процессу изнашиваемости или старения, т.е. насколько изменяется скорость деградации прогнозирующего параметра. Методика аналогична рассмотренной на рисунке 1 с учетом исследования зависимости = /(')• Профилактический контроль параметрической надежности данным методом требует тщательных испытаний, т.к. создание перегруженных режимов может помимо прогнозирования отказов элементов привести к существенному нарушению структуры элементов (деталей), что приведет к снижению его параметрической надежности. Выбор величины отклонения параметров специального режима от соответствующих параметров нормального определяется, с одной стороны, требуемой чувствительностью прогноза, т.е. чем больше отклонение, тем больше чувствительность, а следовательно, и вероятность того, что моделирование эффекта старения позволит определить элемент параметрическая надежность которого близка к предельному значению. Однако, чрезмерно большие отклонения (в условиях перегруженных режимов) могут создавать необратимые, остаточные разрушения в структуре элемента.

о

Рисунок 2 — Изменение прогнозирующего параметра в специальных контрольных режимах 12

Зависимость прогнозирующего параметра от времени a = f(t) определяется аналогично. Третий режим представленный кривой 3 (рисунок 2), обладает большой чувствительностью, но может привести к преждевременному разрушению элемента. Поэтому актуальной задачей является прогнозирование отказов по изменению выходного параметра в нормальном эксплуатационном режиме.

Методика определения зависимости изменения выходного параметра двигателя, как сложной технической системы, вызываемого постепенным ухудшением качества входящих в нее элементов, аналогична прогнозированию параметрической надежности в специальном режиме. В этом случае необходимо установить корреляционную связь между выходным параметром сложной технической системы и качеством ее элементов.

В третьей главе «Моделирование и оптимизация доверительных интервалов параметрической надежности автотранспортных средств» рассмотрены теоретические основы и методики расчета доверительных интервалов параметрической надежности автотранспортных средств.

Для оценки параметрической надежности сложных технических систем необходимо совместное рассмотрение конкретного процесса функционирования и случайного процесса изменения состояния технической системы.

Общий подход к решению задачи оценки параметрической надежности сложных технических систем состоит в определении технического состояния ее элементов.

В качестве показателя, характеризующего влияние технического состояния элементов системы на ее эффективность, выбирается отношение показателя реальной эффективности к идеальной:

Р=Т- (9)

При этом подходе к решению задачи можно предъявить такие требования к надежности элементов необходимо выполнение условия

Следует отметить, что большое значение имеет сервисное обслуживание, представляющее собой комплекс мероприятий, направленных на предупреждение отказов автотранспортных средств и продление срока их эксплуатации.

При организации сервисных работ важно определить оптимальную периодичность, т.к. выявление и предупреждение отказов требует значительных затрат времени, а длительный простой обслуживаемой техники приводит к экономическим потерям.

Поэтому определение оптимальной периодичности проведения сервисных обслуживания, при которой обеспечивается достаточно высокая параметрическая надежность автотранспортных средств при минимальном времени простоя весьма актуально.

Одним из главных вопросов в научном обосновании сервисных

13

мероприятий является изучение закономерностей возникновения и накопления неисправностей.

Отказу технической системы предшествует изменение физико-химической структуры элемента, при котором некоторые его параметры не соответствуют нормативным, но элемент продолжает работать. Такой неисправный элемент, как правило, является потенциальным носителем отказа.

Основную часть предотвращаемых отказов составляют параметрические (постепенные) отказы, с медленными изменениями параметров элементов. Своевременное выявление параметрических отказов позволяет предотвратить отказ системы.

Внезапные отказы возможно предотвратить зная статистические закономерности их возникновения.

Предотвратить отказ возможно при условии:

1) если известен прогнозирующий параметр элемента или системы, который подчиняется определенному закону;

2) в случае, если прогнозирующий параметр элемента или системы неизвестен (внезапный отказ), но установлен статистический закон распределения времени появления отказа.

Параметрический отказ, может характеризоваться плотностью распределения случайной величины выхода параметра»^) за допуски акр:

где а - среднее квадратическое отклонение; Ка - коэффициент изменения параметра ¡7(7) во времени. a(t) — случайная величина, имеющая в начальный момент плотность распределения f(aa), описывается нормальным законом с математическим

ожиданием а0 и средним квадратическим отклонением а.

Математическое ожидание изменяется во времени по линейному

Оценить обеспечение требуемого уровня надежности за счет проведения сервисных мероприятий можно с помощью показателя эффективности профилактики.

где — наработка на отказ обслуживаемой системы. Т0 — наработка на отказ не обслуживаемой системы; Эффективность профилактики }У количественно показывает степень повышения надежности системы за счет проведения сервисных работ.

(10)

закону:

a{t) = aa-Kj.

(И)

(12)

В четвертой главе «Методика экспериментальных исследований» изложена методика экспериментальных исследований на параметрическую надежность двигателей УМЗ-4216.10 выполненная в соответствии с ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Приведена методика оценки интегрального показателя качества топлива, как параметра влияющего на эффективность функционирования двигателя. Обработка экспериментальных данных основывалась на теории вероятностей и методах математической статистики и осуществлялась с использованием-программ Microsoft Excel и Statistica.

Испытания двигателя УМЗ-4216.10 выполнялись на стенде MEZ Vsetin 926-4/V. В основу методики экспериментального исследования легли стандартные методы, в соответствии с ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний».

Целью испытаний являлось определение границ основных параметров при исследовании параметрической надежности двигателя, и проверка теоретического подхода прогнозирования параметра в специальных режимах.

При испытаниях характеристики работы двигателя фиксировались контрольной и измерительной аппаратурой на стенде. Характеристики, полученные при испытании двигателя, отражают его параметрическую надежность.

Двигатель УМЗ-4216.10 бензиновый, 4-тактный, 4-цилиндровый с рядным расположением цилиндров, 8-клапанный; с комплексной микропроцессорной системой управления топливоподачей и зажиганием, с многоточечным фазированным впрыском топлива, принудительным воспламенением, жидкостным охлаждением; с настроенной системой выпуска отработавших газов. Двигатель соответствует международным технико-экологическим нормативам, а также современным требованиям автомобильного рынка по надежности и эксплуатационным стандартам в сегменте легких коммерческих грузовиков. Имеет сертификат соответствия нормативам ЕЭК ООН №83-05А — Евро-3. Автомобильный двигатель УМЗ-4216.10, его модификации и комплектации являются базовыми производственными 4-цилиндровыми моделями семейства двигателей УМЗ с показателями Евро-3.

В ходе 400 часовых стендовых испытаний по ГОСТ 14846-81 двигателя влодели 4216.10 производился контрольный осмотр цилиндропоршневой группы двигателя.

Содержание вредных веществ СО и С„Нт, в отработавших газах, замерялось газоанализатором «MEXA-324GE». 400 часовые испытания проводились на моторном масле ТНК «Мотор Ойл» SAE15W-40, SF/CC, бензине Регуляр-92 ГОСТ Р51105-97.

Методика испытаний соответствовала ГОСТ 14846-81. Характеристики снимались в комплектации «брутто», внешняя скоростная и нагрузочная характеристика снималась при частоте вращения коленчатого вала 2200 мин"1. Испытания состояли из повторяющихся циклов:

- холостой ход при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин* в

15

течение 5 минут;

- полное открытие дросселя при частоте вращения коленчатого вала 4000 мин'1 в течение 2 часов 50 минут;

- холостой ход при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин'1 в течение 5 минут;

- остановка двигателя не менее 10 минут.

Температура охлаждающей жидкости на выходе из двигателя поддерживалась в пределах 80...85 °С, температура масла находилась в пределах 80...90 °С, температура окружающего воздуха не превышала 40 °С. Техническое обслуживание двигателя в период испытаний проводилось в соответствии с требованиями инструкции И37.316.612-2003.

Сводные статистические характеристики данных, изучение формы распределения данных, оценка статистической значимости различий средних значений различных выборок вычислялись с использованием программ Microsoft Excel и Statistica.

В пятой глзве «Результаты исследования методов повышения параметрической надежности автотранспортных средств» приведены результаты исследований свойств топлив, в том числе биодизельного, как фактора влияющего на эффективность функционирования двигателя, результаты стендовых испытаний двигателей УМЗ-4216.10 на параметрическую надежность, результаты расчётов эмпирических зависимостей основных параметров работы исследуемых двигателей.

Одним из факторов оказывающих влияние на параметрическую надежность автомобильных двигателей является качество топлива, которое определяется его эксплуатационными свойствами, имеющими различные коэффициенты весомости.

Для объективной оценки качества топлива, рационально использовать интегральный показатель, который можно определить из следующих выражений:

К„=Ё*,хЛ„ k, = i,kyxB,, *,=Ê*,xCf, (13)

y.1 rl

где kx - комплексный групповой показатель, характеризующий соответствующую группу показателей качества, определяющих требуемые эксплуатационные свойства топлива; ку - комплексный показатель качества,

характеризующий физико-химические свойства топлива; кг - единичные показатели качества, получаемые при испытании топлив; Ах - коэффициент весомости 1-го группового показателя качества; Ву - коэффициент весомости

/-го комплексного показателя качества; С2 - коэффициент весомости /-го единичного показателя качества.

Использование интегрального показателя качества топлива К0 позволяет сократить затраты ресурсов, времени и средств на его контроль, что даёт возможность использовать этот показатель для автоматизированного

оперативного контроля качества топлив.

В экономически развитых странах существуют программы по развитию энергетики основанной на возобновляемых источниках энергии. Все более актуальными становятся вопросы использования альтернативных топлив для автомобилей.

В настоящее время в США автомобильное биотопливо занимает долю в 4-5%. К 2017 г. поставки биотоплив в США должны составить 100 млн тонн. Результаты исследования, проведенного компанией AUS Consultants, свидетельствуют, что благодаря введению нового стандарта импорт сырой нефти в Штатах к 2012 г. сократится более чем на 250 млн т.

Для биодизельного топлива Европейской организацией стандартов разработан стандарт EN 14214. Кроме него существуют стандарты EN590 (или EN590:2Q00) и DIN 51606. Стандарт EN590 описывает физические свойства всех видов дизельного топлива, реализуемого в ЕС, Норвегии, Исландии и Швейцарии. Данный стандарт допускает содержание 5% биодизеля в минеральном дизеле. В некоторых странах, например во Франции, все дизельное топливо содержит 5% биодизеля. DIN 51606 -немецкий стандарт, разработанный с учетом совместимости с двигателями почти всех ведущих автопроизводителей. Стандарт DIN 51606 является самым строгим. Большинство видов биодизельного топлива, производимых для коммерческих целей в странах Европы, соответствует ему или превосходит по качеству.

Однако имеется ряд причин ограничивающих применение биотоплива, одной из которых является его недостаточная стабильность при хранении.

Таким образом, одной из основных технических задач при использовании биодизельного топлива является оперативный контроль его качества в процессе эксплуатации автомобилей. Косвенным показателем качества биодизелыюго топлива, характеризующим его стабильность и низкотемпературные свойства является температура помутнения. Данный показатель зависит от многих факторов и может изменятся в процессе хранения и использования биодизельного топлива. При низких температурах этот показатель имеет большое значение, т.к. повышается вязкость топлива, происходит образование кристаллов, что может привести к засорению топливных фильтров и отказам топливной аппаратуры дизельных двигателей. .

Основной задачей являлось определение низкотемпературных свойств биодизельного топлива, представляющего собой смесь рапсового масла и дизельного топлива, в зависимости от температуры и процентного содержания компонентов.

Исследования проводились в Ульяновском филиале Института радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, с использованием анализатора низкотемпературных свиста нефтепродуктов «ИРЭН 2.3» (рисунок 3).

Прибор предназначен для экспресс определения температур помутнения, начала кристаллизации и застывания дизельных топлив (в том

17

числе и с депрессорными присадками), моторных масел, авиационных керосинов и антифризов. Данные параметры определяют бесперебойную подачу топлива в двигатель при низкой температуре и являются критичными при эксплуатации техники в условиях низких температур окружающей среды.

Принцип определения температуры помутнения основан на регистрации изменения интенсивности оптического излучения, проходящего через кювету с исследуемым

нефтепродуктом в процессе его охлаждения.

Принцип определения температур начала

кристаллизации и

застывания основан на регистрации изменения амплитуды колебаний

виброзонда, находящегося в исследуемом

нефтепродукте в процессе его охлаждения. Виброзонд выполнен в виде съемной приставки к основному блоку прибора.

Результаты исследования низкотемпературных свойств биодизельного топлива представлены на рисунке 4.

Рисунок 3 - Анализатор низкотемпературных свойств нефтепродуктов «ИРЭН 2.3»

1 - Температура дна кюветы 3 - Оптический сигнал

2 - Температура пробы , 4 - Вибросигнал Рисунок 4 - Диаграмма испытания биодизельного топлива состоящего из 30% - рапсового масла и 70% - зимнего дизельного топлива ГОСТ 305-82

График 1 отражает значение температуры дна кюветы. График 2 показывает температуру пробы. Графики 1 и 2 различаются так как, охлаждение и нагревание - инертные процессы. На графике 3 показано изменение оптического сигнала проходящего через кювету с биодизельным топливом. График 4 характеризует изменение прохождения через кювету вибросигнала.

Анализ результатов исследования показывает, что понижение, температуры биодизельного топлива происходит медленнее дна кюветы, которое охлаждается с помощью элементов Пельтье. С понижением температуры кюветы вязкость биодизельного топлива возрастает, при этом данный процесс условно можно разделить на два этапа. Первый этап характеризуется плавным повышением вязкости. Второй этап - резкое, скачкообразное повышение вязхсости.

При температуре начала кристаллизации биодизельного топлива -27°С резко повышается вязкость топлива. Оптический сигнал резко снижается при температуре помутнения биодизельного топлива при температуре - 19°С.

Результаты исследования низкотемпературных свойств биодизелных топлив с различным процентным содержанием компонентов позволили выявить закономерность, свидетельствующую о повышении температуры помутнения, начала кристаллизации и замерзания с увеличением процентного содержания рапсового масла.

Методика экспериментальных исследований на параметрическую надежность двигателей УМЗ-4216.10 соответствовала ГОСТ 14846-81 «Двигатели автомобильные. Методы стендовых испытаний». Измеряемые величины заносились в протокол испытаний. Первоначально испытания проводились как 100 часовые. По окончанию 100 часовых испытаний была проведена разборка двигателя дня осмотра и повторного микрометража деталей. По результатам положительных 100 часовых испытаний было принято решение о продолжение испытаний до 400 часов циклами.

Мощностные, экономические и экологические показатели двигателя приведены в таблице 1.

Время замера Номинальная мощность при 4000 мин"1, кВт (л.с.) Максимальный крутящий момент, Пм (кгс м)при, п = мин1 Минимальный удельный расход топлива по внешней скоростной характеристике, г кВт/час (г.л.с./час)

В начале проведения испытаний 90,1 (122,6) 239 (24,3)/2200 270(199)

В конце испытаний 89,5(121,8) 233 (23,8)/2200 269(198)

ТУ 4561 -00600231954 - 2002 90,4 (123) 235,4 (24.0V2200...2500 269(198)

По результатам испытаний было определено, что содержание СО и С„Нт в отработавших газах на холостом ходу соответствует ГОСТ Р52033 -03. Сравнительная характеристика содержания СО и СпНт в отработавших газах в начале и конце испытаний приведена в таблице 2.

Частота вращения коленчатого вала п, мин'1 В начале испытаний В конце испытаний ГОСТ Р52033 - 03

СО(%) СН(ррт) СО(%) СН(ррт) СО(%) СН(ррт)

800 0,65 80 0,7 100 3,5 1200

3000 0,25 20 0,3 30 2,0 600

Равномерность работы цилиндров проверялась на работающем двигателе методом отключения цилиндров на режиме максимального крутящего момента при полностью открытом дросселе. В начале испытаний коэффициент равномерности работы цилиндров составлял - 0,98, по завершении испытаний он не изменился.

Средний расход масла в процентах от расхода топлива приведен в таблице 3.

Таблица 3 - Средний расход масла в процентах от расхода топлива

Период работы, час

Расход масла на угар в процентах от расхода топлива

0...100

100...200

0,07

200...300

0,09

300...400

0,15

0,22

0...400

0,14

Данные свидетельствуют о постепенном увеличении среднего расхода масла на угар в процессе испытаний двигателя, что объясняется износом деталей цилиндропоршневой группы.

В процессе испытания двигателя измерялось давление сжатия в цилиндрах при температуре масла 80°С и частоте вращения коленчатого вала 300 мин", данные приведены в таблице 4.

Таблица 4 - Давление сжатия в цилиндрах двигателя при температуре масла

№ цилиндра Давление сжатия (в начале испытаний), кгс/см2 (МПа) Давление сжатия (в конце испытаний), кгс/см2 (МПа)

1 12,7(1,245) 12,3 (1,206)

2 12,8 (1,255) 12,4(1,216)

3 12,5 (1,226) 12,3 (1,206)

4 12,7(1,245) 12,5 (1,226)

По результатам испытаний была построена внешняя скоростная характеристика двигателя УМЗ--4216.10.

75

Ж

В-

....... ___ ___ Ж

..... «и*

Г ж

1

—-чу* £ ....... 11

/ / £ 1;

у*.-- _ __________ /

.....

/ @

... Л . 1 ■..... ж* ¡3е-*

......к........ Ж

/ 1 А .... ж.....

;

.....^

1 N _ ___¡1

(

с ......- СО

■ __

т

■т

о т ш ¡г® хаю зт <ш- ктш

В начале испытаний В конце испытаний Рисунок 5 - Внешняя скоростная характеристика двигателя УМЗ-4216.10 Условная мощность механических потерь в двигателе определялась методом прокручивания, и давление масла в масляной магистрали при температуре масла 80°С, приведены в таблице 5.

Таблица 5 - Условная мощность механических потерь в двигателе и давление

Время замера Механические, потери при п, мин"1, кВт Давление масла при при п, мин"1, кгс/см2 (МПа)

1300 2500 4000 700 1000 2000

В начале испытаний 3,4 9,2 22,5 1,4 (0,137) 2,3 (0,226) 4,3 (0,422)

В конце испытаний 2,1 7,4 21,0 1,2 (0,118) 2,0 (0,196) 3,7 (0,363)

Двигатель УМЗ 4216 испытания на- безотказность выдержал. По результатам 400 часовых стендовых испытаний можно сделать вывод, что ряд параметров изменили свои значения, так:

- давление сжатия в цилиндрах двигателя снизилось в среднем на 3 %;

- средний расход масла увеличился в 3,14 раза;

- крутящий момент снизился в среднем на 2%.

Таким образом, является возможным прогнозирование параметрической надежности двигателей в специальных режимах. Для прогнозирования в специальных режимах необходимо сравнение показателей, поступающих от системы оперативного контроля параметрической надежности двигателя, с базовыми, соответствующими определенной наработке. Базовые показатели могут быть получены по результатам ускоренных испытаний, или методом моделирования с использованием методики прогнозирования параметрической надежности двигателей в специальных режимах. В качестве базовых могут приниматься параметры, значительно меняющиеся в процессе эксплуатации двигателя, такие как расход масла на угар, крутящий момент, мощность, и др.

Для математической обработки данных зависимости базовых параметров от режимов эксплуатации можно представить в виде полиноминальных линий аппроксимации.

Полиноминальная аппроксимации основных параметров работы двигателя может быть записана уравнениями:

Полиноминальная аппроксимация значений мощности:

у = -0,0269х3 + 0,2639х2 + 6,1147х + 12,471. (14)

Величина достоверности аппроксимации К2 = 0,9906.

Полиноминальная аппроксимация значений крутящего момента:

у = -0,0268х3 - 0,9312х2 + 12,514х + 155,2. (15)

Величина достоверности аппроксимации Иа = 0,9694.

Полиноминальная аппроксимация значений часового расхода топлива: у = -0,0292х3 + 0,5015х2 - 0,4201х + 7,612. (16)

Величина достоверности аппроксимации К2 = 0,9784.

Полиноминальная аппроксимация значений удельного расхода топлива:

у = -0,7179х3 + 14,346х2 - 84,633х + 460,33. (17)

Величина достоверности аппроксимации Я2 = 0,8726.

По результатам 400 часовых стендовых испытаний были определены такие параметры как мощность, крутящий момент, и для их математического описания использовалась полиноминальная аппроксимация с высокой достоверностью.

В начале испытаний полиноминальная аппроксимация параметра мощность:

у = 8Е-05х6 - 0,0051х' + 0,114бх - 1,2015х3 + 5,9054х2 - 5,1648х + 19,589. (18)

Величина достоверности аппроксимации В.2 = 0,9993.

В конце испытаний полиноминальная аппроксимация параметра

мощность:

у = 0,0002х" - 0,0093х5 + 0,1979х4 - 1,9962х3 + 9,5864х2 - 12,486х + 24,363. (19)

Величина достоверности аппроксимации R2 = 0,9994.

Важное значение, при прогнозировании параметрической надежности, в нормальном и специальном эксплуатационных режимах, имеет точность оценок.

В процессе исследования двигателей УМЗ 4218.10 на параметрическую надежность был проведен статистический анализ результатов.

По результатам стендовых испытаний 14 двигателей были установлены режимы, при которых значения параметров соответствуют нормальному распределению. Для этого были построены графики для режимов работы, соответствующие 1000, 1500, 1800, 2000, 2200, 2500, 3000, 3500, 4000, 4200 мин"1.

Для проверки степени соответствия данных нормальному распределению вычислялись нормальные метки - это ожидаемые значения для выборки, которые соответствуют стандартному нормальному распределению. Ниже приводятся нормальные метки для выборки из пяти наблюдений.

После генерации нормальных меток создавалась диаграмма вероятностей нормального распределения (normal probability plot), в которой по оси абсцисс откладывались усредненные значения выборок, а по оси ординат - соответствующие им нормальные мепси.

При условии нормального распределения данных в выборке полученные точки на диаграмме должны располагаться на одной линии.

Наибольшая связь распределения параметра наблюдалась при работе двигателей с частотой вращения коленчатого вала п = 4200 мин"®.

ИорииТЫЩе

Нормальный

а б

а) частота вращения коленчатого вала п = 1000 мин'1

б) частота вращения коленчатого вала п = 4200 мин'1 Рисунок б — Диаграмма вероятностей нормального распределения мощности

Для статистической проверки экспериментальных данных на адекватность описания ими рассматриваемых процессов работы двигателей была применена теория построения доверительных интервалов. Для проверки использована гипотеза построения центральных доверительных

23

интервалов для средних выборочных значений. В случае интервалов р -95% значение а = 0,05, а соответственно гаП =1,96. При вычислении этих значений для каждой характеристики двигателя на каждой из скоростей можно определить доверительные интервалы. После этих исследований значения генеральной выборки можно считать лежащими в указанных интервалах с вероятностью 95%.

Для проверки гипотез о: согласии эмпирического и теоретического распределений использовался критерий Пирсона.

Расчеты показали, что значение выборочного критерия х1«б, (0,183924) не превышает критического значения критерия х1Р (5,891864) следовательно, х1а<>, < х1Р и нет оснований отвергнуть гипотезу о нормальном распределении

значений контролируемых параметров.

Для корректной работы, системы оперативного контроля параметрической надежности двигателей целесообразно задавать граничные интервалы значений параметров, соответствующие определенной наработке двигателя, что дает возможность оценивать его остаточный ресурс. Аналогично можно использовать метод полиномиальной аппроксимации. На рисунке 7 представлен график мощности новых двигателей УМЗ 4218.10 и полиноминальные линии аппроксимации максимальных и минимальных значений.

Полиноминальная аппроксимация максимальных значений мощности может быть записана уравнением:

у = -0,015х3 - 0,0451х2 + 8,1756х + 11,159 . (20)

Величина достоверности аппроксимации II2 = 0,9913.

Полиноминальная аппроксимация минимальных значений мощности может быть записана уравнением:

у = -0,0746х3 + 1,2276х2 + 0,1117х+15,849. (21)

Величина достоверности аппроксимации Л2 = 0,9686.

Полиноминальная аппроксимация максимальных и минимальных значений крутящего момента двигателей УМЗ 4218.10.

Полиноминальная аппроксимация максимальных значений крутящего момента может быть записана уравнением:

у = 0,0712х3 - 2,7346х2 + 21,48х + 151,87 . (22)

Величина достоверности аппроксимации Я2 = 0,9642.

Полиноминальная аппроксимация минимальных значений крутящего момента может быть записана уравнением:

у = -0,1829х3 + 2,0543х2 - 2,2561х + 142,29. (23)

Величина достоверности аппроксимации Я2 = 0,9174.

Me (кВт}

80

70

60

50

40

30

20

10

0

Рисунок 7 - График мощности двигателей УМЗ 4218.10 и полиноминальные линии аппроксимации максимальных и минимальных значений Полиноминальная аппроксимация максимальных и минимальных значений часового расхода топлива двигателей УМЗ 4218.10.

Полииоминальная аппроксимация максимальных значений часового расхода топлива может' быть записана уравнением:

у = 0,0Ю5х3 - 1,6503х2 + 16,582х + 155,07. (24)

Величина достоверности аппроксимации Р.2 = 0,8889. Полиноминальная аппроксимация минимальных значений часового расхода топлива может быть записана уравнением:

у = -0,1519х3 + 1,4913х2 +0,522x4- 137,77. (25)

Величина достоверности аппроксимации К2 = 0,9601.

Двигатель N£3 > С — Двигатель №>4 —"— Двигатель №5 Двигатель №6 Двигатель N97 —Двигатель №8

Двигатель №9 * Двигатель №10 » Двигатель Nil 1

Ne {кВт) Min

— — -- Полиномиальная

• П, МИН ¡"Ет> Мах)

^ ^ - - - полиномиальная

(Ne {кВт) Min)

« Двигатель № 12 Двигатель №13 Двигатель №14 № (кВт) РИах

у = -0,015xs-0,04SlxJ + 8Д756Х +11,159 R2=0,9313

у = 0,0746х3 + 1,227бхг+0,1117х+ 15,Я49 — R* - 0,9686

- Двигатель №2

Полиноминальная аппроксимация максимальных и минимальных значений удельного расхода топлива двигателей УМЗ 4218.10.

Полиноминальная аппроксимация максимальных значений удельного расхода топлива может быть записана уравнением:

у = 0,3155x3- 1,4248x2 -22,377х + 451,3 . (26)

Величина достоверности аппроксимации Я2 = 0.8414. Полиноминальная аппроксимация минимальных значений удельного расхода топлива может быть записана уравнением:

у = 0Д109х3 + 0,06х2 - 14,884х + 357. (27)

Величина достоверности аппроксимации К2 = 0,7649.

Мк (Км)

Рисунок 8 - График средних значений мощности и крутящего момента двигателей УМЗ 4218.10 и полиноминальные линии аппроксимации

параметров

дв (г/кВтч) 400

6(кг/ч)Ср

V = 0.0492Х3 + 1,5929ха - 25,973х + 403,68 Р.2 = 0,9324

V = 0,001 IX3 +0,С20Ь*2 + 1,6379*+ 5,1247

К1 = 0,9861

„Ф-.-Ф-... # Ф"

• ке (г/кВтч) Ср

— — Полиномиальная {й (кг/Ч) Ср)

— Полиномиальная {¡/е (г/кВтч) Ср)

л 11, МИН

Рисунок 9 - График средних значений удельного и часового расхода топлива двигателей УМЗ 4218.10 и полиноминальные линии аппроксимации параметров

Полученные в ходе исследований результаты оценки параметрической надежности двигателя на основе предлагаемого метода в специальном режиме позволяют решить основные организационные проблемы: определение качества технического сервиса, прогнозирование количества запасных частей, корректировка периодичности технического обслуживания для техники, работающей в разных условиях эксплуатации, и др.

С развитием информационных технологий становится возможным ведение индивидуальных карт технического состояния автотранспортных средств, что дает возможность корректировать периодичность технического обслуживания и ремонта в зависимости от условий эксплуатации, а также прогнозировать остаточный ресурс узлов и агрегатов основываясь на значениях прогнозирующих параметров.

В шестой главе «Оценка экономической эффективности технических мероприятий по обеспечению параметрической надежности автотранспортных средств» выполнен расчет экономической эффективности, который свидетельствует об экономической целесообразности предлагаемых мероприятий.

Для оценки экономической эффективности мероприятий по

обеспечению параметрической надежности необходимо знание зависимостей между стоимостью и надежностью каждого изделия, входящего в состав системы. Обычно используют зависимость стоимости С, от интенсивности отказов изделия X,: _

С, =/(",)> *" = !>« • <28>

Оценку эффекта от использования изделия следует проводить по результатам применения соответствующей системы мероприятий по повышению надежности. Для этого формируют целевую функцию выбора оптимального варианта по стоимости.

С = -Р(С,), / = 1 ,п , (29)

где С, - зависимость стоимости от интенсивности отказов.

Математическая постановка задачи оптимального формирования систем имеет вид:

с^=ттс1^(с,) = г(с,], ¡ = Ц, . (30)

, (31)

где ¿ь - затраты на обеспечение надежности каждого изделия, при которых общие затраты на обеспечение необходимого уровня надежности системы являются минимальными.

Оценка экономической эффективности повышения коэффициента готовности от внедрения системы оперативного контроля параметрической надежности автотранспортных средств, проводилась по формуле:

= -а-/. (32)

: где С^, СЛ|2 - общие затраты по первому и второму варианту, Кл-коэффициент готовности по первому варианту, ^ - индекс готовности, учитывающий коэффициенты готовности сравниваемых вариантов; -индекс, характеризующий кратность увеличения затрат единицы техники по сравнению с исходным вариантом; - индекс повышения

производительности техники.

Расчет экономической эффективности учитывает оценку издержек на ремонт двигателей, оптимизацию интервала обслуживания автотранспортных средств, и прогнозирование объема запчастей, а также эксплуатационных материалов, на пунктах технического обслуживания и ремонта. Технико-экономическая оценка внедрения комплекса предлагаемых мероприятий определяется годовой программой обслуживания.

В седьмой главе «Рекомендации по повышению эффективности функционирования системы технического сервиса автотранспортных средств предложны технические и организационные мероприятия по

совершенствованию системы технического сервиса автотранспортных средств, основанные на оценке их параметрической надежности по диагностическим параметрам, и разработке индивидуальных контрольных карт, позволяющих осуществлять оперативный контроль технического состояния, а также предложены методики . решения задач оценки организационно-технического уровня предприятий технического сервиса.

Оснащение двигателей встроенными системами прогноза при использовании современных датчиков и микропроцессорных устройств позволит создать системы оперативного контроля параметрической надежности.

Преимуществом указанного метода оперативного контроля параметрической надежности является возможность прогнозирования параметрической надежности двигателя в процессе его работы, а также выполнение сервисных работ по потребности.

Разработанная система оперативного контроля и прогнозирования параметрической надежности двигателей в специальных эксплуатационных режимах включает в себя датчики, систему оперативного контроля качества топлива, микропроцессор для обработки данных и принятия корректирующих решений, и информационную система корректировки периодичности технического обслуживания.

Одним из направлений повышения надежности является совершенствование системы технического сервиса автотранспортных средств, основанной на выборе дилерских предприятий по организационно-техническому уровню.

Алгоритм действий системы контроля параметрической надежности двигателей автотранспортных средств включает ряд этапов: сбор данных в процессе эксплуатации автотранспортных средств; оценку параметров работы двигателя и оперативный контроль качества топлива, позволяющую предотвратить эксплуатацию в случае выхода контролируемых параметров за допустимые пределы; принятие корректирующих действий.

Внедрение системы оперативного контроля параметрической надежности дает возможность прогнозирования параметрической надежности, выявления потенциальных отказов и их предупреждение, что позволяет внедрить индивидуальных контрольных карт.

Внедрение индивидуальных контрольных карт в систему организации технического сервиса автотранспортных средств позволит качественно повысить уровень технического обслуживания техники, и перейти от системы планово-предупредительного ремонта к системе обслуживания по потребности.

Развитие системы индивидуального обслуживания позволит снизить издержки в результате оптимизации интервала обслуживания автотранспортных средств, оптимизации объема запчастей и эксплуатационных материалов на пунктах технического сервиса, повысить надежность техники, и усовершенствовать систему технического сервиса.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ методов и современных средств расчета надежности технических систем показал, что большинство методов основываются на показателях безотказности и не рассматривают изменение эффективности функционирования в процессе эксплуатации. Перспективным направлением исследований является повышение надежности не только отдельных узлов и деталей, но и оптимизация всех параметров работы двигателей, т.е. повышение параметрической надежности, однако современные'методы не в полной мере решают эти задачи.

2. Определено, что двигатель является наиболее сложным и дорогостоящим элементом автотранспортных средств, должен рассматриваться как сложная техническая система, и учитывать критерии эффективности при оценке его технического состояния. Осуществлена постановка задачи оценки эффективности функционирования автотранспортных средств, и теоретически обоснована оценка параметрической надежности автомобильного двигателя как сложной технической системы.

3. Установлено, что оценка эффективности функционирования сложной технической системы может определяться как состояние нахождения определяющего параметра внутри границ области параметрической надежности б^-б^ < Дб^, свидетельствующая о том, что параметр не превышает профилактического запаса надежности.

4. Определено, что в основу моделей параметрического отказа должны быть положены закономерности изменения выходных параметров, которые в свою очередь определяются закономерностями процессов изменения параметрической надежности двигателя, и могут определяться в нормальных и специальных режимах. Использование специального режима приводит к смещению прогнозирующего параметра бор к нижней границе критического значения параметра что позволяет осуществлять прогнозирование с большей перспективой. При этом целесообразно задавать граничные интервалы значений параметров, соответствующие определенной наработке двигателя, что дает возможность оценивать его остаточный ресурс.

5. Проведены исследования свойств топлив, как параметров влияющих на эффективность функционирования двигателя. Были определены основные эксплуатационные свойства бензинов и дизельных топлив, и предложен интегральный показатель качества.

При исследовании биодизельного топлива было определено, что более значимы его низкотемпературные свойства, исследования которых позволило определить рекомендуемое содержание рапсового масла в пределах 10. ..30%, в условиях эксплуатации автотранспортных средств в средней полосе России. По результатам исследований получен патент на изобретение № 2471186 «Устройство оперативного контроля качества биотоплива».

6. В процессе исследований на параметрическую надежность были

получены основные характеристики 14 двигателей на различных режимах работы. Статистическая проверка экспериментальных данных на адекватность описания ими рассматриваемых процессов работы двигателей проводилась с использованием теории построения доверительных интервалов. По результатам расчетов значения генеральной выборки можно считать лежащими в указанных интервалах с вероятностью 95%. Проверка гипотез осуществлялась по критерию Пирсона. Значение выборочного критерия х1аб, (0,183924) не превышало критического значения критерия xlp (5,891864), что подтверждает гипотезу о нормальном распределении значений контролируемых параметров.

7. Определены границы основных параметров характеризующих эффективность функционирования двигателей, построены эмпирические зависимости с использованием полиномиальной аппроксимации по методу наименьших квадратов. Величина достоверности аппроксимаций R2 основных параметров работы двигателей находится в пределах 0,8726...0,9906, что свидетельствует о высокой точности соответствия математического описания полученных зависимостей.

8. По результатам 400 часовых ресурсных испытаний были определены границы основных диагностических параметров (мощность, крутящий момент, часовой расход топлива, удельный расход топлива, содержание С02 в отработанных газах, расход масла на угар) построены эмпирические зависимости, достоверности аппроксимаций находится в пределах R2 = 0,9993...0,9994.

9. Установлено, что использование методов, способов и технических средств повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств, в системе технического сервиса, в результате оптимизации интервала обслуживания, оптимизации объема запчастей и эксплуатационных материалов на пунктах технического сервиса, позволяют снизить издержки на 5,9...7,6%. Технико-экономическая оценка внедрения комплекса предлагаемых мероприятий на ремонтно-обслуживающем предприятии программе обслуживания более 200 двигателей годовой экономический эффект составит более 870 тыс. руб. Срок окупаемости затрат на эти цели не превышает 4,2 года.

10. Научно обоснованы рекомендации по совершенствованию организации технического сервиса автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения с учетом их параметрической надежности, включающие решение задачи оптимального выбора объектов с учетом важности отдельных критериев, и подтверждаются Свидетельством о государственной регистрации программы для ЭВМ №2002611212.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ В СЛЕДУЮЩИХ РАБОТАХ

Монография

1. Варнаков, Д. В. Использование диагностических параметров при оценке и прогнозировании параметрической надежности двигателей автотранспортных средств : моногр. [Текст] / Д. В. Варнаков. - Ульяновск: УлГУ, 2013. - 124 с. - ISBN 978-5-88866-486-5.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

2. Варнаков, Д.В. Результаты разработки метода и системы оперативного контроля и прогнозирования параметрической надежности в специальных эксплуатационных режимах [Текст] / О.Н. Дидманидзе, Д.В. Варнаков // Международный технико-экономический журнал. - М.: ООО «Спектр», 2013. - №4. - С. 71-79.

3. Варнаков, Д.В. Математическая формулировка условий и решение задачи оценки организационно-технического уровня предприятия технического сервиса [Текст] / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков // Международный технико-экономический журнал. - М.: ООО «Спектр», 2013. - №4. - С. 80- 84.

4. Варнаков, Д.В. Прогнозирование параметрической надежности двигателей автотранспортных средств в нормальном и специальном эксплуатационных режимах [Текст] / О.Н. Дидманидзе, Д.В. Варнаков // Международный технико-экономический журнал. - М.: ООО «Спектр», 2013. —№3.-С. 94-98.

5. Варнаков, Д.В. Способ и система оценки стабильности качества биотоплива дая дизельных двигателей [Текст] / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков, A.B. Платонов И Международный научный журнал. - М.: ООО «Спектр», 2013.-№3. - С. 95-101.

6. Варнаков, Д.В. Комплексная оценка качества поставок запасных частей при организации технического сервиса [Текст] / В.В. Варнаков, М.Е. Дежаткин, Д.В. Варнаков. // Вестник Ульяновской государственной сельскохозяйственной академии. - Ульяновск: ФГОУ ВПО УГСХА, 2013. -№ 1-С. 132-139.

7. Варнаков, Д.В. Моделирование процесса очистки биотоплива для повышения экологичности автомобилей [Текст] / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков, A.B. Платонов // Ученые записки Российского государственного социального университета. - М.: - 2012. - № 9. - С. 12-16.

8. Варнаков, Д.В. Теоретическое обоснование применения метода оценки качества комплектующих (FMEA) на основе установления границ допустимого риска [Текст] / В.В. Варнаков, М.Е. Дежаткин, Д.В. Варнаков // Международный научный журнал. - М.: ООО «Спектр», 2012 №5. - С. 88-91.

9. Варнаков, Д.В. Влияние метода прогнозирования достаточной надежности по обобщенному параметру на динамическую характеристику

автотранспортных средств [Текст] / Д.В. Варнаков // Международный научный журнал. - М.: ООО «Спектр», 2012. - №2. - С. 113-119.

10. Варнаков, Д.В. Изменение углеводородного состава топлива в результате электромагнитной обработки [Текст] / В.В. Варнаков, О.Н. Дидманидзе, Д.В. Варнаков, В.С. Боярский, Е.В. Ботоногов // Международный технико-экономический журнал. - М.: ООО «Спектр», 2009. - № 1. - С. 58-36.

11. Варнаков, Д.В. Моделирование процесса подготовки топлив к сгоранию в двигателях [Текст] / Ю.П. Марцев, Е.Ю. Марцева, Е.В. Ботоногов, Д.В. Варнаков Н Ремонт, восстановление модернизация, 2009. - № 10. — С. 34-36.

12. Варнаков, Д.В. Улучшение эксплуатационных свойств углеводородных топлив на основе резонансного крекинг-процесса как способ повышения эффективности работы двигателя [Текст] / В.В. Варнаков, О.Н. Дидманидзе, Д.В. Варнаков, Е.В. Ботоногов // Ремонт, восстановление модернизация, 2009. - № 6. С. 20-23.

13. Варнаков, Д.В. Обоснование выбора основных параметров при определении достаточной надежности автомобильных двигателей [Текст] / О.Н. Дидманидзе, Д.В. Варнаков // Ремонт, восстановление модернизация, 2008. - № 9. - С. 38—42.

14. Варнаков, Д.В. Повышение параметрической надежности дизельного двигателя регулировкой угла опережения впрыска топлива [Текст] / В.В. Варнаков, А.Н. Еремеев, Д.В. Варнаков И Ремонт, восстановление модернизация, 2008. - № 5. - С. 37-40.

15. Варнаков, Д.В. Использование обобщенного показателя при определении области достаточной надежности автомобильных двигателей [Текст] / О.Н. Дидманидзе, Д.В. Варнаков // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. - М.: ФГОУ ВПО МГАУ, 2008. - №1(26). - С. 52-54.

16. Варнаков, Д.В. Обоснование конструктивно-технологических параметров гидроциклонов для снижения загрязнённости топлива при заправке автотракторной техники в полевых условиях [Текст] / В.В. Варнаков, Е.А. Сидоров, Д.В. Варнаков // Международный научный журнал. — М.: ООО «Спектр», 2008. - № 1. - С. 69-74.

17. Варнаков, Д.В. Оптимизация технических параметров электронной системы управления для повышения надежности работы двигателя автомобиля [Текст] / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков, С.П. Попов // Международный научный журнал. - М.: ООО «Спектр», 2007. - №4. - С. 32-34.

18. Варнаков, Д.В. Проверка статистических гипотез вероятностных моделей в структуре активного эксперимента [Текст] / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков // Международный научный журнал. - М.: ООО «Спектр», 2007. -№4. - С. 35-37.

19. Варнаков, Д.В. Информационная поддержка (САЬБ-технологии) надежности системы по стадиям жизненного цикла [Текст] / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков // Международный технико-экономический журнал. - М.: ООО «Спектр», 2007. - №1. - С. 70-76.

20. Варнаков, Д.В. Применение нанотехнологий при разработке тетрабората этилендиаммония в смазочной композиции моторных масел [Текст] / В.В. Варнаков, В.В. Артемов, Д.В. Варнаков // Ремонт, восстановление модернизация, 2007. - № 10. - С. 6-10.

21. Варнаков, Д.В. Использование нанотехнологий при разработке смазочной композиции моторных масел для обкатки двигателей [Текст] / В.В. Варнаков, О.Н. Дидманидзе, В.В. Артемов, Д.В. Варнаков // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. - М.: ФГОУ BIIO МГАУ, 2007. - №1(21). - С. 92-95.

22. Варнаков, Д.В. Совершенствование оперативного контроля качества топлива двигателей [Текст] / В.В. Варнаков, А.Е. Абрамов, Е.В. Ботойогов Д.В. Варнаков // Ремонт, восстановление модернизация, 2007. — № 6. -С.12-16.

23. Варнаков, Д.В. Повышение параметрической надежности автомобильных двигателей [Текст] / О.Н. Дидманидзе, Д.В. Варнаков // Ремонт, восстановление, модернизация, 2007. — №5. — С. 2—7.

24. Варнаков, Д.В. Эксплуатационные методы улучшения показателей дизельных двигателей [Текст] / В.В. Варнаков, А.Н. Еремеев, Д.В. Варнаков // Ремонт, восстановление, модернизация, 2006. - №10. - С. 38-4I.

25. Варнаков, Д.В. Оценка качества ремонта двигателей при сертификации по результатам обкаточных испытаний [Текст] / В.В. Варнаков, A.B. Погодин, Д.В. Варнаков // Ремонт, восстановление, модернизация, 2005. -№8. -С. 19-21.

Патенты

26. Оптимизация принятия решений в задачах многокритериального выбора [Текст]: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2002611212 Рос. Федерация / В.В. Варнаков, М.Е. Дежаткин, A.B. Нашатырев, Д.В. Варнаков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» - №2002610924; заявл. 25.07.2001; опубл. 27.04.2002.

27. Обоснование оптимального выбора объектов с учетом важное™ отдельных критериев [Текст]: Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012614772 Рос. Федерация / М.Е. Дежаткин, В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков; заявитель и патентообладатель М.Е. Дежаткин, В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков - № 2012612510; заявл. 03.04.2012; опубл. 29.05.2012.

28. Способ электромагнитной очистки и обработки топлива [Текст]: пат. 2255244 Рос. Федерация: МП К F 02 М 27/04, 31/00, 37/22 / АЛ. Кожевников, П.Н. Аюгин, А.Е. Абрамов, Д.В. Варнаков; заявитель и патентообладатель Ульяновская ГСХА - №2003115672/06, заявл. 26.05.2003; опубл. 27.06.2005. Бюл. № 18. - 6 с.

29. Устройство для оценки технического состояния плунжерных пар [Текст]: пат. 2244152 Рос. Федерация: МПК F 02 М 65/00 / В.В. Варнаков, А.Н. Еремеев, О.Н. Филимонова, В.И. Жиганов, М.Е.-Дежаткин, В.И. Курдюмов, Д.В. Варнаков; заявитель и патентообладатель Ульяновская ГСХА -№2003104945/06; заявл. 19.02.2003; опубл. 10.01.2005. Бюл. № 1. -4 с.

30. Устройство для подачи приработочной присадки в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания [Текст]: пат. 2285815 Рос. Федерация: МПК F02B 79/00 (2006.01) / В.В. Варнаков, АЛ. Хохлов, А.Н. Еремеев, Д.В. Варнаков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» - №2004127848/06; заявл. 20.09.2004; опубл. 20.10.2006. Бюл. № 29. -5 с.

31. Способ и система контроля качества топлива [Текст]: пат. 2320983 Рос. Федерация: МПК G01N 27/04 (2006.01), G01N 27/22 (2006.01) / В.В. Варнаков, А.Е. Абрамов, Д.В. Варнаков; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» - №2005106489/28; заявл. 09.03.2005; опубл. 27.03.2008. Бюл. № 9. - 7 с.

32. Устройство оперативного контроля качества биотоплива [Текст]: пат. 2471186 Рос. Федерация: МПК G01N 33/22 (2006.01) / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков, А.В. Платонов; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Ульяновская ГСХА» - №2011139934/15; заявл. 30.09.2011; опубл. 27.12.2012. Бюл. № 36. - 5 с.

Учебно-методические издания "

33. Варнаков, Д.В. Надежность технических систем. Курсовое проектирование. Учебное пособие [Текст] / Е.А. Пучин, А.В. Коломейченко, В.Н. Логачев, Н.В. Семешин, АЛ. Титов, В.Н. Корнеев, А.С. Кононенко, В.М. Корнеев, A.M. Орлов, Д.В. Лайко, Д.В. Варнаков. - Орёл: Изд-во Орёл ГАУ, 2012. - 96 с. Рекомендовано У МО.

34. Варнаков, Д.В. Основы теории транспортных средств. Учебно-методическое пособие [Текст] / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков. - Ульяновск: УлГУ, 2009. - 149с.

35. Варнаков, Д.В. Рекомендации по техническому обслуживанию и ремонту топливной аппаратуры дизелей Д-240, Д-65, Д-60, Д-37, Д-50 [Текст] / В.В. Варнаков, А.П. Кожевников, О.Н. Филимонова, А.Н. Еремеев, Д.В. Варнаков. - Ульяновск: УГСХА, 2004. - 49с.

Публикации в других изданиях

36. Varnakov, D.V. Estimation of parametric reliability of engines vehicles on the diagnostic parameters [Text] / Varnakov, D.V. - Munich, Germany: European Science and Technology, 2013. April 10th - 11th, Vol. I. p. 361-363. - ISBN 9783941352-88-9.

37. Varnakov, D.V. Methods of selecting the diagnostic parameters in determining parametric reliability of the engines of motor vehicles [electronic] / Varnakov, D.V. - Odessa, Ukraine: Modern scientific research and their practical application, 2013. ISSN 2227-6920.

38. Варнаков, Д.В. Использование специальных режимов для прогнозирования параметрической надежности автотранспортных средств [Текст] / Д.В. Варнаков // Труды XVI-той Международной конференции «Опто-.наноэлектроника, нанотехнологии и микросхемы». — Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2013, - С. 355-356.

39. Варнаков, Д.В. Применение оптического датчика в устройстве оперативного контроля качества биотоплива [Текст] / В.В. Варнаков, Д.В. Варнаков, A.B. Платов // Труды XVI-той Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросхемы». - Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2013, - С. 357-358.

40. Варнаков, Д.В. Прогнозирование достаточной надежности по обобщенному параметру и его влияние на динамический фактор транспортных средств [Текст] / Д.В. Варнаков // 2-я Международная научно-практическая интернет-конференция "Актуальные вопросы инновационного развития транспортного комплекса". - Орел: ФБГОУ ВПО «Госуниверситет - УНПК», 2012. - С. 7-10.

41. Варнаков, Д.В. Проблемы оптимизации тягово-скоростных характеристик гибридных автомобилей [Текст] / Д.В. Варнаков // Труды XIII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2011. - С. 439-440.

42. Варнаков, Д.В. Сохранение параметра в заданных пределах при эксплуатации технических систем [Текст] / Д.В. Варнаков // Труды XIII Международной конференции «Опто-, наноэлектроника, нанотехнологии и микросистемы». - Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2011. - С. 441-442.

43. Варнаков, Д.В. Математическая модель формирования параметрического отказа двигателя [Текст] / Д.В. Варнаков // Труды седьмой Международной конференции «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов». — Ульяновск: Изд-во УлГУ, 2009, - С. 63-65.

Подписано в печать 29.10,2013. Формат 60x84/16. Гарнитура Тайме. Бумага офсетная. Печать трафаретная. Уч.-юд. л. 2,0. Тираж 100 экз. Захаз № 933. Отпечатано в издательском венгре ФГБОУ ВПО МГАУ. Адрес: 127550, Москва, Тимирязевская, 58. Тел. 976-02-64.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АГРОИНЖЕНЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ В.П. ГОРЯЧКИНА»

05201352049

д р^кбписи

ВАРНАКОВ ДМИТРИЙ ВАЛЕРЬЕВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ В СИСТЕМЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СЕРВИСА

Специальность 05.20.03 - Технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени доктора технических наук

Научный консультант: чел.корр. РАСХН, доктор технических наук, профессор Дидманидзе О.Н.

Москва 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ................................................................................ 6

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ. АНАЛИЗ СУЩЕСТВУЮЩИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОТЫ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ........ 15

1.1 Анализ обеспеченности агропромышленного комплекса Российской Федерации тракторами, комбайнами и автотранспортными средствами..... 15

1.2 Обзор существующих подходов к оценке эффективности работы автотранспортных средств..............................................................23

1.3 Оценка эффективности сложных технических систем....................... 27

1.4 Анализ перспективных направлений повышения параметрической надежности автотранспортных средств..............................................32

1.5 Анализ методов повышения параметрической надежности автотранспортных средств.............................................................. 43

1.6 Анализ программных комплексов по расчету надежности сложных технических систем...................................................................... 45

1.7 Анализ научных направлений по проблеме повышения параметрической надежности автотранспортных средств....................... 66

1.8 Методы и средства диагностирования и оперативного контроля параметров................................................................................. 77

1.9 Цель и задачи исследования повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств............................... 89

1.10 Выводы по главе 1..................................................................92

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ДВИГАТЕЛЕЙ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ................................................. 93

2.1 Постановка задачи оценки эффективности функционирования автотранспортных средств.............................................................. 93

2.2 Модель формирования параметрического отказа двигателя................ Ю1

2.3 Классификация методов прогнозирования отказов........................... 109

2.4 Прогнозирование отказов элементов двигателя по изменению обобщенного параметра................................................................. 122

2.5 Прогнозирование параметрической надежности двигателя

по изменению обобщенного параметра.............................................. 127

2.6 Моделирование профилактических допусков.................................. 134

2.7 Применение метода статистических испытаний Монте-Карло

для выбора профилактических допусков............................................ 137

2.8 Выходные характеристики объектов диагностирования и требования, предъявляемые к диагностическим параметрам................................... 139

2.9 Выводы по главе 2................................................................... 145

ГЛАВА 3 МОДЕЛИРОВАНИЕ И ОПТИМИЗАЦИЯ ДОВЕРИТЕЛЬНЫХ ИНТЕРВАЛОВ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ................................................. 147

3.1 Методика определения границ диагностического параметра.............. 147

3.2 Моделирование функционирования технической системы с учетом ее параметрической надежности.......................................................... 158

3.3 Моделирование процессов технической эксплуатации автотранспортных средств.............................................................. 166

3.4 Моделирование принятия решения о проведении ремонтно-обслуживающих мероприятий автотранспортных средств по результатам оценки параметрической надежности................................................ 177

3.5 Методика оценки точности моделей параметрической надежности автотранспортных средств.............................................................. 182

3.6 Методы принятия решений в задачах оценки параметрической надежности................................................................................. 186

3.7 Оценка остаточного ресурса на основе измерения диагностических параметров................................................................................. 190

3.8 Выводы по главе 3................................................................... 196

ГЛАВА 4 МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ.... 197

4.1 Методика экспериментальных исследований на параметрическую надежность двигателей УМЗ-4216.10................................................ 197

4.2 Методика оценки интегрального показателя качества топлива как параметра влияющего на эффективность функционирования двигателя..... 206

4.3 Оборудование для оценки низкотемпературных свойств биодизельного топлива..................................................................208

4.4 Обработка экспериментальных данных......................................... 210

4.5 Выводы по главе 4....................................................................225

ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ МЕТОДОВ ПОВЫШЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ................................................. 226

5.1 Исследование свойств топлив, влияющих на эффективность функционирования двигателей........................................................ 226

5.2 Результаты определения значимости (весомости) параметров и разработка комплексного критерия качества работы двигателя................229

5.3 Результаты исследований низкотемпературных свойств

биодизельного топлива.................................................................. 233

5.4 Результаты стендовых испытаний двигателя на параметрическую надежность.................................................................................240

5.5 Статистический анализ результатов экспериментальных исследований.............................................................................. 250

5.6 Выводы по главе 5....................................................................261

ГЛАВА 6 ОЦЕНКА ЭКОНОМИЧЕСКОЙ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКИХ МЕРОПРИЯТИЙ ПО ОБЕСПЕЧЕНИЮ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ...................................................................................263

6.1 Технико-экономическая оценка эффективности организационно -технических мероприятий.............................................................. 263

6.2 Основные технико-экономические показатели предприятий технического сервиса.................................................................... 268

6.3 Расчет себестоимости ремонтно-обслуживающих работ.................... 271

6.4 Расчет экономической эффективности внедрения системы оперативного контроля параметрической надежности автотранспортных средств...................................................................................... 274

6.5 Расчет затрат на формирование фонда запасных частей.................... 282

6.6 Выводы по главе 6....................................................................286

ГЛАВА 7 РЕКОМЕНДАЦИИ ПО ПОВЫШЕНИЮ ЭФФЕКТИВНОСТИ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ ТЕХНИЧЕСКОГО СЕРВИСА АВТОТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ.................................................287

7.1 Рекомендации по внедрению в существующую систему технического

сервиса системы оперативного контроля параметрической надежности

автотранспортных средств..............................................................287

7.2 Результаты выбора критериев организационно-технического уровня предприятия................................................................................289

7.3 Методика контроля и прогнозирования параметрической надежности автотранспортного средства на основе индивидуальных контрольных карт 299

7.4 Рекомендации по использованию метода и системы оперативного

контроля и прогнозирования параметрической надежности в

специальных эксплуатационных режимах.......................................... 300

7.5 Рекомендации по внедрению системы оперативного контроля параметрической надежности..........................................................308

7.6 Выводы по главе 7................................................................... 313

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ.......................................................................314

БИБЛИОГРАФИЯ........................................................................317

ПРИЛОЖЕНИЯ...........................................................................346

ВВЕДЕНИЕ

Переход к рыночной экономике существенно отразился на материально-технической базе агропромышленного комплекса (АПК). В связи с снижением платежеспособного спроса предприятий АПК на первое место выходит проблема поддержания парка машин в работоспособном состоянии, переоснащения новой техникой. Основной стратегической задачей агропромышленного комплекса России является техническое переоснащение. Согласно «Стратегии машинно-технологической модернизации сельского хозяйства России на период до 2020 года», машинно-технологическая модернизация сельского хозяйства определена как важнейший фактор инновационного развития продовольственного комплекса России.

Недостаточный уровень оснащения сельскохозяйственных предприятий приводит к увеличению нагрузки на эксплуатируемую технику, по этому вопросы обеспечения ее эксплуатационной надежности по средством технического сервиса становятся все более актуальными. Существующая система планово-предупредительного ремонта не в полной мере удовлетворяет требованиям и условиям настоящего времени, т.к. возрастают требования к надежности техники и возрастает необходимость повышения коэффициента технической готовности. В условиях недостаточности оснащения парка машин, выбытие техники в результате отказа приводит к значительному снижению эффективности выполняемых работ, нарушению агротехнических сроков выполнения задач, и как следствие потери урожая.

Увеличение количества эксплуатируемых автомобилей и рост стоимости сервисных и ремонтных работ вынуждает производителей повышать надежность автотранспортных средств, наиболее сложным и дорогостоящим элементом конструкции которых является двигатель. Низкий уровень надежности двигателей автотранспортных средств (АТС) приводит

к увеличению затрат в процессе эксплуатации, простоям неисправной техники, что приводит к экономическим потерям. При этом потери являются не только следствием отказов отдельных деталей, но и снижением эффективности функционирования техники в целом. В связи с этим возникает потребность в разработке таких методов оценки эффективности функционирования двигателей, которые позволили бы оценить параметры их работы в процессе эксплуатации, прогнозировании параметрической надежности и совершенствовании системы технического сервиса.

Переоснащение парка машин приводит к появлению новой, сложной энергонасыщенной техники, при этом возрастает значение контроля ее технического состояния. Поэтому все более актуальными становятся вопросы диагностики и технического сервиса машин. Повышение эффективности технического сервиса требует внедрения инновационных решений, новых методов и подходов, позволяющих снизить издержки повысить оперативность работы служб технического сервиса.

Одним из перспективных направлений повышения эффективности работы сервисных служб является применение современных средств диагностики машин, а именно средств оперативной диагностики. Развитие микроэлектроники позволило уменьшить габаритные размеры средств обработки информации, миниатюризировать различные датчики и системы контроля, что дает возможность использовать их в автотранспортных средствах. Оперативный (непрерывный) контроль параметрической надежности двигателей автотранспортных средств позволит оптимизировать периодичность обслуживания, а также применить методы прогнозирования технического состояния.

В качестве контролируемых параметров двигателя могут быть использованы: расход масла на угар, часовой и удельный расход топлива, количество картерных газов, мощность, крутящий момент, качество топлива, экологические параметры и др.

В качестве экологического параметра может быть принята объемная

концентрация токсичных веществ в отработанных газах, которая составляет 0,2-2%. При этом около 80-95% от общей массы токсичных компонентов приходится на долю пяти основных компонентов: N0, СО, СНХ, альдегидов ЯСНО, диоксида серы 802. Нормируемыми токсичными компонентами отработавших газов дизельных двигателей в соответствии с современными нормативными документами (Евро-1, Евро2, Евро-3, Евро-4) являются N0, СО, СНх, и твердые частицы. В настоящее время актуальным является направление исследований по снижению вредных выбросов двигателей, повышению их параметрической надежности и топливной экономичности.

Надежность автотранспортных средств во многом зависит от качества топливосмазочных материалов (ТСМ) которые в процессе хранения, транспортировки и меняют свои эксплуатационные свойства. Одним из основных факторов, влияющих на ресурс топливной аппаратуры двигателей, является качество используемого топлива, а именно содержания в нем воды, абразивных частиц и загрязнений, детонационная стойкость, поэтому очистка и оперативный контроль качества топлива имеют большое значение.

Во многих странах увеличивается доля альтернативных топлив для автотранспортных средств в общем энергетическом балансе. Производство биотоплива поддерживается многими странами Европы, при этом важными являются вопросы поддержания качества биотоплива при его хранении, транспортировании и использовании. Одной из важных технических задач при использовании биотоплива является оперативный контроль его качества.

Рассматриваемые параметры обладают различной чувствительностью. Значения контролируемых параметров могут быть получены как по результатам стендовых испытаний так и на основе математических моделей, эмпирических зависимостей. При этом актуальными будут вопросы связанные с оценкой точности математических моделей, прогнозированием, надежностью контролирующей аппаратуры и погрешности ее измерений.

В большинстве случаев затраты дополнительных средств на повышение надежности на стадии проектирования экономически

целесообразны, и позволяют снизить затраты при эксплуатации техники. Не менее важной задачей является обеспечение надежности при эксплуатации техники путем выбора оптимальных режимов эксплуатации, своевременного и качественного проведения технического обслуживания и ремонта, использования качественных топливно-смазочных материалов.

Решение вопросов надежности структурно-сложных технических систем осуществляется на всех стадиях жизненного цикла, от проектирования и производства, до эксплуатации и утилизации.

При исследовании методов повышения надежности техники, особое значение приобретают задачи связанные с испытанием узлов и агрегатов на надежность и анализ эксплуатационных данных, на основании которых осуществляется выбор методов, указывающих наилучшие алгоритмы обработки наблюдаемых величин, позволяющие оценить неизвестные параметры модели отказов или принять решение о соответствии этих параметров заданным техническим условиям. В таком случае модель отказов может быть известной лишь до некоторых неизвестных параметров, информация о которых в виде оценок или решений извлекается из совокупности выборок. В большинстве случаев, при исследовании процессов длительных по времени, целесообразно применять ускоренные испытания на надежность и расчетным путем получать показатели, соответствующие условиям реальной эксплуатации.

Если ранее надежность двигателей рассматривалась главным образом как безотказность, то в настоящее время необходимо рассматривать ее с позиций параметрической надежности. Параметрический отказ, который наиболее характерен для современных машин и изделий, возникает при выходе параметров работы двигателя за допустимые пределы. Роль параметрических отказов важна еще и потому, что в сложных системах параметрические отказы элементов могут привести к отказу функционирования. Поэтому параметрические отказы являются одним из перспективных объектов рассмотрения в теории надежности машин.

Таким образом, при исследовании методов повышения надежности техники, особое значение приобретают задачи связанные с оценкой параметрической надежности агрегатов. Одним из перспективных направлений повышения параметрической надежности является разработка системы оперативного контроля параметров, для совершенствования организации технического сервиса.

Целью диссертационной работы является научное обоснование повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств и совершенствование организации технического сервиса.

Для достижения поставленной цели исследования предусмотрено решение следующих основных задач:

- обосновать необходимость повышения параметрической надежности двигателей автотранспортных средств сельскохозяйственного назначения;

- проанализировать показатели оценки эффективности работы автотранспортных средств;

- провести моделирование и оптимизацию граничных интервалов параметрической надежности двигателей автотранспортных средств;

- разработать систему оперативного контроля качества топлива двигателей автотранспортных средств;

- получить эмпирические зависимости основных параметров работы двигателей, влияющих на эффективность их функционирования;

- провести технико-экономическую оценку предлагаемых мероприятий п�