автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.03, диссертация на тему:Совершенствование технологии диагностирования цилиндропоршневой группы дизельного двигателя по параметрам картерных газов

На правах рукописи

НИКОЛАЕВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО ПАРАМЕТРАМ КАРТЕРНЫХ ГАЗОВ

Специальность: 05.20.03 - технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

005061820

Москва -

2013

005061820

Работа выполнена в Государственное научное учреждение Всероссийский научно-исследовательский технологический институт ремонта и эксплуатации машинно-тракторного парка Российской академии сельскохозяйственных наук (ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии).

Научный руководитель - Черноиванов Вячеслав Иванович,

доктор технических наук, профессор, академик РАСХН.

Официальные оппоненты -

Михлин Владимир Матвеевич, доктор технических наук, профессор ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии.

Ведущая организация •

Петровский Дмитрий Иванович, кандидат технических наук, доцент, кафедра «Ремонт и надежность машин» МГАУ им. В.П. Горячкина

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального Обучения «Российский государственный аграрный заочный университет» (ФГБОУ ВПО РГАЗУ)

Защита диссертации состоится «4» июля 2013г. в 13.00 часов на заседании диссертационного совета Д 006 034.01 при ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии по адресу: 109428, г. Москва, 1-й Институтский пр., д.1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии.

Автореферат разослан «4» июня 2013г.

Ученый секретарь

диссертационного совета, к.т.н. Соловьёв Р.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Эффективная работа тракторов, автомобилей, комбайнов и самоходных сельскохозяйственных машин в значительной степени определяется техническим состоянием двигателя. На его долю приходится по отдельным типам машин до 50% основных неисправностей и отказов, а трудоемкость их устранения может достигать 40% общего времени устранения отказов и неисправностей машин. В самом двигателе наименее надежными являются: системы топливоподачи - до 45% отказов; цилиндропоршневая группа - до 20%; охлаждения и смазывания - до 10%; газораспределительный механизм - до 15%. При этом цилиндропоршневая группа (ЦПГ) определяет ресурс до первого капитального ремонта. Ухудшение технического состояния деталей цилиндропоршневой группы приводит к уменьшению индикаторной работы, росту механических потерь, снижению коэффициента избытка воздуха, росту утечек газа в картер, ускорению насыщения масла продуктами разложения и неполного сгорания топлива. Поэтому необходимо определить наступление момента предельного состояния ЦПГ, начиная с которого эксплуатация двигателя по технико-экономическим показателям должна быть прекращена.

Одним из важнейших показателей, характеризующих износ ЦПГ, является количество газов, прорывающихся в картер двигателя. Измерение расхода и давления картерного газа двигателя дает более полные данные о техническом состоянии цилиндропоршневой группы. За время эксплуатации двигателя до ремонта расход газов, прорывающихся в картер двигателя, увеличивается в 2...4 раза. Однако не исследованы закономерности изменения параметров картерных газов от рабочих параметров дизельного двигателя (температура, равномерность вращения коленчатого вала, нагрузка). Таким образом, весьма актуальной задачей в настоящее время является оценка технического состояния цилиндропоршневой группы по параметрам картерных газов, как основного элемента двигателя, определяющего ресурс двигателя до капитального ремонта.

Цель работы. Совершенствование технологии диагностирования цилиндропоршневой группы дизелей по параметрам картерных газов, обеспечивающей повышение точности и достоверности диагностирования при снижении затрат и трудоемкости работ.

Объект исследования. Цилиндропоршневая группа дизельных автотракторных двигателей внутреннего сгорания, расход картерных газов, как диагностический параметр.

Методика исследований. В качестве основных методик применялись системные исследования, логика научных исследований и математическое моделирование. В результате разработаны частные методики лабораторных исследований с применением математической статистики, регрессионного анализа и современных вычислительных средств.

Научная новизна: заключается в установлении закономерностей влияния факторов условий и режимов работы двигателя на диагностический параметр расхода картерных газов, разработке математической модели, отличительной особенностью которой является учет различных факторов при диагностировании ЦПГ автотракторных двигателей, что повышает точность и достоверность диагностирования. Обоснованно снижение требуемой температуры охлаждающей жидкости двигателя при диагностировании по параметрам картерных газов.

Практическая ценность работы. На основании проведенных исследований разработана усовершенствованная технология диагностирования цилиндропоршневой группы двигателя по параметрам картерных газов, позволяющая сократить время диагностирования на 30... 50% и повысить точность измерений на 10...20%; разработано электронное устройство, позволяющее измерять расход и давление газов в полости картера.

Реализация результатов исследований. Результаты работы внедрены на предприятиях: ООО «ЭРИДАН-МОТОРС», ОАО «Алексеевскдорстрой», Войсковой части 44710.

Достоверность результатов работы подтверждается лабораторными и эксплуатационными испытаниями, использованием современных методов и технических средств исследований, а также экспериментально-теоретическими исследованиями по математическому планированию эксперимента.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии: «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» в 2009-2010гг.; «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» в 2011г. на IV Всероссийской научно-практической конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация», Уфа - 1921 марта 2013г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 6 в изданиях, рекомендованных перечнем ВАК РФ. Общий объем публикаций 2,6 п. л., из них авторский вклад составляет 1,5 п.л.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка используемой литературы и приложений. Работа изложена на 150 стр. основного текста, содержит 38 рисунков, 16 таблиц, библиографию из 147 наименований и 6 приложений.

Научные положения, выносимые на защиту:

- результаты теоретических и экспериментальных исследований влияния условий и режимов работы двигателя на расход картерных газов, как диагностического показателя технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя внутреннего сгорания;

- результаты регрессионного анализа корреляционной зависимости факторов влияющих на расход картерных газов;

технология диагностирования цилиндропоршневой группы при непрогретом двигателе, но с получением достоверных результатов технического состояния.

Содержание работы

Во введении показана актуальность темы, сформулирована цель исследования, обосновано научное и практическое значение работы.

В первой главе «Состояние вопроса и задачи исследования» приведены обзор и анализ известных способов и средств оценки технического состояния деталей цилиндропоршневой группы, как основного элемента, определяющего ресурс двигателя до капитального ремонта. Даны характеристики, проанализированы достоинства и недостатки. Рассмотрено влияние используемых систем вентиляции картерного пространства двигателя на расход и давление картерных газов.

Наиболее значимый вклад в изучение и практическое применение методов диагностирования цилиндропоршневой группы при техническом сервисе машин внесли: В.М. Михлин, Н.С, Ждановский, И.П. Терских, В.И. Вельский, В.И. Черноиванов, В.А. Чечет, A.B. Дунаев, A.B. Колчин и др., которые со своими учениками не только сформировали базу для дальнейшего развития этого перспективного направления, но и разработали практические рекомендации, успешно реализованные на практике.

Большинство используемых на практике методов диагностирования технического состояния, непосредственно характеризующих герметичность кольцевого уплотнения, основаны на определении следующих параметров: расход масла на угар; прорыв отработавших газов в картер двигателя; утечка сжатого воздуха из камеры сгорания при неработающем двигателе; давление в конце такта сжатия; мощность, время пуска холодного двигателя и т.д.

Основным показателем, который в большей степени зависит от износа ЦПГ, является количество прорывающихся в картер двигателя газов. Измерение расхода картерного газа двигателя дает более полные данные о состоянии цилиндропоршневой группы. Это единственный параметр, удовлетворяющий всем условиям экспресс - диагностирования. Однако одним из существенных недостатков данного способа является его погрешность. В данной работе исследованы факторы, влияющие на высокую погрешность метода, и описаны пути её снижения.

При диагностировании дизельного двигателя по расходу или давлению картерных газов необходимо уделять внимание системе вентиляции картера, так как неисправности этой системы так же сказываются на параметрах картерных газов. Тип системы влияет' на методологию проведения

диагностирования. Система вентиляции картера служит для удаления из картера двигателя газов, поступающих в него при работе двигателя через зазоры в сопряжениях. В зависимости от системы вентиляции параметрами оценки технического состояния по картерным газам могут быть как расход, так и давление газов, что необходимо учитывать при диагностировании.

На основании анализа сформулированы задачи исследования:

1. Уточнить эксплуатационные факторы, влияющие на изменения показаний параметров картерных газов, с целью их учета при диагностировании, что повысит точность и достоверность оценки технического состояния.

2. Разработать математическую модель, описывающую факторы влияющих на расход картерных газов, отличие которой будет заключаться в том, что она учитывает влияние нагрузочного, теплового, скоростного режимов работы двигателя. Данная модель позволит оптимизировать режим диагностирования при наименьшей трудоемкости с получением достоверного результата.

3. На основании учтенных эксплуатационных факторов усовершенствовать технологию диагностирования и разработать новое устройство для контроля технического состояния ЦПГ автотракторных дизелей.

4. Провести опытно-производственную проверку, дать технико-экономическую оценку совершенствования технологии и устройства для диагностирования ЦПГ.

Во второй главе «Программа и методика исследований» представлена программа исследований, изложены общие и частные методики лабораторных и производственных испытаний, математических расчетов оценки факторов влияющих на расход картерных газов.

Экспериментальные исследования проводились с целью подтверждения теоретических предпосылок и определения динамики изменения параметров и их значений, для их дальнейшего использования их в регрессионном анализе многофакторного влияния на расход картерных газов.

Третья глава «Теоретическое обоснование критериев диагностирования» посвящена обоснованию параметров картерных газов; неисправностям цилиндропоршневой группы, выявляемых по данным параметрам; факторам, влияющим на изменения показаний расхода картерных газов; прогнозированию остаточного ресурса двигателя по результатам диагностирования.

Прорыв газов в картер так же, как и угар картерного масла, - явление неизбежное при любом состоянии кольцевого уплотнения. Если предположить возможность создания идеального компрессионного кольца,

имеющего герметичный замок, а также замкнутое линейное сопряжение по окружности и по торцам кольца, то даже в этом случае различие в температурных и силовых деформациях отдельных деталей цилиндропоршневой группы при работе двигателя неизбежно приведет к прорыву газов в картер. Это происходит потому, что различие рабочих температур и силовых напряжений способствует короблению деталей, изменению тепловых зазоров и потере упругости колец. Следовательно, ни цилиндр, ни поршень, ни кольца в эксплуатации не остаются фактически круглыми даже в том случае, если в холодном состоянии они имеют такую форму.

Снижение надежности работы двигателя, значительный расход масла, увеличение запасных частей, рост трудоемкости работ, необходимых для поддержания техники в годном для эксплуатации состоянии служат основанием для ремонта двигателя.

Если прорыв картерных газов превышает допустимый предел, могут наблюдаться следующие явления: потеря мощности и повышение удельного расхода топлива; повышение температуры поршня и поршневых колец; коксование смазочного масла в канавках поршня и на поршневых кольцах; пригорание колец; повышенный износ цилиндра и колец; загрязнение и ускоренное старение масла в картере; потеря смазочного масла из картера вследствие возникшего в нем повышенного давления и др.

Математические модели процесса прорыва газов из надпоршневого пространства в полость картера не учитывают износов и неисправностей ЦПГ, возникающих при эксплуатации техники и увеличении её наработки:

где: Укг - объем прорывающихся газов за цикл, л/мин; - линейный размер одного цилиндра, см; Р, - среднее индикаторное давление, кг/см2; г -число цилиндров; О - внутренний диаметр цилиндров; 5 - ход поршня; 0,1 -коэффициент, определяемый длительностью цикла.

Однако данная формула эмпирически связывает геометрию и конструкцию двигателя (диаметр гильз цилиндров, ход поршня, тактность, количество цилиндров и т.д.) с прорывом газов в картер без учета зазоров в соединении поршень - кольцо - цилиндр. По этой причине они применимы лишь для расчета расхода картерных газов новых двигателей. Для взаимосвязи расхода картерных газов с износом ЦПГ, не прибегая к разборке, необходимо эмпирически связать его с наработкой двигателя -косвенным признаком изношенности:

0*=/СО, (2)

Многофакторное решение данной задачи в составе разработки математической модели корреляционного многофакторного влияния на основе экспериментальных данных:

аг=АКе,Т,п,(,и), (3)

где (2КГ - расход картерных газов; № - нагрузка на двигатель; Т -наработка двигателя; п - частота вращения коленчатого вала; I - температура двигателя; и - вязкость моторного масла.

Расход картерных газов наблюдается у совершенно новых двигателей, а с увеличением наработки двигателя расход картерных газов растет. Данные утверждения можно записать в виде формулы:

ет=в0+4-г:. (4)

где @т - текущее значение расхода картерных газов; Qo - номинальное значение расхода картерных газов нового двигателя; А,- - скорость увеличения расхода картерных газов от наработки. Для каждого типа двигателя он свой; Тт - текущая наработка двигателя.

При известной наработке Ттек от начала эксплуатации до начала контроля и одном измеренном значении параметра расхода картерных газов к моменту контроля остаточный ресурс ЦПГ можно определить по формуле [147]:

Т =Т

ост тек

Щ,3,

/а

-1

(5)

где Q„p - предельное отклонение расхода картерных газов; ЛQUЗM -измеренное отклонение параметра расхода картерных газов.

Пользуясь данной формулой надо помнить, что изменение параметра не является гладкой степенной функцией, поэтому определение по данной формуле среднего остаточного ресурса является приближенным, в связи с чем остаточный ресурс рассчитывают с заданной доверительной вероятностью. Для этого используют формулу:

Т =Т

Д&,

-1

-Вс,

(6)

где В - квантиль нормального распределения, характеризующий заданную вероятность безотказной работы элемента машины; а2 - среднее квадратичное отклонение погрешности прогнозирования.

Если необходимо определить моторесурс цилиндропоршневой группы двигателей с учетом эксплуатации в тех же условиях, можно использовать формулу:

Мот = Мисп

1-1

5

(7)

где: Мост - оставшийся моторесурс двигателя; Мисп - использованный моторесурс двигателя, установленный по показаниям мотосчетчика или каким-либо иным способом; д - доля изношенности деталей цилиндропоршневой группы, определяемый по формуле:

3 =

а,-а

(8)

'а,-а'

В процессе эксплуатации через определённые промежутки времени (наработки) возможно проведение контрольных измерений расхода картерных газов, с сохранением данных каждого измерения, а ещё лучше отображение в виде графика. Такой график позволит непрерывно и наиболее правильно контролировать протекание изнашивания цилиндропоршневой группы двигателя (рисунок 1). В этом случая всегда можно рассчитать оставшийся ресурс двигателя, или при возникновении определить преждевременную неисправность. Так залегание колец или глубокие задиры зеркала цилиндров приводят к резкому повышению расхода картерных газов.

Используя расчеты по данным формулам можно оценивать без разборки техническое состояние и моторесурс цилиндропоршневой группы.

и $в Я ЯВИ хб Ш ш Я1) М ж Я9 №

Расход картерных газов, л/мин Рисунок 1 - Номограмма остаточного ресурса по значению расхода картерных газов

(данные усреднены).

В четвертой главе «Результаты и анализ исследований» представлены результаты опытно - практических исследований и проведен их анализ.

На первом этапе экспериментальных исследований определены и представлены зависимости расхода картерных газов от различных факторов. Результаты полученных данных представлены на рисунках ниже.

Как показывают графические зависимости (рисунок 2), характер изменения расхода картерных газов является линейным как от наработки, так и от износов цилиндров двигателя. Предельные значения расхода картерных газов в 2,5...2,8 раза больше номинальных, во всех случаях, в то время как для различных марок двигателей номинальные значения существенно разнятся.

у = 0,24 / + 51 II' . 0,990

¡2

а)

50 100 150 200 250 300 350 НЮ Наработка (пробег тыс км!

20 25 30 35 «? 7! Износ иипиндроб б берхнеи часто, мкм

а) Зависимость расхода картерных газов от наработки (пробега) двигателей ЯМЗ-238;

б) Зависимость расхода картерных газов от увеличения износов верхней части гильз цилиндров двигателей - 1 - изменение расхода картерных газов двигателя Д-21,);

2 - изменение расхода картерных газов двигателя Д-240.

Рисунок 2 - Зависимость расхода картерных газов от технического состояния ЦПГ

(косвенные и структурные параметры).

Измерения расхода картерных газов показали значительную зависимость от состояния картерного масла (рисунок 3). Установлено, что в ряде случаев при смене моторного масла расход картерных газов изменяется более чем в 2 раза, что свидетельствует о существенном влиянии качества масла на расход картерных газов. Свежее моторное масло, лучше удерживаясь на стенках гильз цилиндра, чем отработавшее, уплотняет сопряжение поршень - кольцо - цилиндр и препятствует прорыву отработавших газов в полость картера двигателя. Потому наиболее достоверные сведения о техническом состоянии ЦПГ по параметрам картерных газов можно получить после проведения ТО-2.

0 = 2-1О-"тг-О,О6-г + 43 Л2 = 0,93

а)

~Ш т Ш 25д ж

Старение моею /ют-часы

К! 1

ю!

а \

та'

£

¡о\

«1

30

я

п

-1 -

.... - 7" -

! У

б)

а) постепенное изменение расхода картерных газов от «старения масла»;

б) изменение расхода картерных газов при смене картерного масла

Рисунок 3 - Влияние качества масла на расход картерных газов.

На рисунке 4 представлена графическая интерпретация функциональных зависимостей расхода картерных газов от степени прогрева двигателя, проведенных при прочих равных условиях.

Температуру необходимо учитывать при диагностировании ЦПГ в связи с тем, что нормативные значения по данному параметру приведены к

прогретой до 85...95°С жидкости в системе охлаждения двигателя, а в реальных эксплуатационных условиях не всегда удается достичь требуемого температурного режима. Если проведение измерений производится на непрогретом двигателе, то необходимо вносить соответствующие поправки для приведения их с нормативными значениями по данному параметру.

§ и 1 20

1

I

а)

1 - 3,99

i ]с

\ я

1 25 I 20 I ъ

!я

'5 S

б)

§

Q = 0,41 -г +18

R = ),91 S4

„

!

Температура дйигателя. С

,| О = б0 +10"6/ • i + 0,38i

а) двигатель Д-240;

б) двигатель Д-21;

в) двигатели ЯМЗ-238 Рисунок 4 - измерения объемного расхода картерных газов по постепенному прогреву двигателей.

ТО 20 }0 «7 50 60 70 80 90 /с

Зависимости расхода картерных газов от температуры во всех случаях растут линейно, при этом отношение приращения расхода газа dQ к приращению температуры dt для каждой конкретной машины остается

постоянным: — = Const, из чего можно сделать заключение, что при

dt

диагностировании при требуемом температурном режиме значение расхода картерных газов, при прочих равных условиях, будет характеризовать техническое состояние ЦПГ. Для пересчета расхода при необходимой температуре можно воспользоваться формулой:

а,

ЮМ

- 90

Т

(9)

где: <2ЮМ - измеренный расход картерных газов дизеля, прогретого до температуры Тюм.

Полученное значение расхода картерных газов можно сравнивать со справочными значениями, и по ним оценивать техническое состояние ЦПГ.

Проведенные измерения расхода картерных газов от различных значений крутящего момента двигателя показали, что при увеличении нагрузки на двигатель растет и расход картерных газов (рисунок 5).

| а

I 50

1 ьо

130

1 20

2 = 0,62М+39 Я2 =0,977

Ю 20 30 ТО Крутящий момент но дЬигогтепе. Н ■ м

Рисунок 5 - Зависимость расхода картерных газов от нагрузки на двигатель.

Из графика видно, что характер изменения расхода измеряемых картерных газов от увеличения крутящего момента на валу двигателя прямолинейный.

Измерение расхода картерных газов на различных частотах вращения показали, что он не зависит от частоты вращения двигателя (рисунок 6а). При изменении частоты вращения двигателя расход картерных газов оставался постоянным. Данный опыт ставился на двигателях Д-240, Д-21, ЯМЗ-238, и везде результаты были одинаковы, в связи, с чем можно сделать выводы, что для большинства дизельных двигателей расход картерных газов

не зависит от оборотов двигателя.

1)

\ 1

\

II

|

<2 = 9,5&> + 35,9

Чхтто орошен* сбигся&я л

б)

К' = 1 ЛУЧ 6

/1

1

г~

Яг/юйое ускорение, рад/ с

а) 1 -расход картерных газов без нагрузки на двигатель; 2 -расход картерных газов с нагрузкой в 40 Н'М. б) зависимость мгновенного максимального значения расхода картерных газов от углового ускорения двигателя

Рисунок 6 - Расход картерных газов на различных частотах вращения двигателя.

Измерения на нестационарных режимах работы двигателя показали, что в режиме разгона происходило значительное увеличение мгновенного измеряемого расхода картерных газов (в 2..3 раза) по сравнению со значениями, измеренными на постоянных частотах вращения (рисунок 66). На рисунке графически представлена зависимость мгновенного

максимального значения расхода картерных газов от углового ускорения двигателя.

Анализируя, получаем, что при неустановившихся скоростных режимах работы двигателя расход картерных газов может колебаться в больших пределах, и данные показания нельзя принимать за диагностические. Диагностирование же цилиндропоршневой группы возможно только на установившихся скоростных режимах, причем сама частота вращения двигателя существенной роли не играет.

На основании проведенных опытно-экспериментальных исследований была рассчитана модель корреляционной зависимости многофакторного влияния на расход картерных газов:

<3 = 0,02Т + 0,381 + 0,54М + 0,05т+ 7,84 (10)

где: С? - расход картерных газов, л/мин;

Т - наработка двигателя, моточас;

г - температура охлаждающей жидкости, °С;

М- крутящий момент на валу двигателя, Н-м;

т -наработка картерного масла, ч.

Математическая модель многофакторного влияния на расход картерных газов характеризуется относительной ошибкой - 5,2%; коэффициентом множественной корреляции - 0,64; коэффициентом детерминации - 0,99. Адекватность полученной модели по критерию Фишера

(Ррасч = 1379.22> Ртабл = 2,59 -табличное значение при степенях свободы: к, = 5 и к2 = п-ш-1 = 33 - 5 -1 = 27) показала соответствие процесса принятым условиям.

Установлено, что наибольшее влияние на значение расхода картерных газов оказывает нагрузка на двигатель - 52% и тепловой режим двигателя -36%.

В ходе исследований разработаны опытный образец анализатора картерных газов КИ- 28292 ГОСНИТИ и технология контроля технического состояния ЦПГ по параметру картерных газов. Разработанный и изготовленный опытный образец КИ-28292 ГОСНИТИ, позволяющий измерять три параметра диагностирования газовых потоков в динамике: объемный расход, давление и температуру (рисунок 76). Параметры измерения прибора представлены в таблице 1, внешний вид на рисунок 7а.

Таблица 1 - Параметры измерения прибора

№ Наименование параметра Диапазон измерения

1 Температура поверхности и среды (газа) -20...+ 150 °С

2 Избыточное давление газа 0.. .500 кПа

3 Абсолютное давление газа -100. ..+100 кПа

4 Объемный расход газа 0...200 л/мин

5 Пульсация давления газа -

6 Пульсация изменения расхода газа -

а) 6)1----

Рисунок 7 - КИ- 28292 ГОСНИТИ.

Для расчета номинальных, допустимых и предельных значений расхода картерных газов для любого автотракторного дизеля подставив в

уравнение 4 уравнения 1 и 10, и, заменив ~1 = Удв, получили формулу:

О

() = 0А-Р-УОе- \[У)~ + 0.02 ■ Г1'3; (П)

где: <2 - расход картерных газов, л/мин; Pi - среднее индикаторное давление, кг/см2; Уае - рабочий объем двигателя; - линейный размер одного цилиндра, см; Г - наработка двигателя.

Первое слагаемое в уравнении определяет расход картерных газов нового двигателя, второе - увеличение расхода с ростом наработки. Используя данную формулу можно рассчитывать расход картерных газов дизелей, значения которых ещё не рассчитаны, при этом максимальная погрешность не будет превышать 13,6%.

В пятой главе «Технико-экономическая оценка результатов работы» проведен расчет экономической эффективности применения

усовершенствованной технологии и прибора КИ-28292 ГОСНИТИ на примере трактора МТЗ - 82. Эффективность технологии заключается в повышении достоверности оценки технического состояния на 10...20% и сокращении общего времени проведения диагностирования на 30...50%. Годовой экономический эффект от применения технологии и прибора на один трактор МТЗ- 82 составит 21,4 тыс. руб.

Общие выводы

1 Проведенные исследования подтвердили, что цилиндропоршневая группа является основным элементом, определяющим ресурс и межремонтную наработку двигателя, на которую приходится до 20% всех отказов. Сравнение различных методов диагностирования цилиндропоршневой группы дизеля, проведенных по общепринятой методике, показывает технико-экономические преимущества оценки технического состояния по параметрам картерных газов. Подтверждено, что оценочными параметрами картерных газов являются расход и давление газов, прорывающихся в полость картера.

2 Установлено, что эксплуатационные факторы работы дизеля влияют на величину расхода картерных газов. Исследованиями подтверждено, что при прогреве дизеля от температуры окружающей среды до номинальной расход картерных газов возрастает в 1,5...2,5 раза. При доведении нагрузки до номинальной расход увеличивается на 40...45% по сравнению с холостым ходом. В то же время замена картерного масла, отработавшего свой ресурс, на новое снижает расход газов в 1,8...2,2 раза. Данные параметры не учитывались существующей технологией, что часто приводило к ошибкам оценки технического состояния ЦПГ. Эти отличительные признаки позволили повысить точность диагностического параметра при разработке электронного прибора для измерения картерных газов.

3 Выявлено, что частота вращения коленчатого вала дизеля не влияет на изменение расхода и давления картерных газов. На режиме разгона расход картерных газов возрастает в зависимости от углового ускорения вала двигателя в 1,5...3,5 раза. Как показал анализ, использование динамического режима при моделировании нагрузочного для измерения параметров картерных газов не приемлем, так как величины расхода картерных газов при них различны.

4 Установлено, что на изменение параметров картерных газов оказывает влияние не только цилиндропоршневая группа, но и системы вентиляции картера, турбокомпрессора, клапанов газораспределительного механизма. Это не учитывалось в ранее разработанной и применяемой на практике технологии диагностирования. На основании проведенных исследований разработана методика идентификации неисправного узла, отличающаяся от ранее применяемой возможностью учета дополнительных факторов, оказывающих влияние на повышение точности измерений картерных газов. На данный способ получен патент на изобретение №2011130425, в основу которого положен способ измерения расхода и давления картерных газов на различных частотах вращения коленчатого вала дизеля.

5 На основе статистических данных проведенных исследований по стандартной методике регрессионного анализа разработана математическая модель корреляционной зависимости различных факторов, условий и режимов работы двигателя на расход картерных газов. По данной модели

расход картерных газов зависит от наработки и температуры двигателя, нагрузки на него, а так же от наработки картерного масла.

6 По разработанной модели рассчитаны номинальные, допускаемые и предельные значения параметров расхода картерных газов на тепловых режимах работы дизеля, соответствующих нижнему температурному пределу нормальной эксплуатации. Использование данной модели с учетом предложенных факторов позволяет по расходу картерных газов прогнозировать наработку дизеля.

7 В результате проведенных исследований усовершенствована технология диагностирования цилиндропоршневой группы дизельного автомобильного и тракторного двигателя по параметрам картерных газов. Отличительная особенность технологии является возможность проведения измерений при температуре 40...60°С, что сокращает общее временя проведения диагностирования на 30...50%. В качестве диагностического параметра используется не только расход, но и давление картерных газов.

Разработаны рекомендации по учету влияния на величину картерных газов турбокомпрессора и системы вентиляции картера, что повышает достоверность оценки технического состояния на 10. ..20%.

8 Для повышения технологичности и точности диагностирования на основе электронной базы разработан анализатор картерных газов КИ-28292 ГОСНИТИ. Данное устройство впервые позволяет измерять параметры газовых потоков: температуру, давление и расход. Устройство разработано с учетом новых конструкций автотракторных двигателей, что обеспечивает возможность идентифицировать неисправный узел. На данное устройство получен патент на полезную модель № 2011105455.

9 Экономический эффект от внедрения разработанной технологии оценки технического состояния ЦПГ достигается за счет сокращения трудоемкости процесса, при которой повышается достоверность диагностирования. Расчетный годовой экономический эффект от использования технологии диагностирования по параметрам картерных газов с применением КИ-28292 ГОСНИТИ при полной загруженности техники в году на один трактор МТЗ - 82 составляет 21,4 тыс. руб. (в ценах 2012г.).

Основные положения диссертации изложены в следующих работах Статьи, опубликованные в журналах, рекомендованных ВАК:

1 Николаев, Е.В. Факторы, влияющие на параметр расхода картерных газов, основной показатель технического состояния ЦПГ / Е.В. Николаев, Н.С. Нистратова//Тракторы и сельхоз машины. -2011. -№10. - с. 45...46.

2 Николаев, Е.В. Техническое состояние цилиндро-поршневой группы и расход картерных газов / Е.В. Николаев, Е.М. Филиппова // Техника и оборудование для села. - 2011. -№ 3. -с.41.. .42.

3 Николаев, Е.В. Расход картерных газов отражает техническое состояние ЦПГ двигателя / Е.В. Николаев, Н.С. Нистратова // Техника и оборудование для села. - 2011. -№ 9. -с.41.. .42.

4 Николаев, Е.В. Диагностирование автотракторных двигателей по параметрам расхода и давления картерных газов / Е.В. Николаев// Тракторы и сельхозмашины. - 2012. - №2. -с. 6...7.

5 Николаев, Е.В. Новое оборудование и технологии диагностирования сельскохозяйственной техники / Е.В. Николаев, И.М. Макаркин // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. -№ 11. -с.48,.,49.

6 Николаев, Е.В. Экологическая диагностика тракторов и самоходных машин / Е.В. Николаев, Н.С. Нистратова // Тракторы и сельхозмашины. - 2012. -№ 8. -с.44.

Публикации в описаниях на изобретения, сборниках научных трудов:

1 Николаев, Е.В. Тенденции развития средств диагностики / Е.В. Николаев, Е.М. Филиппова, H.A. Петрищев // Труды ГОСНИТИ. - 2010. - том 105. - с. 73...75.

2 Николаев, Е.В. Факторы, влияющие на параметры диагностирования: расход и давление картерных газов / Е.В. Николаев // Труды ГОСНИТИ. -2011.-том 108. - с. 17...22.

3 Николаев, Е.В. Определение технического состояния цилиндропоршневой группы по расходу картерных газов / Е.В. Николаев, Е.М. Филиппова // Труды ГОСНИТИ. - 2011. - том 108. - с.91.. .94.

4 Николаев, Е.В. Контроль износа ЦПГ / Е.В. Николаев, Е.М. Филиппова // Сельский механизатор. - 2011. -№ 2. - с. 32...33.

5 Николаев, Е.В. Достоверность диагностирования по параметрам картерных газов / Е.В.Николаев // Промышленный салон. Ремонт. Восстановление, реновация // международная научно-практическая конференция. - Уфа: Башкирсткий ГАУ,2013.- 216с.

6 Пат. 108141 Российская Федерация. Устройство для определения технического состояния цилиндропоршневой группы дизельного двигателя по параметрам картерных газов. [Текст] / Черноиванов В.И., Филиппова Е.М., Николаев Е.В., Петрищев H.A., Капусткин А.О., Макаркин И.М.: патентообладатель ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии (RU). №2011105455; заяв. 16.01.2011; опуб. 11.09. 2011.

7 Пат. 2469285 Российская Федерация. Способ диагностирования двигателя внутреннего сгорания с турбокомпрессором. [Текст] / Черноиванов В.И., Филиппова Е.М., Николаев Е.В., Петрищев H.A., Капусткин А.О., Макаркин И.М.: патентообладатель ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии (RU). №2011130425; заяв. 21.07.2011; опуб. 10.12.2012.

Отпечатано в ООО «Издательство Спутник+» ПД № 1-00007 от 26.09.2000 г. Подписано в печать 03.06.2013 г. Тираж 110 экз. Усл. п.л. 1,0 Печать авторефератов (495)730-47-74,778-45-60

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

04201358541 На правах рукописи

УДК 631.357.2

НИКОЛАЕВ ЕВГЕНИЙ ВЛАДИМИРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЦИЛИНДРОПОРШНЕВОЙ ГРУППЫ ДИЗЕЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПО ПАРАМЕТРАМ КАРТЕРНЫХ ГАЗОВ

Специальность: 05.20.03 - технологии и средства технического

обслуживания в сельском хозяйстве

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель -академик РАСХН, доктор технических наук, профессор Черноиванов В.И.

Москва - 2013

ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение.................................................................... 4

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ...... 8

1.1 Дизельный двигатель - как объект диагностирования............ 8

1.2 Анализ существующих методов и средств диагностики цилиндропоршневой группы........................................... 11

1.2.1 Компрессия, падение давления, разряжение в надпоршневом пространстве............................................................... 11

1.2.2 Концентрация продуктов износа в эксплуатируемом масле..... 17

1.2.3 Расход масла на угар...................................................... 20

1.2.4 Виброакустические параметры......................................... 23

1.2.5 Температурные параметры.............................................. 27

1.2.6 Время пуска и мощность двигателя................................... 29

1.2.7 Прорыв газов в картер двигателя....................................... 31

1.3 Система вентиляции картера............................................ 38

1.4 Использование параметров картерных газов при диагностировании за рубежом.......................................... 42

1.5 Задачи исследования..................................................... 43

ГЛАВА 2 ПРОГРАММА И МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ 44

ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ПАРАМЕТРЫ КАРТЕРНЫХ ГАЗОВ..................................................................

2.1 Программа проведения работы................................... 44

2.2 Особенности методики проведения работы......................... 45

2.2.1 Общая методика исследований......................................... 45

2.2.2 Методика определения оптимальных режимов диагностирования......................................................... 49

2.2.3 Экспериментальная установка и оборудование для моделирования факторов, влияющих на параметры картерных газов.......................................................................... 49

2.2.4 Устройство для оценки технического состояния цилиндропоршневой группы по параметрам картерных газов.. 53

2.2.5 Методики исследований факторов, влияющих на параметры картерных газов............................................................ 60

2.3 Опытно-производственная проверка результатов исследования............................................................... 62

2.4 Математическая модель корреляционной зависимости прорыва газов в полость картера от оказывающих воздействие факторов..................................................................... 65

ГЛАВА 3 ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ КРИТЕРИЕВ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ................................................ 72

3.1 Обоснование критериев выбора параметра

диагностирования............................................................................ 72

3.2 Показатели неисправностей двигателя..............................................................78

3.3 Влияние уплотнения цилиндров на прорыв газов....................................80

3.4 Оценка технического состояния цилиндропоршневой группы методом многофакторного регрессионного анализа..............................83

3.5 Влияние динамических явлений в двигателе на параметры картерных газов......................................................................................................................86

3.6 Влияние тепловых условий на величину зазоров диагностируемых сопряжений..................................................................................88

3.7 Влияние моторного масла на прорыв газов в картер

двигателя......................................................................................................................................90

3.8 Прогнозирование остаточного ресурса деталей цилиндропоршневой группы................................................................................................................92

3.9 Выводы по третьей главе................................................................................................97

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ И АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ......................................99

4.1 Результаты экспериментальных исследований влияния факторов, влияющих на параметры картерных газов............................99

4.2 Регрессионная модель, описывающая корреляционную зависимость значений расхода картерных газов от факторов условий и режимов работы двигателя................................................................112

4.3 Применение регрессионной модели в процессе диагностирования..................................................................................................................117

4.4 Принятие решений по результатам диагностирования по параметрам картерных газов......................................................................................120

4.5 Оценка времени, затрачиваемого на операции диагностирования и измерение диагностических параметров... 121

4.6 Рекомендации по доработке элементов и структуры КИ-28292 122

4.7 Выводы по четвертой граве........................................................................................122

ГЛАВА 5 ТЕХНИКО-ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА

РЕЗУЛЬТАТОВ РАБОТЫ............................................................................................124

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ..........................131

Список терминов и определений............................................................................134

Список литературы............................................................................................................137

Приложения................................................................................................................................151

Приложение А. Экспериментальные данные..........................................152

Приложение Б. Технология диагностирования..........................................155

Приложение В. Патент на полезную модель................................................171

Приложение Г. Патент на изобретение..............................................................172

Приложение Д. Свидетельство о награждении медалью....................174

Приложение Е. Акты опытно-производственной проверки..........175

ВВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие в АПК России усилились негативные тенденции в сфере технической оснащенности сельскохозяйственного производства: сокращение численности машинно-тракторного парка отечественного производства, ухудшение его технического состояния, а также моральное и физическое старение.

Сельскохозяйственное производство находится в техническом и технологическом кризисе, практически отсутствует материально-техническая основа роста его эффективности. Наблюдается дальнейшее сокращение парка тракторов, автомобилей, зерно- и кормоуборочных комбайнов, сельскохозяйственных и других машин в сельхозпредприятиях, увеличиваются удельные затраты на поддержание парка в работоспособном состоянии.

Недостаточное количество техники приводит к тому, что не выдерживаются оптимальные агротехнические сроки выполнения полевых работ, а это, в свою очередь, приводит к потерям в конечном продукте. Высокая степень износа машин обуславливает значительные потери урожая при уборке. Кроме того, около 20% техники по причине критического износа не задействовано в полевых работах [52]. Рост цен на расходные материалы, в том числе и на топливо-смазочные материалы, запасные части, привел к росту стоимости технического обслуживания и ремонта машин. Поэтому в производственной эксплуатации техники в настоящее время важнейшими задачами являются максимальное использование имеющихся резервов для эффективного функционирования и эксплуатации МТП. Что в свою очередь делает необходимым освоение прогрессивных форм технического обслуживания, диагностирования, ремонта и хранения сельскохозяйственной техники; разработку новых технических требований и технологии ТО и ремонта машин; освоение стратегии ТО и ремонта по текущему состоянию с определением остаточного ресурса параметров машин.

Для поддержания техники в работоспособном состоянии, своевременного обнаружения неисправностей и предотвращения отказов проводится диагностирование.

Существующее в настоящее время техническое диагностирование дизельных двигателей проводится обычно с частичной разборкой. Такой способ весьма трудоемок, требует значительных материальных затрат и не всегда обеспечивает получение качественных показателей, необходимых для проведения технического обслуживания. Также необходимы диагностические средства, позволяющие проводить измерения параметров технического состояния во время работы в эксплуатационных условиях. Контролируя диагностические параметры и оценивая характер их изменения, можно отслеживать техническое состояние дизеля. Использование современных достижений в информационно-измерительной, вычислительной и радиоэлектронной технике позволяет создать устройства, обладающие высокой точностью и универсальностью. Выбрав диагностический параметр, удовлетворяющий условиям безразборного диагностирования, можно создать устройства для этих целей. Широкое внедрение таких устройств позволяет повысить качество, скорость и объективность контроля, одновременно достигая высокого уровня автоматизации и условий труда при выполнении диагностических работ.

Создание диагностического устройства, которым оценивается техническое состояние цилиндропоршневой группы дизеля по параметрам картерных газов, и совершенствование технологии диагностирования по данным параметрам явилось определяющей целью данной работы. Намеченная цель обусловила постановку задач предстоящих исследований, решение которых позволило выявить закономерности влияния различных факторов на диагностический параметр расхода картерных газов, слабые и сильные стороны рассматриваемого способа диагностирования.

В основу рабочей гипотезы положена возможность повышения качества оценки технического состояния цилиндропоршневой группы по диагностическим параметрам картерных газов без разборки двигателя.

Цель работы. Совершенствование технологии диагностирования цилиндропоршневой группы дизелей по параметрам картерных газов, обеспечивающей повышение точности и достоверности диагностирования при снижении затрат и трудоемкости работ.

Объект исследования. Цилиндропоршневая группа дизельных автотракторных двигателей внутреннего сгорания, расход картерных газов, как диагностический параметр.

Методика исследований. В качестве особенностей основных методик применялись системные исследования, логика научных исследований и математическое моделирование. В результате разработаны уточнения методик лабораторных исследований с применением математической статистики, регрессионного анализа и современных вычислительных средств.

Научная новизна: заключается в установлении закономерностей влияния факторов условий и режимов работы двигателя на диагностический параметр расхода картерных газов, разработке математической модели, отличительной особенностью которой является учет различных факторов при диагностировании ЦПГ автотракторных двигателей, что повышает точность и достоверность диагностирования. Обосновано снижение требуемой температуры охлаждающей жидкости двигателя при диагностировании по параметрам картерных газов.

Практическая ценность работы. На основании проведенных исследований предложена усовершенствованная технология диагностирования цилиндропоршневой группы двигателя по параметрам картерных газов, позволяющая сократить время диагностирования до 2-х раз и повысить точность измерений на 10...20%; разработано устройство, позволяющее измерять расход и давление газов в полости картера.

Реализация результатов исследований. Результаты работы внедрены на предприятиях: ООО «ЭРИДАН-МОТОРС», ОАО «Алексеевскдорстрой», Войсковая часть 44710.

Достоверность результатов работы подтверждается лабораторными и эксплуатационными испытаниями, использованием современных методов и

технических средств исследований, а также экспериментально-теоретическими положениями по математическому планированию эксперимента, получением результата в производстве.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований доложены и обсуждены на международных научно-технических конференциях ГНУ ГОСНИТИ Россельхозакадемии: «Научные проблемы развития ремонта, технического обслуживания машин, восстановления и упрочнения деталей» в 2009-2010гг.; «Научные проблемы технического сервиса сельскохозяйственных машин» в 2011г.; на IV Всероссийской научно-практической конференции «Ремонт. Восстановление. Реновация», Уфа - 19-21 марта 2013г. На 13 международной выставке «Высокие технологии XXI века», проходившей 17-19 апреля 2012г. в Москве, получена медаль за конкурсный проект.

ГЛАВА 1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1 Дизельный двигатель - как объект диагностирования

Эффективная работа тракторов, автомобилей, комбайнов и сложных сельскохозяйственных машин в значительной степени определяется техническим состоянием двигателя. На долю двигателя приходится по отдельным типам машин до 50% основных неисправностей и отказов, а трудоемкость устранения может достигать 40% общего времени устранения отказов и неисправностей машин [28,34,52,62]. После ремонта, согласно данным авторам, количество отказов увеличивается на 20...30%. В самом двигателе наименее надежными являются: системы зажигания и впрыскивания топлива - до 45% отказов; цилиндропоршневая группа - до 20%; охлаждения и смазывания - до 10%; газораспределительный механизм - до 15% [34,48]. Согласно многочисленным исследованиям [1, 2, 12, 15, 27, 61, 65, 82, 87, 124], долговечность как нового, так и капитально отремонтированного двигателя зависит в основном от технического состояния двух сопряжений — «шейка коленчатого вала — вкладыш» и «поршневое кольцо — гильза цилиндра». Отказы, связанные с износом данных сопряжений, являются наиболее частыми причинами капитального ремонта автотракторных дизелей.

Цилиндропоршневая группа (ЦПГ) на 80% определяет ресурс до первого ремонта двигателя внутреннего сгорания [61]. Для поддержания его на высоком уровне необходимо совершенствование методов и средств технического диагностирования. Потребность в техническом диагностировании ЦПГ повысилась также в связи с расширением применения «безразборного восстановления» сопряжений ДВС [35].

Рабочий ресурс автотракторного двигателя внутреннего сгорания (ДВС) зависит, в первую очередь, от состояния деталей цилиндропоршневой группы.

Необходимо определить наступление момента предельного состояния деталей цилиндропоршневой группы двигателя, начиная с которого его эксплуатация экономически неоправданна, и потому должна быть прекращена. Для диагностирования дизелей в соответствии с ГОСТ 23435-79 [142] существует номенклатура диагностических параметров, по которым можно судить о работе дизеля в целом или работе отдельных его агрегатов и узлов. При диагностировании двигателя необходимо проверять прямые (структурные) или соответствующие им косвенные (функционально зависимые от структурных) параметры.

По планово-предупредительной системе обслуживания двигатели подлежат ремонту после выполнения ими определенного объема работ, измеренного в условных гектарах пахоты, мото-часах или килограммах израсходованного топлива, причем этот объем работ установлен одинаковым для однотипных марок двигателей [8]. При установлении указанного объема исходили из предположения, что имеется достаточно тесная связь между износами детали и их наработкой. Однако многочисленные исследования и наблюдения за работой двигателей в различных условиях рядовой эксплуатации свидетельствуют о наличии большого разброса измеренных значений износов деталей, отнесенных к одной и той же наработке [13,20,25,26,27,33,36,88,107,124]. Сроки службы некоторых деталей, например, поршней, гильз цилиндров и поршневых колец могут изменяться в весьма широких пределах в зависимости от многих факторов: исходной микрогеометрии; запыленности воздуха и состояния воздухоочистителя; теплового, нагрузочного и скоростного режимов работы двигателя; физико-химических свойств топлива и масла; состояния других систем двигателя (газораспределения, топливоподачи, смазки) и др. [25, 33, 124].

По данным исследования [28] скорости изнашивания гильз цилиндров двигателей в ряде случаев различаются между собой кратно. Износы верхних компрессионных колец, отнесенные к одной и той же наработке, отличаются друг от друга в 15 раз. По данным других исследователей [51] скорости изнашивания

гильз цилиндров различаются между собой в 12 раз, а скорости изнашивания верхних компрессионных колец - в 17 раз.

Из этого следует, что использование наработки для оценки технического состояния Ц111 приводит к неоправданному увеличению эксплуатационных расходов. Эти расходы связаны как с преждевременными ремонтами двигателей, имеющих значительный недоиспользованный ресурс, так и с аварийными поломками при эксплуатации чрезмерно изношенных двигателей. Значительного сокращения указанных расходов можно добиться лишь в результате разработки и внедрения точных методов диагностирования технического состояния цилиндропоршневой группы.

Определение состояния цилиндропо�