автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.02, диссертация на тему:Выбор рациональных динамических характеристик измерителя давления с целью повышения эффективности диагностирования двигателей внутреннего сгорания

Вв е д е н и а

I. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ ЧАСТОТНЫМ ХАРАКТЕ

РИС'ШКАМ ИНДИКАТОРНЫХ. ДИАГРАММ И ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ.

1.1. Методы измерения давлений в-двигателях внутреннего сгорания.

1.2. Преобразователи давления различных типов.

1.3. Частота собственных колебаний и чувствительность измерителя давления.

1.4. Обзор работ, посвященных определению частотных характеристик индикаторный диаграмм и измерителей давления на основе гармонического анализа.

ХХУ1 съездом КПСС / I /, ноябрьским ( 1982г. ) и июньским ( 1983г. ) Пленумами ЦК КПСС поставлены большие задачи дальнейшего развития и совершенствования социалистического производства, внедрения передовых методов хозяйствования на основе повышения производительности труда, эффективности производства и качества выпускаемой продукции. Решение этих задач зависит от достоверности и качества полученной измерениями информации о ходе тех или иных технологических и рабочих процессов. Большое внимание в XI пятилетке уделяется повышению эффективности двигателестроения, увеличению сроков службы ЛВС,

В Постановлении ЦК КПСС и Совета Министров СССР от 18 августа 1983 г. № 814 указывается на необходимость более полного использования комплексов автоматизированного технологического оборудования, диагностики и прогрессивной технологии в сфере производства, ремонта и контроля тепловозных двигателей.

Повышение экономичности и увеличение сроков службы ДВС может быть достигнуто при регулярном.контроле и последующей регулировке их внутрицилиндровых процессов. При этом большую роль играют методы диагностики двигателей. Наличие разнообразных средств измерений требует правильного их выбора с учетом точности измерительных систем. Важнейшим для диагностирования ДВС являются измерения внутрицилиндровых параметров, характеризующих качество протекания рабочего процесса в цилиндре. К ним относятся среднее индикаторное давление и другие среднеинтегральные давления, максимальное давление цикла и другие дискретные давления.

Для диагностирования ДВС используется множество различных по динамическим характеристикам измерителей, разными свойствами обладает и объект измерения - зависимость давления газа в цилиндре от времени (угла поворота кривошипа), т.е. индикаторная диаграмма. Поэтому выбор рациональных динамических характеристик измерителя и согласование их с параметрами внутрицилиндрового процесса с целью повышения эффективности диагностирования ДВС оказывается весьма актуальной задачей, связанной с выполнением научно-технической программы обеспечения устойчивой работы дизельного парка МПС. Одним из аспектов этой программы является применение средств технической диагностики, что определено Указанием МПС СССР от 29 сентября 1983 года № 2986 пр. Решение поставленной задачи осуществлено цутем разработки методики определения рациональных динамических характеристик измерителя давления с учетом, динамических свойств индикаторной диаграммы на основе граничных аналитических спектров этой диаграммы, полученных при анализе "граничного" сгорания вблизи максимума давления.

На защиту диссертации выносятся следующие основные положения:

- разработка и расчет граничных гармонических спектров индикаторных диаграмм;

- создание методики расчетного определения связей погрешностей измерения с динамическими характеристиками измерителя;

- получение аналитических зависимостей между динамическими погрешностями, собственной частотой и коэффициентом затухания измерителя;

- разработка инженерной методики выбора и расчета измерителя.

- ? ~

I. АНАЛИЗ ИССЛЕДОВАНИЙ, ПОСВЯЩЕННЫХ ЧАСТОТНЫ ХАРАКТЕРИСТИКАМ ИНДИКАТОРНЫХ ДИАГРАММ И ИЗМЕРИТЕЛЕЙ ДАВЛЕНИЯ

I.I. Методы измерения давлений в двигателях внутреннего сгорания.

Регистрация давлений в процессе работы ДВС является одной из наиболее ответственных задач при оценке технического состояния и экономических показателей двигателя, при испытании опытных и серийных образцов, при доводке и коН!фоле работы и в процессе эксплуатации Д В С, Регистрация давлении также дает разнообразную информацию о качестве работы различных элементов и систем двигателей, позволяет анализировать причины неисправностей при их работе.

Однако, индицирование ДВС связано с определенными трудностями. Это объясняется сложностью и быстротечностью протекания рабочего процесса, высокими уровнями давлений и скоростью измерения давления, вибращй и температур, а также, неудобствами при монтаже измерительного оборудования.

Причем, в каждом конкретном случае требуется определенная точность при индицировании, что накладывает соответствующе требования на измерительную аппаратуру.

На протяжении более ста лет ведутся поиски наиболее совершенной и удобной аппаратуры для регистрации внутрипилиндровых процессов.

На основании проведенных исследований современной измерительной аппаратуры можно сформулировать основные требования, предъявляемые к измерителям:

1. Необходимая (определяемая целями исследования) точность.

2. Стабильность характеристик»

3. Надежность работы и удобство эксплуатации; простота конструкции;

4. Возможность дистанционного измерения,

5. Достаточно продолжительный ресурс работы;

6. Приемлемые габариты.

Из большого числа различных видов индикаторов, применяемых со времени создания первых паровых машии (мех.индикатор Д.Уатта) /60/ сохранили практическое значение и применяются до наших дней три вида измерителей: I. механические, 2. пневмо-э лексические, 3. электрические.

ОБВДЕ ВЫВОДЫ

1. Разработан метод построения граничных аналитических спектров индикаторных диаграмм, необходимый для обоснованного анализа точности аппаратуры, индицирующей ДВС.

2. Граничные аналитические спектры индикаторных диаграмм получены на основании общей теории граничных аналитических моделей индикаторных диаграмм двигателей внутреннего сгорания с учетом детального изучения протекания " граничного" сгорания вблизи пика давления диаграммы.

3. Рассчитаны граничные аналитические модели индикаторных диаграмм и граничные аналитические спектры для двигателей с разными степенями сжатия.

4. Обоснованы связи между динамическими характеристиками индикаторной диаграммы и чувствительного элемента измерителя давления.

5. Установлено, что по мере увеличения числа гармоник при синтезировании индикаторной диаграммы, сумма их амплитуд изменяется волнообразно с периодом в 20. 30 гармоник. Начиная с числа гармоник, равного 50. 70 ( в зависимости от степени сжатия двигателя) увеличение его приводит к уменьшению амплитуд волнообразной щшвой; постоянная же составляющая волны остается неизменной.

6. Показано, что погрешностью измерения давления возникающей вследствие несоответствия динамических характеристик индикаторной диаграммы и измерительной аппаратуры, следуй® считать разность между значением постоянной составляющей, названной выше волнообразной кривой и истинным значением измеряемой величины при бесконечно большом числе гармонических составляющих индикаторной диаграммы.

Эта погрешность зависит от конфигурации индикаторной диаграммы, чаототы собственных колебаний и коэффициента затухания измерительной системы.

7. Наименьшие погрешности измерения при любых индикаторных диаграммах и частотах собственных колебаний измерительной системы наблюдаются при коэффициентах затухания, равных 0,4. 0,5.

8. Получены количественные зависимости максимально возможных погрешностей измерения давления от частоты собственных колебаний и коэффициентов затухания.

Показано, например, что при наибольшей частоте измерительной системы в 140 раз превышающей частоту первой гармоники ее ( ^о )* погрешность измерения давления для любой индикаторной диаграммы не превышает 1% при коэффициенте затухания, лежащем в пределах от 0,01 до I; при = 200, погрешность не превышает 0,4$ и т.д.

9. Установлено, что фазовой погрешностью измерителя давления практически можно пренебречь, поскольку она не превышает десятых долей градуса.

10. Установлено, что наибольшие погрешности возникают при измерении максимального давления в цикле двигателя.

II, Произведено экспериментальное определение спектра реальных индикаторных диаграмм двигателей тракторного и тепловозного типов.

Анализ этих спектров, а также экспериментальных данных, полученных ранее различными исследователями, показал, что все известные реальные спектры при синтезировании их,более благоцриятны с точки зрения ошибки определения давления, чем граничные аналитические спектры. Установлено, таким образом, что данные, полученные с помощью граничных аналитических спектров, можно использовать для анализа максимальных ошибок измерителей давления в цилиндре ДВС.

12* Даны практические рекомендации для выбора частот собственных колебаний измерителей давления и их коэффициентов затухания для двигателей с разными степенями сжатия и числами- оборотов.

У 13. Произведенный технико-экономический расчет эффективности результатов внедрения исследования показал, что для тепло-возоремонтного завода, ремонтирующего около 400 локомотивов в год, экономический эффект от внедрения результатов исследования составляет 8,5 тысяч рублей.

При разработав и создании датчиков давления конструкции РНИЖТа годовая экономическая эффективность составила 5728 рублей.

1. Материалы Ш1 съезда КПСС. М., Политиздат, 1981, 223с.

2. Агейкин Д.И. Датчики контроля и регулирования. М., Машиностроение, 1965, 928с.

3. Адлер Ю.П. Введение в планирование эксперимента. М., Металлургия, 1968, 155 с»

4. Андреева А.В. Упругие элементы приборов. М., Машиностроение, 1981, 392 с.

5. Анкуданов Д.Т., Мамаев К.Н. Малогабаритные тензодатчики сопротивления. М., Машиностроение, 1968, с. 188.

6. Бидин В.И., Зайцев Б.Ф. Зарубежные тензометркческие датчики давления. "Приборостроение". № 9, 1966, с.27.

7. Бронштейн И.Н. Справочник по матиматике. М., IIТТЛ, 1953,

8. Васильев А.В., Раппопорт Д.М. Приборы для испытаний тракторов и сельскохозяйственных машин. "Научно-техническое общество машиностроительной продукции". М., 1963, 145с.

9. Вияарский М.С., Лурье М.В. Планирование эксперимента в технологических исследованиях. Киев, "Техника", 1975, 167 с.

10. Вознесенский В.А. Статистические методы планирования эксперимента в технико-экономических исследованиях. М./'Статистика, 1974, 191 с.

11. Волчок Л.Я. Методы измерений в двигателях внутреннего сгорания. М.-Л., Машгиз, 1955, 270 с.

12. Григорьев В.Г., Лазурко В.П. Анализ полосы пропускания частот измерителей максимальных давлений цикла (максиметров) -двигателей внутреннего сгорания. 'Труды ЦНИДИ, вып. 70, 1976, с. 92-99.

13. Жданов А.А. Индуктивные датчики давления "Передовой научно-технический и производственный опыт". ЩТЭИ. Вып. 13, тема II, I960, с.Ю.

14. Жданов А.А., Михайличенко Н.Г. Индуктивные датчики для исследования процессов двигателя внутреннего сгорания. "Известия высших учебных заведений" Электромеханика, № 5, 1961, с.17.

15. Зябкина Г.А., Байшева Л.М. Приборы для измерения и регулирования давления, перепада давления и разрежения. ЩЙИТЭИ -Приборостроения, М., 1972» 142 с.

16. Инструкция и руководство по эксплуатации завода-изготовителя анализаторов С5-3 , 52 с.

17. Катыо Г.П. Методы и приборы для измерения параметров нестационарных тепловых процессов. М., Машгиз, 1959, 218 с.

18. Киселев М.П. Исследование некоторых погрешностей при индици-ровании дизелей электрическим индикатором. Диссертация. Ш1., Харьков, 1974, 140 с.

19. Киселев М.П. Определение частотного спектра' индикаторной диаграммы. "Двигатели внутреннего сгорания". Х.Г.У., вып. 15, 1972, с. 77-83.

20. Киселев М.П. Универсальный индикатор для измерения давлений и перемещений в двигателях. Материалы всесоюзного совещания. "Методы и аппаратура для исследования-автомобильных двигателей и их агрегатов. М., Машпром, 1961, 21с.

21. Курков М.Ф. Индуктивный преобразователь давления ИГЩБС-ЮО с естественным охлаждением для индицирования двигателей внутреннего сгорания. Труды РИИЖТа, Ростов-на-Дону, вып. 134, 1976, с. 3-12.

22. Курков М.Ф. Некоторые результаты усовершенствования индуктив--ных датчиков давления. Труды РИИЖТа, Ростов-на-Дону, вып. 106, 1974, с. 38-44.

23. Курков М.Ф. Определение технических характеристик индуктивного -датчика давления с естественным охлаждением для ДВС. Научно-технический отчет. Ростов-на-Дону, 1976, 150 с.

24. Дазурко В.П. частотный спектр индикаторного процесса ДВС как объект измерения "Энергомашиностроение" № 3', 1978, с. 26-27.

25. Магнитский 10.А. Аналитические модели процессов расширения и сжатия газа в цилиндре двигателя внутреннего сгорания. Межвузовский сборник научных трудов. Вып. 146. РИИЖТ, Ростов-на-Дону, 1978, с. 29-35».

26. Марьясин ИЛ. Пьезоэлектрический.датчик давления "Приборы и системы управления". 8, 1967, с. 38-39.

27. Методика определения экономической эффективности использования в народном хозяйстве новой техники, изобретений и рационализаторский предложений-Госком СССР по делам изобретений и открытий. М., 1982, с. 40.

28. Николаев Г.В., Шапиро Э.Т. Малогабаритные электрические датчики давления. "Приборы и системы управления" № 8, 1967.с. 50-51.

29. Новиков JI.В., Смирнова Р.С. Полупроводниковый датчик давления с кольцевыми элементами. "Приборы и системы управления" № 5, с. 21-23.

30. Новицкий П.В. Электрические измерения неэлектрических величин. Л., Энергия, 1975, 576 с.

31. Описание .анализатора спектра фирмы RFT типа FSP (инструкция завода-изготовителя) Шс.

32. Орлин А.С. Двигатели внутреннего сгорания. 2-х -томник, т. I, М., 1957. 396 с.

33. Осадчий Е.П. Проектирование датчиков для измерения механических величин. М,, Машиностроение, 1979, 480 с.

34. Плешко А.И., Перфильев В.В. О влиянии подсоединительных кана- -лов на работу датчиков давления. "Измерительная техника" № 3, 1957, 20-22.

35. Пособие для расчета экономического.эффекта от использования изобретений и рационализаторских предложений. ГОСКОМ СССР по делам изобретений и открытий. М., 1983, 93 с.

36. Пустыльник Е*И. Статистические методы анализа и обработки наблюдений. М., Наука, 1968, 288 с.

37. Розенблит Г,Б., Виленский П.И., Горелик Я.И. Датчики с проволочными преобразователями для исследования двигателей внутреннего сгорания. М., "Машиностроение", 1966,

38. Савельев И.В. Курс общей физики 2х~томник, т.1, М., Физмат-гиз, 1962, 404 с.39. (^ебрянников М.Г. Гармонический анализ. Гостехиздат, 1948,

39. Соломоник В.А. Оценка .влияния погрешностей измерения нестационарных давлений в двигателях внутреннего сгорания. Измерительная техника" № 5, 1979, с. 26-27.

40. Сороко-Новицкий В.И. Испытание автотракторных двигателей. М., Машгиз, 1950, 532 с,

41. Справочник "Дизели". JI., Машиностроение, 1977, 475 с.

42. Справочник машиностроения в 6-ти томах. Т.З, М., Гостехиз-дат, 1962, с. 164.

43. Стефановский Б.С., Скобцов Е.А., Кореи Е.К. и др. Испытание двигателей внутреннего сгорания. 1УЦ., Машиностроение 1972, 367 с.

44. Стечкин Б.С., Генкин К.И., Золотаревский B.C. и др. Индикаторная диаграмма, динамика тепловыделения и рабочий цикл быстроходного поршневого двигателя. М., "Академия наук СССР", I960, 199 с.

45. Теплотехнические испытания тепловозных дизелей 2Д100. Научно-технический отчет. РИЙЖТ, 1961, 84 с.

46. Трухачев Б.С., Заседателев С.М, Полупроводниковые датчики механических величин на современном этапе. "Приборы и системы управления" f I, 1981, с. 15-18.

47. Тюнин А.А. Тензорезисторный цилиндрический преобразователь давления. "Измерительная техника",В 9, 1978, с. 55-56.

48. Харкевич А.А. Спектры и анализ. М., Гостехиздат, 1953, 215 с.

49. Шафрановский Н.З. Тепловозы. Трансжелдориздат, 1955, 556 с.

50. Tlozton %%. PiezoeizcitLc, ptessuzetbccnsoiucezs 7nsixu-menis and ConiwB Sustems, /\/2t ШЗ, p. SS-23.57. flo%ion W.71. Sizain-gaye pzessuze i%ansduae%s Vn&Uumenis and Conlzot Systems, Л/3, </963, p. Ю-М.

51. Pzessuze izansducezs, CLutomokte Sngineez, A/6,mr% p.

52. Эаедег X.H ^noLizlezen von 2)itstimoiozen Mi (Licit -iecknik, №G> p. №-269, 302-304.

53. Vimjcomft R.X. S&dwnic. SngLne ynoiicaiozs -with Special /Zefezence to Some Recent йтегсеапdesigns. 9*he institution of meckanicaS engineers, H2t /95/, vol №.