CC BY
118
УДК 629.33
Пузаков А.В.
Оренбургский государственный университет E-mail: [email protected]
ОБОСНОВАНИЕ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ АВТОМОБИЛЬНЫХ ГЕНЕРАТОРНЫХ УСТАНОВОК
В статье приводится обоснование диагностических параметров, характеризующих работоспособность автомобильной генераторной установки. Рассмотрено взаимодействие структурных и диагностических параметров и установлен диапазон значений структурных параметров, превышение которого ведет к изменению диагностического параметра. Предложено оценивать состояние генераторной установки по величине размаха выходного напряжения.
Ключевые слова: автомобильная генераторная установка, структурный параметр, диагностический параметр.
Электрооборудование современного автомобиля представляет собой разветвленную сеть последовательно или параллельно включенных источников и потребителей электрической энергии [1]. Несмотря на то, что источниками энергии являются и генераторная установка, и аккумуляторная батарея, за основной источник энергии принимают автомобильный генератор. Современная генераторная установка, объединяющая в своем составе генератор и регулятор напряжения, это достаточно надежное устройство, почти не требующее технического обслуживания в процессе эксплуатации (за исключением замены щеток). Внезапный отказ генераторной установки не оказывает негативного влияния на безопасность движения и работу других агрегатов автомобиля, поскольку питание продолжает обеспечивать аккумуляторная батарея. Однако, агрегаты современного автомобиля обладают большим электропотреблением, и отказ генератора приводит к прекращению транспортного процесса, поскольку аккумуляторная батарея не способна обеспечивать питанием бортовую сеть больше 30-40 минут. Кроме того, такой режим работы неблагоприятно сказывается на самой батарее.
Следовательно, возникает необходимость в контроле состояния генераторной установки. В руководствах по эксплуатации транспортных средств оценку состояния генераторной установки предлагается проводить с помощью средств приборной панели автомобиля (амперметра, вольтметра - в устаревших моделях, или контрольной лампы). Контрольная лампа позволяет выявить лишь одну из неисправностей генераторной установки - обрыв обмотки ротора, то есть несет сообщение «Генератор неисправен». Более информативными являются
амперметр и вольтметр, но тот факт, что генератор работает параллельно с аккумуляторной батареей, существенно снижает возможность своевременного определения симптомов нештатной работы генератора.
Таким образом, актуальной является задача прогнозирования работоспособности генераторной установки автомобиля, решаемая с помощью специальных способов и средств диагностирования.
Цель данной статьи является выбор и обоснование диагностического параметра, характеризующего работоспособное состояние генераторной установки.
На сегодняшний день сложилась определенная система выбора диагностического параметра изделий и систем электрооборудования, выполняемая в следующем порядке [2]:
- выявляют наиболее часто повторяющиеся отказы и повреждения по результатам эксплуатации;
- анализируют причинно-следственные связи неработоспособных или исправных элементов изделия и его выходных параметров;
- составляют блок-схему причинно-следственных связей по цепи: агрегат или сборочная единица — сопряжение или элемент — структурный параметр — характер неисправности — симптом — диагностический параметр.
Из рисунка 1 следует, что наибольшая часть отказов приходится на регулятор напряжения (29%), который в современных генераторных установках конструктивно объединяет щеткодержатель и собственно регулятор напряжения, и выпрямительный блок (21%). Остальные неисправности сводятся к обмоткам ротора и статора (суммарно 41%) и механическим частям генератора.
Причинами возникновения вышеуказанных неисправностей являются:
- износ и коррозия (износ щеток и подшипников) от 18 до 25%;
- низкое качество изготовления комплектующих, от 10 до 20% в зависимости от модели;
- нарушение правил эксплуатации или работа вне установленных нормативами режимов, от 20 до 35%;
- внешние факторы (вода и другие жидкости, высокая температура, грязь, песок, дорожная «химия») от 25 до 40%.
Уровни поиска неисправностей определяем по следующей схеме:
1) детали и сборочные единицы, из которых состоит автомобильная генераторная установка;
2) сопряжение или элемент генераторной установки или её сборочных единиц, подвергаемых в процессе эксплуатации воздействию дестабилизирующих факторов (например, температура, влажность и вибрация);
3) структурные параметры, характеризующие исправность или работоспособность элементов или сопряжений генераторной установки;
4) возможные состояния неисправности и неработоспособности;
5) симптомы состояний неисправности и неработоспособности;
6) возможные диагностические параметры, чувствительные к изменению структурных параметров.
Рассмотрим блок-схему уровней поиска неисправностей и причинно-следственных связей на примере автомобильной генераторной установки (рисунок 2).
1-й уровень:
1-1 - подшипники генератора; 1-2 - ротор генератора в сборе; 1-3 - щеткодержатель со встроенным регулятором напряжения; 1-4 - выпрямительный блок; 1-5 - статор генератора в сборе.
2-й уровень:
2-1 - сопряжение вал ротора - подшипники; 2-2 - сопряжение обмотка ротора - контактные кольца; 2-3 - сопряжение вал ротора -контактные кольца; 2-4 - сопряжение обмотка ротора - корпус ротора; 2-5 - сопряжение щётки - контактные кольца; 2-6 - сопряжение щётки - регулятор напряжения; 2-7 - сопряжение конденсатор - регулятор напряжения; 2-8 - сопряжение выпрямительный блок - регулятор напряжения; 2-9 - сопряжение обмотка статора - выпрямительный блок; 2-10 - сопряжение обмотка статора - статор.
3-й уровень:
3-1 - посадка подшипников; 3-2 - сопротивление обмотки ротора; 3-3 - сопротивление изо-
Рисунок 1. Распределение неисправностей автомобильных генераторных установок
по данным эксплуатации
ляции контактных колец; 3-4 - сопротивление изоляции обмотки ротора; 3-5 - сопротивление между щётками и контактными кольцами; 3-6 -целостность соединений внутри щёткодержателя/регулятора напряжения; 3-7 - сопротивление провода конденсатор - регулятор напряжения; 3-8 - ёмкость конденсатора; 3-9 - сопротивление между выпрямителем и щёткодержателем;
3-10 - сопротивление диодов выпрямительного блока; 3-11 - сопротивление между обмотками статора и выпрямительным блоком; 3-12 - сопротивление фаз обмотки статора; 3-13 - сопротивление изоляции обмоток статора; 3-14 - зазор между ротором и статором.
4-й уровень:
4-1 - износ подшипников генератора;
4-2 - межвитковые замыкания обмотки ротора; 4-3 - нарушение контакта в месте пайки выводов обмотки ротора к контактным кольцам; 4-4 - обрыв обмотки ротора; 4-5 - замыкание обмотки ротора на корпус; 4-6 - ослабление пружин щеткодержателя; 4-7 - окисление поверхности контактных колец; 4-8 - замасливание поверхности контактных колец; 4-9 - зависание щеток; 4-10 - износ щеток; 4-11 - обрыв щеточных поводков; 4-12 - отказ регулятора напряжения; 4-13 - обрыв провода кон-
денсатора; 4-14 - пробой конденсатора; 4-15 -нарушение пайки; 4-16 - пробой диодов выпрямителя; 4-7 - обрыв внутренней цепи диодов выпрямителя; 4-18 - нарушение пайки; 4-19 - обрыв фазных обмоток статора; 4-20 -межвитковые замыкания в обмотках статора; 4-21 - замыкание обмоток статора на корпус;
4-22 - задевание ротора за статор. 5-й уровень:
5-1 - снижение величины выходного напряжения; 5-2 - повышение температуры обмоток;
5-3 - отсутствие выходного напряжения; 5-4 -повышение величины выходного напряжения;
5-5 - повышенный шум при работе; 5-6 - отклонение формы выходного напряжения.
6-й уровень:
6-1 - температура обмоток генератора;
6-2 - величина и форма выходного напряжения; 6-3 - уровень шума при работе.
Параметры шестого уровня определяют непосредственно на автомобиле без разборки и снятия генераторной установки с двигателя.
Таким образом, получены три диагностических параметра, характеризующие работоспособность генераторной установки, однако уровень шума позволяет оценить лишь состояние механической части генератора, а температура обмо-
Рисунок 2. Блок-схема причинно-следственных связей и уровни поиска неисправностей автомобильной генераторной установки
ток не обладает достаточной чувствительностью, поскольку при нормальной работе обмотки нагреваются до 70оС и более и перегрев на уровне 5оС сложно диагностировать. Поэтому в качестве основного диагностического параметра принимаем величину и форму выходного напряжения генераторной установки.
Установлена качественная взаимосвязь структурных и диагностических параметров генераторной установки, однако для определения влияния того или иного структурного параметра на величину и форму выходного напряжения необходимо установить количественные характеристики их взаимодействия.
В процессе экспериментальных исследований на базе лаборатории «Электрооборудование автомобилей» транспортного факультета Оренбургского государственного университета, были определены диапазоны значений структурных параметров, в которых наблюдается или не наблюдается изменение величины и формы выходного напряжения генераторной установки. Результаты были сведены в таблицу 1.
Исходя из данных таблицы 1, условие работоспособности генераторной установки можно представить в виде:
Яр > 0,85 ■ Ярн Яикк > 10 кОм Яиор > 10 кОм Ящк > 0,1 кОм Ящ < 10 кОм Явщ < 0,1 кОм 10 кОм > Rд > 0,1 Ом Лев < 0,1 кОм Яе > 0,85 ■ Rен Лиое > 10 кОм
иВЫх = /
(14,2 - 14,8)В (1)
Несоблюдение условий в скобках приводит к отклонению диагностического параметра иеых за пределы допустимых значений. Гораздо сложнее оценить отклонение формы выходного напряжения. Для этой цели принято использовать осциллографы, как переносные, так и стационарные, причем только первые могут использоваться для диагностирования генераторной установки непосредственно на автомобиле. Многочисленные источники [3], [4] описывают осциллограммы исправных генерато-
Таблица 1. Диапазон значений структурных параметров
Наименование структурного параметра Диапазон значений Причина изменения Влияние на диагностический параметр
1. Сопротивление обмотки ротора < 0,85-Ярн Межвитковые замыкания ивых ^
2. Сопротивление изоляции контактных колец Яикк < 10 кОм Пробой изоляции ивых=0
3. Сопротивление изоляции обмотки ротора Яиор < 10 кОм Пробой изоляции ивых=0
4. Сопротивление между щётками и контактными кольцами ЯщК > 0,1 Ом Нарушение контакта ивых ^ , изменение формы
5. Целостность соединений внутри щёткодержателя/регулятора напряжения > 10 кОм Отказ щёткодержателя/регулятора напряжения ивых=0 ивых
6. Сопротивление провода конденсатор - регулятор напряжения, ёмкость конденсатора Япк > 10 кОм, С < 0,85-Сн Обрыв провода, пробой конденсатора Изменение формы
7. Сопротивление между выпрямителем и щёткодержателем Явщ > 0,1 Ом Нарушение контакта ивых ^ ивых=0
8. Сопротивление диодов выпрямительного блока 10 кОм < Rд < 0,1 Ом Пробой диода, обрыв цепи диода Изменение формы, ивых ивых=0
9. Сопротивление между обмотками статора и выпрямительным блоком Ясв > 0,1 Ом Нарушение контакта ивых ^ ивых=0
10. Сопротивление фаз обмотки статора < 0,85-КСн Межвитковые замыкания ивых ^
11. Сопротивление изоляции обмоток статора Яиос < 10 кОм Пробой изоляции ивых=0
а) неисправная генераторная установка б) исправная генераторная установка
Рисунок 3. Осциллограммы выходного напряжения генераторной установки
ров, и с возникшими неисправностями, однако их многообразие затрудняет формализацию и математическое описание.
Большинство осциллограмм имеет форму, показанную на рисунке 3, разница заключается в количестве и размерах характерных «пиков» и «провалов», в тоже время при отсутствии неисправностей выходное напряжение представляет практически прямую линию.
Таким образом, сравнивая осциллограммы, и привлекая термины метрологии и теории измерений [7] можно сделать вывод, что основным отличием формы выходного напряжения исправной генераторной установки является малая величина размаха (см. рисунок 4).
Размах сигнала (Хр) - разность между максимальным и минимальным значениями сигнала на протяжении заданного интервала времени: Хр=Хтах-Хтт=Хв.в.+Хв.н. (2) Ряд проведенных экспериментов показал, что размах выходного напряжения исправной генераторной установки не превышает 0,2 В, а возникновение неисправностей приводит к зна-
чительному увеличению размаха (до 8,2 В), причем амплитуда напряжения может практически не измениться.
Тогда условие работоспособности (1) следует расширить:
и = /
Ящк < 0,1 Ом Япк > 10 кОм С > 0,85 ■ Сн 10кОм > Яд > 0,1 Ом
^ Хр < 0,2 В . (3)
Рисунок 4. Параметры измеряемых сигналов
Выводы:
1. Для сокращения простоев автомобилей и предотвращения внезапных отказов необходимо осуществлять контроль текущего состояния генераторных установок.
2. Анализ взаимосвязей структурных и диагностических параметров генераторной установки позволил выделить в качестве наиболее информативных параметров амплитуду и форму выходного напряжения.
3. Проведенные исследования позволили установить диапазон влияния структурных параметров на диагностические параметры.
4. Сравнение формы осциллограмм выходного напряжения генераторных установок показало, что выводы об их исправности/неисправности можно сделать на основе измерения размаха сигнала.
5. В дальнейшем, на основе обработки полученной информации предполагается прогнозирование текущей работоспособности и остаточного ресурса автомобильных генераторных установок.
6.06. 2014
Список литературы:
1. Сергеев, А.Г. Диагностирование электрооборудования автомобилей /А.Г. Сергеев, В.Е. Ютт. - М.: Транспорт, 1987. - 159 с.
2. Набоких, В.А. Диагностика электрооборудования автомобилей и тракторов: Учебное пособие / В.А. Набоких. -М.: Форум: НИЦ Инфра-М, 2013. - 288 с.
3. Постоловский, В.Д. Диагностика автомобильных генераторов / В.Д. Постоловский // Автомастер - 2009. - №5. - С. 15-18.
4. Передерий, А.Н. Генератор без загадок / А.Н. Передерий // Автомастер - 2010. - №2. - С. 15-17.
5. Пузаков, А.В. Метод диагностики генераторных установок / А.В. Пузаков // Повышение эффективности эксплуатации автотранспортных средств на основе современных методов диагностирования: материалы междунар. научн.-практ. конф.-Иркутск: ИрГТУ, 2007.- C. 197-199
6. Пузаков, А.В. Совершенствование диагностики генераторных установок автомобилей / А.В. Пузаков, Е.В. Бондаренко, А.М. Федотов // Прогрессивные технологии в транспортных системах: материалы Х междунар. научн.-практ. конф. -Оренбург: ОГУ, 2011. - C. 246-249
7. Козлов, М.Г. Метрология и стандартизация: Учебник / М.Г. Козлов- СПб.: Изд-во «Петербургский ин-т печати», 2001. -372 с.
8. Зарандия, Ж.А. Диагностирование генераторных установок автомобилей / Ж.А. Зарандия, В.Д. Рогачев, В.В. Нечаев // Вестник ТГТУ - 2004. - Том 10. - С. 1109-1112
Сведения об авторе:
Пузаков Андрей Владимирович, старший преподаватель кафедры технической эксплуатации и ремонта автомобилей транспортного факультета Оренбургского государственного университета
460000, г. Оренбург, пр-т Победы, 149, ауд. 10302, тел. (3532) 912224, е-mail: [email protected]
