CC BY
16
УДК 621.436.001.41
РЕЗУЛЬТАТЫ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ ОБКАТКОЙ ДВС С ДИНАМИЧЕСКИМ НАГРУЖЕНИЕМ
С. В. Тимохин, доктор техн. наук, профессор; К. Л. Моисеев, аспирант
ФГОУ ВПО «Пензенская ГСХА», т. (8412)628579
Дано обоснование необходимости совершенствования оборудования для обкатки ДВС с динамическим нагружением применением микропроцессорных систем управления; определены требования к тягово-скоростным показателям универсального исполнительного механизма, присоединительному устройству и оснастке; разработана его кинематическая и электрическая схемы и приведены результаты лабораторных исследований разработанной автоматизированной системы управления.
Ключевые слова: обкатка, приработка, тормозное и бестормозное динамическое нагружение, цикл динамического нагружения, угловое ускорение разгона и выбега.
В современных условиях сокращение запасов полезных ископаемых, рост цен на энергоносители, сырьевые и другие ресурсы требуют разработки и использования эффективных энерго - ресурсосберегающих технологий во всех сферах народного хозяйства. В области эксплуатации машинно - тракторного парка АПК страны актуальными являются задачи снижения затрат на содержание, восстановление и ремонт сельскохозяйственной техники, повышения её надежности и долговечности, улучшения технико-экономических и других показателей [1].
Существенное влияние на надежность и долговечность двигателей оказывает качество их обкатки перед вводом в эксплуатацию. При проведении обкатки в полном объеме на рекомендованных режимах достигается оптимальная приработка сопряжений, обеспечивающая максимально возможную долговечность их работы, кроме этого выявляются и устраняются неисправные узлы и детали, что повышает надежность техники в эксплуатации.
Применяемые в настоящее время технологии и средства обкатки ДВС имеют недостатки методического, технико-экономического и экологического характера [2-6], устранить которые в значительной степени можно, используя метод динамического нагружения сопряжений и деталей дизелей инерционными силами [7, 8], возникающими при работе на бестормозных неустановившихся скоростных режимах [9].
Обкатка дизелей с динамическим на-гружением (ДН) реализуется на циклических режимах увеличения (разгона) и уменьшения (выбега) частоты вращения коленчатого вала в определенном интер-
вале с постепенным ростом углового ускорения. Это достигается управлением топ-ливоподачей по закону, обеспечивающему ее включение на такте разгона, фиксирование для каждой ступени обкатки и отключение при выбеге.
Для реализации режимов приработки с динамическим нагружением дизелей необходимы автоматизированные системы управления (АСУ) обкаткой ДВС с исполнительными механизмами (ИМ), воздействующими на органы управления топливо-подачей (рычаг регулятора частоты вращения (РЧВ), рейку топливного насоса высокого давления дизелей или привод дроссельной заслонки карбюраторных ДВС). Ранее были разработаны такие системы [10], однако развитие микропроцессорной техники позволяет значительно улучшить их показатели в плане максимальной автоматизации процесса задания и поддержания нагрузочно-скоростных и других режимов обкатки, повышения производительности труда и качества приработки за счет учета индивидуальных особенностей ДВС. Основные параметры АСУ-ДН и ее универсальность в значительной степени определяются параметрами исполнительного механизма, в связи с чем задача разработки такого механизма является актуальной.
В связи с вышеизложенным основными задачами экспериментальных исследований являлись:
1) определение требований к тягово-скоростным показателям ИМ, присоединительному устройству и оснастке;
2) разработка кинематической схемы ИМ и системы управления рычагом РЧВ дизеля в целом;
3) разработка электрической схемы исполнительного механизма адаптированной для работы с микропроцессорной системой управления (МСУ-ДН);
4) разработка алгоритма и электрической схемы блока управления АСУ-ДН;
5) изготовление макетного образца АСУ-ДН и проведение его лабораторных исследований.
В рамках решения первой задачи были проведены стендовые испытания топливных насосов высокого давления с целью определения усилий на рычагах РЧВ отечественных автотракторных дизелей основных марок. Кроме этого были определены конструктивно-кинематические параметры привода рычагов РЧВ, в том числе максимальный угол его поворота, диаметр отверстия оси тяги привода и радиус рычага РЧВ, а также конструкция и точки установки кронштейнов для крепления оплетки троса ИМ.
В результате проведенных исследований было установлено, что максимальные значения усилия на рычаге РЧВ не превышают 200 Н, угла поворота - 80 градусов, радиуса оси тяги - 70 мм, при диаметре отверстий оси тяги 6-8 мм. Определены координаты установочных отверстий и требуемые размеры кронштейнов для крепления оплетки троса ИМ на корпусе РЧВ или ТНВД. На основании полученных результатов были определены требования к параметрам мотор-редуктора ИМ и кулачкового преобразователя, а также была разработана конструкция универсального при-
соединительного устройства (шкив-сектора) и кронштейна для ТНВД типа УТН-5 и его модификаций.
В соответствии со второй задачей разработана кинематическая схема привода рычага РЧВ 1 с кулачковым ИМ (рис. 1), отличающаяся от ранее известных наличием второго мотор-редуктора 11 для дистанционного управления скоростным режимом ДВС МСУ-ДН и конструкцией шкив-сектора 2 с набором отверстий 13 для его установки на ТНВД различных марок.
Для решения третьей задачи была разработана электрическая схема ИМ, включающая первый мотор-редуктор постоянного тока с датчиками угловых положений выходного вала, второй реверсивный мотор-редуктор, а также датчики крайних положений плиты ИМ.
Согласно разработанному алгоритму работы АСУ-ДН с кулачковым ИМ цикл ДН осуществляется следующим образом: 1 -перед началом такта разгона для обеспечения идентичности начальных условий предусматривается такт стабилизации угловой скорости коленчатого вала (УСКВ), который обеспечивается остановкой кулачка ИМ в зоне минимального радиуса на необходимое время (время паузы) по сигналу первого датчика угла поворота; 2 - по окончании такта стабилизации подается питание на первый мотор-редуктор с соответствующей величиной напряжения, задаваемого для каждой ступени рукояткой «Нагрузка», происходит поворот вала мотор-редуктора, кулачка, перемещение ка-
/ 2 13 3 4 5 10 7 9 6 11 12 8
Рис. 1. Кинематическая схема привода рычага РЧВ с кулачковым исполнительным механизмом: 1 - рычаг РЧВ; 2 - шкив-сектор; 3 - тросик; 4 - предохранительная пружина; 5 - каретка (ползун); 6 - шарикоподшипник; 7 - кулачок; 8 - 1-й мотор-редуктор постоянного тока; 9 - плита; 10 - винт перемещения плиты; 11 - 2-й мотор-редуктор; 12 - рукоятка ручного управления скоростным режимом ДВС; 13 - установочные отверстия шкив-сектора
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 85
ретки, троса и поворот рычага РЧВ в сторону увеличения УСКВ; 3 - при достижении максимального радиуса кулачка по команде второго датчика угла поворота напряжение питания первого мотор-редуктора увеличивается до номинального значения, что приводит к быстрому повороту кулачка в зону минимального радиуса; 4 - по команде первого датчика угла поворота в зоне минимального радиуса срабатывает схема электродинамического торможения якоря мотор-редуктора с последующим выключением напряжения питания на время такта стабилизации.
Электрическая схема блока управления АСУ-ДН содержит: блок питания, состоящий из силового понижающего трансформатора, диодного моста, фильтра и интегрального стабилизатора напряжения; широто-импульсный регулятор напряжения питания мотор-редуктора, таймер, систему динамического торможения мотор-редуктора, переключатель режимов работы и прибор ИМД-ЦМ, предназначенный для контроля величины УСКВ, а также углового ускорения коленчатого вала (нагрузочного динамического момента).
На основании разработанных электрических и кинематических схем был изготовлен макетный образец АСУ-ДН и проведены его лабораторные исследования [11, 12]. Для их проведения была сформирована экспериментальная установка, со-
держащая АСУ-ДН, пружинный динамометр, электронно-лучевой С1-68 и цифровой ивВ осциллографы, персональный компьютер, датчики хода каретки ИМ, тока и напряжения питания мотор - редуктора, а также набор грузов общей массой 20 кг. Исполнительный механизм АСУ-ДН и кронштейн динамометра были размещены на общем основании, при этом тросик исполнительного механизма соединялся с крюком динамометра или грузами.
Исследования заключались в записи осциллограмм сигналов датчиков, соответствующих различным положениям органов управления динамической нагрузкой. Нагрузка на ИМ, имитирующая усилие рычага РЧВ, задавалась пружиной динамометра (переменная нагрузка), а также набором грузов, которые присоединялись к тросу ИМ (фиксированная нагрузка). В процессе лабораторных исследований осуществлялась остановка кулачка в зоне как минимального, так и максимального радиусов.
Анализ осциллограммы перемещения каретки ИМ при изменении силы сопротивления от 15 до 85 Н и ходе каретки Лк = 20 мм (рис. 2), показывает, что она содержит начальный участок - движения кулачка ИМ и каретки (кривая 1) который характеризуется значительными пусковыми токами (до 8 А) (кривая 2) и пониженным напряжением на мотор-редукторе (кривая 3).
//7
¡¡,т 20 15 Ю
5
0
1АI
9
в
7
6 5 4 3 2
1 О
ЦВ {
Ы Гу Ш ¿77 1ч/М /77 1
I / 1 ■...Г..
.1............/ —Г ...........^.......1......1 .......--\---Г---\ .....1—- ..........1
.......^ ..........1
1
1......'Г..... \ 1 ..........1
1 / " Г .....:.....1..............[ V 1 1
ът \/ 1 ...........]..............1 \| ..........1
- _______В, ....... 1
..............
"1.............. с- ...........1..............г .....1"""" ..........1
1 г 1 1 1 1
.1.............. 1 ___________1______________1,.,.... ..........1
.......1. ____1____
......Р .......Г" .....Г"" ..........1
"I.............. 1 1 1 ..........1
.......и ...........].......,> . .....и. ..........|
/ 1 г
1.............. 1 1 1
1 1 ...........1..............г 1 1
-1— ] ■=> 1 _ 1 |
г ^ 1 -1-г Г
/ Г - 1
о
0.5
1,5
2.5
5.5
Рис. 2. Осциллограмма перемещения каретки, напряжения питания и тока, потребляемого мотор-редуктором АСУ-ДН
После завершения начального участка потребляемый ток экспоненциально снижается и затем стабилизируется на некотором уровне до момента остановки кулачка (и каретки) в зоне максимального радиуса по сигналу датчика угла поворота кулачка. Следует отметить, что ток, потребляемый мотор-редуктором на основном участке работы, практически не зависит от силы сопротивления пружины.
После выхода кулачка ИМ на максимальный радиус происходит его электродинамическое торможение в зоне которое осуществляется за счет электромагнитного тормозного момента, возникающего вследствие замыкания выводов мотор-редуктора, который после срабатывания датчика и отключения питания, вращаясь по инерции, работает в режиме генератора постоянного тока, поддерживая напряжение на своих выводах. Величина тока торможения определяется сопротивлением коллектор-эми-терного перехода тормозного транзистора и величиной напряжения, развиваемого электродвигателем мотор-редуктора. На осцил-
лограмме напряжения в этот период действует напряжение, соответствующее напряжению питания (в начале процесса торможения), а затем напряжению насыщения коллектор-эмитерного перехода тормозного транзистора.
Далее происходит фиксация кулачка и каретки на время паузы на протяжении которой ток и напряжение на мотор-редукторе равны нулю. По ее истечении на мотор-редуктор поступает напряжение питания и происходит перемещение каретки и поворот кулачка в исходное положение (участок ¿воз) с последующим торможением на участке
По полученным данным были построены зависимости средней скорости перемещения каретки на участке увеличения радиуса кулачка от напряжения питания (рис. 3) и тока (рис. 4) мотор-редуктора при переменной от 15 до 85 Н нагрузке. Их анализ показывает, что по мере роста напряжения питания мотор-редуктора и потребляемого тока средняя скорость перемещения каретки увеличивается по закону близкому к линейному.
0,03 -
X о
о ^ 2 2
2 н С о -П ^
Н та О
о 0
0 Напряж 1 ение пи 01 тания,В 2 1 у = 4 1 0,00Ш R2 = 0, 6 18 - 0,0012 9954
Рис. 3. Зависимость средней скорости перемещения каретки от напряжения питания мотор-редуктора при переменной от 15 до 85 Н нагрузке (в диапазоне от 4 до 17 В)
Рис. 4. Зависимость средней скорости перемещения каретки от тока, потребляемого мотор-редуктором, при переменной от 15 до 85 Н нагрузке (в диапазоне от 0,8 до 1,5 А)
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 87
0,4 1 о 0 35
■Ь ' _ П 3
К 0,3 S I 0 25
Ш 0,25 о 0 2
2 0 15
О 0,15 1- !Г П 1
2 О п ПЧ
m 0
0,С 05 0, 01 0,015 0, Скорость У,м/с 02 0,0 У = 9,17 R2 25 0,03 91x + 0,1052 = 0,9861
Рис. 5. Зависимость времени торможения от скорости перемещения каретки при переменной от 15Н до 85Н нагрузке
Время торможения каретки (и кулачка) (рис. 5) линейно возрастает по мере увеличения ее скорости до 0,35 с, при этом максимальный угол поворота кулачка в зоне постоянного радиуса не превышает 30°. Величина нагрузки на время торможения и угол поворота кулачка влияет незначительно, так как на участках постоянного радиуса полностью компенсируется реакцией шарикоподшипника каретки.
Средняя скорость перемещения каретки при постоянных весовых нагрузках 50, 100, 150 и 200 Н с увеличением напряжения питания ИМ (рис. 6) линейно возрастает и слабо зависит от нагрузки в исследуемом диапазоне ее изменения. Максимальное значение скорости при напряжении питания 16... 17 В составляет 0,025 м/с, а минимальное при 4 В - 0,004 м/с.
Рис. 6. Зависимость средней скорости перемещения каретки от напряжения питания при фиксированных нагрузках 50, 100, 150, 200 Н
Средняя скорость перемещения каретки при постоянном напряжении питания и изменении нагрузки остается неизменной (рис. 7), что свидетельствует о жесткости механической характеристики используемого мотор-редуктора типа 161.3730 с возбуждением от постоянных магнитов. Это обеспечивает большой диапазон регулирования скорости перемещения каретки и соответственно динамической нагрузки обкатываемого ДВС.
0,03
0,025
0
1 0,02 >
Í 0,015
о
о
о 0,01 о
0,005 0
Ц
50
U=4B U=6B U=8B
100 150 Нагрузка Р,Н
е- U=10B -•е- U=12B
200
U=14B U=16B
Рис. 7. Зависимость средней скорости перемещения каретки от нагрузки при различном напряжении питания ИМ
88 Технические науки
Выводы.
1. В результате проведенных исследований определены требования к тягово-скоростным показателям ИМ, присоединительному устройству и оснастке;
2. Разработаны кинематическая и электрическая схемы ИМ на базе мотор-редуктора постоянного тока с возбуждением от постоянных магнитов;
3. Разработаны алгоритм работы и электрическая схема блока управления АСУ-ДН;
4. Изготовлен макетный образец АСУ-ДН и проведены его лабораторные исследования, подтвердившие соответствие его параметров требуемым для обкатки автотракторных дизелей с ДН.
Литература
1. Тимохин, С. В. Энергоресурсосбережение при обкатке тракторных дизелей путем создания и реализации в ремонтном производстве модулей с динамическим на-гружением: автореф. дис ... докт. техн. наук: / С. В. Тимохин. - СПб. - Пушкин, 1999. -37 с.
2. А. с. СССР № 1345083. Стенд для приработки двигателей внутреннего сгорания / М. З. Варшавский, С. В. Тимохин, А. В. Рябов. - Опубл. в Б. И. № 38, 1987.
3. А. с. СССР № 568735. Способ приработки механизма / О. Г. Антонов, В. Н. Ла-врук, Н. Б. Костецкая. - Опубл. в Б. И. № 30, 1977.
4. А. С. СССР № 883543. Способ обкатки двигателя внутреннего сгорания / Н. С. Жда-новский, А. В. Николаенко, В. П. Зуев. -Опубл. в Б. И. № 43, 1981.
5. Карасик, И. И. Прирабатываемость и методы оценки влияния приработки и изнашивания на триботехнические характеристики опор скольжения: автореф дис.... докт. техн. наук / И. И. Карасик. - Киев: КИИГА, 1983. - 36 с.
6. Лившиц, В. М. Способы контроля то-пливно - энергетических показателей МТА в эксплуатационных условиях. - Новосибирск: СО ВАСХНИЛ, 1988. - 87 с.
7. Николаенко, А. В. Практическое использование динамического метода при ремонте и эксплуатации автотракторных двигателей / А. В. Николаенко, С. В. Тимохин, А. П. Уханов, А. Н. Морунков, Д. А. Уха-нов, Н. А. Мухатаев // Нива Поволжья. -2007. - № 3. - С. 43-49.
8. Тимохин, С. В. Экономия топлива при раздельной обкатке дизелей Д-240 / С. В. Ти-мохин, А. Н. Морунков // Нива Поволжья. -2007. - № 3. - С. 54-57.
9. А. с. СССР № 14551582 Способ приработки двигателя внутреннего сгорания и устройство для его осуществления / А. В Николаенко, С. В. Тимохин, А. В. Соминич. - Опубл. Б. И. № 2, 1989.
10. Методика и результаты лабораторных исследований автоматизированной системы управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением / С. В. Тимохин, К. Л. Моисеев, О. А. Царев, Д. В. Быков // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сб. мат-лов науч. студ. конф. / Пензенская ГСХА. - Пенза: РИО ПГСХА, 2010. - С 113.
11. Автоматизированная система управления обкаткой ДВС с динамическим на-гружением / С. В. Тимохин, К. Л. Моисеев, Р. Р. Девликамов // Инновационные идеи молодых исследователей для агропромышленного комплекса России: сб. мат-лов науч. студ. конф. / Пензенская ГСХА. -Пенза: РИО ПГСХА, 2009. - С 104.
12. Моисеев, К. Л. Основные результаты исследований микропроцессорной системы управления обкаткой ДВС с динамическим нагружением / К. Л. Моисеев // Вклад молодых ученых в инновационное развитие АПК России / Пензенская ГСХА. -Пенза: РИО ПГСХА, 2010.
Нива Поволжья № 2 (19) май 2011 89
