dis_volkova_l_yu
.pdf41
Таким образом, имея эталонную (контрольную) осциллограмму давления для исправной форсунки и набор осциллограмм с характерными неисправно-
стями, сравнительным способом можно определить вид неисправности. Для этого компьютер (электронный блок) сравнивает реальные осциллограммы давления на входе в форсунку, полученные в процессе диагностирования, с
контрольной осциллограммой и определяет вид неисправности.
Недостатком данного способа диагностирования является повышение тру-
доемкости установки датчика давления в линию высокого давления, увеличе-
ние погрешности в определении фактического начала впрыска и продолжи-
тельности подачи топлива.
1.6.3. Анализ неисправностей форсунок тепловозных двигателей по изменению хода иглы распылителя форсунки
Процесс топливоподачи у тепловозных дизелей с высоким остаточным дав-
лением в топливопроводе отличается от подачи топлива для автотракторных двигателей с малым остаточным давлением.
На рисунке 1.16 приведенаы осциллограммы давления на входе в форсунку и перемещения иглы тепловозного двухтактного дизеля 2Д100 [29], работаю-
щего на режиме холостого хода (частота вращения вала дизеля 400 мин -1, пода-
ча топлива 0,116 г/цикл). Остаточное давление в топливопроводе (линии нагнетания) равно 4,5 МПа, по его колебанию от цикла к циклу определяют стабильность процесса впрыска.
Анализ условий эксплуатации дизелей типа 2Д100 показывает, что основ-
ную часть времени они работают на режимах холостого хода или малых нагрузках. На данных режимах наблюдается ухудшение процесса сгорания из-
за некачественного распыливания топлива.
На диаграмме движения (хода) иглы выделены характерные точки и участ-
ки: 1 – начало подъема иглы (начало подачи топлива); 1–2 – участок подъема иглы; 2–3 – участок максимального подъема иглы; 3–4 – участок посадки иглы
42
на седло; 4 – точка окончания посадки иглы. Эти точки на диаграмме хода иглы обозначены меньшей величиной цифр.
По расположению характерных точек на диаграммах давления топлива и хода иглы (по вертикали и горизонтали) можно определить техническое состо-
яние насоса и форсунки.
Рисунок 1.16 – Осциллограммы давления в трубопроводе у форсунки (1), движения (хода) иглы распылителя (2),
отметка геометрического начала подачи топлива (3) и ВМТ
Предлагается следующая последовательность диагностирования по анали-
зу хода иглы распылителя:
– для топливной аппаратуры, параметры которой соответствуют требова-
ниям завода-изготовителя, на режиме холостого хода или номинальной мощно-
сти фиксируется ход иглы с пояснением характерных точек и участков;
– для возможных неисправностей, встречающихся в эксплуатации (измене-
ние угла опережения подачи топлива, продолжительности впрыска, скорости подъема и посадки иглы, появление дополнительных впрысков, зависание иг-
лы), фиксируется форма движения (хода) иглы;
– ход иглы, определенный в текущий период эксплуатации дизеля, срав-
нивают с эталонным (контрольным) ходом. Путем сравнения эталонной диа-
граммы хода иглы с реальной (опытной) оценивается техническое состояние ТА и определяется возможный вид неисправности.
43
1.7. Диагностирование технического состояния форсунок дизеля по величине утечек топлива из дренажной магистрали
В процессе работы форсунки топливо под действием перепада давления перетекает по зазору между иглой и направляющей. При диаметральном зазоре более 10 мкм утечки топлива уменьшают подачу топлива, поступающую в ка-
меру сгорания. По величине утечек топлива можно определить зазор в паре
«игла – корпус распылителя». Для этой цели в лабораторных условиях опреде-
ляют утечки топлива для известной величины зазора. По величине утечек топ-
лива в эксплуатации (обратным способом) определяют зазор в распылителе, из-
нос направляющей и делают заключение о целесообразности дальнейшей экс-
плуатации форсунки.
На рисунке 1.17 показано изменение утечек топлива за час в см3 через пре-
цизионную пару «игла – корпус распылителя» в зависимости от диаметрально-
го зазора на различных скоростных режимах работы двигателя типа Д-440 [30].
Рисунок 1.17 – Утечки топлива через зазор в паре
«игла – корпус распылителя» в зависимости от диаметрального зазора и частоты вращения
44
При частоте вращения 875 мин-1 утечки топлива из системы высокого дав-
ления за час при температуре, равной 30 оС, при диаметральном зазоре в рас-
пылителе 12 мкм составили 80 см3. Температура топлива в каналах форсунки на работающем двигателе достигает 80 оС, вязкость топлива снижается, а утечки топлива увеличиваются примерно в 2 раза. Зазор в распылителе более 12 мкм принят предельным [30]. При больших зазорах нарушается герметичность по-
садочного конуса распылителя и происходит вытекание топлива через него.
При износе ограничивающей поверхности корпуса форсунки и увеличении хода иглы она не достигает упора, и утечки топлива увеличиваются. По изме-
нению утечек можно определить увеличение хода иглы и износ распылителя.
1.8. Метод оценки технического состояния форсунок тепловозных дизелей
вусловиях ремонтного производства
Вработе [31] приведен метод диагностирования ТА тепловозных дизелей при стендовых испытаниях. На основании теории идентификации предложена оценка технического состояния форсунок дизелей 10Д100 и Д49. Методика позволяет на опрессовочном стенде А-106 путем осциллографирования опреде-
лять состояние форсунок в условиях ремонтного производства.
На рисунке 1.18 показана установка, выполненная на базе стенда типа А106
для диагностирования и регулировки форсунок тепловозных дизелей.
Стенд для регулировки форсунок оборудован датчиком 4 для записи хода плунжера и тензометрическим датчиком 9 для записи давления в топливопро-
воде высокого давления 5, создаваемого насосом 7. Для преобразования анало-
говых сигналов датчиков в цифровые использовано устройство ввода 13. Ана-
лого-цифровой преобразователь обеспечивает представление аналогового (не-
прерывного) сигнала эквивалентной совокупностью его дискретных (разделен-
ных) значений и кодирование этих значений.
45
Рисунок 1.18 – Схема стенда А-106 для испытания форсунок:
1 – бак с топливом; 2 – фильтр; 3 – отстойник; 4 – датчик хода плунжера насоса; 5 – топливопровод ; 6 – толкатель; 7 – ТНВД;
8 – тройник; 9 – датчик давления; 10 – форсунка; 11 – рычаг;
12 – винт; 13 – устройство ввода NI USB-9215; 14 – компьютер
Движение плунжера и изменение давления записывались при помощи пер-
сонального компьютера 14. По анализу характерных точек на импульсе давле-
ния (по амплитуде и фазе) определялось влияние износа плунжерной пары,
направляющей распылителя (зазора), жесткости пружины, хода иглы, диаметра сопловых отверстий на процесс подачи топлива (рисунок 1.19).
Рисунок 1.19 – Изменение давления в топливопроводе в процессе испытания форсунок на стенде А-106
46
Для определения влияния износа плунжерной пары обрабатывался участок
1–2. Изменение давления на участке 2–3 зависит от диаметра сопловых отвер-
стий, увеличения хода иглы и зазора в сопряжении «игла-корпус распылителя».
По участку 3–4 оценивалась величина подачи топлива.
Разработан алгоритм и программа расчета для оценки технического состоя-
ния форсунок [31, 32, 33].
К недостатку работы [31] следует отнести то, что в ней не учтено влияние давления открытия иглы на протекание процесса впрыска топлива и нет датчи-
ка для записи хода иглы с его последующим анализом.
1.9. Диагностирование топливной аппаратуры дизеля с использованием статистической теории распознавания характерных точек импульса давления в топливопроводе
Статистическая теория распознавания образов (СТРО) – это научное направление в технической диагностике, занимающееся разработкой математи-
ческих методов распознания объектов. При решении задач диагностирования объектами являются классы технического состояния, которые имеют статисти-
ческую природу, и их положение в пространствах диагностических параметров описывается законами распределения плотностей вероятности вектора X.
В основе метода СТРО принята теорема Байеса, определяющая вероятность принадлежности классифицируемого объекта к тому или иному классу техни-
ческого состояния ωi. Статистические законы, которым подчиняются распре-
деления вектора X, описываются законом нормального распределения. В про-
странстве диагностических признаков существует только один эталонный класс нормального (исправного) технического состояния объекта и множество классов, имеющих те или иные нарушения (неисправности, отказы).
Двигатель и его системы работают на различных режимах. Была рассмот-
рена работа топливной аппаратуры судового малооборотного дизеля
MAN B&W 6S50MC-C. При частоте вращения вала двигателя 127 мин-1 его но-
47
минальная мощность составляла 8 580 кВт. Удельный расход топлива был ра-
вен 171 г/(кВт·ч), статическое давление открытия иглы форсунки соответство-
вало 37 МПа, а динамическое – 45 МПа.
Исходный (полный) вектор диагностических признаков, описывающий про-
цесс топливоподачи имел следующий вид [36] (рисунок 1.20):
Х = Pf |
up′ |
αPf up′ (точка первая, начало повышения давления); Pf up′′, αPf up′′ |
|
(точка вторая, |
резкого повышение давления); Pf open , αPf open (точка третья, |
||
начала открытия иглы); |
Pf max , αPf max (точка четвертая, максимальное давление |
||
импульса); |
Pf close , αPf |
close (точка пятая, характеризующая падение давления и |
|
начало закрытие иглы); |
Pf drop , αPf drop (точка шестая, характеризует посадку |
иглы на седло и образование характерного пика падения и повышения давле-
ния); Pf end , αPf end (точка седьмая, характеризующая конец импульса давле-
ния). Вектор диагностических признаков определяет величину давления (по оси давления) и направление по оси α.
Рисунок 1.20 – Импульс давления топлива за ТНВД на режиме номинальной мощности малооборотного судового дизеля 6S50MC-C
По расположению семи характерных точек относительно эталонного им-
пульса давления распознаются нарушения работы ТА. По величине (dPf / dα)max
определяют скорость нарастания давления в момент, когда игла ещё не откры-
та. Данный параметр несет информацию о протекании процесса топливоподачи
48
на фазе, когда форсунка находится в закрытом состоянии. Неисправности фор-
сунки не оказывают влияния на параметр (dPf / dα)max
Наиболее характерными неисправностями (отклонениями) в регулировке ТА дизеля приняты десять классов, граничных с эталонным классом (см. рису-
нок 1.20), являющихся противоположными друг к другу (например, ω21 и ω22).
Для распознания классов из исходного вектора диагностических признаков
Х выберем минимальное подмножество его компонентов, обеспечивающее распознавание заданных отклонений. Такой вновь образованный вектор обо-
значим Х1. Индекс рейки топливного насоса высокого давления (режимный фактор, положение рейки, цикловая подача) соответствует номинальной мощ-
ности. Распознаваемые классы отклонений регулировки ТА и диагностические признаки в сравнении с эталонным классом исправного состояния ТА ω1 при-
ведены в таблице 1.4.
Та б л и ц а 1.4 – Распознаваемые классы отклонений регулировки ТА
идиагностические признаки
|
|
Диагностические |
|
Распознаваемые классы отклонений регулировок ТА |
признаки |
|
|
|
1. |
Эталонный класс исправного состояния ТА ω1 |
|
|
|
|
2. |
Слишком ранний впрыск топлива ω 21 |
αPf up′′ |
|
|
|
Слишком поздний впрыск топлива ω 22 |
αPf open |
|
|
|
|
3. |
Слишком низкое давление открытия иглы форсунки ω 31 |
|
|
|
|
Слишком высокое давление открытия иглы форсунки ω 32 |
Pf open |
|
|
|
|
4. |
Слишком низкое давление впрыска ω 41 |
Pf open |
|
|
|
Слишком высокое давление впрыска ω 42 |
Pf max |
|
|
|
|
5. |
Слишком большая продолжительность впрыска |
αPf open |
ω 51 или αPf dur |
|
|
|
|
|
Слишком малая продолжительность впрыска ω 52 |
αPf close |
|
|
|
|
6. |
Слишком медленное нарастание давления ω 61 |
(dPf / dα)max |
|
|
|
Слишком быстрое нарастание давления ω 62 |
(dPf / dα)max |
|
|
|
|
49
Рассмотрим методику распознавания классов (неисправностей) «слишком ранний (поздний) впрыск топлива» (классы ω21 и ω22). На рисунке 1.21 пред-
ставлены импульсы давления за ТНВД, соответствующие классам ω1 (требуе-
мое значение угла опережение впрыска, средняя точка 2/ ), ω21 (слишком ранний впрыск, крайняя левая точка 1/ ), ω22 (слишком поздний впрыск, крайняя правая точка 3/ ). Момент впрыска топлива можно определить по положению характерной точки (αPf open , Pf open) на кривой впрыска (угол, давление).
Рисунок 1.21– Импульсы давления, соответствующие классам ω1, (точка 2/ ), ω21, ω22
Признак Pf open (угол опережения впрыска относительно ВМТ) несет в себе информацию о моменте открытия иглы распылителя форсунки или о начале по-
ступления топлива в цилиндр. Этот параметр не определяет момент открытия иглы форсунки, а только информативно связан с ним. При установке датчика давления в штуцере насоса (длине топливопровода до распылителя форсунки
1 м и скорости распространения звуковой волны в топливе 1 000 м/с) период
50
запаздывания будет составлять 0,001 с. Это приведет к погрешности при опре-
делении фактического начала впрыска топлива.
Применяя статистическую теорию распознания образов по изменению ха-
рактерных точек на диаграмме хода иглы можно определить технического со-
стояние ТА и ее неисправности.
Недостатки данного способа – необходимость монтажа датчика в линию высокого давления и сложность выполнения диагностирования ТА.
В работе [37] для измерения угла опережения впрыска топлива предлага-
ется использовать тензометрический датчик давления. Корпус датчика имеет две полусферические опоры, расположенные друг от друга на расстоянии 5 см.
Топливопровод высокого давления фиксируется на опорах корпуса датчика и с помощью эксцентрика закрепляется. Стержень чувствительного элемента дат-
чика с определенным усилием подводится к поверхности топливопровода.
В процессе впрыска топлива повышается давление в трубопроводе. Ради-
альная деформация стенки трубопровода передается на чувствительный эле-
мент (мембрану) датчика через стержень и консоль. Датчик соединяется с элек-
тронным блоком, который фиксирует импульс давления топлива от «0» до ве-
личины, определяющей начало подъема иглы. По положению ВМТ и началу повышения давления определяют фактический угол опережения впрыска.
Отсутствие жесткой связи поверхности трубопровода с чувствительным элементом датчика является главным недостатком данного способа при опре-
делении угла опережения впрыска топлива.
Более простой метод оценки угла опережения впрыска топлива относи-
тельно ВМТ возможен по анализу начала подъема иглы распылителя. Движе-
ние иглы может быть зафиксировано индуктивным датчиком перемещения.
Диагностирование ТА по анализу движения иглы более простое, чем по анализу импульса давления топлива. Анализируются только четыре характер-
ные точки вместо семи. Движение иглы происходит в ограниченном простран-
стве (посадочный конус и упор, что определяет максимальный ход иглы).