Разработка метрологического обеспечения системы косвенного многопараметрического контроля технического состояния двигателей внутреннего сгорания при стендовых испытаниях.

При контроле технического состояния двигателя по тяговым и экономическим показателям целесообразно использовать скоростные, регуляторные и нагрузочные характеристики [1]. В ГОСТ 7057-81, ГОСТ 18509-80 регламентирован набор обобщенных показателей, по которым строятся скоростные, регуляторные и нагрузочные характеристики. В качестве обобщенных показателей при построении скоростной характеристики при испытаниях через вал отбора мощности выступают расход топлива Q_m, удельный расход топлива q, крутящий момент на валу двигателя M_К.

При контроле двигателя внутреннего сгорания по удельному расходу топлива по ГОСТ 7057-81 необходимо измерить следующие контролируемые параметры: крутящий момент на хвостовике вала отбора мощности М_ВОМ, частота вращения хвостовика вала отбора мощности n_ВОМ, массу топлива израсходованную m_Т в течении времени опыта t_ОП. При этом согласно ГОСТ 7057-81 удельный расход топлива ДВС определяется по формуле

, (4.4)

где Q_m – расход топлива, определяемый как ; N_ВОМ – мощность на вале отбора мощности, определяемая из выражения .

Рассмотрим пример метрологического синтеза системы косвенного многопараметрического контроля.

Для реализации системы косвенного многопараметрического контроля ДВС составлены 3 варианта наборов средств измерений, приведенные в табл. 8. В табл. 8 приведены характеристики сравниваемых вариантов наборов средств измерений для контроля ДВС: отношение погрешности измерения к величине поля допуска /Т, с – относительная стоимость контроля по j-му контролируемому параметру, К – коэффициент, учитывающий увеличение производительности контроля по j-му контролируемому параметру,  - степень обобщения контролируемого параметра. Первый вариант состоит из средств измерений имеющих минимальную погрешность измерения и максимальную стоимость. Второй вариант составлен из средств измерений имеющих большую погрешность по сравнению со средствами измерений второго варианта и меньшую стоимость. Для третьего варианта выбраны средства измерения, имеющие большую погрешность и меньшую стоимость средств измерения контролируемых параметров по сравнению с первым и вторым вариантами.

Таблица 8.

Сравниваемые варианты реализации системы косвенного многопараметрического контроля ДВС.

№ п/п	Крутящий момент на хвостовике вала отбора мощности	Частота вращения хвостовика вала отбора мощности	Расход топлива
1.	Динамометр с весовой головкой /Т=0,002, =1, с=1, К=1	ТЭСА-3 /Т=0,001, =1, с=1, К=1	Объемный поршневой /Т=0,01, =1, с=1, К=1
2.	Балансирный динамометр с автоматическими динамометрическими весами /Т=0,005, =1, с=0,6, К=1	ТС-1Р /Т=0,002, =1, с=0,5, К=1	Объемный поршневой /Т=0,01, =1, с=1, К=1
3.	Маятниковый динамометр /Т=0,01, =1, с=0,33, К=1	Т410-Р /Т=0,003, =1, с=0,2, К=1	Объемный поршневой /Т=0,01, =1, с=1, К=1

Метрологические характеристики средств измерений, используемых при реализации системы косвенного многопараметрического контроля ДВС приведены в табл. 9.

Таблица 9.

Метрологические характеристики средств измерения крутящего момента

№ п/п	Тип СИ	Пределы измерения, Нм	Основная погрешность, %
1.	Маятниковый динамометр	0 – 1500	1,0
2.	Балансирный динамометр с автоматическими динамометрическими весами	0 - 1500	0,5
3.	Динамометр с весовой головкой	0 - 1000	0,2

Метрологические характеристики средств измерения частоты вращения вала двигателя

№ п/п	Тип СИ	Пределы измерения, об/мин	Основная погрешность, %
1.	Т410-Р	50 – 10000	1
2.	ТС-1Р	50 – 3000	0,5
3.	ТЭСА-3	20 – 10000	0,2

Метрологические характеристики расходомера ИП-154

Тип дозирующего устройства	Номинальная цена импульса, см3	Пределы измерения, л/ч	Погрешность измерения, %
Объемный поршневой	10	5-100	1,5

Учитывая, что при контроле технического состояния ДВС измеряются 4 контролируемых параметра критерий (2.12) примет следующий вид

. (4.5)

Учитывая, что сравниваемые варианты реализации системы контроля имеют одинаковую производительность контроля и значимость контролируемых параметров, то выражение (4.5) примет вид

.

Для рассматриваемых вариантов реализации системы контроля необходимо проверить условие обеспечения допустимых ошибок первого и второго рода при контроле . При расчете величин по формулам (1.14) необходимо определить отношение допустимой погрешности измерения обобщенного показателя к его допуску. Согласно ГОСТ 7057-81 при контроле технического состояния ДВС по объемному расходу топлива могут быть использованы средства измерений, чьи метрологические характеристики удовлетворяют требованиям, приведенным в табл. 10. Номинальные значения и допуски контролируемых параметров двигателя Д120 приведены в табл. 11.

Таблица 10.

Допускаемые погрешности средств измерений при испытаниях ДВС через вал отбора мощности по ГОСТ 7057-81)

№ п/п	Измеряемый параметр, размерность	Абсолютное значение погрешности средств измерений, не более
1.	Крутящий момент на хвостовике ВОМ МВОМ, Нм	0,01 МВОМ
2.	Частота вращения хвостовика ВОМ nВОМ, об/мин	0,005 nВОМ
3.	Частота вращения выходного вала двигателя nДВ, об/мин	0,005 nДВ
4.	Продолжительность опыта Т, с	0,2
5.	Расход топлива Qm (QV), кг/ч (л/ч)	0,01 Qm (QV)
6.	Температура охлаждающей жидкости tЖ, С	2,0
7.	Температура в контрольной точке дизеля с воздушным охлаждением tК, С	2,0
8.	Температура топлива tТ, С	1,0
9.	Температура окружающего воздуха, С:	0,5
10.	Атмосферное давление p, кПа	0,2

Таблица 11.

Номинальные значения и допуски контролируемых параметров ДВС Д130

№ п/п	Наименование параметра	Значение	Допуск
1.	Номинальная мощность, кВт	23,5	+3
2.	Эксплуатационная мощность, кВт	22,1	+4
3.	Крутящий момент, Нм	111	Коэффициент запаса крутящего момента 7%
4.	Номинальная частота вращения коленчатого вала, мин-1	2100	+30
5.	Частота вращения коленчатого вала на холостом ходу, мин-1 не более	max–2150 min–800	+30
6.	Частота вращения коленчатого вала при максимальном крутящем моменте, мин-1	1400–1600	+30
7.	Номинальный удельный расход топлива, г/кВтч	228	+5

Значения допустимых ошибок первого и второго рода равны =0,02 и =0,005.

Расчет величин суммарных ошибок первого и второго рода при косвенном многопараметрическом контроле производится по формулам (2.24).. Учитывая, что при контроле измеряются значения крутящего момента и частоты вращения вала отбора мощности, а также расход топлива, то выражения (2.24) в этом случае примут следующий вид

, ,

.

где q_ВОМ рассчитывается по формуле _.

Для проверки выполнения условия обеспечения допустимой достоверности контроля построены зависимости вероятностей ошибок первого и второго рода, вызванных используемым методом контроля и погрешностями измерения значений контролируемых параметров (рис. 34-35). Как следует из анализа приведенных зависимостей значения вероятностей суммарных ошибок первого и второго рода при заданных значениях допусков на контролируемые параметры не превышают допустимых величин (табл. 12).

Рис. 34. Зависимость вероятностей методических ошибок первого и второго рода при косвенного многопараметрическом контроле ДВС.

Рис. 35. Зависимость вероятностей ошибок первого и второго рода, вызванных погрешностями измерения контролируемых параметров.

Таблица 12

№ варианта
1	0,005	0,0020
2	0,010	0,0030
3	0,015	0,0049

Результаты расчета значений критерия (2.12) для сравниваемых вариантов реализации системы контроля приведены в табл. 13.

Таблица 13

№ варианта	Частота вращения вала отбора мощности	Крутящий момент на валу отбора мощности	Расход топлива	Q
1	1,2	1,13	1,28	1,73
2	0,68	0,60	0,62	0,25
3	0,79	0,99	0,88	0,68

По результатам синтеза системы косвенного многопараметрического контроля, как следует из результатов приведенных в таблице 13, наиболее эффективным является 2 вариант. Наибольшая эффективность второго варианта по сравнению с первым достигается за счет меньшей стоимости используемых средств измерений, и по сравнению с третьим за счет меньших потерь от ошибок первого и второго рода.