dis_volkova_l_yu

41

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):

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

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).