На правах рукописи
БАЛАГИН Дмитрий Владимирович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛЯ
ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ
ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
ОМСК 2013 1
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».
Научный руководитель:
доктор технических наук, профессор ВОЛОДИН Александр Иванович.
Научный консультант:
доктор технических наук, профессор ЧЕТВЕРГОВ Виталий Алексеевич.
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, профессор АВИЛОВ Валерий Дмитриевич – профессор кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС;
кандидат технических наук, профессор МАКУШЕВ Юрий Петрович – доцент кафедры «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование»
Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.
Ведущая организация:
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС)».
Защита диссертации состоится 27 июня 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))»
по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан 25 мая 2013 г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.
Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: [email protected]
Ученый секретарь диссертационного совета доктор технических наук, профессор О. А. Сидоров.
С Омский гос. университет путей сообщения,
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы исследования. Согласно целевой программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации № 877р от 17 июня 2008 г., одним из восьми основных направлений научнотехнического развития ОАО «Российские железные дороги» является повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств.
Решение этой проблемы может быть обеспечено комплексными мероприятиями, включающими в себя широкий круг вопросов, связанных с обеспечением устойчивой работы тепловозов и их систем. Эксплуатация тепловозов во многом зависит от надежности и эффективности работы топливной аппаратуры высокого давления (ТА), которая определяется качеством технического обслуживания и ремонта. Количество отказов тепловозов по сети железных дорог по причине выхода из строя дизельной установки достигают 41% от общего числа отказов основных узлов тепловозов, в том числе 12 – 13 % от общего числа отказов по дизелю тепловоза по причине выхода из строя топливной аппаратуры. Подобное состояние тепловозного парка и топливной аппаратуры тепловозных дизелей обусловливается ненадлежащим качеством текущих ремонтов и неэффективным диагностированием, что свидетельствует о недостаточной степени разработанности исследуемой темы.
Увеличение эксплуатационного ресурса топливной аппаратуры тепловозов может быть достигнуто в результате внедрения – методов безразборного и бесконтактного диагностирования и своевременного выявления неисправностей ТА;
– автоматизации технологических процессов технического обслуживания и ремонта, контроля качества ремонта.
Поэтому разработка технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей является важной составляющей технических мероприятий, направленных на повышение эффективности эксплуатации тепловозов.
Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей для повышения эксплуатационной надежности тепловозов.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:
1) оценить возможность использования тепловизионного метода для контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей;
2) разработать математическую модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловоза, позволяющую исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по температуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;
3) определить зависимость температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления от технического состояния топливной аппаратуры (топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунка) и температуры окружающего воздуха;
4) предложить технологию контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа;
5) провести апробацию разработанной технологии контроля в эксплуатации.
Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математической статистики, математического моделирования уравнений теплового баланса, термодинамики, теплопередачи и гидравлики.
Для расчета и анализа математических зависимостей применялись электронные таблицы Microsoft Excel 2007 и математическое программное обеспечение MathLab 7.0. Разработка программного продукта производилась на языке программирования Delphi 7. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных стендовых установках кафедры «Локомотивы» и тепловозах локомотивного депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава на станции реостатных испытаний.
Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:
1) разработана математическая модель, позволяющая выполнять оценку технического состояния топливной аппаратуры тепловозного дизеля по температуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;
2) обосновано использование температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления в качестве диагностического параметра для оценки технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей;
3) определен ряд критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, определяющих техническое состояние топливной аппаратуры тепловозов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловоза, позволяющая исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по температуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;
2) ряд критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля может привести к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, к возможному отказу в пути следования и к необходимому неплановому ремонту тепловоза.
3) технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа.
Степень достоверности результатов работы. Создание на основе разработанных теоретических положений математической модели процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей, позволяющей исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по изменению температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования, корректного применения известных достижений научных дисциплин: теории теплообмена, механики жидкости и газа, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ и математическая статистика.
Экспериментальные исследования и опытная апробация результатов работы проведены на реальных объектах с использованием сертифицированных и поверенных средств контроля и оборудования.
Достоверность теоретических исследований на предложенной математической модели подтверждена массивом экспериментальных данных, полученных в локомотивных депо сети железных дорог ОАО «РЖД». Расхождение результатов математического моделирования и экспериментальных данных не превышает 4 %.
Практическая значимость работы заключается в следующем:
1) решение задачи моделирования работы топливной аппаратуры позволяет сократить объем экспериментальных исследований и количество технологических операций для выявления неисправностей тепловозных дизелей;
2) разработанная технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа позволяет повысить эксплуатационную надежность тепловозов.
Реализация результатов работы. Разработанная технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей прошла эксплуатационные испытания и принята к внедрению в ремонтном локомотивном депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава.
Личный вклад соискателя состоит:
1) в обосновании использования тепловизионного метода для контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей;
2) разработке математической модели процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей, позволяющей производить оценку технического состояния топливной аппаратуры по изменению температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;
3) определении ряда критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля может привести к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, возможному отказу в пути следования и неплановому ремонту тепловоза;
4) разработке технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей, позволяющей повысить эксплуатационную надежность тепловозов;
5) проведении эксплуатационных испытаний разработанной технологии контроля на базе ремонтного локомотивного депо Московка ЗападноСибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава и оценке эффективности ее внедрения.
Основные положения и результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно.
Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса» (Омск, 2011); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск, 2011); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2012); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов»
(Омск, 2012); международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (Новосибирск 2013).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано одиннадцать печатных работ, в том числе четыре – в изданиях, определенных перечнем ВАК Министерства образования и науки РФ.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 литературных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 132 страницы, включая рисунков, 12 таблиц.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении описано состояние проблемы надежности топливной аппаратуры тепловозных дизелей, обоснованы актуальность проводимых исследований, научная новизна и практическая ценность работы.
В первой главе рассматриваются условия работы тепловозов и эксплуатационные факторы, влияющие на надежность и техническое состояние топливной аппаратуры.
Анализ отчетных данных ОАО «РЖД» показал, что отказы тепловозов на сети железных дорог по причине выхода из строя топливной аппаратуры составляют 12 – 13 % от общего числа отказов по дизелю. К основным неисправностям топливных насосов высокого давления относятся износ трущихся поверхностей плунжерных пар и заклинивание плунжеров во втулках – 17 %; кавитационно-эрозионное разрушение деталей плунжерных пар, нагнетательного клапана – 8 %. Основными неисправностями форсунок являются: нарушение герметичности запирающего конуса распылителя – 25 %; зависание иглы и износ распылителей – 13 %. Контроль технического состояния ТА позволяет снизить количество неплановых ремонтов и отказов в пути следования.
Значительный вклад в решение проблемы повышения надежности работы топливной аппаратуры тепловозных дизелей внесли А. И. Володин, В. А. Четвергов, П. Н. Блинов, В. И. Киселев, В. Н. Балабин, Н. А. Фуфрянский, С. С. Ушаков, Т. Ф. Кузнецов, Н. Г. Лугинин, К. А. Бернгард, А. Д. Каретников, А. П. Третьяков, В. В. Мережко и др.
Выполненный обзор методов и средств контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозов позволяет считать, что есть необходимость разработки и внедрения новых перспективных методов и средств диагностирования. Наиболее перспективным в системе диагностирования следует считать тепловизионный контроль, получивший широкое распространение на транспорте, в энергетике, строительстве, медицине и т. д.
На основе анализа современного состояния вопроса сформулированы цель и задачи настоящего исследования.
Во второй главе дана предварительная экспериментальная оценка возможности использования тепловизионного контроля для определения технического состояния топливной аппаратуры дизелей. Предложена методика проведения экспериментальных исследований технического состояния топливной аппаратуры дизелей в лабораторных условиях на примере дизеля 6ЧН16/22,5.
Анализ результатов эксперимента показал, что температура поверхности нагнетательного трубопровода зависит от технического состояния ТА. Правомерность принятого заключения подтверждается изменением температуры после переустановки форсунок по цилиндрам и контролем максимального давления сгорания и давления сжатия.
В третьей главе представлена разработанная математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловозных дизелей и приводятся результаты моделирования влияния технического состояния топливной аппаратуры на температуру внешней поверхности топливных трубопроводов.
Для разработки математической модели процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловозного дизеля предложена расчетная схема топливной системы непосредственного действия с механическим приводом и нагнетательным трубопроводом (рис. 1).
определением характера изменения давления топлива за цикл при различном техническом состоянии топливной аппаратуры Рис. 1. Расчетная схема топливной системы на этапы, число которых определяется конструкцией системы «ТНВД-трубопровод-форсунка» и соотношением размеров между ее элементами.
За исходное уравнение для расчета баланса расхода топлива принято выражение:
где fп – площадь поперечного сечения плунжера, м2; – коэффициент сжимаемости топлива, м2/Н; V – объем топливной системы высокого давления, м;
гн – скорость, соответствующая геометрическому началу подачи, т. е. времени tгн, м/с; jгн – ускорение начала геометрической подачи топлива; t – текущее значение времени, с; tгн – геометрическая продолжительность подачи топлива, с;
jк – ускорение в конце участка геометрической подачи с продолжительностью tг;
Z(ну), Zфу) – утечки топлива через ТНВД и форсунку соответственно, м/с.
При моделировании не учитываются упругие колебания в нагнетательном топливопроводе, а давление по всей линии высокого давления в период протекания процесса считаем одинаковым и меняющимся только во времени.
Воспользовавшись уравнением для определения неразрывности расхода через посадочный конус иглы форсунки и через сопловые отверстия:
где µиfи – эффективное проходное сечение под иглой форсунки; µсfс – эффективное сечение сопловых отверстий форсунки; pф – давление топлива в камере форсунки, Па; pф – давление перед сопловыми отверстиями форсунки, Па;
рц – среднее давление в камере сгорания дизеля во время впрыска топлива, Па;
– плотность топлива, кг/м3.
Получили основное уравнение процесса впрыска топлива:
где – скорость подачи топлива, т. е. соответствующая времени t м/с;
На рис. 2 представлен пример зависимости расчет- рm ного давления топлива в топлипроводе тепловозного дизеля типа ПД1М от угла. Для определения расхода топлива Q через кажРис. 2. Давление топлива в дый элемент системы топтопливопроводе дизеля типа ПД1М ливная система высокого давления рассмотрена как состоящая из трех узловых объектов: ТНВД, нагнетательного трубопровода и форсунки (рис. 3).
В итоге получено основное уравнение расхода топлива:
где Рн – давление топлива в надплунжерной полости ТНВД, Па; Рц – давление газов в цилиндре дизеля, Па; fкл, fтр, fф – эффективное проходное сечение нагнетательного клапана ТНВД, нагнетательного трубопровода, форсунки.
ИДТ ТНВД ФОРСУНКА
НАГНЕТАТЕЛЬНЫЙ
ТРУБОПРОВОД
hп() Рис. 3. Схема топливной системы высокого давления дизеля Моделирование характерных неисправностей осуществлялось заданием различных значений площади поперечного сечения плунжера (fп), поперечного сечения нагнетательного клапана по разгружающему пояску (fк), проходного сечения под конусом иглы форсунки (fu1), суммарной проходной площади сопловых отверстий распылителя (fc), коэффициента расхода проходного сечения под конусом клапана (к), коэффициента расхода проходного сечения под конусом иглы, (и), коэффициента расхода сопловых отверстий распылителя, (с).На втором этапе исследования результаты моделирования позволили ввести параметр для оценки технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей – температуру внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, оС:
где tт – температура топлива в трубопроводе высокого давления (после сжатия в надплунжерном пространстве), °С; Qт – количество передаваемого от топлива к воздуху теплоты, Вт; R – термическое сопротивление стенки, м2К/Вт;
F – площадь внешней поверхности топливного трубопровода, м2.
Для автоматизации и повышения оперативности выполняемых расчетов разработана программа на языке программирования Delphi 7.
В итоге получены значения температуры на внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления в зависимости от технического состояния топливной аппаратуры и температуры окружающего воздуха (от 0 оС до 30 оС) и ряд критических значений t (тт), при которых дальнейшая эксплуатавп ция тепловозного дизеля приводит к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, к возможному отказу в пути следования и к необходимому неплановому ремонту тепловоза.
Часть результатов моделирования представлена в табл. 1.
Результаты моделирования температуры внешней поверхности топливного трубопровода высокого давления духа, °С, В табл. 1 обозначено tрj(н) – расчетное нормативное значение температуры поверхности трубопровода исправной топливной системы при j-й температуре; tр j(на) – расчетное значение температуры поверхности трубопровода топливной системы при неисправном ТНВД при j-й температуре; tр j(ф) – расчетное значение температуры поверхности трубопровода топливной системы при неисправной форсунке при j-й температуре.
В результате обработки результатов моделирования в качестве граничных значений отклонения температуры трубопровода топливной системы с неисправным ТНВД приняты – 10 %, с неисправной форсункой – 5 %.
Для проверки достоверности результатов моделирования проведен ряд экспериментов в локомотивном депо Омск Западно-Сибирской железной дороги – филиале ОАО «РЖД». Сопоставление результатов обработки термограмм (рис. 4) и результатов теоретических исследований подтверждает достаточную точность разработанной математической модели. Расхождение опытных и теоретических данных не превышает 4 % (табл. 2).
«