На правах рукописи

ЧЕБОКСАРОВ АЛЕКСЕЙ НИКОЛАЕВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДВИГАТЕЛЕЙ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК И

ГИДРОАГРЕГАТОВ ДОРОЖНО-СТРОИТЕЛЬНЫХ МАШИН

05.05.04 – Дорожные, строительные

и подъемно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Омск – 2011

Работа выполнена на кафедре «Эксплуатация и сервис транспортнотехнологических машин и комплексов в строительстве» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) кандидат технических наук, доцент

Научный руководитель:

Иванов Виктор Иванович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Галдин Николай Семенович кандидат технических наук, доцент Макаренко Николай Григорьевич ООО «Стройсервис», г. Омск

Ведущая организация:

Защита состоится 14 июня 2011 г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета ВАК РФ Д 212.250.02 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)» по адресу: 644080, г. Омск, проспект Мира, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Сибирская государственная автомобильно-дорожная академия (СибАДИ)».

Отзывы в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Телефон для справок: (3812) 65-01-45, факс (3812) 65-03-23.

Автореферат разослан 11 мая 2011 года.

Ученый секретарь диссертационного совета Д.212.250.02, доктор технических наук, профессор В.Н. Кузнецова

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Большой объем строительных работ в России обусловливает интенсивную эксплуатацию дорожно-строительных машин (ДСМ), что повышает требования к их надежности, в том числе к безотказности, долговечности и ремонтопригодности с учетом снижения затрат на эксплуатационные расходы. Разработка и внедрение технических средств диагностирования (ТСД) ДСМ позволяет сократить трудоемкость технических обслуживаний (ТО) и ремонтов, расходы на их проведение, повысить показатели качества технической эксплуатации.

Современное состояние и перспективы в оснащении ДСМ микропроцессорными системами управления режимными параметрами двигателя силовой установки и рабочим оборудованием, системами бортовой диагностики не исключает потребности в разработках эффективных внешних (переносных) средств технического диагностирования. При этом, как показывает практика, основное место отводится комплектам приборов и приборам, предназначенным для диагностирования двигателей и гидроагрегатов гидрофицированных машин.

В практике технического диагностирования (ТД) двигателей силовых установок и гидроагрегатов ДСМ используются технические средства, которые могут иметь достаточно высокие метрологические характеристики. Но методы измерения диагностических параметров (ДП), низкий уровень квалификации операторадиагноста и недостаточная приспособленность машин и агрегатов к диагностированию снижают точность измерений и достоверность получаемых результатов.

Разработка новых и модернизация существующих технических средств диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов должны осуществляться в направлении повышения надежности технического диагностирования, достоверности оценок их технического состояния и автоматизации измерений диагностических параметров.

Наиболее перспективными методами оценок и прогнозирования надежности систем технического диагностирования (СТД) является методы, основанные на математическом аппарате теории надежности, которые получили в настоящее время широкое развитие. Методы, основанные на экспериментальных и статистических исследованиях, представлении полученных результатов в виде вероятностных функций распределения случайных значений измеряемого ДП, позволяют оценивать надежность систем диагностирования с использованием критерия достоверности и показателей точности измерения ДП.

Осуществление многократных измерений диагностического параметра операторами с различными уровнями их профессиональной подготовленности в совокупности изменяющихся условий требует большого объема экспериментальностатистических исследований. Соответственно, постановка решения большого числа практических задач диагностирования ДСМ, в том числе диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов, связана с эффективными методами сбора и обработки данных, а также с разработкой соответствующих математических моделей. В математической модели и в оценках достоверности измеряемого диагностического параметра процесс получения информации целесообразно рассматривать как процесс уменьшения энтропии СТД.

Таким образом, совершенствование методик оценки технических средств диагностирования, таких составных частей ДСМ, как двигатель ее силовой установки и гидроагрегаты, на основе исследований систем и процессов диагностирования является актуальной научной и технической проблемой.

Цель диссертационной работы заключается в повышении достоверности оценок технического состояния двигателей силовых установок и гидроагрегатов ДСМ за счет совершенствования технических средств диагностирования.

Поставленная цель определила следующие задачи:

1. Разработать вероятностную математическую модель оценки технических средств диагностирования по показателям точности и критерию достоверности с учетом относительной энтропии системы диагностирования.

2. Разработать методики оценок технических средств диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов дорожно-строительных машин по критерию достоверности и показателям точности измеряемых диагностических параметров.

3. Выполнить экспериментально-статистические исследования и оценки технических средств диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов: измерителя мощности двигателя, приборов измерения расхода картерных газов и воздуха, гидротестера 4220 «ОТС» по критерию достоверности измеряемых диагностических параметров и показателям точности.

4. Обосновать и разработать технические решения, направленные на совершенствование технических средств диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов дорожно-строительных машин.

Объектом исследования являются технологические процессы и средства диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов дорожностроительных машин.

Предметом исследования являются закономерности, устанавливающие связи критерия достоверности с метрологическими характеристиками технических средств и методами диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов дорожно-строительных машин.

Методы исследований. Анализ и обобщение существующего опыта функционального и тестового технического диагностирования ДСМ, методы математической статистики, прикладной статистики, математического анализа, теории информации и инженерной психологии, методы физических экспериментов и экономической оценки. В расчетах и оценках использовалось прикладное программное обеспечение: Microsoft Office Excel, STATISTICA, Компас-3D.

Научная новизна определяется следующим:

1. Разработана вероятностная математическая модель оценки технических средств диагностирования по показателям точности и критерию достоверности с учетом относительной энтропии системы диагностирования.

2. Экспериментально получены и исследованы статистические оценки процессов диагностирования двигателя силовой установки и насоса шестеренного типа с использованием различных ТСД: измерителя мощности двигателя, приборов для измерения расхода картерных газов и воздуха, гидротестера 4220 «ОТС».

3. Разработаны методики оценки ТСД с использованием условных вероятностных функций распределения измеряемого ДП и относительной энтропии СТД по показателям точности и критерию достоверности.

4. Обоснованы рациональные пути совершенствования приборов измерения расхода картерных газов и воздуха, а также дроссель-расходомеров и гидротестеров.

Практическая ценность работы.

– предложены методики оценки ТСД двигателей силовых установок и гидроагрегатов ДСМ по критерию достоверности и показателям точности измеряемых ДП с учетом относительной энтропии СТД, которые могут быть использованы на эксплуатационных и ремонтных предприятиях, конструкторскими бюро и НИИ при разработке и модернизации средств диагностирования, а также учебными заведениями при подготовке и повышении квалификации операторов-диагностов;

– разработаны технические решения, направленные на совершенствование приборов измерения расхода картерных газов и воздуха, а также дроссельрасходомеров для измерения диагностических параметров гидроагрегатов ДСМ (Патент на полезную модель № 91759. Дроссель-расходомер. Опубликован 27.02.2010. Бюл. №6).

Апробация. Основные положения диссертации доложены и обсуждены на 62ой научно-технической конференции СибАДИ 2008 г, на заседаниях кафедры «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) от 16.09.2010 и 29.12.2010, на научно-технических семинарах факультета «Нефтегазовая и строительная техника» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ) от 08.11.2010 и 30.03.2011.

Реализация результатов работы. Результаты исследований приняты к внедрению ООО НПО Мостовик (г.Омск), ООО «Сибуниверсал» (г.Омск) и используются в учебном процессе по дисциплине «Техническая эксплуатация СДКМ» на кафедре «Эксплуатация и сервис транспортно-технологических машин и комплексов в строительстве» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (СибАДИ).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 6 работ, из них статья в изданиях, входящих в перечень ВАК, 1 патент на полезную модель.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных результатов и выводов, списка использованных источников, включающего 126 наименований, 16 приложений. Работа изложена на 173 страницах, включает 33 таблицы и 42 рисунка.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определена цель и основные задачи исследований, сформулирована научная новизна и практическая ценность.

В первой главе выполнен анализ систем технического обслуживания и ремонтов ДСМ, а также анализ места и роли ТД в технологическом процессе ТО и ремонтов. Содержится краткий анализ выполненных работ, посвященных оценкам эффективности ТД ДСМ, принципам построения и исследованию структурных связей функциональных и тестовых СТД. Выполнены расчеты оценки надежности оператора при комплексном диагностировании двигателя силовой установки ДСМ на основе структурных вероятностных схем. Обоснована целесообразность использования вероятностных методов при оценках достоверности и точности измерения ДП.

Большой вклад в развитие технической диагностики, оптимизации ее процессов, оценки эффективности внесли такие ученые, как Т.В. Алексеева, И.Н. Аринин, В.И. Бельских, И.А. Биргер, Г.В. Веденяпин, Н.С. Ждановский, В.А. Зеленин, В.А. Зорин, В.В. Клюев, А.В. Колчин, В.М. Коншин, В.М. Лившиц, А.Н. Максименко, В.М. Михлин, Н.А. Северцев, А.М. Харазов, А.М. Шейнин и многие другие.

Анализ работ по оценке эффективности технического диагностирования показывает, что оптимизировать диагностический процесс можно по различным критериям, в том числе по продолжительности испытаний, по числу проверок (тестов), по стоимости их реализации. Важно отметить, что эффективность диагностического процесса может оцениваться выше указанными критериями только при условиях достаточной надежности и точности измерений ДП. Под надежностью ТД следует понимать вероятность достоверного определения ДП в интервале возможного разброса его измеренных значений.

Не зависимо от структуры система диагностирования включает в себя три основных элемента: объект диагностирования, технические средства диагностирования и оператора. Практика показывает, что в сложных СТД большое число элементов, прямых и обратных связей значительно усложняет вероятностное описание процесса и, соответственно, оценку его эффективности. Кроме того, имеют место недостатки при учете влияния квалификации оператора на показатели надежности ТД.

Надежность оператора в исследованиях при индикации и регистрации диагностических параметров может оцениваться надежностью его работы и (или) его производительностью, в том числе с использованием вероятностных характеристик. В инженерной психологии для оценки производительности оператора чаще используют более простые и достаточно достоверные тестовые методы оценки состояния и продуктивности психических функций.

Выполненный анализ надежности оператора при комплексном ТД двигателя силовой установки ДСМ на основе расчетов структурных вероятностных схем показал следующее. На различных этапах (подготовка к измерениям, калибровка ТСД, а также измерение и определение ДП) надежность оператора имеет существенно различающиеся значения. При этом вероятности ошибок на i-х операциях могут иметь достаточно малые значения, например, установка режимов 0,0025, установка калибровочных значений 0,0094, считывание информации 0,0012. Таким образом, надежность (вероятность безошибочной работы) оператора определяется как измеряемым ДП, так и существенно зависит от характеристик объекта диагностирования (мощностных показателей двигателя). Рассчитанные вероятности безошибочной работы оператора на этапах подготовки к измерению ДП, калибровки ТСД, непосредственного измерения ДП и их определения могут иметь значения не выше 0,94-0,86. Использование подобных методик не позволяет определять уровень надежности СТД, учитывать случайные погрешности измерений ДП, исключать систематические ошибки, а значит выполнять достоверные оценки.

Во второй главе приведены результаты теоретических исследований в обосновании критерия достоверности и показателей точности ТД двигателей силовых установок и гидроагрегатов ДСМ. Разработана вероятностная математическая модель и методики оценки надежности ТД по показателям точности и критерию достоверности с учетом относительной энтропии системы технического диагностирования.

В процессе ТД многие факторы, которые проявляются в изменяющихся внешних условиях, а также зависят от ошибок оператора, носят случайный характер.

Соответственно процессы ТД могут описываться вероятностными методами.

Вероятностную модель СТД с учетом влияния различных случайных факторов можно представить в виде вероятностной функции распределения измеряемого ДП, а также в виде совокупности их реализаций.

В зависимости от типа ДП его рассеивание может ограничиваться с одной или с двух сторон. Ограничение по минимальному значению принимается для таких параметров, как эффективная мощность, к.п.д., расход рабочей жидкости. Ограничение по максимальному значению ДП принимается для таких параметров, как расход картерных газов (воздуха), расход топлива, износовые параметры. Двустороннее ограничение обосновано для таких параметров, как вязкость моторного масла (рабочей жидкости).

Поле допуска измеряемого ДП может определяться:

– в пределах допускаемой основной погрешности по метрологическим характеристикам (ПМ) ТСД от umin до umax где u д – допустимый разброс случайных значений измеряемого параметра; uм – разброс значений по метрологическим характеристикам прибора (абсолютная погрешность прибора);

– в соответствии с техническими регламентами – нормативно-технической документацией (НТД) для ТСД Приняв за критерий надежности ТД оценку его достоверности, нетрудно определять этот показатель, имея в качестве исходной характеристики вероятностную функцию распределения случайного значения измеряемого ДП (рис. 1) и учитывая ошибки I и II рода где PI – вероятность ошибки I рода (отбраковывание работоспособного агрегата), PI PU u м ; PII – вероятность ошибки II рода (признание годным неработоmax способного агрегата), PII 1 PU u м.

В случае распределения ошибок по нормальному закону не трудно определить известные показатели точности измерения ДП: вероятную ошибку измерений 0,6745 ; среднюю абсолютную ошибку 0,7979 ; меру точности h 0,7071, где – среднеквадратическое отклонение случайного значения ДП.

Сложность в оценках достоверности диагностирования возникает при нахождении вероятностной функции распределения случайного значения измеряемого ДП с учетом условий измерения Fo(u). В процессе технического диагностирования необходимо провести большой объем экспериментально-статистических исследований при использовании ТСД операторами разной квалификации, причем в совокупности изменяющихся условий. Задача упрощается описанием процесса ТД условными вероятностными функциями, характеризующими метрологические характеристики ТСД и условия их использования оператором, не имеющим квалификации. Область допустимых случайных значений измеряемого ДП для различных вариантов по условиям диагностирования может определяться верхним и нижним уровнями (рис. 2).

значения измеряемого ДП с одинаковым значением математического ожидания для нормального закона распределения: Fм(u) – условная вероятностная функция распределения случайного Возможны различные варианты образования области допустимых случайных значений измеряемого ДП условными вероятностными функциями: первый mм(u) = mн(u); второй mм(u) < mн(u); третий mм(u) > mн(u). mм(u), mн(u) – математическое ожидание случайных значений измеряемого ДП для математической модели по метрологическим характеристикам и математическое ожидание, полученное в результате экспериментально-статистических исследований при использовании ТСД операторами, не имеющими квалификации.

Для вероятностной модели принято следующее основное допущение: характеристики ОД, условия диагностирования, квалификация оператора не обеспечит определение ДП в пределах значений погрешностей в соответствии с метрологическими характеристиками ТСД м(u) < н(u). м(u), н(u) – среднеквадратическое отклонение случайных значений измеряемого ДП для математической модели по метрологическим характеристикам и среднеквадратическое отклонение, полученное в результате экспериментально-статистических исследований при использовании ТСД операторами, не имеющими квалификации.

Условные вероятностные функции Fм(u) и Fн(u) могут характеризоваться нормальным или другими законами распределения. Также очевидно, закон распределения случайного значения измеряемого ДП, который будет справедлив для условия использования ТСД операторами, не имеющими квалификации, может быть принят как закон распределения измеряемого значения ДП по метрологическим характеристикам.

Искомая вероятностная функция распределения измеряемого ДП Fо(u) может быть определена следующим образом:

1. В ходе экспериментально-статистических исследований определяется условная вероятностная функция распределения измеряемых значений ДП в условиях технического диагностирования операторами, не имеющими квалификации Fн(u). При этом операторы должны быть подготовлены к пользованию ТСД и выполнить серии измерений ДП. Для условной вероятностной функции распределения Fн(u) необходимо определить закон распределения случайных значений ДП и соответствующие числовые характеристики.

2. С учетом установленного закона определяется условная вероятностная функция распределения измеряемых значений ДП для интервала uмmin – uмmax в пределах допускаемой основной погрешности по метрологическим характеристикам ТСД.

Как видно, условные вероятностные функции Fм(u), Fн(u) не позволяют осуществлять оценки СТД по показателям точности и критерию достоверности, а могут служить только для определения верхнего и нижнего уровня этих показателей с учетом разброса значений ДП.

Неопределенность в нахождении вероятностной функции распределения случайного значения измеряемого ДП с учетом совокупности изменяющихся условий диагностирования достаточно просто решается при назначении уровня надежности СТД с учетом выражений (рис. 3) где Fм(u) – условная вероятностная функция распределения случайного значения ДП, характеризующая метрологические характеристики ТСД («верхний» уровень); Fн(u) – условная вероятностная функция распределения случайного значения ДП при техническом диагностировании операторами, не имеющими квалификации («нижний» уровень); F(u) – функция надежности СТД; P(u) – уровень надежности СТД.

Недостаток таких оценок – отсутствие информации о надежности различных СТД применительно к интервалу измеряемого ДП от uнmin до uнmax.

Для вероятностной характеристики случайного значения ДП, когда закон распределения его неизвестен, применим графоаналитический способ определения вероятностных числовых характеристик измеряемого ДП в любом заданном интервале с использованием прикладного программного обеспечения «Компас 3D».

Совокупность реализаций вероятностных функций распределения случайной величины измеряемого ДП может образовывать вероятностную область его возможных случайных значений. С учетом этого возможно для совокупности изменяющихся условий диагностирования использовать меру неопределенности диагностического процесса или относительную энтропию системы диагностирования где H(U) – относительная энтропия непрерывной случайной величины; u – плотность вероятностей случайной величины измеряемого ДП.

На выбор закона распределения относительной энтропии СТД повлияет наложение условий: диапазон изменений измеряемого ДП, а также условие обеспечения максимума относительной энтропии. Закон распределения с равномерной плотностью вероятностей случайной величины ДП в интервале umin u umax обеспечивает максимум относительной энтропии.

Тогда искомую вероятностную функцию распределения Fо(u) с учетом относительной энтропии СТД достаточно просто определить с учетом выражения где Fо(u) – вероятностная функция распределения случайной величины ДП СТД;

Fм(u) – условная вероятностная функция распределения случайного значения ДП, характеризующая метрологические характеристики ТСД («верхний» уровень);

Fн(u) – условная вероятностная функция распределения случайного значения ДП, при использовании ТСД оператором, не имеющим квалификации («нижний» уровень); Fэ(u) – вероятностная функция распределения случайной величины ДП с учетом относительной энтропии СТД.

В выражении (7) условные вероятностные функции распределения случайных значений измеряемого ДП Fм(u), Fн(u) (нормальные законы распределения), а также Fэ(u) (равновероятный закон распределения) определяются с учетом выражений где mм(u), mн(u) – математическое ожидание случайных значений измеряемого ДП для математической модели по метрологическим характеристикам и математическое ожидание, полученное в результате экспериментально-статистических исследований при использовании ТСД операторами, не имеющими квалификации; м(u), н(u) – среднеквадратическое отклонение случайных значений измеряемого ДП для математической модели по метрологическим характеристикам и среднеквадратическое отклонение, полученное в результате экспериментальностатистических исследований при использовании ТСД операторами, не имеющими квалификации.

Вероятностная функция распределения измеряемой величины ДП с учетом относительной энтропии СТД с использованием выражений (7), (8), (9), (10) может определяться графоаналитическим способом.

Таким образом, разработанная вероятностная модель позволит осуществлять сравнительную оценку надежности процессов ТД по критерию достоверности и показателям точности с учетом относительной энтропии СТД.

В третьей главе представлены результаты экспериментально-статистических исследований, которые выполнялись с целью оценки приборов и комплектов приборов, используемых для диагностирования двигателей силовых установок и насосов шестеренного типа гидроприводов ДСМ по критерию достоверности и показателям точности.

В экспериментально-статистических исследованиях использовались: стенд дизельного двигателя Д-37Е мощностью 46,5 кВт; приспособление для фиксации его привода ТНВД; измеритель мощности двигателя ИМД-ЦМ; приборы для измерения расхода картерных газов КИ-13671 и модернизированный дроссельрасходомер (RU 2347195), изготовленный в соответствии с патентом на полезную модель; гидротестер 4220 «ОТС». Гидротестером 4220 «ОТС» выполнялись измерения подачи рабочей жидкости насосом НШ-32Л, установленным на стенде дизельного двигателя.

Экспериментально-статистические исследования выполнялись в ходе трех основных этапов: на первом этапе были сформированы группы с учетом показателя производительности каждого оператора, входящего в группу, осуществлялась их подготовка к измерению ДП; на втором этапе производились измерения ДП в соответствии с алгоритмом комплексного диагностирования двигателя силовой установки, а также измерения расхода картерных газов с использованием приборов КИ-13671 и RU 2347195 при прогреве двигателя и на разогретом двигателе Д-37Е;

на третьем этапе проводились измерения подачи насоса НШ-32Л с использованием гидротестера 4220 «ОТС» при прогреве рабочей жидкости от 15-20 С до 45 - 50 С. При этом частота вращения коленчатого вала двигателя изменялась в пределах 900-1300 мин-1, а величина давления рабочей жидкости устанавливалась нагрузочным устройством в пределах 7,4-8,5 МПа.

В ходе каждого этапа осуществлялась статистическая обработка результатов измерений ДП. Определялись законы распределения случайных значений измеряемых ДП и их числовые характеристики. Проверка гипотез о предполагаемом законе распределения осуществлялась по критерию 2 (критерий Пирсона). Определялись условные вероятностные функции распределения измеряемых ДП, вероятностные функции распределения измеряемых ДП с учетом реализации по совокупности условий диагностирования. Выполнялись оценки ТСД по показателям точности и критерию достоверности.

В экспериментально-статистических исследованиях производительности операторов при настройке и измерениях ДП использовались операторы, не имеющие квалификации, подготовленные к пользованию вышеперечисленными ТСД. Скорость приема и переработки информации, ошибки операторов определялись с использованием теста (корректурная проба Бурдона) информационной емкостью 3 бит. Тесты выполнялись перед использованием приборов диагностирования группами операторов общей численностью 37 человек.

По результатам выполненных испытаний были определены следующие показатели: средняя продолжительность выполнения теста tт, средний показатель производительности оператора Е. Операторы, не готовые к измерениям, выбраковывались по параметру Е.

В ходе подготовки к измерениям и использования прибора ИМД-ЦМ фиксировались продолжительность tк и ошибки его настройки (абсолютные) по параметрам: частота вращения nк, ускорение к, уровень фиксации nк.

Как видно из составленной корреляционной матрицы (табл. 1) точность настройки прибора определяется значительным числом случайных факторов. Последующие измерения и оценка их точности учитывали допускаемые ошибки настройки измерителя мощности двигателя ИМД-ЦМ.

Таблица 1. Корреляционная матрица Результаты второго этапа исследований позволили получить статистические параметры распределения измеренных значений частот вращения коленчатого вала в диапазоне 900-1900 мин-1. На графике (рис. 4) представлены зависимости среднеквадратического отклонения случайного значения измеряемого параметра в диапазоне изменения частоты вращения коленчатого вала двигателя для оператора, не имеющего квалификации, а также с учетом метрологических характеристик прибора (идеальные условия измерений).

коленчатого вала двигателя: 1 – для оператора, не имеющего квалификации; 2 – с прибора (идеальные условия).

Как видно из рисунка 4, при измерении номинального значения частоты вращения (1800 мин-1) коленчатого вала двигателя среднеквадратическое отклонение измеряемого значения параметра может быть больше в 1,7 раза в сравнении с условиями измерения по метрологическим характеристикам.

Разработанная вероятностная модель и методики оценки точности и достоверности измеряемых ДП позволили определить вероятностные функции распределения случайных значений параметра для различных уровней надежности СТД и вероятностную функцию распределения случайных значений измеряемого ДП с учетом относительной энтропии системы. Получены показатели точности и достоверностей измерения ДП (табл. 2).

Как видно из таблицы 2, при измерении частоты вращения коленчатого вала двигателя измерителем мощности ИМД-ЦМ обеспечивается необходимая точность и достоверность диагностирования даже в случаях пользования прибором операторами, не имеющими достаточного уровня квалификации.

Таблица 2. Достоверности и показатели точности при измерении частоты вращения коленчатого вала двигателя измерителем мощности ИМД-ЦМ (закон распределения случайных значений измеряемого ДП нормальный) Примечание. ИУ – идеальный условия измерений; ОНК – оператор, не имеющий квалификации; НТД – поле допуска в соответствии с техническими регламентами; ПМ – поле допуска в пределах допускаемой основной погрешности по метрологическим характеристикам; – вероятная ошибка; – средняя абсолютная ошибка; h – мера точности; D – достоверность.

Статистические параметры распределения измеряемых значений эффективной мощности (ускорений разгона) описываются равновероятным законом распределения. Исследования показали достаточно высокую точность и достоверность измерений. В соответствии с требованиями технических регламентов достоверность составляет 0,99, а в соответствии с допускаемой основной погрешностью по метрологическим характеристикам ТСД – 0,83.

Таким образом, измеритель мощности ИМД-ЦМ при ТД двигателей ДСМ, а также при использовании в комплекте с другими приборами для определения частоты вращения коленчатого вала двигателя, обеспечивает достаточно высокие показатели точности и достоверности измерений.

В соответствии с алгоритмом комплексного диагностирования двигателя силовой установки выполнены оценки точности и достоверности измерений ДП прибором КИ-13671. Измерения проводились при прогреве двигателя (I этап) и на прогретом до эксплуатационного теплового состояния двигателе (II этап) при различных значениях частоты вращения его коленчатого вала (рис. 5).

Статистические параметры распределения измеряемых значений расхода картерных газов описываются нормальным законом распределения.

В ходе экспериментально-статистических исследований получены зависимости среднеквадратического отклонения от измеряемой величины расхода картерных газов для прибора КИ-13671 и модернизированного прибора (RU 2347195) Сравнительная оценка КИ-13671 и модернизированного прибора (RU 2347195) показала, что среднеквадратическое отклонение при пользовании модернизированным прибором уменьшается в 3 раза (рис. 6). Необходимое число измерений в серии и продолжительность основного этапа диагностирования сокращаются в 2 раза.

Рис. 6. Зависимости разброса измеренных значений расхода картерных газов двигателя Д-37Е от назнаP(q) ченной надежности системы диагностирования: 1 – КИ-13671; 2– 0,60 0,65 0,70 0,75 0,80 0,85 0,90 0, RU 2347195.

При использовании известных методов статистических исследований, разработанные модели и методики позволили рассчитать значения показателей точности и достоверностей измерения ДП (табл. 3).

Таблица 3. Показатели точности и достоверностей измерения расхода картерных газов Дроссель-расходомер m(q), л/мин (q), л/мин, л/мин, л/мин h, Как видно из таблицы 3, при пользовании модернизированным прибором точность повышается в 3 раза. Достоверность в соответствии с требованиями технических регламентов (НТД) повышается на 0,13, а в соответствии с полем допуска по метрологическими характеристиками повышается на 0,09. Такие показатели достигнуты за счет совершенствования конструкции прибора, в том числе расширения диапазона измерений ДП, введения в конструкцию прибора шкалы измерения малых расходов и уменьшения цены ее деления.

Число измерений в серии при 10 % уровне надежности для модернизированного прибора (RU 2347195) может не превышать 7-8 в сравнении с КИ-13671 12-13.

Дальнейшее конструктивное совершенствование прибора дроссель-расходомера (RU 2347195) возможно за счет автоматизации измерений.

При использовании известных методов статистических исследований, разработанные модели и методики позволили определить показатели точности и достоверности измерения расхода рабочей жидкости гидротестером 4220 «ОТС» с использованием системы диагностирования в составе комплекта: гидравлический тестер 4220 «ОТС» для измерения подачи рабочей жидкости, измеритель мощности ИМД-ЦМ для определения частоты вращения коленчатого вала двигателя (табл. 4). Статистические параметры распределения измеряемых значений расхода рабочей жидкости описываются нормальным законом распределения.

Таблица 4. Показатели точности и достоверность при измерении расхода рабочей жидкости гидротестером Условия измерений m(q), л/мин (q), л/мин, л/мин, л/мин h, Достоверность измерения параметра расхода рабочей жидкости в соответствии с техническими регламентами (НТД) составляет 0,92, а в пределах допускаемой основной погрешности по метрологическим характеристикам (ПМ) – 0,68.

Как видно, техническое совершенство гидротестера 4220 «ОТС» при достаточно высоких показателях его метрологических характеристик не обеспечивает достоверности диагностирования. Конструктивное совершенствование отечественных дроссель-расходомеров (ДР-70, ДР-90М, ДР-160), которые широко используются в диагностике гидроагрегатов, может быть обеспечено расширением диапазона измерений расхода рабочей жидкости, уменьшением цены деления измеряемого параметра, повышением точности установки золотника по углу поворота рукояти. По результатам исследований предложен модернизированный дроссельрасходомер, на который получен патент (RU 91759).

В четвертой главе рассматриваются технические решения, направленные на совершенствование приборов измерения расхода картерных газов и воздуха, а также дроссель-расходомеров (ДР-70, ДР-90М, ДР-160) с целью повышения достоверности оценок технического состояния двигателей силовых установок и гидроагрегатов ДСМ. Приводится расчет экономической эффективности использования технических средств диагностирования двигателей силовых установок ДСМ по их ресурсному параметру.

Выполненные экспериментально-статистические исследования позволяют предъявить к вновь разрабатываемым или модернизируемым приборам измерения расхода картерных газов требования автоматизации процесса измерения. Проектируемые или модернизируемые приборы могут иметь механическую часть и электронный блок регистрации параметров (ЭБРП) Алгоритмические уровни процесса диагностирования с использованием комплекта, который включает механическую часть прибора и электронный блок регистрации параметров расхода картерных газов, представлены на рисунке 7.

Таким образом, на втором этапе первого алгоритмического уровня процесса измерения возможна его автоматизация с учетом назначенного уровня надежности диагностирования и квалификации оператора. На втором алгоритмическом уровне (3 этап) осуществляется расчет величины остаточного ресурса двигателя по измеренным значениям расхода картерных газов.

Задание требуемого уровня надежности диагностироваэтап наработки после выполненных измерений t2 (результатов Определение среднего значения расхода картерных газов назначено в соответствии с уровнем надежности диагностирования и квалификацией оператора Оператор, не имеющий квалификации: 5 % уровень наВвод пара- дежности 13-14 измерений, 10 % уровень надежности 9- II уровень Вывод результатов и оценка состояния двигателя по измеряемому и рассчитанному параметрам Uи, tост Рис. 7. Алгоритмические уровни процесса диагностирования двигателя по параметрам расхода картерных газов и величине остаточного ресурса: I уровень – измерение ДП; II уровень – определение величины остаточного ресурса; 1 этап – ввод исходных данных в ЭБРП; 2 этап – измерение ДП в соответствии с назначенным уровнем надежности и квалификацией оператора;

3 этап – определение величины остаточного ресурса двигателя.

Структурная механическая часть прибора должна обеспечивать автоматизацию процесса измерения ДП в соответствии со структурной схемой, представленной на рисунке 8.

Рис. 8. Структурная схема механической части прибора: а) дроссель-расходомер в комплекте; б) датчики прибора; 1 – конусообразный переходник-наконечник; 2 – корпус; 3 – сквозное дроссельное отверстие; 4 – поворотное кольцо измерения малых расходов картерных газов и воздуха (от 30 до 85 л/мин); 5 – движок поворотного кольца; 6 – поворотное кольцо измерения больших расходов картерных газов; 7 – ирисовая диафрагма; 8 – крышка корпуса; 9 – заглушка (используется при тарировке прибора); 10 – ротаметр; 11 – поршенек ротаметра; 12 – заглушка (отворачивается при измерении больших расходов); 13 – трубка ротаметра; С1 – емкостной датчик положения поршенька ротаметра; R1, R2, R3 – потенциометры положения поворотного кольца измерения больших расходов картерных газов; R4 – потенциометрический датчик малых расходов картерных газов; УСС – устройство суммирования сигналов; ЭБРП – электронный блок регистрации параметров.

Повышение показателей точности и достоверности диагностирования, расширение диапазонов измеряемых параметров дроссель-расходомером (RU 91759) в сравнении с дроссель-расходомерами (ДР-70, ДР-90М, ДР-160), а также гидротестером 4220 «ОТС» достигается за счет конструктивного усовершенствования механической части дроссель-расходомера и введения в комплект прибора электронного блока регистрации параметров.

Точность снимаемых показаний расхода рабочей жидкости повышается за счет исключения лимба со шкалой и стрелки указателя путем введения в конструкцию прибора потенциометрического датчика положения золотника. Использование в конструкции прибора датчика давления позволяет повысить точность измерения давления рабочей жидкости.

Конструктивно механизм передачи вращения от рукояти к золотнику представляет собой верньерное устройство с планетарной передачей.

Передаточное число планетарной передачи определяется где Р – угловая скорость вращения рукояти, рад/с; З – угловая скорость вращения золотника, рад/с; 1 – угол поворота рукояти, град; 2 – угол поворота золотника, град.

Чувствительность измерительного прибора определяется где Р – угол поворота рукояти (лимба), град; Q – изменение измеряемого значения расхода рабочей жидкости, л/мин.

На рисунке 9 представлены градуировочные зависимости приборов ДР-90М и (RU 91759).

Рис. 9. Градуировочные зависимости приборов: 1– дроссель-расходомер ДРМ; 2 – дроссель-расходомер (RU 91759).

Результаты расчетов передаточного отношения и чувствительности дроссельрасходомера ДР-90М и дроссель-расходомера (RU 91759) представлены в таблице 5.

Таблица 5. Передаточное отношение и чувствительность дроссель-расходомеров Дроссель-расходомер Передаточное отношение u Из таблицы 5 видно, что чувствительность модернизированного прибора повышается в 2,5 раза.

Введение в комплект прибора электронного блока регистрации параметров (ЭБРП) (рис. 10) позволит обеспечить повторные измерения в серии, обработку результатов измерений, расчет среднего значения измеряемых параметров, их разброса, минимального и максимального значений.

Дроссель-расходомер Конструктивное улучшение прибора позволит обеспечить точность его настройки и сократить число измерений в серии для повышения достоверности диагностирования гидроприводов ДСМ.

Годовая экономия на расходах при эксплуатации системы диагностирования, обеспечивающей повышение достоверности оценок технического состояния ДСМ где 1, 2 – относительная погрешность для исходного и более надежного вариантов построения системы; Сош – «стоимость» одной ошибки, руб; Nп – число проверок, Nп = 1.

Относительная погрешность для исходного и более надежного вариантов построения системы диагностирования определяются где 1, 2 – погрешность (цена деления шкалы) прибора аналога и разработанного прибора, л/мин; x1, x2 – наибольшее значение расхода картерных газов по шкале прибора аналога и разработанного прибора, л/мин.

Стоимость ошибки измерения расхода картерных газов где Тп – периодичность проверок, мото.-ч; Uп и Uн – значения предельного и номинального расходов картерных газов, л/мин; ' – 1%-ная ошибка измерения параметра, л/мин; Cр – стоимость одного машино-часа, руб; Си – коэффициент инфляции, Си = 1.

1%-ная ошибка измерений определяется Исходные данные для расчетов годовой экономии на текущих расходах при эксплуатации системы диагностирования повышенной надежности представлены в таблице 6.

Таблица 6. Исходные данные для расчетов годовой экономии на расходах при эксплуатации системы диагностирования повышенной надежности Базовая машина Двигатель По результатам расчета годовой экономии на расходах при эксплуатации системы диагностирования повышенной надежности для различных двигателей ДСМ получен график зависимости (рис. 11).

Рис. 11. Зависимость годовой экономии на расходах Сн при эксплуатаNe, кВт ции СТД повышенной надежности от эффективной мощности двигателя Ne ДСМ Зависимость (рис. 11) с достоверностью аппроксимации R2 = 0,8 определяется выражением Из рисунка 11 видно, что с увеличением мощности двигателя увеличивается годовая экономия на расходах при эксплуатации системы диагностирования повышенной надежности.

Как показывает сравнительная оценка экономической эффективности штатного и модернизированного прибора для измерения расхода картерных газов, зависимость годовой экономии на расходах при эксплуатации системы диагностирования для силовых установок мощностью 140-180 кВт может составить 4000руб.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработана вероятностная математическая модель и методики оценки технических средств диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов дорожно-строительных машин по показателям точности и критерию достоверности с учетом относительной энтропии системы диагностирования.

2. Выполнены экспериментально-статистические исследования и оценки технических средств диагностирования двигателей силовых установок и гидроагрегатов ДСМ.

Измеритель мощности ИМД-ЦМ при диагностировании двигателей силовых установок, а также в комплекте с приборами для измерения расхода картерных газов и гидротестерами обеспечивает высокую достоверность измерения параметров:

– частота вращения коленчатого вала (D = 0,97-0,99);

– эффективная мощность (D = 0,83-0,99).

Модернизированный прибор (RU 2347195) для измерения расхода картерных газов в сравнении с прибором КИ-13671 обеспечивает надежность диагностирования по показателям точности и достоверности. Точность повышается в 3 раза, а достоверность диагностирования с использованием модернизированного прибора повышается на 0,13 и составляет 0,95. При этом число измерений в серии по условиям диагностирования могут быть уменьшены в 2 раза.

Техническое совершенство гидротестера 4220 «ОТС» не обеспечивает надежность диагностирования. Достоверность измерения подачи насоса НШ-32Л при пользовании гидротестером 4220 составляет 0,68-0,92.

3. Выполненный анализ конструктивного исполнения приборов для измерения параметров расхода картерных газов и воздуха показывает, что дальнейшее совершенствование приборов возможно за счет автоматизации процессов измерения.

4. Выполненная оценка конструктивных недостатков гидротестеров дроссельного типа позволила разработать прибор (RU 91759), обеспечивающий точность установки золотника по углу поворота рукояти и большую чувствительность.

Чувствительность прибора (RU 91759) по сравнению с прибором ДР-90М повышается в 2,5 раза.

5. Выполненная оценка экономической эффективности использования технических средств диагностирования силовых установок ДСМ по их ресурсному параметру показала, что годовая экономия на расходах при эксплуатации системы диагностирования повышенной надежности для силовых установок мощностью 140-180 кВт может составить 4000 - 5000 руб.

Список опубликованных работ по теме диссертации:

1. Иванов В.И., Чебоксаров А.Н. Обоснование требований к числу измерений диагностического параметра при ресурсном диагностировании ДВС дорожностроительных машин. // Материалы 62-й научно-технической конференции СибАДИ. – 2008. Кн. 1. – С. 144 – 152.

2. Иванов В.И., Чебоксаров А.Н. Оценка надежности оператора по среднему показателю производительности при техническом диагностировании дорожностроительных машин. // Вестник СибАДИ. – 2008. №4(10). – С. 14 – 18.

3. Иванов В.И., Чебоксаров А.Н. Оценка надежности системы технического диагностирования дорожно-строительных машин. // Вестник СибАДИ. – 2009.

№1(11). – С. 22 – 26.

4. Иванов В.И., Салихов Р.Ф., Чебоксаров А.Н. Повышение точности и достоверности диагностирования ДВС. // Материалы международной научнопрактической конференции, посвященной 45-летию ЦИСИ. Г. Астана. – 2009. С.

378 – 382.

5. Иванов В.И., Чебоксаров А.Н. Обоснование требований к средствам диагностирования двигателей дорожно-строительных машин с учетом их возможной модернизации. // Омский научный вестник – 2010. №2 (90). – С. 116 – 120.

6. Патент RU 91759 U1. Дроссель-расходомер // Иванов В.И., Салихов Р.Ф., Чебоксаров А.Н. Опубл. 27.02.2010. Бюл. №6.

Отпечатано в полиграфическом отделе УМУ СибАДИ