ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПАССАЖИРСКИХ ЛОКОМОТИВОВ С ПОМОЩЬЮ ДИАГНОСТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ

АННОТАЦИЯ

Надежность тепловозных дизелей в значительной степени зависит от своевременной и объективной оценки технического состояния его оборудования в процессе эксплуатации.  В статье предлагается методика интегральной оценки технического состояния качества рабочего процесса в цилиндре дизеля с использованием бортовых средств диагностики.

ABSTRACT

The reliability of diesel locomotives largely depends on a timely and objective assessment of the technical condition of its equipment during operation.  The article proposes a method of integral assessment of the technical condition of the quality of the working process in a diesel cylinder using on-board diagnostic tools.

Ключевые слова: диагностика дизеля, математическая модель рабочего процесса дизеля, коэффициент избытка воздуха, температура отработавших газов.

Keywords: diesel diagnostics, mathematical model of diesel workflow, excess air coefficient, exhaust gas temperature.

Повышение эксплуатационной экономичности и надежности локомотивов требует непрерывного контроля технического состояния их оборудования в процессе эксплуатации. Задача достоверной оценки качества рабочего процесса в цилиндрах ДВС и технического состояния определяющих его узлов топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы в настоящее время решается стационарными и бортовыми средствами диагностики на основании анализа индикаторной диаграммы рабочего процесса. Использование такого подхода для непрерывного контроля технического состояния тепловозного дизеля в эксплуатации невозможно по ряду причин, основной из которых является отсутствие технической возможности непрерывного измерения давления в цилиндре дизеля, которое необходимо для снятия индикаторной диаграммы.  В связи с этим актуальной является задача разработки методов интегральной оценки качества рабочего процесса в цилиндре ДВС с использованием ограниченного набора параметров, контролируемых современными средствами автоматического управления силовой установки локомотива[1].

Характерной особенностью работы ДВС в условиях эксплуатации является значительная доля времени, приходящаяся на переходные режимы работы.  По разным оценкам [2], она достигает 40-80% от времени работы под нагрузкой. Это существенно усложняет решение задач, связанных с оценкой технического состояния систем ДВС по данным мониторинга, поскольку статистически устойчивые соотношения между параметрами, характеризующими техническое состояние большинства агрегатов силовой установки локомотива, получены прежде всего для установившихся режимов ее работы.

В связи с этим первая задача, которую необходимо решить для реализации предложенного метода, заключается в разработке методики измерения контролируемых параметров.

Значение большинства параметров рабочего процесса дизеля определяется действием большого количества разнообразных факторов, не поддающихся количественной оценке, т.е. являются случайными величинами, распределенными в основном по нормальному закону. Измерение случайной величины сводится к определению ее основных статистических характеристик (математическое ожидание, дисперсия, среднеквадратическое отклонение и др.).

Поэтому вторая задача, связанная с реализацией предлагаемого метода оценки технического состояния дизеля, заключается в определении статистических характеристик контролируемых параметров силовой установки локомотива.

На основании результатов решения указанных задач могут быть сформированы решающие правила для оперативной оценки технического состояния систем ДВС.

Исследование изменений параметров состояния силовой установки в эксплуатации выполнялось с использованием данных бортовых накопителей локомотивов серии ТЭП70БС, при этом анализировалась информация, накапливаемая в условиях рядовой эксплуатации, без каких-либо ограничений по режимам или участкам работы тепловозов.

Данные, накопленные за 100 последних часов работы тепловоза, автоматически переписывается на съемный накопитель, подключаемый к выносному разъему дисплейного модуля микропроцессорной системы управления тепловоза (МСУ), после чего загружаются специальной программой «Осциллограф», входящей в комплект поставки МСУ, позволяющей просматривать и анализировать накопленную информацию. Для выполнения статистической обработки данных они могут быть экспортированы в текстовый файл и загружены любым из специализированных приложений.

Для определения доли времени работы силовой установки тепловоза, приходящейся на переходные процессы, была выполнена обработка данных по 10 поездкам, выполненным пятью тепловозами серии ТЭ70БС по двум различным участкам. В практике исследований работы силовых установок локомотивов принято считать установившимся режим, в котором сохраняются неизменными математические ожидания частоты вращения коленчатого вала дизеля, положения рабочего органа регулятора и мощности тягового генератора.

В результате выполненной обработки данных установлено, что эти условия выполняются в течение 62,2% времени работы локомотива под нагрузкой, т.е. на долю переходных режимов приходится 37,8% времени работы под нагрузкой. 

На первый взгляд, относительно небольшая доля времени переходных процессов свидетельствует о преимущественной работе силовой установки в установившихся режимах работы, что дает возможность достоверно определять параметры рабочего процесса дизеля, необходимые для реализации предложенного метода.

Однако анализ изменений параметров силовой установки в процессе эксплуатации показывает, что стабилизация частоты вращения коленчатого вала дизеля, положения рабочего органа регулятора и мощности тягового генератора не являются достаточными условиями стабилизации режима работы дизеля. В самом деле, как следует из рис. 1, после стабилизации указанных параметров в течение достаточно длительного времени (от 30 до 60 секунд) продолжается   изменение ряда других параметров рабочего процесса дизеля, прежде всего температуры отработавших газов на выходе из цилиндров дизеля и на входе в турбину, частоты вращения ротора турбокомпрессора и давления наддува. 

Учет изменений этих параметров при определении установившихся режимов приводит к изменению соотношения установившихся и неустановившихся режимов в бюджете времени локомотива почти на обратное: на неустановившиеся  режимы в этом случае придется уже 55,56% времени. 

Таким образом, для обеспечения достоверного контроля диагностических параметров, характеризующих техническое состояние силовой установки, необходимо разработать четкие критерии для определения установившихся режимов ее работы, что может потребовать существенного расширения перечня контролируемых параметров. Выполненный анализ показал, что режим работы дизеля можно считать равновесным после стабилизации значений частоты вращения коленчатого вала n_Д, положения рабочего органа регулятора h_Р, мощности генератора Р_Г,  давления наддува Р_К , частоты вращения ротора турбокомпрессора n_ТК и температуры отработавших газов Т_Г .

Под равновесием в данном случае подразумевается равновесие динамическое, поскольку равновесным в полном смысле рабочий процесс дизеля быть не может: неравномерность частоты вращения и связанная ней (и не только с ней) нестабильность цикловых подач, сложность процессов газообмена и смесеобразования в цилиндре дизеля обуславливает различие цикловых реализаций рабочего процесса в цилиндрах, которые будут приводить к случайным отклонениям (флуктуациям) значений измеряемых параметров.

В связи с этим для решения многих задач, связанных с параметрическим диагностированием дизель-энергетических силовых установок (ДЭУ), актуальной является проблема определения момента перехода установки в установившийся режим работы, в котором, как правило, и выполняются измерения диагностических параметров. 

Кроме передачи информации с борта локомотива, необходима разработка алгоритмов по детальной обработке полученной информации. Все  данные должны  быть отсортированы и обработаны по соответствующим алгоритмам. При накоплении такой базой данных достаточной статистики может быть осуществлены определения предельных (критических) уровней этих параметров, может быть решена задача прогнозирования остаточного ресурса контролируемого оборудования. Ухудшение технического оборудования до предельного уровня, зафиксированное бортовой системой диагностики должно служить сигналом о проведении технического осмотра или более детального анализа при помощи специализированных средств диагностирования.

Для реализации этих задач, разрабатывается: база данных (куда заносится вся информация по локомотивам, по их узлам и системам, контролируемым параметрам, неисправностям и отметкам об их устранении) и алгоритмы математической обработки результатов. Результат выполнения этих алгоритмов являются интерполяционные кривые, реально отражающие динамику процессов в контролируемых системах.

Список литературы:

1. Пушкарев, И.Ф., Пахомов Э.А. Контроль и оценка технического состояния тепловозов: – М.: Транспорт, 1985.  160с.
2. Струнге Б.Н., Канило П.М., Невелев И.М., Рузов В.А. Регулирование частоты вращения и мощности дизель-генераторов тепловозов: -  М., «Транспорт», 1976.
3. Грачев, В.В., Валиев М.Ш. Оценка технического состояния тепловозного дизеля по данным бортовой микропроцессорной системы управления // Известия  ПГУПСа / Петербургский государственный университет путей сообщения. – Санкт-Петербург. –  2010. – №1(22). –  С. 22 – 32.
4. Валиев, М.Ш. Диагностика рабочего процесса тепловозного дизеля в условиях эксплуатации. // Вестник Транспорта Поволжья / Самарский государственный университет путей сообщения. – Самара. –  2011. –  №1(25). - С. 35 – 39.
5. Валиев М.Ш. Диагностирование тепловозных дизелей по параметрам рабочего процесса. Материалы VII международной научно-практической конференции «Trans-Mech-Art-Chem».Москва. -  2010. - С.49-50.
6. Валиев М.Ш. Интегральная оценка качества рабочего процесса тепловозного дизеля в эксплуатации. Сборник трудов третьей всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России». Москва. - 2010. - С.228-229.
7. Валиев М.Ш. Оценка технического состояния тепловозного дизеля по параметрам рабочего процесса. Труды всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010». - 2010. - С. 289-290.