Метод расчета ограничительной характеристики дизелей по

Научный журнал «Известия КГТУ», №35, 2014 г.
УДК 621.431.74.068.
МЕТОД РАСЧЕТА И КОНТРОЛЯ ОГРАНИЧИТЕЛЬНОЙ ПО
МЕХАНИЧЕСКОЙ НАПРЯЖЕННОСТИ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДИЗЕЛЬНЫХ
ДВИГАТЕЛЕЙ
Л.И. Ковальчук, И.Л. Алексеев
THE METHOD OF THE CALCULATION AND CONTROL OF THE
MECHANICAL TENSION RESTRICTIVE CHARACTERISTIC OF DIESEL
ENGINES
L.I. Kovalchuk, I.L. Alekseev
Контроль уровня тепловой напряженности посредством термометрирования
обладает несомненными преимуществами и имеет реальную перспективу
широкого применения на дизелях большой размерности и повышенной
напряженности. Внедрение этого метода на малоразмерных форсированных
дизелях затрудняется рядом причин технического и методического характера.
Поэтому в процессе эксплуатации оценка тепловой напряженности деталей
цилиндра в подавляющем большинстве случаев осуществляется по ряду
косвенных параметров, а в качестве ограничительных характеристик
используются зависимости этих параметров от скоростного режима работы.
Наиболее достоверной ограничительной характеристикой по механической
напряженности является постоянство максимальных напряжений и деформаций,
образующихся в деталях конструкции двигателя от сил давления газов и инерции
движущих масс. Однако непосредственные измерения возникающих в деталях
механических напряжений в эксплуатационных условиях не производятся.
Практика эксплуатации транспортных дизелей показывает, что назначение
режимов на основе ограничительных характеристик, построенных при
определенных условиях, не отражает влияние различных эксплуатационных
факторов на тепловое состояние цилиндропоршневой группы, что приводит либо
к недоиспользованию построечных мощностей, либо к тепловым и механическим
перегрузкам.
В статье излагается метод расчета и контроля ограничительной
характеристики по механической напряженности деталей дизелей по косвенным
параметрам. Предложен алгоритм расчета, в основу которого положены
результаты стендовых испытаний двигателя по серии нагрузочных характеристик.
Приведен пример расчета ограничительной характеристики конкретного
двигателя.
механическая напряженность, ограничительная характеристика, алгоритм
расчета, уравнение ограничительной характеристики
The control of the level of the thermal stress by means of thermometering has
many undoubted advantages and has a real prospect of the wide application in engines
of a large dimension and high tension. The implementation of this method on small
high-powered diesel engines is difficult for a number of reasons of the technical and
methodological nature. Therefore, during the operation the assessment of the thermal
Научный журнал «Известия КГТУ», №35, 2014 г.
stress of the cylinder parts, in most cases, is carried out on a number of indirect options,
and as the bounding characteristics are used dependencies of these parameters from the
high-speed mode.
The most reliable restrictive characteristic of the mechanical tension is the
invariability of the maximum stresses and deformations appearing in the structural parts
of the engine from the forces of the gas pressure and inertia of the moving masses.
However, direct measurements of the mechanical stresses arising in the parts are not
made in the operating conditions.
The operating experience of the diesel vehicles shows that the assignment of
modes based on the restrictive characteristics, built under certain conditions, does not
reflect the impact of different operational factors on the thermal condition of the
cylinder groups, which leads to either the under-utilization of construction capacities, or
to thermal and mechanical overloads.
In the paper, the method of the calculation and control of restrictive characteristics
on the mechanical strength of parts of diesel engines on indirect parameters is presented.
The algorithm of calculation, which is based on the results of bench tests of the engine
by a series of load characteristics. The example of calculation of the bounding
characteristics of the particular engine is shown.
technical intensity, the restrictive characteristic, the algorithm of calculation,
the equation of the restrictive characteristic
ВВЕДЕНИЕ
Основные эксплуатационные режимы транспортных дизелей соответствуют
внешней,
винтовой
и
нагрузочной
характеристикам.
Напряженнодеформированное состояние деталей дизелей с переходом на частичные режимы
этих характеристик всегда снижается. Такое изменение механической
напряженности при работе дизелей по внешней, винтовой и нагрузочной
характеристикам объясняется уменьшением цикловых подач топлива.
При работе дизелей по внешней характеристике номинальной мощности,
когда положение органа, дозирующего топливо, остается неизменным, величина
цикловых подач зависит от типа топливной аппаратуры. Для большинства типов
топливных насосов, применяемых в дизелях, характерно увеличение цикловой
подачи с понижением частоты вращения при неизменном положении
дозирующего органа [1, 2]. По этой причине механическая напряженность при
работе дизелей по внешней характеристике номинальной мощности в
большинстве случаев возрастает, что и определяет необходимость ограничения
области режимов, допустимых для длительной эксплуатации, установлением
специальной ограничительной характеристики по механической напряженности.
Наиболее достоверной ограничительной характеристикой по механической
напряженности является постоянство максимальных напряжений и деформаций,
возникающих в деталях конструкции двигателя от сил давления газов и инерции
движущих масс. Однако непосредственные измерения возникающих в деталях
механических напряжений в эксплуатационных условиях не производятся.
Поэтому в процессе эксплуатации оценка механической напряженности двигателя
осуществляется по ряду косвенных параметров, а в качестве ограничительных
характеристик используются зависимости этих параметров от скоростного
режима работы.
Научный журнал «Известия КГТУ», №35, 2014 г.
Установленные ограничительные характеристики имеют практическую
ценность только в том случае, если при необходимости дают возможность
обслуживающему персоналу осуществлять оперативную оценку уровня
механической напряженности в эксплуатационных условиях. Поэтому указанные
характеристики должны задаваться в функции таких параметров, измерение
которых может быть технически реализовано на работающем двигателе.
МЕТОД И РАСЧЕТЫ
Известно, что параметром, определяющим механическую напряженность
двигателя, является максимальное давление сгорания PZ [3, 4]. Следовательно,
допустимый уровень механической напряженности можно оценить по
зависимости PZ = PZН = f(n). Ниже излагается метод расчета и контроля
максимального давления сгорания и уровня механической напряженности деталей
дизелей в эксплуатационных условиях по косвенным параметрам.
Совокупность свойств, заложенных в конструкцию двигателя в процессе
проектирования и определяющих его способность с заданным качеством
вырабатывать механическую энергию, будем характеризовать полем режимов,
допустимых для длительной эксплуатации. Под упомянутым полем понимается
часть координатной плоскости Ре - n, ограниченная слева и справа вертикалями
nmin=const и nH = const; сверху - верхней ограничительной характеристикой, снизу –
нижней ограничительной характеристикой или координатной осью n. Очевидно,
что ограниченное таким способом поле включает всю совокупность режимов,
определяющих
условия
функционирования
всех
деталей
двигателя,
подверженных воздействию механических нагрузок.
Положение границ описанного поля определяется только свойствами
двигателя и не зависит от свойств потребителя энергии, т.е. оно инвариантно
относительно возможных режимов работы. Следовательно, для оценки условий
функционирования деталей двигателя в исходном состоянии на основе входных в
рабочий цилиндр и выходных из рабочего цилиндра параметров необходимо
сформировать количественную структуру, которая во всех точках поля давала бы
постоянное численное значение.
Обработка опытных данных ряда четырех- и двухтактных двигателей
различного назначения показывает, что относительная величина максимального
давления сгорания на режимах нагрузочных характеристик является однозначной
функцией относительной величины часового расхода топлива:
Pz f (Gm ) .
(1)
На основании закономерности (1) предлагается нижеследующий алгоритм
расчета параметров уравнения ограничительной характеристики по механической
напряженности.
1. Если исходная информация о поле режимов, допустимых для длительной
работы, задана в виде результатов стендовых испытаний нового двигателя по
серии нагрузочных характеристик, то осуществляется переход от абсолютных
значений параметров к относительным по соотношениям:
Pz
Pz
PzH
; Gm
Gm
GmH
;n
n
nH
,
(2)
где PZ , PZ , PZH - относительное, текущее и значение максимального
давления сгорания на номинальном режиме работы; G m , Gm , GmH относительное, текущее и значение часового расхода топлива на номинальном
Научный журнал «Известия КГТУ», №35, 2014 г.
режиме работы; n , n, n H - относительное, текущее и значение частоты вращения
коленчатого вала на номинальном режиме работы.
2. На основе графического представления результатов стендовых испытаний
двигателя устанавливается наличие закономерностей типа (1) для каждого
скоростного режима.
3. Выбирается явный вид зависимости, которой могут быть
аппроксимированы взаимосвязи между параметрами Pz и Gm по каждой
нагрузочной характеристике. Достоверность аппроксимации оценивается по
величине параметра R2.
4. На основе явного вида зависимостей P z f (G m) для каждого
скоростного режима посредством графического представления устанавливается
характер закономерностей изменения параметров аппроксимирующих функций в
зависимости от частоты вращения.
5. Производится выбор функций, которыми могут быть аппроксимированы
закономерности параметров уравнений типа (1) в зависимости от частоты
вращения, т.е. xi f (n ) .
6. Подстановкой зависимостей xi f (n ) в уравнение типа (1) заканчивается
процесс формирования количественных структур, описывающих поверхности,
соответствующие полю режимов, допустимых для длительной работы двигателя.
Рассмотрим конкретный пример расчета параметров ограничительной
характеристики по механической напряженности. Для этой цели используем
результаты стендовых испытаний дизеля ДРН 45/75 [5-7] по серии нагрузочных
характеристик, представленных на рис.1.
1,1
Pz
3
1
6
0,9
2
1
44
5
0,8
0,7
0,6
0,5
0,1
2 n
2 n
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
Gm
Рис. 1. Зависимости P z f (G m) при: 1 n 1,0 ;
0,913 ; 3 n 0,826 ; 4 n 0,739 ; 5 n 0,652 ; 6 n
Fig. 1. Dependencies P z f (G m) at: 1 n 1,0 ;
0,913 ; 3 n 0,826 ; 4 n 0,739 ; 5 n 0,652 ; 6 n
Видно, что в этом случае каждая из зависимостей
быть аппроксимирована полиномом первого порядка
P z x1 G m x2 .
Pz
1
0,609
0,609
f (G m) может
(3)
Научный журнал «Известия КГТУ», №35, 2014 г.
Система
полиномов,
аппроксимирующая
характеристик, в данном случае имеет вид:
1. P z 0,5656 G m 0,4374 при n 1,0 ;
серию
2. P z
0,6357 G m 0,4278 при n
0,913 ;
3. P z
0,6509 G m 0,4683 при n
0,826 ;
4. P z
0,6670 G m 0,5014 при n
0,739 ;
5. P z
0,7020 G m 0,5325 при n
0,652 ;
6. P z
0,6771 G m 0,5663 при n
0,609 .
нагрузочных
(4)
Она (4) позволяет определить закономерности изменения параметров х1 и х2
формулы (3) в функции от n при переходе от одной нагрузочной характеристики
к другой в диапазоне изменений n от 1,0 до 0,609 (таблица).
Таблица. Параметры х1 и х2 в функции от n при переходе от одной нагрузочной
характеристики к другой
Table. Parameters x1 and x2 as a function of the transition from one to the other load
characteristics
Хi
п
X1
X2
1,0
0,5656
0,4374
0,913
0,6357
0,4278
0,826
0,6509
0,4683
0,739
0,667
0,5014
0,652
0,702
0,5325
0,609
0,6771
0,5663
Графическая интерпретация численных значений х1 и х2 в функции от
n приведена на рис. 2.
Видно, что закономерности x1 f (n ) и x2 f (n ) нелинейные и в данном
случае с достаточно высокой степенью достоверности (параметр R2,
соответственно, равен 0,9346 и 0,9774) могут быть аппроксимированы
квадратичными полиномами
x1
0.9384n 2 1.2211n 0.2886;
(5)
x2 0.7589n 2 1.5614n 1.2342.
Научный журнал «Известия КГТУ», №35, 2014 г.
0,8
x1 , x 2
х1
0,7
0,6
0,5
х2
0,4
n
0,3
0,6
0,7
0,8
0,9
1
Рис. 2. Графическая интерпретация численных значений х1 и х2 в функции от n
Fig. 2. Graphical interpretation of the numerical values of x1 and x2 as a function of n
После подстановки (5) в (3) получим уравнение поверхности, образованной
последовательным смещением зависимости P z f (G m) в диапазоне изменений
n от 1,0 до 0,609.
Pzp ( 0.9384n 2 1.2211n 0.2886)Gm (0.7589n 2 1.5614n 1.2342) . (6)
Уравнение (6) воспроизводит множество опытных значений с
погрешностью, не превышающей ± 3,0 % (см. гистограмму распределения
погрешностей на рис. 3), и может быть использовано для оценки уровня
механической напряженности двигателя при его работе по внешней
характеристике номинальной мощности.
2
,%1
0
-1
1
2
3
4
5
6
7
8
9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29
-2
n
-3
Рис. 3. Гистограмма распределения погрешностей
Fig. 3. Frequency distribution of errors
Полагая в (6) Pz Pz / Pzн 1.0 , получим уравнение
характеристики по механической напряженности в виде
[Gmp ]
1 (0.7589n 2 1.5614n 1.2342)
( 0.9384n 2 1.2211n 0.2886)
.
ограничительной
(7)
При практическом использовании уравнения (7) следует учитывать, что
условием отсутствия перегрузки по механическим напряжениям деталей
конкретного цилиндра является выполнение неравенства
Научный журнал «Известия КГТУ», №35, 2014 г.
Gm
[Gmp ] ,
(8)
где G m - относительная замеренная величина часового расхода топлива;
[Gmp ] - предельно допустимая относительная величина часового расхода
топлива, рассчитанная по (7) на том же частотном режиме.
ВЫВОДЫ
В данной статье в качестве нагрузки использован часовой расход топлива
Gm. Для этой цели могут применяться и другие параметры (например, цикловая
подача топлива gц или среднее индикаторное давление pmi), если имеются
технические средства, позволяющие их контролировать в эксплуатационных
условиях. Изложенный метод расчета и контроля режимов ограничительной по
механической напряженности характеристики по косвенным параметрам может
быть использован в электронных системах управления дизелями.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ЛИТЕРАТУРНЫХ ИСТОЧНИКОВ
1. Грехов, Л.В. Топливная аппаратура с электронным управлением дизелей
и двигателей с непосредственным впрыском бензина / Л.В. Грехов. – Москва:
Легион-Автодама, 2001. – 176 с.
2. Топливные системы и экономичность дизелей / И.В. Астахов [и др.] –
Москва: Машиностроение, 1990. – 228 с.
3. Губащев, А.В. Исследование влияния граничных условий на
теплонапряженность цилиндровой втулки дизеля / А.В. Губащев, В.В. Пахолко //
Тр. НКИ. «Динамика и прочность судовых машин». - 1982. - С. 8 - 12.
4.
Двигатели
внутреннего
сгорания:
теория
поршневых
и
комбинированных двигателей: учебник для втузов по специальности «Двигатели
внутреннего сгорания» / Д.Н. Вырубов [и др.]; под ред. А.С. Осипова,
В.И. Круглова. - 4-е изд., перераб. и доп. - Москва: Машиностроение, 1983. – 372 с.
5. Брук, Л. Новые двигатели серии Е7 компании Mack / Л. Брук //
Автомобильная промышленность США. - 1989. - №8. – С. 1 - 2.
6. Ваншейдт, В.А. Конструирование и расчеты прочности судовых дизелей
/ В.А. Ваншейдт. - Ленинград: Машиностроение, 1983. – 256 с.
7. Вильямс, Д. Дизели Caterpillar серии 3176 / Д. Вильямс // Автомобильная
промышленность США. -1998. - № 12. - С. 16 - 16.
REFERENCES
1. Grekhov L.V. Toplivnaya apparatura s elektronnym upravleniem dizeley i
dvigateley s neposredstvennym vpryskom benzina [Fuel apparatus with the electronic
diesel engine control with the direct petrol injection]. Moscow, Legion-Avtodama.
2001, 176 p.
2. Astakhov I.V., Gorbunov L.I., Trusov V.I. [i dr.] Toplivnye sistemy i
ekonomichnost' dizeley [Fuel systems and the economical operation of diesels].
Moscow, Mashinostroenie [Mechanical engineering]. 1990, 228 p.
Научный журнал «Известия КГТУ», №35, 2014 г.
3. Gubashchev A.V., Pakholko V.V. Issledovanie vliyaniya granichnykh usloviy
na tepronapryazhennost' tsilindrovoy vtulki dizelya [Investigations of the terminal
conditions impact on the thermal stress of the diesel cylinder bushing]. Tr. NKI.
Dinamika i prochnost' sudovykh mashin. 1982, pp.8-12.
4. Vyrubov D.N., Ivashchenko N.A., Ivin V.I. [i dr.] Dvigateli vnutrennego
sgoraniya: teoriya porshnevykh i kombinirovannykh dvigateley. Uchebnik dlya vtuzov
po spetsial'nosti “Dvigateli vnutrennego sgoraniya” [Internal combustion diesel
engines: the theory of piston and combined engines. The textbook for special
technological colleges the specialty “Internal combustion engines”]. Pod red. A.S.
Osipova, V.I. Kruglov. 4-e izd., pererab. i dop. Moscow, Mashinostroenie [Mechanical
engineering]. 1983, 372 p.
5. Bruk L. Novye dvigateli serii E7 kompanii Mack [New engines of series E7
of the Mack company]. Avtomobil'naya promyshlennost' SShA [The USA automobile
industry]. 1989, no. 8, pp. 1-2.
6. Vansheydt V.A. Konstruirovanie i raschety prochnosti sudovykh dizeley
[Designing and calculations of the vessels’ diesel engines strength.]. Leningrad,
Mashinostroenie [Mechanical engineering]. 1983, 256 p.
7. Vil'yams D. Dizeli Caterpillar serii 3176 [Caterpillar diesels series 3176].
Avtomobil'naya promyshlennost' SShA [The USA automobile industry]. 1998, no. 12,
pp. 16-16.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРАХ
Ковальчук Леонид Игнатьевич – Балтийская государственная академия
рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный
технический университет», доктор технических наук, профессор кафедры
«Автомобильный транспорт и сервис автомобилей»;
E-mail: rector@bga.gazinter.net.
Kovalchuk Leonid Ignatievich – Baltic State Academy of fishing fleet, Kaliningrad
State Technical University, Doctor of Technical Sciences, Professor of the Department
of Road transport and service vehicles; E-mail: rector@bga.gazinter.net
Алексеев Иван Людвигович – Балтийская государственная академия
рыбопромыслового флота ФГБОУ ВПО «Калининградский государственный
технический университет», кандидат технических наук, доцент кафедры
«Автомобильный транспорт и сервис автомобилей»; E-mail: jn_alex@mail.ru
Alekseev Ivan Lyudvigovich – Baltic State Academy of fishing fleet, Kaliningrad State
Technical University, Candidate of Technical Sciences, Professor of the Department of
Road transport and service vehicles; E-mail: jn_alex@mail.ru