книги из ГПНТБ / Багиров Д.Д. Двигатели внутреннего сгорания строительных и дорожных машин

Р А З Д Е Л III

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОТЫ ДВИГАТЕЛЕЙ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН*

Г Л А В А I

МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ

1« Эксплуатационные испытания

Определение диапазона и характера изменения условий ра­ боты двигателей, их работоспособности и значений выходных по­ казателей в типичных условиях эксплуатации может быть осуще­ ствлено в результате соответствующих эксплуатационных испы­ таний. В зависимости от поставленной задачи эксплуатационные испытания проводят различными методами.

Для изучения специфики работы двигателей, стабильности их показателей, а также выявления наиболее характерных дефектов и сроков службы применяют метод организации опытного отряда машин и наблюдение за его работой на протяжении всего периода эксплуатации. Этот метод позволяет оценить соответствие двига­ теля машине, на которой он установлен, выработать научно­ обоснованные требования к двигателям и их отдельным системам и агрегатам, определить фактические эксплуатационные показа­ тели (расход эксплуатационных материалов, показатели надеж­ ности, динамику изнашивания, действительные сроки службы и т. п.).

Среднестатистические данные об эксплуатационных качествах двигателей и сроках их службы получают в результате изучения первичной документации эксплуатирующих и ремонтных органи­ заций. В результате проведения этой работы выявляют средние сроки и объемы работ по техническому обслуживанию и ремонту двигателей, расход запасных частей и эксплуатационных мате­ риалов.

Изменение мощности, частоты вращения коленчатого вала, рас­ хода топлива и т. д. может быть изучено при установке на двига­ тель или машину специальных приборов и аппаратуры. Много­ кратные измерения определенных параметров в условиях эксплуа­ тации позволяют установить режим работы двигателя и получить исходные данные для проведения углубленных лабораторных ис­ пытаний.

Указанные выше методы испытаний, как правило, применяют комплексно. Так, например, при наблюдении за работой опытного отряда машин, наряду с их осмотром, ведением соответствующей

* Рассматриваются методы и способы проведения специальных испытаний, предусмотренных ГОСТ 14846—69.

167

документации и записью показаний штатных приборов, на двига­ тель устанавливают также и специальные приборы, позволяющие фиксировать изменение интересующих исследователей пара­

метров.

С изменением выходных показателей двигателя связана произ­ водительность машины. Это обусловлено изменением рабочих скоростей машины, условиями управления ею, а также примене­ нием того или иного рабочего оборудования в зависимости от вы­ ходной мощности двигателя. Производительность машины опре­ деляется замером фактической выработки машины за единицу времени в соответствии с ГОСТ 10792—64.

2» Лабораторные (стендовые) испытания

При проведении эксплуатационных испытаний большое коли­ чество часто случайных факторов отражается на работе двигателя

изатрудняет анализ полученных результатов. Влияние этих фак­ торов на показатели двигателя комплексное, и выделение влияния

иопределение значения каждого из них в отдельности в эксплуа­ тационных условиях затруднено, а часто — невозможно.

Вусловиях эксплуатации иногда бывает затруднена установка точной и относительно сложной измерительной аппаратуры. Виб­

рации, запыленность воздуха, возможность механических повре­ ждений сказываются на надежности установленных на двигателе или машине приборов и точности их показаний. Не всякий прибор может быть установлен на машину, поэтому номенклатура при­ боров, находящих применение при эксплуатационных испытаниях, ограничена. Установка приборов в кабине машиниста мешает уп­ равлению машиной и оказывает на машиниста психологическое воздействие, что приводит к искажению результатов испытаний и отражается на качестве выполняемой машиной операции. Приме­ нение тензометрических станций, в которых устанавливается аппаратура, также приводит к нарушению естественных условий выполнения машиной технологического цикла, так как затруд­ няется маневрирование машины, связанной с тензостанциёй про­ водами. Применение же бесконтактной связи (например, радио­ связи) из-за определенных технических трудностей не нашло пока еще широкого применения при испытаниях строительных и до­ рожных машин.

В связи с изложенным очевидно, что для более точного ис­ следования влияния каждого фактора на показатели двигателя необходимо снимать двигатель с машины и проводить его испыта­ ния в лабораторных условиях на стенде. Стендовые испытания поз­ воляют, прежде всего, сохраняя неизменными определенные па­ раметры, нужным образом изменять один из них и выявлять его влияние на показатели двигателя. В связи с возможностью созда­ ния идентичных условий работы и режимов нагружения число

168

двигателей при испытании может быть ограничено. Во многих случаях такие испытания позволяют значительно сократить время исследований и уменьшить их трудоемкость. Существует большое количество методик ускоренных испытаний, которые обеспечивают сокращение сроков за счет форсирования влияния исследуемого параметра на работу двигателя. В некоторых случаях ускоренные испытания позволяют получить выигрыш во времени в десятки раз (например, при проведении испытаний на долговечность) [9]. Стендовые испытания дают возможность применить большое количество точных приборов и аппаратуры и провести углублен­ ные исследования работы двигателей.

Стендовые испытания могут предшествовать внедрению в се­ рийное производство двигателей или машин. Поэтому с их помощью возможно установить целесообразность применения данного дви­ гателя на машине и разработать рекомендации по совершенство­ ванию двигателей и машин.

Однако проведение стендовых испытаний связано с принятием ряда допущений, связанных с невозможностью точного воспроиз­ ведения реальных условий эксплуатации на стенде. Поэтому точ­ ность результатов и обоснованность выводов во многом зависит от правомерности этих допущений и совершенства имитационных устройств стенда.

При проведении стендовых испытаний:

1) определяют влияние режима нагрузки на мощностные, топливо-экономические показатели и темп изнашивания двига­ теля;

2) определяют значения оптимальной и максимально допу­ стимой загрузки двигателя при работе на машинах различных типов, т. е. при различной нагрузке;

3)выбирают тип двигателя, устанавливают оптимальную форму его характеристики и степень форсирования при работе на различ­ ных режимах нагрузки;

4)исследуют изменение параметров рабочего процесса под влиянием работы двигателя;

5)исследуют влияние параметров системы регулирования дви­

гателей на их выходные показатели при работе на различных ре­ жимах нагрузки и устанавливают оптимальные значения этих параметров;

6)изучают влияние режима работы двигателя на работу от­ дельных его систем и узлов:

7)устанавливают зависимость показателей двигателя от внеш­

них условий его работы (запыленности, температуры, влажности

воздуха и т. п.).

Таким образом, стендовые испытания позволяют определить эффективность применения и работоспособность двигателей, а также их отдельных узлов, агрегатов и систем при различных ус­ ловиях и режимах нагружения.

169

3« Экспериментальные установки

При исследовании двигателей внутреннего сгорания на режи­ мах, соответствующих их работе на строительных и дорожных машинах, основным требованием к экспериментальной установке является необходимость воспроизведения заданных нагрузочных режимов. При этом, учитывая разнообразный и часто незаконо­ мерный характер изменения нагрузки, стенд должен позволять воспроизводить любой встречающийся режим нагружения.

Для исследования влияния загрузки на показатели двигателя и определения ее оптимального значения стенд, кроме того, должен иметь устройство для варьирования значения загрузки в широком диапазоне при сохранении общего характера нагрузки.

Экспериментальная установка должна быть универсальной, т. е. пригодной для исследования двигателей различных типов без существенной переделки стенда и переналадки аппаратуры. Установка должна обеспечивать точное и удобное измерение всех исследуемых параметров не только при постоянной, но и при пере­

менной нагрузке, путем синхронной записи их мгновенных зна­ чений.

Этим основным требованиям в наибольшей степени удовлетво­ ряют гидромеханические и электромеханические эксперименталь-

Рис. 94. Общий вид гидромеханического стенда имитации нагрузки:

/ — испытуемый двигатель; 2 — трансмиссионная часть; 3 — нагрузочно-имита- ционное устройство

170

ные стенды, получившие широкое применение при исследованиях работы двигателей строительных и дорожных машин. Гидромеха­ ническая установка, созданная во ВНИИСтройдормаше, показана на рис. 94 и 95. Она включает в себя силовую, трансмиссионную, измерительную части и нагрузочно-имитационное устройство.

Силовая часть состоит из испытуемого двигателя с радиатором системы охлаждения, топливного бака с трубопроводами, а также выпускной трубы с глушителем. Двигатель монтируют на подмо­ торной плите на стойках. Перемещением стоек относительно под­ моторной плиты можно добиться изменения расстояния между ними, что позволяет использовать их для установки двигателей различных габаритов и с различной конструкцией мест крепления. Топливный бак может быть расположен на некотором расстоянии от двигателя (например, на стене бокса) и соединен с двигателем трубопроводом. Выпускная труба должна отводить отработавшие газы за пределы помещения, не создавая чрезмерного сопротив­ ления на выпуске. Давление в выпускном коллекторе не должно превышать 700 мм, а во впускном —• 500 мм вод. ст. Если при ис­ пытаниях не имитируются режимы разгона строительных и до­ рожных машин, то муфта сцепления может быть снята с двигателя для устранения возможного пробуксовывания ее дисков и свя­ занной с этим погрешности измерения крутящего момента й ча­ стоты вращения вала. В этом случае двигатель соединяют с на­ грузочно-имитационным устройством посредством пальчиковой

171

Рис. 96. Нагрузочно-имитационное устройство:

— редуктор; 2 — насос; 3 — предохранительный клапан; 4 — дросселирующее устрой ство; 5 — всасывающий коллектор; 6 — коллектор высокого давления

или какой-либо другой муфты, закрепленной на маховике, и кар­ данного вала, закрытого кожухом из условий безопасности работы.

Нагрузочно-имитационное устройство (рис. 96) состоит из редуктора, насосов, подводящего и отводящего трубопроводов с кранами и предохранительным клапаном, питательного бака, теплообменников и имитирующей кулачковой шайбы с приводом.

Редуктор имеет входной вал, соединенный с карданным валом трансмиссии, и выходные валы, от которых приводятся насосы того или иного типа \ закрепленные фланцами на корпусе редук­ тора.

Насосы подбирают из условия обеспечения необходимого тор­ мозного момента, значительно превышающего максимальный крутящий момент двигателя и позволяющего воспроизводить пи­ ковые динамические нагрузки. В зависимости от испытуемого дви­ гателя стенд рассчитан на применение двух или четырех насосов. При достаточно большой мощности насоса его можно присоединять непосредственно к коленчатому валу двигателя без редуктора. Рабочая жидкость (индустриальное масло) к насосам поступает через раздаточный коллектор и всасывающий трубопровод из питательного бака. Сечения трубопроводов, подводящих рабочую

1 Могут быть использованышестеренные, плунжерные и пластинчатые на­ сосы.

172

жидкость, должны быть подобраны таким образом, чтобы обес­ печить бескавитационную работу насосов. Нагнетательные па­ трубки насосов соединены с приемным коллектором, от которого рабочая жидкость поступает по магистрали высокого давления

к дросселю. На магистрали высокого давления смонтирован пре­ дохранительный клапан.

От дросселя по сливному трубопроводу рабочая жидкость на­ правляется в водомасляные теплообменники и затем в бак. Сливной и всасывающий трубопроводы снабжены сетчатыми фильтрами. Температуру рабочей жидкости регулируют изменением количества охлаждающей воды с помощью кранов вручную в соответствии

споказаниями термометра или при установке термореле — ав­ томатически. Для быстрого прогрева и более тонкого регулиро­ вания температуры сливной трубопровод имеет обводные трубы

скранами, позволяющими перепускать всю рабочую жидкость или ее часть в питательный бак, минуя теплообменники.

Для изменения давления в магистрали высокого давления и соответствующего изменения момента сопротивления, создавае­ мого насосами, применен осевой дроссель, установленный на кор­ пусе редуктора (рис. 97, а—в). Цилиндрический золотник дросселя имеет фигурные окна для перепуска рабочей жидкости. Эти окна рассчитаны таким образом, чтобы проходное сечение, а следова­ тельно, и давление в нагнетательной магистрали линейно зави­ сели от перемещения золотника. Таким образом, обеспечив пере­ мещение золотника по определенному закону, можно получить заданный характер изменения тормозного момента.

Это достигается воздействием на шток золотника дросселя специально спрофилированной кулачковой шайбы. Кулачковая шайба через шестеренные и червячную передачи, смонтированные в корпусе редуктора, приводится во вращение либо от коленчатого вала двигателя, либо от специального электромотора. В первом случае скорость вращения шайбы, а следовательно, продолжи­ тельность цикла зависит от скорости вращения коленчатого вала. Таким образом воспроизводится момент сопротивления в функции угла поворота коленчатого вала.

Во втором случае скорость вращения шайбы и продолжитель­ ность цикла постоянны и не зависят от изменения скоростного ре­ жима двигателя, т. е. воспроизводится момент сопротивления как функция времени. И в первом и во втором случаях продолжитель­ ность цикла нагружения может быть изменена при помощи набора сменных шестерен. Изменение среднего за цикл нагрузки (оборот шайбы) тормозного момента, т. е. загрузки двигателя, при данной кулачковой шайбе осуществляется изменением хода штока золот­ ника, т. е. перемещением золотника относительно корпуса дрос­ селя. На рис. 98 показан общий вид дросселирующего устройства. Профилирование кулачковых шайб осуществляется на основании соответствующей нагрузочной диаграммы и тарировочного гра­ фика дросселя. Суть профилирования заключается в том, что за-

173

В)

готовка шайбы и нагрузочная диаграмма разбиваются на одинако­ вое число делений и на радиусах-векторах шайбы в масштабе, опре­ деляемом по тарировочному графику дросселя, откладывают мо­ менты, измеренные на соответствующих ординатах нагрузочной диаграммы.

174

Рис. 98. Общий вид дросселирующего устройства:

На рис. 99, а показано построение кулачковой шайбы для ре­ жима нагрузки, соответствующего работе двигателя на экскава­ торе. Ввиду того что усилие от шайбы на золотник передается через качающийся промежуточный рычаг с роликом, построение профиля шайбы проводят по методу обкатывания роликом. С этой целью на эскизе шайбы наносят начальную окружность радиусом,

175

соответствующим установке центра ролика в положение, обеспе­ чивающее минимальную нагрузку на коленчатом валу двигателя (нулевые ордината на диаграмме и радиус-вектор на шайбе). Затем центры ролика на последующих радиус-векторах смещаются от начальной окружности в соответствии с изменением момента. По намеченным центрам вычерчивают окружности ролика, каса­ тельная к которым определяет профиль шайбы. Изготовленную по эскизу шайбу проверяют путем снятия на стенде контрольной нагрузочной диаграммы. Совмещением контрольной диаграммы с исходной определяется погрешность профиля шайбы, которая может быть устранена дополнительной обработкой. На рис. 99, б сплошной линией показана исходная нагрузочная диаграмма, а штриховой линией — диаграмма, полученная в результате ими­ тации нагрузки на стенде. Как видно из рисунка, максимальная погрешность по периоду колебания нагрузки и по ее значению не превышает 10%. Это свидетельствует о том, что воспроизведенный цикл нагрузки по характеру и значению достаточно близок к на­ грузке в реальных условиях эксплуатации.

Для измерения интересующих параметров на стенде устанав­ ливают соответствующую аппаратуру. Надежная работа установки обеспечивается за счет оснащения ее приборами и сигнальными устройствами для контроля состояния двигателя и агрегатов стен­ да. Кроме обычных штатных приборов контроля температуры воды, масла и давления в системе смазки двигателя на стенде должны быть установлены приборы, постоянно контролирующие темпера­ туру, давление рабочей жидкости нагрузочно-имитационного устройства, а также ее уровень в питательном баке. От этого в зна­ чительной степени зависит безаварийная работа, а также точность измерений, так как характеристика стенда зависит от вязкости, а следовательно, от температуры рабочей жидкости. Изменение температуры рабочей жидкости во время испытаний не должно превышать ±2° С.

Испытания двигателя при неустановившихся режимах могут быть произведены с применением серийно выпускаемых промыш­ ленностью электрических тормозных стендов, например КИ1218А, оборудованных приспособлениями для имитации нагрузок (рис. 100). При этом могут быть использованы имитационные устройства различных типов. Применяют имитаторы с программи­ рующими устройствами, счетно-решающими машинами, механи­ ческие и т. д.

На рис. 101 и 102 показаны схема и нагрузочно-имитационное устройство электрического стенда с механическим имитатором. Имитатор состоит из жидкостного реостата, управляющего тор­ мозом. При изменении силы тока в обмотке возбуждения генера­ тора вал поворота нагрузочных ножей реостата вращается под воздействием рычага, ролик которого обкатывается по контуру кулачковой шайбы, спрофилированной аналогично тому, как это было описано для гидромеханического стенда (см. рис. 93). Шайба

176