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

тахогенератора к осциллографу может быть записана на ленту. Применяют тахогенераторы постоянного и переменного тока.

Для измерения скорости вращения коленчатого вала доста­ точно широко применяют также и импульсные методы. При этом используют индукционные, генераторные, фотодатчики и т. п. Суть этих методов заключается в том, что датчики посылают на регистрирующий прибор импульсы при прохождении около их приемного устройства зубчатого диска, жестко связанного с валом. В ряде случаев для этой цели может быть использован венец ма­ ховика. Находят применение и механические прерыватели, уст­ ройство которых сходно с устройством прерывателей системы за­ жигания карбюраторных двигателей. Возникающие электриче­ ские импульсы могут быть зафиксированы на ленте осциллографа в виде отдельных сигналов или в виде кривой. Запись изменения скорости вращения в виде кривой более удобна при обработке ос­ циллограмм, так как исключает необходимость подсчета количе­ ства сигналов на единицу длины осциллограммы и позволяет опре­ делять мгновенные значения частоты вращения в любой момент времени цикла нагрузки. Однако преобразование сигналов в не­ прерывную форму связано с усложнением схемы измерительного

определяют путем численного дифференцирования кривой измене­ ния частоты вращения. Для этого кривую частоты вращения раз­ бивают на участки с линейным изменением скорости. Ускорение определяют из выражения

da я Ап

~ІГ ~ ТісГ ‘_дГ ’

где Ап — изменение частоты вращения на выделенном участке кривой;

А^ — время, за которое произошло изменение частоты вра­ щения.

Этот способ связан с трудоемкой обработкой осциллограмм и значительным объемом вычислительных работ. Кроме того, он не позволяет получить ускорение в любой момент времени, а его точ­ ность зависит от линейности и длительности участка кривой изме­ нения частоты вращения, для которого определяют ускорение.

Более рациональным способом является непосредственная за­ пись углового ускорения на ленту осциллографа. Для этой цели применяют различные приборы. Можно определять ускорение с по­ мощью специальной дифференцирующей электронной приставки к прибору для записи частоты вращения. Применяют также при­ бор, основанный на измерении деформации гибкой пластины под действием инерционной силы прикрепленных к ней грузов. Для гашения колебаний грузов их помещают в вязкую среду (например, в масло). Деформацию пластины измеряют с помощью наклеенных на нее проволочных датчиков. Съем сигналов с датчиков осуще-

187

Рис. ПО. Установка датчика углового ускорения

ствляется токосъемником. После усиления сигналы записывают на ленту осциллографа. На рис. ПО показана установка датчика для измерения углового ускорения, разработанного во ВНИИстройдормаше.

М о щ н о с т ь двигателя можно определить, построив кривую зависимости ее от времени цикла нагрузки, зная мгновенные зна­ чения частоты вращения коленчатого вала и крутящего момента. Существуют способы непосредственного измерения мощности. Так, например, если электрические импульсы от датчика крутя­ щего момента и от тахогенератора направить в электронный интег­ ратор, то выходной импульс интегратора в определенном масштабе будет соответствовать мощности двигателя, и кривая изменения мощности может быть записана на ленту осциллографа. Однако из-за сложности схемы интегрирующего устройства такие приборы не получили широкого распространения.

Р а с х о д т о п л и в а является критерием оценки нагрузоч­ ного режима, напряженности работы двигателя, а также его кон­ структивного совершенства и технического состояния. В связи с этим измерение расхода топлива обязательно при любых испыта­ ниях двигателя.

При эксплуатационных испытаниях обычно применяют наибо­ лее простые методы измерения расхода топлива. Одним из них является определение расхода топлива доливом в топливный бак. С этой целью перед началом работы в топливный бак заливают топливо до определенного уровня (чаще всего до уровня заливной горловины), а затем после фиксированного времени работы ма-

188

шины с помощью мерной емкости доливают топливо в бак до пер­ воначального уровня. Расход топлива из бака можно определять также и с помощью мерного щупа с метками, протарированного перед испытаниями. Этот способ позволяет производить замеры расхода топлива без применения специальной аппаратуры, но дает существенную погрешность измерения. Так, например, по­ грешность только из-за недостаточно точной установки машины относительно горизонтальной плоскости может превышать 10%. Затруднен также точный долив топлива до определенного уровня. Описанным способом может быть определен средний расход топ­ лива за длительное время работы машины.

Более точных результатов при измерении расхода топлива мож­ но достичь установкой на машине специальных мерных бачков.

Сущность этого способа заключается в том, что на время за­ мера топливная аппаратура двигателя отключается от основного бака и питается из мерного бачка, а время работы измеряется секундомером, который может быть сблокирован с переключающим краном. Небольшое проходное сечение мерного бачка значительно уменьшает ошибку из-за неточности пространственного положения машины. Кроме того, измерение производится за короткое время (в течение нескольких минут). Кратковременность замера позво­ ляет с определенным допущением считать, что полученное среднее значение расхода "топлива близко к мгновенному. Однако этот метод не позволяет получить непрерывную кривую изменения мгновенных значений расхода топлива за рабочий цикл машины, а дает лишь отдельные точки. Кроме того, при резких изменениях значения нагрузки колебания мгновенных расходов топлива до­ статочно велики и даже незначительное смещение начала и конца замера по фазе рабочего цикла приводит к заметной погрешности измерений.

При стендовых испытаниях средний расход топлива определяют чаще всего объемным или весовым методом. Примеры блок-схем автоматического измерения расхода топлива по массе и объему приведены на рис. 111, а и б. Часовой расход топлива в кг/ч при измерении этими способами может быть определен из извест­ ного выражения

G„ = 3,6 = 3,6 X i p - 1

Рис. 111. Блок-схема ав­ томатического измерения расхода топлива:

189

всего рабочего цикла машины представляет определенные труд­ ности. Его можно осуществить путем применения специальных сложных измерительных приборов. Существует целый ряд методов определения мгновенных расходов топлива.

Получили распространение электротепловые методы измерения расхода топлива. Наиболее употребительным из них является термоанемометрический метод, основанный на теплообмене между нагретой электрическим током проволокой и омывающим ее топ­ ливом. При изменении скорости потока в цилиндре определенного сечения пропорционально изменяются температура и сопротивле­ ние измерительной нити. Тарировка термоанемометра может быть произведена статически на установке, позволяющей изменять нужным образом давление и скорость топлива.

Могут быть использованы приборы, основанные на определении времени перемещения в потоке искусственных меток (ионных, опти­ ческих, радиоактивных).

Достаточно широкое распространение при измерении мгновен­ ного расхода топлива получили расходомеры турбинного типа (флауметры). Точность измерения этими приборами зависит от инерционности турбины, установленной в потоке. Турбина должна быть легкой с малым трением в подшипниках. Этот метод прост, однако не обеспечивает высокой точности измерений.

Находят применение поршневые и поплавковые расходомеры с реохордными, фотоэлектрическими датчиками и т. п.

Перспективны электрометрические датчики скорости и расхода топлива. Примером такого датчика может служить дифферен­ циальный датчик мембранного типа (рис. 112). Работа датчика основана на измерении проволочными тензодатчиками деформации мембраны под действием разности давлений в полостях по обе ее стороны, возникающей из-за скоростного напора топлива, про­ текающего через калиброванный канал.

Расход топлива находится в зависимости от положения рейки топливного насоса дизеля или дроссельной заслонки карбюратор­ ного двигателя, т. е. от положения муфты регулятора, которое может быть зафиксировано индукционными, реохордными и дру­ гими датчиками. На рис. 109 приведены примеры использования реохордных датчиков для определения положения муфты регуля­ тора. Однако при быстром изменении нагрузочного и скоростного режима двигателя вследствие нарушения работы приборов топ­ ливоподачи соответствие положения муфты регулятора и подачи топлива нарушается. В этом случае интересно сопоставление по­ ложения муфты и фактического расхода топлива, которое позволит судить о влиянии режима нагрузки двигателя на работу топлив-

100

7 9 8 7

Рис. 112. Мембранный датчик для измере­ ния мгновенных расходов топлива:

а — вид сбоку: 1 — подводящий штуцер; 2 — поджимная гайка; 3 — жиклер; 4 — проста­ вочное кольцо; 5 — корпус; 6 — отводящий штуцер; 7 — крышка; 8 — мембрана с датчи­ ком; 9 — клеммы; 6 — установка на двигателе

ного насоса и форсунок дизеля или же на работу карбюратора и процесс смесеобразования во впускном коллекторе карбюраторного двигателя.

Р а с х о д в о з д у х а при установившемся режиме чаще измеряют с помощью пневмометрических трубок и дроссельных приборов, например насадков со свободным входом [21 ]. Осо­ бенно широкое применение получили объемные расходомеры рота­ ционного типа. Принцип действия этих приборов основан на вра­ щении роторов расходомера под действием перепада давлений на входе и выходе. Роторы связаны со счетным механизмом, протарированным в единицах объема. Часто для этого используются ме­ ханические прерыватели с электроимпульсными счетчиками.

Для измерения мгновенного расхода воздуха могут быть при­ менены расходомеры, принцип действия которых аналогичен прин­ ципу действия термоанемометрических расходомеров для измере­ ния расхода топлива. Наибольшее применение получили электро­ анемометры, а также дифференциальные датчики.

Д а в л е н и е н а д д у в а при испытаниях двигателей с над­ дувом может быть измерено различными методами. В ЦНИДИ, например, разработан мембранный датчик давления наддува. Давление воздуха воспринимается мембраной. Через специальное устройство деформация мембраны передается консольной балке, на которой наклеены проволочные тензодатчики, образующие пле­ чи измерительного моста. Сигналы от датчиков‘через усилитель подаются па ленту осциллографа.

191

Наиболее употребительным методом исследования рабочего про­ цесса является индицирование. Для этой цели применяют инди­ каторы различных типов.

Стробоскопический метод заключается в сравнении измеряемой величины с другой известной или легко измеряемой, которая остается постоянной в течение цикла. Измерения производят компенсационным методом в момент, когда измеряемая величина уравнивается с контрольной. В настоящее время широко распро­ странены стробоскопические индикаторы пневмоэлектрического типа (например, индикатор МАИ-2), в которых используются мембранные датчики. Контрольное давление в таких индикаторах создается сжатым газом (воздухом). Эти индикаторы просты по конструкции, надежны и удобны в работе. Они позволяют осреднять измеряемую величину за большое число циклов. Однако это ограничивает их применение для исследования двигателя при не­ установившемся режиме.

Электрические индикаторы основаны на превращении дефор­ мации чувствительного элемента датчика в электрический сигнал, который после усиления и преобразования регистрируется прием­ ным устройством (осциллографом и др.). Электрические индика­ торы по типу применяемых датчиков делятся на пьезоэлектриче­ ские, тензометрические, емкостные, индуктивные и т. п. Электри­ ческие индикаторы используют при создании комбинированной аппаратуры для контроля большого количества параметров дви­ гателя (частота вращения, мощность, механические потери, коэф­ фициент наполнения и т. п.). В последнее время разработаны спо­ собы непосредственного кодирования сигналов для ввода резуль­ татов индицирования в электронно-вычислительные машины, что резко снижает трудоемкость и время обработки индикаторных диаграмм. Электрические индикаторы применимы и для исследо­ вания двигателя при неустановившемся режиме. Но при этом усложняется механизм протяжки ленты и синхронизации, так как за цикл нагрузки машины коленчатый вал двигателя может сде­ лать несколько сот и даже тысяч оборотов.

На выходных показателях двигателя (особенно на мощности и топливной экономичности) в значительной мере отражаются внешние условия. Поэтому для соблюдения идентичности условий проведения эксперимента необходимо приведение данных измере­ ний к нормальным атмосферным условиям. Для этого в боксе, где установлен стенд, во время испытаний необходимо фиксировать атмосферные условия и в первую очередь температуру окружаю­ щего воздуха, его давление, влажность.

3« Техническое состояние и износ

П р о д у к т ы с г о р а н и я р а б о ч е й с м е с и в ц и ­ л и н д р а х , характеризуют рабочий процесс двигателя. При анализе продуктов сгорания устанавливают влияние различных

192

факторов на рабочий процесс, исследуют причины износа, опре­ деляют техническое состояние двигателя.

Существует много химических и физических методов газового анализа [21 ]. Пробы газа отбирают из выпускного (иногда впуск­ ного) трубопровода или же непосредственно из камеры сгорания. При полном сгорании топлива газообразные продукты сгорания прозрачны и бесцветны. Поэтому цвет отработавших газов является объективным свидетельством неполного сгорания, т. е. ухудшения рабочего процесса, зависящего от конструкции, технического со­ стояния двигателя и регулировки топливной аппаратуры.

Дымность выпускных газов приближенно можно оценить ви­ зуально или же более точно, применяя специальную аппаратуру (дымомеры). Принцип работы этих приборов чаще всего основан на фильтрации отработавших газов (определение степени потем­ нения фильтровальной бумаги) или поглощении светового потока (определение ослабления интенсивности света, проходящего через слой отработавших газов). Определение дымности отработавших газов обычно дополняет результаты газового анализа, но имеет и самостоятельное значение, облегчая оценку технического состоя­ ния и рабочего процесса двигателя.

С т е п е н ь и з н о с а д е т а л е й двигателя в эксплуата­ ционных условиях может быть определена различными способами. Интенсивность изнашивания определяют статистическими спо­ собами при наблюдении за двигателями машин в течение срока их службы до капитального ремонта. При этом учитывают нара­ ботку, отмечают поломки и неисправности, фиксируют меры по их устранению. Этот метод прост, не требует специального оборудо­ вания, однако позволяет оценить лишь средние сроки службы дви­ гателей и их обобщенные конструктивные и технологические не­ достатки, а по ним косвенно судить об изнашиваемости деталей.

Динамику износа двигателя в эксплуатации можно оценить по изменению его технического состояния. Известно, что степень износа отдельных сопряжений влияет на некоторые параметры двигателя. Таким образом, контролируя эти параметры и зная взаимосвязь их с износом двигателя, можно в определенной мере судить о степени износа того или иного узла и техническом со­ стоянии двигателя в целом.

Состояние цилиндрово-поршневой группы также может быть определено по давлению сжатия в камере сгорания. Чем больше изношены цилиндры и поршни двигателя, тем давление сжатия, проверяемое компрессометром, ниже.

Состояние цилиндров, поршневых колец, клапанов может быть установлено путем измерения относительной утечки воздуха, вводимого под определенным давлением в цилиндры двигателя. Для этой цели существуют специальные приборы, например, при­ бор К-19 НИИАТ.

От изношенности основных сопряжений, в первую очередь ци­ линдрово-поршневой группы, зависит развиваемая двигателем

мощность и расход топлива. М о щ н о с т ь и р а с х о д т о п л и - в а поэтому могут быть приняты за критерий косвенной оценки технического состояния двигателя.

Контроль технического состояния двигателя по мощности и топливо-экономическим показателям может быть осуществлен путем наблюдения за двигателем в процессе эксплуатации, а также методом торможения двигателя и бестормозных испытаний.

Метод торможения двигателя заключается в измерении мощ­ ности и топливной экономичности при присоединении двигателя к специальному тормозному стенду. При этом двигатель может быть снят с машины или же присоединен к тормозному устройству через трансмиссию машины. Этот метод позволяет получить вы­ сокую точность, однако он связан с применением специального оборудования, трудоемок и его применение в условиях эксплуата­ ции машин затруднительно.

При бестормозном методе, уступающем в точности тормозному, не требуется сложного и дорогого оборудования. Он отличается простотой и может быть применен непосредственно на месте экс­ плуатации машин. При определении технического состояния дви­ гателя и его основных показателей бестормозным методом в ка­ честве нагрузки используют механические потери самого двига­ теля. Наиболее просто это можно осуществить путем выключения из работы части цилиндров прекращением подачи в них топлива. При этом двигатель работает на каждом цилиндре поочередно в зоне корректорной ветви характеристики, а отключенные ци­ линдры создают сопротивление вращению коленчатого вала. От развиваемой работающим цилиндром мощности зависит частота вращения двигателя. Поэтому, сравнивая замеренную при испы­ таниях частоту вращения коленчатого вала с ее средним значением для двигателя, имеющего нормальное техническое состояние и оп­ тимальную регулировку, можно судить об изменении мощностных показателей двигателя, а следовательно, о степени его изношенно­ сти. Для этого необходимо знать зависимость мощности двигателя от частоты вращения коленчатого вала N е = f (п) при работе на одном цилиндре. Такая зависимость может быть получена экс­ периментальным путем в лабораторных условиях для двигателя каждой марки путем снятия серии регуляторных характеристик при различной регулировке топливного насоса и фиксации частоты вращения.

Н. С. Ждановским [10] предложена эмпирико-аналитическая зависимость, позволяющая по результатам замеров частот враще­ ния при работе на каждом из цилиндров определить мощность дви­ гателя

N eH С і ( п ен I Дэп. ср. і)>

где пеа! — частота вращения двигателя при его нормальном техническом состоянии и оптимальной регулировке при работе на одном цилиндре;

194

поп,cp. I — средняя no цилиндрам частота вращения двигателя при работе на одном цилиндре, замеренная во время эксперимента;

Сі — постоянная, зависящая от конструкции двигателя'. Аналогично могут быть определены и показатели топливной

экономичности.

По результатам испытания нового двигателя при его оптималь­ ной регулировке строят номограммы, которые могут быть исполь­ зованы при эксплуатационных испытаниях двигателей на ма­ шинах.

Точность регулировки топливной аппаратуры испытуемого двигателя перед началом эксперимента может быть проверена при работе двигателя на всех цилиндрах на максимальной частоте вра­ щения холостого хода.

Однако отмеченные выше косвенные методы определения об­ щего износа двигателя не позволяют получить достоверные ре­ зультаты о фактическом износе отдельных его деталей, т. е. об изменении формы и размеров их поверхностей. Для непосредствен­ ного измерения износа применяют прямые методы. Эти методы мож­ но разделить на две группы:

1. Методы, позволяющие определить значение и распределе­ ние износа.

2. Методы, позволяющие определить лишь значение износа. К первой группе относятся такие методы, как микрометраж, профилографирование, вырезание лунок. При применении этих мето­ дов необходимы неоднократные разборки двигателя при замерах и длительные испытания. Однако с помощью этих методов можно определить не только абсолютный износ деталей, но и его распре­ деление по поверхностям. Это особенно важно для выявления при­ чин, вызывающих износ. Кроме того, отмеченные методы позво­ ляют получить высокую точность измерений.

М и к р о м е т р а ж заключается в измерении исследуемой детали в ряде наиболее характерных сечений или точек. Измере­ ния проводят перед началом эксперимента, а затем через опреде­ ленное время работы двигателя. Перед началом эксперимента со­ ставляют специальные карты микрометража, в которые заносят результаты измерений. При микрометраже обычно используют измерительные приборы высокой точности с ценой деления не более 0,01 мм.

Многократное измерение деталей позволяет установить дина­ мику износа. Определение износа в различных точках поверхности

специальных сложных приборов—профилографов, которые позво­ ляют с большой точностью определить геометрическую форму и размеры поверхности измеряемой детали. Сравнение профило­ грамм, снятых через определенные промежутки времени работы

двигателя, дает возможность установить величину и характер износа. Метод лунок рассматривался ранее (гл. IV раздела 1).

Существенным недостатком описанных выше методов является необходимость разборки двигателя при выполнении измерений. Многократная разборка двигателя, помимо увеличения трудоем­ кости испытаний, может привести и к появлению определенной погрешности результатов исследования. Это связано с тем, что в процессе разборки и сборки может быть нарушена точность по­ садки деталей, изменено их взаимное расположение, загрязнены трущиеся поверхности. Поэтому на качество выполнения разбо- рочно-сборочных работ при измерениях должно обращаться осо­ бое внимание.

Динамика износа может быть определена и такими способами, как взвешивание деталей, использование радиоактивных изотопов, определение концентрации железа в масле и т. п. Эти способы не позволяют определить характер распределения износа на поверх­ ности, но вследствие простоты эксперимента, применения неслож­ ного оборудования и сокращения сроков испытаний широко ис­ пользуются.

М е т о д в з в е ш и в а н и я д е т а л е й требует прове­ дения длительных испытаний и также предполагает разборку дви­ гателя. Метод взвешивания, как правило, применяется в совокуп­ ности с другими методами для уточнения и контроля полученных результатов.

М е т о д « м е ч е н ы х а т о м о в » позволяет получить высо­ кую точность. Он не требует частой разборки двигателя. При его применении сроки испытаний сравнительно невелики. Данным методом можно определить не только средний износ двигателя, но и износ отдельных деталей. Однако этот метод сложен и небез­ опасен.

М е т о д « ж е л е з о в м а с л е » р а с с м а т р и в а л с я р а н е е (гл. IV р а з д е л I).

Для повышения достоверности результатов эксперимента при износных испытаниях применяют несколько методов определения износа. Так, хорошие результаты дает одновременное применение микрометража и профилографирования или микрометража и «ме­ тода лунок». Сравнивая эпюры износа, построенные по резуль­ татам того или иного метода, можно значительно уточнить резуль­ таты эксперимента и избежать случайных грубых ошибок.

По эпюрам износа можно определить количество металла, сни­ маемого с детали в результате ее износа. Так, например, объем снятого с гильзы цилиндра, металла

Vx = n ^ f L D cpS,

где Лср2 — средний общий износ цилиндра, определенный по из­ вестным эпюрам распределения износа любым из описанных выше способов;

196