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

Dcp — средний диаметр цилиндра; S — ход поршня.

Средний диаметр цилиндра

где D ' и D " — диаметры цилиндра соответственно до и после испытаний.

Однако, если учесть, что во время испытаний износ составляет несколько микрометров и он на несколько порядков меньше диа­ метра цилиндра, то без существенной погрешности можно заменить значение D cp значением D ', т. е. диаметром цилиндра до испы­ тания.

Масса снятого металла

тж= ржѴж,

где Р ж — плотность железа.

Таким образом, результаты испытаний можно проверить кон­ трольным взвешиванием деталей.

Метод взвешивания особенно удобен в качестве контрольного при необходимости снимать измеряемые детали с двигателя (мик­ рометраж, профилографирование). Для сравнения результатов, полученных методом «лунок», микрометражем, профилографированием, взвешиванием с результатами, полученными методом «железо в масле», достаточно массу продуктов износа выразить отношением ее к массе масла, в котором находятся продукты из­ носа. Масса масла в системе смазки двигателя известна и во время

где тм — масса масла в системе смазки.

Очевидно, что содержание железа в масле (в %), определенное расчетом по эпюрам износа гильзы цилиндра, не абсолютно точно соответствует значению, полученному в результате анализа масла. Однако между этими значениями существует определенная про­ порциональность

тате анализа.

При стендовых испытаниях двигателя применяются те же ме­ тоды определения износа, что и при эксплуатационных. Однако в лабораторных условиях значительно облегчаются разборочносборочные работы и упрощается использование более сложных измерительных устройств, поэтому предпочтение отдается приме­ нению таких способов определения износа, как метод «лунок»,

1 9 7

микрометраж, профилографировапие. Возможность измерений через менее продолжительные промежутки времени позволяет при стендовых испытаниях более точно исследовать динамику износа

двигателя.

В основу у с к о р е н н ы х м е т о д о в и с с л е д о в а ­ н и я положена интенсификация факторов, влияющих на износ двигателя. Интенсификация нагрузочного режима может быть осу­ ществлена повышением средней за рабочий цикл машины загрузки двигателя или же повышением частоты повторяемости энергоем­ ких операций путем сокращения времени работы двигателя на участках нагрузочной диаграммы с небольшими моментами со­ противления, которые незначительно влияют на износ. Примером подобной интенсификации нагрузки может служить сокращение времени работы двигателя дорожного катка в период, соответ­ ствующий его равномерному движению, при одновременном увеличении повторяемости пиков нагрузки, возникающих при реверсе машины. Другим примером может служить исключение из технологического цикла бульдозера и погрузчика возвращения машины задним ходом на исходную позицию. Такая интенсифика­ ция нагрузки правомерна в случае, когда установлено соотноше­ ние между износом и средним моментом сопротивления и резуль­ таты стендовых испытаний могут быть распространены на действи­ тельные условия эксплуатации машины без существенных погреш­ ностей.

Повышение интенсивности изнашивания деталей, а следова­ тельно, и уменьшение сроков испытания двигателя могут быть до­ стигнуты добавлением абразивных частиц пыли определенной дис­ персности в необходимом количестве в масло двигателя или в воз­ дух, поступающий в цилиндры.

4« Усиливающая и регистрирующая аппаратура

Электрические сигналы с некоторых датчиков (тахогенераторы и др.) достаточно мощны и не требуется усиление для их регистра­ ции на ленте осциллографа. В других же случаях необходимо при­ менение усилителей. Как правило, при этом применяют усилители постоянного тока с электрометрическим выходом или же усили­ тели на несущей частоте. Наиболее распространены ламповые уси­ лители (типа ТА-5, 8АНЧ и др.). Они несложны, но обладают не­ высокой стабильностью характеристики, так как даже небольшое изменение анодных токов изменяет коэффициент усиления. Полу­ проводниковые усилители лишены этого недостатка, однако при их применении трудно обеспечить высокое выходное сопротивление. При необходимости получения усилителя, лишенного отмеченных недостатков, применяют комбинированные усилители, состоящие из ламповых и транзисторных каскадов.

В качестве регистрирующих приборов применяются точные стрелочные или записывающие гальванометры (милливольтметры

1 9 8

и миллиамперметры). Значительно большее распространение полу­ чили осциллографы.

Электронные осциллографы обладают широким частотным диа­ пазоном и требуют несложных усилителей напряжения. В боль­ шинстве случаев они допускают регистрацию лишь небольшого количества параметров, а фотографирование с электронно-лучевой трубки представляет определенные трудности. В последнее время промышленностью освоено производство многолучевых и «запоми­ нающих» катодных осциллографов. Например, выпускается вось­ милучевой осциллограф И-11, «запоминающий» осциллограф С1-37 (с сохранением изображения на экране до 30 мин) и другие, что значительно облегчает регистрацию и обработку информации.

Светолучевые (шлейфовые) осциллографы, несмотря на узкую полосу пропускания частот (для большинства шлейфов — 2—3 кГц), получили широкое распространение при исследовании двигателей, особенно на неустановившихся режимах. Это объяс­ няется их способностью регистрировать большое число парамет­ ров, а также надежностью, удобством обслуживания, особенно при проведении испытаний в условиях эксплуатации, и легкостью записи регистрируемых величин на ленту. Отечественной промыш­ ленностью выпускается большое число как узкопленочных (с за­ писью параметров на киноленту), так и широкопленочных осцил­ лографов (с шириной ленты 120, 240 мм и более) с числом каналов от 8 до 20 и более. Часто при испытаниях двигателей строительных и дорожных машин используют осциллограф Н-700 (четырнадца­ тиканальный, с шириной ленты 120 мм). Все большее распростра­ нение получает запись параметров на магнитную пленку.

5. Обработка экспериментальных данных

иоценка погрешностей измерений

Впроцессе испытания двигателей некоторые параметры фик­

сируются приборами в соответствующих единицах измерения. В этом случае обработка полученных экспериментальных данных заключается в построении графиков соответствующих зависимо­ стей, их математическом выражении в виде формул и последующем анализе.

Другие параметры при испытании двигателей записываются на осциллографе. В этом случае их значения выражаются в условных линейных единицах определенного масштаба и требуется соответ­ ствующая обработка осциллограмм для того, чтобы получить ис­ тинные значения измеряемых параметров.

При обработке осциллограмм находят текущие значения запи­ санных величин (ординат) и их средние значения за определенный промежуток времени (например, за цикл нагрузки или отдельной его операции).

Существуют ручные и механизированные методы обработки осциллограмм. При ручной обработке с помощью масштабной ли­

199

нейки определяют линейное значение / измеряемого параметра в требуемый момент времени, а затем с помощью масштабного коэф­ фициента р определяют его истинное значение

L = /р.

Масштабный коэффициент устанавливают тарировкой измери­ тельного устройства. Тарировку производят перед началом экс­ перимента, проверяют в процессе его проведения и по окончании. Каждое измерительное устройство требует специальной тарировки. Так, например, тарировка тензодатчиков для определения кру­ тящего момента может быть произведена статическим нагружением вала эталонными грузами, подвешиваемыми на рычаг известной длины. Тарировка датчика частоты вращения (тахогенератора) осуществляется на специальной тарировочной установке (напри­ мер, КТУ-1М) и т. п. Масштаб времени зависит от скорости про­ тяжки ленты осциллографа. Определенные промежутки времени (обычно 0,1 или 0,21с) фиксируются на ленте осциллографа отмет­ чиком времени. По расстоянию между отметками при известном промежутке времени можно установить его масштаб на осцилло­ грамме.

Средние значения искомых параметров могут быть определены методом графического интегрирования:

t

j' I (ti) dt

При записи на ленте осциллографа определенных параметров становится возможным найти изменение других, производных па­ раметров. Так, например, при известных кривых изменения крутящего момента М и частоты вращения коленчатого вала п можно определить с учетом масштабов текущее значение мощ­ ности N путем перемножения соответствующих ординат. По полу­ ченной кривой мощности путем планиметрирования можно найти среднее ее значение за определенное время.

Аналогично, используя выражение (1), можно по записанной на ленте осциллографа угловой скорости и известному времени определить текущее и среднее значение угла поворота коленчатого

2 0 0

Рис. 113. Образец осциллограммы, полученной при испытании двигателя на режиме нагрузки экскаватора

вала двигателя <р, а затем и работу, совершенную за технологи­ ческий цикл:

А = Мс(р.

Обработка осциллограмм вручную представляет собой тру­ доемкий и утомительный процесс, требующий от исследователя тщательного проведения измерений и подсчетов. Для уменьшения возможных ошибок часто приходится повторять замеры, что еще больше увеличивает время и трудоемкость обработки осцилло­ грамм. Поэтому для выполнения этой работы в настоящее время все чаще используют специальные приборы и приспособления, позволяющие ее автоматизировать.

На ленте осциллографа, как правило, одновременно записы­ вается несколько кривых (рис. 113). Для их обработки разработан ряд многоканальных автоматов. Оптико-механическая система считывания может быть выполнена с применением многогранного зеркального барабана или плоскопараллельного зеркала. Струк­ турная схема автомата считывания с зеркальным барабаном пока­ зана на рис. 114. Зеркальный барабан 1 приводится во вращение с постоянной скоростью синхронным двигателем 15. Лентопро­ тяжный механизм с катушками 13 и 10 приводится от шагового двигателя 12.

В процессе вращения зеркального барабана изображение уча­ стков ленты осциллографа с грани передается через объектив 7

для ее настройки. При пересе­ чении развертывающими лучами

201

Рис. 115. Полуавтоматический прибор для обработки осциллограмм:

1 — осциллограмма; 2 — щуп; 3 — потенциометр; 4 — винт для перемещения щупа с маховичком

фотоэлементы вырабатывают импульсные си­ гналы, поступающие на электронный реги­ стратор 4, где измеряется время между этими сигналами и формируется двоичное число, пропорциональное ординате считываемой кривой. Лентопротяжный механизм должен

обеспечивать шаговое перемещение ленты (во время прохождения луча по ленте она остается неподвижной).

Синхронизация работы устройства развертывания и лентопро­ тяжного механизма осуществляется с помощью синхродиска 2 с диафрагмами, вращающегося вместе с зеркальным барабаном. По обе стороны диска на том же расстоянии от оси вращения, что и диафрагмы, смонтированы источники света 8 и фотоэлементы 3. Команда пуска тягового двигателя подается от фотоэлементов 3 в блок управления 11. Полученное на электронном регистраторе число может быть преобразовано в десятичную систему специаль­ ным цифропечатающим устройством.

Такой автомат может быть агрегатирован с аналоговой вычис­ лительной машиной. В этом случае ординаты считываемых кривых трансформируются в преобразователе кода в аналоговые напряжения. Так как автомат воспроизводит ординаты кривой в двоичном коде, то агрегатирование автомата с ЭЦВМ сравни­ тельно просто. Синхронная работа автомата с такой машиной ос­ новывается на двусторонней их связи. Автомат подает на машину сигналы о готовности, а машина сигнализирует о пуске и оста­ новке.

Считывать графическую информацию можно с помощью потен­ циометрических устройств. Применение «электрического каран­ даша» основано на том, что под бумажную ленту подкладывается токопроводящая лента, поперек которой постепенно падает потен­ циал. При перемещении наконечника карандаша по считываемой кривой, бумага ленты прорывается и электрическая цепь замы­ кается.

Изменения напряжения, пропорционального ординате обраба­ тываемой кривой, можно добиться, если соединить с наконечником непосредственно или через редуктор потенциометр (рис. 115). В этом случае движение наконечника поперек ленты изменит по­ ложение движка потенциометра. Перемещение ленты можно осуществлять вручную показанным на рис. 115 маховичком или шаговым двигателем. Если кривая на ленте записана краской с электрической или магнитной проводимостью, то при применении

202

в качестве чувствительного элемента потенциометра электрической или магнитной головки можно достичь автоматического слежения за кривой при равномерном перемещении ленты.

Применяются и другие устройства для механизации обработки осциллограмм: механические, оптические и т. п. Некоторые из них выпускаются промышленностью серийно.

Использование автоматических и полуавтоматических уст­ ройств значительно облегчает обработку осциллограмм, сокра­ щает время испытаний и в большой степени повышает точность получаемых результатов.

При проведении экспериментального исследования и обработке результатов возникают погрешности, влияющие на точность экс­ перимента. Ошибки возникают из-за погрешности при тарировке датчиков, неточности регистрирующих приборов, считывания по­ казаний и т. п.

По причине возникновения и характеру влияния на результат измерения погрешности разделяются на систематические и слу­ чайные.

Систематические погрешности возникают по определенной при­ чине (конструктивные недостатки приборов, влияние атмосфер­ ных условий на точность измерений и т. п.) и их изменение в про­ цессе эксперимента носит закономерный характер. Таким обра­ зом, в каждый момент времени их значение и направление можно определить. Систематические погрешности могут быть устранены периодической проверкой состояния, тарировкой и подналадкой приборов и соблюдением идентичности условий проведения опытов.

Случайные погрешности имеют неопределенные значение, на­ правление, место и время возникновения. Их нельзя полностью устранить. Однако, пользуясь методами теории вероятности (ма­ тематической статистики) с заданной степенью вероятности, можно установить пределы их влияния на точность измерений.

При многократном повторении опытов (измерений) распреде­ ление значений измеряемых параметров подчиняется нормальному закону распределения (закон Ляпунова-Гаусса), графическим вы­ ражением которого является кривая нормального распределения. Эта кривая характеризуется:

размахом варьирования

среднеарифметическим значением параметров (центром груп­ пирования)

среднеквадратичным значением параметров

203

Впредыдущих формулах xt, xmäX и хтіа — текущее» макси­ мальное и минимальное значения измеряемых параметров;

г— число выполненных замеров.

Втеории вероятности разработаны специальные таблицы

(функций Лапласа), с помощью которых можно, задавшись отно­ шением допустимого отклонения к среднеквадратичному значению, определить вероятность получения результатов с заданной точ­ ностью. Можно решить и обратную задачу: задавшись необходи­ мой степенью вероятности, определить пределы возможных откло­ нений (погрешностей) измерений.

Действительная кривая распределения приближается к нор­ мальному закону при большом количестве опытов. Теория вероят­ ности позволяет определить число опытов, когда такое приближе­ ние достаточно близко. При недостаточном числе опытов необ­ ходимо вводить поправку, учитывающую отклонение действи­ тельной кривой распределения от нормального закона.

Г Л А В А III

ПРИМЕНЕНИЕ ВЫЧИСЛИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ ПРИ ИССЛЕДОВАНИИ ДВИГАТЕЛЕЙ

1« Применение электронных цифровых вычислительных машин

При исследовании двигателей необходимо выполнять большой объем вычислительных работ. Трудоемкие и сложные расчеты вы­ полняют при обработке полученных экспериментальных данных. Поэтому применение электронно-вычислительной техники значи­ тельно сокращает время и стоимость проводимых исследований, автоматизирует испытания и повышает точность полученных результатов. Примеры применения ЭЦВМ при обработке экспери­ ментальных данных приведены выше (см. гл. II настоящего раз­ дела). При аналитическом исследовании, например, рабочего про­ цесса двигателей, их подборе получают сложные математические выражения, решение и анализ которых без применения ЭЦВМ зна­ чительно затруднены, а иногда и невозможны.

При аналитическом методе подбора двигателя обычно пред­ полагают, что в начале цикла нагрузки двигатель работает на установившемся режиме. В этом случае угловое ускорение равно нулю, крутящий момент равен моменту сопротивления (нулевая ордината нагрузочной диаграммы), а угловая скорость может быть определена по статической характеристике двигателя в соответ­ ствии с начальным крутящим моментом. Если учесть, что в боль­ шинстве случаев в начальный момент цикла двигатель работает на режиме, близком к режиму холостого хода, то расчет начинается

204

при подстановке в уравнение движения выражения крутящего момента для регуляторной ветви характеристики.

При задании, например, крутящего момента двигателя в виде линейной функции угловой скорости и углового ускорения со­ гласно выражениям (7), (8), а нагрузки в виде функции времени любого незакономерного вида расчетные выражения для угловой скорости коленчатого вала при работе двигателя по регуляторной ветви характеристики имеют вид

Выражение (17) справедливо тогда, когда в начальный момент времени двигатель работает на максимальных частотах вращения холостого хода (сч = сох х), а выражение (18) — когда в началь­ ный момент времени двигатель работает на номинальном режиме (со = <он), т. е. имеет место случай перехода с корректорной ветви

Критерием для использования при расчете тех или иных выра­ жений служит сравнение получаемых текущих значений угловой

синусоиды, параболы, экспоненты и т. п.), то в приведенных урав­ нениях интеграл имеет точное значение, расчетные выражения существенно упрощаются и в ряде случаев могут быть решены без применения ЭЦВМ. В случае же незакономерного изменения мо­ мента сопротивления, а тем более при задании движущего момента в виде динамических характеристик, применение ЭЦВМ для ре­ шения уравнения движения необходимо.

Искомые значения угловой скорости и крутящего момента определяются для моментов времени через выбранные интервалы ( Ы = 0,1 -г-0,2 с). При этом предполагается, что внутри интервалов справедлива линейная интерполяция параметров. Поэтому, чем меньше выбранные интервалы времени, тем точнее расчет.

Если выражения для крутящего момента при разгоне и тормо­ жении коленчатого вала отличаются друг от друга, то в расчетное

205

уравнение движения вала должны быть подставлены соответствую­ щие выражения с учетом знака углового ускорения, который опре­ деляется в каждый момент времени. Критерием для определения знака ускорения может служить знак изменения движущего мо­ мента

АУИд ^Гді-і Маі,

где Мд£, Мді_1 — крутящий момент в текущий и предыдущий моменты времени.

При этом, если АМд > 0 , то > 0 , если AM < 0, то - ^ - < і

<С 0. Однако это положение справедливо лишь для очень малого интервала времени, когда 1ітД М д —>0. Необходимость в этом критерии существует лишь при угловом ускорении, близком к нулю. При большем ускорении, когда вероятность перехода двигателя от разгона к торможению (или наоборот) мала, может выбираться корень уравнения, более близкий к ускорению в пре­ дыдущий момент времени.

При задании крутящего момента динамической характеристи­ кой выражения для движущего момента зависят также и от того, работает ли двигатель по регуляторной или корректорной ветви характеристики. Как видно на рис. 26, 27, границы перехода с од­ ной ветви характеристики на другую обозначены достаточно резко и приближенно могут быть описаны уравнением прямой линии. Например, для двигателя СМД-14 границы перехода выражаются уравнениями:

Поэтому одновременно с определением угловой скорости из уравнения движения вала необходимо найти ее значение и из

уравнений (19) при |> 0 или (20) при <[ 0. Если угловая

скорость превышает ее значение, определенное из уравнений гра­ ниц перехода, то в уравнение движения необходимо подставлять выражение для регуляторной ветви характеристики, а если оно будет меньше, то следует подставлять выражение для коррек­ торной ветви характеристики.

По определенным мгновенным угловым скоростям из соответ­ ствующих математических выражений на ЭЦВМ находят и зна­ чения Мед, NeR и т. п. На рис. 116 показан образец таблицы дан­ ных, полученных на ЭЦВМ «Минск-2» при подборе двигателя СМД-14 для экскаватора. Интервал задания нагрузки 0,1 с, а

206