Прогнозирование остаточного ресурса автомобиля по результатам диагностирования.
В процессе эксплуатации автомобилей техническое состояние их элементов зависит от эксплуатационных, конструктивных и технологических факторов и практически не поддается предварительному учету. Предсказать техническое состояние машины в будущем можно прогнозированием. На основе прогнозирования дается заключение о целесообразности проведения технического воздействия (ремонта, замены, регулировки). Прогнозирование при известных нормативных значениях диагностических параметров решает задачи определения остаточного ресурса и периодичности диагностирования. Остаточный ресурс — наработка до перехода в предельное состояние после диагностирования. Изменение параметра в заданный промежуток наработки называется реализацией параметра.
Сравнивая измеренное значение диагностического параметра с нормативным (предельным или допускаемым) его значением, делается заключение об остаточном ресурсе и соответственно о необходимости проведения тех или иных технических воздействий. Когда остаточный ресурс больше предстоящего межконтрольного цикла, то техническое воздействие на диагностируемый элемент не осуществляется. Если остаточный ресурс меньше межконтрольного цикла и диагностический параметр достиг своего допускаемого значения, то осуществляется техническое воздействие.
При прогнозировании остаточного ресурса элементов автомобилей применяют методы прогнозирования по среднему статистическом изменению параметра и по реализации. Прогнозирование по среднему статистическому – это предсказание изменения параметра по данным среднестатистического его изменения для совокупности одноименных элементов. Прогнозирование по реализации — предсказание изменения параметра конкретного элемента как по данным изменения параметра этого элемента в прошлом, так и по данным среднестатистического изменения параметра совокупности элементов. Прогнозирование остаточного ресурса по среднему статистическому изменению его параметра. Метод прогнозирования остаточного ресурса машины или отдельного его элемента применяется при отсутствии информации об изменении параметра в прошлом.
При реализации этого метода используется функция среднего изменения диагностического параметра, ее среднеквадратичное отклонение и средние данные по предельному состоянию, полученные для группы однотипных элементов. Для расчета среднеквадратичного отклонения S измеряемого диагностического параметра сначала выявляется закономерность распределения отклонений его частных значений по конкретным интервалам наработки (км пробега, времени и др.). Метод имеет большую погрешность в оценке остаточного ресурса отдельных элементов. Прогнозирование остаточного ресурса по реализации. Метод заключается в предсказании изменения диагностического параметра с учетом его предельного значения и индивидуального изменения в прошлом, а также характера изменения, выявленного для всей совокупности однотипных элементов. При прогнозировании по этому методу принимается, что изменение параметра диагностируемого элемента характеризуется экстраполяциопной функцией и среднеквадратичным отклонением этой функции от фактического изменения параметра. Этот метод позволяет получать более достоверный прогноз остаточного ресурса, чем метод прогнозирования по среднему статистическому изменению параметра.
Дата добавления: 2016-12-08 ; просмотров: 3769 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Определение остаточного ресурса автомобиля
РУКОВОДЯЩИЙ НОРМАТИВНЫЙ ДОКУМЕНТ
Надежность в технике.
Методика прогнозирования остаточного ресурса машин и деталей,
подверженных изнашиванию
Дата введения 1985-01-01
РАЗРАБОТАНЫ Государственным комитетом СССР по стандартам Министерством высшего и среднего образования СССР
Министерством автомобильной промышленности
Л.А.Лейфер, А.И.Илларионов, С.В.Беличков, Л.Н.Евстафьева, И.Б.Гурвич, В.И.Чумак, А.П.Егорова
ВНЕСЕНЫ Государственным комитетом СССР по стандартам
Член Госстандарта В.Н.Шахурин
УТВЕРЖДЕНЫ И ВВЕДЕНЫ В ДЕЙСТВИЕ Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 6 сентября 1983 г. N 4797
Методические указания распространяются на изделия, подверженные изнашиванию, отказы которых вызваны процессами изнашивания контролируемых поверхностей трущихся пар, и устанавливают методы расчета остаточного ресурса, дисперсии остаточного ресурса и вероятности безотказной работы.
В методических указаниях рассматриваются методы оценивания остаточного ресурса в условиях основных типовых ситуаций, которые возникают при испытаниях и эксплуатации и отличаются объемом и видом исходной информации.
Методические указания предназначены для разработки методов оценивания параметрической надежности конкретных изделий.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Величина остаточного ресурса изделия определяется временем наступления предельного состояния испытываемого изделия после выработки им части ресурса.
1.2. Прогнозирование остаточного ресурса основано на возможности наблюдения и измерения изменяющихся в процессе эксплуатации или испытаний параметров технического состояния изделия.
1.3. Номенклатура контролируемых параметров, которые определяют остаточный ресурс, устанавливается в отраслевой нормативно-технической документации.
1.4. Для каждого контролируемого параметра должна быть задана область предельных значений, выход за пределы которой определяет ресурс изделия.
1.5. Прогнозирование остаточного ресурса осуществляется в предположении единого на всем рассматриваемом интервале времени механизма изменения каждого контролируемого параметра.
Измерения контролируемых параметров, полученные при действии разных механизмов изменения, не должны совместно обрабатываться. В частности, измерения, полученные до окончания приработки, должны быть исключены из обработки.
1.6. Требования п.1.5 не исключают для повышения точности прогноза использовать результаты измерений контролируемых параметров в форсированных режимах. При этом необходимо знание функции, позволяющей пересчитывать результаты измерения из одного режима в другой.
1.7. Вид контролируемых параметров, количество возможных измерений в нормальных и других режимах, зависимости характеристик от параметров режима эксплуатации или испытаний, от параметров материалов в геометрических размерах, а также другая априорная информация формирует ту или иную типовую ситуацию при определении остаточного ресурса.
1.8. Структура основных признаков типовых ситуаций, возникающих при испытаниях или эксплуатации изделий, ресурсные отказы которых формируются механизмами изнашивания, систематизация и шифры приведены в табл.1.
Структура основных признаков типовых ситуаций и шифр ситуаций
Признак и его порядковый номер в шифре
Описание признаков и его число в порядковом номере
1. Прямой или косвенный контролируемый параметр
1. Прямое измерение размеров изнашивающихся поверхностей или величин износа (прямой параметр).
2. Измерение величин, связанных с параметрами износа статистической или функциональной зависимостью (косвенный параметр)
2. Количество контролируемых
3. Взаимосвязь между контролируемыми параметрами
2. Статистическая зависимость.
3. Регрессионная зависимость между некоторыми прямыми и косвенными параметрами
4. Наличие информации об испытаниях или эксплуатации в других режимах или аналогичных изделий, информации о расчетных зависимостях между параметрами износа и параметрами режимов, микрогеометрии, условий контактирования
1. Информация отсутствует.
2. Информация о коэффициентах вариации ресурса или скорости изнашивания.
3. Зависимость параметров изнашивания от параметров режимов испытаний или эксплуатации параметров материалов, параметров размеров. Информация о точности задания параметров.
4. Информация о ресурсах изделий, испытанных или эксплуатируемых в других режимах, а также функции, позволяющие пересчитывать значения ресурса из одного режима в другой.
5. Информация об измерениях контролируемого параметра в других режимах
1.9. Согласно табл.1 шифр любой ситуации четырехзначный, порядковый знак может принимать значения 1, 2, 3, 4.
2. ХАРАКТЕРИСТИКА ТИПОВЫХ СИТУАЦИЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ
ПРИ ОЦЕНИВАНИИ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА
2.1. Наиболее типичные ситуации, возникающие при оценивании остаточного ресурса изделий, отказы которых обусловлены изнашиванием, даны в табл.2. Типовые ситуации группы 1113 вынесены в отдельную таблицу (см. табл.3).
Характеристика типовых ситуаций
Вид экспериментальных данных
Испытания почвообрабатывающих машин. В течение всего времени испытаний производится систематическое измерение размеров режущей части рабочего органа (лемехов, отвалов у плугов, зубьев или дисков у борон, лап у культиваторов)
Испытания режущего инструмента (сверла, метчики, токарные резцы). В процессе испытаний может быть произведено от двух и более измерений размеров режущей части. До испытаний известны коэффициенты вариации ресурса, например, [13]
Сверла из быстрорежущей стали с диаметрами, мм:
Всероссийская Олимпиада профессионального мастерства
Прогнозирование остаточного ресурса двигателя
Задача «Прогнозирование (определение) остаточного ресурса двигателя ЗМЗ-4063.10» включена в вариативную часть задания II уровня Всероссийской Олимпиады профессионального мастерства для специальности 23.02.03 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта».
Пример решения задачи
«Прогнозирование (определение) остаточного ресурса двигателя ЗМЗ-4063.10.»
Примечание: исходные для примера данные выбраны произвольно.
1. Пробег автомобиля – L = 165 000 км;
3. Показатель степени изменения диагностического параметра α = 1,3.
Данную задачу можно решать аналитическим и графическим методом. Рассмотрим каждый из них по отдельности.
Решение аналитическим методом:
Для определения остаточного ресурса двигателя Lост используем зависимость:
Ответ: Прогнозируемый остаточный ресурс ЦПГ двигателя по давлению в конце такта сжатия до достижения предельного состояния будет равен 123 тыс. км.
Графическая интерпретация и решение графическим методом:
В случае, если коэффициент α будет задан равным единице, график получится в виде прямой наклонной линии (линейная зависимость), в остальных случаях ( α ≠ 1) график получится в виде кривой линии.
Если α > 1, график будет иметь вид кривой, обращеной выпуклостью вниз (вогнутая), если α α не может быть равен нулю, поскольку тогда мы получим вечный (неизнашиваемый) двигатель.
Если параметр с пробегом растет (например, износ ЦПГ), то график пойдет на подъем, если параметр с пробегом уменьшается (например, компрессия двигателя), график пойдет на спад (как на рис. 1).
На полученном графике необходимо указать участок, интерпретирующий остаточный ресурс двигателя ( Lост ) и определить его длину (с учетом масштаба) при решении графическим методом.
В случае, если задача решается только графическим методом, кроме ресурса (пробега) в момент измерения (диагностирования), должен быть задан предельный ресурс двигателя по пробегу.
Пример построения графика приведен ниже.
Примечание: Задача может быть поставлена по-другому, например:
Требуется определить, какой ресурс имеет новый двигатель до предельного состояния?
В этом случае для прогнозирования ресурса (пробега) двигателя до предельного состояния может быть использована формула:
Lпр = α √[( Рпр – Рном ) /Vс ], (прим.: √ — знак корня)
Лекционные материалы
Прогнозирование остаточного ресурса двигателя
Прогнозирование применяется для определения остаточного ресурса машин и механизмов (в т. ч. двигателей), с целью определения надежности и безотказности их работы при дальнейшей эксплуатации. Прогнозирование надежности может производиться по разнообразным критериям (например, по динамике процесса изнашивания деталей ЦПГ, по содержанию элементов износа в масле смазочной системы, показателям давления сжатой смеси в цилиндрах и т. д.).
В общем случае критерий (показатель), выбранный для определения остаточного ресурса двигателя, должен наиболее полно характеризовать динамику снижения его надежности (безотказности) при эксплуатации.
С целью получения более достоверного прогноза нередко используют несколько ключевых критериев, характеризующих надежность машины (двигателя) или ее составного элемента.
Для прогнозирования остаточного ресурса механизмов и машин используют разнообразные методы – метод экспертных оценок, методы моделирования и статистические методы. Все эти прогнозы основываются на вероятностных категориях, т. е. в определенной степени подчиняются факторам случая.
Тем не менее, в обобщенном виде, современные методы прогнозирования позволяют оценить остаточный ресурс любой машины с целью определения ее эксплуатационных возможностей в достаточно достоверной степени.
В настоящее время наибольшее применение находят методы статистического моделирования (прогнозирования), основанные на анализе результатов технической диагностики. Как упоминалось выше, результаты такого прогноза (как, впрочем, и при использовании других методов) следует рассматривать как вероятностную категорию, не застрахованную от случайных возмущений и не гарантирующую стопроцентного результата.
Сущность метода статистического моделирования заключается в измерении реальных значений критерия работоспособности и сопоставлении результатов измерения с допустимыми или предельными значениями для этого критерия. При этом допустимые значения параметров технического состояния являются инструктивными и позволяют делать общее заключение о состоянии объекта диагностирования, не проводя никаких расчетов.
Так, если измеренное значение параметра больше допустимого или равно предельному значению, то объект подлежит обслуживанию или ремонту не зависимо от его текущей работоспособности. Если же измеренное значение меньше допустимого или равно ему, то объект не требует никаких воздействий до очередной проверки.
Параметр измеряется мастером-диагностом во время прохождения автомобилем технического обслуживания №2 (ТО2) с интервалом (после наработки) 10 тыс. км. Данные измерений фиксируются в карточке учета с указанием наработки (пробега) и значения параметра.
После определенного периода эксплуатации и прохождения нескольких диагностических замеров можно составить график изменения параметра (давления в цилиндрах), откладывая по оси абсцисс наработку (пробег), а по оси ординат – значение параметра (давления в цилиндрах).
Полученный график (рис. 1) может иметь форму прямой или кривой линии в зависимости от характера и интенсивности изменения параметра.
Прямая линия графика (рис. 1, а) указывает, что относительное изменение параметра происходит линейно, т. е. прямо пропорционально наработке. Линейная зависимость изменения параметра от наработки встречается редко, чаще график имеет вид плавной кривой, направленной выпуклостью вверх или вниз.
Рассмотрим в качестве примера динамику износа деталей ЦПГ двигателя в зависимости от наработки (пробега автомобиля). Кривая графика при правильной эксплуатации двигателя будет иметь плавный изгиб. При этом если кривая направлена выпуклостью вниз (рис. 1, б), можно сделать вывод, что параметр с наработкой возрастает все интенсивнее (например, пробег увеличился в два раза, а износ деталей – в 5 раз). Если выпуклость линии графика направлена вверх (рис. 1, в), значит, с наработкой относительное изменение параметра уменьшается. Это, например, может иметь место, когда сопряженные детали ЦПГ притерлись после обкатки и интенсивность их износа с наработкой снижается в сравнении с начальным периодом эксплуатации.
Следует отметить, что график изменения параметра может быть не только нарастающим, но и убывающим, как, например, в случае с компрессией в цилиндрах (см. рассмотренную выше задачу).
Исходными данными при использовании методов статистического прогнозирования ресурса двигателя являются:
Прогнозирование ресурса может осуществляться на основе полученных в результате измерения данных и непосредственного построения графической зависимости значений параметра от наработки. Т. е. мастер-диагност периодически выполняет замер параметра после определенной наработки (например, во время ТО), а затем по данным диагностических замеров выполняется и анализируется графическая зависимость.
Возможен и аналитический способ статистического прогнозирования, при котором используются данные измерений параметра в процессе наработки, после чего определяется скорость (интенсивность) изменения данного параметра.
Аналитический способ позволяет прогнозировать значение параметра после любой наработки, используя эмпирическую зависимость:
Показатель степени α определяется на основе статистических данных о закономерностях изменения параметров технического состояния в зависимости от наработки, полученных в реальных условиях эксплуатации, т. е. опытным путем.
При α > 1 и α α > 1) кривая обращена выпуклостью вниз (рис. 1, б), во втором ( α α = 1 указанная зависимость имеет линейный вид (рис. 1, а).
Экспериментально были получены ориентировочные значения α для некоторых параметров технического состояния двигателя.
Таблица 1. Нормативные значения параметров диагностирования технического состояния ЦПГ и показателя α для этих параметров.
Определение остаточного ресурса автомобиля
Диагностирование — это определение технического состояния автомобилей, их агрегатов и узлов без разборки. Диагностирование является техническим элементом технического обслуживания и ремонта автомобилей.
Цель диагностирования при техническом обслуживании заключается в определении действительной потребности в выполнении работ технического обслуживания путем сопоставления фактических значений параметров с предельными, а также в оценке качества выполнения работ.
Цель диагностирования при ремонте заключается в выявлении неисправностей, причин их возникновения и установлении наиболее эффективного способа устранения: на месте, со снятием агрегата узла или детали, с полной или частичной разборкой и заключительным контролем качества выполнения работ.
При диагностировании с помощью контрольно-диагностических средств определяют диагностические параметры, по которым судят о структурных параметрах, отражающих техническое состояние диагностируемого механизма.
Структурный параметр — это физическая величина, непосредственно отражающая техническое состояние механизма (геометрическая форма, размеры, взаимное расположение поверхностей деталей). Структурные параметры, как правило, нельзя измерить без разборки механизма.
Диагностический параметр — это физическая величина, контролируемая средствами диагностирования и косвенно характеризующая работоспособность автомобиля или его составной части (например, шум, вибрация, стуки, снижение мощности, давления).
Необходимость косвенной оценки структурных параметров с помощью диагностических параметров обусловлена сложностью непосредственного измерения структурных параметров, поскольку их, как правило, нельзя измерить без разборки механизма. Таким образом, диагностирование позволяет своевременно выявлять неисправности и предупредить внезапные отказы, сокращая потери от простоев автомобиля при устранении непредвиденных поломок. Однако при этом необходимо знать взаимосвязь структурных и диагностических параметров.
Различают: номинальные, допускаемые, предельные, упреждающие и текущие значения диагностических и структурных параметров.
Номинальное значение параметра определяется его конструкцией и функциональным назначением. Номинальные значения параметров имеют обычно новые или капитально отремонтированные механизмы.
Допускаемым значением параметра называется такое граничное значение, при котором механизм может сохранять работоспособность и исправность до следующего планового контроля без каких-либо дополнительных воздействий.
Предельным значением параметра называется наибольшее или наименьшее его значение, при котором обеспечивается работоспособность механизма. При достижении предельного значения параметра дальнейшая эксплуатация механизма либо технически недопустима, либо экономически нецелесообразна.
Упреждающим значением параметра называется ужесточенное предельно допустимое его значение, при котором обеспечивается заданный либо экономически целесообразный уровень вероятности безотказной работы на предстоящей межконтрольной наработке.
Текущим значением параметра называется его фактическое значение в данный момент.
Методика определения остаточного ресурса автомобильного дизельного двигателя при бортовом диагностировании
Наиболее достоверными при прогнозировании остаточного ресурса автомобиля в условиях эксплуатации являются статистические методы, основанные на объективной оценке его технического состояния в текущий момент времени. Процесс прогнозирования с использованием статистических методов предусматривает выполнение следующих этапов:
При прогнозировании непосредственно измерить остаточный ресурс объекта практически невозможно. Поэтому необходимо определить аналоговый диагностический параметр или комплекс таких параметров, которые адекватно отражают техническое состояние объекта и реализацию его ресурса по наработке. Для агрегатов автомобиля это могут быть параметры эффективности функционирования (мощность, крутящий момент, расход топлива и др.), геометрические параметры (люфты, зазоры) и параметры сопутствующих процессов (герметичность рабочих объемов, вибрации, физико-химический состав отработавших эксплуатационных материалов и т. д.).
Исчерпание заложенного при проектировании ресурса (наступление предельного состояния) обусловлено постепенным накоплением различных повреждений. Если не учитывать грубые ошибки при проектировании и эксплуатации, наступление предельного состояния автомобилей с некоторой условностью можно отнести к одной из двух групп:
Развитие таких повреждений в материалах деталей, узлах и агрегатах в зависимости от времени или пробега носит плавный, монотонный характер, приводящий к возникновению так называемых постепенных отказов, поэтому с некоторой вероятностью может быть описано каким-либо аналитическим уравнением. Для постепенных отказов изменение параметра технического состояния конкретного изделия или среднего значения для группы изделий аналитически достаточно хорошо описывается двумя функциями:
Изменение аналогового диагностического параметра при наработке для большинства узлов и агрегатов автомобиля описывается теми же функциями, что и параметры технического состояния. При прогнозировании остаточного ресурса силовой установки автомобиля изменение диагностического параметра по наработке с достаточной степенью точности может быть описано степенной функцией [1]:
Графическая интерпретация этой зависимости представлена на рисунке 1. Из приведенной схемы видно, что остаточный ресурс объекта tо представляет собой разность между полным ресурсом tп, который соответствует предельному значению диагностического параметра SП, и продолжительностью его эксплуатации, предшествующей прогнозируемому периоду ti. Полный tп и остаточный tо ресурсы объекта после наработки t, предшествующей прогнозируемому периоду, при степенной зависимости диагностического параметра по наработке определяются по формуле (4):
Для узлов и систем автомобиля значения номинального и предельного диагностических параметров устанавливаются нормативно-технической документацией заводов-изготовителей. Это, например, зазоры в различных сопряжениях, люфты, углы установки колес, давление в цилиндрах двигателя в конце такта сжатия и т. д.
Предельные значения диагностических параметров, оценивающих техническое состояние узлов и механизмов, для которых они не установлены документацией завода-изготовителя, определяются с помощью статистического метода. Суть его заключается в том, что по результатам обследования представленной партии диагностируемого объекта строится гистограмма распределения значений диагностического параметра, по которой определяется аппроксимирующая ее теоретическая кривая, и по заданному уровню вероятности безотказной работы P (0,85 или 0,95) находится его предельный норматив.
Номинальное значение диагностического параметра Sн определяет исходное состояние объекта и соответствует новым, технически исправным машинам, агрегатам, узлам. Оно может быть задано техническими условиями или найдено как средняя величина для данной совокупности объектов. Значения показателя α определяются опытным путем для различных сопряжений механизмов на основе обработки статистического материала и представляют собой некоторые усредненные величины для построения функции изменения диагностического параметра по наработке.
При нахождении изделия в неисправном, но работоспособном состоянии для определения остаточного ресурса используют кривую надежности, по которой можно прогнозировать момент достижения диагностическим параметром предельного значения. Вид зависимостей уточняется по мере накопления статистических данных – результатов измерений, полученных в процессе эксплуатации большого числа изделий. Решение задачи прогнозирования остаточного ресурса (ОР) двигателя внутреннего сгорания (ДВС) предполагает решение двух подзадач: идентификацию текущего технического состояния двигателя по диагностическим параметрам и собственно, прогнозирование – оценку времени (пробега), в течение которого диагностические параметры достигнут предельного состояния.
Главная сложность при прогнозировании остаточного ресурса заключается в том, что реальные условия эксплуатации транспортного средства не остаются неизменными на протяжении периода эксплуатации. Зависимость величины изношенности от пробега имеет нелинейный характер и определяется множеством трудноучитываемых факторов:
Кроме того, нужно учитывать, что интенсивность изнашивания различна в зоне приработки, зоне постепенного изнашивания и в зоне прогрессирующего изнашивания.
При этом после окончания приработки интенсивность изнашивания динамически нагруженных сопряжений (втулка верхней головки шатуна – поршневой палец, шатунные подшипники) увеличивается в зависимости от пробега, а саморазгружающихся (гильза цилиндра – поршневое кольцо) – уменьшается.
В связи с этим для бортового диагностирования возникает необходимость в разработке новых методов прогнозирования технического состояния сопряжений ДВС, которые бы использовали гибкий математический инструментарий, способный периодически самообучаться на протяжении всего периода эксплуатации и тем самым учитывать комплексное влияние факторов, определяющих скорость изнашивания сопряжений.
При прогнозировании остаточного ресурса изменение параметра характеризуется некоторой экстраполяционной функцией и среднеквадратическим отклонением этой функции от фактического изменения параметра. Аппроксимирующая функция определяется по изменению параметра этого элемента в прошлом в зависимости от характера изменения диагностического параметра.
Известно множество функций изменения параметра: линейная (М. М. Хрущев, К. В. Крагельский), степенные (В. М. Михлин, А. А. Сель цер, К. Ю. Скибневский), экспоненциальные (Ф. Н. Авдонькин, Г. В. Дружинин), дробно-линейные (В. И. Пал), многочленные (Н. Я. Го ворущенко).
Реализация на практике методов, позволяющих учесть все значимые факторы, влияющие на остаточный ресурс при бортовом диагностировании, сдерживается от сутствием технических средств, способных по нескольким легкодоступным для измерения параметрам определить величину изношенности основных сопряжений. Появление таких программно-аппаратных средств позволило бы с высокой точностью осуществлять экспресс-диагностику состояния двигателя и определения его остаточного ресурса.
По некоторым оценкам, в настоящее время трудоемкость диагностирования достигла 40% общей трудоемкости технического обслуживания, что является стимулом для разработки диагностических средств, простых в реализации и дешевых.
В настоящее время существует достаточно большое количество методов оценки технического состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) и кривошинно-шатунного механизма (КШМ) (рис. 2), которые при постановке диагноза опираются на различные диагностические параметры.
Однако сложность получения результатов измерений и невысокая информативность делают большинство этих параметров непригодными для использования в работе при бортовом диагностировании.
Так, например, динамика изменений давления и пропуска газов в картер двигателя имеет нелинейную зависимость, что создает трудности при прогнозировании остаточного ресурса двигателя. Метод вакуумной диагностики трудоемок и имеет большую погрешность – до 30% [2]. К недостаткам диагностики по параметрам картерного масла следует отнести трудоемкость и сложность раздельной оценки состояния трущихся сопряжений одинакового химического состава. Использование виброакустического, ультразвукового методов и диагностики по амплитудам пульсаций давления отработавших газов в картере характеризуется трудностями, связанными с исключением сигналов помех при работе двигателя и сложностью измерительной аппаратуры.
Основными критериями при выборе диагностических параметров для бортового диагностирования являются высокая информативность, простота и небольшие издержки в измерении, возможность их быстрой обработки программно-аппаратными средствами. Нужно отметить, что для таких сложных систем, как двигатель, в которых невозможно заменить изношенную деталь без полной или частичной разборки, дополнительно увеличивающей износ, целесообразно применять методы безразборной диагностики, позволяющие оценить общее состояние и остаточный ресурс двигателя.
Оценка степени износа коленчатого вала ДВС может осуществляться по результатам измерения давления и температуры масла в системе смазки при максимальной скорости вращения коленчатого вала, которая соответствует максимальной производительности масляного насоса.
Для учета конструктивных особенностей конкретного ДВС необходимо провести параметрическую идентификацию на основе результатов экспериментальных исследований.
Исследования [3] показывают, что зависимость между степенью изношенности конкретного сопряжения силового агрегата и остаточным ресурсом соответствующего агрегата близка к линейной. В этом случае при полной массе и средней технической скорости автомобиля, соответствующих максимальному ресурсу, остаточный ресурс сопряжения, км, составит
В качестве оценки остаточного ресурса ДВС в целом будем применять минимальный полученный остаточный ресурс основных сопряжений:
– остаточные ресурсы ЦПГ и КШМ соответственно.
Как показывает опыт эксплуатации, углубленный ремонт ЦПГ и КШМ может производиться на местах по фактическому их состоянию на пробегах в интервале 125–240 тыс. км (т. е. до выработки ресурса основными и базовыми деталями до капитального ремонта).
Объем необходимых ремонтных воздействий должен определяться техническим состоянием агрегата. Для практического использования диагностические параметры должны достоверно и с высокой точностью позволять определять степень изношенности основных механизмов – ЦПГ, КШМ и потребность по ним в ремонтном воздействии. Однако оценка технического состояния двигателя при эксплуатации затруднена ввиду того, что диагностические параметры и нормативные значения, при которых дальнейшая эксплуатация двигателя нецелесообразна, до настоящего времени не разработаны.
Выявленный механизм проворачивания шатунных вкладышей показывает, что отказ не появляется внезапно, а развивается по определенным закономерностям в течение довольно длительного времени. Расход масла через шатунные подшипники определяется давлением масла в кольцевом канале коренного подшипника, от которого они питаются, режимом работы и техническим состоянием двигателя.
Как показывает статистический анализ износа вкладышей и шеек коленчатого вала двигателей КамАЗ и связи зазоров в подшипниках с величиной давления в системе смазки, основное влияние на давление масла оказывает диаметральный зазор в коренных подшипниках. Это обусловлено тем, что через коренные подшипники проходят 60–70% всего объема масла, подаваемого масляным насосом [4]. Поэтому можно считать зазор в коренных подшипниках структурным параметром для диагностического параметра – давления в системе смазки двигателя.
Для оценки точности и эффективности диагностирования используют ряд показателей, основными из которых являются чувствительность, однозначность, стабильность и информативность [5]. Для оценки этих показателей была получена статистическая зависимость давления в системе смазки на номинальных режимах от среднего диаметрального зазора в коренных подшипниках, что показано на рисунке 3.
Важнейшим требованием к диагностическому параметру является чувствительность, оцениваемая коэффициентом чувствительности:
Применительно к диаметральному зазору в коренных подшипниках S и давлению P в системе смазки
Приведенные на рисунке 3 зависимости свидетельствуют о том, что коэффициент чувствительности
для двигателей КамАЗ-740.10;
для двигателей КАМАЗ-740.30-260
Полученные значения свидетельствуют о достаточно высокой чувствительности диагностического параметра P в наблюдаемом диапазоне изменения структурного параметра S.
Однако анализ известных способов показывает необходимость определения более глубоких связей структурного параметра с диагностическим для оценки технического состояния подшипников ДВС и условий их смазывания [6]. Работоспособность подшипников в основном определяется условиями смазки, и в свою очередь износы подшипников приводят к снижению давления в различных частях системы смазки. Поэтому в большинстве способов диагностирования степени износа подшипников ДВС используют метод измерения давления в различных частях системы смазки.
В разработанном способе (рис. 4) безразборной диагностики степени износа подшипников ДВС предложено измерять давление в масляной магистрали на участке канала подвода масла к шатунным подшипникам по оси коленчатого вала после коренных при работе двигателя. Полученное значение на любом режиме должно быть больше 0. По сравнению с эталонным значением для новых ДВС определяют степень износа диагностируемых подшипников. Диагностика износа подшипников ДВС, таким образом, сводится к тому, что структурным параметром, связанным с износом подшипников ДВС и одновременно определяющим работоспособность наиболее нагруженных и часто отказывающих шатунных подшипников, является давление масла на входе в шатунную полость [7].
С ростом частоты вращения коленчатого вала двигателя растут потери давления от инерционных сил; из-за износов увеличивается зазор в коренном подшипнике; а также при воздействии нагрузки возрастает величина относительного эксцентриситета в коренном подшипнике. Из-за этого увеличивается расход масла Q1 через зазор в коренном подшипнике. При этом постоянно уменьшается подача масла через канал коленвала до его оси. Все это приводит к тому, что давление масла по оси коленвала будет уменьшаться. Одновременно увеличивается расход Q2 через маслоподающие отверстия и зазоры в шатунных подшипниках из-за роста величины зазоров вследствие износов. При этом соотношение расходов масла через подшипники и величина давления по оси коленвала постоянно снижаются и могут равняться нулю, что является предельной величиной. Это измеряемое давление используется в качестве структурного параметра при диагностировании. Из проведенных исследований установлено, что у новых двигателей эта величина давления составляет 0,2–0,3 МПа. Допустимым давлением можно принять 0,05 МПа, предельным – 0,0 МПа.
Изнашивание цилиндропоршневой группы оценивается по уровню расхода масла на угар. Начальное значение для нового двигателя составляет 0,3 % от расхода топлива, предельным можно принять 2,5%, что в натуральном выражении соответствует расходу в 1 л на 100 км.
Он также является интегральным показателем технического состояния цилиндропоршневой группы двигателя.
В период приработки двигателя расход масла на угар вследствие улучшения прилегаемости колец к гильзам снижается по экспоненциальной зависимости [8]:
После окончания приработки вследствие изнашивания деталей цилиндропоршневой группы двигателя расход масла на угар возрастает по экспоненциальной зависимости:
В эксплуатационных исследованиях расход масла на угар определяют у двигателей, у которых не наблюдали видимых подтеканий масла. Расход определяли путем учета долива до метки на щупе и отнесения его к расходу топлива. Собрание статистических данных по 27 двигателям КамАЗ-740.30-260 позволило определить параметры зависимостей (табл. 2). Здесь же приведены зависимости и их параметры по базовым двигателям КамАЗ-740.10, полученные ранее. Коэффициенты корреляции свидетельствуют о высокой тесноте связи экспериментальных и аналитических зависимостей.
Выполненное сравнение свидетельствует о том, что и в период приработки, и после него, расход масла на угар снизился по новому семейству двигателей в 1,5–2 раза. Исходя из этого, следует ожидать повышение ресурса цилиндропоршневой группы по этому показателю. Исходя из полученных данных, если в качестве предельного расхода масла на угар принять 2,5% [9], то наработка до замены поршневых колец достигает 200 тыс. км в условиях эксплуатации третьей категории.
Таблица 2 – Параметры экспоненциальной зависимости расхода масла на угар от наработки двигателей
в период приработки
в период приработки
Для подтверждения этих данных необходимы данные по износу деталей, а также по расходу масла на угар при больших наработках (200–250 тыс. км).
Обычно причиной остановки эксплуатации и УТР становятся именно расход масла на угар и выброс картерных газов через сапун.
Расход картерных газов также очень информативный показатель. Представляется возможным и интересным осуществлять измерение расхода картерных газов по ходу эксплуатации двигателей для оценки как среднего уровня, так и динамики роста в зависимости от пробега. Если неизношенный двигатель имеет в эксплуатации расход картерных газов 100–120 л/мин, то изношенный двигатель до предельного состояния (с повышенным расходом масла) имеет расход картерных газов свыше 300 л/мин. Перепад давления картерных газов является очень чувствительным и информативным параметром, по которому судят как о состоянии ЦПГ, так и о возникновении таких дефектов как натиры, задиры поршневой группы, прижоги подшипников коленчатого вала. При нормальном состоянии двигателя перепад давления составляет 20–30 мм вод. столба, при износах ЦПГ либо задирах в ЦПГ или подшипниках коленчатого вала перепад составляет до 150 мм вод. столба.
Представляется целесообразным оценку технического состояния ЦПГ производить взаимосвязано по двум параметрам: расходу масла на угар, расходу картерных газов.
Предельными значениями следует считать:
– расход масла на угар по отношению к расходу топлива – 2,6%;
– расход картерных газов – 135 л/мин.
За пределами указанных значений выявляются недопустимые износы поршневых колец и поршней, приводящие к аварийным отказам, повышенному расходу масла, т. е. к увеличению затрат на обслуживание и ремонт.
Техническое состояние автомобиля определяется совокупностью изменяющихся свойств его элементов, характеризуемых текущим значением конструктивных параметров. Как известно, текущее значение конструктивных параметров связано с наработкой. На автомобильном транспорте, как правило, наработка автомобилей исчисляется в километрах пробега. По мере увеличения наработки параметры технического состояния изменяются от номинальных до предельных, при которых дальнейшая эксплуатация изделия недопустима.
Сравнением величин для диагностируемого и нового двигателя определяют интегральную степень износа цилиндропоршневой группы и производят оценку остаточного ресурса двигателя. Использование предлагаемого метода позволяет достоверно определять состояние ЦПГ ДВС, а также прогнозировать остаточный ресурс двигателя методом бортовой диагностики. В настоящее время проводятся разработка эффективных средств и их оценка по бортовым средствам измерения расхода масла на угар и давления картерных газов для встроенной системы диагностирования автомобиля КамАЗ.
