Файл: Разработка универсального диагностического прибора для определения технического состояния цпг автотракторных двигателей.doc
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 05.12.2023
Просмотров: 185
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
УДК 631.372РАЗРАБОТКА УНИВЕРСАЛЬНОГО ДИАГНОСТИЧЕСКОГО ПРИБОРА ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ЦПГ АВТОТРАКТОРНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙПреподаватель Ляхов А.В., lyahov.andrey.po4ep@gmail.comПочепский механико-аграрный техникум, РоссияСтудент Сергеев В.Д., 16vete15.com@gmail.comБрянский государственный аграрный университет, Россия DEVELOPMENT OF A UNIVERSAL DIAGNOSTIC DEVICE FOR DETERMINING THE TECHNICAL CONDITION OF THE CPG OF AUTOMOTIVE ENGINESTeacher Lyakhov A.V., lyahov.andrey.po4ep@gmail.comPochepsky Mechanical and Agricultural College, RussiaStudent Sergeev V.D. 16vete15.com@gmail.comBryansk State Agricultural University, RussiaАннотация. Рассмотрены способы определения технического состояния цилиндропоршневой группы, положительные и отрицательные стороны диагностических приборов. Разработан алгоритм работы универсального диагностического прибора. Предложена конструкция и внешний вид интерфейса приложений для ПК и мобильного телефона.Annotation. The methods of determining the technical condition of the cylinder piston group, the positive and negative sides of diagnostic devices are considered. An algorithm for the operation of a universal diagnostic device has been developed. The design and appearance of the application interface for PC and mobile phone are proposed.Ключевые слова: ЦПГ, мощность двигателя, расход картерных газов, диагностика, КИ-13671, двигатель, остаточный ресурс, Arduino UNU R3, цилиндропоршневая группа, ИМД-Ц.Key words: CPG, engine power, crankcase gas consumption, diagnostics, KI-13671, engine, residual life, Arduino UNO R3, cylinder piston group, IMD-Ts.ВведениеЭффективная работа тракторов, автомобилей, комбайнов и сложных сельскохозяйственных машин в значительной степени определяется техническим состоянием двигателя. На его долю приходится по отдельным типам машин до 50% основных неисправностей и отказов, а трудоемкость их устранения может достигать в максимуме до 40% от общего времени устранения отказов и неисправностей машин [1]. Это обусловлено тем, что двигатель внутреннего сгорания (ДВС) являются одним из основных агрегатов трактора, автомобиля, комбайна и сложных сельскохозяйственных машин.
Эффективность использования транспортных средств, тракторов и мобильных сельскохозяйственных машин в значительной степени определяется характеристиками установленных на них ДВС. [2] Анализируя работу дизельных двигателей, можно сказать, что по надёжности, системы и механизмы в двигателе распределяются следующим образом: система питания – до 45% отказов; цилиндропоршневая группа – до 20%; газораспределительный механизм – до 15%; системы охлаждения и смазки – до 10% [3]. В связи с этим актуальной является проблема диагностики дизельных двигателей, используемых в качестве силовой установке на тракторах и сложных сельскохозяйственных машинах. Вследствие распространения тракторов, оборудованных электронной системой управления двигателем (ЭСУД) Common Rail, при их при диагностике возникают проблемы интерпретации полученных данных и постановки диагноза, а также стоимости диагностического оборудования.Выбор объекта исследованияНа основании выше изложенного, в качестве объекта исследования выбран процесс диагностирования двигателя с целью определения его технического состояния.Предмет исследования — является зависимость, позволяющая оценивать состояние цилиндропоршневой группы двигателя посредством измерения расхода картерных газов и мощности ДВС.Практическая цель исследования — создание диагностического устройства на современной элементной базе.Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач: 1) выбор и обоснование математической модели для определения мощности ДВС, а также величины остаточного ресурса;2) создание алгоритма работы и блочной схемы универсального диагностического прибора, для сопряжения диагностических датчиков с ПК и телефоном и первичной обработки данных;3) реализация приложения для нескольких платформ, мобильный телефон и персональный компьютер (ПК), для обработки полученных диагностических параметров.Синтез конструкцииАнализ цилиндропоршневой группы (ЦПГ) показал, что основными отказами и неисправностями являются: повышенный радиальный зазор гильза — поршень и зазоры в стыках поршневых колец, износы гильзы, потеря упругости и поломка компрессионных и маслосъемных колец. Износ ЦПГ характеризуется увеличением зазоров в сопряжениях: гильза — поршень, в замках поршневых колец, между кольцами и канавками поршней по высоте. Увеличение неплотностей ЦПГ повышает утечку газов в картер из надпоршневого пространства. Это в свою очередь, ухудшает качество смесеобразования и сгорания топливовоздушной смеси и, следовательно, повышает удельный расход топлива и дымности отработавших газов. [1]
Работоспособность ЦПГ двигателя определяется величиной зазоров между поршнем и гильзой цилиндра, состоянием компрессионных колец, а также количеством приработки гильзопоршневой группы.Указанные параметры тесно связаны с количеством газов, прорывающихся в картер, а также с амплитудой и фазой удара поршня о стенку гильзы. Увеличение неплотностей гильзопоршневой группы двигателя вызывает увеличение расхода газов, прорывающихся в картер и повышает давление в нем. Для оценки расхода газов используют индикатор расхода газов КИ-13671 рисунок 1 (разработан Целинным филиалом ЦОКТБ ГОСНИТИ), который устанавливается на маслозаливную горловину двигателя, а его сапун закрывается специальной пробкой. Методика замера расхода картерных газов приведена в [4]. При эксплуатационном диагностировании двигателей на тракторах и автомобилях при не установившихся режимах их работы наиболее эффективны без тормозные методы оценки мощности. Для этих целей применяются приборы ИМД-2М, ИМД-Ц, ИПД-3, КИ-13940 [1].Рис. 1 — Расходомер картерных газов КИ-13671:1 — сигнализатор; 2 — поршень сигнализатора; 3 — удлинитель; 4 — патрубок; 5 — крышка; 6 — корпус; 7 — переходникИзмерение мощности двигателя с помощью прибора ИМД-Ц основано на определении углового ускорения коленчатого вала в режиме свободного разгона, осуществляемого путём резкого повышения частоты вращения на холостом ходу с минимально устойчивой до максимальной [5].Перед процессом измерения мощности ДВС необходимо произвести калибровки по ускорению, по частоте вращения. Настроить устройство на частоту вращения, при которой измеряется ускорение. Детально алгоритм измерения мощности описан [5, стр. 12].Для данного прибора характерны как положительные, так и отрицательные качества. К числу последних можно отнести значительные погрешности при замерах, возникающие вследствие не точного позиционирования сигнализатора с риской и не совершенной конструкцией, частое обслуживания, заключающееся в регулярных очистках и тарировании, причем масса изделия достаточно велика относительно функционала [4]. Так-же можно выделить в качестве минуса полное отсутствие автоматического учета, накопления, хранения и обработки информации по диагностируемым единицам техники и постановки диагноза (определение остаточного ресурса).
В результате анализа положительных и отрицательных сторон (выше приведенных) диагностических приборов, необходимости хранения и обработки информации, а также обеспечения мобильности устройства было решено выполнять первичную обработку информации, получаемую с датчиков 2 и 3 и их сопряжение посредством контроллера 1 Arduino UNO R3 (рис. 2). Данные схемотехнические решения, позволяют универсальному диагностическому прибору (УДП) производить замеры: расхода картерных газов (расходомер 2), угловой скорости ВОМ или зубчатого венца маховика (индукционный датчик 3). После первичной обработки данных, контроллер 1 передает поток данных по USB протоколу на ПК или происходит сопряжение с приложение на мобильном телефоне по протоколу Bluetooth. Дальнейшие вычисления производятся приложением на телефоне или на ПК рисунок 3 и 4 соответственно.Р ис. 2 — Макетная схема универсального диагностического прибора:1 – контроллер Arduino UNO R3; 2 — расходомер YF-S201; 3 — индукционный датчик 37.3847; 4 — Bluetooth модуль HC-06; 5 – источник питания; 6 — Выключатель; 7 — USB разъем для сопряжения контроллера с ПК; 8 — место подключения расходомера к измеряемому ДВСВ алгоритме работы приложений заложены следующие математические зависимости. Расчет величины углового ускорения производится по формуле 1: (1),где ε — угловое ускорение коленчатого вала ДВС, с-2, - установленные значения угловой скорости (для каждой марки двигателя), с-1; Т — заданный промежуток времени, с. [1]Расчет остаточного ресурса производим по формуле 2: (2),где tост — остаточный ресурс, мот*ч; tн — наработка трактора на момент диагностирования, мот*ч; α - показатель степени функции изменения параметра состояния; ИП - предельное изменение параметра состояния; - изменение параметра состояния к моменту диагностирования (после наработки
tн) [6].Мобильное приложение (рис. 3) позволяет в реальном времени отображать расход картерных газов (поле 1), определять максимальное значение иагностируемого параметра и на его основании определять прогнозируемый остаточный ресурс.Р ис. 3 — Внешний вид приложения для мобильного телефона:1 — масштабируемый график расхода картерных газов; 2 — поле ввода текущей наработки трактора; 3 — значение максимального расхода картерных газов; 4 — прогнозируемый остаточный ресурсПриложение для персонального компьютера имеет более развитый функционал. После запуска приложения, на первый план выходит окно регистрации машина (рис. 4), в котором следует обязательно ввести исходные данные для диагностики трактора и его последующего учета. К числу вводимых параметров относятся: модель трактора, вид диагностики (расход картерных газов или определение мощности), государственный номер для однозначной идентификации трактора в базе данных, а также текущая наработка в моточасах. После того, как занесена вводная информация, нажимаем кнопку «Далее» и переходим к основному окну программы. В этом окне (рис. 4) информация о тракторе и о диагностируемых параметрах отображается блоками. Можно выделить: блок 1 - «Панель контроля». Кнопки позволяют выполнить запуск диагностики, остановку алгоритма обработки (остановка программы), перезапуск порта USB на программном уровне, сохранение результатов диагностики.Рис. 4 — Внешний вид приложения для ПК:а — окно регистрации; б — основное окно программыБлок 2 - «Системная информация». В данном блоке отображается сервисная информация, вид операционной системы, тип процессора, тип контроллера, статус соединения USB c контроллером (Arduino Uno R3), скорость передачи данных, номер виртуального порта, марка трактора, текущая наработка.Блок 3 - «Монитор». Отображает величину диагностируемого параметра
Эффективность использования транспортных средств, тракторов и мобильных сельскохозяйственных машин в значительной степени определяется характеристиками установленных на них ДВС. [2] Анализируя работу дизельных двигателей, можно сказать, что по надёжности, системы и механизмы в двигателе распределяются следующим образом: система питания – до 45% отказов; цилиндропоршневая группа – до 20%; газораспределительный механизм – до 15%; системы охлаждения и смазки – до 10% [3]. В связи с этим актуальной является проблема диагностики дизельных двигателей, используемых в качестве силовой установке на тракторах и сложных сельскохозяйственных машинах. Вследствие распространения тракторов, оборудованных электронной системой управления двигателем (ЭСУД) Common Rail, при их при диагностике возникают проблемы интерпретации полученных данных и постановки диагноза, а также стоимости диагностического оборудования.Выбор объекта исследованияНа основании выше изложенного, в качестве объекта исследования выбран процесс диагностирования двигателя с целью определения его технического состояния.Предмет исследования — является зависимость, позволяющая оценивать состояние цилиндропоршневой группы двигателя посредством измерения расхода картерных газов и мощности ДВС.Практическая цель исследования — создание диагностического устройства на современной элементной базе.Для достижения поставленной цели требуется решение следующих задач: 1) выбор и обоснование математической модели для определения мощности ДВС, а также величины остаточного ресурса;2) создание алгоритма работы и блочной схемы универсального диагностического прибора, для сопряжения диагностических датчиков с ПК и телефоном и первичной обработки данных;3) реализация приложения для нескольких платформ, мобильный телефон и персональный компьютер (ПК), для обработки полученных диагностических параметров.Синтез конструкцииАнализ цилиндропоршневой группы (ЦПГ) показал, что основными отказами и неисправностями являются: повышенный радиальный зазор гильза — поршень и зазоры в стыках поршневых колец, износы гильзы, потеря упругости и поломка компрессионных и маслосъемных колец. Износ ЦПГ характеризуется увеличением зазоров в сопряжениях: гильза — поршень, в замках поршневых колец, между кольцами и канавками поршней по высоте. Увеличение неплотностей ЦПГ повышает утечку газов в картер из надпоршневого пространства. Это в свою очередь, ухудшает качество смесеобразования и сгорания топливовоздушной смеси и, следовательно, повышает удельный расход топлива и дымности отработавших газов. [1]
Работоспособность ЦПГ двигателя определяется величиной зазоров между поршнем и гильзой цилиндра, состоянием компрессионных колец, а также количеством приработки гильзопоршневой группы.Указанные параметры тесно связаны с количеством газов, прорывающихся в картер, а также с амплитудой и фазой удара поршня о стенку гильзы. Увеличение неплотностей гильзопоршневой группы двигателя вызывает увеличение расхода газов, прорывающихся в картер и повышает давление в нем. Для оценки расхода газов используют индикатор расхода газов КИ-13671 рисунок 1 (разработан Целинным филиалом ЦОКТБ ГОСНИТИ), который устанавливается на маслозаливную горловину двигателя, а его сапун закрывается специальной пробкой. Методика замера расхода картерных газов приведена в [4]. При эксплуатационном диагностировании двигателей на тракторах и автомобилях при не установившихся режимах их работы наиболее эффективны без тормозные методы оценки мощности. Для этих целей применяются приборы ИМД-2М, ИМД-Ц, ИПД-3, КИ-13940 [1].Рис. 1 — Расходомер картерных газов КИ-13671:1 — сигнализатор; 2 — поршень сигнализатора; 3 — удлинитель; 4 — патрубок; 5 — крышка; 6 — корпус; 7 — переходникИзмерение мощности двигателя с помощью прибора ИМД-Ц основано на определении углового ускорения коленчатого вала в режиме свободного разгона, осуществляемого путём резкого повышения частоты вращения на холостом ходу с минимально устойчивой до максимальной [5].Перед процессом измерения мощности ДВС необходимо произвести калибровки по ускорению, по частоте вращения. Настроить устройство на частоту вращения, при которой измеряется ускорение. Детально алгоритм измерения мощности описан [5, стр. 12].Для данного прибора характерны как положительные, так и отрицательные качества. К числу последних можно отнести значительные погрешности при замерах, возникающие вследствие не точного позиционирования сигнализатора с риской и не совершенной конструкцией, частое обслуживания, заключающееся в регулярных очистках и тарировании, причем масса изделия достаточно велика относительно функционала [4]. Так-же можно выделить в качестве минуса полное отсутствие автоматического учета, накопления, хранения и обработки информации по диагностируемым единицам техники и постановки диагноза (определение остаточного ресурса).
В результате анализа положительных и отрицательных сторон (выше приведенных) диагностических приборов, необходимости хранения и обработки информации, а также обеспечения мобильности устройства было решено выполнять первичную обработку информации, получаемую с датчиков 2 и 3 и их сопряжение посредством контроллера 1 Arduino UNO R3 (рис. 2). Данные схемотехнические решения, позволяют универсальному диагностическому прибору (УДП) производить замеры: расхода картерных газов (расходомер 2), угловой скорости ВОМ или зубчатого венца маховика (индукционный датчик 3). После первичной обработки данных, контроллер 1 передает поток данных по USB протоколу на ПК или происходит сопряжение с приложение на мобильном телефоне по протоколу Bluetooth. Дальнейшие вычисления производятся приложением на телефоне или на ПК рисунок 3 и 4 соответственно.Р ис. 2 — Макетная схема универсального диагностического прибора:1 – контроллер Arduino UNO R3; 2 — расходомер YF-S201; 3 — индукционный датчик 37.3847; 4 — Bluetooth модуль HC-06; 5 – источник питания; 6 — Выключатель; 7 — USB разъем для сопряжения контроллера с ПК; 8 — место подключения расходомера к измеряемому ДВСВ алгоритме работы приложений заложены следующие математические зависимости. Расчет величины углового ускорения производится по формуле 1: (1),где ε — угловое ускорение коленчатого вала ДВС, с-2, - установленные значения угловой скорости (для каждой марки двигателя), с-1; Т — заданный промежуток времени, с. [1]Расчет остаточного ресурса производим по формуле 2: (2),где tост — остаточный ресурс, мот*ч; tн — наработка трактора на момент диагностирования, мот*ч; α - показатель степени функции изменения параметра состояния; ИП - предельное изменение параметра состояния; - изменение параметра состояния к моменту диагностирования (после наработки
tн) [6].Мобильное приложение (рис. 3) позволяет в реальном времени отображать расход картерных газов (поле 1), определять максимальное значение иагностируемого параметра и на его основании определять прогнозируемый остаточный ресурс.Р ис. 3 — Внешний вид приложения для мобильного телефона:1 — масштабируемый график расхода картерных газов; 2 — поле ввода текущей наработки трактора; 3 — значение максимального расхода картерных газов; 4 — прогнозируемый остаточный ресурсПриложение для персонального компьютера имеет более развитый функционал. После запуска приложения, на первый план выходит окно регистрации машина (рис. 4), в котором следует обязательно ввести исходные данные для диагностики трактора и его последующего учета. К числу вводимых параметров относятся: модель трактора, вид диагностики (расход картерных газов или определение мощности), государственный номер для однозначной идентификации трактора в базе данных, а также текущая наработка в моточасах. После того, как занесена вводная информация, нажимаем кнопку «Далее» и переходим к основному окну программы. В этом окне (рис. 4) информация о тракторе и о диагностируемых параметрах отображается блоками. Можно выделить: блок 1 - «Панель контроля». Кнопки позволяют выполнить запуск диагностики, остановку алгоритма обработки (остановка программы), перезапуск порта USB на программном уровне, сохранение результатов диагностики.Рис. 4 — Внешний вид приложения для ПК:а — окно регистрации; б — основное окно программыБлок 2 - «Системная информация». В данном блоке отображается сервисная информация, вид операционной системы, тип процессора, тип контроллера, статус соединения USB c контроллером (Arduino Uno R3), скорость передачи данных, номер виртуального порта, марка трактора, текущая наработка.Блок 3 - «Монитор». Отображает величину диагностируемого параметра