Machines’ engine imbalance control

Abstract

Dependence of intra-cyclic acceleration of crankshaft rotation under steady-state mode on disbalance of engine is revealed. On basis of this dependence, the method for estimation of imbalance of machine engine without disassembling is developed.

Full Text

УДК 621.43-4 ТСМ № 11-2014 Контроль неуравновешенности двигателей машин Инж. Р.Х. Абу-Ниджим (РУДН, ramzi@mail.ru) Аннотация. Выявлена зависимость внутрициклового ускорения вращения коленчатого вала в установившемся режиме от дисбаланса двигателя. На основе этой зависимости разработан способ безразборной оценки неуравновешенности двигателей машин. Ключевые слова: дисбаланс двигателя, внутрицикловое ускорение, номограмма для определения дисбаланса, неравномерность вращения коленчатого вала. Своевременная балансировка двигателя - одно из основных мероприятий, повышающих его технический ресурс. Величина дисбаланса двигателя в процессе эксплуатации возрастает в 2-3 раза, что ведет к росту интенсивности износа его ресурсных сопряжений в 1,7-2,6 раза. Кроме того, неуравновешенные силы вызывают вибрацию двигателя, а износ в условиях вибрации наиболее значителен, так как на поверхности сопряжений возникают усталостные трещины. На преодоление вибраций и других возмущающих воздействий, вызываемых неуравновешенными силами, расходуется 10-12% эффективной мощности двигателя, расход топлива увеличивается на 15%. Поэтому особую важность приобретает задача совершенствования способов контроля дисбаланса. Основываясь на принципах динамического метода, можно оценивать техническое состояние двигателя по внутрицикловой неравномерности вращения коленчатого вала в стационарном установившемся режиме работы двигателя на холостом ходу [1]. Анализ внутрицикловой неравномерности вращения очень информативен: он позволяет получить данные о таких параметрах, как поцилиндровая мощность, угол опережения впрыска топлива, неплотность цилиндро-поршневой группы. Представляется целесообразным отследить взаимосвязь между дисбалансом двигателя и внутрицикловым ускорением коленчатого вала с целью совершенствования методов контроля дисбаланса. В соответствии с уравнением динамики двигателя внутрицикловое ускорение коленчатого вала содержит составляющие: компрессионную , газовую , инерционную и трения : . (1) Неуравновешенные массы оказывают наибольшее влияние на инерционную составляющую внутрициклового ускорения, а термодинамическая составляющая, вызванная рабочими процессами в цилиндрах, является помехой при контроле дисбаланса. Поэтому алгоритм извлечения диагностической информации основан на применении частотной фильтрации полосовыми фильтрами, что позволяет выделить инерционную составляющую, очищенную от помех. При этом величина дисбаланса оценивается по максимальной разности между инерционной составляющей ускорения контролируемого и эталонного двигателей, а угловое положение этой разности относительно метки ВМТ соответствует фазовому углу дисбаланса (рис. 1). Установлено, что на инерционные составляющие ускорения сильное влияние оказывает скоростной режим. Таким образом, подтверждается необходимость контроля дисбаланса на более высоких частотах [2]. Влияние дисбаланса на размах инерционных составляющих также более значимо на высоких частотах: так, при частоте 1400 мин-1 и дисбалансе 300 г·мм размах остаточной инерционной составляющей возрастает в 1,2 раза, а при 2250 мин-1 - в 1,6 раза. С учетом этого определен скоростной режим при оценке дисбаланса двигателя, равный 1800 мин-1 для дизеля ЯМЗ-240Б и 2100 мин-1 для дизеля Д-240. Для экспериментального подтверждения возможности контроля дисбаланса двигателя по величине внутрициклового ускорения его коленчатого вала получены данные о влиянии факторов, определяющих неуравновешенность кривошипно-шатунного механизма, на значение мгновенного углового ускорения. К таким факторам относятся: неуравновешенная масса, частота вращения коленчатого вала, фазовый угол дисбаланса. В качестве уравнения связи выбрана модель регрессионного анализа для исследования нелинейных процессов. Определены три уровня варьирования факторов (см. таблицу) по двигателям ЯМЗ-240Б и Д-240 [3]. Уровни варьирования факторов Марка двигателя Наименование фактора Уровни факторов Нижний (-) Основной (0) Верхний (+) ЯМЗ-240Б Частота вращения, мин-1 1500 1700 1900 ЯМЗ-240Б Величина дисбаланса, г·мм 400 200 0 ЯМЗ-240Б Угол дисбаланса, град. после ВМТ 120 0 240 Д-240 Частота вращения, мин-1 1900 2100 2300 Д-240 Величина дисбаланса, г·мм 500 250 0 Д-240 Угол дисбаланса, град. после ВМТ 120 0 240 Экспериментальные данные аппроксимировались функцией вида: У = В0 + В1 Х1 + В2 Х2 + В3 Х12 +В4 Х22 + В5 Х1 Х2 , (2) где У - отклик; Х1 , Х2 - факторы; В0 … В5 - коэффициенты. В результате обработки экспериментальных данных получено регрессионное уравнение для дизеля Д-240: = -533,92 + 0,5187 n - 0,771 D - 0,125·10-3 n2 + 0,8·10-4 D2 + 0,4·10-3 n D, (3) где - внутрицикловое ускорение коленчатого вала двигателя в установившемся режиме, рад/с2; n - частота вращения коленчатого вала, мин-1; D - дисбаланс, г·мм. Регрессионная зависимость для двигателя ЯМЗ-240Б имеет вид: = 90,03 - 0,1047 n - 0,1723 D + 0,3·10-4 n2 + 0,32·10-4 D2 + 0,132·10-3 n D . (4) Значимость влияния исследуемых факторов на внутрицикловое ускорение оценили с помощью коэффициентов значимости, характеризующих изменение внутрициклового ускорения при изменении параметров на 1%. Анализ коэффициентов показал, что наибольшее воздействие на внутрицикловое ускорение в стационарном режиме работы двигателя имеет частота вращения коленчатого вала. Ее уменьшение на 1% вызывает снижение внутрициклового ускорения на 2,6% в соответствии с зависимостью (3). Уменьшение на 1% величины дисбаланса снижает функцию отклика на 2,2%. Наибольшее воздействие на внутрицикловое ускорение двигателя ЯМЗ-240Б имеет величина дисбаланса: ее уменьшение на 1% вызывает снижение внутрициклового ускорения на 1,5%. Уменьшение частоты вращения коленчатого вала на 1% снижает функцию отклика на 0,75%. На основе полученных регрессионных зависимостей (3) и (4) построена номограмма (рис. 2) для определения дисбаланса двигателей Д-240 и ЯМЗ-240Б. Оценка уровня дисбаланса двигателей осуществляется с помощью прибора ПКП1, который определяет в установившемся режиме работы двигателя его внутрицикловое ускорение и частоту вращения коленчатого вала . Затем полученные значения фиксируются соответственно на осях и n номограммы. Искомое значение дисбаланса определяется в точке пересечения оси D с прямой . Заключение В качестве диагностического параметра для оценки дисбаланса двигателей транспортно-технологических машин целесообразно применять внутрицикловое ускорение вращения коленчатого вала в стационарном режиме холостого хода.