На правах рукописи
совершенствование технологии контроля технического состояния агрегатов наддува тепловозного дизеля после ремонта
Специальность 05.22.07 – «Подвижной состав железных дорог,
тяга поездов и электрификация»
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени
кандидата технических наук
Самара 2010
 |
Работа выполнена на кафедре «Локомотивы» ГОУ ВПО «Самарского государственного университета путей сообщения» (СамГУПС)
Научный руководитель: – доктор технических наук, профессор
Официальные оппоненты: – доктор технических наук, профессор
;
– доктор технических наук, доцент
Ведущая организация – ГОУ ВПО «Омский государственный университет
путей сообщения»
Защита диссертации состоится «__»____ 201__ г. в ______ часов на заседании диссертационного совета Д 218.011.01 Самарского государственного университета путей сообщения г. Самара, 1-й Безымянный пер., 18, СамГУПС, в аудитории 5216, корпус 5.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Самарского государственного университета путей сообщения.
Автореферат разослан «__» 201__г.
Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью организации, просим направлять по адресу диссертационного совета университета.
Ученый секретарь диссертационного
совета Д 218.011.01,
кандидат технических наук, доцент
 |
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы
Мощность, экономичность, уровень экологического воздействия на окружающую среду и эксплуатационная надёжность тепловозных дизелей существенно зависят от качественной работы агрегатов наддува. Анализ эксплуатационной надёжности тепловозов, выполненный на основе отчётной документации , показывает, что неисправности агрегатов наддува дизеля составляют 23,4 % от общего числа отказов по дизелю, что сказывается на качестве его работы.
В то же время в эксплуатации находится большое количество тепловозов с неисправностями, которые принято называть «скрытые» отказы (или частичные отказы), к ним можно отнести: пережог топлива, низкая номинальная мощность, неравномерность распределения мощности по цилиндрам. Как правило, это связано с ухудшением технического состояния турбокомпрессоров (ТК), изменением регулировки топливной аппаратуры, закоксовыванием выпускных органов, сопловых и рабочих лопаток турбины, загрязнением газовоздушного тракта дизеля.
В настоящее время при отклонении качества функционирования ДГУ от установленных нормативов особое внимание уделяется настройке топливоподающей аппаратуры, условно принимая, что параметры системы наддува находятся в установленных пределах. Причиной такого подхода к определению неисправных агрегатов является отсутствие простого и доступного метода оценки технического состояния элементов газовоздушного тракта. В случае использования в конструкции дизеля газотурбинного или комбинированного наддува при диагностировании агрегатов наддува отсутствуют чёткие критерии определения исправности, и не всегда принятые технические решения достоверно характеризуют действительное техническое состояние объекта.
Существующая в настоящее время в локомотивных депо технология ремонта не предусматривает обязательный контроль качества ремонта ТК и приводного центробежного нагнетателя (ПЦН). Оценка состояния узлов ТК ведется органолептическими методами, а контроль оговоренных правилами ремонта допусков и зазоров в сопряжённых узлах при сборке ТК производится при помощи ручных измерительных средств. Поэтому велика вероятность постановки на тепловоз агрегатов наддува с неоптимальными газодинамическими характеристиками.
Настоящая диссертационная работа выполнена в соответствии со Стратегическими направлениями научно-технического развития железные дороги» на период до 2015 г. («Белая книга» ), и в соответствии со Стратегией развития железнодорожного транспорта РФ до 2030 года, утвержденной постановлением Правительства РФ 17 июня 2008 г.
Цель диссертационной работы – совершенствование технологического процесса испытания и контроля технического состояния агрегатов наддува тепловозного дизеля путём проведения послеремонтных испытаний турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя на эксплуатационных режимах их работы в стационарных условиях локомотивного депо.
Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи.
1. Проведение анализа существующих методов и систем контроля технического состояния агрегатов наддува.
2. Построение математической модели газодинамических процессов при испытании агрегатов наддува, которая позволяет оценивать влияние конфигурации испытательного оборудования и внешних воздействий на параметры работы агрегатов наддува тепловоза.
3. Проведение расчётно-экспериментального моделирования работы агрегатов наддува тепловоза при испытании на стенде и разработка методики определения технического состояния и критериев исправности агрегатов наддува.
4. Разработка стенда для контроля технического состояния агрегатов наддува тепловоза, позволяющего проводить их послеремонтные испытания на эксплуатационных режимах работы и обеспечивающего автоматический сбор и анализ информации о параметрах их работы.
5. Разработка технологии проведения испытания турбокомпрессора в условиях депо с применением разработанного стенда и на основе проведённого расчётно-экспериментального исследования.
6. Проведение натурных экспериментальных исследований по контролю технического состояния турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя в стационарных условиях депо на разработанном стенде.
7. Расчёт экономического эффекта от использования предложенной технологии контроля технического состояния агрегатов наддува.
Объект исследования: технология контроля и испытания агрегатов наддува.
Предмет исследования: методика стендовых испытаний агрегатов наддува.
Методы исследования
При выполнении работы использованы методы математического моделирования газодинамических процессов, методы математической статистики и теории вероятностей, компьютерного моделирования и планирования эксперимента. Экспериментальная оценка параметров работы турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя осуществлялась на базе депо Моршанск Куйбышевской железной дороги.
Обработка результатов испытаний турбокомпрессора и построение математической модели выполнена в математических средах Excel и MathCAD. Проектирование интерфейса пользователя стенда для испытания турбокомпрессора велось в среде Visual Studio 6.0, код программы разрабатывался на Visual Basic 6.0 и Visual C 6.0++.
Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем.
1. Разработана математическая модель для определения характеристик агрегатов наддува тепловозов при послеремонтных испытаниях, отличающаяся возможностью анализировать характеристики приводного центробежного нагнетателя и турбокомпрессора в зависимости от расхода воздуха (режима испытания) и учитывающая влияние конфигурации испытательного оборудования при различных схемах подключения турбокомпрессора.
2. Разработана методика определения технического состояния агрегатов наддува по комплексному показателю – координатам точки, которая характеризует режим работы приводного центробежного нагнетателя или турбокомпрессора, отмеченная на их универсальных характеристиках, позволяющая делать вывод о нахождении параметров работы агрегатов наддува в допустимых пределах.
Положения, выносимые на защиту
1. Математическая модель газодинамических процессов при испытании агрегатов наддува для определения характеристик агрегатов наддува тепловозных дизелей, учитывающая влияние конфигурации испытательного оборудования.
2. Схема стенда для контроля технического состояния турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя после ремонта, позволяющая проводить испытание агрегатов наддува на эксплуатационных режимах работы.
3. Методика определения технического состояния агрегатов наддува по режиму работы приводного центробежного нагнетателя и турбокомпрессора.
4. Технология проведения испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя после ремонта с использованием разработанного стенда и методики определения технического состояния турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя.
Достоверность научных положений и результатов
Достоверность подтверждена путём сопоставления результатов моделирования с параметрами работы агрегатов наддува в ходе экспериментальных исследований. Расхождение расчётных и экспериментальных данных не превышает 7 %. Также достоверность результатов подтверждается использованием современных методов, методик исследования, применением сертифицированных приборов и устройств измерения; положительными результатами внедрения технических решений в ремонтное локомотивное депо Моршанск Куйбышевской дирекции по ремонту ТПС.
Практическая ценность:
1. Разработана методика определения технического состояния турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя на основе определения их теплотехнических параметров, позволяющая контролировать техническое состояние агрегатов наддува после ремонта и перед постановкой их на тепловоз.
2. Разработан и внедрён в производство стенд для испытания турбокомпрессора ТК-34 и приводного центробежного нагнетателя, позволяющий оценивать их техническое состояние после ремонта на эксплуатационных режимах работы (защищён патентом РФ № 000 по кл. G 01 M 15/00 от 01.01.2001).
3. Разработана технология проведения испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя после ремонта, позволяющая оценивать теплотехническое состояние турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя по комплексному показателю и исключающая постановку на тепловоз агрегатов наддува с низкими теплотехническими параметрами, реализованная в ремонтном локомотивном депо Моршанск Куйбышевской ДРТ.
Апробация работы
Основные результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на V международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM» (Москва, 2008 г., МИИТ), на V Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы развития транспортного комплекса» (Самара, 2009 г., СамГУПС), на научно-практической конференции «Проблемы и перспективы развития двигателестроения» (Самара, 2009 г., СГАУ), на международной научно-практической конференции «Наука и образование транспорту» (Самара, 2009 г., СамГУПС), на VII межвузовской научно-технической конференции «Молодые учёные – транспорту» (Екатеринбург, 2010 г., УрГУПС), на II Конференции «Повышение автоматизации и механизации ремонта подвижного состава на железнодорожном транспорте» (Щербинка, 2010 г., Экспериментальное кольцо ВНИИЖТ).
Публикации
По теме диссертации опубликовано 19 научных работ, в том числе статей – 15, из них 2 в ведущих научных изданиях из Перечня ВАК РФ, тезисов докладов на конференциях - 1, 1 патент на полезную модель, 1 патент на изобретение, 1 свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка использованной литературы и приложений. Материалы диссертационной работы содержат 129 страниц печатного текста, 9 таблиц и 40 рисунков, 4 приложения на 30 страницах. Список использованных источников состоит из 103 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, определены цель и основные задачи исследования, представлена краткая характеристика ключевых аспектов работы.
В первой главе проведен анализ существующих методов и систем контроля технического состояния агрегатов наддува тепловоза.
Вопросами технической диагностики и эффективной совместной работы дизеля и агрегатов наддува посвящены работы учёных: , , ёмова, , , , ёва, и др.
Работы по применению различных способов поддержания работоспособности турбокомпрессора производятся многими научно-исследовательскими организациями и вузами (ЦНИДИ, ВНИИЖТ, РГУПС, ОмГУПС, СамГУПС и др.), а также зарубежными фирмами «Браун-Бовери», «Зульцер», «МАН» и др.
Анализ теоретических и экспериментальных исследований по оценке качества функционирования тепловозных дизель-генераторных установок показал, что неисправности турбокомпрессора оказывают существенное влияние на техническое состояние двигателя и ведут к постепенному износу, потере мощности и экономичности последнего.
Таким образом, анализ опубликованных работ и проведённых исследований позволяет сделать следующие выводы:
1) проблема повышения надёжности работы агрегатов газовоздушного тракта, являющаяся частной в общем вопросе повышения надежности и экономичности работы тепловозов, актуальна на современном этапе;
2) в настоящее время испытание и контроль технического состояния турбокомпрессора осуществляют на безмоторных стендах с механическим, воздушным и газовым приводами, не позволяющих раскрутить турбокомпрессор до рабочих частот вращения ротора, а испытание приводного центробежного нагнетателя ПЦН вообще не проводится;
3) параметры работы турбокомпрессора проверяются только на реостатных испытаниях, при этом нет чёткого разделения между параметрами дизеля и параметрами турбокомпрессора. Отсутствуют чёткие критерии определения исправности турбокомпрессора, в результате чего необоснованно снимаются и устанавливаются турбокомпрессоры на дизель с целью доведения параметров тепловоза до установленных норм.
С учётом вышеперечисленного были поставлены цель и задачи исследования в диссертационной работе.
Во второй главе на основании проведённого анализа существующих методов и систем контроля технического состояния турбокомпрессора разработана математическая модель газодинамических процессов при испытании агрегатов наддува, позволяющая определять параметры работы приводного центробежного нагнетателя и турбокомпрессора (степень повышения давления πк, πпцн, степень понижения давления πТ, КПД ηК, ηпцн, ηт, hтк) в зависимости от режима работы приводного центробежного нагнетателя (массового расхода топлива Gв), режима работы камеры сгорания (количества подаваемого топлива B), температуры t0 и давления p0 окружающего воздуха.
При разработке математической модели использованы следующие допущения:
1. Теплопотери через стенки элементов газовоздушного тракта в силу их незначительности приняты отсутствующими.
2. Работа расширения потока воздуха, обусловленная падением давления на каждом элементе газовоздушного тракта, целиком преобразуется в работу сил сопротивления, и теплота, возникающая в результате этой механической работы, возмещает охлаждение, полученное вследствие расширения.
3. Для определения степени сжатия в зависимости от расхода воздуха при расчёте процесса сжатия воздуха в приводном центробежном нагнетателе и компрессоре турбокомпрессора использовались их универсальные характеристики.
4. Управление приводным центробежным нагнетателем осуществляется с помощью внешнего источника в виде механического привода с характеристикой nпцн, а так как массовый расход воздуха ПЦН Gв являет функцией от nпцн, то для упрощения расчётов принято, что режим работы приводного центробежного нагнетателя задаётся переменной Gв.
5. Значение коэффициента потерь давления kp. кс в камере сгорания из паспортных технических характеристик камеры сгорания и составляет 0,02.
Процесс сжатия потока воздуха в компрессоре ТК
Компрессоры служат для сжатия и перемещения газов. То есть, их полезная работа характеризуется политропным напором. Механическая работа, необходимая для осуществления рабочего процесса ступени (компрессора) расходуется в соответствии с уравнением Бернулли.
Главная часть потерянного напора hw вызвана движением основного потока газа внутри колеса, диффузора. Точный расчет потерянного напора hw невозможен в настоящее время и в обозримом будущем. Это предопределяет необходимость анализа природы возникновения сопротивлений в теории турбомашин и применения приближенных методов расчета. В безразмерном виде потери напора выражаются через коэффициент полезного действия — КПД. Для любой энергетической машины КПД есть отношение совершенной полезной работы ко всей затраченной работе. Применительно к ступени ТК выражение для КПД вытекает из уравнения Бернулли. Знание КПД по статическим параметрам необходимо для расчета давления и температуры газа в проточной части. Политропный КПД по заторможенным («полным») параметрам включает в себя сумму политропного и динамического напоров в качестве полезной работы:
; (1)
где hi – «внутренний напор» - удельная работа, сообщаемая газу рабочим колесом, кДж/кг,
hP – политропный напор, кДж/кг
hd – динамический напор, кДж/кг.
В разных элементах проточной части потери напора могут быть разными, поэтому линия реального процесса на диаграмме i-s в принципе немонотонна. Для расчетов достаточным приближением считается описание политропного процесса аналогично процессу адиабатного сжатия с некоторым средним для рассматриваемого процесса показателем n (показатель политропы). В этом случае политропная работа может быть рассчитана аналогично тому, как это делается для расчета адиабатной работы по уравнению:
, (2)
где TВХ – температура после компрессора, К,
РВЫХ, РВХ – давление до и после компрессора, Па.
Из формул для работы политропного сжатия вытекает, что отношение давлений ступени связано с подводимым к газу внутренним напором hi и КПД ηp . Имея в виду, что hi = ψiu22 и kRTн = aн (ан — скорость распространения малых возмущений — скорость звука) приведем эту формулу к безразмерному виду:
, (3)
где уловное число Маха:
, (4)
yi – коэффициент внутреннего напора,
u2 – окружная скорость на выходе из рабочего колеса, м/с.
R - газовая постоянная воздуха, кДж/кг*К
При принятом расходе воздуха Gпцн кг/с и частоте вращения вала n об/мин, определяется степень повышения давления компрессора πк турбокомпрессора и коэффициент полезного действия компрессора.
Мощность, потребляемая компрессором турбокомпрессора, Вт, определялась по выражению:
. (5)
Процесс сжигания топлива в камере сгорания
Температура на выходе из камеры сгорания с учетом ее КПД h находим из уравнения теплового баланса:
, (6)
где Gвых = Gв + Gт – расход газов на выходе из камеры сгорания;
Gв – расход воздуха на входе камеры сгорания;
Gт – расход топлива в камеры сгорания;
Срг, Срв – теплоёмкость газов и воздуха соответственно при постоянном давление и средней температуре процесса;
Ткс. вых, Ткс. вх – температура на выходе и входе камеры сгорания,
Qн – низшая теплота сгорания дизельного топлива кДж/кг,
hкс – КПД камеры сгорания.
Давление на выходе из камеры сгорания, Па:
Pкс. вых = Pкс. вх×kp.кс, (7)
где Pкс. вых, Ркс. вх – давление на выходе и на входе камеры сгорания, Па;
kp.кс – коэффициент потерь давления в камере сгорания с учётом тепловых потерь.
Влияние конфигурации испытательного оборудования учитывается путём введения в математическую модель выражения для определения потерь полного давления на каждом элементе газовоздушной системы. Таким образом давление на входе любого последующего элемента газовоздушной системы равно давлению на предыдущем элементе минус потери на преодоление сил гидравлических сопротивлений.
Характеристики сети могут иметь разный вид. Наиболее характерна параболическая зависимость потери давления в сети Δp = f(G) от расхода. В этом случае:
(8)
где 
- коэффициент гидравлического сопротивления i-го участка,
ρ – плотность воздуха, кг/м3
w – скорость потока воздуха, м/с.
В формуле (8) индексом «усл» обозначено некоторое проходное сечение (например, сечение нагнетательного патрубка ТК), к которому отнесена расходная скорость в сети, и соответствующий коэффициент потерь.
Особенностью газовоздушной системы стенда являются участки смешивания потоков направленных друг к другу под углом a, а выход суммарного потока находиться под углом d к плоскости образованной пересечением осей смешивающихся потоков, причём площадь сечения суммарного потока равна удвоенной площади сечения бокового потока. Коэффициент гидравлического сопротивления такого участка равен:
(9)
где Qб, QC - Объёмный расход воздуха (газа) входящего потока, и суммарного потока м3/с;
R0 – радиус закругления, м;
D0 – диаметр проходного сечения, м;
l - линейный коэффициент сопротивления трения участка.
Газодинамический расчёт выполнен без учёта сжимаемости так как по предварительным оценкам относительная скорость в элементах газовоздушного тракта стенда меньше 0,3.
В результате теоретических расчётов газодинамических процессов при испытаниях агрегатов наддува дизеля 10Д100 в стационарных условиях определена энергоёмкость оборудования, необходимого для проведения испытания агрегатов наддува в стационарных условиях. Расчётная минимально-необходимая мощность привода для обеспечения режима работы приводного центробежного нагнетателя на расход воздуха 3 кг/с составляет 53,4 кВт, а на режиме работы 6 кг/с – 104,1 кВт/с. В результате расчётов было получено, что для раскрутки турбокомпрессора ТК-34 до частоты вращения 15000 об/мин необходимо обеспечить расход воздуха не менее 2,8 кг/с и подавать топливо в камеру сгорания в количестве 0,025 кг/с.
Третья глава посвящена разработке стенда для контроля технического состояния агрегатов наддува при их испытании после ремонта.
Стенд для испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя был разработан в НИЛ «Теплофизические методы контроля и диагностирования локомотивов» кафедры «Локомотивы» Самарского государственного университета путей сообщения. Стенд (рис. 1) позволяет проводить обкатку и испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя после выхода их из ремонта. В состав стенда для испытания турбокомпрессора ТК-34 и приводного центробежного нагнетателя с редуктором (Рис. 1) входят: рама 1, малоразмерный дизель 2 типа КамАЗ-740 с навесным оборудованием и системами смазки, охлаждения, топливоподачи и управления, пятиступенчатая коробка передач 3, карданный вал 4, промежуточная опора 5, привалочная плита 6, приводной центробежный нагнетатель с редуктором 7, пятигорелочная камера сгорания 8 турбостартера ТС-12МА с топливной системой и системой воспламенения (запуска), испытуемый турбокомпрессор 9 типа ТК-34, газовоздушная система стенда, системы охлаждения и смазки, система измерения, программный комплекс.
Общий вид стенда представлен на рис. 1. Энергетической основой стенда является малоразмерный дизель типа КамАЗ-740 с пятиступенчатой коробкой передач, который включен в энергетическую, тепловую и газовоздушную системы стенда. Дизель КамАЗ-740 с коробкой переключения передач через промежуточную опору с карданным валам соединён с входным валом редуктора приводного центробежного нагнетателя. Приводной центробежный нагнетатель с редуктором крепится на стенде корпусом редуктора на плите, повторяющей привалочную плиту остова дизеля 10Д100.
Дизель КамАЗ-740, коробка переключения передач, промежуточная опора с карданным валом, привалочная плита, приводной центробежный нагнетатель с редуктором установлены на общей раме и образуют автономный энергетический модуль, который служит для подачи воздуха при раскрутке турбокомпрессора и повышает располагаемую мощность турбины при работе турбокомпрессора. Это достигается за счёт подачи отработавших газов дизеля через смеситель и камеру сгорания на вход в турбину, а также повышения располагаемого перепада давления на турбине на величину степени повышения давления в приводном центробежном нагнетателе.
Система измерения, в состав которой входят персональный компьютер, измерительное и согласующее оборудование, модули-преобразователи, источники питающих напряжений, программное обеспечение, предназначена для автоматизированного сбора, обработки и документирования информации. Система работает в непрерывном режиме с частотой опроса измерительных каналов 1 Гц.
Проектирование интерфейса пользователя велось в среде Visual Studio 6.0, код программы разрабатывается на Visual Basic 6.0 и Visual C 6.0++. Программное обеспечение, установленное на стенде, позволяет в автоматическом режиме обрабатывать результаты испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя и документировать данные об их техническом состоянии в виде протокола испытания.
В протокол автоматически вносится информация о режиме работы турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя и значения параметров, зарегистрированных у турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя на этом режиме работы. Протокол содержит универсальные характеристики турбокомпрессора ТК-34 и приводного центробежного нагнетателя дизеля 10Д100 на которых точками отмечаются их режимы работы.
Так же в главе представлены результаты расчётно-экспериментального моделирования работы разработанного стенда для испытания агрегатов наддува. Целью моделирования было определение оптимальных режимов испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя и определение значений допустимых параметров, которым должны соответствовать параметры турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя, находящиеся в исправном состоянии.
Техническое состояния приводного центробежного нагнетателя и турбокомпрессора моделировалось с помощью показателя технического состояния εтс. i, %:
, (9)
где, ηр. i – КПД реального агрегата;
ηи. i – КПД идеального агрегата;
i – наименование агрегата (ПЦН, компрессор, турбина).
В результате математического моделирования установлено нижеследующее.
При расходе воздуха Gпцн = 1,4 кг/с и расходе топлива в камере сгорания B = 0,016 кг/с происходит резкое падение значений параметров идеального турбокомпрессора. Они становятся ниже, чем параметры работы турбокомпрессора на тепловозе. А именно: частота вращения ротора турбокомпрессора nтк = 9 000 об/мин, КПД компрессора ηк = 0,57, степень повышения давления πк компрессора = 1,25, КПД турбины ηт = 0,53, степень понижения давления в турбине πт = 1,22. Поэтому можно сделать вывод, что целесообразно проводить испытания турбокомпрессора на режимах работы стенда при Gпцн 1,4 ¸ 3,2 кг/с. Граница работы 3,2 кг/с обусловлена конструктивными особенностями турбокомпрессора ТК-34 из условия недопущения помпажа.
Построены зависимости параметров работы приводного центробежного нагнетателе (степень повышения давления, частота вращения) и турбокомпрессора (степень повышения давления компрессора и частота вращения ротора) при различном показателе технического состояния турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя, представленные на рис. 2 и рис. 3.
Рис. 2. Универсальная характеристика приводного центробежного нагнетателя с учётом коэффициента исправности
Рис. 3 Универсальная характеристика компрессора ТК-34 с учётом коэффициента исправности
Анализируя полученные зависимости можно принять, что техническое состояние турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя считается удовлетворительным при показателе технического состояния не ниже 90%. Это позволяет ввести параметр для оценки технического состояния турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя – координаты точки, которая характеризует режим работы приводного центробежного нагнетателя или турбокомпрессора. Критерием исправности будет выполнение условия попадания точки при испытании агрегатов наддува в зону выше кривой исправности.
В четвертой главе разработана технология проведения испытаний турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя, а также представлены результаты экспериментального исследования по контролю технического состояния агрегатов наддува при различных схемах работы стенда.
Разработанная новая технология проведения испытания турбокомпрессора ТК-34 и приводного центробежного нагнетателя состоит из следующих операций: операции по установке турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя на стенд и по подготовке обслуживающих систем стенда (масляной, водяной, топливной, системы измерения); операции по обкатке турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя для приработки сопрягающихся деталей; измерение параметров работы турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя с помощью разработан
ной системы измерения; обработка результатов испытания и выдача заключения о техническом состоянии агрегатов наддува в виде протокола испытания.
Алгоритм обработки результатов испытания турбокомпрессора представлен на рис. 4. Алгоритм обработки результатов испытания приводного центробежного нагнетателя аналогичен представленному.
Обработка результатов контроля производится в следующей последовательности:
1) Задаётся режим работы стенда для испытания турбокомпрессора Gi и определяются параметры работы турбокомпрессора: частота вращения ротора nтк, степень повышения давления компрессора πк, степень понижения давления турбины πт, КПД компрессора ηк,, КПД турбины ηт;
2) определяется точка, характеризующая режим работы турбокомпрессора, и наносится на универсальную характеристику;
3) согласно установленной области исправности делается заключение о техническом состоянии турбокомпрессора.
Рис. 5. Зависимость а) КПД компрессора и б) КПД турбины от расхода воздуха G:
( ¾ - рассчитанные по замеренным параметрам, --- - определённые по паспортным характеристикам)
Рис. 6 Зависимость а) степени повышения давления компрессора и б) степени понижения давления турбины от расхода воздуха G: ( ¾ - рассчитанные по замеренным параметрам, --- - определённые по паспортным характеристикам)
Экспериментальные исследования проводились в дизель-агрегатном цеху ремонтного локомотивного депо Моршанск Куйбышевской ДРТ.
На рис. 5 дано сопоставление значений КПД компрессора (а) и КПД турбины (б) в зависимости от режима работы стенда G, кг/с рассчитанных по замеренным параметрам и рассчитанных по паспортным характеристикам. А на рис. 6 дано сопоставление степени повышения давления компрессора (а) и степени повышения давления турбины в зависимости от режима работы стенда G, кг/с рассчитанных по замеренным параметрам и рассчитанных по паспортным характеристикам.
Расчёты, выполненные с помощью разработанной математической модели, показали хорошую сходимость с результатами, полученными в ходе экспериментальных исследований турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя при испытаниях их на разработанном стенде. Расхождение расчётных и экспериментальных данных не превышает 7 %.
С помощью разработанного стенда были проведены испытания 10 турбокомпрессоров 7 из них были взяты после ремонта, а 3 сняты с тепловоза после захода его на плановый ремонт ТР-3. Результаты испытания показали, что параметры работы 6 турбокомпрессоров находятся в допустимых пределах, а у 4 параметры выходят за установленные пределы, причём 3 из них - турбокомпрессоры, снятые с локомотива перед плановым ремонтом.
Экспериментальные исследования показали, что в целях экономии производственного времени, затрачиваемого на испытание турбокомпрессора, возможно проведение контрольных испытаний в усечённой форме, при этом несущественно ухудшая точность постановки диагноза. А именно: проведение контрольных замеров только при расходе воздуха через компрессор ТК равном 3 кг/с.
В итоге была разработана технология испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя после ремонта. Результаты испытаний и внедрение разработанного стенда для контроля технического состояния агрегатов наддува подтверждены соответствующими актами.
В пятой главе рассчитан ожидаемы экономический эффект от применения разработанной технологии контроля технического состояния агрегатов наддува тепловозов серии 2ТЭ10(М, У) применительно к депо Моршанск Куйбышевской дирекции по ремонту ТПС. Для проведения расчётов были выбраны следующие данные:
- годовая программа ремонта депо – 60 секций СР и ТР-3;
- применение в локомотивных депо технологии контроля технического состояния агрегатов наддува после ремонта позволит снизить эксплуатационный расход топлива на 2 %;
- стоимость дизельного топлива 16 руб/кг.
Как показывает расчёт, интегральный экономический эффект от использования технологии контроля агрегатов наддува за счёт экономии топлива с учётом затрат на разработку и внедрение составит 1,615 млн руб. в год, а при горизонте расчёта 15 лет, суммарный экономический эффект составит 7,22 млн руб. Срок окупаемости затрат на разработку и внедрение составит 4 года.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ
1. Анализ существующих методов и средств контроля технического состояния агрегатов наддува показал, что в настоящее время оборудование, использующиеся при испытаниях, не позволяет раскрутить турбокомпрессор до рабочих оборотов, а испытание приводного центробежного нагнетателя ПЦН вообще не проводится, также параметры работы турбокомпрессора проверяются только на реостатных испытаниях, при этом нет чёткого разделения между параметрами дизеля и параметрами турбокомпрессора.
2. Разработана математическая модель для определения характеристик агрегатов наддува тепловозов при послеремонтных испытаниях, позволяющая анализировать характеристики приводного центробежного нагнетателя и турбокомпрессора в зависимости от расхода воздуха (режима испытания) и учитывающая влияние конфигурации испытательного оборудования при различных схемах подключения турбокомпрессора. В результате моделирования было получено, что для раскрутки турбокомпрессора до частоты вращения 15000 об/мин необходимо обеспечить расход воздуха не менее 2,5 (80% от номинального) кг/с и подавать топливо в камеру сгорания в количестве 0,015 кг/с.
3. Разработан и внедрён в ремонтном локомотивном депо Моршанск стенд для испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя, позволяющий оценивать их техническое состояние после ремонта на эксплуатационных режимах работы (защищён патентом РФ № 000 по кл. G 01 M 15/00 от 01.01.2001).
4. В ходе расчётно-экспериментального моделирования работы агрегатов наддува на разработанном стенде установлено, что турбокомпрессор может считаться исправным, если при расходе воздуха G = 3 кг/с его параметры не принижают значений: КПД компрессора – 0,7; КПД турбины – 0,65; степень повышения давления компрессора – 1,71, установлено, что наиболее информативным параметром, отражающим техническое состояние турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя, является положение точки на их универсальных характеристиках. Также в ходе моделирования построены зависимости параметров работы приводного центробежного нагнетателя (степень повышения давления, частота вращения) и турбокомпрессора (степень повышения давления компрессора и частота вращения ротора) при различном показателе технического состояния турбокомпрессора.
5. Разработана новая технология проведения испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя, которая состоит из следующих операций: операции по установке турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя на стенд и подготовке обслуживающих систем стенда (масляной, водяной, топливной, системы измерения); операции по обкатке турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя для приработки сопрягающихся деталей; измерение параметров работы турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя с помощью разработанной системой измерения; обработка результатов испытания и выдача заключения о техническом состоянии агрегатов наддува в виде протокола испытания.
6. Проведены экспериментальные испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя с использованием разработанной технологии контроля технического состояния агрегатов наддува. Испытания показали, что разработанный стенд позволяет раскручивать турбокомпрессор до эксплуатационных параметров (частота вращения ротора до 18 000 об/мин), а расхождение расчётных и экспериментальных данных не превышает 7 %.
7. Предполагаемый экономический эффект от внедрения технологии контроля технического состояния турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя после ремонта применительно к локомотивному депо Моршанск, имеющему программу ремонта 60 секций СР и ТР-3 грузовых локомотивов серии 2ТЭ10(М, У) составит 1,615 млн руб. в год. Срок окупаемости системы контроля и диагностирования турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя составит 4 года.
Список работ, опубликованных по теме диссертации
1. Определение технического состояния турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя / , , //Вестник Ростовского государственного университета путей сообщения. – Выпуск 3. – Ростов-н/Д: РГУПС, 2010. – С59-63.
2. Моделирование процессов протекающих в газовоздушной системе стенда для испытания турбокомпрессора / , // Вестник транспорта Поволжья. – Выпуск 3. – Самара : СамГУПС, 2010. – С43-47.
3. Система учёта, планирования, контроля и диагностирования при исследовании турбокомпрессора / , , // Известия Самарского научного центра Российской академии наук: Специальный выпуск «Актуальные проблемы машиностроения». – Самара: Самарский научный центр РАН, 2009. – С. 296-298.
4. Стенд для испытания турбокомпрессора двигателя внутреннего сгорания/ , // Патент на полезную модель № 000 по кл. G 01 M 15/00 от 01.01.2001. Опубликовано: 10.05.2008. – 6 с.
5. . Способ испытания турбокомпрессора / , // Патент на изобретение № 000 по кл. G 01 M 15/04 от 01.01.2001. Опубликовано: 10.03.2009 – 6 с.
6. Система сбора и обработки информации о техническом состоянии турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя/ , // Молодые учёные – транспорту – 2009: Сб. науч. тр.: в 3-х ч. – Екатеринбург : Изд-во УрГУПС. – 2009.Ч.1 – С. 89-94.
7. Разработка стенда для испытания турбокомпрессора / , // Труды V Международной научно-практической конференции «TRANS-MECH-ART-CHEM». – М.: МИИТ, 2008. – С. 206-207.
8. Система диагностирования технического состояния турбокомпрессора тепловозного дизеля/ , // Актуальные проблемы развития транспортного комплекса: материалы V Всероссийской научно-практической конференции. – Самара : СамГУПС, 2009.- С 87-90.
9. Универсальный автоматизированный стенд для испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя/ , , // Наука и образование транспорту: материалы Международной научно-практической конференции. – Самара : СамГУПС, 2009. – С. 111-113.
10. Программный комплекс для обработки результатов испытания турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя./ , , // Наука и образование транспорту: материалы Международной научно-практической конференции. – Самара : СамГУПС, 2009. – С. 121-123.
11. Стенд для испытания турбокомпрессоров наддува/ , , // Обеспечение безопасности функционирования автомобильного транспорта в самарской области: материалы научно-практической конференции. – Самара : СамГУПС, 2009. – С. 61-64.
12. Обработка информации о техническом состоянии турбокомпрессора и приводного центробежного нагнетателя / , Ан. А. Свечников, Ал. А. Свечников // Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № от 01.01.2001. Зарегистрировано 11.01.2010.
13. Система диагностирования агрегатов наддува двигателя внутреннего сгорания/ // Проблемы и перспективы развития двигателестроения: Материалы докладов конкурса программы У. М.Н. И.К., секция «Коммерциализация результатов научно-технической деятельности» 24-26 июня 2009 г. – Самара : СГАУ, 2009 – С. 92-95.
Кроме перечисленных работ, в диссертации использованы материалы ещё 6 научных публикаций автора.
Совершенствование технологии контроля технического состояния агрегатов наддува тепловозного дизеля после ремонта
05.22.07 – Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация
Подписано в печать 16.12.2010. Формат 60´90 1/16.
Усл. печ. л. 1,4. Тираж 100 экз. Заказ № 000.
Отпечатано в Самарском государственном университете путей сообщения.
