Разработка метода количественного оценивания параметров технического состояния форсунок тепловозных дизелей в условиях ремонтного производства (стр. 2 )

5)  проведение расчетных и экспериментальных исследований, подтверждающих эффективность предложенных решений.

Во второй главе изложена суть предлагаемого метода оценивания параметров ТС форсунок дизеля по экспериментально измеренному сигналу давления топлива в ТВД стенда и основные положения математического моделирования процесса топливоподачи, применяемого для реализации этого метода. Для количественного оценивания параметров ТС форсунки предлагается использование метода параметрической идентификации. В теории идентификации (составной элемент общей теории управления) разработаны эффективные средства оценивания параметров линейных и нелинейных систем по результатам наблюдений за их входными и выходными сигналами. Наблюдаемым входом объекта диагностирования в нашем случае является изменяющийся во времени сигнал перемещения плунжера h(t) (рис.1).

Рис. 1. Структурная схема процесса параметрической идентификации ТС форсунки дизеля

В процессе измерения формируется наблюдаемый выход объекта, представленный сигналом давления в трубопроводе p(t), который зависит от входа объекта h(t), конструкции, геометрических характеристик ТА, в том числе и параметров b, характеризующих ТС испытуемой форсунки. Для получения временных реализаций входа и выхода объекта стенд дополнительно оснащается соответствующими измерительными средствами: индуктивным датчиком линейного перемещения и тензоэлектрическим датчиком давления.

Входной сигнал h(t) наряду с вектором оцениваемых параметров b составляет исходные данные для математической модели, задача которой генерировать выходной сигнал – расчетный массив давления в ТВД pм(t). Вектор b включает в себя те же параметры, что и вектор b, но является их более или менее точной оценкой.

В решаемой задаче оценивались следующие величины: dс - диаметр сопловых отверстий распылителя форсунки; δи - суммарные утечки в форсунке, приведенные к зазору в сопряжении игла-корпус распылителя; zmax – ход иглы форсунки до ограничителя; jи – жесткость пружины иглы форсунки. Выбор именно этих параметров обусловлен предварительно проведенными расчетными и натурными экспериментами, а также, возможностями используемой математической модели.

Все вышеперечисленные величины оцениваемых параметров характеризуют ТС испытуемой форсунки. Наряду с ними, на характеристику впрыскивания оказывают влияние и некоторые другие параметры, относящиеся к работе ТНВД стенда: величина, характеризующая изменение хода плунжера до геометрического начала процесса нагнетания топлива – hs; утечки, приведенные к зазору в плунжерной паре - dп; подача ТНВД стенда – j. Из-за технологических причин эти параметры могут незначительно изменяться от впрыска к впрыску, поэтому целесообразно включить в вектор оцениваемых параметров и эти величины. А такие параметры ТНВД стенда как начальная затяжка пружины клапана и ее жесткость измерены инструментальными средствами и не подлежат варьированию.

Задача идентификации ТС форсунки в предложенном методе сводится к поиску такого набора оценок b, при котором наблюдаемый выход объекта - осциллограмма давления в трубопроводе p(t) и выход модели - расчетная характеристика этого же сигнала pм(t) станут наиболее близки. Данная задача может рассматриваться как задача оптимизации, в которой критерием качества является величина определяющая близость расчетной и экспериментальной характеристик, а варьируемые параметры – оценке b. В зависимости от этапа процесса оптимизации критерий качества представлен средним квадратичным отклонением характеристик

(1)

или отклонением по фазе и амплитуде в безразмерных величинах характерных точек сигнала:

(2)

где N – число сравниваемых точек; - приведенное давление; – приведенное время.

Условием оптимальности найденного решения является минимизация критерия e, т. е.

(3)

Целевая функция e(p, pM, b,...) имеет сложную зависимость относительно параметров b, а число этих параметров в представленной формулировке равно семи. Следовательно, данную задачу следует отнести к классу задач многопараметровой оптимизации.

Для реализации предлагаемого метода потребовалась математическая модель с высокой точностью описывающая процессы, происходящие в топливопроводе стенда.

В основе принятой математической модели процессов протекающих в ТВД стенда используется метод гидродинамического расчета впрыскивания топлива предложенный Астаховым И. В. и дополненный уточнениями других авторов. Математическая модель представляет собой систему дифференциальных уравнений неразрывности потока, записанную для различных участков проточной части и уравнений динамики подвижных элементов: нагнетательного клапана ТНВД и иглы форсунки (4).

Существенным отличием данной модели от традиционно использующихся для условий работы на дизеле, является объединение объемов штуцера нагнетательного клапана, трубопровода и объема полости форсунки (до запорного конуса) в единый объем V’Н, давление в котором p’Н в любой момент времени одинаково. На рис. 2 представлена предлагаемая расчетная схема топливоподающей аппаратуры стенда.

Для обоснования такого подхода были выполнены специальные исследования, заключающиеся в измерении сигналов давления в начале и конце трубопровода. Анализ показал, что при распространении топлива в ТВД стенда наблюдаются признаки волнового движения, выраженные расхождением фаз сигнала замеренного разными датчиками. Однако, моделирование неустановившегося режима на основе теории гидравлического удара не только не вносит уточнений в решение поставленной задачи, но и отдаляет полученное решение от экспериментальных данных. Результаты этих исследований представлены в третьей главе.

Наиболее близкое к эксперименту решение было получено при расчете по математической модели без учета волнового движения по предлагаемой расчетной схеме. При этом выход модели – давление в объединенном объеме p’Н, находится в результате решения следующей системы уравнений:

(4)

где a – коэффициент сжимаемости топлива; (mf)0, (mf)к – эффективное проходное сечение наполнительного отверстия и клапанной щели ТНВД; fк – площадь поперечного сечения клапана; cк – скорость движения клапана; Vут. пл – расход топлива через радиальный зазор в плунжерной паре; (mf)ф, (mf)с – эффективное проходное сечение кольцевой щели иглы и сопловых отверстий соплового наконечника распылителя; fи, f’и – площадь сечения иглы в объемах выше и ниже посадочного места; Vут. и – расход топлива через радиальный зазор в сопряжении игла – корпус распылителя; Mк – масса клапана и 1/3 массы его пружины; Mи - масса иглы и 1/3 массы ее пружины; DFк, КFи– поправки к силам, действующим на клапан ТНВД и иглу форсунки; jк, jи  – жесткость пружины клапана и иглы форсунки; hк, hи – текущий подъем клапана и иглы форсунки; y0, z0 – начальная затяжка пружины клапана и иглы форсунки. Индексы и обозначения при давлениях, объемах и коэффициентах a в уравнениях системы (4) приводятся в соответствии с рис. 2.

На этапе отладки математической модели было установлено, что клапан ТНВД большую часть времени находится в неустановившемся положении, что потребовало произвести более точное описание уравнений динамики подвижных элементов исследуемой ТА. Реальное распределение давления в этих объемах может значительно отличаться. Экспериментальное исследование полей давления в столь малых объемах представляется затруднительным. Известны работы, в которых изложены попытки решить эту проблему расчетными методами для силы, действующей на иглу форсунки. Но разнообразие конструкций распылителей затрудняет широкое применение этих методик на практике. Анализ литературных источников показал, что проблема уточнения силы, действующей на клапан ТНВД, никак не освещена.

Рис. 2. Расчетная схема топливоподающей аппаратуры стенда

Предложена методика, позволяющая произвести данные уточнения с использованием приложения CosmosFloWorks, специально разработанного для гидродинамических расчетов. Работа данного приложения основана на использовании метода конечных объемов, который представляет собой разновидность метода конечных элементов. Программа расчета базируется на решении системы дифференциальных и интегральных уравнений, описывающих с математической точки зрения движение или теплопередачу в омываемых данной текучей средой телах. Движение и теплообмен жидкости моделируется с помощью уравнений Навье – Стокса, описывающих в нестационарной постановке законы сохранения массы, импульса и энергии этой среды.