Вибродиагностика поршневых колец методом идентификации упруго-диссипативных параметров

№4

2007 629.113

ВИБРОДИАГНОСТИКА ПОРШНЕВЫХ КОЛЕЦ МЕТОДОМ ИДЕНТИФИКАЦИИ УПРУГО-ДИССИПАГИВНЫХ ПАРАМЕТРОВ

Каш), техн. наук, дои. А.А. КОЗЯВИН, канд. техн. наук, доц. Б.В. ПУШНИКОВ, any д. А.С Я ЦУМ

Рассмотрен способ диагностики поршневых колец двигателей внутреннего сгорания. Поршневые кольца относятся к одной из важных частей автомобиля, их диагностика в настоящее время затруднительна. Описано специально разработанное вибрационное динамическое устройство, позволяющее проводить диагностику, анализируя упруго-диссипативные свойства методом обработки затухающих колебаний кольца, закрепленного в устройстве.

This paper presents the method of diagnostic properties of car engine rings. These rings are one of the most important parts in engines of cars. Original vibration dynamic device for investigation ofvisco-elastic coefficients is described. Special complex system, including hardware and software parts, can easily find properties of rings and give a result about their quality.

Поршневые кольца относятся к наиболее важным деталям двигателя автомобиля. От их состояния напрямую зависит динамика, расход масла и топлива, пусковые свойства двигателя, токсичность выхлопных газов и многие другие эксплуатационные показатели [1 ]. На поршневые кольца в автомобильном двигателе возложены три основные задачи: 1) газовое уплотнение камеры сгорания, т. е. сведение к минимуму проникновения газов из цилиндра в картер и обратно; 2) отвод теплоты от нагретого горячими газами поршня в более холодную стенку цилиндра, которая охлаждается жидкостью или потоком воздуха (плохая теплопередача ведет к перегреву поршня, задирам, прогарам и заклиниванию его в цилиндре); 3) управление смазыванием сопрягаемых деталей кольца является посредником между поршнем и цилиндром: они должны исключить или по крайней мере, сильно ограничить поступление масла из картера в камеру сгорания.

Все эти функции выполняет комплект из трех поршневых колец: верхнего компрессионного, среднего компрессионно-маслосъемного и нижнего маслосъемного. Важно, чтобы кольца полноценно работали при любом скоростном и нагрузочном режиме двигателя, в условиях переменных сил давления и трения, больших тепловых потоков, при действии агрессивных химических соединений. Отрицательное влияние на работу двигателя может оказать коробление поршневых колец, которое обычно возникает вследствие внутренних напряжений или неосторожного обращения с кольцами. Качество поршневых колец в значительной степени зависит от плотности прилегания их рабочей поверхности к стенке гильзы, которая целиком определяется упругими свойствами колец.

Конструкция поршневых колец. Верхнее компрессионное кольцо работает при полусухом трении и подвергается максимальному коррозийному износу и большим температурным нагрузкам. Поэтому рабочую поверхность поршневых компрессионных колец, как правило, хромируют. Для стандартных колец прямоугольного сечения предусматривается внутренний односторонний скос. Удельное давление кольца на стенки цилиндра обеспечивается упругими свойствами кольца и у различных двигателей имеет широкий диапазон от 5—29 МПа.

По мере увеличения диаметра колец удельное давление уменьшается. Изменение упругости при одном и том же диаметре достигается, в основном, за счет изменения радиальной

№ 4 2007

толщины колец. Поршневые кольца должны быть гладкими, свободными от усадочных трещин, пор, раковин, рыхлостей и т.д., влияющих на упругие свойства кольца.

Рис. 1. Виды деформаций поршневых колец

Таким образом, важнейшим свойством поршневых колец является их упругость, связанная с радиальной (рис.1, а) и осевой деформациями (рис.2, б) [2]. Потому важно обеспечить контроль качества колец объективными методами, учитывающими динамический характер деформирования кольца.

Нами рассматривается метод определения упругих свойств кольца на основе анализа свободных колебаний эталонного груза, установленного на кольце.

Методика определения упруго-диссипативнмх свойств поршневых колец. Далее предлагается методика определения упруго-диесипативных свойс тв компрессорных поршневых колец прямоугольного сечения. Общий вид такого кольца приведен на рис. 2.

Рис. 2. Общий вид поршневого кольца прямоугольного сечения с установленной эталонной массой

Рассматриваемый метод основан на идее измерения свободных затухающих колебаний эталонного груза, установленного на исследуемом кольце.

Для измерения применялось оригинальное устройство вибрационного типа, схема которого представлена на рис. 3 и 4.

2007

№4

5 6 V / / 7 / /

АЦП / РС

//////////////

Рис. 3. Схема установки для определения упруго-вязких свойств поршневых колец: / — основание; поршневое кольцо; 3 — прижимная пластина; 4 — прижимные винты; 5 — акселерометр; 6 — кронштейн; 7 — аналого-цифровой преобразователь; «V — компьютер; 9 — усилитель; 10 — электромагнит; с\ — регулируемый воздушный зазор, задающий начальную поперечную деформацию кольца

Рис. 4. Схема установки для определения упруго-вязких свойств поршневых колец (вид сверху): / -— основание (рама) устройства; 2 — место закрепления поршневого кольца к основанию; 3 — якорь электромагнита; 4 — электромагнит; 5 — пьезоэлектрический датчик; 6 — поршневое кольцо двигателя

На основании / размещено устройство для закрепления исследуемых поршневых колец 2, состоящее из прижимной пластины 3 и винтов 4. На свободном конце поршневого кольца установлен кронштейн б, выполняющий роль эталонной массы, с закрепленным на нем пьезоэлектрическим акселерометром 5. Под кронштейном установлен и пусковой электромагнит Ю„ управляемый с помощью компьютера 5 через усилитель 9. Сигналы с датчика ускорения 5 поступают на входные линии универсальной платы 7 сбора и обработки данных Ь-Сагё Е14-140. Данная карта сбора данных содержит встроенные аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, имеет возможность оперативной стыковки

Nq 4 2007

с персональным компьютером посредством стандартного порта USB 1.1. Для управления спусковым электромагнитом 5 используется цифро-аналоговый преобразователь системы L-Card El4-140. Регистрация и запись поступающего сигнала, а также формирование управляющих импульсов осуществляются программными средствами, созданными в интегрированной среде разработки приложений Borland С Builder.

Для правильного функционирования прибора необходимо обеспечить жесткое закрепление кольца на раме и гарантированный необходимый зазор в 3—5 мм между электромагнитом и якорем электромагнита, жестко закрепленным на поршневом кольце. Объектом исследования стенда является поршневое кольцо двигателя, предметом исследования - его упруго-диссигтативные свойства. Общий вид установки с установленным поршневым кольцом и эталонной массой для определения упруго-диесипативных свойств приведен на рис. 5.

Рис. 5. Внешний вил устройства

Комплекс работает следующим образом. На пусковой электромагнит подастся электрическое напряжение, в результате чего поршневое кольцо изгибается, а кронштейн с датчиком притягивается в крайнее нижнее положение. Далее подается сигнал на выключение пускового электромагнита. Вследствие упругой деформации кольца происходя т затухающие колебания кронштейна. Колебательный процесс фиксируется датчиком ускорения, сигнал с которого регистрируется платой сбора данных 7 и поступает на персональный компьютер в виде зависимости напряжения от времени.

Для определения упруго-диссипативпых свойств поршневых колец рассмотрим упрощенную модель колебаний кронштейна, в которой он устанавливается на нелинейном упруго-диссипативном подвесе, который является упрощенной моделью поршневого кольца. На схеме приняты следующие обозначения: m — масса кронштейна; с, (3, h — коэффициенты, определяющие упруго-диссипативиые свойства поршневого кольца; 8(J —начальное расстояние между кронштейном и электромагнитом (рис. 6).

№ 4 2007

----—-—:---1

. ' : I.....п

... | I'*

Y7/77zb/77777

Рис. 6. Расчетная динамическая схема

Будем считать, что нелинейная зависимость силы упругости поршневого кольца F(x)ot его деформации х выражается формулой

F(x)-cx + ßx\

где с — коэффициент упругости кольца; ß — коэффициент нелинейности.

Диссинативные свойства кольца R линейно зависят от скорости деформации и приближенно определяются по формуле

R = Ьх,

где R — сила вязкого сопротивления; b — коэффициент вязкого сопротивления исследуемого кольца; х — скорость деформации кольца.

Тогда можно записать дифференциальное уравнение, описывающее колебания рассматриваемой системы так;

тх — —сх - ßx3 — /?х, или, переписав его в безразмерном виде,

- <1 • Р "> ГУ.

X + 2ПХ + — х + р"х = 0, т

где ;/-— —коэффициент затухания системы, р = /—--собственная частота системы

2 т V

без учета вязкого сопротивления.

Данное уравнение является нелинейным, поэтому для получения решения применялось численное интегрирование в среде MathCAD методом Рунге—Кутта четвертого порядка с фиксированным шагом. Расчеты выполнялись при следующих начальных условиях х(0) = б0,х(0) = 0 , которые определяются особенностями вибрационного метода и конструкции экспериментальной установки. Параметр öü может изменяться в пределах от 0,001 до 0,005.

Методика количественной оценки унруго-диссииативных свойств поршневых колец. Целью дальнейших исследований являлась разработка методики определения величин с, ß, b по результатам полученных экспериментальных данных численными методами в среде MathCAD.

Из полученной экспериментальной зависимости перемещения эталонной массы от времени (рис. 7) выделяется фрагмент колебаний. Далее методом осевой симметрии вы-

№4

2007

время, мкс

Рис. 7. Экспериментальная виброграмма перемещения кронштейна при свободных затухаю иди х колебаниях

деленный числовой массив расширяется вдвое, что обеспечивает повышение точности процедуры идентификации, особенно на начальном участке виброграммы. Далее используется быстрое преобразование Фурье [3]. В его основе лежит прореживание по частоте и пирамидальный алгоритм, которым исключаются повторные вычисления периодически повторяющихся членов ряда Фурье. Это преобразование дает нам спектр рассматриваемых колебаний (рис.8).

Рис. 8. Амплитудный спектр рассматриваемых колебаний эталон ной массы

Для получения функций огибающей (мгновенной амплитуды) и мгновенной частоты используется интегральное преобразование Гильберта. Преобразование Гильберта для любого произвольного сигнала представляет собой идеальный широкополосный фазовращатель, который осуществляет поворот начальных фаз всех частотных составляющих сигнала на угол, равный 90° (сдвиг на л/2). Применение преобразования Гильберта

№ 4 2007

позволяет выполнять квадратурную модуляцию сигналов, в каждой текущей координате модулированных сигналов производить определение огибающей и мгновенной фазы (частоты) сигналов, выполнять анализ каузальных систем обработки сигналов[4].

Теоретически формула имеет вид

к / — л* к5

—х I)

где х(1) — исходная функция колебаний.

Изменение спектра сигналов при выполнении преобразования Гильберта заключается в следующем. Спектр сигнала содержит реальную и мнимую составляющие, т.е. может быть записан в виде Х{/) = Кс(Л"(/)) +Лт(Х(/)). При выполнении преобразования действительная и мнимая части спектра Х{/) умножаются на-/^п(Д Функция Яе(А'(/)) умножается на 1 при/< 0, на 0 при/- 0 и на—1 при/> 0. Это означает, что все косинусные гармоники сигнала, которым соответствует реальная часть спектра сигнала, превращаются в синусные гармоники. После обратного быстрого преобразования Фурье получается функция Гильберта в дискретной форме У(1 .

Тогда дискретную функцию мгновенной амплитуды (огибающей) получают по формуле

АЦ^^ХО^НУ^)]1-

График зависимости мгновенной амплитуды совместно с преобразованной виброграммой и функцией Гильберта от времени представлен на рис. 9.

--график виброперемещения,

..... график мгновенной амплитуды,

---- график функции Гильберта

Рис. 9. Расчетные функции

В результате аппроксимации функции мгновенной амплитуды выражением

А{О = А0е"'\

где /1() — начальная амплитуда колебаний, находим приведенный коэффициент затухания /?„ определяющий дисеипативные свойства исследуемого поршневого кольца.

Далее по имеющимся экспериментальным данным находятся мгновенные значения фазы колебаний в зависимости от времени

№4

2007

V.

Ф . - агс1ё(—'-).

Численное дифференцирование выражения (2) позволяет получить функцию зависимости мгновенной частоты от времени: со/ - /'(/,).

Зависимость амплитуды колебаний от частоты А . = /(со.) для рассматриваемых свободных колебаний системы является «скелетной кривой». Для кубической упруго!! характеристики аналитическое выражение обратной для нее функции со . - /(/!) имеет вид

Аппроксимируя экспериментальную зависимость со. = /(/Г) выражением (3), находим приведенные коэффициенты к и р, характеризующие линейные и нелинейные упругие свойства исследуемого поршневого кольца соответственно.

По полученным коэффициентам определяют коэффициенты упругости и вязкости, которые сравнивают с эталонными параметрами, что позволяет провести диагностику состояния поршневого кольца.

1. Разработан метод определения упруго-диссипативных свойств поршневых колец на основе анализа свободных колебаний эталонного груза, установленного на кольце.

2. Предложена методика обработки затухающих колебаний, основанная на аппроксимации функции мгновенной амплитуды затухающего сигнала и преобразовании Гильберта.

3. Разработан экспериментальный стенд, позволяющий создать поперечные затухающие колебания поршневого кольца и определить коэффициенты жесткости и диссипации.

1. Теория поршневого кольца / Б. Я. Гинцбург и др. -— М.: Машиностроение, 1979. — 270 с.

2. БидсрманВ. Л. 11рикладная теория механических колебаний. — М.: Высшая школа, 1972. — 415 с.

3. Г о л ь д с н б с р г Л. М. и др. Цифровая обработка сигналов: Учебное пособие для вузов. |Текст]. — М.: Радио и связь, 1990. — 256 с.

4. Д и т к и и В. А. Интегральное преобразование и операционное исчисление [Текст]. М.гНаука, 1974. - 527 с.

-]

с1х

Выводы

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ