Стенд для обкатки двигателей внутреннего сгорания
STAND FOR RUNNING-IN INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Изобретение относится к области двигателестроения, а также технического обслуживания и ремонта машин, оборудования, в частности к устройствам для обкатки двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).
Известен стенд для приработки двигателей (а.с. СССР №1677562. 1991), содержащий электромашину (далее, ЭМ) привода ДВС при холодной обкатке, приборы и механизмы контроля и управления режимов обкатки. Для осуществления горячей обкатки ДВС под нагрузкой на стенде использован способ динамического нагружения путем циклического ускорения и замедления вращения вала ДВС, тем самым создания тормозного момента от момента инерции движущихся частей ДВС и стенда. Однако такой способ нагружения противоречит технологической инструкции по обкатке и испытанию моторостроительных заводов, где указано, что резкие изменения частоты оборотов ДВС не допускаются.
Известен стенд для обкатки и испытания ДВС (а.с. СССР №1068757. 1984), содержащий асинхронную нагрузочную ЭМ, механически связанную с валом ДВС, а электрически - с электрической сетью через статический преобразователь частоты переменного тока со звеном постоянного тока, содержащий первичный и вторичный тиристорные преобразователи, а выводы управления вторичного преобразователя соединены с устройствами измерения частоты вращения ДВС, измерения и регулирования момента торможения ЭМ.
Недостаток данного стенда и других известных стендов, предложенных на основе использования асинхронной ЭМ с преобразователем частоты в качестве тормоза, заключается в следующем. Для торможения при обкатке и испытании современных мощных ДВС с высоким максимальным крутящим моментом необходимо комплектовать стенд ЭМ, мощность которой превышает мощность ДВС не менее, чем на 25% (для ДВС с топливоподачей Common Rail) и 15% (для ДВС с обычной топливоподачей), чтобы обеспечить требуемый тормозной момент и при этом работу ЭМ с нормальной рабочей температурой и выработку нормативного срока службы. Кроме того, использование ЭМ, особенно большой мощности, при работе ЭМ в режиме торможения требует, кроме преобразователя частоты тока из сети, оборудования ее рекуператором для преобразования тока, выработанного ЭМ, в ток с параметрами тока сети и возврата обратно в сеть для энергосбережения. Однако в РФ производство преобразователей частоты требуемых мощностей и рекуператоров к ним пока не освоено, поэтому предлагаемые в настоящее время стенды комплектуются дорогостоящими импортными (от 3,5 до 5,5 млн рублей для ЭМ мощностью от 200 до 400 кВт), что формирует цены на стенды, практически недоступные для потенциальных покупателей. Так, цена предлагаемых на сегодня стендов под маркой «ОТС» с ЭМ от 110 до 800кВт составляет от 6,4 до 13 млн рублей. При этом на сегодня ремонт ДВС в основном (более 95%) осуществляют сами владельцы машин или мелкие предприятия технического сервиса малыми объемами. Поэтому такие стенды не окупаемы и не конкурентносособны, что подтверждает и отсутствие платежеспособного спроса на них.
Известно также нагрузочное устройство для обкатки и испытания дизельных двигателей (Сергеев Н.Н., Горбунов В.П. Нагрузочное устройство для обкатки и испытания дизельных двигателей. Электронный журнал «Современные техника и технологии. 2015. №10, 50), содержащий двухпоточный насосный агрегат с двумя аксиально-поршневыми насосами, электродвигателя с коробкой переключения передач для привода насосного агрегата, гидромотор с нагрузочным клапаном отвода масла от ГМ в бак, два нагрузочных клапана подачи масла от каждого насоса в гидромотор (прототип).
В работе вал ДВС соединяют с валом гидромотора. При холодной обкатке гидромотор работает как привод питанием от насосного агрегата, а при горячей - как насос приводом от ДВС, питанием также от насосного агрегата. Частоту оборотов вала ДВС при холодной обкатке настраивают двумя клапанами на подаче от насосного агрегата в гидромотор, а тормозной момент на валу гидромотора - клапаном на сливе от него в бак.
Недостаток устройства заключается в использовании в качестве тормоза аксиально-поршневого гидромотора, работающего как насос, что: во-первых, не обеспечивает в виду обычно малого рабочего объема, следовательно тормозного момента гидромоторов, достаточного тормозного момента применительно для современных мощных и с высоким максимальным крутящим моментом (1000…2500 Н×м и более) дизельных ДВС; во-вторых, работа сопровождается в такт хода поршней пульсацией давления масла, что вызывает колебания тормозного момента и, как установлено, отражается на качестве приработки деталей цилиндро-поршневой группы ДВС.
Задачей предлагаемого изобретения являются кратное по сравнению с аналогами снижение стоимости стенда, обеспечение диапазона тормозного момента применительно к наиболее распространенным современным форсированным дизельным ДВС при мощности ЭМ привода-тормоза, необходимой только для привода ДВС (30…40 кВт) при холодной обкатке, и при этом упрощение устройства и удобство управления работой стенда.
Поставленная задача достигается тем, что предлагаемый стенд оснащен приводом-тормозом, содержащим ЭМ и гидромашину (далее, ГМ), причем ЭМ с двумя присоединительными выходами вала ротора, один из которых соединен с валом ДВС, другой - с валом ГМ, а ЭМ в генераторном (на частоте оборотов, выше синхронной) режиме работы, т.е. в режиме тормоза, имеет пределы частоты вращения, находящиеся в пределах частоты вращения вала ДВС при горячей обкатке под нагрузкой.
Предлагаемое устройство поясняется структурными схемами стенда и привода-тормоза на фиг. 1 и 2.
Стенд (фиг. 1) состоит из рамы 1 для установки ДВС 2, привода-тормоза 3, стойки приборов 4, компьютера 5, маслоохладителя 6, коробки электропитания 7, устройства плавного пуска 8, теплообменника 9, карданного вала 10.
Привод-тормоз 3 предназначен для привода ДВС при холодной обкатке и торможения при горячей обкатке, состоит из рамы 11 (фиг. 2), ЭМ 12, с датчиком 13 частоты вращения, соединительной муфты 14, ГМ 15, предохранительных клапанов 16, 19, датчика 17 давления, дросселирующего устройства 18, датчика 20 температуры, крана 21, бака 22, с датчиком 23 температуры, фильтра 24.
ГМ представляет собой объемную ГМ, предназначен для работы как гидротормоз, ЭМ - асинхронный, с короткозамкнутым ротором электродвигатель переменного тока, предназначен для работы как привод при холодной обкатке, электротормоз - при горячей обкатке с нагрузкой.
Дросселирующее устройство (далее, ДУ) 8 предназначено для создания и регулирования давления рабочей жидкости (далее, РЖ) на выходе ГМ, т.е. тормозного момента на валу, представляет собой гидравлическое дросселирующее устройство с функцией регулирования.
Стойка 4 приборов предназначена для измерения и передачи данных измерения в компьютер, визуального контроля, аварийной сигнализации работы стенда и ДВС, содержит: измерительные устройства частоты вращения вала ДВС, давления РЖ на выходе ГМ, температуры РЖ в сливном отводе ДУ, баке, масла и воды в системах смазки и охлаждения ДВС, манометры контроля давления РЖ в маслоохладителе стенда и системе смазки ДВС, измерительный преобразователь активной мощности тока. Преобразователь измеряет мощность ЭМ: приводную - при холодной обкатке, тормозную - при горячей обкатке, проверке рабочих параметров ДВС под нагрузкой.
Измерители частоты вращения вала ЭМ, давления РЖ на нагнетательном отводе ГМ, преобразователь мощности имеют выход интерфейс RS485.
Компьютер 5 предназначен для приема данных от измерительных устройств стенда по интерфейсу RS485, их обработки и вывода на монитор для визуального контроля, управления стендом, архивизации параметров обкатки и проверки ДВС, представляет собой персональный компьютер с преобразователем интерфейсов USB-RS485. На монитор компьютера выводятся: тормозной момент и мощность гидротормоза; частота оборотов ДВС; мощность, потребляемая ЭМ на привод ДВС, крутящий момент прокручивания вала ДВС при холодной обкатке; мощность, отдаваемая ЭМ в сеть; тормозной момент электротормоза при горячей обкатке ДВС с нагрузкой; суммарные значения мощности и тормозного момента.
Маслоохладитель 6 предназначен для охлаждения РЖ, сливаемой из ДУ в бак.
Устройство плавного пуска (далее, УГШ) 8 предназначено для плавного пуска ЭМ и регулирования тормозного момента ЭМ при работе в генераторном режиме регулированием напряжения тока питания ЭМ от сети. Для этого УПП, кроме функции программируемого плавного пуска, имеет функцию ручного плавного регулирования напряжения тока с помощью встроенного переменного резистора.
Теплообменник 9 предназначен для охлаждения воды в системе охлаждения ДВС за счет смешения холодной и горячей воды, заправки системы, состоит из бака, крана и присоединительных к ДВС частей.
Работа стенда осуществляется в следующем порядке. ДВС устанавливают на раму, соединяют карданным валом валы ДВС и ЭМ. Включают стенд к сети, с помощью УПП запускают ЭМ привода-тормоза, проводят холодную обкатку ДВС. В процессе обкатки по контрольно-измерительным приборам контролируют частоту вращения вала, давление и температуру масла, температуру воды, а по данным на мониторе компьютера - мощность, потребляемую ЭМ на прокручивание вала ДВС. Холодную обкатку завершают по прекращению снижения потребляемой мощности на прокручивание ДВС.
Горячую обкатку под нагрузкой, проверку максимального крутящего момента и мощности ДВС осуществляют торможением гидротормозом и электротормозом.
Гидротормоз позволяет настраивать тормозной момент от нуля до максимального значения бесступенчато, величина момента зависит от рабочего объема и давления на нагнетательном отводе ГМ и не зависит от частоты оборотов ДВС. Настройку момента осуществляют регулированием давления на нагнетательном отводе ГМ рукояткой управления дросселирующего устройства, контролируя момент и мощность торможения по монитору компьютера.
Электротормоз активируют включением ЭМ к сети, когда гидротормоз не обеспечивает требуемого момента, работает с перегрузкой, что увеличивает тормозной момент стенда на 35…50%. Тормозной момент зависит от частоты оборотов вала и напряжения тока на ЭМ. На заданной частоте оборотов ДВС момент настраивают регулированием напряжения тока на ЭМ ручкой управления переменного резистора УПП, контролируя момент и мощность торможения по монитору компьютера.
Режимы обкатки (частота оборотов ДВС, тормозной момент, продолжительность обкатки) и параметры проверки (мощность, максимальный крутящий момент) устанавливают, руководствуясь технологической инструкцией на модель, модификацию ДВС.
Оснащение стенда гидротормозом и электротормозами позволяет достичь значимых технического, экономического результатов и обеспечить стенду конкурентоспособность.
3
Так, стенд, оснащенный ГМ с рабочим объемом 400 см/об, давлением 25 МПа и ЭМ 37 кВт/ 1000 об/мин, способен развивать тормозной момент на 20% больше, чем стенд с ЭМ с преобразователем на 250 кВт. При этом расчетная цена стенда по меньшей мере в 3 раза меньше, чем предлагаемого сегодня стенда с ЭМ, импортными частотным преобразователем и рекупратором на 250 кВт. При этом устройство стенда несравнимо проще, почти вдвое уменьшается занимаемая площадь, не потребуются расходы на реконструкцию электросетей, увеличение мощности источников электропитания предприятия (трансформатора, генератора).
Разработана конструкторская документация опытного образца стенда.