К вопросу диагностики двигателя ДЭС по параметрам частотных характеристик масляного очистителя

УДК 621.43.001.5

В.А. Атрощенко, Ю.Д. Шевцов, Р.А. Дьяченко, Н.А. Брагин

К ВОПРОСУ ДИАГНОСТИКИ ДВИГАТЕЛЯ ДЭС ПО ПАРАМЕТРАМ ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК МАСЛЯНОГО ОЧИСТИТЕЛЯ

Исследование и сравнительный анализ диагностических параметров ДВС на информативность позволил определить наиболее информативную систему двигателя - систему смазки, позволяющую получить обобщенную оценку технического состояния двигателя в целом:

по гидравлическим сопротивлениям масляных очистителей (фильтра и центрифуги), изменяющимся в зависимости от количественного и качественного состава отложений на фильтрующей перегородке и роторе центрифуги;

по уровню, составу и кинетике накопления загрязнений в смазочном масле.

Существует множество комбинаций подключения очистителей в системах смазки различных двигателей. Выбор оптимальной схемы системы очистки определяется, во-первых, ее эффективностью, с точки зрения защиты пар трения и удаления из масла загрязнений, во-вторых, обеспечением на ее выходе заданных гидравлических параметров.

Анализ конструктивных решений, способов и устройств улучшения систем очистки различных типов показывает, что с точки зрения эффективности очистки наилучшая защита пар трения достигается при использовании полнопоточной тонкой очистки масла фильтром и установке частичнопо-точной центрифуги на ответвлении.

Одновременная установка на двигателе фильтров тонкой очистки и реактивной масляной центрифуги продиктована следующими соображениями. В начальный период работы идет интенсивный процесс окисления масла и, следовательно, увеличение количества загрязнений в нем. Однако до определенного момента, пока достаточно эффективно действуют диспергирующие присадки, размеры механических примесей, накапливающихся в масле, невелики (0,5-1 мкм). Поэтому фильтр тонкой очистки с порами фильтрующей перегородки до 30 мкм не в состоянии отделять такие частицы. В этот период основную функцию берет на себя реактивная центрифуга. С течением времени процессы окислительной по-

лимеризации в масле стабилизируются. Но при неработающем фильтре уровень концентрации загрязняющих примесей велик. Основная масса загрязнений имеет органическое происхождение и при определенной величине концентрации они оказывают положительное действие на процессы трения, нивелируя соприкасающиеся поверхности и, тем самым, снижая износ. Но при дальнейшем увеличении их концентрации диспергирующее действие присадок уменьшается, частицы укрупняются и откладываются на различных деталях. В этот период начинают работать в полную силу фильтры. При этом они отбирают в основном частицы менее плотные, но крупные, препятствуя образованию лаков и низкотемпературных отложений, а центрифуги отбирают частицы, имеющие большую плотность (продукты износа, пыль и т. д.), снижая, таким образом, интенсивность абразивного износа.

Эффективность работы реактивной центрифуги зависит как от температурного режима, определяющего вязкость масла ц, так и от давления масла р, определяемого режимом работы и степенью изношенности двигателя. При номинальном режиме эффективность очистки у центрифуги выше, чем у фильтра тонкой очистки с одинаковыми массо-габаритными показателями. Однако эффективность очистки существенно снижается в период пуска двигателя, когда давление в магистрали мало, а частота вращения ротора не достигла своих номинальных оборотов. В связи с этим, считается нецелесообразным ставить центрифугу на очистку полного потока, поскольку в момент запуска к трущимся деталям могут попасть крупные частицы загрязнений.

В связи со сказанным, особую важность приобретает требование, которое должно предъявляться к выбору максимально допустимой величины гидравлического сопротивления полнопоточных фильтров, состоящее в том, что эта величина должна исключать возможность открытия предохранительного клапана в первый момент после пуска.

Таким образом, можно сделать вывод о том, что параметры очистителей, подключенных различными способами, дающие информацию о степени, характере и составе загрязнений, откладывающихся на роторе центрифуги и фильтро-элементах, и гидравлические параметры масляной магистрали являются важными диагностическими параметрами, по которым можно оценивать фактическое техническое состояние двигателя

Обосновано, что для получения наиболее полной информации о техническом состоянии двигателя целесообразно использовать способы и средства функционального диагностирования, основанные на определении параметров частотных характеристик очистителей масла и отслеживании динамики их изменения в процессе эксплуатации агрегата. С этой целью необходимо получить модели очистителей в виде передаточных функций.

Получение математической модели реактивной масляной центрифуги осуществляется так же, как и модели полнопоточного масляного фильтра согласно теории пневмогидравлических цепей, используя электрическую аналогию при описании поведения гидравлических элементов системы смазки [1]. Модель центробежного очистителя была получена по следующей методике.

1. Экспериментальное определение амплитудных и фазовых частотных характеристик очистителя.

2. Получение вида передаточной функции по экспериментальным логарифмическим амплитудным (ЛАЧХ) и фазовым (ЛФЧХ) частотным характеристикам.

3. Синтез схемы замещения в электрических аналогах элемента очистки по виду передаточной функции с учетом его конструктивных особенностей.

4. Составление системы уравнений по синтезированной электрической схеме и получение вида передаточной функции.

5. Определение параметров полученных частотных характеристик, которые однозначно изменяются по мере загрязнения очистителей в процессе эксплуатации двигателя.

6. Получение эталонных частотных характеристик центрифуги при нормальном функционировании двигателя для чистого и максимально загрязненного ротора.

В результате проведения экспериментальных исследований получены частотные характеристики реактивной масляной центрифуги для различных схем подключения, различных режимов ее работы и степени загрязнения, и по ним определен вид передаточной функции. По виду передаточной функции синтезирована схема замещения в электрических аналогах. Схемы замещения реактивной центрифуги представлены на рис. 1.

Система дифференциальных уравнений, со-

б)

8Р0

йРг

5Сп

5 Сп

5С„ Я, хи

8Р„

к,

»л

Рис. 1. Схемы замещения реактивной масляной центрифуги: а - конструктивная; б - гидравлическая; в - в электрических аналогах

ставленная по электрической схеме замещения, имеет вид:

8^-8^-8^-8^=0;

Ю0 ^ <Й-8Р0 =0;

1 Го— ) 1 , _

5СКа Л2+— |5СКз|5СТя Л = 0;

-— |бС8э Щ =0;

\ 3 -5СКз-Яз+бР! =0.

Используя преобразование Лапласа для составленных уравнений, определяем два вида пе-

" £- £-

редаточных функций ТУ (я) = —и (я) =

2 5р0

описывающих поведение частично-поточной реактивной центрифуги, т. е. подключенной в сливную магистраль, когда 2н = 0. Передаточные функции, АЧХ и ФЧХ реактивной центрифуги определяются следующими выражениями.

1. Передаточная функция, оценивающая входное сопротивление:

дСго

_ к^Т^2 + 2^5Г5я + 1)

Модуль и аргумент выражения (2) определяют амплитудную и фазовую частотные характеристики входного сопротивления реактивной центрифуги:

АЦ10о) =

_ _

_ к1Л](1-Т2(й2)2 + 4-^2Г52Ю2 -У1 + Г2Ю2

л/г>4 + 4-^52Г52Ю2 фЦ](ю) = ап^

- агОД;

Г/со2

+ агс^ Г со ,

где Лц (ю) - амплитудная частотная характеристика (АЧХ); ф (ю) - фазовая частотная харак-

Д1 Хк I-

теристика (ФЧХ); Г = —L; Г5 = а/т^х^ - по-

стоянные времени; 5

- коэффициент

демпфирования; = ^ - коэффициент усиления.

Передаточная функция, оценивающая вход-

5рп

ное сопротивление 1№ц (х) = — = может использоваться для получения модели системы смазки в целом, необходимой для описания ее работы в динамике с целью управления процессами смазки, трения и износа трущихся деталей двигателя.

2. Передаточная функция, оценивающая соотношение давлений на входе и выходе центрифуги и ее АЧХ и ФЧХ:

(7;У +2^2Г25+1)'

Ац(С0) = к

Л/(1-Г12Ю2)2+4^12Г12Ю2 А/(1-Г22Ю2)2+4^2Г22Ю2 '

где Лц(ю) - амплитудная частотная характеристика; фц(ю) - фазовая частотная характеристика;

р _

к = ——--коэффициент усиления; = ,

Т0 =

2 - |-5—*— постоянные времени;

Я2 + Д3

4,=

= —+ ^з _ - коэффициенты 2.

\ л2+/гз

демпфирования.

Передаточная функция, оценивающая соотношение давлений на входе и выходе центрифуги

^ (я) = -Г1Г-, может быть использована для диа-2 §Ро

гностики технического состояния очистителей масла в исследуемой схеме системы смазки и двигателя в целом.

Для реактивной центрифуги определяющим параметром схемы замещения ее гидравлического сопротивления является емкостная составляющая те, которая изменяется пропорционально уменьшению объема жидкости по мере загрязнения ротора центрифуги \ = , где а - скорость звука в жидкости; V - объем непроточной емкости (объем ротора центрифуги); р, О - текущие значения давления и расхода жидкости (моторного масла) в магистрали.

Изменение этой составляющей приведет к изменению всех параметров АЧХ и ФЧХ центрифуги. Остальные параметры, входящие в выражения АЧХ и ФЧХ центрифуги Лр Л2, Л3, т , т , т определяют местные сопротивления в конструкции центрифуги, инерционные и упругие свойства жидкости, которые в процессе отсеивания загрязняющих частиц из масла остаются постоянными.

Оценка технического состояния системы смазки и двигателя в целом по параметрам центробежного масляного очистителя осуществляется следующим образом, согласно способу, описанному в [2]. Здесь измеряется величина сдвига фаз между пульсациями давления масла на входе и выходе масляной центрифуги. Информация о величине сдвига фаз используется для определения объема осадка V, масса которого т определяется путем измерения продолжительности истечения масла при выбеге двигателя с заданного режима холостого хода. По величинам объема и массы осадка вычисляют его плотность

рос =—

г ос

т

и по ней определяют место повышенного износа механически сопряженных деталей.

Алгоритм работы технических средств, выполненный согласно описанному способу, заключается в следующем: сначала определяют параметры (например, ю - собственную частоту, ф. - величину сдвига фаз между пульсациями давления масла

на входе и выходе масляной центрифуги и рос -плотность осадка центрифуги), оценивающие техническое состояние самого очистителя, а затем, по изменению этих параметров и другим признакам представляют информацию о техническом состоянии всей системы и двигателя в целом.

Структурная схема устройства определения информации о техническом состоянии очистителя двигателя ДЭС по интенсивности накопления отложений в роторе центробежного очистителя представлена на рис. 2. Работа основных элементов устройства заключается в следующем:

датчики давления Д1 и Д2 выдают электрический сигнал, пропорциональный изменению давлений в масляной магистрали на входе и выходе центрифуги, блоки разложения БР1 и БР2 раскладывают сигналы пульсаций давления масла на гармонические составляющие, блок сравнения БС определяет отклонение частотных характеристик центрифуги ДЛц(ю) и Дфц(ю) от эталонных, соответствующих определенной величине объема осадка в роторе центрифуги V и подают сигнал на вход вычислительного устройства ВУ;

измеритель времени истечения масла из ротора центробежного очистителя измеряет указанное время при выбеге двигателя с заданного режима холостого хода и подает соответствующий сигнал, пропорциональный массе осадка тос в роторе, на другой вход ВУ; вычислительное устройство определяет величину объема осадка V в роторе

Рис. 2. Структурная схема устройства Ц - центробежный очиститель масла

Рис. 3. Структурная схема устройства

центробежного очистителя и его плотность по

тос

выражению рос =—— и выдает заключение о сте-

^ос

пени износа узлов двигателя.

Структурная схема устройства, предложенного в способе оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания [3], предназначенного для получения информации о техническом состоянии двигателя ДЭС по изменению физико-химических параметров масла, представлена на рис. 3 (где ХМ - холодильник масляный; Д - двигатель; КП - клапан перепускной; МН - масляный насос; Ц - центрифуга; Ф - фильтр). Функционирование основных элементов устройства заключается в следующем:

датчик 1 обеспечивает выделение и контроль наличия магнитных металлических примесей; датчик 2 обеспечивает выделение и контроль металлических немагнитных примесей; датчик 3 обеспечивает контроль органических примесей в масле.

Информация о степени изменения электрических параметров указанных датчиков поступает в блок обработки и представления информации БОПИ, где анализируются условия работы и материал трущихся деталей. Затем выдается вероятностный диагноз для принятия решения о техническом состоянии двигателя.

Таким образом, разработанная математическая модель очистителя масла двигателя дает возможность получить эталонные характеристики изменения степени загрязнения и качественного состава осадка в роторе центрифуги. Предложенные способы и реализующие его устройства позволяют оценивать техническое состояние двигателя в целом, путем сравнения совокупности контролируемых параметров с эталонным комплексом.

Автор выражает благодарность А.И. Красову за помощь при подготовке статьи.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гликман, Б.Ф. Математические модели пнев-могидравлических систем [Текст]/Б.Ф. Гликман.-М.: Наука, 1986.-368 с.

2. Атрощенко, В.А. Технические возможности повышения ресурса автономных электростанций энер-

щенко, Ю.Д. Шевцов, П.В. Яцынин, Р.А. Дьяченко [и др.].-Краснодар: Издат. Дом «Юг», 2010.-192 с.

3. Козицкий, В.М. Способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания [Текст]/В.М. Козицкий, М.Л. Лысенко, Ю.Д. Шевцов//

гетических систем: Монография [Текст]/В.А. Атро- АС(СССР) №1814044. Опубл. Б.И. 1993.-№ 17.