Диагностика мощных дизельных двигателей по неравномерности частоты вращения

С.С. Трюбер

ДИАГНОСТИКА МОЩНЫХ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ПО НЕРАВНОМЕРНОСТИ ЧАСТОТЫ ВРАЩЕНИЯ

Предложена методика диагностики двигателей внутреннего сгорания по неравномерности частоты вращения. Установлено, что анализ мощных дизельных двигателей существующими методами не дает положительных результатов, поэтому предложены два способа обработки, учитывающие особенности мощных двигателей.

S.S. Triouber POWERFUL DIESEL ENGINE DIAGNOSTICS METHODS BASED ON ROTATIONAL SPEED NON-UNIFORMITY

The principle of the internal combustion engine diagnostics methods, based on engine's rotational speed non-uniformity, is described in this article.

It is known that existing diagnostics methods for powerful diesel engines do not provide satisfactory results, so two new enhanced methods are proposed here.

Задача определения технического состояния двигателя без разборки, на сегодняшний день, является одной из основных в сфере технического обслуживания, особенно она актуальна для мощных дизельных двигателей, так как увеличиваются число цилиндров, сложность конструкции, имеется антивибратор. Встраиваемые системы диагностики, работающие во время эксплуатации, позволяют выявлять неисправности на ранних стадиях.

Сигналы, поступающие с датчиков, могут рассматриваться как динамические или статические. Первый подход исследует динамику поведения, в то время как второй рассматривает только усредненные значения. Например, может быть построена и проанализирована зависимость температуры в камере сгорания от угла поворота коленчатого вала, а может быть найдено среднее значение за несколько оборотов, которое сравнивается с аналогичными показателями в других цилиндрах. При этом динамический подход дает более достоверные результаты, однако предъявляет жесткие требования, как к датчикам, так и к микропроцессорным системам обработки.

Введение большого количества датчиков увеличивает стоимость конструкции, поэтому часто двигатели имеют только защитные элементы, реагирующие на критические изменения.

Интерес представляют методы диагностики по неравномерности частоты вращения. Мгновенная угловая скорость измеряется с помощью индукционного, или основанного на эффекте Холла датчика положения, отмечающего моменты прохождения зубьев модулятора. Датчики входят в состав электронной системы управления и присутствуют почти на всех современных двигателях. Информация поступает с высокой степенью дискретизации, поэтому могут быть исследованы процессы, происходящие в двигателе в течение цикла (т.е. периода срабатывания всех цилиндров).

Во время вспышки в цилиндре происходит выделение большого количества энергии и резкое увеличение давления, за счет чего и осуществляется поворот вала шатуном. Так как количество цилиндров ограничено, то крутящий момент прикладывается к валу в определенные моменты времени, что отражается на частоте вращения. Поэтому, с точки зрения возникновения крутящего момента, исследуемая система является импульсной. Эскиз угловой скорости представлен на рис. 1.

Рис. 1. График изменения мгновенной угловой скорости двигателя: Т - период срабатывания цилиндров

В идеальном случае функция изменения частоты вращения имеет периодический характер не только по циклам дизеля, но и по каждому цилиндру в отдельности, что говорит о равномерной их загрузке.

Информацию о процессе в камере сгорания несёт форма импульса прироста частоты вращения. Таким образом, теоретически можно восстановить информацию о крутящем моменте и давлении в цилиндре как функции от угла поворота вала. Эти параметры являются достаточными для анализа большинства процессов в камере сгорания, в чем и состоит суть всех методов диагностики по неравномерности частоты вращения.

В маломощных двигателях используются простейшие алгоритмы обработки информации. Например, вычисляется разность между максимальной и минимальной частотами вращения в течение цикла дизеля, и если она становится слишком большой, то выдается сигнал тревоги.

Однако поведение угловой скорости в рассматриваемом типе дизельных двигателей существенно отличается от показанного на рис. 1 по ряду факторов, и поэтому восстановление крутящего момента и давления в цилиндре является практически неразрешимой задачей.

Исследования были проведены на тепловозном двигателе 16ЧН26/26 (серия Д49), мощностью 2940 кВт (4000 л.с.). Двигатель оснащен шестнадцатью цилиндрами и применяется на отечественных тепловозах ТЭП70 и 2ТЭ116.

Тепловозный дизель является сложной системой, для нормального функционирования которой введено множество подсистем. В таких двигателях более проработаны система охлаждения и смазки, топливная система, турбонаддув. Нагрузкой является электрический генератор.

Применительно к частоте вращения основные отличия от менее мощных двигателей состоят в следующем:

1) наличие антивибратора;

2) большое количество цилиндров.

Антивибратор предназначен для снижения напряжения в коленчатом вале, возникающего вследствие колебаний от срабатывания цилиндров или каких-либо других источников. В дизелях типа Д49 применяются антивибрационные агрегаты различной конструкции, выбор которой определяется уровнем и характером этих колебаний. Однако амплитудно-частотная характеристика антивибратора имеет множество резонансных

пиков. Сама механическая конструкция не позволяет достоверно описывать её линейными моделями. Таким образом, задачу уменьшения крутильных колебаний антивибратор выполняет, но при этом классическая частотная диагностика не дает результатов из-за непредсказуемого поведения спектра угловой скорости.

Использование большого количества цилиндров уменьшает относительный крутящий момент каждого из них, что снижает неравномерность частоты вращения. К сравнению, если на обычных 4-6-цилиндровых двигателях неравномерность частоты вращения около 5%, то на 16-цилиндровых - около 0,7%. Чем ниже неравномерность, тем «спокойнее» работает двигатель, однако исследовать при этом поведение цилиндров становится сложнее.

Рис. 2. Усредненная выборка частоты вращения коленчатого вала

Большинство современных дизельных двигателей являются четырёхтактными, т.е. период срабатывания всех цилиндров составляет два оборота коленчатого вала. Колесо модулятора датчика имеет 124 зуба. Частота вращения измеряется не непрерывно, а через короткие промежутки времени. Из полученных выборок находится усредненная выборка. Разумеется, двигатель работает в одном режиме. Длительность выборки - один цикл, т.е. включает 248 значений. Пример показан на рис. 2.

Из графика угловой скорости нельзя выделить ни моменты срабатывания цилиндров, ни какую-либо другую полезную информацию. Высокая колебательность обусловлена наличием крутильных колебаний. Так как коленчатый вал в многоцилиндровых У-образных двигателях достаточно длинный, то при срабатывании цилиндра между шатуном и нагрузкой возникает упругая связь. На рис. 3 показана импульсная переходная характеристика системы, построенная по модели, учитывающей реакцию вала. За входное воздействие принимается крутящий момент шатуна, а выходная величина - ускорение коленчатого вала со стороны передающей муфты. Поэтому угловое ускорение и угловая скорость в многоцилиндровых V-образных двигателях носят колебательный характер, что является реакцией на импульсные воздействия, к которым можно отнести как вспышки в цилиндрах, так и некоторые виды поломок.

Так как крутящий момент (за вычетом сопротивления) на валу дизеля пропорционален не угловой скорости, а ускорению, перейдем к этой величине (рис. 4), используя формулу численного дифференцирования:

£[/] = -

где ' - текущая точка в выборке; ^[к] и ш[к] - угловое ускорение и скорость в к-й точке;

Т - период между точками.

і......................................і..........................................і.......................................і........................................і

1 2 3 4 5 6 7

Время, мс

Рис. 3. Импульсная переходная характеристика углового ускорения коленчатого вала

Механизму определения производной следует уделять особое внимание, т.к. многие методы обладают фильтрующими свойствами. Импульсная переходная характеристика вала на крутящий момент на входе и угловое ускорение на выходе имеет сильный колебательный характер, как показано на рис. 3. Причем частота и скорость затухания зависят от места приложения крутящего момента.

Если импульсная характеристика имеет колебательный характер, то фильтрация и усреднение уничтожат потенциально полезную информацию. Например, на определенном угле поворота коленчатого вала из-за поврежденного зуба в зубчатой передаче происходит небольшое заклинивание. Коленчатый вал на такое воздействие отвечает не апериодическим снижением частоты вращения, как можно предположить, а вибрацией. В то же время, если в выборке углового ускорения остаются высокочастотные гармоники, то сильно выделяются высокочастотные шумы, усиливающиеся при взятии производной. Экспериментально была найдена граничная частота, когда фильтруются все гармоники до 70 (из 124 исходных).

___________I___________I___________I__________I__________

О 50 100 150 200

Зубья

Рис. 4. Угловое ускорение за один цикл дизеля

Из графика углового ускорения также визуально нельзя выделить полезной информации, поэтому полученные данные требуют обработки. Предложен способ, позволяющий учесть колебательные отклики вала. Производится поэтапное вычисление некоторой вспомогательной функции. На первом шаге каждая точка вектора ускорения возводится в квадрат:

P[i] = ад2.

Этим достигается единство знака, а на втором, для большей наглядности, происходит усреднение методом скользящего среднего с отклонением в каждую сторону на 1 точку. Важно, что в этом случае фильтрация уже не опасна. Результаты обработки показаны на рис. 5, в диапазоне от 1 до 124 зубьев модулятора происходит первый оборот вала, остальные точки относятся ко второму обороту. На всем диапазоне работают разные цилиндры, потому что двигатель четырехтактный.

Рис. 5. Вспомогательная функция от ускорения коленчатого вала

Такое представление измерений уже поддается интерпретации. Так, например, поля 5 и 5’ имеют довольно большие пики, говоря о нечеткости в работе. На практике вероятность их появления вследствие вспышек в цилиндрах равна вероятности одинаковой неисправности двух симметричных цилиндров, т. е. очень мала. Такое поведение может быть вызвано либо механическим воздействием на коленчатый вал (о чем говорилось выше), либо большим технологическим разбросом зубьев на модуляторе

датчика частоты вращения, что дает ложную информацию об угловой скорости. Область 4’ более полога, следовательно, возможна недостаточная загрузка цилиндра в ней. Однако, в целом, такое представление имеет недостаток - пользователю предлагается только квадрат ускорения, и нет информации о том, прикладывается крутящий момент к коленчатому валу или снимается с него.

Важно отметить, что в случае недостаточной фильтрации на стадии взятия производной можно получить результат, показанный на рис. 6. Левая и правая части почти идентичны, что вызвано большим влиянием высокочастотных составляющих от технологического разброса зубьев на венце модулятора.

Из сделанных выше наблюдений может быть реализован формализованный критерий фильтрации выборки углового ускорения, основанный на том, что при правильно подобранной граничной частоте фильтра левая и правая части графика будут иметь разные формы.

Зубья

Рис. 6. Вспомогательная функция от ускорения коленчатого вала при неверной фильтрации

Предложен способ, позволяющий ликвидировать описанные выше затруднения. Искажения, вносимые неточностью зубьев модулятора, а также многие другие воздействия проявляются одинаково на каждом обороте. Следовательно, вычитание углового ускорения на втором обороте коленчатого вала из первого оборота (см. рис. 7) устраняет периодические факторы. Фактически, после такой обработки остается только информация, вызванная различием в работе цилиндров. В результате остаются 124 точки:

т = ф] -Ш +124],

где /=0..123 - текущая обрабатываемая точка; £[/] - фильтрованный сигнал ускорения.

В представленном графике отсутствуют сильно выделяющиеся пики, таким образом, можно сделать вывод, что каждый цилиндр работает в пределах нормы. Можно только отметить небольшие колебательные движения. Это можно объяснить тем, что в двигателе попеременно срабатывают цилиндры правого и левого рядов, и загруженность одного из них несколько выше.

Сигналом неисправности служит появление ярко выраженных пиков на графике. Пороговая граница, в пределах которой двигатель находится в норме, может быть выставлена вручную, или, например, на основании критерия Грэббса. Для этого нужно сформировать дробь «типа Стьюдента»

V = Хтахл- х ,

а

л

где хтах - максимальное значение в выборке; х - среднее значение в выборке; а -среднее квадратичное отклонение.

Рис. 7. Разность угловых ускорений. Вертикальные линии - метки срабатывания цилиндров

По заданному объему выборки N и доверительной вероятности Р необходимо найти в таблице Грэббса число Если окажется у>у^ то Хтах следует отбросить, как наблюдение, содержащее грубую ошибку; а если у<у^ то Хтах можно оставить. Если подозрение вызывает минимальное из чисел Хт;п, то дробь следует видоизменить

V =

Х - Хт

Однако в данном методе можно только локализовать пару цилиндров, среди которой один является неисправным. К примеру, если в какой-то области появилась выделяющаяся зона с положительным значением, то это означает либо перегрузку одного из цилиндров на первом обороте, либо недостаточную загруженность симметричного цилиндра на втором обороте.

Таким образом, разработана методика диагностики мощных многоцилиндровых двигателей внутреннего сгорания по неравномерности частоты вращения. Предложены два способа обработки данных частоты вращения, учитывающие особенности работы мощных дизельных двигателей. Оба способа не требовательны к вычислительным ресурсам и могут быть реализованы на базе большинства современных микроконтроллеров, в том числе и начального уровня. На сегодняшний день остается не решенной задача дальнейшей формализации методов, позволяющей исключить неоднозначности результатов, требующей принятия окончательного решения оператором.

ЛИТЕРАТУРА

1. Колчин А.И. Расчет автомобильных и тракторных двигателей: учеб. пособие для вузов. 2-е изд., перераб. и доп. / А.И. Колчин, В.П. Демидов. М.: Высшая школа, 1980. 400 с.

2. Кренделл С. Случайные колебания / С. Кренделл. М.: Мир, 1967. 346 с.

3. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. 3-е изд., перераб. и доп. / Б.Р. Левин. М.: Высшая школа, 1989. 189 с.

4. Рандалл Р.Б. Частотный анализ / Р.Б. Рандалл. Дания: ДК-2850 Нэрум, 1989.

379 с.

5. Гоц А.Н. Научные основы расчета и ускоренных испытаний деталей кривошипно-шатунного механизма тракторных дизелей на стадии проектирования: дис. ... доктора техн. наук / А.Н. Гоц. Владимир, 2004. 175 с.

Трюбер Сергей Сергеевич -

аспирант кафедры «Электротехника и электроника»

Саратовского государственного технического университета Статья поступила в редакцию 20.06.07, принята к опубликованию 05.09.07