Методологические аспекты научных исследований по созданию способа дистанционного теплового контроля мощностных показателей мобильного сельскохозяйственного агрегата

Смазка поверхностей трения производилась смачиванием маслом, залитым в испытательную камеру. Исследование производилось на масле М8 группы В класса вязкости SAE 20 (ГОСТ 10541 - 78, ТУ 0253- 001 - 03474138 - 97). Масла этого типа рекомендованы для бензиновых и среднефорсированных автотракторных дизелей.

В качестве антифрикционной добавки применялась антифрикционная добавка марки ЭРС, разработанная Уральской инновационной компанией. Добавка ЭРС представляет собой разновидность антифрикционных добавок - геомодификаторов трения.

В процессе испытаний измерялся момент трения (с точностью 0,1 Нм) и определялись параметры шероховатости рабочей поверхности ролика по ГОСТ 25142-82 и ISO 4287-1997. Параметры шероховатости определялись прибором MITUTOYO " Surftest SJ-301". Результаты испытаний показаны на рис. 2 в виде зависимости коэффициента трения от величины безразмерного комплекса, характеризующего шероховатость поверхности.

Как следует из графика, результаты экспериментальных исследований полностью совпадают с результатами расчётов.

Таким образом, математическую модель коэффициента трения можно использовать для анализа эффективности применения геомодификаторов смазочных материалов в узлах трения машин.

Литература

1. Погодаев Л.И., Погодаев Л.И., Телух Д.М. и др. К вопросу использования природных слоистых геомодификаторов в трибосопряжениях // Трение, износ, смазка. - 2014. - Т. 16 - №59. - С. 1-12. URL: http ://www. tribo. га.

2. Кузьмин В. Н. Работоспособность трибосопряжений при использовании смазочных композиций (CK) с добавками - минеральными геомодификаторами трения (ГМТ) // Трение, износ, смазка. - 2009. - Т. 12 -№41. - С. 15-117. URL: http://www.tribo.ru.

3. Крагельский И.В., Крагельский И.В., Добычин Н.М., Комбалов B.C. Основы расчётов на трение и износ - М.: Машиностроение, 1977. - 526с.

4. Сковородни В.Я., Евсеев A.C., Джамилов М.К. Исследование эксплуатационной шероховатости поверхности шеек коленчатых валов двигателей внутреннего сгорания: параметры шероховатости, связанные с высотными свойствами профиля // Известия Санкт-Петербургского Государственного аграрного университета. - 2014. - № 32. - С. 201 - 208.

5. Сковородни, В.Я., Никулин С.А., Брызгалов A.B., Испытания сопряжения сталь - сплав АСМ на износ

// Надёжность и ремонт транспортных и технологических машин в сельском хозяйстве: Сб. научных трудов. / СПбГАУ. - СПб, 2006. - С. 59 - 65.

УДК 621.436-047. 43 Доктор техн. наук А.П. КАРТОШКИН

(СПбГАУ, акайовЫапйуаМех.ги) Канд. техн. наук В.Е. КОЛПАКОВ

МЕТОДОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ НАУЧНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПО СОЗДАНИЮ СПОСОБА ДИСТАНЦИОННОГО ТЕПЛОВОГО КОНТРОЛЯ МОЩНОСТНЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МОБИЛЬНОГО СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОГО АГРЕГАТА

Методология, мобильный сельскохозяйственный агрегат, двигатель внутреннего сгорания, мощностные показатели, тепловые процессы, силовая установка, тепловой контроль

Современная государственная аграрная политика Российской Федерации направлена на устойчивое развитие сельского хозяйства и сельских территорий, под которым понимается, в том числе, и увеличение объема производства сельскохозяйственной продукции, повышение эффективности сельского хозяйства. Основным приоритетом развития механизации сельского хозяйства в современных условиях импортозамещения является наращивание производства качественной сельскохозяйственной продукции, повышение эффективности использования сельскохозяйственной техники при минимальных затратах труда, материалов и средств на единицу продукции, обеспечивающих производственную безопасность Российской Федерации, повышение конкурентоспособности российской сельскохозяйственной продукции [1].

Проблема повышения эффективности использования техники в сельском хозяйстве неразрывно связана с вопросами структурной и параметрической оптимизации агрегатирования сельскохозяйственных машин. Высокопроизводительное использование техники во многом зависит от правильного комплектования мобильных сельскохозяйственных агрегатов (МСА), выбора лучших из них и подготовки к работе. При комплектовании решаются следующие вопросы: выбор рабочих органов, машин, сцепок и тракторов, которые в конкретных условиях обеспечат высокое качество работы; определение состава и режима работы агрегата, обеспечивающих наибольшую производительность и экономичность за счет эффективного использования мощности двигателя; соединение машин, сцепки и трактора в агрегате так, чтобы получить высокие качественные и экономические показатели. Рациональное комплектование невозможно без учета следующих факторов: вид и характеристика обрабатываемой почвы или растений, размеры и рельеф полей, агротехнические требования к выполняемой работе, агротехнологические свойства машин и тракторов, удельное сопротивление рабочих машин, тяговые свойства трактора.

Многообразие исходных данных, обеспечивающих рациональное комплектование, определяет высокую сложность выполнения последнего и, следовательно, диктует необходимость контроля правильности выбора структуры и параметров МСА, обеспечивающих оптимальную загрузку силовой установки.

Однако вследствие высокой трудоемкости, применение существующих методов оценки загрузки трактора затруднительно. Следствием этого является необходимость создания новых методов, позволяющих в короткое время и с минимальными трудозатратами определить рациональность загрузки с учетом видов, типов почв, их состояния применительно к конкретным климатическим условиям.

Дистанционные методы с использованием теплового контроля, основными достоинствами которых являются: высокая информативность, быстродействие, низкие трудозатраты в полной мере отвечают предъявляемым требованиям.

Реализация возможностей современных технических средств сдерживается отсутствием исследований тепловых полей распределения температур на поверхности узлов машины, возникающих при ее работе на различных режимах.

Повышенная термическая нагрузка на детали двигателя выражается через симптом, представляющий собой более высокую температуру деталей. Следовательно, температура деталей является параметром состояния, который до настоящего времени на большинстве автотракторных дизельных двигателей не измеряется. Этот параметр состояния в известной степени связан с температурой выпускных газов. Таким образом, температура выпускных газов может служить диагностическим параметром для состояния «тепловая нагрузка».

Поскольку применение данного метода является абсолютно новым подходом к решению проблемы оптимизации загрузки трактора, требуется как теоретическое обоснование, так и разработка методик широкомасштабного лабораторного и полевого эксперимента, позволяющего осуществить научное обоснование для достижения поставленных целей.

Методологически научно- исследовательская работа может быть разделена на девять основных этапов (рис.1).

Первый этап: теоретическое обоснование процессов теплопередачи силовой установки, включающий в себя синтез математической модели теплопередачи от выпускных газов к стенкам наиболее информативных узлов двигателя внутреннего сгорания (ДВС). В связи с тем, что температурный режим работы двигателя определяется цикловой подачей топлива, полнотой его сгорания и количеством теплоты, отводимой вместе с отработавшими газами, исследование изменения энергии может дать информацию о техническом состоянии двигателя. С этой точки зрения наиболее информативным параметром, характеризующим состояние ДВС, является температура выпускных газов, а доступным узлом для измерения температуры - детали системы газовыпуска.

Основные теплонапряженные детали, образующие систему газовыпуска современных автотракторных двигателей имеют, как правило, сложные геометрические формы, отличающиеся в зависимости от конструкции двигателя. Составляющие их отдельные элементы образуют отдельные конструкции, находящиеся в тепловом взаимодействии.

НАУ *ЛАЯ ЬОНТГГГТТШЯ Опенка степени загрузки мобильного сельскохозяйственного агрегат? при выполнении

пол ев'»и ргбот на осног? примен ння дистанционного контроля епловых показ«* 1ей силовой лстановки

Рис. 1. Методологическая схема научных исследований

Характер теплообмена на поверхностях деталей системы газовыпуска чрезвычайно сложен, и даже приближенное его описание предполагает использование практически всех видов граничных (краевых условий), включая нелинейные. При такой достаточно общей постановке задачи температуру отдельных точек деталей в текущие моменты времени описывает уравнение нестационарной теплопроводности [4]:

сНу

где 1ис- коэффициенты теплопроводности и теплоемкости соответственно; Т- температура точек детали; 1- время; количество тепла, выделяющегося в единице объема внутренними источниками тепла в единицу времени.

Для решения уравний нестационарной теплопроводности добавляют начальное и граничные условия. В качестве начального задают распределение температуры в начальный момент времени 1=0;

ТН = Т

Эксперименты, проводимые исследователями по определению температурного состояния отдельных деталей двигателей внутреннего сгорания самых различных типов и назначений показали, что для большей части деталей, в том числе и компонентов системы газовыпуска, тепловое состояние

при установившихся режимах работы практически не меняется. Изменение температуры, имеющее колебательный характер, распространяется лишь на поверхностные слои материала деталей. Амплитуды колебаний невелики, в автотракторных двигателях не превышают 10-20 °С, а часто ниже. При этом во всех случаях колебания температуры быстро затухают при удалении от тепловоспринимающей поверхности [4].

С учетом вышеизложенного при определении температуры базовых деталей системы газовыпуска, их температурные поля при установившихся режимах можно считать стационарными. Следуя общему методическому подходу к решению задачи, действительные условия нестационарно -периодического теплообмена целесообразно заменять некоторыми стационарными условиями.

Параметры, характеризующие стационарные условия, определяем в этом случае исходя из равенства осредненных по времени нестационарных локальных тепловых потоков в условном стационарном процессе.

С помощью созданной математической модели производится тепловой расчет с целью выяснения значений показателей тепловых полей при дискретно изменяющейся нагрузке на исправном двигателе [2].

Второй этап: создание экспериментальных установок и проведение лабораторных экспериментальных исследований с целью оценки точности прогноза мощностных показателей по значениям тепловых параметров поверхности деталей ДВС. Программа экспериментальных исследований предусматривает системный подход и предполагает проведение как лабораторных и натурных, так и полевых эксплуатационных испытаний.

Широкое разнообразие силовых установок МСА, используемых в современном сельскохозяйственном производстве обусловливает наличие дизелей, отличающиеся следующим: различной степенью форсированности; типом систем охлаждения, питания, газовыпуска, наличием устройств, обеспечивающих подачу воздуха в цилиндры под давлением и пр. Это существенно усложняет задачу унификации при выборе объектов исследования с учетом рациональных материальных затрат на эксперимент. В связи с этим выбор объектов исследования в лабораторном эксперименте остановлен на турбированном дизеле с водяным охлаждением СМД-21 и атмосферном дизеле с воздушным охлаждением Д-144 .

Третий этап: на основе глубоких экспериментальных исследований создание базы тепловых диагностических признаков прогнозирования технического состояния силовой установки с учетом нарушения эксплуатационных регулировок и моделирования неисправностей, влияющих на тепловые показатели ДВС. Ввиду того, что на тепловое поле элементов системы газовыпуска влияют не только эксплуатационные факторы, но и техническое состояние самого двигателя, непременным условием для успешного определения мощностных и экономических показателей тракторного дизеля по тепловым показателям является определение его технического состояния. Процесс изменения технического состояния двигателя в области состояний пригодности детерминирован физическими и химическими процессами. Однако, непосредственное установление границ классов состояний (диагнозов) носит условный характер. Критерии состояния зависят от принятых параметров "качества технического состояния" двигателя. Учитывая, что качество изделий оценивается "степенью обеспечения требований потребителя"- ГОСТ 15467-79, следует отметить, что важнейшими критериями предельного состояния могут быть такие, которые обусловлены эксплуатационными факторами, а именно технические и экономические. В рамках поставленной диагностической задачи наибольший интерес представляет комплексный технический критерий -критерий потери мощности. От момента начала эксплуатации и до момента достижения предельного состояния двигатель будет находиться в различных состояниях (классах). При этом состояние объекта можно условно представить в трех классах:

1 класс - работоспособное состояние- состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих выполнение заданных функций, соответствуют требованиям нормативно- технической и конструкторской документации.

2 класс - параметрическое повреждение пригодности, вызывающее снижение мощности до

10%.

3 класс - предельное состояние, потеря мощности свыше 10%.

Каждому классу соответствуют априорные диагностические признаки, полученные в результате эксперимента.

Четвертых этап: создание диагностической модели классификации технического состояния на основе полученных диагностических признаков, используя методы теории распознавания образов. В результате проведенного анализа методов распознавания образов, установелено, что принципильно для классификации состояния ДВС могут быть использованы математические модели, основанные на методе Байеса; дисперсионного анализа; использования искусственного интеллекта ( создание нейронных сетей). Использование нейронных сетей для определения технического состояния двигателей внутреннего сгорания, в том числе автотракторных, в настоящее время является перспективным направлением, т.к. нейронные сети обладают несомненными преимуществами по сравнению с другими методами распознавания образов, такими как метод Байеса, дискриминантный анализ, метод ближайших соседей и пр. К основным преимуществам математических моделей, основанных на нейронных сетях, в задачах классификации можно отнести высокую гибкость и точность предсказаний, приобретающие важное значение при диагностике технических стохастических систем, к которым можно отнести ДВС. Несомненно, что нейронные сети в состоянии решать сложнейшие задачи, такие как непосредственное определение неисправности конкретной системы двигателя, узла или детали, однако, при использовании диагностики в качестве первого этапа определения фактической загрузки машино- тракторного агрегата (МТА), достаточно решить задачу принадлежности к одному из классов технического состояния.

Пятый этап: Обоснование и разработка методологического подхода, позволяющего использование нейронных сетей при диагностике ДВС.

Создание дистанционного способа классификации технического состояния силовой установки мобильного сельскохозяйственного агрегата. Структура синтеза такого способа показана на рис .2.

Рис.2. Структура дифференциальной диагностики

Шестой этап: разработка дистанционного способа контроля степени загрузки МСА на основе тепловых показателей с учетом возможного класса технического состояния и основных показателей микроклимата внешней среды. Анализ экспериментальныех и экспериментально- расчетных методов определения энергетических показателей мобильных сельскохозяйственных агрегатов в полевых условиях привел к заключению об отсутствии современных бесконтактных методов и средств, позволяющих дистанционно с минимальными сроками и трудозатратами оценить фактическую нагрузку силовой установки МСА. Следствием этого является необходимость создания новых методов, позволяющих в короткое время и с минимальными трудозатратами определить рациональность загрузки трактора с учетом видов, типов почв, их состояния применительно к конкретным климатическим условиям.

Сущность нового способа заключается в измерении тяговых усилий трактора при создании регулируемого усилия сопротивления движению испытуемого трактора, при которм фиксируют

значение полученных нагрузочных показателей, отличающийся тем, что одновременно для каждого из нагрузочных показателей измеряют максимальную температуру выпускной трубы, тепловую нагрузку внешней среды и силу тяги на крюке трактора строят номограмму зависимости температуры выпускной трубы от нагрузочных показателей, тепловой нагрузки внешней среды силы тяги на крюке трактора, в полевых условиях измеряют максимальную температуру поверхности выпускной трубы и по номограмме определяют фактические тяговые усилия трактора.

Седьмой этап: апробация разработанного способа контроля на основе стендовых натурных испытаний. Тестирование точности измерений при использовании разработанного способа. При натурных исследованиях использована экспериментальная установка, включающая в себя трактор Т-25А1 Владимирского тракторного завода с двухцилиндровым двигателем воздушного охлаждения Д-21, лабораторно- стендовые исследования теплопередачи деталей которого проведены ранее [3].

Восьмой этап: уточнение допустимых и оптимальных мощностных режимов силовой установки МСА, с учетом снижения показателей долговечности при увеличении нагрузки. Анализ расчетных методов определения оптимальных и допустимых режимов работы машинно- тракторных агрегатов показал, что минимум удельных эксплуатационных затрат является основным критерием эффективности при обосновании оптимальных нагрузочных режимов. В эксплуатационных расчетах можно использовать оптимальные нагрузочные режимы, установленные по обобщенному критерию -минимуму расхода топлива. Нагрузка оказывает значительное влияние на ресурс силовой установки, трактора или автомобиля в целом и, следовательно, может привести к существенному увеличению эксплуатационных затрат. Таким образом, значения оптимальных нагрузочных режимов требуют уточнения с учетом снижения показателей долговечности при увеличении мощностных показателей.

Девятый этап: эксплуатационные полевые испытания разработанного способа контроля степени загрузки МСА и параметрическая коррекция режимов работы. Для полевых испытаний сформирован МСА, состоящий из трактора МТЗ 82.1 с атмосферным дизелем водяного охлаждения Д-243 и дисковой бороной БДТ-3, обеспечивающей при необходимости нагрузку значительно превышающую номинальную.

Предложенная методология научных исследований позволяет решить проблему эффективного использования МСА на основе научного подхода, использующего новейшие математические и технические средства.

Литература

1. Федеральнвй закон от 24.04.2006 №264 ФЗ "О развитии сельского хозяйства" (в ред. от 12.12.2015)// Российская газета:- 2007. - №2.

2. Колпаков В.Е, Шкорлаков Р.В.Исследоваиие зависимости температуры выпускных газов от мощностных режимов автотракторных дизелей//Известия Санкт- Петербургского государственного аграрного университета.- 2014.-№ 35,- С.289- 294.

3. Николаенко A.B., Колпаков В.Е. Тепловое состояние выпускных клапанов в условиях ускоренных испытаний тракторного дизеля на нагарообразование// Тезисы докл. Всесоюзной научн,-производственнойконференции, Калинин-1986,-С.201-202.

4. Чайнов Н.Д. Тепломеханическая напряженность деталей.-М.: Машиностроение,1976,- 152 с.