Математическая модель работоспособности тяговых реле автотракторных стартеров

Математическая модель работоспособности тяговых реле автотракторных стартеров

М.И. Филатов, д.т.н., профессор, А.В. Пузаков, к.т.н., А.Д. Киданов, магистрант, ФГБОУ ВО Оренбургский ГУ

Автотракторный стартер, служащий для сообщения двигателю внутреннего сгорания начальной частоты вращения, является довольно надёжным устройством, срок службы которого сопоставим со сроком службы автомобиля и трактора. Однако в процессе эксплуатации в работе стартеров рано или поздно возникают неисправности, нередко приводящие к их отказам.

Отказ автотракторных стартеров автоматически приводит к невозможности тронуться с места, что при неблагоприятном стечении обстоятельств (например, неожиданной остановке автомобиля или трактора на оживлённом перекрёстке или железнодорожном переезде) может создать риск возникновения ДТП. Следовательно, возникает необходимость своевременного определения технического состояния автотракторных стартеров без снятия с транспортного средства.

В составе автотракторных стартеров принято выделять: электродвигатель, служащий для сообщения маховику ДВС вращающего момента; механизм привода, вводящий шестерню в зацепление с маховиком и тяговое реле, во-первых, передающее усилие на механизм привода стартера и, во-вторых, подключающее электродвигатель к аккумуляторной батарее. Таким образом, от работоспособности тягового реле непосредственно зависит возможность запуска ДВС.

Целью исследования является анализ структурной схемы тяговых реле автотракторных стартеров

и разработка на её основе математической модели работоспособности.

Материал и методы исследования. На рисунке 1 представлена структурная схема тягового реле автотракторного стартера, из которой следует, что элементы тягового реле, связанные потоком электрической (электромагнитной) энергии, образуют замкнутый контур. Следовательно, отклонение рабочих параметров любого из этих элементов (крайний случай — выход из строя) приведёт к уменьшению вероятности надёжного запуска ДВС. Можно сказать, что тяговое реле обладает последовательно-параллельной схемой надёжности [1].

Основными неисправностями автотракторных стартеров являются: обрывы и замыкания обмоток электродвигателя (13%), пробуксовка обгонной муфты (10%), закоксовывание механизма привода стартера (12%), износ втулок подшипников и щёток (21%), поломка буферной пружины (5%) и встроенного редуктора (9%), повреждение зубьев шестерни (7%), неисправности тягового реле (18%) и другие [2—6].

Результаты исследования. Структура неисправностей тяговых реле автотракторных стартеров представлена на рисунке 2.

Обмотки тяговых реле характеризуются структурными и диагностическими параметрами: масса, размеры, электрическое сопротивление, сопротивление изоляции, температура обмотки [7].

Втягивающая обмотка тягового реле предназначена для создания электромагнитной силы, следовательно, можно осуществить следующие преобразования:

F - ^эм ~~ Für

Механизм привода стартера

Кво-^во Лион

Кя„ - пни

Втягивающая

ОЁМОТКЗ

J_

Аккумуляторная батарея

ш

/Ш№

^эм

= /  ш.

i

1

I

II

Контакт тягового

гцр

Якорь реле

VVVW

\

1

I

ы->

Jfyn'-iOyq -t iii'LiH

Д.., — ища1

Удерживающая обмотка

JL

Э лектродви гатель стартера

J L Ос = [/в - ДУТР

Рис. 1 - Структурная схема тягового реле стартера

Рис. 2 - Структура неисправностей тяговых реле автотракторных стартеров

Рис. 3 - Схема замещения

втягивающей обмотки

I 1,2

га с;

га

I

н

0,8

0,6

си с;

га 0

§ 5

Рис.

<

Работоспособное состояние

\

ЭМ

= 1а>

О

Точки отказа

КЗ обмотки

*•.....

Обрыв обмотки

0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5

Удельное сопротивление втягивающей обмотки, Рво /Рвон

4 - Взаимосвязь между техническим состоянием втягивающей обмотки тягового реле и её электрическим сопротивлением

?эы = 1  ^

I=

Кп

Рэм =

Кп

где ¥ЭМ — электромагнитная сила, А; I — сила тока обмотки, А; №ВО — количество витков втягивающей обмотки; ЯВО — сопротивление втягивающей обмотки, Ом;

иб — напряжение бортовой сети, В.

Из формулы (1) следует, что электромагнитная сила втягивающей обмотки зависит от её сопротивления. В то же время все основные неисправности обмотки (межвитковые замыкания, замыкания на корпус, обрыв обмотки) приводят к его изменению [8]. Следовательно, структурный параметр —

электрическое сопротивление обмотки — является также её диагностическим параметром.

К изменению сопротивления обмотки приводит изменение сопротивления изоляции: межвитковой и корпусной [5, 6]. Графически схему замещения втягивающей обмотки можно представить, как показано на рисунке 3.

В исправном состоянии сопротивление корпусной и межвитковой изоляции (десятки мегаОм) намного превышает сопротивление втягивающей обмотки (доли Ома) и не оказывает на неё влияния. В случае значительного снижения сопротивления изоляции под действием дестабилизирующих факторов (попадание влаги, повышенная температура, коррозионные вещества) происходит межвитковое замыкание или замыкание на корпус, приводящее к снижению сопротивления обмотки, как показано на рисунке 3.

Исходя из этого математическая модель втягивающей обмотки примет вид:

\?эм — f

1rbo ^ rboh при rku, rmu ^ max а условие её работоспособности:

rbo — rboh

исправное состояние

вон во ? jlвон

работоспособное состояние

0,5 • RBOH > RBO - замыкание обмотки

ЯВО > 2,0 • ЯВОН - обрыв обмотки.

Так как втягивающая обмотка должна создать усилие 1ЭМ, превышающее усилие возвратной пружины 1ПР, то его снижение ниже этой величины можно считать критерием отказа обмотки. На рисунке 4 показаны две точки, в которых втягивающая обмотка перестаёт выполнять свою функцию, причём правая соответствует условному обрыву обмотки, а левая — условному замыканию.

Аналогичные выкладки характерны и для удерживающей обмотки, с той лишь разницей, что создаваемое ей усилие служит только для удержания якоря тягового реле в притянутом состоянии.

Напряжение, поступающее на стартерный электродвигатель через контакты тягового реле, можно записать в следующем виде:

\и с = и Б -АПТР

[дигр = / ^, ЯКТР У

где иС — напряжение на стартерном электродвигателе, В;

АиТР — падение напряжения на контактах тягового реле, В;

ККТР — сопротивление контактов тягового реле, Ом;

Iк — усилие контактной пружины, Н.

Тогда условие работоспособности контактов тягового реле обозначим как:

^К < ^ плохой контакт

ЯКТР = 0 ^ сваривание контактов реле

ЯКТР > ЯКТРН ^ окисление контактов реле.

Таким образом, сводная математическая модель работоспособности тяговых реле автотракторных стартеров будет выглядеть следующим образом:

) F — f3m fnp — f (rbo, Ryo ) fnp

1uc — Uб - AUтр — Uб - f

где I'ПР — усилие возвратной пружины, Н;

КУО — сопротивление удерживающей обмотки, Ом.

Выводы. 1. Неисправности тяговых реле автотракторных стартеров приводят к невозможно-

сти осуществления надежного пуска двигателеи внутреннего сгорания, что при неблагоприятном стечении обстоятельств может создать риск возникновения ДТП. Анализ структурной схемы тяговых реле автотракторных стартеров и разработка на ее основе математической модели работоспособности является актуальной задачей.

2. Элементы тягового реле, связанные потоком электрической (электромагнитной) энергии, образуют замкнутый контур. Отклонение рабочих параметров любого из этих элементов (крайний случай — выход из строя) приведёт к уменьшению вероятности надёжного запуска ДВС.

3. Электрические сопротивления обмоток тяговых реле являются одновременно структурными и диагностическими параметрами. Критические значения электрических сопротивлений соответствуют отказам обмоток тягового реле — неспособности выполнять заложенные функции.

4. Разработанная математическая модель работоспособности тяговых реле включает величину развиваемого усилия и падение напряжения на контактах, как управляемые величины для механизма привода и стартерного электродвигателя соответственно.

5. Дальнейшие исследования будут направлены на получение обобщённой математической модели работоспособности автотракторных стартеров в целом. Полученные результаты способствуют развитию метода диагностирования автотракторных стартеров без снятия их с двигателя.

Литература

1. Сергеев А.Г., Ютт В.Е. Диагностирование электрооборудования автомобилей. М.: Транспорт, 1987. 157 с.

2. Филатов М.И., Пузаков А.В., Киданов А.Д. Разработка и обоснование метода диагностирования автотракторных стартеров // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2017. № 4 (66). С. 118—121.

3. Феофанов С.А., Бухтеев П.И., Денисов И.М. Исследования по совершенствованию тягового реле автомобильного стартера // Экспериментальные и теоретические исследования в современной науке: сб. стат. по матер. I междунар. науч.-практич. конф. / Ответств. редактор М.А. Васинович. Новосибирск, 2017. С. 76-83.

4. Рау А.И. Шаблон-дефекты автомобильного стартера // APRIORI. Серия: Естественные и технические науки. 2015. № 5. С. 23.

5. Пузаков А.В., Киданов А.Д. Разработка метода диагностирования автомобильных стартеров // Проблемы исследования систем и средств автомобильного транспорта: сб. статей. Вып. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2017. С. 99-105.

6. Пузаков А.В., Киданов А.Д. Разработка метода диагностирования автомобильных стартеров // Перспективные направления автотранспортного комплекса: сб. статей IX Междунар. науч.-производств. конф. Пенза: РИО ПГСХА, 2016. С. 44-49.

7. Северин А. А. Математическое моделирование нештатных режимов работы стартеров // Автотракторное электрооборудование. 2004. № 3. С. 21-23.

8. Путилкин К.И., Крутько О.А. Оценка надёжности автомобильного стартера // Наука и образование: векторы развития: матер. I Междунар. науч.-практич. конф. Чебоксары, 2013. С. 729-731.