Стендовое устройство по выявлению высокочастотных колебаний давления масла в системе смазки дизельных двигателей

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Предлагаемая полезная модель относится к устройствам для измерения давления с одновременным выявлением высокочастотных колебаний давления масла в системе смазки дизельных двигателей, возникающих вследствие работы клапана системы смазки (также в технической литературе используются термины «дифференциальный клапан», «редукционный клапан») и может использоваться для стендовых приемо-сдаточных или лабораторных испытаний двигателя, а также в стендах испытания масляных насосов с целью принятия решения о годности к эксплуатации.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Полезная модель направлена на выполнение задачи по обеспечению назначенного ресурса ДВС, предотвращению аварийных отказов связанных с нарушением смазки его деталей на основе исследований и устранении колебаний возникающих в системе смазки. Производители исследуют процессы в системе смазки ДВС, снижают величину колебаний давления в ней, тем самым обеспечивают неразрывность масляного потока и, как следствие, надежность и ресурс двигателей на протяжении всего жизненного цикла изделия.
ПРЕДПОСЫЛКИ СОЗДАНИЯ ПОЛЕЗНОЙ МОДЕЛИ
Система смазки дизельного двигателя КамАЗ комбинированная, с «мокрым» картером (Фиг. 1) [1] и включает в себя: масляный насос 3, картер масляный 1, фильтр очистки масла (состоящий из полнопоточного 4 и частичнопоточного 9 фильтроэлементов), водомасляный теплообменник 7, масляные каналы в блоке и головках цилиндров, передней крышке и картере маховика, наружные маслопроводы, маслозаливную горловину, клапаны 2, 5, 6, 10 для обеспечения нормальной системы и контрольные приборы 8.
Масляный насос является отдельным агрегатом, устанавливаемым на площадку стенда или блока цилиндров, приводится во вращение при помощи шестерни от ведущей шестерни стенда или коленчатого вала. Внутри корпуса маслонасоса расположены качающие шестерни, создающие давление и определенный расход масла, и которые подают масло в главную масляную магистраль двигателя. В корпусе насоса установлены также предохранительный клапан 10 и клапан системы смазки или дифференциальный клапан 2.
Предохранительный клапан предназначен для ограничения максимального давления на выходе из насоса, отрегулированный на давление открытия 0,85-0,89 МПа [1], а клапан системы смазки или дифференциальный клапан должен поддерживать рабочее давление в главном масляном канале 0,40-0,45 МПа.
Особенностью работы клапана системы смазки является возникновение режимов, при которых перемещение клапана становится независимы от давления, создаваемого в данный момент насосом из-за запаздывания по времени управляющих сигналов давления. Возникают колебательные движения клапана от упора до упора влево и вправо при работе масляного насоса, что способствует возникновению колебаний давления масла в системе из-за открытия и закрытия канала слива масла из области высокого давления, что приводит к резким перепадам давления в смазочной системе и снижению производительности масляного насоса на двигателе. Как следствие, среднее давление снижается ввиду расходования запаса производительности масляного насоса, а по мере изнашивания двигателя в эксплуатации, средние характеристики колебательного изменения давления на номинальном режиме быстрее снижаются до критического уровня 0,25 МПа. Кроме того, из-за автоколебаний происходят забросы давлений в сторону высоких и низких значений (в т.ч. до нуля или отрицательных значений), хотя и при высокой частоте 50 Гц, также отражающиеся на гидродинамике потоков, их сплошности, снижении работоспособности двигателя [3, 5].
Колебательное изменение давления масла на практике не контролируются ни при испытаниях насоса, ни при диагностировании двигателя, а ограничиваются двумя параметрами: давление на минимальных частотах должно быть не менее 0,11÷0,12 МПа и на номинальном режиме при температуре масла 75÷85 градусов - не менее 0,35÷0,4 МПа [4].
Традиционно в системах смазки, в частности автомобильных двигателей внутреннего сгорания, применяются манометрические датчики давления масла, сигнал которых с помощью дополнительных устройств преобразуется в электрический, подаваемый на прибор, установленный на пульте.
Однако возникает необходимость знать не усредненные показатели давления масла, выдаваемые манометрическими датчиками давления масла, а мгновенные значения провалов или пиков давления, например в работе [5] приводятся результаты исследований по замеру давления в главной масляной магистрали на двигателях КАМАЗ-740.10 и 7405 и измерения величины колебаний (осциллограммы давления масла и параметры подачи смазки при работе двигателя по внешнескоростной характеристике представлены на Фиг. 2 - Фиг. 3). Аналогично в работе [2 (стр. 15-18)] описывается опыт доработки редукционного (сливного) клапана на двигателях ЯМЗ-238 и причины модернизации масляных насосов на данном двигателе с целью исключения колебаний давления масла в масляной системе.
Описываемое в полезной модели устройство позволяет выявлять высокочастотные колебания давления масла в системе смазки при различных режимах работы двигателя, возбуждаемых дифференциальным клапаном масляного насоса и на основании полученных данных принимать решение о годности двигателя или маслонасоса к эксплуатации.
ПАТЕНТНЫЕ ДОКУМЕНТЫ
Известно контрольное приспособление КИ-13936 для диагностирования смазочной системы двигателя, состоящее из эталонного манометра, соединительного шланга и накидной гайки [6]. Приспособление позволяет проверить давление в главной масляной магистрали двигателя или любой точке испытательного стенда при работе и правильность показаний прибора на стенде при испытаниях.
Однако данное приспособление замеряет только среднее значение давлений, без учета высокочастотных колебаний давлений и может использоваться в качестве контроля работы штатного манометра.
Также известно устройство для измерения давления масла в каналах систем смазки двигателей, машин и их агрегатов, содержащее пьезометрические трубки, количество которых соответствует числу участков измерения, отличающееся тем, что верхние концы трубок размещены в общем коллекторе, в который подается под заданным давлением сжатый воздух, а нижние концы индивидуально соединены с участками замеров, при этом разница давлений масла между участками замеров определяется по разнице уровней масла в трубках, а численные значения величин давления масла определяется как сумма произведения высоты масла каждого столба на удельный вес масла и давления воздуха в коллекторе [7]. Устройство информативно и позволяет измерять низкие величины давлений, а также сравнивать различные участки систем, но не позволяет улавливать высокочастотные колебания, и требует серьезной доработки двигателя.
Прототипом полезной модели выбран индикатор неразрывности потока жидкости, в герметичном корпусе которого, связанном с главной масляной магистралью, размещена упругая мембрана, взаимодействующая с преобразователем величины ее механических перемещений в электрические сигналы, соответствующие ее перемещениям, отличающийся тем, что индикатор содержит второй преобразователь для преобразования аналоговых сигналов в дискретные, которым служит электронная микросхема, подключенная своим входом к выходу первого преобразователя, а выходами - к средствам дискретной индикации на приборном щитке [8].
Однако данное устройство не рассчитано для выявлений высокочастотных колебаний давления масла и не способно отражать прерывистые кратковременные сигналы, которые усредняясь, сливаются в среднее давление.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ И ИНЫХ МАТЕРИАЛОВ
Для обнаружения колебаний давления масла в системе смазки дизельных двигателей КАМАЗ, вследствие работы дифференциального клапана масляного насоса, предлагается устройство, устанавливаемое на стенд испытания двигателей или масляных насосов, преобразующее колебательное давление масла в главной масляной магистрали двигателя (масляной магистрали стенда для испытания масляных насосов) в электрический сигнал и передающее результаты измерений через преобразователь на экран компьютера или жидкокристаллический дисплей на приборном щитке испытательного стенда (Фиг. 4).
Техническим результатом предложенного устройства является возможность обнаружения колебаний давления в системе смазки двигателя, возбуждаемых при срабатывании дифференциального клапана масляного насоса, визуальное определение амплитуды колебаний давления масла и принятие, на основе полученной информации, решения о годности масляного насоса к эксплуатации.
Согласно полезной модели предложено устройство измерения и контроля колебаний давления масла в системе смазки, в котором для выявления несоответствий в виде высокочастотных колебаний давления масла, возбуждаемых при срабатывании дифференциального клапана масляного насоса, устройство содержит пьезоэлектрический датчик динамического давления, вмонтированный в канал высокого давления на выходе из масляного насоса, с которого сигналы выводятся на средства индикации, показывающие недопустимую величину амплитуды колебаний, на основании которых параметр давления и масляный насос признаются годными или непригодными для эксплуатации.
Устройство, встраивается в стенд испытания двигателей или масляных насосов. Источником информации является пьезоэлектрический датчик 11 Фиг. 4 динамического давления с частотой выборки более 2 кГц установленный в области высокого давления за масляным насосом, предпочтительно в конструкцию стенда, или маслоканалы двигателя при лабораторных исследованиях.
Пьезоэлектрический датчик динамического давления преобразует давление масла в магистрали высокого давления 12 в электрический сигнал, и передает, полученную информацию, через микроконтроллер 13 на компьютер или приборный щиток испытательного стенда 14.
Устройство работает следующим образом.
Пьезоэлектрический датчик динамического давления 11 вкручивается вместо одной из заглушек масляной магистрали испытательного стенда. С помощью проводов микроконтроллер подключается к датчику и средствам индикации, которыми может служить как экран компьютера, так и жидкокристаллический дисплей на приборном щитке испытательного стенда.
С началом работы двигателя масло в масляной магистрали 12 воздействует на мембрану датчика 11, величина прогиба которой преобразовывается в электрические сигналы, подаваемые на микроконтроллер 13. Полученная информация с датчика, после преобразования в микроконтроллере, выводится на экран компьютера или приборный щиток испытательного стенда 14.
Выявление колебаний давления масла в системе смазки дизельных двигателей КАМАЗ проводят при температуре масла и частоте вращения коленчатого вала, обеспечивающих срабатывание дифференциального клапана.
Для контроля работоспособности масляного насоса аналогично имеется возможность установки данного устройства в масляную магистраль стенда испытаний масляных насосов.
При проведении испытаний двигателя (по инструкции) наряду с измерением всех параметров стенда, в том числе среднего давления производится выявление несоответствий в виде колебаний давления масла в масляной системе, возникающих вследствие работы дифференциального клапана.
Если колебания обнаруживаются, двигатель снимается на переборку для замены маслонасоса по причине отсутствия или малого запаса производительности и автоколебаний. Снятый маслонасос регулируется на стенде с заменой элементов.
В результате в эксплуатацию не выпускается ДВС с несоответствием в виде колебаний с низкой и высокой ветвью давления, а также сниженным запасом производительности маслонасоса.
Предложенное устройство соответствует условию промышленной применимости и потребностям проводимых научно-исследовательских и опытно-конструкторских работ при совершенствовании существующих машин и проектировании новых, а также при производстве и ремонте двигателей.
Сущность изобретения поясняется чертежами, схемой.
На Фиг. 1 - Схема смазочной системы двигателя КАМАЗ [2]: 1 - картер масляный; 2 - клапан системы смазки; 3 - насос масляный; 4 - полнопоточный фильтр очистки масла; 5 - термоклапан; 6 - перепускной клапан; 7 - водомасляный теплообменник; 8 - приборы контроля; 9 - частичнопоточный фильтроэлемент; 10 - клапан предохранительный.
e
м
min
max
1
2
3
1
2
3
-1
2
2
На Фиг. 2 - Осциллограмма давления масла на входе в коренной подшипник двигателя КАМАЗ-740.10 при частоте вращения n=2000 мин и среднем давлении масла Р=3,3 кг/см: τ - время, мкс, Р, P , P - разброс давления в масляной системе, кг/см, Т, Т, Т - время цикла, мкс, n, n, n - частота колебаний давления масла, Гц.
min
max
e
2:
2
-1
На Фиг. 3 - Параметры подачи смазки при работе двигателя КАМАЗ-740.10 по внешнескоростной характеристике: P , P - амплитуда высокочастотных колебаний давления в масляной системе, кг/смР - среднее давление в масляной системе, кг/см, n- обороты двигателя, мин.
На Фиг. 4 - Стендовое устройство измерения высокочастотных колебаний давления масла в системе смазки дизельных двигателей: 11 - пьезоэлектрический датчик динамического давления, 12 - главная масляная магистраль, 13 -микроконтроллер, 14 - компьютер или средства индикации на приборном щитке испытательного стенда.
ПОЗИЦИИ НА СХЕМАХ
Таблица 1
Позиция
Обозначение
1
картер масляный
2
клапан системы смазки
3
насос масляный
4
полнопоточный фильтроэлемент
5
термоклапан
6
перепускной клапан
7
теплообменник масляный
8
приборы контроля
9
частичнопоточный фильтроэлемент
10
клапан предохранительный
11
пьезоэлектрический датчик динамического давления
12
главная масляная магистраль
13
микроконтроллер
14
компьютер или средства индикации на приборном щитке испытательного стенда
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Руководства по эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту. Двигатели КамАЗ: 740.11-240, 740.13-260, 740.14-300, 740.30-260, 740.50-360, 740.57-320, 740.50-3901001КД. Набережные Челны: ОАО «КамАЗ», 2002. 247 с.
2. Конструктивно-технологические методы обеспечения надежности двигателей / М.А. Григорьев, В.А. Долецкий. М.: Изд-во стандартов, 1973. 60 с.
3. А.Т. Кулаков, А.С. Денисов, А.А.: Обеспечение надежности автотракторных двигателей. Научная монография/ Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т, 2007. - 422 c.
4. Автомобиль КАМАЗ-4310 (43101), 43105 (43106). Руководство по среднему ремонту. 4310-3902001РС, Набережные Челны: ОАО «КамАЗ», 2010. 272 с.
5. Никишин В.Н. Формирование и обеспечение качества автомобильного дизеля. Часть II, ГОУ ВПО «Камская госуд. Инж.-экон. акад.», г. Набережные Челны, 2008 - 175 с.
6. Ананьин А.Д., Михлин В.М., Габитов И.И., Неговора А.В., Иванов А.С., Диагностика и техническое обслуживание машин. - М.: Издательский центр «Академия», 2008, с. 148-149.
7. Патент RU 202696 U1 МПК G01L 7/00 (2006.01) от 03.03.2021. Описание полезной модели к патенту. Устройство для измерения давления масла в каналах систем смазки двигателей, машин и их агрегатов.
8. Патент RU70703U1 МПК F16N 29/00 (2006.01) от 2008.02.10. Описание полезной модели к патенту. Индикатор неразрывности потока жидкости.