Повышение эффективности работы тепловозов средствами бортовых систем диагностирования

Актуальность работы. На железнодорожном транспорте РФ и стран СНГ отказы топливной аппаратуры (ТА) и цилиндро-поршневой группы (ЦГТГ) составляют более 20% [52] от общего количества отказов тепловозных дизелей в эксплуатации. Данный тип отказов является одной из причин перерасхода топлива и в значительной мере определяет периодичность и объем технического обслуживания дизеля.

В настоящее время для оценки технического состояния ТА и ЦПГ используются в основном средства стационарной диагностики, которые требуют значительных затрат времени на выполнение подготовительных операций (постановка тепловоза, подключение датчиков, калибровка каналов и т. д.), поэтому используются нерегулярно, как правило, для локализации отказов, что практически исключает возможность прогнозирования изменения технического состояния узлов дизеля и учета его при планирования объемов ремонта. Плановая ревизия исправного оборудования дизелей без учета его реального состояния приводит к перерасходу средств на техническое обслуживание и увеличению интенсивности приработочных отказов.

Задача непрерывного контроля технического состояния ТА и ЦПГ, а также других узлов дизеля может эффективно решаться средствами бортовой диагностики, однако долгое время их развитие сдерживалось низкой контролепригодностью локомотивов.

Бортовые микропроцессорные системы управления (МСУ) дизель-генераторными установками современных локомотивов (2ТЭ116У, ТЭП70БС, 2ТЭ25К, 2ТЭ25А, 2ТЭ70 и др.) имеют встроенную подсистему диагностики, однако получаемые ею данные для оценки технического состояния ТА и ЦПГ в настоящее время практически не используются ввиду отсутствия надежных и достоверных параметрических методов диагностирования.

Работы по совершенствованию функционирования и развитию систем диагностирования тепловозных дизелей ведутся специалистами ВНИИЖТа, ВНИКТИ, ГТГУПСа, МИИТа, ОмГУПСа, ДВГУПСа, РГУПСа, СамГАПСа и др. Решению этой проблемы посвящены труды А.И. Володина[18, 19], В.В. Грачева[27], A.B. Грищенко[30], И.П. Исаева[41, 72], Е.Е. Коссова[43], Е.А. Никитина[51], Д.Я. Носырева[52, 53], Е.С. Павловича[57], В. А. Перминова[22, 59], И.Ф. Пушкарева[65], А.Э. Симсона[68, 78], Т.В. Ставрова[7, 8], В. В. Стрекопытова [70, 71], Э.Д. Тартаковского[74, 75, 84], А.З. Хомича[78, 79], A.A. Чернякова[81], В.А. Четвергова[19, 49] и многих других, однако в настоящее время данная проблема по-прежнему остается актуальной.

Существующие методы оценки технического состояния ТА и ЦПГ в большинстве случаев не могут быть использованы для непрерывного оперативного контроля технического состояния ТА в эксплуатации, так как требуют демонтажа ее с дизеля или установки специального съемного оборудования.

В связи с этим актуальной является задача разработки методов и алгоритмов обработки диагностической информации, накапливаемой подсистемами диагностики бортовых систем управления МСУ-Т (П, Э), которые позволяли бы своевременно выявлять факт отклонения технического состояния узлов дизеля от нормального с последующим уточнением вида отказа средствами стационарной диагностики.

Целью диссертационной работы является повышение эксплуатационной надежности и экономичности тепловозов за счет совершенствования бортовых диагностических комплексов и алгоритмов обработки диагностической информации.

Основные задачи исследования:

Для достижения поставленной цели в работе решены следующие задачи:

1. Теоретически обоснована возможность и целесообразность применения метода интегральной оценки качества рабочего процесса в цилиндре тепловозного дизеля по данным бортовых микропроцессорных систем автоматического регулирования силовой установки тепловоза.

2. Разработана методика непрерывного контроля технического состояния топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы дизеля с использованием предложенного метода интегральной оценки качества рабочего процесса.

3. Разработана математическая модель рабочего процесса дизеля как объекта диагностирования.

4. Выполнена проверка эффективности предложенного метода на математической модели рабочего процесса дизеля.

5. Изготовлен макетный образец устройства для контроля технического состояния топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы дизеля, выполнена экспериментальная проверка достоверности результатов теоретических исследований.

6. Сформулированы предложения по рационализации перечня контролируемых параметров в подсистемах диагностики систем МСУ с целью обеспечения возможности реализации предложенной методики диагностирования.

Объект исследований. Тепловоз, оборудованный комплексной микропроцессорной системой управления.

Предмет исследований. Показатели рабочего процесса тепловозного дизеля на установившихся режимах работы и их зависимость от технического состояния агрегатов и узлов дизеля.

Методы исследований. При выполнении работы использованы метод малых отклонений, методы математического моделирования термодинамических процессов, методы планирования и обработки эксперимента. При разработке программного обеспечение системы управления датчиком содержания кислорода в отработавших газах использовалась современная среда программирования Delphi 7.

Научная новизна работы. В качестве новых научных результатов выдвинуты следующие положения:

1. Разработан метод оценки технического состояния топливной аппаратуры дизеля, основанный на результатах измерения относительного изменения температуры отработавших газов и суммарного коэффициента избытка воздуха.

2. Разработана математическая модель рабочего процесса дизеля как объекта диагностирования, отличающаяся способом определения коэффициента избытка воздуха в цилиндре.

3. Разработана методика измерения значений диагностических параметров тепловозного дизеля в эксплуатационных режимах.

Практическая ценность.

1. Применение предложенного метода оценки технического состояния топливной аппаратуры дизеля позволит своевременно выявлять параметрические отказы топливной аппаратуры, уменьшить обусловленный ими перерасход топлива и снизить затраты на техническое обслуживание дизеля.

2. Изготовлен и испытан макетный образец устройства для измерения суммарного коэффициента избытка воздуха дизеля с использованием датчика содержания кислорода в ОГ. Его применение позволяет повысить точность и достоверность диагностирования дизелей по параметрам рабочего процесса.

3. Предложенная методика измерения значений диагностических параметров тепловозного дизеля на эксплуатационных режимах может применяться в различных системах функциональной диагностики дизелей.

Достоверность научных положений и результатов. Достоверность исследования подтверждена путем сопоставления полученных экспериментальных и теоретических результатов. Погрешность моделирования рабочего процесса в цилиндре дизеля, определенная сравнением результатов моделирования с результатами индицирования цилиндров дизеля в процессе реостатных испытаний, не превышает 6,8%.

Основные положения, выносимые на защиту:

— метод интегральной оценки качества рабочего процесса в цилиндре дизеля;

— способы реализации предложенного метода интегральной оценки качества рабочего процесса в цилиндре дизеля:

1. По данным систем МСУ-Т (П);

2. С использованием датчика содержания кислорода в отработавших газах (лямбда — зонда);

— методика измерения значений диагностических параметров рабочего процесса тепловозного дизеля на эксплуатационных режимах работы.

Реализация результатов работы. Результаты работы используются в учебном процессе и научно — исследовательской работе кафедры «Локомотивы и локомотивное хозяйство» Петербургского государственного университета путей сообщения, а также в Научно-исследовательском и конструкторско-технологическом институте подвижного состава" (ОАО ВНИКТИ) в процессе разработки бортовых средств диагностики силовых установок современных локомотивов.

Апробация работы.

Основные материалы диссертации докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях студентов, аспирантов и молодых учёных.

Шаг в будущее" (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2009, 2010, 2011) — восьмой межвузовской научно-практической конференции студентов бакалавриата, магистратуры и аспирантов «Молодой научный исследователь» (г. Ташкент, ТашИИТ, 2010) — Всероссийской научно-практической конференции «Транспорт-2010» (г. Ростов-на-Дону, 2010) — седьмой международной научно-практической конференции «ТКАШ-МЕСН-АЯТ-СНЕМ» (г. Москва, 2010 г., МИИТ) — третьей Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010) — второй региональной научной конференции «Образование, наука, транспорт в XXI веке: опыт, перспективы, инновация» (Оренбург, ОрИПС, 2011) — международной научно-технической конференции «Подвижной состав XXI века: идеи, требования, проекты» (г. Санкт-Петербург, ПГУПС, 2011) — четвертой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2011).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, из них 4 в периодических изданиях, включенных в перечень ВАК РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, библиографического списка из 92 наименований и приложения. Общий объем диссертации 161 страниц, включая 63 рисунков и 22 таблиц.

5.6 Выводы по результатам экспериментальных исследований.

1. Широкополосный датчик содержания кислорода в отработавших газах BOSCH LSU4.2 может эффективно использоваться для контроля качества рабочего процесса тепловозного дизеля как в целях диагностики, так и в целях оптимизации управления силовой установкой тепловоза в переходных режимах работы.

2. Разработанный алгоритм управления датчиком обеспечивает определение коэффициента избытка воздуха его с точностью от 2% до 6%.

3. Повышение точности определения коэффициента избытка воздуха может достигаться за счет следующих технических решений:

— применение аналогового регулятора для управления датчиком;

— реализация управляющего алгоритма на микроконтроллере или микроЭВМ с операционной системой реального времени;

— повышение разрядности АЦП и ЦАП интерфейсного модуля до 16;

— регулирование (стабилизация) тока нагревателя датчика.

4. Полученные результаты подтверждают наличие статистической зависимости между температурой отработавших газов и коэффициентом избытка воздуха дизеля, которая может быть использована для интегральной оценки технического состояния цилиндров дизеля.

Заключение

.

1. Существенное повышение уровня контролепригодности современных тепловозов (2ТЭ116У, ТЭП70БС, 2ТЭ25К, 2ТЭ25А), оборудованных комплексной микропроцессорной системой управления дизель-генераторной установкой, включающей подсистему диагностики силовой установки, не привело к изменению структуры и эффективности системы их технического обслуживания.

2. Разработана математическая модель рабочего процесса тепловозного дизеля как объекта диагностирования, которая дает возможность выполнить анализ влияния различных факторов на величину температуры отработавших газов в неноминальных режимах работы дизеля. Погрешность моделирования изменения давления в цилиндре, определенная сравнением результатов моделирования с индикаторными диаграммами цилиндров дизеля, полученными в процессе реостатных испытаний, не превышает 6,8%.

3. В результате анализа рабочего процесса дизеля с применением метода малых отклонений установлено, что основными факторами, определяющими величину температуры отработавших газов, являются значение коэффициента избытка воздуха и техническое состояние топливной аппаратуры дизеля.

4. Предложен и обоснован метод интегральной оценки качества рабочего процесса в цилиндре дизеля, основанный на контроле соответствия относительных изменений температуры отработавших газов в цилиндрах дизеля и коэффициента избытка воздуха.

5. Предложен и обоснован метод измерения относительного изменения коэффициента избытка воздуха в цилиндре дизеля по косвенным параметрам, основанный на анализе малых отклонений давления наддува и цикловой подачи топлива. Относительная погрешность измерения не превосходит 5%.

6. Теоретически обоснована и экспериментально проверена методика измерения значений диагностических параметров тепловозного дизеля в эксплуатационных режимах, исключающая влияние переходных процессов на точность измерения.

7. Изготовлен и испытан в эксплуатационных условиях макетный образец устройства для непрерывного контроля величины суммарного коэффициента избытка воздуха дизеля с использованием датчика BOSCH LSU4.2.

8. С целью повышения точности определения изменения коэффициента избытка воздуха в цилиндрах дизеля перечень параметров контролируемых подсистемой диагностики бортовых микропроцессорных систем управления силовой установкой тепловоза, должен быть дополнен температурой надувочного воздуха и суммарным коэффициентом избытка воздуха дизеля.

9. Проведенные стендовые и эксплуатационные испытания подтвердили эффективность предложенных методик и технических решений. Ожидаемый экономический эффект от внедрения результатов работы составил 4,9 млн. рублей в год на 60 тепловозов при сроке окупаемости затрат 1 год.