СПОСОБ ЭКВИВАЛЕНТНО-ЦИКЛИЧЕСКИХ ИСПЫТАНИЙ ПОРШНЕВЫХ ДВС Российский патент 1999 года по МПК G01M15/00 

Изобретение относится к двигателестроению, преимущественно к производству поршневых двух- и четырехтактных ДВС, а именно к эквивалентно-циклическим испытаниям (ЭЦИ) лодочных моторов, мотоциклов, мотоблоков, автомобилей и тракторов.

Известны ускоренные испытания поршневых двигателей, в которых ускорение испытаний доведением двигателя до неработоспособности достигают за счет увеличения времени работы двигателя на режимах максимального движения в цилиндре путем установки соответствующего угла опережения впрыска топлива (1).

В способе ускоренных испытаний (2) эквивалентность результатов испытаний режиму эксплуатации обеспечивается созданием соответствующих температурных напряжений в головке и блоке цилиндров с усилением этого фактора чередованием интенсификации охлаждения на одних режимах и подогревом охлаждающей жидкости на других.

Получаемый от известного перераспределения режимов работы ДВС на ускоренных испытаниях эффект недостаточно высок из-за низкой достоверности прогнозирования и расчета режимов ЭЦИ применяемого математического аппарата в процессе испытаний и оценки результата их в конце всего объема работ.

Наиболее близким к предлагаемому способу по технической сути является способ ускоренных испытаний на стенде дизеля с чередованием режимов холостого хода и нагружений (3), осуществляемых на установившихся режимах с дополнительной подачей воздуха на холостом ходу и ограничением воздуха на режимах нагружения.

Однако известный способ не позволяет в максимальной степени уменьшить длительность ЭЦИ с сохранением работоспособности испытываемых изделий из-за отсутствия определения допустимой температуры ДВС перед испытанием и контроля ее в процессе испытаний с учетом влияния нагрузки (крутящих моментов), обуславливаемого применением недостаточно надежного математического аппарата для расчета параметров испытаний в связи с большим количеством параметров, влияющих на характеристики режимов работы ДВС в эксплуатации и в испытаниях.

Заявленный способ решает задачу увеличения эффективности эквивалентно-циклических испытаний посредством уменьшения длительности ресурсных работ за счет увеличения в их объеме расчетной части, содержащий математический аппарат с использованием сигнальных графов связей.

Суть способа эквивалентно-циклических испытаний поршневых ДВС, включающий работу двигателя на перераспределенных в пределах его работоспособности режимах, эквивалентных режиму и длительности эксплуатации с определением эквивалентности по частоте отказов, величине или характеру дефектов с учетом факторов, определяющих ресурс ДВС-термического, циклового и контактной усталости, с поэтапным выполнением ресурсных работ. Состоит в том, что в течение 3-5 минут на установившемся режиме работы двигателя контролируют соответствие его температуры расчетной допустимой, определенной по требуемому ресурсу, частоте вращения вала и крутящим моментам, если температура при этом ниже допустимой, двигателю устанавливают очередной увеличенный ресурс, а при превышении температуры повторяют сокращенный контроль ее с мероприятиями, разработанными для обеспечения температуры ниже допустимой, выполняя расчет допустимой расчетной температуры на режимах эквивалентно- циклических испытаний по формулам

где t_у, t_э - температура головки цилиндра, например - под свечой в эквивалентно-циклических испытаниях и в эксплуатации соответственно;
τ_у,τ_э - расчетная наработка на режимах эквивалентно-циклических испытаний и в эксплуатации;
n_у, n_э M_у, M_э - обороты коленвала и крутящие моменты на валу и эквивалентно-циклических испытаниях и в эксплуатации;
Δ - изменение зазора между гильзой и поршнем, соответствующее величине масляной пленки между ними (Δ = 0,025) ;
α_у,α_п - коэффициенты теплового расширения материалов цилиндра и поршня соответственно;
D_цх, D_пх - диаметры холодных цилиндра и поршня соответственно;
3,42, 2,15 - коэффициенты, характеризующие связь временного фактора (наработку) с предельной температурой двигателя в эквивалентно-циклических испытаниях и в эксплуатации с учетом механических потерь.

Увеличение точности оценки надежности работы ДВС за счет применения графов связей в математическом аппарате сознает возможность не только ускорить ресурсные работы посредством сокращения длительности этапов испытаний, но и количество этапов проверки сократить до минимума.

На фиг. 1, 2 и 3 чертежа показаны схемы усилий, действующих на элементы кинематической схемы двигателя ПЛМ (подвесного лодочного мотора "Вихрь 30");
на фиг.4 - сигнальный граф связей ПЛМ и
на фиг.5 - граф связей обоснования связи временного фактора и предельной температуры.

Использование известных способов расчета и математического аппарата не обеспечивает требуемой достоверности соответствия расчетных данных фактическим из-за большого количества факторов и сил, влияющих на состояние элементов кинематической схемы в различных режимах работы ДВС. Для приемлемой точности оценка результатов расчета эквивалентно-циклических испытаний необходимо включить в расчет пятнадцать параметров и решить шестнадцать уравнений из них с многократным повторением этих расчетов.

Предлагаемый математический аппарат и способ испытаний построен на данных термогазодинамического расчета и метода итераций, позволяющим получить формулу расчетной долговечности двигателя:

где τ - расчетная наработка, П - частота вращения вала,
Q - приведенная нагрузка на подшипнике коленвала,
- коэффициент долговечности подшипника (α = 3,33 , C - динамическая грузоподъемность (для игольчатых подшипников C=14800).

Кривошипно-шатунный механизм и системы действующих в его элементах сил (фиг. 1, 2, 3) сложны для известных методов и математических аппаратов, но существенно упрощается их решение с применением теории сигнальных графов. Для построения графов связей и последующего решения системы уравнений представляют в дифференциальной форме (последовательность применения известных средств и теории графов условно не приводится для сохранения лаконичности описания).

Затем составляют графы фиг.4 и по графу определяют входные, внутридвигательные и выходные параметры, которые применяются для решения и определения искомых параметров в удобном для применения числовом выражении.

Для данного случая выходным параметром является время δτ - долговечность элемента конструкции или промежуточный параметр - приводная нагрузка δQ . Решение графа по двум путям дает уравнение в логарифмической форме
Δ(lnQ) = (1-C₂)Δ(lnM_кр) = C₁Δ(ln п) (2)
или с применением экспериментально определенной зависимости
C₁= 0,344Δ(lnQ) = Δ(lnM_кр) = 0,344Δ(ln п)
и затем Δ(lnτ) = -2,15Δ(ln п)-3,42Δ(lnM_кp) и

Для установления аналитической связи между наработкой и предельно допустимой температурой двигателя, в частности температурой головки камеры сгорания под свечой, используют уравнение
t_гол= t_ц-Δt, (4)
где Δt₁ - разница между температурой в цилиндре и в головке.

С использованием графа связей на фиг.5 после ряда преобразований получается уравнение:

решение которого дает зависимость δlnτ = -0,19t гол.

Из экспериментальной проверки данной зависимости получено значение δlnτ = -0,187t гол, из чего следует практическое соответствие расчетных и экспериментальных результатов.

Построение графов для остальных опор показывает, что они решаются этим же уравнением и, значит, оно имеет общий характер.

Применение расчета с использованием сигнальных графов для ресурса 550 часов дает следующие результаты.

Исходные данные для расчета наработки на эквивалентно- циклических испытаниях:
П₂ = 4400 об/мин, ln П₂ = 8,389, τ₁= 315 ч τ₁= 5,753 М₂ = 3,128 кГм, ln М₂ = 1,14, П₁ = 5600 об/мин, ln П₁ = 8,63, М₁ = 4,45 кГм, ln М₁ = 1,422.

После выполнения простых арифметических действий с этими исходными данными получаем lnτ₁= 4,031 и τ = 56,4 ч. А с учетом цикличности lnτ₁= 3,56 и соответственно τ = 35 ч.

Допустимая температура ДВС при этом составляет 129 и 131^oC соответственно, а при τ = 550 ч -t_э < 120^oC.

Так как определяемая допустимая температура по графу обоснования связи временного фактора (наработки ЭЦИ) с предельной температурой является граничным условием и, значит, фактическая температура двигателя на эквивалентно-циклических испытаниях будет гарантированно ниже на всех 35 часах работы двигателя на этом этапе. А следовательно, и необходимости в отработке всех 35 часов на эквивалентно-циклическом режиме (этапе) нет - достаточно убедиться в том, что температура двигателя на этом режиме стабильна и ниже допустимой в течение 3-5 минут. Таким образом, длительность испытаний на ресурс 550 часов по предлагаемому способу составит время расчета и сокращенный контроль правильности расчета в течение 3-5 минут.

Пример I ресурсных работ по предлагаемому способу.

Установленный на стенд или объект двигатель запускают и отрабатывают этапы обкатки, рассчитывая при этом по графам связей эквивалентную ресурсу 300 часов наработку на этапах эквивалентно циклических испытаний и температуру. После этого устанавливают обороты и нагрузку - соответствующим крутящим моментом и контролируют температуру ДВС. Если она ниже рассчитанной, то контроль осуществляют в течение 3-5 минут работы двигателя на этом режиме и при стабильности температуры считают двигатель прошедшим испытания и устанавливают ему ресурс 300 часов, затем выполняют расчет режима эквивалентно-циклических испытаний для ресурса 550 часов - наработку и допустимую температуру. Описанным образом проводят сокращенный контроль температуры, и если она ниже полученной в расчете допустимой температуры, двигателю устанавливают очередной ресурс - 550 часов. Если первый сокращенный контроль допустимой температуры показывает превышение фактической над расчетной допустимой сокращенную проверку температуры проводят на двигателе с мероприятиями, разработанными для обеспечения фактической температуры ниже расчетной допустимой. Очередной ресурс двигателю 550 часов устанавливают, если фактическая температура на двигателе с мероприятиями оказывается стабильной и ниже расчетной допустимой в течение 5 минут. После этого переходят к работам по установлению очередного ресурса прописанным образом.

Пример II. Прогнозный расчет наработки и температуры на режимах эквивалентно-циклических испытаний выполняют в процессе ОКР при разработке конструкторской документации ДВС с начального ресурса до максимально возможного для данного двигателя. Для этапов с превышением температуры над расчетной разрабатывают мероприятия, использование которых в двигателе позволяет получить температуру ниже расчетной допустимой. Сокращенный контроль выполняют на этапах эквивалентно-циклических испытаний, соответствующих выявленным в прогнозном расчете ресурсам с превышением фактической над расчетной допустимой, оборудуя двигатель перед проверкой деталями и узлами, разработанными для обеспечения температуры ниже расчетной.

Пример III. Комбинированное выполнение способа целесообразно для двигателей, которым предусматривается установление большого ресурса. Общее число этапов в прогнозном расчете условно разделяют на две половины и установку ресурса на первой половине этапов осуществляют с сокращенным контролем температуры только на этапах с превышением допустимой температуры.

Этапы ресурсных работ второй половины выполнять могут с поэтапной отработкой каждого ресурса при работе двигателя на данном этапе в течение расчетной наработки и контролем износа всех подвижных элементов двигателя и его крепежа, как и целостности корпусных деталей.

Анализ накопленных данных по результатам работы на этапах второй половины ресурсных работ позволит перейти и на второй половине работ с сокращенным контролем и установкой ресурса по температуре ДВС.

Проверка предлагаемого способа выполнена в программе ресурсных работ подвесного лодочного мотора "Вихрь 30". Полученные данные подтверждают совпадение расчетных и экспериментальных данных, высокую надежность и экономичность способа за счет экономии времени, топлива и ресурса двигателя.

1. А.С N 1633310, C 01 M 15/00, 02 B 79/00 за 1988 г.

2. А.С N 1636709, C 01 M 15/00 за 1989 г.

3. А.С N 1665249, C 01 M 15/00, 02 B 79/00 за 1989 г. (прототип).

Изобретение относится к производству и эксплуатации ДВС, способам эквивалентно-циклических испытаний (ЭЦИ) поршневых ДВС. Изобретение решает задачу сокращения длительности ресурсных работ за счет увеличения в их объеме расчетной части с применением сигнальных графов (СГ) связей в математическом аппарате и сокращенной проверки допустимой температуры (СПДТ). Ресурс по программе ЭЦИ устанавливают, рассчитывая режим работы ДВС по формулам, полученным с использованием СГС, устанавливая по очередному значению ресурса, оборотам и крутящим моментам режим ЭЦИ, и выполняют на этом режиме сокращенный до 3-5 мин контроль расчетной для ЭЦИ температуры ДВС. Ресурсные работы выполняют с поэтапной отработкой наработки и СПДТ на каждом этапе (ресурсе), с прогнозной - с контролем СПДТ только на этапах превышения температуры на ДВС с разработанными для обеспечения температуры ДВС ниже допустимой или с комбинированной - прогнозной на первой половине этапов увеличения ресурса и с поэтапной на второй половине этих этапов (ресурсов). Изобретение может применяться при работах по увеличению ресурса поршневых двух- и четырехтактных, роторных и роторно-поршневых автомобильных, лодочных и тракторных моторов, а также двигателей для мотоциклов, мотоблоков, газотурбинных ДВС. 5 ил.

Способ эквивалентно-циклических испытаний поршневых ДВС, включающий работу двигателя на перераспределенных в пределах его работоспособности режимах, эквивалентных режиму и длительности эксплуатации, с определением эквивалентности по частоте отказов, величине или характеру дефектов с учетом факторов, определяющих ресурс ДВС - термического, циклового и контактной усталости, с поэтапным выполнением ресурсных работ, отличающийся тем, что в течение 3 - 5 мин на установившемся режиме работы двигателя контролируют соответствие его температуры расчетной допустимой, определенной по требуемому ресурсу, частоте вращения вала и крутящим моментам, если температура при этом ниже допустимой, двигателю устанавливают очередной увеличенный ресурс, а при превышении температуры повторяют сокращенный контроль ее с мероприятиями, разработанными для обеспечения температуры ниже допустимой, выполняя расчет допустимой расчетной температуры на режимах эквивалентно-циклических испытаний по формулам

где параметры эквивалентно-циклических испытаний и в эксплуатации обозначены соответственно:
t_у, t_э - температура головки цилиндра, например под свечой;
τ_у,τ_э - расчетная наработка на режимах;
n_у, n_э, M_у, M_э - обороты коленвала и крутящие моменты на валу;
Δ - изменение зазора между гильзой и поршнем, соответствующее величине масляной пленки между ними (Δ = 0,025);
α_ц,α_п - коэффициенты теплового расширения материалов цилиндра и поршня;
D_цх, D_пх - диаметры холодных цилиндра и поршня;
2,15, 3,42 - коэффициенты, характеризующие связь временного фактора (наработку) с предельной температурой двигателя (расчетной допустимой) с учетом механических потерь.