Виброакустический метод диагностирования

Сущность виброакустического метода диагностирования заключается в том, что во время работы машины движение её деталей сопровождается соударением, в результате которого по механизмам распространяются упругие колебания.

Удары, вызванные резким изменением направления силового импульса деталей, движущихся с большой скоростью, рассматриваются как скоростные импульсные удары (перекладка поршня в зазоре и удар о стенку гильзы, удар клапана при посадке в гнездо, иглы форсунки и т.д.).

Математическая модель этого процесса может быть построена на основе выражения импульсов силы и приращения количества движения, вызванного соударением сопряженных деталей:

,

где V- скорость в конце удара;

V₀– скорость в начале удара;

m – масса ударяющейся детали;

k — коэффициент восстановления скорости;

R – ударный импульс.

При ударе .

Коэффициент k характеризует упругость соударяющихся деталей и экспериментально определяется путем измерения высоты падения h шарика на деталь и высоты отскока h¢, k определяет потерянную при ударе кинетическую энергию.

Импульсный удар вызывает в соударяемых деталях деформацию и упругие колебания с соответствующими амплитудами, фазами и частотами (рис. 2)

Энергия акустического сигнала возрастает с увеличением зазора между соударяемыми деталями. Поэтому амплитуда и фаза виброакустического сигнала могут достаточно точно характеризовать состояние кинематической пары.

Метод применения волоконной оптики

Этот метод основан на применении длинных гибких волокон, способных пропускать свет вдоль себя. Приборы с применением таких светопроводов позволяют заглянуть внутрь узлов и систем машины и осмотреть детали, выявив их техническое состояние.

Рис. 2 Импульсы вибрации при начальном и предельном зазорах

Диагностирование мощностных и топливно-экономических

показателей тракторных двигателей

Мощность и топливная экономичность дизелей – основные обобщенные эксплуатационные показатели машин.

В зависимости от условий испытания дизеля и наличия приборов, приспособлений и оборудования применяют следующие методы диагностирования тракторных двигателей:

Бестормозной метод.

Сотрудниками СибИМЭСХ предложен оригинальный метод определения мощности двигателя за счет механических потерь самого двигателя.

Этот метод основан на измерении углового ускорения коленчатого вала двигателя в режиме свободного разгона, получаемого путем резкого повышения частоты вращения на холостом ходу с минимально устойчивой до максимально.

Как известно, ускорение маховика двигателя e во время разгона прямо пропорционально моменту крутящему М и обратно пропорционально моменту инерции вращающихся частей J.

.

Момент инерции двигателя – величина постоянная и её можно рассчитать или измерить заранее для каждой марки двигателя.

Поэтому, если измерить ускорение eмаховика во время разгона, то можно определить крутящий момент двигателя.

.

Мощность двигателя обычно измеряется при n_н. Поэтому ускорение маховика нужно измерить в тот момент, когда его скорость во время разгона достигнет номинального значения. Тогда, , где w —угловая скорость.

Парциальный метод.

Основан на сочетании бестормозного и тормозного методов. При этом методе наряду с частичной нагрузкой, создаваемой за счет механических потерь, осуществляется догрузка путем дросселирования масла в гидросистеме трактора.

Тормозной метод

Основан на использовании передвижной пневматической тормозной установки ПТУ-70 конструкции ГОСНИТИ, передвижного гидравлического тормоза Т-4 или стационарной тормозной установки КИ-4935 через вал отбора мощности трактора и карданный вал установки. Или используют тормозной стенд для колесных тракторов КИ-8948 (на СТОТ).

Инструментальное диагностирование машин осуществляется по различным диагностическим схемам.

Диагностическая система состоит из 3-х элементов: датчика, приемника и линии связи.

Рассмотрим некоторым диагностические схемы.

Параллельная диагностическая схема.

— канал связи

Особенностью этой схемы является одно звено – датчик-приемник.

С помощью этой схемы можно изучить один из выходных сигналов механизма.

При достаточном числе каналов связи по показаниям приемников можно составить представление о состоянии всего механизма в целом.

Поперечные профили набережных и береговой полосы: На городских территориях берегоукрепление проектируют с учетом технических и экономических требований, но особое значение придают эстетическим.

Опора деревянной одностоечной и способы укрепление угловых опор: Опоры ВЛ — конструкции, предназначен­ные для поддерживания проводов на необходимой высоте над землей, водой.

Организация стока поверхностных вод: Наибольшее количество влаги на земном шаре испаряется с поверхности морей и океанов (88‰).

Папиллярные узоры пальцев рук — маркер спортивных способностей: дерматоглифические признаки формируются на 3-5 месяце беременности, не изменяются в течение жизни.

Виброакустика в приложении к диагностике ДВС

Очень часто механические неисправности ДВС сопровождаются повышенной шумностью и стуками. Возникший стук сигнализирует о неисправности, которая в ближайшем будущем может привести к аварийным разрушениям какого-либо агрегата или механизма. В практической диагностике эти неисправности диагностируются опытным человеком на слух. В качестве вспомогательного инструмента может быть использован стетоскоп. Автомобиль можно поднять на подъемнике и послушать возникший звук снизу. В штатных диагностических программах акустическая диагностика отсутствует.

Если шум регистрируется и обрабатывается соответствующими приборами, обычно рассматривается его амплитудно-частотный спектр. При этом происходит осреднение по времени действия. Но для диагностики наибольший интерес представляет сопоставление стука или вибрации и процессов, происходящих в двигателе. При наличии компьютера, АЦП, акселерометров для получения картины шумов и стуков в двигателе требуется совсем немного усилий. Основная сложность состоит в правильной интерпретации получаемой информации. Человек, имеющий практический опыт, без труда может правильно интерпретировать звук и отличить стук в приводе клапанов от стука в нижней головке шатуна, но привязать этот стук к конкретному клапану или шатуну весьма проблематично. При восприятии зарегистрированного сигнала акселерометра, человеку легко сопоставить его с рабочими процессами, происходящими в двигателе, но интерпретировать сам сигнал без соответствующей обработки практически невозможно. На рисунке представлен фрагмент работы ДВС сопровождающийся двойным периодическим стуком, причем период стука явно больше периода работы двигателя. При увеличении частоты вращения пропорционально сокращался период между ударами.

По представленным осциллограммам легко определить период следования стуков – 6,6 оборотов коленчатого вала. Отношение числа звеньев моторной цепи к числу зубьев шестерни привода распределительных валов составляет 140/21 = 6,666. Соответственно, стук происходит от контакта разрушающихся звеньев моторной цепи с шестерней привода. После разборки двигателя это подтвердилось.

На следующем рисунке представлены два совмещенных фрагмента работы двигателя М50tu, содержащие стук. При анализе первого фрагмента, можно отметить, что наиболее мощный всплеск сигнала акселерометра, отражающий стук, совпадает с моментом закрытия впускных клапанов во втором цилиндре. Чтобы подтвердить предположение, что стук вызван посадкой в седло впускных клапанов был активирован исполнительный узел Vanos. Оба зарегистрированные фрагмента выведены на экран так, что совпадают соответствующие ВМТ программа Visual может масштабировать – растягивать или сжимать один фрагмент относительно другого. Это облегчает анализ процессов, привязанных к углу поворота коленчатого вала. При активации Vanos участок сигнала акселерометра, соответствующий стуку, сместился на угол поворота распределительного вала. Из этого можно сделать вывод, что стук действительно вызван посадкой в седло впускных клапанов второго цилиндра. При разборке двигателя был обнаружен незначительный загиб впускных клапанов. Их посадка в седло происходила с перекосом, что и вызывало стук.

На следующем рисунке представлен фрагмент работы двигателя с частотой вращения коленчатого вала около 2000 мин-1. Сигнал акселерометра указывает, что стук в двигателе прослушивается в тот момент, когда начинается рабочий такт в 4-м цилиндре.

Известно, что повышенный зазор (более 0,15 мм) в шатунном подшипнике начинает издавать стук при умеренной нагрузке в диапазоне частоты вращения от 1000 до 4000 мин-1. На следующем рисунке представлен вышеописанный режим – плавное увеличение частоты вращения.

Объясняется это тем, что на подходе к ВМТ поршень с шатуном под действием инерционных сил, преодолевая давление сжимаемой ТВС, действует на коленчатый вал «снизу», как бы тянет его вверх. После воспламенения газовая сила преодолевает инерционную и поршень начинает давить на коленчатый вал «сверху». Как раз эту перекладку мы и слышим как шатунный стук, при увеличенном зазоре между нижней головкой шатуна и шатунной шейкой. К стуку в начале рабочего такта в 4-м цилиндре добавился мощный стук в начале рабочего такта в 6-м цилиндре. При последующей разборке двигателя обнаружен проворот шатунных вкладышей в шатунах 4-го и 6-го цилиндров.

На следующей серии рисунков представлена регистрация при помощи акселерометра клапанного стука, возникающего при неисправности гидравлического толкателя. Основной стук, который мы слышим, это звук посадки клапана в седло. Профиль кулачка распределительного вала выполнен таким образом, чтобы клапан к моменту посадки в седло практически полностью останавливался. Если гидротолкатель не может компенсировать зазор, то и открытие и закрытие клапана происходит с ударом. И клапанный стук – это удар не остановившегося клапана о седло. Для этого стука характерна непостоянность: стук постепенно усиливается, затем резко исчезает. На первом рисунке несколько рабочих циклов с всплесками амплитуды сигнала акселерометра в окрестности ВМТ четвертого цилиндра, затем стук пропадает.

При анализе рисунка можно предположить, что стучит один из выпускных клапанов 7-го цилиндра – когда в 4 цилиндре начинается рабочий ход, в 7 цилиндре заканчивается выпуск и начинается впуск. Затем стук резко прекращается: компенсатор распрямился – выбрал зазор между цилиндрической частью кулачка и стержнем клапана. Учитывая особенности процессов, происходящих в ДВС, на одном рисунке невозможно продемонстрировать весь процесс развития стука.

На следующем рисунке с более высоким разрешением представлен сигнал акселерометра в окрестности ВМТ 4 цилиндра. Известно, что выпускные клапана закрываются после прохождения поршнем ВМТ такта выпуска через 5 — 20 градусов ПКВ. На данном рисунке начало всплеска сигнала акселерометра соответствует 8° после ВМТ. Из этого можно сделать вывод, что один из выпускных клапанов в 7 цилиндре из-за просевшего гидравлического толкателя преждевременно садится в седло, его скорость при этом слишком большая, что и вызывает стук.

На следующем рисунке этот клапан садится в седло еще раньше, приблизительно через 4° после ВМТ и с еще большей скоростью. По шкале времени видно, что между этим и предыдущим фрагментом прошло 1,2 секунды, за это время прошло 6 циклов и при каждом открытии клапанов, подклинивающий гидравлический толкатель все больше сжимался.

Следующий фрагмент зарегистрирован еще через 1,4 секунды. Стучащий клапан закрывается приблизительно через один градус после ВМТ и с еще большей скоростью.

За последующие 7 секунд гидравлический толкатель еще сильнее сжался, и выпускной клапан в 7 цилиндре стал закрываться более чем за 2 градуса до ВМТ. Интенсивность сигнала акселерометра еще возросла, стук усилился.

А уже в следующем цикле, в момент посадки в седло выпускных клапанов 7 цилиндра стука нет. Подклинивающий гидравлический толкатель распрямился и выбрал зазор в приводе клапана. Этот процесс, очень часто, идет ступенчато. С каждым циклом неисправный гидравлический толкатель уменьшает свой размер, стук при этом становится все сильнее и смещается в раннюю сторону. Затем пружина все-таки гидравлический толкатель распрямляет и стук исчезает. При этом в двигатели может быть не один, а несколько неисправных гидравлических толкателей.

Часто подобная неисправность гидравлических толкателей проявляется сразу после запуска. При остановке двигателя какие-то клапана оказываются приоткрытыми. Статическое действие клапанных пружин сжимает гидравлические толкатели. При последующей прокрутке, когда кулачки распределительного вала разгружают бывшие открытыми клапана, сжатые гидравлические толкатели под действием внутренних пружин должны распрямиться. Если это не происходит, то после запуска прослушивается характерный стук, про который говорят «стучат компенсаторы».

к.т.н. А.В. Александров, к.т.н. И.А. Долгов

Научные изыскания

В статье «Мобильный комплекс для регистрации и обработки параметров работы автомобильного двигателя», опубликованной в No 2 за 2017 год [1], сообщалось о разработке в лаборатории двигателей МАДИ датчиков для индицирования ДВС и о порядке обработки индикаторных диаграмм.

И.А. Долгов, к.т.н. / А.В. Александров, к.т.н., ст. преп. Московский автомобильно-дорожный государственный технический университет (МАДИ)

В статье рассматриваются проблемы индицирования автомобильного двигателя в движении и программно-аппаратный мобильный диагностический комплекс, позволяющий это осуществлять. Анализируются задачи, для решения которых актуально индицирование автомобиля в движении.

В предыдущей статье – «Актуальность индицирования ДВС» №5/2016 – сообщалось, что наше подразделение ведет работы по созданию комплекса для регистрации и обработки параметров работы ДВС. Так как процесс сгорания представляет особенный интерес, в состав комплекса должны входить датчики для индицирования, их разработкой мы сейчас также занимаемся. При подготовке к изданию первой статьи, высказывались пожелания поподробнее рассказать об оборудовании, которое использовалось для получения материала и его работе.

Индицирование – измерение давления газов в цилиндрах двигателя в процессе его работы – основной метод контроля протекания сгорания в двигателе. С развитием технических средств развивались и методы индицирования.