Системы измерения многомерных перемещений и деформаций элементов конструкций кривошипно-шатунного механизма в поршневых силовых установках

Актуальность темы

В современных силовых установках значительное влияние на основные показатели эффективности оказывают зазоры между подвижными и неподвижными элементами конструкции. В поршневых силовых установках это влияние в наибольшей степени проявляется в элементах конструкции кривошипно-шатунного механизма — соединениях «поршень-цилиндр», шатунных подшипниках и подшипниках коренных опор. Экономичность, надежность, экологичность (токсичность и шумность) поршневой силовой установки в конечном счете определяются зазорами между поршнями и цилиндрами, между шейками коленвала и вкладышами в шатунных подшипниках и опорными поверхностями в подшипниках коренных опор.

Очевидно, что перемещения элементов конструкции, формирующие зазоры, являются многомерными и в выбранной системе отсчета обычно характеризуются несколькими координатными составляющими. Диапазон и характер изменений перемещений на протяжении рабочего цикла зависят от режима работы поршневой силовой установки и соответствующих изменений тепловых, упругих и пластических деформаций элементов конструкций (например, смещения центра вкладыша шатунного подшипника относительно центра шейки коленвала зависят от силового воздействия со стороны поршня, инерционных сил и противодействия масляного клина, которые определяются скоростью вращения, геометрическими и физическими параметрами элементов конструкций, параметрами масла и окружающей среды, причем смещения центра вкладыша сопровождаются упругими деформациями профиля его внутренней поверхности, также влияющих на величину зазоров). Можно утверждать, что исследования поведения координатных составляющих многомерных перемещений, связанных с ними изменений зазоров, а также деформаций исключительно значимы в процессе разработки новых установок с более высокими показателями эффективности.

Однако, исследования перемещений (зазоров, деформаций), значения которых варьируются в пределах нескольких десятков микрон, методами моделирования не обеспечивают требуемой точности. Экспериментальные исследования также сопряжены с объективными трудностями: измерения должны выполняться в ограниченном пространстве, в условиях повышенных вибраций и температур (средние значения температур в соединении «поршень-цилиндр» достигают нескольких сотен градусов).

В таких условиях существующие методы и средства измерения имеют ограниченные возможности — они, как правило, ориентированы на измерение зазоров в конкретных видах элементов конструкций, но не обеспечивают измерение координатных составляющих смещений и деформации. В них отсутствует единая идеология и общие принципы построения, что препятствует разработке систем измерения, обслуживающих все элементы конструкции кривошипно-шатунного механизма (КШМ). Кроме того, отсутствует какая-либо достоверная информация об эксплуатационной надежности и метрологической состоятельности существующих средств измерения.

Поэтому разработка новых методов и средств измерения многомерных перемещений элементов конструкций и их деформаций, а также систем измерения, построенных на основе единых принципов и общей идеологии с высоким уровнем автоматизации сбора, преобразования и обработки информации, требуемыми эксплуатационными и метрологическими показателями является актуальной задачей, решение которой имеет важное значение для промышленности.

Принятый подход к построению систем базируется на новых методах измерения многомерных перемещений элементов КШМ и оценки их деформаций в процессе экспериментальных исследований и испытаний поршневых силовых установок. Применяемые методы отличаются от существующих количеством датчиков и их размещением, принятыми допущениями и дополнительными операциями.

Предусматривается использование одновитковых вихретоковых датчиков (ОВТД) с чувствительными элементами (ЧЭ) в виде отрезка проводника с удлиненными тоководами, обеспечивающими функционирование ОВТД в соединении «поршень-цилиндр» в условиях повышенных температур (сотни градусов), а также ОВТД с укороченными тоководами — для работы в подшипниках КШМ, где изменения температуры значительно меньше (около ста градусов). ОВТД объединяются в кластеры и размещаются таким образом, чтобы их ЧЭ были ориентированы вдоль образующих поверхностей контролируемых элементов конструкций.

В соответствии с методом измерения координатных составляющих смещений центра вкладыша шатунного подшипника и оценки деформаций профиля его внутренней поверхности датчики размещаются в шейке коленвала (ЧЭ — на ее поверхности). Их число должно быть не менее четырех, причем четные и нечетные пары размещаются с угловым сдвигом 90 градусов, то есть на координатных осях X и У системы остчета, жестко связанной с шейкой коленвала. В предположении, что деформация вкладыша происходит только в границах угла приложения равнодействующей сил, по результатам измерения зазоров в режиме «холодной» прокрутки от электропривода и в режиме «горячих» испытаний решением системы уравнений определяются неизвестные координатные составляющие и оцениваются деформации профиля внутренней поверхности вкладыша.

В крупногабаритных шатунных подшипниках более мощных силовых установок, когда в шейке коленвала можно разместить множество ОВТД, определение координатных составляющих и деформаций производится при допущении равенства деформаций профиля, контролируемых соседними датчиками.

В отличие от шатунных подшипников при измерении координатных составляющих смещений центра шейки коленвала в подшипниках коренных опор и незначительных деформациях шейки достаточно двух датчиков в кластере, расположенных вдоль координатных осей в крышке подшипника коренных опор.

Метод измерения координатных составляющих смещений оси поршня (в предположении отсутствия его деформаций) предусматривает размещение кластера ОВТД в цилиндре в нескольких уровнях (в плоскостях, перпендикулярных оси цилиндра). При этом в каждом уровне размещены два датчика по координатным осям У, 2, (ось цилиндра — координата X). Координатные составляющие смещений оси поршня, как и смещения элементов конструкций в подшипниках КШМ, находятся по измеренным значениям зазоров решением систем уравнений, составленных для двух уровней размещения ОВТД.

Система измерения, построенная на основе перечисленных методов, обеспечивает сбор, преобразование естественных выходных сигналов ОВТД в напряжение и цифровой код, а также вычисление координатных составляющих и деформаций. Для преобразования сигналов ОВТД в системе используются мосты Блумлейна или ЬЯ мосты с дифференцирующими усилителями и импульсным питанием, в которых реализуется один из известных методов тестовых переходных процессов — метод первой производной. Импульсное питание подается на все ОВТД одновременно, а сбор информации ведется в течении рабочего цикла поршневой силовой установки (за два оборота коленвала). Шаг квантования по углу поворота коленвала задается датчиком угловых положений и зависит от решаемых задач исследований.

Для вычисления зазоров между поршнем и цилиндром, а также между * шейкой коленвала и опорной поверхностью подшипника коренных опор используются семейства градуировочных характеристик измерительных каналов ОВТД при фиксированных значениях температуры, а такжезначения кодов в каналах ОВТД и в каналах термопар, встроенных в датчики, обслуживающие соединение «поршень-цилиндр» или расположенных в непосредственной близости от датчиков, обслуживающих подшипник коренных опор. При этом осуществляется температурная коррекция результатов измерения.

Коррекция в каналах ОВТД, обслуживающих шатунный подшипник, основана на методах, в которых для устранения аддитивных погрешностей предусматривается использование «образцовых» сигналов — «нулевых» (минимальных) зазоров в режиме «холодной» прокрутки и средних значений зазоров за рабочий цикл установки (близких к значениям установочных зазоров). При этом вычисление зазоров в шатунном подшипнике производится с помощью градуировочных характеристик измерительных каналов, аппроксимируемых линейными функциями.

Функционирование системы обеспечивают алгоритмы сбора, преобразования, выделения и отбраковки сигнала, алгоритмы вычисления зазоров по градуировочным характеристикам, аппроксимированным полиномиальными функциями, алгоритмы коррекции измерительных каналов и алгоритмы вычисления координатных составляющих и деформаций по найденным значениям зазоров в соответствии с рассмотренными методами.

В настоящее время известны многочисленные публикации Алешина В. И., Астрауха В. В., Бакума Н. В., Бойцова В. А., Вола В. А., Громыко В. Я.,.

Гряника Г. Н., Захарова С. М., Кеба И. В., Козака А. И., Козловского В. Г., Коротеева C.B., Крутько C.B., Леонтьева А. Г., Ляшенко С. А., Нестерова В. Н., Никитина А. Ю., Никитина С. П., Середина В. И., Скибы И. Т., Солодуха O.A.,.

Cleveland P., Corless M., Drafts В., Gehrich M. J., Kim K.S., Kim S.S., Shih.

A.J., Tu J.F., Zosel P. [1 — 18], посвященные разнообразным методам измерения зазоров в силовых установках, их узлах и агрегатах.

В монографиях и статьях Абоимова М. А., Виноградова А. Н., Волченко Г. Н., Герасимова В. Г., Денисова В. А., Дмитриева Ю. С., Иванова В. В., Иванова Г. И., Католикова В. И., Клюева В. В., Легкобыта А. К., Лукина А. И., Полулеха A.B., Прокопьева В. Н., Рунга Э. Р., Стеблева Ю. И., Шатерникова.

B.Е., Шипова А. К., Bahniuk D.E., Billat A., Flueckinger N., Roach S.D., Vasseur P. аналогичные вопросы решаются вихретоковыми методами [19 — 26]. В работах Меркулова А. И. [27, 28] вихретоковые методы используются для измерения перемещений элементов конструкций лопаточных силовых установок по нескольким координатным осям, причем реализация методов осуществляется с помощью многовитковых датчиков с ограниченными температурными возможностями.

Появление высокотемпературных ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника, предназначенных для применения в газовоздушном тракте компрессоров и турбин, явилось основой разработки кластерных методов и средств измерения координатных составляющих многомерных перемещений торцов лопаток, лопастей винтовентиляторов, оси вала в опорных подшипниках и т. п. Описание разработанных методов и средств содержится в публикациях Белкина В. М., Боровика С. Ю., Игонина С. Н., Квитко В. Г., Костина A.B., Ковалевой М. А., Пинеса В. Н., Райкова Б. К., Секисова Ю. Н., Скобелева О. П., Слепнева A.B., Тулуповой В. В., Хритина A.A. [29−40].

В диссертационной работе Секисова Ю. Н. [41] кластеры ОВТД с ЧЭ в виде отрезка проводника предлагается использовать для измерений координатных составляющих многомерных перемещений элементов конструкций КШМ поршневых силовых установок и для оценки деформаций. Однако, предлагаемые методы имеют ограниченные возможности. В частности, для оценки деформации вкладыша шатунного подшипника приходится использовать не только измеренные значения зазоров, но и результаты моделирования смещений центра вкладыша, полученные путем решения уравнения баланса сил, которое не обеспечивает необходимой точности и создает определенные трудности при реализации в реальном времени. В соединении «поршень-цилиндр» измерения смещений поршня производятся только в одной плоскости в двух координатных направлениях (осевом и радиальном), хотя в реальных условиях они происходят в трехмерном пространстве, и это может быть причиной снижения точности. При этом в работе основное внимание уделено методам измерения в лопаточных машинах, а исследования и разработки, связанные с методами и средствами измерения в элементах конструкций КШМ, имеют обобщенный характер и недостаточно детализированы.

Следует также отметить, что несмотря на широкой круг исследований индивидуальных и групповых измерительных цепей, в которых реализован метод первой производной (диссертации Секисова Ю. Н., Скобелева О. П., Хритина A.A. [41 — 43]), основные характеристики дифференциальных измерительных цепей в виде LR мостов с ОВТД и дифференцирующими усилителями оказались практически неизученными. Кроме того, представляется полезной систематизация и классификация не только известных измерительных цепей и механических конфигураций ОВТД, но и датчиков, появившихся в последние годы.

Диссертационная работа призвана устранить пробелы в существующих исследованиях, снять указанные ограничения и связанные с ними недостатки в известных методах измерения, а также системах, реализующих эти методы.

Цель диссертационной работы — разработка теоретических основ построения систем измерения многомерных перемещений и деформаций элементов конструкций КШМ и их реализация в системах для экспериментальных исследований поршневых силовых установок.

Постановка задачи. Для достижения указанной цели необходимы:

— разработка новых более совершенных методов измерения многомерных перемещений и оценки деформаций элементов конструкций КШМ поршневых силовых установок;

— разработка принципов построения систем измерения, реализующих эти методы (на уровне структур, элементов и алгоритмов);

— исследование погрешностей разработанных систем измерения;

— создание опытных образцов систем измерения, проведение метрологической аттестации измерительных каналов систем и проверка их работоспособности в лабораторных и производственных условиях.

Методы исследования основаны на использовании теории измерений, теории погрешностей, теории электрических цепей, операционного исчисления, численного анализа и методов имитационного моделирования на ЭВМ.

Научная новизна. Предложены кластерные методы измерения координатных составляющих смещений центра вкладыша шатунного подшипника и оценки деформаций профиля его внутренней поверхности, предусматривающие размещение минимального количества ОВТД (четырех датчиков) в шейке коленвала в предположении наличия деформации в границах угла приложения равнодействующей силы или размещение максимально возможного числа датчиков в предположении равенства деформаций в зоне контроля соседних датчиков. Предложен также кластерный метод измерения координатных составляющих смещений оси поршня, предусматривающий размещение ОВТД в цилиндре в трех уровнях по два датчика в каждом уровне.

Разработаны принципы построения системы, реализующей 4 предложенные методы (обобщенная структурно-функциональная схема и алгоритмы), оригинальный элемент системы — ОВТД с гибкими плоскими тоководами для измерений в соединении «поршень-цилиндр». Исследованы основные характеристики дифференциальных измерительных цепей в виде ЬЯ моста с дифференцирующим усилителем, включающего ОВТД и линии связи.

Исследованы погрешности измерительных каналов системы. Получены количественные оценки инструментальных и методических погрешностей. Разработаны методы и алгоритмы коррекции аддитивной составляющей погрешности в каналах, обслуживающих шатунный подшипник, где в качестве «образцовых» сигналов предлагаются минимальные значения зазоров в режиме «холодной» прокрутки и средние значения зазоров за * рабочий цикл установки (установочные зазоры) в режиме «горячих» испытаний. Разработан метод и алгоритм коррекции мультипликативных погрешностей, причем в качестве «образцовых» сигналов предлагается использовать зазоры в области скосов вкладышей.

Структура и краткое содержание диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка ' литературы и приложений.

Выводы к разделу 4.

Создана система измерения зазоров в шатунном подшипнике и смещений шейки коленвала в подшипниках коренных опор. Работоспособность и основные характеристики системы подтверждены в процессе стендовых испытаний ДВС в Отделе испытаний и доводки двигателей Дирекции по техническому развитию АО АВТОВАЗ. Получены экспериментальные данные об изменениях зазоров в шатунном подшипнике на протяжении рабочего цикла при различных режимах ДВС и изменениях зазоров в подшипниках коренных опор, позволяющие определить смещения шейки коленвала. Вместе с тем, в ходе испытаний выявлены большие аддитивные погрешности в отдельных каналах, которые устраняются в модернизированной системе измерений благодаря применению специально разработанных методов коррекции аддитивных погрешностей и использованию более прочных и надежных датчиков.

Модернизированная система сохраняет преемственность в отношении измеряемых параметров, но дополнительно обеспечивает измерение смещений центра вкладыша шатунного подшипника и оценку его деформаций. В процессе испытаний ДВС в лабораторных условиях (ИПУСС РАН) получены экспериментальные данные о координатных составляющих смещений центра вкладыша на протяжении рабочего цикла и оценены его деформации.

Результаты испытаний ДВС в стендовых и лабораторных условиях испольваны для оценки характеристик исследованных элементов конструкций.

Определен состав базовых технических средств, необходимых для создания перспективных систем, который включает блок согласующего устройства с измерительно цепью в виде ЬЯ моста и дифференцирующего усилителя. Разработан действующий макет для оценки работоспособности измерительных каналов и их метрологической состоятельности.

Проведены метрологические исследования систем измерения и действующего макета. Показано, что систематические и случайные погрешности составляют единицы процентов, причем случайные погрешности существенно меньше в измерительных каналах действующего макета, построенного на основе современных средств сбора и преобразования сигналов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Разработаны теоретические основы построения систем измерения многомерных перемещений и деформаций элементов конструкции кривошипно-шатунного механизма поршневой силовой установки — методы измерения смещений центра вкладыша в шатунном подшипнике и деформации профиля его внутренней поверхности, а также оси поршня в соединении «поршень-цилиндр», обобщенная структурно-функциональная схема системы измерения и алгоритмы ее функционирования. Исследованы основные характеристики и погрешности измерительных цепей и каналов.

Созданы несколько модификаций систем, реализующих разработанные методы и принципы построения. Система измерения зазоров в шатунном подшипнике и смещений шейки коленвала в подшипниках коренных опор была использована в стендовых испытаниях автомобильного двигателя внутреннего сгорания. Подтверждены работоспособность системы и ее основные характеристики. С помощью модернизированного варианта системы в ходе лабораторных испытаний двигателя получены координатные составляющие смещений центра вкладыша шатунного подшипника и деформация профиля его внутренней поверхности. Результаты стендовых и лабораторных испытаний использованы при оценке характеристик исследуемых элементов конструкций двигателя.