Диагностика и регулировка тепловозов - Моделирование процессов взаимодействия отдельных сборочных единиц для диагностики

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ ОТДЕЛЬНЫХ СБОРОЧНЫХ ЕДИНИЦ ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ
Физическое моделирование, или точнее машинный эксперимент, позволяет в некоторых случаях предсказать ход протекания физических процессов и, следовательно, может использоваться как инструмент диагностики. Если имеются математические зависимости, описывающие исследуемое техническое устройство, то с помощью физического моделирования можно имитировать, например, изменения во времени параметров. Закономерность изменений во времени параметров диагностируемых объектов лежит в основе метода моделирования функций старения. Математическое моделирование можно осуществить с помощью различных технических средств (ЭЦВМ и специальных моделирующих
установок), являющихся аналогом статических и динамических взаимодействий отдельных деталей дизель-генераторов.
Динамика дизель-генераторной установки с учетом турбонаддува с неустановившейся нагрузкой описывается нелинейными дифференциальными уравнениями в частных производных. Уравнения имеют высокий порядок и существенные нелинейности, а их решение в общем виде практически невозможно. Частотный метод анализа для нелинейных систем также достаточно сложен.
Решение данной задачи на цифровой вычислительной машине связано с необходимостью составления громоздкой программы, проверка и отладка которой потребуют много времени. Если же по ходу исследования потребуется видоизменить постановку задачи, то это, как правило, вызывает необходимость переделки программы.
Во многих физических и технических задачах не требуется большой точности решения в связи с тем, что исходные данные известны лишь с ограниченной точностью или неточно сформулировано математическое описание задачи. В этих случаях требуются наглядность и удобство сопоставления результатов, необходимость оперировать с большим количеством данных, получать решение в истинном масштабе времени. В этих случаях и применяются аналоговые вычислительные машины (АВМ).
Сущность моделирования на аналоговых вычислительных машинах заключается в замене всей системы или ее некоторых элементов моделью, по своим свойствам в той или иной мере воспроизводящей свойства исходной системы или ее отдельных частей. Тогда в модели возникают процессы, аналогичные тем, которые имеют место в реальной системе. Эти процессы можно наблюдать, регистрировать, проверять их соответствие результатам теоретического анализа, варьировать параметрами исследуемой системы.

Для отработки стационарной и бортовой диагностики необходимо знать параметры процесса (коэффициенты системы уравнений), дающие нужный результат. Такая постановка вопроса приводит к необходимости многократного решения задачи с различными значениями коэффициентов. Обычными методами ее решить практически невозможно, даже с применением современных быстродействующих цифровых вычислительных машин. Более целесообразным путем изучения физических процессов является построение модели, описывающейся одинаковыми с оригиналом математическими уравнениями.
Большой объем работы по физическому моделированию выполняется Харьковским политехническим институтом совместно с Харьковским заводом транспортного машиностроения для оценки эффективности различных конструктивных мероприятий. Созданные электронные модели можно использовать для построения диагностических тестов, определения разброса параметров диагностирования и др. В частности, отработка методов и средств диагностики мощности тепловоза 2ТЭ10Л может производиться с использованием функциональной схемы энергетической цепи (рис. 29).

Функцию регулирования мощности выполняют элементы электропередачи ЭП и объединенный регулятор частоты вращения и мощности, включающий в себя регулятор частоты вращения PC и регулятор мощности РМ. В качестве регулятора мощности на современных тепловозах применен гидравлический сервомотор СМ с гибкой обратной связью ГОС. Регулятор мощности, работая в комплексе с регулятором частоты вращения вала дизеля, воздействует на возбуждение генератора Г, корректируя его мощность соответственно экономической мощности дизеля.  Составной частью электропередачи является селективный узел СУ, который выдает сигнал, пропорциональный сумме напряжения и тока тягового генератора, что обеспечивает получение внешних характеристик генератора в виде наклонных прямых. Эти характеристики видоизменяются в гиперболические регулятором мощности, выдающим сигнал в регулировочную обмотку магнитного усилителя МУ.

Рис. 29. Функциональная схема энергетической цепи тепловоза:
Д — дизель; К — контроллер машиниста; РП — рычажная передача; ЗМ — золотник мощности; СМ — сервомотор управления мощностью; ГОС —  гибкая обратная связь; ЧЭ — чувствительный элемент; СС — силовой сервомотор; ИОС — изодромная обратная связь; МУ — магнитный усилитель; В — возбудитель; Г — тяговый генератор; ТД — тяговые двигатели; УТ — узел тяги; СУ — селективный узел; ВН — внешняя нагрузка

Наиболее отлажен процесс моделирования тепловозных дизель-генераторов. При этом для построения модели используются следующие экспериментальные и расчетные зависимости (для дизеля 10Д100):
универсальная характеристика дизеля 10Д100;
зависимость индикаторного к. п. д. дизеля от коэффициента избытка воздуха и частоты вращения коленчатого вала;
зависимость мощности трения двигателя 10Д от параметров наддува и частоты вращения коленчатого вала;
универсальная характеристика компрессора ТК-34;
зависимость к. п. д. компрессора ТК-34 от расхода воздуха и частоты вращения ротора турбокомпрессора;
зависимость к. п. д. турбины ТК-34 от u/с0;
универсальная характеристика турбины ТК-34; характеристика пропускной способности турбины; универсальные характеристики приводного нагнетателя второй ступени наддува.
Применение моделирования может служить базой для построения системы диагностики для тепловозов, разрабатывающихся на перспективу. В качестве примера можно привести перспективную схему автоматического регулирования дизель-генератора типа Д70. Структурную схему возможно представить следующей схемой (рис. 30): двигатель внутреннего сгорания Д типа Д70;
турбокомпрессор Т и К типа ТК-38; объединенный регулятор PC дизель-генератора 10Д100; холодильная установка X наддувочного воздуха. 
Рис. 30. Структурная схема автоматического регулирования дизель-генерато ра

В процессе построения электронных моделей отдельных узлов системы автоматического регулирования были использованы их универсальные характеристики [31].
Уравнение движения дизеля как регулируемого объекта может быть записано в виде

Электронная модель дизеля с турбонаддувом (рис. 31), построенная с использованием системы уравнений, позволяет исследовать динамику системы автоматического регулирования при различных модификациях турбины, двигателя и компрессора. 

В будущем представляется возможным на моделях полностью имитировать изменение условий эксплуатации, появление возможных неисправностей для установления значений параметров диагностирования.
В ХИИТе моделирование на ЭЦВМ проводят для разработки номограмм, определяющих диагностические параметры совместной работы двигателей и агрегатов наддува [32]. В основу анализа положен графо-аналитический метод, позволяющий прогнозировать все возможные сочетания различных параметров в процессе эксплуатации. Без проведения такой работы невозможно завершить выбор как самих параметров, так и их значений, так как определение взаимовлияния отдельных диагностируемых параметров оценивается только с применением математического моделирования. В основу созданной в ХИИТе модели положен ряд экспериментальных и аналитических зависимостей. Использование экспериментальных зависимостей в значительной степени упрощает и ускоряет как получение исходных данных, так и определение режимов совместной работы двигателя с остальными агрегатами силовой установки, так как исключает необходимость проведения остального анализа рабочего процесса двигателя для определения зависимости индикаторного и механического к. п. д., тепловых потерь и т. д. Предлагаемые зависимости комплексно учитывают влияние различных факторов на эффективные показатели работы, двигателя.
Характеристики агрегатов наддува были получены в условиях испытаний на стендах с подачей воздуха (газа) переменных параметров для турбины и компрессора, соединенных с балансирными машинами. С приемлемой для инженерных расчетов степенью точности характеристики компрессора могут быть получены по адиабатическому к. п. д. путем уточненного измерения температур на входе и выходе.
Расчет может быть выполнен по-разному в зависимости от поставленной задачи. Может быть известна тепловозная (генераторная) характеристика двигателя Nе(nд) и агрегатов наддува. 

В этом случае задача расчета — определение параметров системы газотурбинного наддува и двигателя на переменных режимах. Может быть поставлена более сложная задача — выбор оптимальной эксплуатационной характеристики, обеспечивающей минимальные среднеэксплуатационные расходы топлива, в том числе при различных технических состояниях отдельных деталей.
Решение обеих задач может быть выполнено на основе одной и той же методики. Наиболее распространенной в инженерной практике является первая задача, при которой задана зависимость эффективной мощности дизеля Ne от частоты вращения коленчатого вала nд. Поэтому остановимся более подробно на решении этой задачи. Оно основано на использовании основных зависимостей для двигателя и агрегатов наддува.

1. Газодинамическая характеристика дизеля, представляющая собой для двухтактных двигателей зависимость параметра расходаот отношения давления во впускном коллекторе к давлению в выпускном и относительной частоты вращения коленчатого вала двигателя.
2. Зависимость относительного изменения индикаторного к. п. д. двигателяот коэффициента избытка воздуха а.
3. Зависимость температуры газов перед турбиной от коэффициента избытка воздуха, так же как и для индикаторного к. п. д., определяется способом его получения. Температура газа перед турбиной может быть получена из уравнения внутреннего теплового баланса

Здесь, кроме ранее приведенных величин: qк — относительное количество тепла, внесенного с воздухом; Δнп — количество тепла, эквивалентное работе насосных потерь; qост — остаточный член внутреннего теплового баланса, включающий потери при сжатии, на выпуске в выпускных коллекторах, на радиацию и др.

1. Зависимость мощности механических сопротивлений или, что более характерно, среднего давления механических сопротивлений (не включающей мощности на привод агрегатов наддува) от частоты вращения коленчатого вала и давления во впускном коллекторе.

Графоаналитический метод предусматривает также использование характеристик агрегатов наддува.

1. Характеристики компрессора, т. е. зависимости при

веденного расхода воздуха и к. п. д. от степени повышения давления и приведенной частоты вращения рабочего колеса. Для механической связи приводного компрессора с двигателем частота вращения рабочего колеса, пропорциональна частоте вращения коленчатого вала, для газовой связи в силе лишь равенство частоты вращения рабочего колеса компрессора и турбины. Может быть также использована характеристика параметра мощности компрессораот тех же величин, принятых в качестве независимых переменных. Такая характеристика удобна для применения в уравнении баланса мощности турбины и компрессора.

1. Характеристики турбины турбокомпрессора в виде зависимости параметра пропускной способности турбины

от степени понижения давления газов πт и приведенной частоты вращения ротора, а также зависимости к. п. д. от отношения(окружной скорости ротора к располагаемой скорости истечения газа) или степени понижения давления газов и приведенной частоты вращения.

1. Характеристики системы охлаждения воздуха после

компрессора в виде зависимости коэффициента охлаждающей эффективности от относительного значения температуры воздуха - и параметра расхода, а также коэффициента газодинамических потерь в воздухоохладителеот параметра расхода воздуха.

Значение температуры воздуха за компрессором (перед воздухоохладителем) Тк определяется с помощью характеристики компрессора (а в случае последовательной установки компрессоров — с помощью характеристик обоих компрессоров).

Решение описанных зависимостей, объединенных в системы уравнений, позволяет определять диагностические параметры совместной работы дизеля и агрегатов газотурбинного наддува па всех режимах эксплуатационной характеристики.
Пример решения приведенных зависимостей на ЭЦВМ «Мир-1» с описанием программы дан в приложении.
Ряд научно-исследовательских и учебных институтов начали широко применять методы математического моделирования для определения величин параметров диагностирования и их минимизации. В частности, для диагностики тепловозных дизелей разрабатываются методики расчета параметров во ВЗИИТе, ЦНИИ МПС и ВНИТИ. В ХИИТе проводится разработка алгоритмов и программ диагностики тепловозных дизелей и других сборочных единиц с выполнением математического моделирования на ЕС-1020. В настоящее время завершаются разработки моделей систем воздухоснабжения двухтактных и четырехтактных дизелей; параметров совместной работы дизеля и систем обеспечения (топливной, масляной, водяной и др.); параметров внутрицилиндровой работы и распределения величин по цилиндрам; влияния изменения отдельных параметров на экономичность и надежность тепловозов.