188Szymański_Tomaszewski-art.pdf

(741 KB) Pobierz

Grzegorz M. Szymański

Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu

Franciszek Tomaszewski

Politechnika Poznańska, Instytut Silników Spalinowych i Transportu

DIAGNOSTYCZNE ASPEKTY CZĘSTOTLIWOSCI DRGAŃ

WŁASNYCH WYBRANYCH ELEMENTÓW SILNIKÓW

SPALINOWYCH 1

Streszczenie : W artykule przedstawiono nowe podejście do wibroakustycznej diagnostyki

silnika spalinowego. Zaproponowano oszacowanie częstotliwości drgań własnych wybranych

elementów silnika spalinowego na podstawie testów impulsowych. Wyniki testów

impulsowych zastosowano do budowy modeli dynamicznych układów silnika spalinowego.

Modele dynamiczne układów silnika spalinowego można wykorzystać do oceny ich stanu

technicznego.

Słowa kluczowe : silnik spalinowy, diagnostyka wibroakustyczna

1. WPROWADZENIE

Silniki spalinowe o zapłonie samoczynnym (ZS) średniej i dużej mocy stosowane są

głównie jako jednostki napędowe pojazdów szynowych. Diagnozowanie ich stanu

technicznego pozwala prowadzić strategie obsługi uwarunkowaną stanem technicznym,

zapobiegać większości nieplanowanych postojów, a poprzez wykrycie uszkodzeń we

wczesnym stadium rozwoju, zmniejszyć zakres i koszty napraw oraz obsługi [1,5].

Odrębnym aspektem są względy bezpieczeństwa przewozów oraz ich terminowość.

Do oceny stanu technicznego lub oceny stanu pracy (parametrów funkcjonalnych

ioperacyjnych) silnika spalinowego coraz częściej wykorzystywane są miary

i charakterystyki sygnału drganiowego generowanego przez silnik spalinowy [2,3,4].

Pozyskanie informacji użytecznej diagnostycznie zawartej w drganiach nie jest łatwe.

1 Praca naukowa finansowana ze środków na naukę w latach 2008-2011 jako projekt badawczy

Nr N N502463034

1

Trudność identyfikacji i wnioskowania o stanie technicznym lub pracy elementów lub

podzespołów silnika na podstawie powszechnie stosowanych miar i charakterystyk

sygnału wibroakustycznego (WA), wynika między innymi ze złożonej natury drgań

generowanych przez silnik, zachodzących w nim procesów, koegzystencji wielu źródeł

drgań, a także złożonej kinematyki.

W pracy zostanie przedstawiona koncepcja diagnozowania silników spalinowych

wykorzystująca analizę częstości drgań własnych struktury silnika.

2. IDENTYFIKACJA CZĘSTOTLIWOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH

WYBRANYCH ELEMENTÓW SILNIKA SPALINOWEGO

Jako wektor sygnału do oceny stanu technicznego silnika spalinowego wykorzystywane

są parametry procesów towarzyszących, roboczych oraz parametry procesów

wykorzystywanych w badaniach nieniszczących (np. ultradźwięki). Wielkościami

opisującymi procesy robocze stosowanymi w diagnostyce silników spalinowych są: moc,

moment obrotowy i reakcyjny, chwilowa prędkość kątowa i kąt skręcenia wału korbowego

itp.; są one stosowane jako uogólnione parametry stanu technicznego silnika.

Parametry procesów towarzyszących (drgania, hałas, procesy termiczne, zużycia itp.) są

stosowane do diagnozowania szczegółowego stanu technicznego silnika oraz lokalizacji

niezdatności. Do najczęściej wykorzystywanych procesów towarzyszących w diagnostyce

silników spalinowych należą procesy wibroakustyczne (drgania i hałas).

Silnik spalinowy podczas pracy generuje drgania, które są zjawiskami towarzyszącymi

głównych procesów zachodzących w zespołach silnika. Do oceny stanu technicznego

silników spalinowych można zastosować składowe drgań, które są powiązane

z częstotliwościami wymuszeń generowanych przez zespoły, pary kinematyczne i

elementy silnika lub częstotliwościami drgań własnych elementów. W niniejszym

opracowaniu skupiono się na diagnostyce wykorzystującej zjawiska drgań własnych

elementów silnika spalinowego.

W celu opracowania metody diagnozowania silników spalinowych bazującej na analizie

drgań własnych wykonano testy impulsowe wybranych (głównych) elementów

składowych silnika ze szczególnym uwzględnieniem układu tłokowo-korbowego

a następnie porównano wartości częstotliwości drgań własnych tych elementów lub

zespołów z częstotliwościami, jakie można zaobserwować w trakcie analizy widmowej

sygnału drganiowego generowanego podczas pracującego silnika. Na podstawie zmian

amplitud w poszczególnych pasmach częstotliwości można wnioskować o zmianie stanu

technicznego elementów lub zespołów silnika spalinowego.

2.1. Metodyka badań

Obiektem badań były wybrane elementy silnika spalinowego 2112 SSF. Silnik ten jest

stosowany między innymi do napędu lokomotyw spalinowych serii SU/P 45, agregatów

prądotwórczych oraz jako silniki pomocnicze jednostek pływających. Jest to widlasty,

2

średnio obrotowy silnik czterosuwowy z wtryskiem bezpośrednim, doładowany dwoma

turbosprężarkami z chłodzeniem powietrza doładowującego.

Badania dotyczące wyznaczenia częstotliwości drgań własnych elementów i zespołów

silnika spalinowego przeprowadzono w oparciu o założenia eksperymentu czynnego.

Eksperyment czynny polega na celowej zmianie parametrów wejściowych lub

zakłócających i obserwacji wpływu tych zmian na parametry wyjściowe. Za parametr

wejściowy przyjęto siłę wymuszającą w testach impulsowych, natomiast za parametry

wyjściowe przyspieszenia drgań wybranych elementów i zespołów silnika spalinowego.

Do badań zastosowano trójosiowe przetworniki drgań typu 4504A firmy Brüel&Kjær,

liniowe pasmo przenoszenia wybranych przetworników wynosiło 9 kHz. W czasie badań

rejestrowano sygnały w paśmie 0,1 Hz - 9 kHz. Częstotliwość próbkowania wynosiła

32768 Hz. Oznacza to, że pasmo poddane analizie zgodnie z zależnością Nyquista może

wynosić do 16 kHz.

Przetworniki drgań zamocowano do elementów zespołów silnika spalinowego za

pomocą wosku pszczelego. Taki sposób mocowania przetworników nie zawęża pasma

analizy wynikającej z charakterystyki przetwornika. Kierunki pomiaru drgań zorientowano

następująco: Kierunek X równoległy do osi wału korbowego, kierunek Z równoległy do

osi cylindra oraz kierunek Y prostopadły do kierunków X i Z.

Wymuszenia impulsowego dokonywano za pomocą młotka modalnego typu 8206-002

firmy Brüel&Kjær. Do rejestracji sygnałów drgań oraz wymuszeń zastosowano

Multianalizator PULSE firmy Brüel&Kjær. Urządzenie pozwala rejestrować przebiegi

szybkozmienne równolegle na 17 kanałach z dynamiką do 160 dB.

Badania przeprowadzono dla następujących elementów i zespołów silnika spalinowego

2112 SSF: wału korbowego, korbowodu, tłoka, głowicy (z zamontowanymi zaworami).

Elementy powieszono na linie i poddano testom impulsowym.

Na rysunku 1 pokazano głowice silnika 2112 SSF przygotowana do przeprowadzenia

badań dotyczących oszacowania częstotliwości drgań własnych.

Rys. 1. Widok głowicy na stanowisku badawczym

3

886144596.087.png

886144596.098.png

2.2. Analiza wyników badań

W celu oszacowania częstotliwości drgań własnych wybranych elementów/zespołów

silnika spalinowego 2112 SSF wykonano testy impulsowe. Zarejestrowane sygnały

przyspieszeń drgań poddano analizie w dziedzinie częstotliwości. Analiza taka polega na

wyznaczeniu szeregu charakterystyk, które przedstawiają zależności różnych wielkości

(np. amplitudy, mocy, fazy) od częstotliwości.

W trakcie analiz wykonano uśrednianie i normowanie widm amplitudowych.

Normowanie umożliwiło porównywanie widm wyznaczonych dla różnych sił

wymuszających, natomiast uśrednianie miało na celu zminimalizowanie wpływu szumów

na wyniki analiz sygnałów.

W pracy przedstawiono graficzną prezentację wyników wybranego zespołu silnika –

głowicy cylindrów.

Głowice (po jednej na każdy cylinder) są wykonane z żeliwa stopowego z dodatkiem

krzemu i manganu. Głowice silników 2112 SSF wyposażone są w cztery zawory,

wtryskiwacz, zawór służący do indykowania. Do kadłuba silnika są mocowane za pomocą

śrub dwustronnych. Głowica silnika spalinowego jest zespołem o dużym stopniu

złożoności. Podczas pracy silnika na głowicę działają siły wymuszające jej drgania, będące

wynikiem następujących procesów fizycznych i chemicznych:

− spalanie mieszaniny palnej w cylindrze,

− przepływ czynnika chłodzącego, gazów dolotowych i wylotowych oraz paliwa przez

wtryskiwacz,

− bezwładność elementów układu rozrządu,

− zderzenia elementów głowicy.

Na rysunku 2 przedstawiono unormowane uśrednione widma amplitudowe sygnałów

przyspieszeń drgań (w trzech wzajemnie prostopadłych kierunkach) zarejestrowanych na

głowicy silnika 2112 SSF.

Na podstawie przeprowadzonych analiz oszacowano częstotliwości, które są

częstotliwościami drgań własnych elementów silnika spalinowego 2112 SSF

i zamieszczono je w tablicy 1.

Tablica 1

Szacowane wartości częstotliwości drgań własnych elementów/zespołów

silnika spalinowego typu 2112 SSF

Element/zespół

Częstotliwość [kHz]

Wał korbowy

4,3

5,2

5,5

5,6

Korbowód

1,0

1,7

2,9

3,1

5,1

5,8

Tłok

2,4

4,4

5,2

5,5

Tłok z korbowodem

0,8

1,3

2,3

4,4

Głowica

1,5

1,7

2,5

3,3

3,8

4,5

5,5

4

886144596.109.png

886144596.120.png

886144596.001.png

886144596.012.png

886144596.023.png

886144596.034.png

886144596.042.png

886144596.043.png

886144596.044.png

886144596.045.png

886144596.046.png

886144596.047.png

886144596.048.png

886144596.049.png

886144596.050.png

886144596.051.png

886144596.052.png

886144596.053.png

886144596.054.png

886144596.055.png

886144596.056.png

886144596.057.png

886144596.058.png

1

0.5

0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

czestotliwosc [Hz]

1

0.5

0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

czestotliwosc [Hz]

1

0.5

0

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

czestotliwosc [Hz]

Rys. 2. Unormowane uśrednione widma z sygnału przyspieszeń drgań dla

przetwornika zamocowanego na głowicy

Kolejnym etapem analizy wyników badań było poszukiwanie oszacowanych wartości

częstotliwości drgań własnych w sygnałach zarejestrowanych na pracującym silniku

spalinowym 2112 SSF. Przeanalizowano dwa rodzaje sygnałów zarejestrowanych na

głowicach silnika. W pierwszym przypadku analizie poddano sygnały zarejestrowane na

cylindrze, w którym nie występowało spalanie. Pozwoliło to na oszacowanie

częstotliwości generowanych przez zderzenia elementów (kasowanie luzów), na które

działały siły bezwładności. W wariancie drugim analizowano sygnały, pozyskane z

cylindra, w którym występował proces spalania. Umożliwiło to pozyskanie informacji o

częstotliwościach generowanych przez elementy, na które działają duże siły impulsowe

będące efektem spalania ładunku w cylindrze.

Na rysunku 3 przedstawiono uśrednione widmo z sygnału przyspieszeń drgań dla

przypadku, w którym w badanym cylindrze nie zaszedł proces spalania.

W widmie przedstawionym na rysunku 3 zaznaczono częstotliwości ok. 0,8; 1,3

i 3,3 kHz. Dwie pierwsze składowe (0,8 i 1,3 kHz) mogą być związane z pracą zespołu

tłoka z korbowodem natomiast składowa 3,3 kHz może być wynikiem pracy elementów

głowicy.

5

886144596.059.png

886144596.060.png

886144596.061.png

886144596.062.png

886144596.063.png

886144596.064.png

886144596.065.png

886144596.066.png

886144596.067.png

886144596.068.png

886144596.069.png

886144596.070.png

886144596.071.png

886144596.072.png

886144596.073.png

886144596.074.png

886144596.075.png

886144596.076.png

886144596.077.png

886144596.078.png

886144596.079.png

886144596.080.png

886144596.081.png

886144596.082.png

886144596.083.png

886144596.084.png

886144596.085.png

886144596.086.png

886144596.088.png

886144596.089.png

886144596.090.png

886144596.091.png

886144596.092.png

886144596.093.png

886144596.094.png

886144596.095.png

886144596.096.png

886144596.097.png

886144596.099.png

886144596.100.png

886144596.101.png

886144596.102.png

886144596.103.png

886144596.104.png

886144596.105.png

886144596.106.png

886144596.107.png

886144596.108.png

886144596.110.png

886144596.111.png

886144596.112.png

886144596.113.png

886144596.114.png

886144596.115.png

886144596.116.png

886144596.117.png

886144596.118.png

886144596.119.png

886144596.121.png

886144596.122.png

886144596.123.png

886144596.124.png

886144596.125.png

886144596.126.png

886144596.127.png

886144596.128.png

886144596.129.png

886144596.130.png

886144596.002.png

886144596.003.png

886144596.004.png

886144596.005.png

886144596.006.png

886144596.007.png

886144596.008.png

886144596.009.png

886144596.010.png

886144596.011.png

886144596.013.png

886144596.014.png

886144596.015.png

886144596.016.png

886144596.017.png

886144596.018.png

886144596.019.png

886144596.020.png

886144596.021.png

886144596.022.png

886144596.024.png

886144596.025.png

886144596.026.png

886144596.027.png

886144596.028.png

886144596.029.png

886144596.030.png

886144596.031.png

886144596.032.png

886144596.033.png

886144596.035.png

886144596.036.png

886144596.037.png

886144596.038.png

886144596.039.png

886144596.040.png

886144596.041.png

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika:

Zgłoś jeśli naruszono regulamin