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
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
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
Plik z chomika:
djlysy
Inne pliki z tego folderu:
183szpytko-hyla-art.pdf
(428 KB)
182szpytko-gbyl-art.pdf
(387 KB)
185Szymanek-poprawiony-art.pdf
(277 KB)
186szymanowski-popr-art.pdf
(698 KB)
187Szymański, Sawczuk-art.pdf
(557 KB)
Inne foldery tego chomika:
ANALIZA STANU BHP
B H P - F I L M Y
BEZPIECZEŃSTWO I HIGIENA PRACY
BEZPIECZEŃSTWO I HIGIENA PRACY(1)
BHP
Zgłoś jeśli
naruszono regulamin