РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА АВТОНОМНОГО ЛОКОМОТИВА

РАЗРАБОТКА ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГАЗОВОЗДУШНОГО ТРАКТА АВТОНОМНОГО ЛОКОМОТИВА

Балагин Олег Владимирович

канд. тенх. наук, доц., Омский государственный университет путей сообщения,

РФ, г. Омск

Балагин Дмитрий Владимирович

канд. тенх. наук, доц., Омский государственный университет путей сообщения,

РФ, г. Омск

Родина Дарья Евгеньевна

аспирант, Омский государственный университет путей сообщения,

РФ, г. Омск

Тарасенко Дмитрий Сергеевич

студент, Омский государственный университет путей сообщения,

РФ, г. Омск

DEVELOPMENT OF A DIAGNOSTIC MODEL OF THE GAS-AIR PATH OF AN AUTONOMOUS LOCOMOTIVE

Oleg Balagin

Candidate of Engineering Sciences, associate Professor, Omsk State Transport University,

Russia, Omsk

Dmitry Balagin

Candidate of Engineering Sciences, associate Professor, Omsk State Transport University,

Russia, Omsk

Daria Rodina

Postgraduate Student, Omsk State University of Railway Engineering,

Russia, Omsk

Dmitry Tarasenko

Student, Omsk State Transport University,

Russia, Omsk

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрены методы диагностики тепловозных дизелей, изучено влияние параметров газовоздушного тракта на технико-экономические и экологические характеристики дизеля, разработана диагностическая модель, позволяющая сократить затраты на ремонт и диагностику локомотивов.

ABSTRACT

The article discusses methods for diagnosing diesel locomotives, studies the influence of gas-air path parameters on the technical, economic and environmental characteristics of a diesel engine, and develops a diagnostic model that makes it possible to reduce the cost of repair and consumption of locomotives.

Ключевые слова: дизель, турбокомпрессор, диагностика, граф-модель.

Keywords: diesel, turbocharger, diagnostics, graph model.

Тепловозный дизель автономного локомотива представляет собой соединение трех основных агрегатов – компрессора, дизеля и турбины – в один силовой комплекс. Изменение в режиме работы или техническом состоянии любого из этих агрегатов скажется на работе всего двигателя. Так, снижение давления наддува из-за неудовлетворительной работы компрессора приведет к изменению условий продувки и наполнения цилиндров свежим зарядом, уменьшению весового заряда и увеличению температуры выхлопных газов. Изменение температуры выхлопных газов скажется на режиме работы газовой турбины. Уменьшение площади проходного сечения выхлопных или продувочных органов двигателя, изменяет условия наполнения и продувки цилиндров, что приведет к изменению режима работы агрегатов наддува. Засорение воздушных фильтров, воздухоохладителей, снижение коэффициента полезного действия турбокомпрессоров, закоксовывание продувочных окон цилиндров приводит к уменьшению расхода воздуха дизелем, что способствует увеличению содержания вредных веществ в выхлопных газах, росту температуры газовой смеси и деталей цилиндро-поршневой группы, а также к снижению топливной экономичности.

Таким образом, рабочий процесс дизеля с турбонаддувом необходимо рассматривать как совокупность рабочих процессов, происходящих в компрессоре, в цилиндре дизеля и турбине, взаимно влияющих один на другой, но представляющих единый комплекс. Эффективность и надежность агрегатов наддува (турбокомпрессоров) во многом определяет технико-экономические, экологические показатели и безотказную работу всей энергетической установки. Проведенный статистический анализ показывает, что около 18 % отказов всех дизелей происходит по причине неисправности их систем наддува.

Одним из методов диагностирования дизеля предлагается применять граф-модель системы “дизель-газовоздушный тракт”. Выходные параметры (мощность, частота вращения коленчатого вала дизеля) косвенно отображают общее состояние внутренней структуры и являются обобщенными показателями для всего объекта. Для раскрытия множества соотношений выходных параметров с внутренними параметрами, характеризующими состояние структуры, а также с входными параметрами, отражающими связи его с внешней средой и другими объектами, удобно использовать топологическую модель.

Целью анализа топологической модели является выделение для каждого параметра совокупности функционально зависящих от него параметров и выбор среди них минимального числа диагностических параметров.

Для построения граф-модели рассматриваемой системы необходимо и достаточно по имеющейся информации о физических процессах, протекающих в ней, выявить механизм возникновения и признаки проявления дефектов, установить взаимосвязь всех параметров газовоздушного тракта и дизеля, пренебрегая количественной и временной зависимостями.

В нашем случае вершинами графа являются все параметры системы, а дугами-прямые связи между ними различного характера (функционального, морфологического, информационного). При этом направление обозначается стрелкой. Проанализировав все имеющиеся связи, составляется конъюктивная нормальная функция (КНФ), соответствующая граф-модели. На основе законов алгебры логики, полученная КНФ преобразуется в дезъюктивную нормальную функцию (ДНФ).

Для включения параметров в наименьшее внешне устойчивое множество (НВУМ) необходимо оценить доступность и информативность всех вершин графа. Информативность параметра оценивается путем введения относительного показателя информативности, который характеризует не только полную информацию о его значении, но и некоторую часть информации о состоянии тех вершин граф – модели, которые имеют дуги, заходящие в вершину контролируемого параметра. После дополнительных математических действий формируется НВУМ, которое более верно показывает влияние параметров газовоздушного тракта на технико-экономичекие и экологические характеристики дизеля.

Полученное НВУМ дает конкретное представление о том, какие параметры системы “дизель-газовоздушный” тракт являются самыми важными для оценки качественной работы дизеля, что заметно облегчает понимание процессов, происходящих в данной системе, но данная методика дает только качественную оценку процессов.

Одним из количественных методов оценки влияния параметров газовоздушного тракта на техническое состояние дизеля является метод малых отклонений, при помощи которого полученные коэффициенты влияния показывают степень воздействия каждого из основных параметров наддува на работу дизеля, что в свою очередь, после определенных преобразований, дает возможность судить о состоянии дизеля в целом.

Пусть функциональная зависимость y = f(x) связывает две величины или два параметра, характеризующие некоторый процесс, причем в исходном состоянии или начальном режиме х=а. Пусть далее требуется определить, насколько изменится величина функции y, если аргумент x получил небольшое приращение Dx от своего начального значения. Связь между бесконечно малыми приращениями аргумента и функции выражается соотношением:

где f ^‘(a) – значение производной функции y^‘ = f ^‘(x) в точке x=а. Будем полагать, что аналогичное соотношение:

справедливо и для малых конечных приращений Dy и Dx.

Последнее соотношение является приближенным, что легко установить, сравнив его с точным выражением приращения функции, следующим из представления функции в виде ряда Тейлора (полагаем, что функция f(x) допускает такое разложение):

Используя выражение (1), пренебрегаем величиной второго и последующих членов ряда и считаем приращение функции Dy равным первому члену ряда Тейлора-дифференциалу функции, т. е. полагаем:

Используя соотношение (1), получаем линейную связь между малыми приращениями Dx и Dy.

Пусть функция y зависит не от одного, а от нескольких аргументов и весь рассматриваемый процесс описывается рядом функциональных зависимостей:

,

 и т. д.

Принимаем по аналогии с предыдущим, что приращения функции приближенно равны их дифференциалам. В частности, при изменении нескольких переменных считаем приращение каждой из функций равным ее полному дифференциалу, т. е.:

Здесь величины  и т. д. представляют собой численные коэффициенты, равные значениям соответствующих частных производных в исходной точке, т. е. при заданных начальных значениях  x₀, t₀, r₀.

Таким образом, независимо от количества уравнений, описывающих рассматриваемый процесс, получаем систему линейных однородных алгебраических уравнений, связывающих между собой небольшие изменения параметров - малые отклонения их от исходных значений. Использование исходных соотношений метода малых отклонений по существу означает линеаризацию исходных уравнений в некоторой окрестности исходного состояния или режима. Располагая этими соотношениями можно значительно облегчить анализ зависимости между изменениями связанных между собой параметров, поскольку:

• многие из необходимых при анализе зависимостей прямо следуют из исходных уравнений в малых отклонениях;
• если эти зависимости непосредственно не очевидны, то их всегда легко найти, разрешив систему линейных алгебраических уравнений относительно любой требуемой величины; это позволяет одинаково просто решать как прямые, так и обратные задачи;
• полное приращение линейной функции в результате изменения нескольких аргументов находится как алгебраическая сумма соответствующих частных приращений.

Рассмотрим в малых отклонениях уравнение процесса сжатия воздуха в компрессоре ТК.

Работа, затрачиваемая на сжатие 1 кг воздуха в компрессоре, выражается уравнением:

где Т_a – температура заторможенного потока воздуха перед компрессором;

       p_k - степень повышения давления воздуха в компрессоре;

       h_k - адиабатический КПД компрессора по параметрам заторможенного потока.

Удобно составить и использовать в дальнейшем уравнение, связывающее между собой относительные изменения величин.

Прологарифмируем правую и левую части уравнения (4):

Далее дифференцируем уравнение и, учитывая, что , находим:

т. е. получаем связь между относительными приращениями, для которых введем обозначения   и т. п., где через d обозначены относительные изменения параметров, т.е. величины вида , где x₀ – исходное, а x₁ – измененное значение какого-либо параметра.

Коэффициент при dp_k в правой части уравнения (9), очевидно, для каждого исходного значения p_k является численной величиной. Будем называть эту величину коэффициентом влияния p_к на L_k и обозначим через k₁. Тогда уравнение (7) запишется в следующем виде:

где

 .

Это и есть окончательное уравнение процесса сжатия в малых отклонениях. Уравнение (7) в малых отклонениях надо понимать следующим образом. Если температура воздуха на входе в компрессор повысится на 1%, то и работа сжатия при прочих неизменных условиях () увеличится на 1%. Аналогично при увеличении КПД h_k на 1% работа сжатия уменьшится на 1% независимо от исходных значений p_k, Т_а, h_k. При возрастании на 1% величины p_k работа сжатия увеличивается на k₁%, т. е. приращение ее зависит не только от изменения, но и от начальной величины p_k.

Таким образом, совместное применение граф-модели и метода малых отклонений позволяет разработать диагностическую модель, которая в значительной мере сократит затраты на ремонт и диагностику локомотивов.

Список литературы:

1. Овчаренко С.М. Повышение эффективности работы системы охлаждения тепловозов в эксплуатации / С. М. Овчаренко, О. В. Балагин, Д. В. Балагин // Известия Транссиба. Науч. журнал / Омский гос. ун-т. путей сообщения. Омск, 2017. № 1 (29). С. 27-35.
2. В. И. Горин. Охлаждающее устройство для современных тепловозов: каким ему быть? Локомотив. 2014. № 7. С. 27−29.