ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ СМАЗОЧНОГО ПРОЦЕССА В ПОДШИПНИКАХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Казаков А.В.¹, Калимуллин Р.Ф.², Якунин Н.Н.³

¹Старший преподаватель, ²ORCID: 0000-0003-4016-2381, Кандидат технических наук, доцент, ³Доктор технических наук, профессор, Оренбургский государственный университет

ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ОЦЕНКИ СМАЗОЧНОГО ПРОЦЕССА В ПОДШИПНИКАХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Аннотация

В статье приведено описание новой информационно-измерительной системы оценки смазочного процесса в подшипниках двигателей внутреннего сгорания. Рассмотрены теоретические предпосылки работы данной системы. Описаны принципы разработки основных элементов системы. Направлениями использования системы являются оценка качества приработки подшипников коленчатого вала; диагностирование подшипников коленчатого вала; определение малоизносных режимов работы при пуске; определение малоизносных режимов работы под нагрузкой.

Ключевые слова: информационно-измерительная система, оценка, смазочный процесс, подшипники, двигатели.

Kazakov A.V.¹, Kalimullin R.F.², Jakunin N.N.³

¹Senior lecturer, ²ORCID: 0000-0003-4016-2381, PhD in Engineering, Associate professor, ³PhD in Engineering, Professor, Orenburg State University

INFORMATION-MEASURING SYSTEM OF THE EVALUATION OF LUBRICATION IN BEARINGS OF INTERNAL COMBUSTION ENGINES

Abstract

The article presents the description of new information-measuring system of the evaluation of lubrication in bearings of internal combustion engines. The theoretical operation of the system. Describes the principles of developing the basic elements of the system. Directions of use of the system is to evaluate the quality of the running of the crankshaft bearings; diagnosis crankshaft bearings; determining the wear little operating modes at the start; determination of the wear modes little load.

Keywords: information-measuring system, evaluation, process lubricant, bearings, engines.

Важным инструментом при разработке, модернизации и эксплуатации двигателей внутреннего сгорания является экспериментальное исследование смазочных процессов в подвижных сопряжениях.

Известные методы исследования в большинстве своем требуют разборки и сборки двигателя, установки специальных датчиков или обработки деталей, что ведёт к повышенным материальным, трудовым и временным затратам. К тому же, ряд методов требует дорогостоящего оборудования, специальных средств защиты и высококвалифицированного персонала.

Необходим такой экспериментальный метод, который позволял бы достоверно и оперативно оценивать смазочный процесс в подвижных сопряжениях штатных двигателей, а не специально подготовленных к испытаниям. Новый метод может базироваться известных электрофизических методах и средствах трибомониторинга  [1].

В Оренбургском государственном университете разработана информационно - измерительная система «Автоматизированная система оценки смазочного процесса» (АСОСП), позволяющая оперативно, достоверно и с малыми затратами ресурсов получать, отображать и хранить информацию о смазочном процессе. Техническая новизна разработки защищена охранными документами на результаты интеллектуальной деятельности [2].

Оценка смазочного процесса проводится по параметру относительной продолжительности существования смазочного слоя E_g. Структурная схема измерения представлена на рис. 1.

Устройство для контроля состояния подшипников 14 образуют два функциональных модуля – генератора сигналов 1 и детектора импульсов 15. Модуль генератора сигналов вырабатывает входной электрический сигнал с частотой f_ген и амплитудой напряжения U_ген, который подается на блок цилиндров 5.

Рис. 1 – Структурная схема замера параметра Е_g АСОСП: 1 – модуль генератора сигналов; 2, 7, 10 – информационные шины; 3 – подшипники; 4 – коленчатый вал; 5 – блок цилиндров двигателя; 6 – токосъёмник; 8 – первичный преобразователь; 9 – частотный фильтр; 11 – блок счёта импульсов; 12 – устройство сопряжения; 13 – компьютер; 14 – устройство для контроля состояния подшипников; 15 – модуль детектора импульсов

Параметры выходного электрического сигнала зависят от смазочного процесса в каждом из подшипников вала. Если во всех подшипниках существует режим жидкостной смазки, и между трущимися поверхностями образуется диэлектрический смазочный слой, то сигналы проходят через  подшипники без изменения своей частоты и амплитуды. При нарушении режима жидкостной смазки между трущимися поверхностями образуется металлический контакт, и теряется часть импульсов. При этом, общее количество потерянных за единицу времени импульсов  пропорционально суммарной продолжительности нарушения режима жидкостной смазки в отдельных подшипниках. В итоге, импульсы, прошедшие через токосъемник 6, коленчатый вал 4, подшипники 3 и блок цилиндров 5, поступают на модуль детектора импульсов 15. На основе поступивших сигналов через устройство сопряжения 12 с компьютером 13 при помощи разработанного программного обеспечения определяется величина параметра , которая в реальном времени τ записывается с частотой 0,1 с в файл, и выводится на монитор в виде зависимости

Структурная схема показана АСОСП на рис. 2.

 

Рис. 2 - Структурная схема АСОСП

 

Модуль генератора сигналов (ГС) состоит из формирователя сигнала СИ, формирователя сигнала СП и генератора Г1. Опорную частоту системы вырабатывает генератор прямоугольных импульсов.

Для передачи данных и сопряжении ГС и входом частотомера имеется буфер, выполняющий функцию сопряжения и усилителя мощности - шинный формирователь (ШФ1, ШФ2 и ШФЗ).

Поскольку частота определяется путем счета импульсов за единицу времени, то в схеме присутствуют счетчики (СЧ1, СЧ2 и СЧЗ), которые программируются через ISА шину и УС. Счетчики имеют частоту счета более, чем 500 КГц и управляются формирователем временного интервала (ФВИ).

Формирователь временного интервала (ФВИ) вырабатывает временные интервалы, длительностью соответствующей точности измерения. Для формирования временных интервалов ФВИ имеется генератор с максимальной стабильностью частоты Г2.

Для сопряжения системы с шиной ISА служит устройство сопряжения (УС), которое обеспечивает обмен данных между ПК и системой. Обращение к системе через УС представляет собой обращение к порту, при этом, поскольку уже существуют используемые порты, номера портов уникальны (выбраны порты с адресами 0368 – 036F, так как эти порты не используются стандартными контролерами и платами расширения). Так как система не требует сверхбыстрой обработки принимаемых данных (асинхронного обмена), то прерывания ПК и прямой доступ к памяти не используется. Таким образом, УС включает в себя схему выбора адреса, формирователи шин адреса, данных и управления, к которым подключаются счетчики и формирователь временного интервала.

Принцип работы системы следующий. Генератор Г1 вырабатывает прямоугольные импульсы с частотой 500 КГц, которые поступают на схемы формирователя сигнала СИ и формирователя сигнала СП. С выходов формирователей сигналов и генератора сигналы поступают на входы шинных формирователей.

С выходов ШФ1, ШФ2 и ЩФЗ сигналы поступают на входы счетчиков СЧ1, СЧ2 и СЧЗ. На входы разрешения счета поступает импульс с ФВИ, длительность которого равна времени подсчета импульсов. Счетчики за временной интервал отсчитывают количество импульсов приходящее на их вход. Доступ к счетчикам с системной шины осуществляется посредством УС. УС осуществляет запись данных и считывание информации счетчиков. Номер счетчика определяется УС в зависимости от сигналов системной шины. Управление ФВИ осуществляется также УС.

Для достижения большей чувствительности системы к входному сигналу, сигнализирующему наличие или отсутствие контакта в паре терния, увеличена частота генератора опорной частоты до 1 МГц. При этом формирователь СИ выполнен на триггере, выполняющем роль делителя пополам при отсутствии контакта.

Разработано УС компьютера с анализатором режимов трения [2]. В качестве системной магистрали выбрана ISA. Принято во внимание сочетание программных средств компьютера и жесткой логики УС с перенесением сложной обработки на компьютер. УС со встроенным частотомером выполнено на отдельной плате, и вставляется в слот ЭВМ.

Программное обеспечение написано на языках высокого уровня С++ 3.0 и Ассемблера.

Описанная информационно-измерительная система «Автоматизированная система оценки смазочного процесса» является основой разрабатываемой системы управления смазочными процессами в подвижных сопряжениях двигателей внутреннего сгорания.

Система может быть использована для решения комплекса задач ресурсосберегающей эксплуатации автомобилей. Так, разработан комплекс методик повышения долговечности автомобильных двигателей внутреннего сгорания в эксплуатации: оценки качества приработки подшипников коленчатого вала [3]; диагностирования подшипников коленчатого вала [4]; определения малоизносных режимов работы при пуске [5, 6]; определения малоизносных режимов работы под нагрузкой [7], определения малоизносных скоростных режимов движения автотранспортного средства [8].

Список литературы / References

1. Подмастерьев, К.В. Универсальные электронные средства трибомониторинга / К.В. Подмастерьев, Е.В. Пахолкин, В.В. Мишин // Гидродинамическая теория смазки – 120 лет: Труды Международного научного симпозиума. - Орел: ОрелГТУ. - 2006. - С.267 - 277.
2. Патент RU №66046 U1, МПК G 01 M 13/04. Устройство для контроля состояния подшипников / Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, С.Б. Цибизов, М.Р. Янучков (РФ). – №2007112656/22. – Заявлено 04.04.2007 – Решение о выдаче патента от 04.04.2007 г. – Опубл. 27.08.2007 г., Бюл. №24. – 3 с.: ил.
3. Калимуллин, Р.Ф. Совершенствование методики оценки качества приработки подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин, А.П. Фот, Н.Н. Якунин // Вестник Оренбургского государственного университета, 2006. – № 9. – С.335 – 342.
4. Калимуллин, Р.Ф. Разработка диагностического обеспечения подшипников коленчатых валов автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин // Вестник Иркутского государственного технического университета. – 2012. – № 5 (64). – С. 101 – 108.
5. Калимуллин, Р.Ф. Оценка приспособленности автомобильных двигателей к режимам пуска и прогрева по параметрам смазочного процесса в подшипниках коленчатого вала / Н.Н. Якунин, Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко // Транспорт Урала. – 2008. – № 2. – С. 110 – 114.
6. Калимуллин, Р.Ф. Эффективность предпускового подогрева автомобильного двигателя / Р.Ф. Калимуллин // Вестник Сибирской автомобильно-дорожной академии. – 2015. – №1. – С. 11 – 17.
7. Калимуллин, Р.Ф. Методика оценки режимов работы автомобильного двигателя по критерию износостойкости подшипников коленчатого вала / Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко, И.В. Тюняев, С.Б. Цибизов // Вестник Саратовского государственного технического университета. – 2013. - № 1(69). – C. 216 – 222.
8. Калимуллин, Р.Ф. Метод малоизносной эксплуатации автомобильных двигателей / Р.Ф. Калимуллин, С.Ю. Коваленко // Вестник Южно-Уральского государственного технического университета. Серия «Машиностроение». - 2016. - Т. 16. - № 1. - С. 16-27.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Podmaster'ev, K.V. Universal'nye jelektronnye sredstva tribomonitoringa [Universal electronic tools tribomonitoring] / K.V. Podmaster'ev, E.V. Paholkin, V.V. Mishin // Gidrodinamicheskaja teorija smazki – 120 let: Trudy Mezhdunarodnogo nauchnogo simpoziuma. - Orel: OrelGTU. - 2006. - S.267 - 277. [in Russian]
2. Patent RU №66046 U1, MPK G 01 M 13/04. Ustrojstvo dlja kontrolja sostojanija podshipnikov [Device for condition monitoring of bearings]/ R.F. Kalimullin, S.Ju. Kovalenko, S.B. Cibizov, M.R. Januchkov (RF). – №2007112656/22. – Zajavleno 04.04.2007 – Reshenie o vydache patenta ot 04.04.2007 g. – Opubl. 27.08.2007 g., Bjul. №24. – 3 s.: il. [in Russian]
3. Kalimullin, R.F. Sovershenstvovanie metodiki ocenki kachestva prirabotki podshipnikov kolenchatyh valov avtomobil'nyh dvigatelej [mproving the methodology for assessing the quality of the running bearings of crankshafts of automobile engines] / R.F. Kalimullin, A.P. Fot, N.N. Jakunin // Vestnik Orenburgskogo gosudarstvennogo universiteta [Bulletin of the Orenburg state University], 2006. – № 9. – S.335 – 342. [in Russian]
4. Kalimullin, R.F. Razrabotka diagnosticheskogo obespechenija podshipnikov kolenchatyh valov avtomobil'nyh dvigatelej [Development of diagnostic assurance of the bearings of crankshafts of automobile engines] / R.F. Kalimullin // Vestnik Irkutskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of the Irkutsk state technical University]. – 2012. – № 5 (64). – S. 101 – 108. [in Russian]
5. Kalimullin, R.F. Ocenka prisposoblennosti avtomobil'nyh dvigatelej k rezhimam puska i progreva po parametram smazochnogo processa v podshipnikah kolenchatogo vala [Evaluation of fitness of automobile engines to the modes of start-up and warm-up according to the parameters of lubrication in bearings of cranked shaft] / N.N. Jakunin, R.F. Kalimullin, S.Ju. Kovalenko // Transport Urala [The Transport Of The Urals]. – 2008. – № 2. – S. 110 – 114. [in Russian]
6. Kalimullin, R.F. Jeffektivnost' predpuskovogo podogreva avtomobil'nogo dvigatelja / R.F. Kalimullin [The efficiency of preheating an automotive engine] // Vestnik Sibirskoj avtomobil'no-dorozhnoj akademii [The Bulletin of the Siberian automobile-road Academy]. – 2015. – №1. – S. 11 – 17. [in Russian]
7. Kalimullin, R.F. Metodika ocenki rezhimov raboty avtomobil'nogo dvigatelja po kriteriju iznosostojkosti podshipnikov kolenchatogo vala [The method of estimating the operation modes of the engine according to the criterion of wear resistance of bearings of a cranked shaft] / R.F. Kalimullin, S.Ju. Kovalenko, I.V. Tjunjaev, S.B. Cibizov // Vestnik Saratovskogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta [Bulletin of Saratov state technical University]. – 2013. - № 1(69). – C. 216 – 222. [in Russian]
8. Kalimullin, R.F. Metod maloiznosnoj jekspluatacii avtomobil'nyh dvigatelej [Method without wear operation of automotive engines] / R.F. Kalimullin, S.Ju. Kovalenko // Vestnik Juzhno-Ural'skogo gosudarstvennogo tehnicheskogo universiteta. Serija «Mashinostroenie» [Bulletin of the South Ural state technical University. Series "Engineering"]. - 2016. - T. 16. - № 1. - S. 16-27. [in Russian]