В статье представлены результаты исследования энергобаланса при изменении технического состояния топливного насоса машин сельскохозяйственного назначения. Свыше 30% отказов двигателей внутреннего сгорания приходится на топливную систему. Своевременное диагностирование, проведение ремонтных работ и работ по техническому обслуживанию (последнее, зачастую не предусмотрено или не выполняется) электрических топливных насосов позволяет повысить срок и ресурс службы. Расчет энергетического баланса является предпосылкой разработки нового или модернизации существующего метода диагностирования топливного насоса. Подчеркивается важность использования силы тока, как диагностического параметра (при определении технического состояния) насоса в режиме создания максимального давления топливной системы. По результатам исследований дополнительным диагностическим параметром может служить скорость нарастания тока питания насоса. Исследования показали, что при увеличении гидравлического сопротивления топливной системы на 90% средняя скорость нарастания тока составила – 7,6 А/с. При снижении гидравлического сопротивления системы топливоподачи менее, чем на 10% средняя скорость нарастания тока составила – 19,2 А/с. Ток является чувствительным параметром, который увеличивается или уменьшается в зависимости от уровня роста гидравлического сопротивления или утечек в топливной системе. Мощность насоса, затрачиваемая на гидравлические потери, существенно не изменялась, ввиду постоянного значения напряжения работы насоса. Идеи (методы, методики), разработанные в статье хорошо согласуются с вопросами моделирования процессов в гидродинамических трибосопряжениях топливных насосов высокого давления, в частности, для систем Common Rail. Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-29-10042, Тема: Численное моделирование процессов в гидродинамических трибосопряжениях топливных насосов высокого давления для перспективных форсированных дизельных двигателей https://rscf.ru/project/23-29-10042/».
топливная система, электронасос, сила тока, скорость тока, мощность насоса, гидравлические потери, энергобаланс
Введение. Сельскохозяйственное машиностроение – одна из важнейших отраслей в машиностроительном комплексе, имеющая долю в выпуске машин и оборудования примерно в 19%. Сельхозмашиностроение остается приоритетным направлением в машиностроении России, поскольку содействует решению продовольственных задач, поставленных перед сельским хозяйством и является самостоятельным сектором экономики агропромышленного комплекса (АПК) страны [1].
Аналитика. По данным Росспецмаша, за 2022 год продажи сельскохозяйственной техники в России увеличились на 17%. Выпуск сельскохозяйственных машин вырос на 15%. Однако, в связи с перебоями поставок комплектующих из-за рубежа, отмечается тенденция сокращения производства сельхозтехники в нашей стране (рис. 1). На 32% меньше было собрано зерноуборочных комбайнов, на 14% - кормоуборочных и на 1% - тракторов [1, 2, 3].
Рис. 1 – Динамика производства сельхозтехники (под сельскохозяйственной техникой понимаются только самоходные машины: тракторы, зерно- и кормоуборочные комбайны. Годы читаются слева-направо в порядке возрастания) в России в период 2019-2022 гг.
В табл. 1 представлены статистические данные эксплуатируемой сельхозтехники в России в динамике за 2019-2022 гг [3, 4].
Табл. 1 – Парк самоходных машин в АПК России, тыс. шт
|
|
2019 г. |
2020 г. |
2021 г. |
2022 г. |
|
Сельскохозяйственные тракторы |
206,7 |
203,6 |
198,3 |
196,7 |
|
Зерноуборочные комбайны |
55,0 |
53,9 |
52,6 |
52,3 |
|
Кормоуборочные комбайны |
11,8 |
11,4 |
10,9 |
10,7 |
Анализ показал (табл. 1), что за последние 4 года в агропромышленном комплексе парк сельхозтехники сократился на 5…6%. Основной причиной сокращения по-прежнему остается то, что до 80% машинно-тракторного парка (МТА) выработало свой ресурс. Покупка новой техники или ремонт существующей обходится потребителю повышенными затратами, а порой и вовсе является нерентабельным. Это приводит к тому, что 20% МТА не принимают участия в полевых работах, в свою очередь эффективность работы АПК резко снижается.
Для повышения эффективности работы АПК необходима разработка новых методов и методик диагностирования эксплуатируемых машин. Уровень современной автотракторной электроники позволяет при производстве сельхозтехники включать в электронные блоки управления программы самодиагностики с применением искусственного интеллекта и цифровизации.
Достигнуть выдвинутых в исследовании целей можно путем повышения уровня научно-технического потенциала, улучшения материально-технической и ремонтно-обслуживающей базы [5].
Актуальность проблемы. Одной из причин снижения производительности сельскохозяйственных машин является неэффективное использование ремонтно-обслуживающей базы [6, 7, 8]. Данную проблему можно выразить в виде несоответствия методов диагностирования и уровня конструктивного развития современных систем [9, 10, 11]. Необходимость в разработке и модернизации новых методов диагностирования и систем технического контроля машин и их компонентов остается актуальной в наши дни [12, 13, 14].
Двигатель внутреннего сгорания важнейший узел любой самоходной машины [15, 16, 17]. На долю его отказов и неисправностей, по разным статистическим данным, приходится от 14 до 43% от числа всех неисправностей систем машин [18, 19].
Анализируя статистику неисправностей двигателя стоит отметить, что на систему топливоподачи приходится свыше 30% от общей доли отказов и неисправностей силового агрегата, что, безусловно, требует особого внимания к диагностированию топливной аппаратуры [20].
Цель исследований. Повышение эффективности процесса диагностирования топливной аппаратуры (топливного насоса) применением тестовых методов.
Теоретические исследования. Энергетический баланс, есть выражение частного фундаментального закона сохранения энергии, представляющий собой равенство между энергией подведенной к топливному насосу (Eпод) и суммарной энергией переданной всей топливной системе (Еперед):
, Дж, (1)
Согласно закону Джоуля-Ленца, при силе тока (I, A) за время (t, с), перемещается заряд в поле с разностью напряжения (U, В), тогда подведенная электрическая энергия есть произведение:
, Дж, (2)
Переданная энергия есть сумма всех потерь электрических (Еэл.пот), гидравлических (Егид.пот) и полезной работы (Апол):
, Дж, (3)
Тогда, с учетом раскрытия отдельных элементов уравнения получим:
, Дж, (4)
где R – сила сопротивления, Ом; Р – давление в системе топливоподачи, МПа; ρ – плотность используемой жидкости, г/см3; g – ускорение свободного падения, м/с2; Q – пропускная способность (м3/с), определяется формулой:
, м3/с, (5)
где μ – коэффициент расхода жидкости; S – площадь сечения топливопровода, мм2.
Стоит отметить, что гидравлические потери можно выразить через мощность (Nгид.пот, Вт) и время (t, с), тогда формула примет следующий вид:
, Дж, (6)
где 
, Вт.
В ходе преобразования получим формулу силы потребляемого тока:
, А, (7)
Скорость изменения силы тока можно выразить в виде уравнения:
, А, (8)
Таким образом, определен алгоритм расчета энергобаланса топливной аппаратуры, выведена зависимость силы тока топливного насоса от электрических его параметров [8, 9, 10, 11].
Методика исследований. Теоретическая часть исследования выполнялась с использованием общих методов и методик, применяемых в физике (электротехника, гидравлика), математике (теория вероятности, математическая статистика).
Экспериментальные исследования проводились на испытательном стенде двигателя ЗМЗ-4062 (рис. 2). Экспериментальные исследования проводились при выключенном двигателе с приводом топливного насоса от внешнего блока питания [9, 13, 14]. На двигателе установлен топливный насос марки «Pekar» с рабочим напряжением 10,8-15 В, питающийся от блока питания марки «Вымпел». К плюсовой клемме насоса присоединяется высокочувствительный датчик тока, фиксирующий значения силы тока насоса и передающий их на цифровой осциллограф и далее на ПК [9, 13, 14]. В исследовании применялись калиброванные жиклеры (различных диаметров 0,4…4,6 мм) имитирующие рост гидравлического сопротивления в топливной магистрали.
Рис. 2 – Испытательный стенд «ЗМЗ-4062» и испытательное оборудование
Схема расположения испытательного оборудования приведена на рис. 3.
а) б)
Рис. 3 – Схема для диагностирования топливного насоса: а) без сопротивления; б) с сопротивлением; 1 – насос; 2 – топливный бак; 3 – манометр; 4 – топливная рампа; 5 – регулятор давления; 6 – блок питания; 7 – жиклер; 8 – датчик тока
Выбор диапазона диаметров жиклеров обоснован в результате предварительных экспериментов, в которых установлены пределы варьирования их размеров: 0,4 мм – минимальный диаметр жиклера с учетом критического повышения гидравлического сопротивления; 6,0 мм – диаметр топливопровода; размеры диаметров жиклеров внутри диапазонов 4,6; 3,2; 1,8 мм – среднеарифметические значения между минимальным и максимальным диаметрами сопротивления.
Данные, полученные с высокочувствительного датчика тока поступают на измерительный канал цифрового осциллографа, после чего по USB-проводу передаются на компьютер и графически отображаются в программе «Oscilloscope» (рис. 4). Как видно из рис. 4, в начальный момент пуска топливного насоса, ток питания достигает максимальной величины (Imax=8 A). Далее, когда преодолевается сила трения, и ротор топливного насоса страгивается с места, сила тока резко снижается до минимального значения Imin=2,5 A.
После чего, сила тока начинает плавно возрастать по мере увеличения гидравлического сопротивления линии топливоподачи, и достигает постоянной величины. Рост сопротивления топливного фильтра, повреждение топливных магистралей, нарушения работы регулятора давления и многие другие неисправности существенно сказываются на величине тока питания топливного насоса [9, 13, 14].
Рис. 4 – Образец участка измерения силы тока питания топливного насоса с установленным в линию топливоподачи жиклером диаметром 0,4 мм (снимок сделан с компьютерного приложения программы «Oscilloscope»): максимальный ток питания Imax=8 A; минимальный ток питания Imin=2,5 A
Проведем анализ рис. 4 более подробно, для последующего сопоставления экспериментальных данных между собой (при имитации роста гидравлического сопротивления линии топливоподачи). В результате получим рис. 5.
Рис. 5 – Измерение силы тока насоса с оцениванием параметров времени: t0 – время работы насоса до стабилизации тока питания; t1 – время с момента начала питания насоса до стабилизации значения тока; t2 – время на преодоление механических потерь; t3 – время с точки начала роста гидравлического сопротивления в линии топливоподачи до стабилизации тока питания насоса; t3.1 – t3.2 – промежуточные участки t3
Как видно из рис. 5, появились дополнительные временные параметры, анализ изменения которых поможет понять, какие из них имеют наибольшую чувствительность к увеличению гидравлического сопротивления линии топливоподачи. Выполним анализ скорости тока и мощности насоса, затрачиваемой на преодоление гидравлических потерь. Для этого, измеряемый участок, обработанный в ходе эксперимента приложением программы «Oscilloscope» цифрового осциллографа, визуально разделим на временные участки (рис. 5). Оцениваемыми участками времени примем: время работы насоса до стабилизации тока питания (t0, эквивалент скорости нарастания тока – V0, мощности – Nгид.пот(0)), время с момента начала подачи питания к насосу до стабилизации значения силы тока (t1, эквивалент скорости нарастания тока – V1, мощности – Nгид.пот(1)), время на преодоление механических потерь (t2, эквивалент скорости нарастания тока – V2, мощности – Nгид.пот(2)), время с точки начала роста гидравлического сопротивления в линии топливоподачи до стабилизации тока питания насоса (t3, эквивалент скорости нарастания тока – V3, мощности – Nгид.пот(3)). Значения силы тока на измеряемых участках принимаются как среднеарифметические. Для более точной оценки скорости тока разделим участок t3, поскольку в этом промежутке времени наблюдается резкое повышение значение силы тока (t3.1, t3.2 – промежуточные участки). Напряжение насоса, на всех участках измерения с использованием встроенных в топливную систему жиклеров различных диаметров, оставалось постоянным (≈12 В), что соответствовало номинальному давлению в топливной рампе – 0,3-0,6 МПа [13, 14].
Результаты экспериментальных исследований. В ходе предварительного экспериментального исследования были произведены измерения силы тока (I, A), времени (t, с), частоты вращения ротора (n, мин-1) топливного насоса при сопротивлениях, уменьшающих пропускную способность. Диапазон имитации роста гидравлического сопротивления топливной магистрали составил от 1 до 93% [8, 9]. Результаты экспериментальных измерений приведены на рис. 6.
Рис. 6 – Измерение силы тока топливного насоса с имитацией повышения гидравлического сопротивления в линии топливоподачи (D – диаметр жиклера, мм): n – частота вращения ротора насоса, мин-1; I1 max и I2 max – максимальные значения силы тока топливного насоса в начале и в конце измерения, соответственно, А; I1 min и I2 min – минимальные значения силы тока топливного насоса в начале и в конце измерения, соответственно, А; tст – время, прошедшее с момента запуска топливного насоса до стабилизации силы тока, с
Из рис. 6 видно, что максимальное значение силы тока в начале измерения (I1 max) по мере уменьшения гидравлического сопротивления ведет себя скачкообразно, средний шаг составляет 1 А. Минимальное значение силы тока в начале измерения (I1 min) изменяется незначительно, функция принимает скорее линейный вид, средний шаг равен 0,4 А. Максимальное и минимальное значения силы тока в конце измерения (I2 max и I2 min, соответственно) изменяются синхронно, их средний шаг не превышает 1 А. Время стабилизации (tст) уменьшается со снижением гидравлического сопротивления. Очевидно, что при гидравлическом сопротивлении в 93%, топливный насос сталкивается с высокой нагрузкой (I = 8 А).
Проведем анализ баланса энергий топливной системы, используя выше представленные формулы расчета. Результаты расчета сведем в табл. 2.
Табл. 2 – Результаты расчета энергобаланса топливной системы
|
Оцениваемый параметр |
Значение |
||||
|
Рост гидравлического сопротивления линии топливоподачи, % |
0 |
23 |
46 |
69 |
93 |
|
Eпод, Дж |
53,8 |
100,8 |
131,8 |
153,6 |
272,2 |
|
Еэл.пот, Дж |
53,8 |
100,8 |
131,8 |
153,6 |
272,2 |
|
Eгид.пот, Дж |
0,032 |
0,056 |
0,072 |
0,081 |
0,113 |
|
А, Дж (х10-7) |
1,81 |
1,76 |
0,98 |
0,28 |
0,01 |
|
Eперед, Дж |
53,8 |
100,9 |
131,8 |
153,7 |
272,3 |
По результатам расчета энергобаланса (табл. 2) равенство между энергией подведенной к топливному насосу (Eпод) и суммарной энергией переданной всей топливной системе (Еперед) соблюдается. Наибольшее значение суммарной переданной энергии составляет 272,2 Дж при увеличении гидравлического сопротивления топливопровода свыше 90%. Наименьшее значение суммарной переданной энергии всей топливной системе составляет менее 54 Дж при снижении гидравлического сопротивления в топливопроводе менее 5%.
Из рис. 7 видно, что скорость тока возрастает с увеличением пропускной способности топливопровода. Снижение пропускной способности может быть вызвано засоренностью топливного фильтра, что увеличивает гидравлическое сопротивление (рис. 7). Увеличение гидравлического сопротивления приводит к увеличению противомомента вращению ротора насоса. Топливный насос работает под нагрузкой потребляя увеличенный ток. Наибольшие значения скорости силы тока наблюдаются на участке t3 – время с точки начала роста гидравлического сопротивления в линии топливоподачи до стабилизации тока питания насоса – 25...57 А/с. Таким образом, дополнительным диагностическим параметром может служить скорость изменения тока питания насоса [9, 13, 14].
Рисунок 7 – Оценка скорости нарастания тока V, А/с в процессе измерения
Ток является чувствительным параметром, который увеличивается или уменьшается в зависимости от уровня роста гидравлического сопротивления линии топливоподачи или утечек в топливной системе.
Выводы. Исследования показали, что в электробензонасосе наибольшей информативностью (с увеличением сопротивления в топливопроводе) обладают параметры: величины тока питания (I, A) и напряжение (U, В). Установлено, что с уменьшением проходного сечения жиклеров (гидравлического сопротивления) с 6,0 до 0,4 мм обнаруживается резкий тренд снижения частоты вращения вала ротора электронасоса n от 4350 до 970 мин-1 и обратный ему рост времени, прошедшего с момента запуска топливного насоса до стабилизации силы тока tст. в пределах от 0,78 до 2,79 с. В ходе экспериментальной работы получено следующее: вариация значений I1 max - составила в пределах от 8 до 8 А не обнаруживая характерной зависимости, I2 max – составила в пределах от 5,7 до 8,0 А обнаруживая характерный тренд роста на всем протяжении, А; вариация значения I1 min составила в пределах от 3,0 до 2,5 А обнаруживая характерную зависимость снижения на всем протяжении изменения; вариация значения I2 min – составила в пределах от 4,2 до 6,8 А обнаруживая характерную зависимость увеличения на всем протяжении изменения. В ходе экспериментальных исследований выявлена зависимость скорости тока питания насоса от засоренности топливопровода: с увеличением засоренности до 93% топливопровода снижается скорость тока до 1,8 А/с.
1. Кнельц В. Ф., Матисен А. Б. Оценка влияния конструктивных и регулировочных параметров на уровень вредных эмиссий в выпускных газах среднеоборотного дизеля // Вестник машиностроения. 2023. Т. 102. № 12. С. 980-982. doi:https://doi.org/10.36652/0042-4633-2023-102-12-980-982.
2. Матисен А. Б., Варшавский А. А. Компоновка элементов аккумуляторной системы топливоподачи на тепловозном двигателе // Вестник машиностроения. 2022. № 4. С. 3-8. doi:https://doi.org/10.36652/0042-4633-2022-4-3-8.
3. Николаев С. Н. О предоставлении высококачественных услуг по техническому сервису и обеспечению запасными частями технологических машин. Часть 1 // Стандарты и качество. 2021. № 1. С. 76-81. doi:https://doi.org/10.35400/0038-9692-2021-1-76-81.
4. Николаев С. Н. О предоставлении высококачественных услуг по техническому сервису и обеспечению запасными частями технологических машин. Часть 2 // Стандарты и качество. 2021. № 2. С. 90-95. doi:https://doi.org/10.35400/0038-9692-2021-2-90-95.
5. Сурков Н. С. Состояние и причины снижения уровня технической оснащенности агропредприятий // Вестник ФГОУ ВПО МГАУ. 2009. № 7. С. 76-78.
6. Прогнозирование и предотвращение загрязнения воздушной среды с помощью интеллектуальной системы экологического мониторинга / М. Г. Баширов, Р. Г. Вильданов, А. М. Хафизов и др. // Экология и промышленность России. 2024. Т. 28. № 1. С. 16-21. doi:https://doi.org/10.18412/1816-0395-2024-1-16-21.
7. A study of the output characteristics of electric fuel pumps during artificial fault simulation / A. Gritsenko, V. Shepelev, G. Salimonenko et al. // FME Transactions. 2021. Vol. 49. No. 2. P. 480-487. doi:https://doi.org/10.5937/fme2102480G.
8. Increase in the fuel efficiency of a diesel engine by disconnecting some of its cylinders / A. Gritsenko, V. Shepelev, S. Fedoseev et al. // Facta Universitatis. Series: Mechanical Engineering. 2023. Vol. 21. No. 4. P. 657. doi:https://doi.org/10.22190/fume210914002g.
9. Environmental control and test dynamic control of the engine output parameters / A. Gritsenko, V. Shepelev, G. Salimonenko et al. // FME Transactions. 2020. Vol. 48. No. 4. P. 889-898. doi:https://doi.org/10.5937/fme2004889G.
10. Лиханов В. А., Лопатин О. П. Исследование токсичности дизельного двигателя при работе на различных альтернативных топливах // Двигателестроение. 2023. № 2(292). С. 54-61. doi:https://doi.org/10.18698/jec.2023.2.54-61.
11. Влияние показателей топливоподачи на рабочий процесс дизеля при достижении давления впрыскивания 250 МПа / М. Г. Шатров, А. Ю. Дунин, Л. Н. Голубков и др. // Двигателестроение. 2023. № 4(294). doi:https://doi.org/10.18698/jec.2023.4.42-55.
12. Дойнов А. В., Косенко Г. И., Харитонов С. В. Методика определения среднего индикаторного давления неактивного цилиндра для двигателя, обладающего возможностью отключения цилиндров // Двигателестроение. 2023. № 3(293). С. 44-50. doi:https://doi.org/10.18698/jec.2023.3.44-50.
13. Гриценко А. В., Бакайкин Д. Д. Результаты экспериментальных исследований пропускной способности электромагнитных форсунок // Вестник КрасГАУ. 2012. № 12(75). С. 120-127.
14. Test diagnostics of engine systems in passenger cars / A. Gritsenko, V. Shepelev, E. Zadorozhnaya et al. // FME Transactions. 2020. Vol. 48. No. 1. P. 46-52. doi:https://doi.org/10.5937/fmet2001046G.
15. Возможные меры повышения срока службы основных элементов топливовпрыскивающего насоса дизеля / В. А. Иванов, В. Н. Гаврилов, А. М. Новиков и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2023. Т. 18. № 2(70). С. 72-76. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2023-72-76.
16. Совершенствование технологии обкатки и испытания муфты опережения впрыска топлива / Ю. В. Иванщиков, А. Р. Валиев, А. М. Новиков и др. // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2023. Т. 18. № 2(70). С. 77-85. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2023-77-85.
17. Свешников А. Г., Михеев Г. М., Калимуллин М. Н. Анализ графиков потребления тока насосом и причин утечки жидкости на объектах водоснабжения сельских населённых пунктов // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2023. Т. 18, № 1(69). С. 80-86. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2023-80-86.
18. Габдрафиков Ф. З., Муслимов И. В. Модернизация системы топливоподачи дизеля непосредственного действия повышением интенсивности впрыскивания // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2022. Т. 17, № 3(67). С. 68-72. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-68-72.
19. Dubrovskiy A., Aliukov S., Osintsev K. On the possibility of generalizing the results of studies of dynamical systems on the example of a vehicle suspension // Machines. 2021. Vol. 9. No. 3. doi:https://doi.org/10.3390/machines9030068.
20. Габдрафиков Ф. З., Харисов Д. Д., Галиев И. Г. Топливоподающая система непосредственного действия с электронно-управляемым кольцевым клапаном // Вестник Казанского государственного аграрного университета. 2022. Т. 17. № 1(65). С. 38-44. doi:https://doi.org/10.12737/2073-0462-2022-38-44.
