Саранск, Республика Мордовия, Россия
Саранск, Республика Мордовия, Россия
Саранск, Республика Мордовия, Россия
Саранск, Республика Мордовия, Россия
ГРНТИ 68.85 Механизация и электрификация сельского хозяйства
ОКСО 35.02.07 Механизация сельского хозяйства
Цель исследований – определение функциональных возможностей стенда для обкатки двигателей внутреннего сгорания мобильной сельскохозяйственной техники малой мощности. Для достижения поставленной цели было предложено проводить обкатку двигателей средств малой механизации на разработанном ранее специализированном обкаточно-тормозном стенде, состоящем из асинхронной электрической машиной с фазным ротором, подключенной к трехфазной электрической сети и матричному преобразователю частоты, включенному в трехфазную электрическую сеть и состоящему из девяти двунаправленных транзисторных ключей, на которые поступают сигналы пространственно-векторного управления с системы автоматического управления, связанной с контрольно-измерительной аппаратурой на базе персонального компьютера. Для установления действительных характеристик разработанного стенда были сформулированы требования к техническим средствам для обкатки и испытаний двигателей малогабаритной сельскохозяйственной техники и проведены испытания. Экспериментальное определение характеристик осуществлялось в различных режимах, в качестве обкатываемого двигателя был использован дизельный двигатель GREENFIELD GF178 F. Установлены ограничения стенда в области задания частот вращения для бесступенчатого и ступенчатого изменения скоростного режима холодной обкатки ДВС средств малой механизации от 30 до 3000 об/мин (с шагом задания от 1 об/мин) при открытом декомпрессоре и от 500 до 3000 об/мин (с шагом задания от 1 об/мин) – при закрытом. При этом отклонение в поддержании заданного скоростного режима находилось в пределах от 0,2 до 3,3% и уменьшалось с ростом частоты вращения. Разработанный стенд позволяет полноценно воспроизводить скоростные режимы холодной обкатки двигателей малогабаритной сельскохозяйственной техники тягового класса 0,1 и 0,2 при ее создании и техническом сервисе.
стенд, двигатель, обкатка, техника, испытания, характеристики
Одним из способов улучшения технического сервиса двигателей является проведение качественной заводской и послеремонтной обкатки, позволяющей продлить срок службы и увеличить ресурс ДВС. Применительно к двигателям малогабаритной техники (МГТ) заводами-изготовителями и ремонтными предприятиями не производится стендовая обкатка. Однако в технической документации на такие ДВС указывается необходимость данной операции. Заводы-изготовители настоятельно рекомендуют в начальный период эксплуатации провести предварительную обкатку двигателей ввиду необходимости приработки трущихся деталей.
Для ДВС мощностью свыше 16 кВт разработаны и широко применяются в автосервисах и крупных дилерских станциях испытательные обкаточно-тормозные стенды различных конструкций. Однако адаптация их для обкатки и испытаний двигателей МГТ является технически сложной и экономически невыгодной ввиду высокой стоимости таких технических средств (3…50 млн рублей). Поэтому разработка электрического стенда и способов реализации режимов обкатки и испытаний двигателей МГТ является актуальной задачей.
Проведенный анализ стендов для обкатки и испытаний ДВС высокой мощности позволил определить следующие требования к техническим средствам для обкатки и испытаний двигателей малогабаритной сельскохозяйственной техники:
– испытательный стенд должен строиться на базе нагружающих устройств типа «асинхронный двигатель – преобразователь частоты», выполненных с использованием асинхронных электроприводов на базе преобразователей частоты с активным выпрямителем или матричных преобразователей. Использование данных технических решений в конструкции нагружающего устройства испытательного стенда позволит создать специальный стенд для обкатки и испытаний ДВС средств малой механизации, характеризующийся широкими функциональными возможностями, низкой стоимостью и высокой энергетической эффективностью.
– испытательный стенд должен обеспечивать необходимые диапазоны изменения скоростных и нагрузочных режимов, регламентированных государственными стандартами и существующими способами обкатки ДВС. Поэтому для управления скоростным режимом электропривода испытательного стенда двигателей малогабаритной сельскохозяйственной техники необходимо использовать такой способ регулирования скорости и момента асинхронного двигателя, который без использования дополнительных устройств (датчиков обратной связи), способен всесторонне обеспечить полноценную обкатку и испытания существующих двигателей средств малой механизации.
Цель исследований – определение функциональных возможностей стенда для обкатки двигателей внутреннего сгорания мобильной сельскохозяйственной техники малой мощности.
Задачи исследований – провести исследования возможных скоростных режимов холодной обкатки двигателей малогабаритной сельскохозяйственной техники и оценить их стабильность.
Материалы и методы исследований. Для решения обозначенных задач использовался разработанный обкаточно-тормозной стенд, состоящий из асинхронной электрической машины с фазным ротором, подключенной к трехфазной электрической сети и матричному преобразователю частоты, включенному в трехфазную электрическую сеть и состоящему из девяти двунаправленных транзисторных ключей, на которые поступают сигналы пространственно-векторного управления с системы автоматического управления, связанной с контрольно-измерительной аппаратурой на базе персонального компьютера. Экспериментальное определение характеристик осуществлялось на различных режимах, в качестве обкатываемого двигателя был использован дизельный двигатель GREENFIELD GF178 F.
Результаты исследований. Стабильность скоростного режима на этапе холодной обкатки определялась путем ступенчатого изменения частоты вращения коленчатого вала ДВС. Результаты эксперимента отражены на рисунках 1, 2. При проведении эксперимента частота вращения электрического двигателя испытательного стенда задавалась от 100 об/мин до 3000 об/мин с шагом
100 оборотов.
|
|
|
Рис. 1. График ступенчатого изменения скоростного режима |
Как видно из графика рисунка 1, во всем диапазоне испытаний разработанный стенд обеспечивает высокую стабильность скоростных режимов на каждой ступени обкатки. С течением всего времени обкатки частота вращения вала электрического двигателя испытательного стенда поддерживалась на уровне ±1 об/мин. С увеличением частоты вращения ротора асинхронного короткозамкнутого двигателя от 100 до 3000 об/мин данный показатель возрастал с ростом частоты вращения и достигал своего максимума на 3000 об/мин – ±6 об/мин. При этом отклонение в поддержании частоты вращения ротора асинхронного двигателя составило 3,3% при 30 об/мин и 0,2% при
3000 об/мин. Это объясняется трудностью задания и поддержания скоростного режима асинхронного электропривода с векторным алгоритмом управления без использования датчика скорости именно на низких оборотах. Результаты эксперимента также показали, что разработанный испытательный стенд способен обеспечить ступенчатую обкатку ДВС средств малой механизации тягового класса 0,1 и 0,2 при открытом декомпрессоре в диапазоне от 30 до 3000 об/мин с шагом задания
1 об/мин. Верхняя граница скоростного режима испытательного стенда ограничивается значением 3000 из-за примененного в конструкции стенда асинхронного двигателя с числом пар полюсов 2
и ограниченными функциональными возможностями регулировки частоты вращения преобразователем Mitsubishi FR-A741-5,5K (от 0 до 120 Гц), а нижняя граница – 30 об/мин – возможностями бездатчикого векторного алгоритма управления. При необходимости расширение верхней границы регулирования скоростного режима испытательного стенда возможно установкой на стенд асинхронного короткозамкнутого двигателя с числом пар полюсов 1.
На рисунке 2 показана возможность ступенчатого задания частоты вращения ротора электрического двигателя испытательного стенда с 30 об/мин до 100 об/мин с шагом 10 оборотов.
|
|
|
Рис. 2. График ступенчатого изменения скоростного режима |
Результаты исследования скоростного режима испытательного стенда при закрытом декомпрессоре отображены на рисунке 3. В ходе проведения данного эксперимента было установлено, что стенд способен обеспечить холодную обкатку ДВС средств малой механизации при закрытом декомпрессоре с 500 об/мин до 3000 об/мин с шагом задания 1 об/мин.
Падение нижней границы диапазона регулирования частоты вращения испытательного стенда двигателей малогабаритной сельскохозяйственной техники с закрытым декомпрессором объясняется возрастанием нагрузки на валу электрического двигателя, что влечет за собой необходимость увеличения вращающего момента электродвигателя, необходимого на прокрутку коленчатого вала ДВС. График зависимости вращающего момента асинхронного двигателя испытательного стенда от частоты вращения коленчатого вала на этапе холодной обкатки ДВС при закрытом декомпрессоре представлен на рисунке 4.
|
|
|
Рис. 3. График ступенчатого изменения скоростного режима |
|
|
|
Рис. 4. График зависимости вращающего момента асинхронного двигателя испытательного стенда |
При этом активная мощность, потребляемая электроприводом испытательного стенда в зависимости от частоты вращения, растет по линейной зависимости, представленной на рисунке 5.
|
|
|
Рис. 5. График зависимости активной мощности, потребляемой электроприводом испытательного стенда, от частоты вращения коленчатого вала на этапе холодной обкатки ДВС (декомпрессор закрыт) |
Также в результате проведенных исследований установлена зависимость активной мощности потребляемой электроприводом испытательного стенда от времени обкатки и частоты вращения коленчатого вала ДВС (рис. 6).
|
|
|
Рис. 6. График зависимости активной мощности, потребляемой электроприводом испытательного стенда, от времени обкатки и частоты вращения коленчатого вала на этапе |
Из рисунка 6 видно, что активная мощность, потребляемая электроприводом испытательного стенда, в течение времени ступеней линейно снижается, а при переходе на последующие ступени – скачкообразно возрастает. Это объясняется снижением вращающего момента, необходимого на прокрутку, вследствие протекания приработочных процессов и нагрева масла, а также его ростом при увеличении частоты вращения.
Для исследования стенда на этапе холодной обкатки с бесступенчатым изменением скоростного режима в настройки преобразователя частоты Mitsubishi FR-A741-5 были заданы время проведения обкатки (30 мин) и максимальный скоростной режим обкатки (1500 об/мин). Исходя из заданных параметров была построена идеализированная прямая задания скоростного режима и полученная прямая задания скоростного режима, внешний вид которых представлен на рисунке 7.
|
|
|
Рис. 7. График бесступенчатого изменения скоростного режима на этапе |
Результаты эксперимента показали незначительное отклонение идеализированной прямой от полученной. Отклонение наблюдалось при разгоне асинхронного двигателя от 0 до 100 оборотов. Время разгона на данном участке составило 1 мин 47 с вместо идеализированных 2 мин. На следующих участках (100-200 … 1400-1500 оборотов) время разгона составляло 2 мин. Общее время разгона от 0 до 1500 оборотов вместо 30 мин составило 29 мин 47 с. Отклонение по времени при разгоне асинхронного двигателя с 0 до 100 оборотов можно объяснить невозможностью работы данного типа электрического двигателя на сверхнизких оборотах, поэтому электрический двигатель набрал заданный скоростной режим на 13 с быстрее.
Заключение. Результаты проведенных экспериментальных исследований испытательного стенда ДВС средств малой механизации показали широкий диапазон функциональных возможностей электрического стенда в регулировании частот вращения коленчатого вала двигателя. Также были установлены ограничения стенда в области задания частот вращения для бесступенчатого и ступенчатого изменения скоростного режима холодной обкатки ДВС средств малой механизации от 30 до 3000 об/мин (с шагом задания от 1 об/мин) при открытом декомпрессоре и от 500 до
3000 об/мин (с шагом задания от 1 об/мин) – при закрытом. При этом отклонение в поддержании заданного скоростного режима находилось в пределах от 0,2 до 3,3% и уменьшалось с ростом частоты вращения. Таким образом, разработанный стенд позволяет полноценно воспроизводить скоростные режимы холодной обкатки двигателей малогабаритной сельскохозяйственной техники тягового класса 0,1 и 0,2 при ее создании и техническом сервисе.
1. Иншаков, А. П. Особенности построения схем электромеханических энергосберегающих стендов для обкатки и испытания автотракторных дизелей / А. П. Иншаков, Д. В. Байков, А. Н. Кувшинов, И. И. Курбаков // Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 3. - С. 81-85.
2. Иншаков, А. П. К вопросу модернизации и разработки стендов для обкатки и испытаний автотракторных двигателей / А. П. Иншаков, Д. В. Байков, А. Н. Кувшинов, И. И. Курбаков // Техника и оборудование для села. - 2015. - № 6. - С. 45-48.
3. Иншаков, А. П. Повышение надежности нагружающего устройства типа «машина постоянного тока - тиристорный преобразователь» при проведении обкатки и испытаний мощных автотракторных двигателей / А. П. Иншаков, Д. В. Байков, А. Н. Кувшинов, И. И. Курбаков // Известия Cамарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2015. - № 3. - С. 66-69.
4. Иншаков, А. П. Выбор средств технического диагностирования двигателей / А. П. Иншаков, А. Н. Кув-шинов, И. И. Курбаков, Д. В. Байков // Сельский механизатор. - 2015. - № 8. - С. 32-33.
5. Байков, Д. В. Стенд для обкатки и испытаний двигателей мобильной сельскохозяйственной техники малой мощности / Д. В. Байков, А. П. Иншаков, С. С. Десяев // Известия самарской государственной сельскохозяйственной академии. - 2016. - № 2. - С. 51-53.
6. Байков, Д. В. Обкаточно-тормозной стенд двигателя внутреннего сгорания на базе асинхронного электропривода с рекуперативным преобразователем частоты / Д. В. Байков, А. П. Иншаков, Ю. Б. Федотов // Вестник Мордовского университета. - 2018. - Т. 28, № 2. - С. 255-265.
7. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ № 2015616553 РФ. Программа пространственно-векторного управления преобразователем частоты матричного типа в составе стенда обкатки авто-тракторного двигателя внутреннего сгорания / Байков Д. В., Иншаков А. П., Курбаков И. И. [и др.]. - № 2015613344 ; заявл. 23.04.15 ; зарегистр. 15.06.15.
8. Свидетельство о госрегистрации программы для ЭВМ № 2015611041 РФ. Программа векторного управления асинхронным электроприводом / Байков Д. В., Десяев С. С. - № 2014662261 ; заявл. 01.12.14 ; зарегистр. 22.01.15.
9. Пат. 159065 РФ, МПК G01M15/00, F02B79/00. Стенд для обкатки и испытаний автотракторного двигателя внутреннего сгорания / Байков Д. В., Иншаков А. П., Курбаков И. И., Кувшинов А. Н. ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВПО «Мордовский государственный университет им. Н.П. Огарёва». - № 2015121507/06 ; заявл. 04.06.15 ; опубл. 27.01.16, Бюл. № 3.
10. Пат. 171449 РФ, МПК F02B 79/00, G01M 15/04. Стенд для обкатки и испытаний двигателей внутренне-го сгорания мобильной сельскохозяйственной техники малой мощности / Байков Д. В., Иншаков А. П., Кур-баков И. И. [и др.] ; заявитель и патентообладатель ФГБОУ ВО «Национальный исследовательский Мор-довский государственный университет им. Н.П. Огарёва». - № 2016115292 ; заявл. 19.04.16 ; опубл. 01.06.17, бюл. № 16.
11. Тимохин, С. В. Совершенствование технологии и средств холодной обкатки автотракторных ДВС / С. В. Тимохин, И. С. Королев // Нива Поволжья. - 2015. - №1 (34). - С. 61-65
12. Тимохин, С. В. Современные технологии обкатки автотракторных двигателей : монография / С. В. Тимохин, Ю. В. Родионов. - Пенза : Пензенский ГУАС, 2013. - 284 с.
13. Прилепский, Ю. В. Повышение эффективности стендовой обкатки двигателей внутреннего сгорания / Ю. В. Прилепский // Вестник донецкой академии автомобильного транспорта. - 2015. - №1. - С. 42-54.
14. Жданко Д. А. Ресурсосбережение при обкатке отремонтированных двигателей совершенствованием обкаточно-тормозного стенда / Д. А. Жданко, А. В. Новиков, Я. Т. Тимошенко // Вестник Белорусской государственной сельскохозяйственной академии. - 2009. - №1. - С. 124-127.
15. Тимохин, С. В. Тенденции развития технологий и средств обкатки двигателей автотракторной техники / С. В. Тимохин, И. А. Спицина, И. Г. Голубев // Труды ГОСНИТИ. - 2017. - Т.127. - С. 91-96.
16. Чикунов, Ю. М. Энергетический стенд с улучшенными характеристиками / Ю. М. Чикунов, А. М. Чикунов // Сельский механизатор. - 2012. - №10. - С. 28-29.
