харківський державний автомобільно-дорожній

технічний університет

Бажинов Олексій Васильович

УДК 629.113

НАУКОВІ ОСНОВИ ОЦІНКИ РЕСУРСУ СИЛОВИХ

АГРЕГАТІВ ТРАНСПОРТНИХ МАШИН З УРАХУВАННЯМ УМОВ ЕКСПЛУАТАЦІЇ

Спеціальність 05.22.20

Експлуатація та ремонт засобів транспорту

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Харків 2001

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі системотехніки і діагностики транспортних машин Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету (ХДАДТУ) Міністерства освіти і науки України.

Науковий консультант: заслужений діяч науки України,

доктор технічних наук, професор

Говорущенко Микола Якович, завідуючий кафедрою системотехніки і

діагностики транспортних машин ХДАДТУ

Офіційні опоненти: Анілович В.Я. д-р техн. наук, професор Харьківського державного технічний університет сільського господарства

Бідняк М.Н. д-р техн. наук, професор Національний транспортний університет

Серебряков І.Н. д-р техн. наук, професор Харківського національного автомобільно-дорожнього університету

Провідна установа: Харківська державна академія залізничного транспорту

Захист відбудеться “24” 10. 2001 р. о 12.00 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.059.02.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського державного автомобільно-дорожнього технічного університету (м.Харків, вул.Петровського, 25).

Автореферат розісланий “21” 09. 2001 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради,

канд.техн.наук, професор Богомолов В.О.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Підвищення надійності транспортних машин є одним з пріоритетних напрямків розвитку техніки на найближче десятиріччя. Найважливіша якість, яка характеризує надійність транспортних машин, довговічність, визначається терміном служби і ресурсом. Теорія надійності дає можливість визначити вплив різних факторів на ресурс, а спільно з методами і засобами технічної діагностики – оцінити залишковий ресурс.

Практичне значення проблеми ресурсу транспортних машин дуже велике. Збільшення ресурсу приведе до значної економії матеріалів, енергетичних і трудових витрат, які сьогодні використовуються на поповнення парку транспортних машин та на їх ремонт. Особливе значення має проблема прогнозування ресурсу транспортних машин за результатами діагностики їх стану в заданих умовах експлуатації. Прогнозування ресурсу транспортних машин включає встановлення залежності його від усіх зовнішніх і внутрішніх факторів, тому розробку методів прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів слід розглядати як одну із невід’ємних частин загальної проблеми ресурсу.

Прогнозування ресурсу за реалізацією відкриває додаткові шляхи для одержання економічного ефекту і дозволяє не тільки попередити можливі відмови і непередбачені досягнення граничного стану, але і більш правильно планувати режими експлуатації, профілактичне обслуговування і забезпечення запасними частинами. Більше того, перехід до прогнозування ресурсу за реалізацією збільшить середній ресурс транспортних машин, оскільки зменшує частку силових агрегатів, передчасно знятих для ремонту, і відкриває шлях до обгрунтованого вибору оптимального терміну експлуатації. В ряді випадків рентабельна експлуатація може бути продовжена в умовах зниження навантажувально-швидкісного режиму, тому прогнозування ресурсу за реалізацією розглядається як система управління процесом експлуатації і технічного обслуговування транспортних машин.

Оцінка ресурсу силових агрегатів і вузлів машин розглядається як ціленаправлений процес, який дозволяє виявити потенційні відмови в агрегатах та системах і забезпечити своєчасне прийняття рішення або видачу управляючих дій до виникнення фактичної відмови. Використання результатів оцінки ресурсу силових агрегатів машин в процесі управління їх роботоздатністю дає значний ефект і дозволяє збільшити ступінь використання ресурсу силових агрегатів на 30…40%, зменшити питомі витрати, пов’язані з усуненням відмов, на 10…15%, збільшити тим самим безвідмовність елементів на 10…20%.

Проблема, яка визначає нові закономірності формування методів оцінки і прогнозування ресурсу силових агрегатів, які враховують індивідуальні особливості та зовнішні умови роботи конкретної машини, є актуальною.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дана робота є складовою частиною досліджень кафедри системотехніки і діагностики транспортних машин, проблемної науково-дослідної лабораторії діагностування та прогнозування технічного стану автомобілів ХДАДТУ і спрямована на наукову систематизацію та узагальнення основних закономірностей зміни технічного стану транспортних засобів в процесі експлуатації в різних умовах.

Мета та задачі дослідження. У зв’язку з викладеним вище, метою дослідження є розробка наукових основ вибору і обгрунтування методів оцінки ресурсу силових агрегатів автомобілів, що враховують індивідуальні особливості та зовнішні умови роботи конкретного автомобіля, і управління витратами ресурсу силових агрегатів для конкретних умов роботи за експлуатаційними параметрами.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися такі основні задачі.

1. Розробка основ теорії витрат ресурсу і методів прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів, які базуються на діагностичній оцінці ступеню зносу сполучень і зовнішніх умовах експлуатації конкретного силового агрегату.

2. Обгрунтування взаємодії та структурних параметрів, які характеризують ступінь зносу основних сполучень силових агрегатів.

3. Встановлення аналітичних залежностей визначення залишкового ресурсу основних сполучень силових агрегатів в конкретних умовах експлуатації та експериментально-теоретичне обгрунтування їх значень для конкретних моделей автомобілів.

4. Розробка методів, математичних моделей та алгоритмів прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів, що враховують енергетичні витрати на виконання транспортної роботи, індивідуальні особливості і технічний стан конкретного експлуатованого автомобіля.

5. Розробка методики прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів, які враховують індивідуальні особливості конкретного автомобіля і умови його експлуатації; розрахунку кількості запасних частин для агрегатів; управління ресурсом силових агрегатів парку автомобілів за енергетичними параметрами; встановлення терміну зміни масла.

Об’єктом дослідження є знос і оцінка ресурсу сполучень силових агрегатів, а також методи визначення ступеню зносу сполучень двигунів і трансмісій автомобілів.

Предметом дослідження є наукова систематизація і узагальнення основних закономірностей зміни ресурсу силових агрегатів при експлуатації транспортних машин в різних умовах.

Методи дослідження передбачали застосування сучасних експериментальних приладів та обладнання, різноманітних існуючих та вперше розроблених спеціальних методик, використання ЕОМ, даних математичної обробки статистичного матеріалу за результатами досліджень, широкого обсягу стендових та експлуатаційних випробувань силових агрегатів різних моделей автомобілів.

На підставі розробленого загального методологічного підходу, який базується на принципах аналізу фізичних явищ, які визначають інтенсивність зношування сполучень силових агрегатів та прогнозних рішень оцінки витрати ресурсу силових агрегатів для заданих умов експлуатації, отримані результати, що мають наукову новизну та практичне значення.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено математичні методи розрахунку ресурсу силових агрегатів і оцінки впливу на нього зовнішніх умов, індивідуальних якостей автомобіля. Показано раціональні області використання ресурсу силових агрегатів автомобілів в залежності від навантажувально-швидкісного режиму руху. Встановлено корекцію залежності ресурсу силових агрегатів автомобіля відповідно до вантажу і умов перевезень.

2. Розроблено науково-методичні основи нових методів прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів автотранспортних засобів (АТЗ), які базуються на діагностичних методах оцінки технічного стану сполучень і математичних моделях зносу, враховують енергетичні витрати на виконання транспортної роботи (масу перевезеного вантажу, середню швидкість руху АТЗ, сумарні витрати пального), індивідуальні особливості і технічний стан конкретного експлуатованого автомобіля.

3. Вперше встановлено нові закономірності визначення залишкового ресурсу, витрати запасних частин та зміни масла в агрегатах АТЗ для конкретних умов експлуатації в залежності від обсягу транспортної роботи, швидкості руху, витрати палива, а також від індивідуальних особливостей конкретного автомобіля. Показано, що обсяг транспортної роботи, швидкість руху та витрати палива є загальними параметрами оцінки залишкового ресурсу, витрати запасних частин і зміни масла. Отримано статистичні і евристичні методи прогнозування залишкового ресурсу, що враховують вік рухомого складу, середньорічну витрату палива, пробіг і нормативний вік рухомого складу.

4. Отримані залежності швидкості зносу сполучень силових агрегатів дозволяють проранжувати ступінь впливу факторів (навантажувально-швидкісного режиму, технологічних та експлуатаційних), провести вибір раціональних рішень з експлуатації АТЗ та визначення впливу зовнішніх умов, при яких може змінитися залишковий ресурс.

5. Дано теоретичне обгрунтування управлінню ресурсом силових агрегатів в конкретних умовах експлуатації за енергетичними параметрами. Визначено області раціонального використання автомобілів за показником ресурсу силових агрегатів. Показник ресурсу силових агрегатів, автомобіля в цілому, а також парку автомобілів встановлюється за витратою палива, швидкістю руху та обсягом виконаної транспортної роботи.

6. Розроблені методики прогнозування залишкового ресурсу, витрати запасних частин і періодичності зміни масла в силових агрегатах конкретного автомобіля, які базуються на результатах діагностики та враховують зовнішні умови експлуатації.

Практичне значення одержаних результатів. На підставі отриманих наукових результатів, які складають єдиний комплекс досліджень (концепція, принципи, критерії, методи і математичні моделі), запропоновано систему методичних аспектів застосування розроблених методів прогнозування та управління ресурсом силових агрегатів автомобілів для вибору раціональних рішень з їх експлуатації в заданих умовах. Система включає математичні моделі ресурсу силових агрегатів, які складають основу управління витратою ресурсу машин в заданих умовах експлуатації і дозволяють виконати:

1. прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів, що враховує індивідуальні особливості конкретного експлуатованого автомобіля і умови його експлуатації;

2. розрахування кількості запасних частин для силових агрегатів або парку автомобілів щоквартально чи на рік;

3. корегування ресурсу і терміну зміни масла в силових агрегатах з врахуванням конкретних умов експлуатації;

4. управління ресурсом силових агрегатів парку автомобілів при їх експлуатації в конкретних умовах роботи за енергетичними параметрами;

5. обгрунтування вибору методу прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів.

У цілому, дисертація є рішенням важливої народногосподарської проблеми, яка спрямована на розвиток теорії та практики оцінки і прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів, що дозволить значно підвищити використання ресурсу АТЗ, зменшити витрати запасних частин до них та дасть високий економічний ефект при експлуатації та ремонті.

Реалізація роботи полягає у використанні основних наукових досліджень у вигляді методичних рекомендацій та програмного забезпечення на етапі експлуатації АТЗ і впроваджена:

-

-

-

Особистий внесок здобувача:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертаційної роботи оприлюднено та схвалено на таких конференціях і нарадах: Всесоюзній науково-технічній конференції “Діагностика та прогнозування технічного стану рухомого складу автомобільного транспорту” (м.Улан-Уде, липень 1989 р.); регіональній науково-технічній конференції “Використання математичних засобів та обчислювальної техніки до задач автомобільного транспорту” (м.Волгоград, березень 1989 р.); Всесоюзній науково-технічній нараді “Удосконалення експлуатації, технічного обслуговування та ремонту техніки на основі стандартизації” (м.Горький, жовтень 1989 р.; вересень 1991 р.); міжнародній науковій конференції “Проблеми транспорту та шляхи їх вирішення” (м.Київ, жовтень 1994 р.); регіональних науково-технічних конференціях “Концепції розвитку та високі технології виробництва і ремонту транспортних засобів” (м.Оренбург, грудень 1995 р., березень 1997р.); міжнародних науково-технічних конференціях “Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров’я” (м.Харків, травень 1997р., квітень 1998р.); науково-технічній конференції “Інформаційні технології в промисловості і навчальному процесі” (м.Москва, жовтень 1997р.); науково-практичній конференції “Системотехніка на автомобільному транспорті” (м.Харків, листопад 1998р.); четвертій науково-технічній конференції “Вирішення екологічних проблем на автотранспортному комплексі” (м.Москва, лютий 2000р.); міжнародній науково-технічній конференції “Проблеми якості і експлуатації автотранспортних засобів” (м.Пенза, квітень 2000 р.); наукових конференціях ХДАДТУ (1985…2000 рр.), а також на розширеному засіданні кафедри системотехніки і діагностики транспортних машин.

Публікації. Основний зміст дисертації викладено у 23 публікаціях за фахом, у тому числі в одній монографії за одноосібним авторством.

Структура та обсяг роботи. Повний обсяг роботи складає 324 сторінки, із них сторінок основного тексту, 24 таблиці на сторінках, 60 ілюстрацій на сторінках і додатків на сторінках.

Робота складається з вступу, п’яти розділів, висновків та додатків. Додатки містять результати обробки експериментальних даних.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтована актуальність і новизна теми, дана загальна характеристика роботи, сформульовані мета і задачі досліджень, наведені основні напрямки вирішення задач, викладені положення, які визначають наукову новизну та практичне значення роботи.

Перший розділ дисертації присвячено аналітичному огляду виконаних досліджень та обгрунтуванню обраного напрямку роботи.

Основну увагу зосереджено на таких питаннях:

-

-

-

-

Головною і постійно діючою причиною зміни технічного стану силового агрегату є зношування його деталей.

Розробці основних принципів забезпечення роботоздатності автомобілів і інших машин в процесі експлуатації на основі дослідження їх надійності присвячені роботи Ф.М.Авдонькіна, М.М.Бєдняка, В.М.Варфоломєєва, Г.В.Веденяпіна, І.М.Величкіна, С.В.Венцеля, Д.М.Гаркунова, М.Я.Говорущенка, А.В.Гогайзеля, М.О.Григор’єва, І.Б.Гурвича, Д.С.Денісова, І.Є.Дюміна, Б.І.Костецького, Г.В.Крамаренка, Р.В.Кугеля, Є.С.Кузнецова, В.С.Лукінського, Л.В.Мірошникова, В.М.Міхліна, І.О.Мішина, Я.І.Несвітського, О.С.Пронікова, Л.Г.Резніка, О.І.Селіванова, О.В.Сєрова, Г.І.Суранова, О.М.Шейніна та інших авторів.

Проведений аналіз літературних джерел, вивчаючих причини відправки силового агрегату в ремонт, свідчить про те, що основними сполученнями і деталями, що спричиняють необхідність ремонту силового агрегату, є деталі циліндро-поршневої, кривошипно-шатунної груп, , шестерні коробки передач та редуктора головної передачі.

При експлуатації силового агрегату головним фактором, що визначає протікання процесу зносу двигуна та трансмісії автомобілів є навантажувально-швидкісний режим. Від нього залежить ступінь і градієнт упруго-пластичної деформації, температура на поверхні тертя, ступінь активізації металу, ряд супровідних явищ і він визначає вид переважаючого зносу.

Детальний аналіз досліджень методів прогнозування в методичному та методологічному відношенні показує, що для підвищення ефективності і терміну служби силових агрегатів необхідне індивідуальне прогнозування залишкового ресурсу, яке є основною умовою ефективності реалізації тактики керування за фактичним технічним станом. Якість прогнозу залишкового ресурсу силового агрегату визначається точністю діагностичних методів і засобів, а також точністю математичних моделей, що відображають зміни діагностичного параметра за часом.

На підставі проведеного аналізу визначено мету та завдання дослідження.

Другий розділ присвячено основам теорії оцінки ресурсу силових агрегатів. Метою розділу є розвиток теоретичних основ нових методів оцінки ресурсу силових агрегатів, які враховують індивідуальні особливості та зовнішні умови роботи конкретного автомобіля, тобто вироблення загального методологічного підходу проведення досліджень.

Прогнозування оцінки ресурсу силових агрегатів розглядається як система, працездатність якої визначається вихідними параметрами окремих сполучень і деталей, а також характером зміни їх за часом. Загальне рішення проблеми прогнозування і оцінки ресурсу силового агрегату обумовлено окремим розглядом швидкості зносу основних сполучень (деталей). Швидкість зносу сполучень при експлуатації силового агрегату є об’єктивний неперервно протікаючий процес. З математики відомо доказ нескінченності функції, який можна висловити так: функція швидкості зносу силового агрегату неперервна, оскільки нескінченно малому прирощенню аргументу, в даному випадку навантажувально-швидкісному режиму роботи, відповідає нескінченно мале прирощення функції, тобто зносу сполучення. Цей доказ справедливий протягом усього періоду експлуатації силового агрегату

Вибір і побудова математичних моделей ресурсу силових агрегатів автомобіля базуються на структурній формі аналітичних виразів швидкості зносу циліндрів, корінних і шатунних шийок колінчастого валу, зубів шестерень коробки передач і редуктора ведучого моста від навантажувально-швидкісного режиму, зовнішніх умов та інших факторів. Ресурс силового агрегату визначається рівнянням

,

де Fдоп – сумарний допустимий знос сполучення силового агрегату, г; Vа – швидкість руху автомобіля, км/год; И – швидкість зносу сполучень силового агрегату, г/хв.

Сумарний допустимий знос сполучень силового агрегату, чисельні значення якого наведені в табл.1, визначається розрахунковим шляхом.

Таблиця 1

Значення сумарного допустимого зносу сполучень силових агрегатів автомобіля, мг

Найменування агрегату | Найменування деталей | Марка автомобіля

ЗІЛ-431410 | КрАЗ-256 | МАЗ-6335 | КамАЗ-5320

Двигун | Гільза циліндра | 95000 | 200000 | 150000 | 150000

Шийки колінвала | 7700 | 28600 | 21450 | 18000

Вкладиші | 8600 | 29800 | 22350 | 19500

Коробка передач | Шестерні і шліци | 23000 | 52000 | 38000 | 42000

Редуктор ведучого моста | Шестерні і шліци | 53000 | 105000 | 85000 | 80000

Експериментальні дослідження показують, що швидкість зносу сполучень силового агрегату має вид багаточлена, детермінованою частиною якого принято навантажувально-швидкісний режим. В реальних зовнішніх умовах експлуатації спостерігається безперервний процес зміни швидкості зносу сполучень. Це пояснюється значним впливом технологічних і експлуатаційних факторів, які зустрічаються в процесі довгої експлуатації силового агрегату. Тому значення коефіцієнтів багаточлена мають бути не постійними і носити імовірний характер.

Проведене статистичне моделювання на ЕОМ швидкості зносу дозволило встановити, що форма зв’язку між коефіцієнтами багаточлена швидкості зносу сполучень силового агрегату може бути прийнята у вигляді поліному.

Викладене вище дозволяє рівняння швидкості зносу сполучень силових агрегатів представити так:

для двигуна

,

для коробки передач

,

для редуктора ведучого моста

,

де Ре – середньоефективний тиск, кПа; n - частота обертання колінвалу двигуна, хв-1; ікср – середньозважене передаточне число коробки передач; ікв – вища передача коробки передач.

Коефіцієнт а1 корегує швидкість зносу сполучень силових агрегатів, ураховує індивідуальні особливості агрегатів при визначенні ресурсу і його значення встановлюється із рівняння

,

де С – коефіцієнт, що характеризує якість складання, виготовлення, змащення і т.ін. сполучення силового агрегату; Vh - об’єм циліндрів двигуна, см3.

При збільшенні значення нормативного пробігу силового агрегату до капітального ремонту cпостерігається зниження коефіцієнта а1. Це пов’язано з поліпшенням якості матеріалів, змащення, складання та іншого. Коефіцієнт а1 є показником рівня якості конструкції, технології виготовлення і експлуатації силового агрегату. Значення коефіцієнта а1 визначають за даними швидкості зміни діагностичного параметра в області напрацювання. Значення коефіцієнта С для двигунів, коробок передач і редукторів ведучих мостів автомобілів сімейства ЗІЛ, КамАЗ, МАЗ и КрАЗ наведено в табл.2.

Навантажувально-швидкісний режим (середньоефективний тиск і швидкість обертання колінчастого валу) характеризується за зовнішніми умовами такими факторами як повна вага автомобіля Gа, коефіцієнт сумарного дорожнього опору , радіус кочення колеса rк, робочий об’єм циліндрів двигуна, передаточне число головної передачі і0 , зважене середнє передаточне число коробки передач, ККД трансмісїї тр, фактор обтічності автомобіля кF. Таким чином, ресурс силового агрегату до капітального ремонту в загальному вигляді

,

де К – коефіцієнт, що враховує зовнішні умови роботи автомобіля; max – найбільший знос сполучень силових агрегатів, мм.

Таблиця 2

Значення коефіцієнтів, які характеризують індивідуальні якості силових агрегатів

Сімейство

автомобілів | СЦПГ·10-3 | СКШМ·10-3 | СКП·10-3 | Сред·10-3

ЗІЛ | 9,2 | 0,9 | 2,3 | 5,5

КамАЗ | 12,8 | 1,8 | 3,6 | 6,8

МАЗ | 13,3 | 2,0 | 3,2 | 7,1

КрАЗ | 13,3 | 2,0 | 3,5 | 7,3

Коефіцієнт, що враховує зовнішні умови роботи автомобіля, визначається за рівнянням:

для циліндрово-поршневої групи двигуна

для кривошипно-шатунного механізму двигуна

для коробки передач

для редуктора ведучого моста

.

Значення постійних коефіцієнтів РЦПГ, РКШМ, РКП, Рред, А, В, F, q, D, R для даного автомобіля та методика їх визначення наведені в роботі.

Між ресурсом силового агрегату і витратою палива існує пряма залежність. Добуток пробігу автомобіля, при якому силовий агрегат потребує капітального ремонту, на витрату палива в л/100 км пробігу є сумарна витрата палива. Ця величина для конкретного силового агрегату має бути постійною. Під час експлуатації автомобіля ресурс двигуна і трансмісії зменшується на стільки, на скільки збільшується витрата палива. Ця закономірність покладена в основу методу прогнозування залишкового ресурсу силового агрегату за сумарною витратою палива.

В роботі наведено математичний доказ методу прогнозування за сумарною витратою палива. Таким чином, значення коефіцієнта КТ, що враховує зовнішні умови роботи автомобіля за сумарною витратою палива, становлять:

для циліндро-поршневої групи

для кривошипно-шатунного механізму

для коробки передач

для редуктора ведучого моста

.

Велика різноманітність технологічних і експлуатаційних факторів, які зустрічаються в процесі тривалої експлуатації силового агрегату, викликають зниження його ресурсу в декілька разів. Так, найбільший ресурс двигуна і трансмісії спостерігається при русі автомобіля на вищій передачі і найменший – на першій передачі. Кожній передачі відповідає швидкість руху автомобіля, при якій ресурс двигуна і трансмісії буде найбільший становить:

,

де Vmax – найбільша швидкість руху автомобіля, км/год; Кг – коефіцієнт, що враховує навантаження автомобіля.

При збільшенні передаточного числа головної передачі спостерігається максимальне значення ресурсу силового агрегату при менших середніх технічних швидкостях руху автомобіля. Це необхідно враховувати при встановленні умов експлуатації для автомобілів-тягачів, автобусів, самоскидів, бортових і спеціальних машин, які мають різні значення передаточного числа головної передачі.

Автомобілі з подільниками перед коробкою передач, наприклад, КамАЗ-5320, мають декілька значень середніх технічних швидкостей руху, при яких спостерігається найбільший ресурс силових агрегатів. Так, при збільшенні передаточного числа головної передачі на 15% середня швидкість руху автомобіля, при якій ресурс силових агрегатів буде найбільшим, зменшиться на 7…9%.

Ресурс двигуна і трансмісії залежить від радіуса кочення колеса. Розрахунки показують, що при зменшенні радіуса кочення колеса на 10% (внаслідок зносу протектора і зменшення тиску в шині) ресурс двигуна і трансмісії знизиться на 8…9%.

Коефіцієнт корисної дії трансмісії залежить від технічного стану агрегатів силової передачі. Для різних автомобілів він змінюється в межах 0,8…0,9. В залежності від технічного стану автомобіля ККД трансмісії може змінюватися на 10…15%. При збільшенні або зменшенні ККД трансмісії на 10% ресурс двигуна і трансмісії збільшується або зменшується відповідно на 4…6%. Таким чином, підтримка зчеплення, коробки передач, карданної передачі та ведучого моста в технічно справному стані, а також використання необхідних в даному випадку мастильних матеріалів підвищує ресурс двигуна і трансмісії.

Поліпшення аеродинамічних якостей автомобіля – резерв збільшення ресурсу двигуна і трансмісії. При зниженні для вантажних автомобілів коефіцієнта аеродинамічного опору від 0,8 до 0,6 ресурс двигуна і трансмісії підвищується на 18…20%.

Третій розділ присвячено прогнозуванню залишкового ресурсу силових агрегатів. Розроблені методи прогнозування залишкового ресурсу встановлюють зміну ресурсу від вантажу і швидкості руху автомобіля, витрати палива, а також від індивідуальних особливостей конкретного автомобіля. Вантаж, швидкість руху автомобіля і витрати палива є узагальнюючими параметрами оцінки залишкового ресурсу. Таким чином, одержані такі математичні моделі прогнозування залишкового ресурсу сполучень силових агрегатів за вантажем і швидкістю руху автомобіля:

,

де изм – вимірюване значення зносу сполучення, мм; Кд, Квод – коефіцієнти, відповідно, які визначають дорожні умови, майстерність водія; Lп - пробіг силового агрегату з початку експлуатації, км; - коефіцієнт використання вантажопідйомності.

Прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів за сумарною витратою палива базується на встановленні режиму роботи двигуна, при якому значення питомої витрати палива найменші, тобто ge=gemin. При такому режимі значення середнього ефективного тиску будуть Ре=0,5Реmax, а швидкість обертання колінвалу n=0,5nmax. Таким чином, потужність Nдв=0,3Nmax, при якій питома витрата палива найменша. Крім того, швидкість руху автомобіля слід прийняти 0,7 Vmax, яка відповідає найбільшому ресурсу силового агрегату. Відповідно до викладеного вище, сумарна витрата палива за весь термін експлуатації автомобіля (силового агрегату) становить:

,

де т – питома вага палива, г/см3; Nmax – найбільша потужність двигуна, кВт.

При прогнозуванні залишкового ресурсу силового агрегату враховується дія технологічних і експлуатаційних факторів коефіцієнтом індивідуальних якостей. Значення коефіцієнта слід приймати, як показали дослідження, для нового автомобіля (агрегату), що не пройшов капітального ремонту, Ки=0,9…1,0, для агрегатів після декількох капітальних ремонтів Ки0,5. Значення коефіцієнта індивідуальної якості агрегату можна встановити також і за результатами оцінки ступеня зносу сполучень силового агрегату за експлуатаційний період за формулою

.

Тоді залишковий ресурс сполучень силових агрегатів становить за сумарною витратою палива

де Qизр – використана сумарна витрата палива, л; Нл – лінійна норма витрати палива, л/100 км.

Одержані математичні моделі відображають зміну залишкового ресурсу силового агрегату в залежності від ваги і швидкості руху автомобіля, витрати палива в літрах на 100 км пробігу, а також від індивідуальних особливостей конкретного автомобіля. Вага і швидкість руху автомобіля, а також витрата палива є загальними параметрами впливу на швидкість зносу сполучень силових агрегатів таких експлуатаційних і конструктивних факторів, як дорожні умови, передаточні числа коробки передач і головної передачі, технічного стану агрегатів трансмісії, якості палива та масла, регулювання систем живлення і запалювання, конструктивних особливостей та інших.

Визначення залишкового ресурсу силових агрегатів за сумарною витратою палива буде ефективне при строгому обліку витрати палива і при наявності на автомобілях вмонтованих лічильників сумарної витрати палива.

Евристичні методи прогнозування основані на поглядах (ерудиції, інтуіції) фахівців (експертів) в даній області технічних знань. На автопідприємстві для визначення технічного стану автомобілів і агрегатів створюють спеціальні експертні комісії, які вирішують питання про необхідність заміни окремих агрегатів або направляють автомобіль (агрегати) в капітальний ремонт. Якість прогнозу залежить від здібності експерта робити висновки про ступінь зносу сполучень двигуна або агрегатів трансмісії. Встановлені експертні оцінки грунтуються на старанному самостійному аналізі експертом результатів діагностування технічного стану двигуна, коробки передач і редуктора ведучого моста, зовнішніх умов їх роботи в минулому і на майбутні періоди експлуатації. Це дозволяє експерту в повному обсязі враховувати необхідну інформацію при прогнозуванні залишкового ресурсу силового агрегату. Головною перевагою евристичного прогнозування є повне використання індивідуальних особливостей експерта.

При евристичному прогнозі залишкового ресурсу силового агрегату використовуються закономірності зносу сполучень силових агрегатів. В даному випадку робота експерта над прогнозом залишкового ресурсу силового агрегату виконується на основі рішення рівняння пробігу:

,

або за сумарною витратою палива

,

де , - відповідно, коефіцієнти, які враховують зовнішні умови за минулий і на майбутні періоди експлуатації.

Встановлені чисельні значення коефіцієнтів, що характеризують зовнішні умови і індивідуальні якості силового агрегату (автомобіля) за вагою і середньою технічною швидкістю руху автомобіля (рис.1).

Запропоновані евристичні методи прогнозування можуть використовуватися фахівцями автомобільного транспорту для планування і управління технічною службою автопідприємства, а також вибору зовнішніх умов експлуатації з метою збільшення ресурсу силових агрегатів. Сьогодні спостерігається значне підвищення інтересу до проблем машинної діагностики. Це пов’язане, на наш погляд, з появою нового класу діагностичних програм – експертних систем. Ця система здатна приймати експертні рішення і включає знання фахівців.

Рис.1. Залежність коефіцієнта зовнішніх умов від швидкості руху та завантаження автомобіля

Ресурс двигуна і трансмісії кожного із групи автомобілів під впливом декількох випадкових факторів в конкретний момент часу має розкид параметрів, який не буде однозначним. В цьому випадку залишковий ресурс силових агрегатів групи автомобілів визначають за допомогою статистичних моделей. Ці статистичні моделі можна використовувати для прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів групи автомобілів і не можна для прогнозування залишкового ресурсу конкретного двигуна або трансмісії.

В роботі розглянуто два варіанти статистичного прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів. При статистичному методі прогнозування за сумарною витратою палива залишкового ресурсу силових агрегатів за кількістю автомобілів, які потребують ремонту силових агрегатів на запланований період експлуатації вони визначаються із відношення

,

де Qпл – сумарна витрата палива на запланований період (квартал, рік) експлуатації парку автомобілів, л; Qнср – середнє значення нормативної сумарної витрати палива для парку чи групи автомобілів, л; Квт – коефіцієнт, який враховує вік рухомого складу за сумарною витратою палива, визначається за рівнянням

,

де Qг – середньорічна витрата палива для парку автомобілів, л; Твср – середній вік рухомого складу, год; Тн – нормативний термін експлуатації рухомого складу, роки.

Другий статистичний метод прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів (автомобілів) за обсягом перевезень і категорією умов експлуатації визначає кількість автомобілів, які потребують капітального ремонту під час експлуатації на запланований період:

.

Кількість автомобілів, які потребують капітального ремонту силових агрегатів на запланований період, залежить від ряду факторів. Зниження потреби в капітальному ремонті силових агрегатів рухомого складу спостерігається з поліпшенням умов експлуатації, збільшенням нормативного пробігу до повного використання ресурсу силових агрегатів. Індивідуальні якості рухомого складу відображають вплив на кількість капітальних ремонтів ряду таких факторів, як якість виготовлення, ремонту, використання якісних палива і масла, водіння автомобіля, своєчасне проведення технічного обслуговування силових агрегатів.

Збільшення швидкості руху рухомого складу в 1,5…2,0 рази веде до зниження потреби в ремонті силових агрегатів в 1,3…1,8 рази (рис.2). При роботі рухомого складу в умовах коли швидкість нижче 20 км/год, спостерігається різке збільшення кількості капітальних ремонтів силових агрегатів.

Четвертий розділ роботи присвячено експериментальним дослідженням зміни ресурсу силових агрегатів від зовнішніх умов експлуатації автомобілів. Математичні моделі ресурсу деталей силових агрегатів, а також агрегату в цілому, досліджувалися за допомогою методів теорії ймовірності і математичної статистики.

Методикою дослідження передбачалось три етапи проведення експериментальних досліджень математичних моделей ресурсу деталей силових агрегатів. Перший етап включає експериментальні підтвердження теоретичних висновків зв’язку діагностичних параметрів (ЦПГ, КШМ, коробки передач і ведучого моста) і ступеню зносу їх деталей (витік стиснутого повітря і знос гільз циліндрів, тиск в системі змащування і ступінь зносу шийок колінчастого валу, кутовий зазор і ступінь зносу зубів шестерень коробки передач та ведучого моста), виявлення характеру зміни діагностичних параметрів витоку повітря, тиску в системі змащування і кутового зазору від зовнішніх умов.

Рис.2. Потреба автомобілів в капітальному ремонті в залежності від середньої технічної швидкості і коефіцієнта використання вантажопідйомності

На другому етапі встановлено характер зміни швидкості зносу деталей силових агрегатів від навантажувально-шкидкісного режиму при стендових випробуваннях та в реальних дорожніх умовах. Третій заключний етап включає дослідження точності методів прогнозування від кількості контрольних вимірювань ступеню зносу деталей ЦПГ, КШМ, коробки передач та ведучого мосту, інтервалу попередження, різноманітних варіантів поєднання методів прогнозування для одного автомобіля або для парку автомобілів.

Специфіка роботи силового агрегату така, що в кожний момент його роботи на швидкість зносу сполучень діє не тільки навантажувально-швидкісний режим, а й експлуатаційні і технологічні фактори. Поділ цих факторів на провідні і супутні не відображає різні цілі, які стоять перед дослідженням. У зв’язку з цим встановлено такі принципи оцінки швидкості зносу силових агрегатів: принцип групового обліку впливу факторів на швидкість зносу та принцип однозначності трактування поняття знос.

Ці принципи лягли в основу аналізу закономірностей швидкості зносу і залежностей між структурними та діагностичними параметрами оцінки ступеню зносу сполучень силових агрегатів. Аналіз виконано на підставі стендових, експлуатаційних досліджень і статистичної обробки зібраних матеріалів по двигунах, коробках передач і ведучих мостах автомобілів сімейства ЗІЛ, КамАЗ, КрАЗ і МАЗ, експлуатованих в різних АТП Харкова і Дніпропетровська.

Дослідження, виконані на підставі викладених вище методологічних принципів, методів і теоретичних основ, дозволили зробити аналіз закономірностей, причин і швидкості зносу основних сполучень циліндро-поршневої групи, кривошипно-шатунного механізму двигуна, коробки передач і редуктора ведучого мосту.

Рис.3. Зміна інтенсивності зносу двигуна ЗІЛ-508.10 від швидкості обертання колінвалу і середнього ефективного тиску

Для того, щоб знайти точне рівняння швидкості зносу основних сполучень ЦПГ і КШМ двигуна, коробки передач і редуктора ведучого мосту як функцію напрацювання, треба було б розглядати ідеалізовану фізичну модель процесу зносу силового агрегату, в якій усі фактори (технологічні, експлуатаційні, навантажувально-швидкісний режим), які впливають на швидкість зносу сполучень силового агрегату, абсолютно визначені. Практично таку модель виконати неможливо. Отже можна підібрати приблизне рівняння, яке досить добре узгоджується з результатами стендових випробувань силового агрегату і статистичними дослідженнями процесу зносу сполучень силового агрегату в реальних об’єктивно діючих зовнішніх умовах. З цією метою було проведено стендові випробування двигунів і коробок передач автомобілів ЗІЛ-431410 і КамАЗ-5320.

Рис.4. Зміна інтенсивності зносу двигуна КамАЗ-740 від швидкості обертання колінвалу і середнього ефективного тиску

Зміна навантажувально-швидкісного режиму двигунів і коробок передач автомобілів ЗІЛ-431410 і КамАЗ-5320 в процесі дослідження проводилася за допомогою електрогальмових установок постійного струму. Результати досліджень двигунів ЗІЛ-508.10, КамАЗ-740, коробок передач автомобілів ЗІЛ-431410 і КамАЗ-5320 та їх обробка на ЕОМ дозволили одержати моделі, що

характеризують залежність швидкості зносу сполучень двигунів і коробок передач від навантажувально-швидкісного режиму. Одержані залежності адекватні експериментальним даним. Абсолютне відхилення експериментальних значень швидкості зносу від розрахункових не перевищує

а)

б)

в)

Рис.5. Зміна інтенсивності зносу коробки передач автомобіля ЗІЛ-431410:

а) від швидкості обертання колінвалу; б) від середнього ефективного тиску;

в) від середнього передаточного числа коробки передач; х – експериментальні точки

а)

б)

в)

Рис.6. Зміна інтенсивності зносу коробки передач автомобіля КамАЗ-5320:

а) від швидкості обертання колінвалу; б) від середнього ефективного тиску; в) від середнього передаточного числа коробки передач; х – експериментальні точки

10% для будь-яких поєднань швидкісного і навантажувального режимів. Швидкість зношування сполучень циліндро-поршневої групи, кривошипно-шатунного механізму двигунів ЗІЛ і КамАЗ, а також коробок передач змінюється від навантажувального режиму майже за лінійною залежністю, а від швидкісного режиму має форму параболи (рис.3, 4, 5, 6).

Коефіцієнти рівняння швидкості зносу сполучень відображають ступінь зв’язку технологічних і експлуатаційних факторів, а також, в загальному випадку, залежать від початкової швидкості зносу спряжень силового агрегату. Ці коефіцієнти є корегуючими і їх треба розглядати як стаціонарну випадкову величину, оскільки технологічні, експлуатаційні та інші фактори, які характеризують зміну швидкості зносу сполучень силових агрегатів за часом, теж стаціонарні, бо їх математичне очікування не змінюється при збільшенні пробігу або часу роботи силового агрегату і можуть бути прийняті постійними величинами. Порівняльний аналіз і розрахунки значень корегуючих коефіцієнтів швидкості зносу силових агрегатів автомобілів сімейства ЗІЛ, МАЗ, КамАЗ і КрАЗ показали, що вони мають функціональний зв’язок з робочим об’ємом циліндрів двигуна та нормативним пробігом до капітального ремонту.

Метою експлуатаційних досліджень було вивчення швидкості зміни діагностичних параметрів витоку повітря, тиску масла, які характеризують технічний стан ЦПГ, КШМ двигуна в цілому, та кутовий зазор, який характеризує технічний стан агрегатів трансмісії. Дослідження проводились 19 автомобілів ЗІЛ-431410 і 12 автомобілів КамАЗ-5320 протягом двох років.

Розглядаючи залежність діагностичних параметрів від пробігу, як неремонтованих силових агрегатів, так і після капітального ремонту до повного виробітку ресурсу транспортних машин, можна відзначити два періоди. Перший період можна класифікувати як період припрацьовування. В цей період спостерігається деяка знижка витоку повітря і постійність тиску масла і кутового зазору за рахунок виправлення мікро-, макронерівностей поверхні тертя, а також стабілізації показників технічного стану двигуна і трансмісії. Після закінчення періоду припрацьовування двигуна і трансмісії їх можна вважати готовими до проведення прогнозування залишкового ресурсу. Довготривалість цього періоду встановлюється для силових агрегатів приблизно 20…30 тис.км пробігу і після капітального ремонту 10…15 тис.км пробігу. Швидкість зміни періоду припрацьовування залежить від режимів роботи двигуна і трансмісії, використовуваних автоексплуатаційних матеріалів, якості складання, обробки поверхонь тертя і ряду інших факторів.

Період нормальної роботи характеризується монотонною зміною витоку повітря, тиску масла і кутового зазору у відповідно накоплення шийок колінвалу і шестерень трансмісії. Це властиво як новим, так і ремонтованим силовим агрегатам. Довготривалість цього періоду визначається навантажувально-швидкісним режимом, технологічними та експлуатаційними факторами і є вихідним показником оцінки корегуючих коефіцієнтів математичних моделей залишкового ресурсу ЦПГ, КШМ двигуна і трансмісії.

В процесі експлуатації двигунів і трансмісії зміна витоку повітря, тиску масла і кутового зазору відбувається з неоднаковою швидкістю. Швидше зношуються в рівних умовах деталі силових агрегатів, які були в поточному або в капітальному ремонтах. Найменша швидкість зносу деталей у неремонтованих силових агрегатах.

Зміна витоку повітря, тиску масла і кутового зазору для одних і тих же зовнішніх умов і групи силових агрегатів пояснюється неоднорідним характером технологічних та експлуатаційний факторів. Зовнішні умови роботи автомобілів визначають навантажувально-швидкісний режим роботи силових агрегатів. Навантажувально-швидкісний режим в залежності від зовнішніх умов роботи автомобіля характеризується такими експлуатаційними факторами: витратою палива в літрах на 100 км пробігу.

П’ятий розділ присвячено практичному впровадженню наукових результатів, а саме розробці методології прогнозування залишкового ресурсу силових агрегатів за результатами діагностики та зовнішніх умов експлуатації; визначенню областей раціонального використання автомобілів з заданим рівнем залишкового ресурсу і керування ресурсом силових агрегатів для парку автомобілів; керування витратою запасних частин і визначення терміна зміни масла в силових агрегатах. На підставі отриманих наукових результатів, які складають єдиний комплекс досліджень, запропоновано методологію застосування розроблених методик щодо керування технічним станом автомобілів в залежності від умов експлуатації за енергетичними параметрами. Оцінку та вибір області раціонального використання автомобілів необхідно проводити за етапами, що вказані на рис.7.

Встановлені області раціонального використання автомобілів з заданим рівнем залишкового ресурсу силових агрегатів є необхідною умовою цілеспрямованого керування реалізованими показниками витрати ресурсу як силових агрегатів, так і автомобіля в цілому. Залежність витрати ресурсу силових агрегатів від зовнішніх умов встановлена як для автомобіля в цілому, так і для парку автомобілів, АТП, регіону і інших. Експлуатаційний показник витрати ресурсу силових агрегатів для парку автомобілів встановлюється за мінімальним значенням одного із силових агрегатів по кожному експлуатованому автомобілю.

При зміні конкретних умов експлуатації рухомого складу змінюється і сукупність факторів, які мають вплив