НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ
"ХАРКІВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ"
Григор'єв Олександр Львович
УДК 621.436-43.001.24
РОЗРОБКА УНІВЕРСАЛЬНИХ МЕТОДІВ
ГІДРОДИНАМІЧНОГО РОЗРАХУНКУ, ДИНАМІЧНОГО АНАЛІЗУ ТА ОПТИМІЗАЦІЙНОГО СИНТЕЗУ ОСНОВНИХ ЕЛЕМЕНТІВ ПАЛИВНОЇ АПАРАТУРИ ДИЗЕЛІВ
Спеціальність: 05.05.03 - теплові двигуни
Автореферат
дисертації на здобуття наукового ступеня
доктора технічних наук
Харків - 2004
ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ
Актуальність теми. Паливна апаратура (ПА) відноситься до найбільш відповідальних агрегатів дизеля. Параметри упорскування визначають найважливіші економічні й екологічні показники двигуна, його довговічність і надійність. Традиційні для високообертових і середньообертових дизелів (ВОД і СОД) системи "гідромеханічного упорскування" часто не здатні забезпечити бажані значення сукупності цих показників, зокрема - для транспортних дизелів, що мають широкий діапазон робочих режимів. Тому поліпшення характеристик ПА було і залишається вагомою науковою проблемою.
Провідні двигунобудівні фірми активно розробляють нові т.зв. "системи електронного упорскування", проте масове застосування таких систем стримується високою вартістю, особливостями виробництва та технічного обслуговування ПА. Конкуренція між "старою" і "новою" ПА - гарний стимул для їх удосконалення. ПА традиційного типу має суттєві резерви і, якщо їх використати, зможе утримати лідируючі позиції. Але для цього потрібно поглибити теоретичну базу досліджень і прискорити впровадження перспективних розробок.
Методи гідродинамічного розрахунку паливних систем (ПС), динамічного аналізу й оптимізаційного синтезу їх основних елементів відносяться до звичайного "інструментарію", що традиційно використовується в двигунобудуванні. Можливості сучасної вимірювальної і обчислювальної техніки дозволяють якісно змінити ці методи і використати уточнені фізичні і математичні моделі. При цьому головними недоліками, що перешкоджають прискоренню наукових досліджень, є вузька спеціалізація методів гідродинамічного розрахунку, відсутність універсальних підходів до задач динамічного аналізу і комплексних багатокритеріальних підходів до задач оптимізаційного синтезу.
Комплекс універсальних розрахункових методів, розроблений і доведений здобувачем до практичного використання, націлений на подолання зазначених недоліків. Застосування запропонованого комплексу скоротило терміни виконання декількох перспективних розробок. Більша частина нових методів збереже свою актуальність і при переході до систем з електронним керуванням упорскуванням, котрі є найскладнішими гідравлічними пристроями, що працюють в умовах граничних динамічних навантажень.
Викладене вище обумовлює актуальність обраної теми дисертації, спрямованої на вирішення значної науково-технічної проблеми підвищення технічного рівня дизелів за рахунок суттєвого поліпшення характеристик упорскування палива, що має важливе прикладне значення.
Зв'язок роботи з науковими планами і програмами. Напрямок дослідження відповідає Державній програмі розвитку двигунобудування в Україні на 1996-2000 роки, а також планам Мінважмаша і Мінавтопрома СРСР на 1986-91 роки та постанові ДКНТ СРСР № 60 від 07.03.90, якими керувалися на початковому етапі цієї роботи. В основу дисертації покладені дослідження, виконані здобувачем в НТУ "ХПІ" та Українській державній академії залізничного транспорту (УкрДАЗТ). Дослідження проводилися по 9-ти госпдоговірних темах, укладених у період 1986-98 р.р., у т.ч. темі 12453 "Розробка методів динамічного розрахунку пружин ПА" (ДР № 01870003577), темі 12102 "Підвищення довговічності кулачкових механізмів паливних насосів заводу "Комуніст"" (ДР № 01840003858), темі 19/4-106 "Розробка системи живлення і виготовлення окремих вузлів газодизельного електроагрегату АГДА" (ДР № 019033274), темі 19/8 "Модернізація форсунок із двохступеневим упорскуванням палива для забезпечення зменшення витрат палива при експлуатації тепловозів" (ДР № 0194V001114). Частина досліджень виконувалася по прямих трудових договорах з ЗАТ "ОКБ ВПД" (м. Харків) та АТВТ "ПервомайськДизельМаш" (ПДМ), а також по договорах про використання винаходів по патентам України № 36170А і № 22446, укладеним Кременчуцьким державним політехнічним університетом (КДПУ) і УкрДАЗТ з промисловими підприємствами, зокрема з холдинговою компанією "Авто-Краз" (за ліцензією ДР № 1333).
Мета й основні задачі дослідження. Метою дослідження є розробка комплексу універсальних розрахункових методів динамічного аналізу й оптимізаційного синтезу основних елементів ПА ВОД і СОД, що дозволяє прискорити створення і впровадження принципово нових і модернізованих зразків цієї апаратури, які при невеликих додаткових витратах забезпечують істотну економію палива і поліпшують інші показники технічного рівня двигунів.
Об'єкт дослідження - процес упорскування палива у ВОД і СОД, у т.ч. вільнопоршневих (ВПД) і газових (ГД) двигунів. Предмет дослідження - розрахункові методи динамічного аналізу й оптимізаційного синтезу основних елементів ПА дизелів. Методи дослідження - аналітичні, чисельні і чисельно-аналітичні методи моделювання роботи ПА і її основних елементів; оптимізація конструкції і параметрів ПА; експериментальне дослідження нових зразків ПА на безмоторних і моторних стендах; експлуатаційні випробування.
Для досягнення мети в роботі сформульовані наступні основні задачі:
- розробити універсальну математичну модель гідромеханічного вузла дизельної ПА, наукові основи динамічного аналізу гідромеханічних вузлів і універсальний алгоритм їхнього гідродинамічного розрахунку;
- розробити наукові основи нових методів урахування гідравлічного опору трубопроводів, що використовують уточнені моделі течії палива;
- розробити новий універсальний метод гідродинамічного розрахунку розподіленої ПС, що дозволяє досліджувати гідромеханічні вузли з великим числом порожнин і клапанів; застосувати цей метод для дизелів різного типу, у т. ч. для тепловозних дизелів, для акумулюючої ПА ВПД, а також для ПС і гідроприводу газового клапана ГД, і довести адекватність методу;
- розробити наукові основи динамічного аналізу пружин ПА, що заснований на уточнених математичних моделях з розподіленими параметрами; одержати чисельно-аналітичні рішення для рівнянь цих моделей і, спираючись на ці рішення, створити відповідний комплекс методів розрахунку;
- уточнити систему обмежень і критеріїв, що враховується при проектуванні кулачків паливних насосів (ПН) високого тиску; розробити універсальну методику оптимізації профілю кулачка (включаючи неробочу частину профілю та випадки хитного і нерівномірного обертання кулачкового валу); виконати апробацію методики на прикладах розрахунку кулачків для ПН двигуна маневрового тепловоза, кар'єрного самоскида і ВПД;
- створити розрахунковий метод аналізу динамічної стійкості і герметичності прямих і зворотних клапанів ПС; застосувати цей метод при розробці плоского клапана, встановленого в сопловому наконечнику форсунки, і виконати перевірку адекватності методу;
- розробити наукові основи нового способу керування кутовою швидкістю обертання кулачків ПН, що дозволяє за рахунок регульованого нерівномірного обертання домогтися звуження діапазону робочих режимів ПА;
- розробити принципові схеми, методики проектування і розрахунку основних елементів приводів регульованого нерівномірного обертання валу ПН, що є оптимальними для транспортних дизелів різних типів; створити дослідний зразок такого регульованого привода (РП) і одержати експериментальне підтвердження його працездатності та очікуваного позитивного ефекту;
- розробити наукові основи нового способу стабілізації характеристик упорскування на режимах малих циклових подач палива в циліндр дизеля або газодизеля, заснований на використанні модуляторів імпульсів тиску (МІТ);
- розробити методику оптимізації основних параметрів МІТ, встановлюваних у ПС тепловозного дизеля; створити дослідний зразок МІТ і одержати експериментальне підтвердження того, що він забезпечує істотне зниження витрати палива, особливо, - на режимах холостого ходу;
- розробити методику оптимізації основних параметрів МІТ, встановлюваних у ПС ГД; створити дослідний зразок і одержати експериментальне підтвердження того, що він забезпечує істотне зниження запальної порції палива.
Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному.
1.У дисертації для ПА були запропоновані, науково обґрунтовані і всебічно досліджені принципово нові технічні рішення і концептуальні підходи:
- метод інтенсифікації упорскування палива на часткових швидкісних режимах, що використовує регульоване нерівномірне обертання вала ПН (захищений трьома патентами, у т.ч. як новий спосіб);
- метод інтенсифікації упорскування малих циклових подач палива в циліндри дизеля і ГД, що використовує МІТ (захищений патентом);
- комплексний підхід до динамічного аналізу циліндричних пружин і ін. пружних елементів ПА, що використовує уточнені моделі з розподіленими параметрами й універсальний чисельно-аналітичний метод рішення їхніх рівнянь;
- концепція створення методики гідродинамічного розрахунку ПС на базі уперше виділених узагальнених структурних елементів схеми - гідромеханічних вузлів;
- комплексний підхід до урахування впливу гідравлічного опору трубопроводів, що використовує уточнені моделі течії палива по нагнітальному тракті й універсальні чисельно-аналітичні методи інтегрування запропонованих рівнянь;
- підхід до забезпечення герметичності плоского диференціального клапана, що враховує можливість його малих переміщень поблизу сідла;
- метод прискорення посадки голки у форсунках дизеля і ГД, що використовує ефект гідромеханічної стабілізації швидкості її переміщення;
- оптимізаційний підхід до проектування неробочої частини несиметричного профілю кулачка ПН, що мінімізує вібраційну активність профілю;
- комплексний підхід до оптимізації ПА, що базується на чисельно-аналітичних рішеннях лінеаризованої моделі ПС і варіаційних методах розрахунку кулачків.
2.Складені й обґрунтовані нові математичні моделі, а також системи обмежень і критеріїв проектування, в яких були узагальнені відомі та враховані додаткові динамічні фактори, що суттєво впливають на роботу ПА:
- універсальна (матрична) модель гідромеханічного вузла, здатна описати складний вузол з будь-яким числом порожнин і клапанів;
- лінеаризована модель гідромеханічного вузла, призначена для його динамічного аналізу, у т.ч. на динамічну стійкість клапанів;
- універсальна модель акумулюючого ПН для ВПД;
- модель форсунки зі змінним числом працюючих соплових отворів;
- універсальна (операторна) модель пружини стиску;
- модель течії палива в зазорі між плоским клапаном, що рухається, і сідлом;
- модель для дослідження параметричного резонансу в регуляторі;
- модель гідроприводу газового клапана ГД;
- основні принципи (обмеження) задачі проектування РП валу ПН;
- система обмежень і критеріїв проектування неробочої частини кулачка ПН.
3.У дисертації були запропоновані й обґрунтовані істотні уточнення відомих математичних моделей і задач проектування основних елементів ПА, що суттєво поширюють області їх застосування:
- моделі течії палива в прецизійному циліндричному зазорі (врахована зміна зазору, викликана пружною деформацією втулки);
- моделі ламінарної течії палива по трубопроводу (врахована її нестаціонарність);
- моделі ПН із пружинним приводом нагнітаючого плунжера (враховані подовжні коливання тарілчастої пружини);
- моделі циліндричної пружини стиску (враховані реальні для механізмів ПА граничні умови, а також зіткнення витків і тертя);
- моделі замикаючого механізму форсунки (врахована реальна геометрична форма пружини і можливі розриви кінематичного ланцюга);
- лінеаризованої моделі ПС, у т.ч. оснащеної МІТ (враховані особливості роботи на режимах холостого ходу, а також при її установці на ГД);
- системи обмежень і критеріїв проектування кулачків ПН (враховані випадки нерівномірного обертання, хитання вала, а також часткові режими).
Практичне значення отриманих результатів визначається наступним.
1.Досліджені перспективні напрямки глибокої модернізації ПА:
- метод інтенсифікації упорскування на часткових швидкісних режимах ВОД;
- метод упорскування гранично малих циклових подач палива в циліндри ГД;
- три метода зниження стабільної частоти холостого ходу тепловозного дизеля;
- метод прискорення посадки голки у форсунках дизеля і ГД;
- метод одержання високого і стабільного залишкового тиску палива в ПС;
- комплексний метод підвищення технічного рівня ПА транспортного ВОД.
2.Розроблені або істотно уточнені наступні розрахункові методи динамічного аналізу основних елементів ПА:
- універсальний алгоритм гідродинамічного розрахунку вузла ПС;
- універсальна методика гідродинамічного розрахунку ПА ВПД;
- інтегральні методи гідродинамічного розрахунку нагнітального тракту;
- метод гідродинамічного розрахунку тракту з урахуванням місцевих опорів;
- універсальний чисельно-аналітичний метод урахування впливу в'язкого тертя на коливання механічних або гідромеханічних систем будь-якої складності;
- універсальний матричний метод інтегрування рівнянь руху багатомасової механічної системи з зосередженими параметрами;
- розрахунковий метод визначення динамічної стійкості клапанів;
- алгоритм розрахунку форсунки зі змінним числом працюючих сопел;
- методика гідродинамічного розрахунку гідроприводу газового клапана ГД;
- універсальний чисельно-аналітичний метод динамічного аналізу пружин ПА;
- методи розрахунку пружин з урахуванням зіткнень витків і тертя;
- чисельно-аналітичний метод розрахунку замикаючого механізму форсунки.
3.У дисертації були розроблені або істотно уточнені наступні методики оптимізаційного синтезу основних елементів ПА:
- проектування неробочої частини для несиметричного профілю кулачка ПН;
- проектування робочої частини профілю кулачка (універсальна: враховані випадки нерівномірного обертання, хитання валу, значення часткових режимів);
- проектування профілю кулачкової шайби для РП нерівномірного обертання;
- визначення параметрів МІТ для ПС тепловозного дизеля;
- визначення параметрів МІТ для ПС ГД.
Рівень реалізації наукових розробок. Розроблені методи гідродинамічного розрахунку використані для проектування ПА вільнопоршневого двигуна КД-2, генератора СПГН-2 і дизель-компресорів ДКА-2,-3,-4 (в ЗАТ "ОКБ ВПД"), форсунки зі змінним числом працюючих сопел для дизеля Д100 та ПС з МІТ для дизелів ЧН 31/36, ЧН 21/21, ЧН 26/27 (в УкрДАЗТ для ДП "Завод ім. Малишева" ("ЗіМ")), газового дизель - генератора ГДГ 630/750 та електроагрегату АГДА (в УкрДАЗТ для ПДМ та ВО "Русский дизель", м. С.- Петербург).
Методи оптимізаційного синтезу кулачків ПН використані при проектуванні нового розподільчого вала тепловозного дизеля 12 ЧН 26/27 (в ДП "ЗіМ"), ПН з кулачковим приводом нагнітаючого плунжера для ВПД КД-2 (в ЗАТ "ОКБ ВПД"), кулачкового вала для ПН дизеля 6 ДМ 21А (в ХПІ для заводу "Коммунист" ВО "Волгадизельмаш").
Методи динамічного аналізу пружин ПА і замикаючого механізму форсунок використані при проектуванні дослідного зразка МІТ (в УкрДАЗТ для ДП "ЗіМ" та ПДМ), кулачкового механізму привода плунжера ПН дизеля 6 ДМ 21А (в ХПІ для заводу "Коммунист"), розробці пакету прикладних програм для розрахунків на міцність пружин ПА (в ХПІ для ЯЗДА).
Розроблений метод інтенсифікації упорскування на часткових швидкісних режимах автомобільного дизеля, що використовує нерівномірне обертання валу ПН, прийнятий до впровадження холдинговою компанією "Авто-Краз".
Метод інтенсифікації упорскування на режимі холостого хода тепловозного дизеля, що використовує МІТ, впроваджений на трьох дизелях K6S310DR маневрових тепловозів ЧМЭ 3 депо "Харків - Сортувальний" Південної залізниці і прийнятий до впровадження в ДП "ЗіМ".
Метод упорскування гранично малої запальної порції палива в циліндр ГД, що використовує МІТ, впроваджений на ПДМ.
Розроблені матричні математичні моделі і методи динамічного аналізу механічних і гідромеханічних пристроїв використані в підручнику [1].
Особистий внесок здобувача. Здобувачем розроблені всі математичні моделі і задачі оптимізаційного синтезу, зазначені в п.п.2,3 розділу "Наукова новизна...", і виконані всі роботи зі створення методів і алгоритмів розрахунку і методик оптимізації елементів ПА, зазначені в п.п.2,3 розділу "Практичне значення...". Крім того, їм особисто було виконане наступне:
- запропонований, науково обґрунтований і теоретично досліджений спосіб інтенсифікації упорскування на часткових режимах, що використовує РП;
- розроблені принципові схеми і розрахункові методи кінематичного і силового аналізу для двох типів РП (карданний і важільно-зубчастий механізми);
- розроблено методику експериментального дослідження зразка РП (з важільно-кулачковими перетворювачами) і виконаний аналіз результатів;
- розроблено наукові основи використання МІТ для інтенсифікації упорскування палива на режимі холостого ходу тепловозного дизеля, запропонована компактна схема уніфікованого МІТ, проведені за його участю безмоторні випробування дослідних зразків ПА для двигунів ЧН 31/36, ЧН 21/21 і їх аналіз;
- розроблено наукові основи використання МІТ для упорскування гранично малих запальних порцій палива в циліндр ГД, проведене розрахункове дослідження з оптимізації параметрів МІТ, встановлюваних у ПС газодизеля 6 ГЖЧН 26/34, і виконаний аналіз результатів випробувань дослідного зразка;
- запропонований і розроблений концептуальний підхід до динамічного аналізу пружин і ін. пружних елементів ПА, що використовує моделі з розподіленими параметрами і чисельно-аналітичний метод рішення їхніх рівнянь;
- запропонована і розроблена концепція створення методики гідродинамічного розрахунку ПС, що використовує узагальнені елементи - гідромеханічні вузли;
- запропонований і розроблений концептуальний підхід до урахування впливу гідравлічного опору трубопроводів, що використовує уточнені моделі течії палива і чисельно-аналітичних методів інтегрування їхніх рівнянь;
- запропонований і розроблений концептуальний підхід до забезпечення герметичності плоского клапана, що враховує його переміщення поблизу сідла;
- запропонований метод прискорення посадки голки у форсунках дизеля і ГД;
- запропонований оптимізаційний підхід до проектування неробочої частини профілю кулачка ПН;
- створено концепцію оптимізації ПА, що має кулачковий привід ПН.
Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися на V-VII міжнародних Конгресах двигунобудівників (Київ-Харків-Рибач'є,2000-2002), VIII Міжнародному конгресі по теорії механізмів і машин (Прага,1991), IX-XII міжнародних семінарах "Високі технології в машинобудуванні"(Харків-Алушта,1999-2002), міжнародних науково-технічних конференціях "Інформаційні технології: наука, техніка, технологія, освіта, здоров'я" (Харків-Мишкольц-Магдебург,1998-2001,2003), міжнародної конференції "Диференціальні й інтегральні рівняння. Математична фізика і спеціальні функції" (Самара,1992), IV Всесоюзної конференції "Сучасні проблеми будівельної механіки і міцності літальних апаратів" (Харків,1991), науково-технічної конференції "Проблеми міцності, надійності і довговічності зубчастих передач і редукторів" (Харків,1991); науково-технічному семінарі країн СНД "Поліпшення експлуатаційних показників двигунів, тракторів і автомобілів" (С.-Петербург, 1996); 2-ому республіканському науково-технічному семінарі по поліпшенню показників теплових двигунів і ресурсозбереженню (Мелітополь,1996); науково-технічних конференціях УкрДАЗТ (1995-2002) і КДПУ (1998-2001).
Публікації. Результати дисертаційної роботи опубліковані в підручнику (один співавтор), двох статтях у наукових журналах, статті в працях міжнародного конгресу, двох статтях у наукових працях вузів, чотирьох статтях у матеріалах наукових конференцій і семінарів, п'ятдесят одній статті в збірниках наукових праць, двох статтях, виданих у формі інформаційного листка, восьми тезах доповідей; отримано п'ять патентів і одне авторське свідоцтво на винахід.
Обсяг і структура дисертації. Дисертаційна робота складається з вступу, п'яти розділів, висновків, п'яти додатків. Повний обсяг дисертації складає 496 сторінок, з них 19 ілюстрацій по тексту, 171 ілюстрація на 80 сторінках, 49 таблиць на 19 сторінках; 5 додатків на 63 сторінках; 215 найменувань використаних літературних джерел на 21 сторінці. Обсяг основного тексту дисертації складає 302 сторінки (12,5 друк. аркуша).
ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ
У вступі розкриті сутність і стан наукової проблеми й обґрунтована актуальність розглянутої теми, сформульована мета, основні задачі дослідження і шляхи їхнього вирішення.
У першому розділі виконаний огляд нових розрахункових методів аналізу і синтезу ПА дизелів. Основний акцент зроблений на практичній спрямованості методів і їхньої актуальності в умовах змін, що відбуваються в цій галузі двигунобудування. Відзначено, що перспективним напрямком розвитку ПА ВОД і СОД є використання акумулюючого ПН і електронної системи керування форсункою. Але "класична схема" ПА ще не вичерпала потенційних можливостей
Для реалізації цих можливостей запропонований ряд глибоких конструктивних змін ПА, що включає розробку принципово нових механічних і гідромеханічних вузлів, таких як РП насоса (рис.1), МІТ (рис.2), форсунка конструкції В.Д. Зонова (рис.3), насос конструкції О.Я. Хесіна і М.Л. Карася (рис.4). Роботи над ПА, оснащеними МІТ і(або) РП, були розпочаті нами в 80-ті роки, потім їх підтримали ін. дослідники (Г.Б. Розенбліт, С.М. Литвин, С.О. Король, О.М. Врублевський, С.М. Доценко), і зараз ці теми є науковими напрямками, що сформувалися. Впровадження цих нововведень складе серйозну альтернативу переходові до систем "електронного упорскування".
Прискореній розробці цих і ін. зразків перешкоджає відсутність загальних методів їх динамічного аналізу, у т.ч. - універсальної методики гідродинамічного розрахунку, що має надійні, науково обґрунтовані алгоритми. Пряме використання відомих методик Ю.Я. Фоміна, І.В. Астахова для розрахунку нових типів ПА неможливе, а будь-яка їхня модернізація вимагала спеціальної математичної підготовки. Проте, накопичений досвід і можливості сучасної обчислювальної техніки достатні для того, щоб створювати якісно нові методи динамічного розрахунку ПА, і точні, і доступні інженерові.
Ключ до створення універсальних методів дає запис рівнянь математичної моделі в матрично - векторній формі. Для рішення деяких задач (напр., дослідження динамічної стійкості клапанів ПС) доцільно використовувати аналітичні методи розрахунку. Динамічний аналіз трубопроводів і пружин ПС є тим "практичним полем", на якому формується новий науковий напрямок по розробці чисельно - аналітичних методів для моделювання механічних і гідромеханічних коливань в елементах двигуна і його ПА.
Іншою перешкодою є відсутність комплексного підходу до задачі оптимізаційного синтезу основних елементів ПА. У створених останнім часом методах оптимізації ПА основна увага приділена скалярної частині задачі; у дисертації розроблено кілька таких методів, використовуваних при проектуванні ПС із МІТ для тепловозного дизеля і ГД, гідроприводу газового клапана ГД, акумулюючої ПА для ВПД. Але для ПА безпосереднього упорскування головним у цій задачі був і залишається вибір профілю кулачка ПН. У роботах Р.В. Казачкова, О.А. Грунауера, І.І. Тартаковського, Б.Н. Файнлейба й ін. дослідників на початку 80-х років була сформульована система обмежень задачі проектування для робочої частини профілю і знайдений науково обґрунтований метод її вирішення (метод фазових діаграм). Накопичений за ці роки досвід використання цього й ін. методів вирішення оптимізаційних задач був узагальнений у формі універсальних і особових принципів оптимізації, а також врахований при створенні універсальної методики проектування оптимального профілю, застосовної для багатьох типів двигунів.
Швидкоплинність паливоподачі у автомобільних і автотракторних ВОД дозволяє розподілити цей процес у часі і сформулювати для насоса самостійну оптимізаційну задачу. Такий підхід може бути реалізований і для ВПД, а також (частково) для СОД маневрових тепловозів, де одним з основних робочих режимів є холостий хід. Але і після розподілу модель залишається складною і не може бути основою для ефективного алгоритму багатопараметричної (і багатокритеріальної) оптимізації. У дисертації, на відміну від робіт Ю.В. Морозова, Л.В. Грєхова й ін. авторів, які застосовують багатофакторний аналіз і рівняння регресії, для цієї мети використовувалися спрощені (лінеаризовані) моделі ПС. На їхній базі при використанні аналітичних або чисельно - аналітичних методів вивчався вплив параметрів ПС на показники її робочого процесу, а також проводився добір і обґрунтування проміжних (робочих) критеріїв (принцип лінеаризації).
Відомо, що формулювання оптимізаційної задачі починається з визначення обмежень. Досвід оптимізації ПА свідчить про те, що частину загальноприйнятих обмежень потрібно відразу ж переводити в критерії (принцип багатокритеріальності); того ж потребує і сучасний підхід І.М. Соболя і Р.Б. Статнікова до задач інженерної оптимізації . Технічний рівень ПА визначається багатьма параметрами, і часто важливіше збільшити в 2 рази технологічність або ресурс насоса, чим на 5% - величину максимального тиску упорскування. Обмеження задачі оптимізації потрібно дотримуватися, але, разом з тим, необхідно шукати схемні й ін. нові технічні рішення, що дозволять обійти найбільш "сильні" обмеження або послабити їх (принцип технічної новизни). Напр., можна миритися із широким діапазоном робочих режимів насоса транспортного дизеля, а можна, як показано в дисертації, істотно звузити його за рахунок конструктивних змін привода. ПА є добре вивченою областю, і в ній тільки після реалізації серйозних конструктивних змін можна розраховувати на те, що багатопараметрична оптимізація дасть істотний ефект.
Загальний порядок оптимізації ПА із кулачковим приводом плунжера показаний на рис.5; його реалізація призводить до побудови компромісних кривих (поверхонь) і одержання паретовських множин. Цей порядок відповідає принципам оптимізації, сформульованим у дисертації.
Досвід рішення оптимізаційних задач свідчить про те, що в задачах з багатьма параметрами результат оптимізації, як правило, вже слабко залежить від числа параметрів, що варіюються (принцип заміщення). Тому варіаційна частина (оптимізація профілю кулачка) у нашій задачі важливіше скалярної частини (вибору нових значень для ін. параметрів ПА).
Встановлено, що між швидкістю плунжера і критеріями інтенсивності упорскування має місце пряма залежність (принцип монотонності).
Рівень вібрації пружини плунжера залежить від всього профілю, тому й оптимізація повинна включати неробочу частину (принцип комплексності).
У другому розділі описаний універсальний метод динамічного розрахунку гідромеханічного вузла ПС дизеля. Для ПА, що має традиційну гідравлічну схему, звичайно використовуються методики розрахунку І.В. Астахова - Т.Ф. Кузнєцова або Ю.Я. Фоміна. Ці методики розрізняються порядком урахування гідравлічного опору, що виникає при русі стовпа палива по нагнітальному трубопроводі. Проте головна відмінність складається в методах інтегрування рівнянь, що описують зміну параметрів стану в т.зв. "кінцевих об'ємах" лінії високого тиску (інакше - гідромеханічних вузлах) - у насосі й у форсунці.
В обох методиках вузли розглядаються як системи з зосередженими параметрами, описувані звичайними диференціальними рівняннями. Проф. Ю.Я. Фомін зберіг неявну консервативну схему інтегрування рівнянь (різницевий метод), що використовувалась для розрахунків без ЕОМ. Проф. І.В. Астахов і його послідовники (Б.Н. Файнлейб, Л.М. Голубков, Л.В. Грєхов та ін.) відмовилися від цього методу, і перейшли до використання явних різницевих схем типу Рунге-Кута. У цих схемах баланс мас виконується приблизно, а дизельне паливо слабко стисливе. Тому при виконанні розрахунку вони зштовхнулися з нестійкістю рішення, причому ця нестійкість виникала тоді, коли спостерігався малий перепад тисків палива між порожнинами, зв'язаними каналом відносно великого прохідного перетину. Для усунення нестійкості порожнини насоса (форсунки) в методиці І.В. Астахова поєднувалися, але якщо вузол містить багато каналів, то необхідний у цьому випадку облік усіх можливих варіантів гідравлічної схеми призводить до складного алгоритму.
При використанні наближених методів інтегрування диференціальних рівнянь звичайно вважають, що чим дрібніше крок, тим вище точність методу. Проте при цьому не враховується наближений характер моделі. У прикладній гідродинаміці компактно розміщений об'єм рідини звичайно представляють у вигляді порожнини з рівномірним розподілом тиску (надплунжерної, штуцерної). Але такий підхід правомірний, коли тривалість поширення звукової хвилі по об'єму менше кроку інтегрування. Інакше цей об'єм можна умовно розбити при моделюванні на кілька порожнин, але отриману систему рівнянь по явній розрахунковій схемі (типу Рунге-Кута) проінтегрувати неможливо.
Б.А. Крук шукав вихід з цього протиріччя в представленні порожнин вузла як систем з розподіленими параметрами (трубопроводів характерного діаметра), але ця спроба була вдалою тільки для конструкцій форсунок з подовженою кишенею розпилювача. Інший вихід полягає в застосуванні консервативних розрахункових схем, що згладжують; вони не тільки зберігають точні баланси при масообміні, але і дозволяють інтегрувати ці рівняння з тим кроком за часом, що порівняний з характерним масштабом зміни аналізованих характеристик. Для динаміки гідромеханічних вузлів такі схеми є неявними і вимагають рішення систем нелінійних рівнянь, але, як показує досвід, вибір на користь неявних консервативних схем є виправданим.
Створення універсального методу гідродинамічного розрахунку вузла мало свої етапи; охарактеризуємо кожний із них.
· Виконано аналіз динамічних моделей, використовуваних для ПС.
На основі результатів цього аналізу і його узагальнення були виділені (замість традиційних блоків "Насос", "Форсунка", "Модулятор" і т.п., що використовуються, напр., в методиках ЦНІТА або МДТУ) нові структурні елементи схеми - т.зв. "гідромеханічні вузли". Вузлом була названа частина лінії високого тиску ПА, що складає з порожнин, зв'язаних між собою короткими дросельними отворами або клапанами. Даний вузол зв'язаний з іншими вузлами системи за допомогою трубопроводів. Так, ПС класичного типу складається з двох вузлів (насос і форсунка), зв'язаних одним трубопроводом. У ПС з МІТ (рис.2) установлені три вузли (насос, модулятор, форсунка) і два трубопроводи. Хвилі тиску поширюються по трубопроводах з кінцевою швидкістю (швидкістю звуку а), тому при динамічному розрахунку системи зміна параметрів будь-якого її вузла в межах даного кроку за часом не устигає вплинути на зміну параметрів інших вузлів, і рівняння вузлів можуть інтегруватися незалежно.
· Розроблено універсальну математичну модель гідромеханічного вузла.
Рівняння моделі були записані в скалярній і матричній формі. Скалярна форма запису цих рівнянь включає:
- рівняння об'ємного балансу для кожної порожнини () -
,
- рівняння руху для кожного клапана (голки), що рухається, () -
,
- а також формули для визначення об'єму порожнини ;
швидкостей течії палива між порожнинами, ,
і з порожнини в трубопровід, ;
зусилля пружини на тім її кінці, що рухається,
, (2)
де - час; - коефіцієнт стискальності палива; - об'єм i -ї порожнини і тиск палива в ній; - швидкість звуку в паливі і щільність палива;- площа поперечного переріза трубопроводу; - ефективні площі каналів, що з'єднують дану порожнину з іншими внутрішніми (а якщо - то зовнішніми) порожнинами вузла; - тиск залишковий, у зворотній хвилі і у зовнішній порожнині; , – переміщення і швидкість запірного елемента; - його маса; - маса, жорсткість і попередня деформація пружини; - період її вільних коливань, .
Формула (2) є аналітичним рішенням системи рівнянь у частинних похідних, що описує подовжні коливання витків пружини, тому використана динамічна модель вузла є комбінованою.
Матрично-векторна форма запису моделі виглядає особливо компактно:
;
,
де - вектори-стовпці, складені з тисків і швидкостей ;
- діагональні матриці розміру або ,
;
[FK] – прямокутна матриця розміру , складена з площ поперечного
переріза клапанів, ; компоненти вектора мають вигляд
; - відомі функції часу.
У відношенні закону збереження маси (палива) використовувана модель є замкнутою (консервативною). Ознакою замкнутості моделі у відношенні закону збереження імпульсу і елементом контролю при складанні її рівнянь є коса симетрія для матричних коефіцієнтів. По відношенню до закону збереження енергії ця модель, як і всі ін. гідродинамічні моделі ПС залишається відкритою.
В розділі наведені приклади використання цієї моделі для вузлів, що мають традиційну й ускладнену схему (у т.ч. електромагнітне керування).
· Розроблено наукові основи динамічного аналізу гідромеханічних вузлів.
Вони включають елементи частотного і структурного аналізу, необхідні для цілей дослідження. При аналізі використана лінеаризована модель (усі рівняння якої перетворені до універсального матричного виду) і частотне рівняння вузла:
, (3)
де
- одинична і нульова матриці; - діагональна матриця,
; .
· Виконано динамічний аналіз ПН і форсунки.
Аналіз показав, що після відкриття клапанів частина власних частот переміщається вліво по комплексній площині (рис.6) і приймає такі великі (по модулю) значення, що рівняння математичних моделей цих вузлів стають жорсткими. З цієї причини для інтегрування необхідно застосовувати спеціальні методи. У дисертації (як і раніше Ю.Я. Фоміним для простих вузлів) використовувалася неявна схема другого порядку (інтерполяційна формула Адамса). У результаті застосування схеми відомі значення на початку кроку інтегрування і шукані значення , цих же динамічних параметрів наприкінці кроку інтегрування були зв'язані системою нелінійних співвідношень:
,
яким була надана форма векторного рівняння: (4)
Для вирішення рівняння (4) були розроблені, обґрунтовані теоретично і перевірені на практиці два ітераційних алгоритми: універсальний і різницевий.
Універсальний алгоритм призначений для вузлів, що мають розгалужену гідравлічну схему, напр., для форсунки (рис.3) і насосу (рис.4). У цьому принципово новому алгоритмі роль невідомих величин грають тиски в порожнинах вузла; для їх знаходження організовані вкладені ітераційні цикли.
Різницевий алгоритм узагальнює алгоритм методики Ю.Я. Фоміна. У ньому роль невідомих величин грають перепади тисків між порожнинами, а також переміщення диференціальних клапанів. Він розроблений для вузлів, що мають проточну (або переважно проточну) схему.
Для алгоритмів отримані формули для кроку інтегрування .
· Розглянуті приклади використання універсального методу динамічного аналізу вузлів ПС.
Проаналізовано відомі і нові схеми акумулюючого ПН для ВПД і розроблена універсальна (для цього класу пристроїв) схема (рис.7) і методика гідродинамічного розрахунку. Схема вузла включає 4 порожнини з паливом, 3 клапана з їх пружинами, плунжер з газовим поршнем. У рамках цієї роботи була відкоригована формула Башти для витоків палива через прецизійний циліндричний зазор:
замість маємо ,
що істотно уточнює розрахунки для конструкцій з тонкостінними втулками (рис.8).
Виконано аналіз умов забезпечення герметичності плоского диференціального клапана, встановлюваного в сопловому наконечнику форсунки (рис.3). Показано, що в області малих підйомів клапана (менших 1 мкм) його швидкість істотно обмежується насосним ефектом, що виникає в прецизійному зазорі між клапаном і сідлом. У результаті прояву ефекту клапан буде робити поблизу сідла мікропереміщення вверх (під дією тиску палива в період упорскування) і вниз (під дією сили пружини в паузах між упорскуваннями), але збереже герметичність.
За допомогою частотного рівняння (3) виконаний аналіз умови динамічної стійкості зворотного клапана ПН (рис.9), що впливає на його здатність стабілізувати рівень залишкового тиску . Передвіщене теорією (і підтверджено експериментом), що кульковий клапан не зможе забезпечити високий рівень тиску . Для розширення області динамічної стійкості необхідно змінити тип залежності площі прохідного перетину зворотного клапана від його підйому - вона повинна бути пологою, а не крутою, як це прийнято для прямих клапанів. На базі цієї нової концепції сформульовані конкретні рекомендації з вибору параметрів клапанів.
У третьому розділі описані універсальні методи динамічного розрахунку нагнітальних трубопроводів і пружин ПС дизеля. Тут досліджуються елементи ПА, робота яких описується динамічними моделями з розподіленими параметрами. До них традиційно відноситься нагнітальний трубопровід, для розрахунку якого ще в 50-60-ті роки І.В. Астаховим і Ю.Я. Фоміним були створені дві базові методики. В даний час вони використовуються найчастіше, але робота з їх удосконалення продовжується. У розділі вміщені пропозиції з істотного уточнення обох методик і (на основі їх синтезу) пропонується універсальний метод гідродинамічного розрахунку трубопроводу.
У 80-ті роки моделі з розподіленими параметрами почали застосовуватися і для пружин ПА, причому як при гідродинамічному розрахунку ПС, так і при динамічному розрахунку робочих напруг у пружині. Проте необхідність розрахунку коливань клапанної, форсункової або плунжерної пружини і зараз усвідомлюється не всіма дослідниками (як це вже відбулося з коливаннями стовпа палива в трубопроводі), але відповідний науковий напрямок сформувався, отримав істотні результати і його визнання - справа часу.
В розділу розглядаються й комбіновані моделі, що включають елементи з розподіленими і зосередженими параметрами. За допомогою таких моделей, напр., описується робота замикаючого механізму форсунки. Більшість методів цього розділу поєднує загальний підхід - пошук аналітичного (чисельно-аналітичного) рішення задачі. Принципова можливість одержання такого рішення зв'язана з тим, що використовувані математичні моделі складені з лінійних або кусочно-лінійних диференціальних рівнянь. Охарактеризуємо основні результати цього розділу.
· Розроблені два нових методи гідродинамічного розрахунку нагнітального тракту, що враховують місцеві гідравлічні опори, котрі виникають при поворотах потоків, зміні перетину і дроселюванні. Обидва методи зводяться до модернізації методики Ю.Я. Фоміна, у якій телеграфне рівняння
(5)
інтегрується уздовж його характеристик , де - середня по перетині швидкість палива; - координата перетину; - фактор гідравлічного опору.
Для розрахунку слабких опорів (коефіцієнт утрат ) виконана наступна модернізація. Нехай опір розташований на відрізку трубопроводу між перетинами і . Визначаємо фактор місцевого гідравлічного опору формулою і при розрахунку цього відрізка додаємо цю величину до відомого фактора .
Якщо (дросель), то урахування місцевого опору удалося звести до рішення квадратного рівняння, що визначає величину перепаду тисків на дроселі. Цей універсальний метод є простіший, ніж, напр., відомий метод І.Д. Васильченко, і також узагальнений на випадок, коли до і після дроселя потік має різні площі перетину. Метод розроблявся для ПН акумулюючого типу конструкції ЦНІТА із випуском палива до форсунок через канал у дозуючому плунжері (рис.10).
· Запропонований й обґрунтований новий підхід до урахування гідравлічного опору трубопроводів ПС, що використовує уточнені моделі течії палива по нагнітальному тракті й універсальні чисельно-аналітичні методи інтегрування їхніх рівнянь. Т.Ф. Кузнєцов одержав наближене аналітичне рішення рівняння (5), проте його метод дає істотну погрішність (особливо - по величині тисків у насоса, а також для довгих трубопроводів і в'язких сортів палива). У дисертації отримані точні рішення телеграфного рівняння, представлені у формі інтегралів Дюамеля. Для прямої і зворотної хвилі тиску вони мають вигляд:
,
де - ядро інтегралів; - дельта-функція Дірака; - модифіковані функції Беселя; - тиск.
Виконана апроксимація ядра призвела до найпростіших розрахункових формул, що уточнюють рішення Т.Ф. Кузнєцова. У результаті був розроблений новий метод розрахунку нестаціонарної турбулентної течії палива по трубопроводу, настільки ж простий, як метод Т.Ф. Кузнєцова, і практично настільки ж точний, як метод Ю.Я. Фоміна.
· Розроблений і застосований для проектування гідроприводу газового клапана ГД (рис.11) метод розрахунку нестаціонарної ламінарної течії палива по трубопроводу. Для рівнянь в'язкої течії, записаних в полярній системі координат:
; ,
було знайдено чисельно-аналітичне рішення –
,
де ядро ; - функція Лапласа; - в'язкість; - радіус каналу.
Створено методики динамічного аналізу й оптимізації цього привода.
При застосуванні методу для ПА ВОД виявилося, що гідравлічний опір трубопроводу при нестаціонарної ламінарної течії мало відрізняється від того, котре визначається за формулою Блазіуса для турбулентного стаціонарного режиму. Для теорії ПА цей висновок є новий, проте він добре кореспондується с результатами В.Зілке (фірма "Боїнг") та ін. сучасних гідромеханіків.
· Виконано заглиблений динамічний аналіз тарілчастої пружини із привода нагнітаючого плунжера ПН ВПД (рис.10). Зіставлялися два методи розрахунку пружини: квазістатичний (рівномірна деформація) і динамічний (модель еквівалентного стрижня, формула (2)). Доведено, що коливання пружини суттєво впливають на характер роботи акумулятора і параметри упорскування.
· Розроблена універсальна (континуальна і дискретна) модель циліндричної пружини стиску, використовувана для аналізу вільних і змушених коливань витків при реальних умовах її закріплення в механізмах ПА, а також з урахуванням можливих зіткнень і тертя. Моделі враховують три ступені волі перетину (рис.12).
Континуальна модель має дві форми - матричну:
; ,
де , ,
і операторну: ,
де ,
- коефіцієнти зовнішнього і внутрішнього тертя.
Дискретну модель (рис.13) описують звичайні диференціальні рівняння; вона служить для динамічного аналізу у випадку багаточисельних зіткнень витків.
Крім зазначених систем диференціальних рівнянь у модель пружини входять граничні умови на її кінцях. У дисертації розглянуті наступні типи умов: твердого, циліндричного (два види), сферичного і пружного закладення, обпирання (на підігнутий торцевий виток), а також
