ОДЕСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

НІКОЛЬСЬКИЙ Віталій Валентинович

УДК 681.2.082: 681.586.773: 532.133: 532.137

ОСНОВИ СТВОРЕННЯ ПРИСТРОЇВ П'ЄЗОАКТИВНОЇ МЕХАНІКИ ДЛЯ СИСТЕМ КЕРУВАННЯ ДВИГУНАМИ ВНУТРІШНЬОГО ЗГОРЯННЯ

05.13.05 - “Елементи та пристрої обчислювальної

техніки та систем керування”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

доктора технічних наук

Одеса – 2005

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України

Науковий консультант

доктор технічних наук, професор

Тодорцев Юрій Костянтинович

Одеський національний політехнічний університет,

завідувач кафедрою автоматизації теплоенергетичних процесів.

Офіційні опоненти:

Заслужений діяч науки і техніки України,

доктор технічних наук, професор

Куценко Альфред Миколайович

Одеський національний політехнічний університет,

професор кафедри фізики;

доктор фіз. - мат. наук, професор

Курмашов Шаміль Джомашевич

Одеський національний університет ім. І.І. Мечнікова, директор експертного центру сенсорної електроніки;

доктор технічних наук, професор

Кошовий Микола Дмитрович

Національний аерокосмічний університет

ім. М.Є. Жуковського "ХАІ", завідувач кафедрою

авіаційних приладів і вимірів;

Провідна установа - Вінницький державний технічний університет Міністерства освіти і науки України, кафедра автоматики й інформаційно-вимірювальної техніки, м. Вінниця.

Захист відбудеться “26” січня 2006 р. у 13-30 на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 41.052.01 в Одеському національному політехнічному університеті

((65044) м. Одеса, проспект Шевченка, 1, ауд. 400).

З дисертацією можна ознайомитися в науково - технічній бібліотеці ОНПУ,

65044, м. Одеса, проспект Шевченка, 1

Автореферат розісланий “16” грудня 2005 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Ю.С. Ямпольський

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТКА РОБОТИ

Актуальність теми. Тенденція безупинного росту світових цін на нафту і відповідно ціни на паливо для двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) вимагає рішення ряду задач по ефективному використанню паливних ресурсів. Більш 60 % транспортних перевезень у світі складають морські перевезення. Для зниження витрат на паливо судна оснащують малооборотними дизелями (МОД), що можуть працювати на суміші дешевих високов'язких асфальтутримуючих сортів вуглеводневих видів палива з дистилятними. Постачання споживачу мазуту здійснюється в стані “як є”, що приводить до невизначеності кожної операції по змішуванню палива і його підготовці.

Тому виникає необхідність постійного моніторингу реологічної характеристики палива, а саме, залежності коефіцієнта динамічної в'язкості, і яка визначає вимоги до режиму роботи ДВЗ, паливної системи (ПС) і системи керування нею.

Існуючі типи первинних перетворювачів, що входять до складу систем керування, не справляються зі зростаючим колом задач, зв'язаних з автоматизацією процесів ДВЗ при переході до безвахтового обслуговування. Потрібні нові типи первинних перетворювачів, робота яких могла б здійснюватися при впливах зовнішнього середовища, що збурюються і змінюються випадковим образом, (хвилювання моря, вітер, плини, температура забортної води і т.п.) і навколишнього оточення (проходження вузькостей, маневрування при розбіжності судів, швартування і відхід від причалу та ін.); обмеженнях по зовнішніх умовах (температура і вологість навколишнього середовища, крен і диферент, ударні навантаження й ін.) і внутрішнім умовам (тиски і температури робочих процесів, рівні палива, олії і води у видаткових цистернах робітничих середовищ, частота обертання механізмів і т.д.) функціонування.

Одним з перспективних напрямків в області створення первинних перетворювачів для систем керування є датчики на основі елементів і пристроїв п'єзоактивної механіки, значний внесок у рішення теорії і практики яких зробили такі відомі вітчизняні і закордонні вчені, як Алексєєв А.Н., Бансевічус Р.Ю., Васильєв П.Е., Вишневський В.С., Грибовський П.О., Джагупов Р.Г., Євмененко В.В., Єрофєєв А.А., Іванов Є.А., Ісупов В.А., Лавриненко В.В., Курило Р.Е., Нікольський О.А., Петренко С.Ф., Плужніков В.М., Рагульськис К.М., Сабінін Ю.О., Сильченкова В.В., Смоленський Г.А., Трофімов А.И., Шарапов В.М., Барфут Дж., Берлінкур Д., Катц Г., Кеді У., Кауфман А., Мезон У., Окадзакі К., Холанд Р. і інші.

Таким чином, можна сформулювати науково – технічну проблему: розвиток теоретичних і практичних основ створення первинних перетворювачів, що мають високі якісні й експлуатаційні показники, на базі елементів і пристроїв п'єзоактивної механіки з метою підвищення ефективності використання важких моторних палив і їхніх сумішей у ДВЗ за рахунок оцінки реологічних властивостей цих тиксотропних рідин, яку не можна здійснити в рамках традиційної елементної бази.

Однак, розробка і впровадження первинних перетворювачів на основі елементів і пристроїв п'єзоактивної механіки обмежується цілим комплексом протиріч між:

- необхідністю постійного моніторингу реологічної характеристики палива прямими методами вимірів і фактичним разовим виміром цієї характеристики непрямими методами;

- прийнятими в практиці електромеханічними й електромагнітними приводами віскозиметрів і реометрів з реальним вузьким діапазоном швидкості і великим кроком її зміни і вимогою розширення цього діапазону при зменшенні кроку зміни швидкості;

- робочим діапазоном температур п'єзокераміки і фактичним діапазоном температур підігрітого моторного палива;

- постійно розширюваним застосуванням комп'ютерно-інтегрованих систем керування і високим фоном перешкод у машинному відділенні, створюваним електричними датчиками і кабелями;

- нагальною потребою використання комбінацій клавіш у пультах керування і повною відсутністю цієї можливості в наявних сенсорних перемикачах поряд з їхньою низькою стійкістю до перешкод і надійністю;

- необхідністю постійного виміру тиску підігрітого палива і неможливістю введення датчика в трубопровід високого тиску.

На вирішення цих протиріч спрямовані зусилля багатьох українських і закордонних колективів дослідників.

Приведені положення визначають актуальність робіт, зв'язаних із впровадженням у системи керування ДВЗ принципово нових конструкцій первинних перетворювачів на основі пристроїв п'єзоактивної механіки.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота проводилася відповідно до прикладних держбюджетних науково-дослідницьких робіт, які проводились під науковим керівництвом автора: “П'єзоелектричні перетворювачі в'язкості палива й олії” (дер. рег. №0103U006407); “П'єзооптичні перетворювачі фізичних величин” (дер. рег. №0104U002961).

Мета і задачі дослідження. Розробка теоретичних основ створення первинних перетворювачів, що забезпечують підвищення ефективності функціонування систем керування ДВЗ, на базі пристроїв п'єзоактивної механіки, що володіють високими якісними й експлуатаційними показниками на відміну від традиційних пристроїв.

Для досягнення поставленої мети дослідження необхідно вирішити наступні задачі, спрямовані на проведення теоретичних і прикладних досліджень, проблемно орієнтованих на:

- комплексний аналіз характеристик і станів палив та олій, призначених для використання в ДВЗ, у триботехнічних вузлах із зазором 1-25 мкм в умовах високих тисків і температур;

- формування вимог до технічних характеристик п'єзоелектричних пристроїв для систем керування паливними системами ДВЗ;

- розробку структур п'єзоелектричних пристроїв для систем керування ДВЗ;

- удосконалювання і розробку п'єзоелектричних вібраційних віскозиметрів для виміру коефіцієнтів в'язкості в анізотропних шарах тиксотропних рідин товщиною 1-25 мкм;

- розробку методу проектування віскозиметрів і реометрів, що базується на концепції використання п'єзоелектричного привода і співвісних циліндрів;

- створення конструкцій реометрів і віскозиметрів на співвісних циліндрах з п'єзоелектричним приводом;

- дослідження фізико-технічних характеристик нових п'єзоелектричних пристроїв суднових систем контролю і керування.

Цей комплекс задач визначає структуру і послідовність викладу матеріалу в дисертаційній роботі.

Об'єкт дослідження – процеси, що відбуваються в паливних системах ДВЗ і первинних перетворювачах для системи керування ними.

Предмет дослідження – методи, моделі і пристрої п'єзоактивної механіки для систем керування ДВЗ.

Методи дослідження.

Для вирішення поставлених задач використовується метод кінцевих елементів; метод електромеханічних аналогій; методи теорії лінійної електропружності; теорія п'єзоелектричних перетворювачів; методи натурного і напівнатурного експерименту; теорія автоматичного керування; теорія фрикційного контакту; комп'ютерне моделювання за допомогою сучасного програмного забезпечення.

Наукова новизна отриманих результатів. У дисертації розроблена методологія проектування первинних перетворювачів на пристроях п'єзоактивної механіки для систем керування ДВЗ, що дозволяє забезпечити високі якісні й експлуатаційні показники.

Наукова новизна отриманих результатів полягає в наступному:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Практична цінність отриманих результатів визначається одержанням і створенням на основі теоретичних результатів роботи:

-

-

-

-

-

-

-

-

-

Порівняльні іспити віскозиметра на співвісних циліндрах у ЗАТ “Харчопромавтоматика” показали переваги в порівнянні з ротаційними віскозиметрами; віскозиметр на співвісних циліндрах був впроваджений у систему підготовки палива заводського парового котла ОСРЗ “Україна”; реометр на співвісних циліндрах впроваджений у теплотехнічній лабораторії НПЦ “Енергетика”.

Основні положення, висновки і рекомендації, викладені в дисертаційній роботі, використовуються в навчальному процесі Одеської національної морської академії при читанні дисциплін на кафедрі “Теорія автоматичного керування й обчислювальна техніка” для студентів по напрямку підготовки “Автоматизація і комп'ютерно-інтегровані технології”, а також можуть бути використані в системах керування масляною системою будь-якого двигуна внутрішнього згоряння.

Реометр на співвісних циліндрах з п'єзоелектричним приводом був визнаний гідним почесного диплома на 10 – й Міжнародній виставці Одеса БОТ ШОУ 2005.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, висновки і рекомендації, що приводяться в дисертації і виносяться на захист, отримані в період з 1997 по 2005 р. і узагальнені під час оформлення дисертації. Роботи [1-3, 17, 18, 20, 22, 25, 26, 28, 29, 39, 40, 42, 43] написані особисто автором. У роботах, опублікованих у співавторстві з колегами, здобувачу належать: [4, 5] – ідея, структурні схеми, моделювання процесів, [6, 8] – ідея використання п'єзоелектричного приводу при визначенні в'язкості тиксотропних рідин існуючими методами виміру і постановка задачі, [7, 9, 10, 16, 21, 30, 38] – сформульована постановка завдання і проведене узагальнення отриманих результатів, [11] – конструкційне виконання, [12, 19] – ідея, вибір режиму роботи і теоретичних основ по застосуванню в системах кондиціонування повітря, [13, 41] – застосування п'єзотрансформаторів з електричним зв'язком і конструкцією п'єзоелементів, герметизація камери, [14, 34] - технологічні особливості, [15, 32, 35, 36] – ідея і технологічні особливості, [24] – конструкції датчиків пройденої відстані і конструкції п'єзоелементів, [23, 27, 31, 33] – технічна реалізація, [37] – датчики переміщень, режими роботи.

Апробація результатів дисертації. Наукові результати й основні положення дисертаційної роботи доповідалися й обговорювалися на 10 науково - технічних конференціях: Всеукраїнській науково-технічній конференції “Вимірювання витрати та кількості газу” (Івано-Франківськ, 2005); Х - науково–технічній конференції “Вимірювальна й обчислювальна техніка в технологічних процесах” (Хмельницький, 2003); 8–й Міжнародній конференції по керуванню “АВТОМАТИКА – 2001” (Одеса, 2001); 10–й Міжнародній конференції по керуванню “АВТОМАТИКА – 2003” (Севастополь, 2003); 11–й Міжнародній конференції по керуванню “АВТОМАТИКА – 2004” (Київ, 2004); Міжнародному науково-практичному симпозіумі “Проблеми суднобудування: стан, ідеї, рішення” (Миколаїв, 1997); Першій міжнародній конференції “Наука і освіта 98” (Дніпропетровськ, 1998); 54-56 науково – методичних конференціях проф. – виклад. складу та курсантів ОДМА (ОНМА) (Одеса, 2002 - 2004); і на наукових семінарах у Вінницькому державному технічному університеті (травень 2005 р.) і Національному аерокосмічному університеті ім. Н.Е. Жуковського “ХАІ” (червень 2005 р.).

Публікації. Результати дисертації опубліковані в 43 основних наукових працях, у тому числі в 24 статтях у журналах і збірниках наукових праць, затверджених ВАК України, і 5 патентах України на винахід.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, шести розділів, висновків і додатків. Обсяг дисертації - 230 сторінок, додатків - 10 сторінок. Дисертація містить 130 малюнків, 11 таблиць і посилання на 182 літературних джерела.

ОСНОВНИЙ ТЕКСТ РОБОТИ

У вступі дисертаційної роботи обґрунтована актуальність проблеми, сформульовані мета і задачі досліджень, приведені основні наукові результати і їхнє практичне значення.

Структура і послідовність викладу матеріалу в дисертаційній роботі визначена комплексом погоджених і взаємозалежних задач, поставлених для досягнення мети дослідження.

У першому розділі розглядаються особливості експлуатації суднових ДВЗ і паливних систем, проведений аналіз несправностей елементів паливної апаратури і циліндропоршневої групи (ЦПГ), що виникають через неправильно приготовлену паливну суміш через відхилення коефіцієнта динамічної в'язкості палива від оптимального значення. Визначено вимоги до процесів у реометрах і віскозиметрах. Проводиться аналіз існуючих видів паливних систем і їхніх відмін, а також необхідних параметрів для систем керування.

Установлено, що реєстрації підлягають наступні параметри: тиск палива; хід голки розпилювача; клапанів; плунжера; рейки; оцінки кута повороту вала; розрив безперервності потоку палива; характеристика упорскування і температура; в'язкість і витрата, котрі зовсім не виміряються або вибірково непрямими методами.

Проаналізовано вплив в'язкості і хімічного складу палива на якість процесу спалювання палива і характер несправностей деталей паливної апаратури і ЦПГ. Паливо, як і олія, відноситься до тиксотропних рідин, структури яких здатні зворотно відновлювати чи руйнувати надмолекулярні зв'язки під впливом різних факторів. В якості таких факторів найчастіше виступають механічні впливи.

Для структурних рідин з тиксотропною структурою, в'язкість яких залежить від напрямку зсуву, в умовах стаціонарного стійкого ламінарного плину існують реологічні криві ефективної в'язкості, приведені на рис. 1, які є залежністю градієнту швидкості зсуву шарів рідини V/h від напруги однорідного зсуву F/S. Тут V – зміна величини швидкості, h – товщина зазору в триботехнічному вузлі, F – сила деформації, S – площа контакту поверхонь. Реологічна крива є паспортною характеристикою для рідини.

Характер реологічних кривих указує на те, що при визначених значеннях деформацій зсуву, значення коефіцієнтів в'язкості суднових технічних рідин (паливо й олія) в анізотропних шарах різко відрізняються від коефіцієнтів в'язкості “ньютонівських” рідин. Крім того, відрізняються коефіцієнти в'язкості і від напрямку зсуву. Так у випадку з підшипниками ковзання інтерес представляє радіальна складова коефіцієнта в'язкості, а у випадку плунжерних пар – сума радіальної і поступальної складових.

Так для кривої 3 на рис. 1 ділянка ОА відповідає коефіцієнтам в'язкості палива, з яким воно подається з танка по паливному проводу низького тиску до паливного насоса високого тиску. Ділянка ВС характеризує стан паливної суміші на виході розпилювача форсунки в камері згоряння, коли забезпечується повне згоряння.

У той же час точковий вимір коефіцієнтів в'язкості, здійснюваний у процесі експлуатації, не дає уявлення про властивості і поводження тиксотропних рідин, якими є не тільки важкі моторні палива, але й олії.

Одержання характеристики палива – реологічних властивостей паливної суміші в кожен момент часу, обумовлює необхідність використання нових технічних засобів для комплексної оцінки стану тиксотропних рідин перед початком роботи й у процесі їхнього спалювання.

Відомо, що при визначенні вимог до реометрів і віскозиметрів необхідно виходити з умови подоби процесів у вимірювальних зондах реометрів і віскозиметрів реальним процесам у триботехнічних вузлах із зазорами 125 мкм. Так при експлуатації вузлів паливної апаратури спостерігаються два режими тертя: рідинне тертя і тертя при граничному шарі змащення, характерному для триботехнічних вузлів, де зазор між взаємодіючими поверхнями складає 10 мкм. У ДВЗ таких вузлів нараховується понад 24. Прикладом можуть служити зуби шестірень, підшипники ковзання і кочення, плунжерні пари, кільця поршнів у циліндрах і т.д..

Рис. 1. Криві плину рідин: 1 - “ньютонівської”; 2, 3 - тиксотропних

Умови протікання процесів у паливній апаратурі досить складні:

- насосні елементи паливної апаратури роблять зворотно-поступальний рух з числом подвійних ходів у хвилину - 20250;

- швидкість ковзання змінюється в діапазоні 00.8 м/с по складному законі;

- мастильне середовище - важкі палива з коефіцієнтом динамічної в’язкості до 17.0 ВУ (при 110 0C);

- температура деталей паливної апаратури - +50+200 0С;

- нормальне питоме навантаження у вузлах тертя в площині ковзання 22104 Па.

На основі аналізу в роботі були сформульовані вимоги, пропоновані до реометрів і віскозиметрів:

- зазор між співвісними циліндрами у вимірювальному зонді - 125 мкм;

- діапазон зміни лінійної швидкості рухомого циліндра - 00,8 м/с або частоти його обертання – 0,334,16 с-1;

- робочий діапазон температур паливної суміші - +50 +200 0С;

- діапазон напруги зрушення однорідного шару паливної суміші - 0 2500 Па.

В даний час систематизованих досліджень по визначенню окремо узятих коефіцієнтів в'язкості для палива й олій, застосовуваних у ДВЗ, немає. Тому доводиться говорити про усереднені коефіцієнти в'язкості технічних рідин.

Удосконалювання використовуваних датчиків можливо при застосуванні п'єзоелектричних пристроїв. У роботі одержала подальший розвиток класифікаційна схема пристроїв п'єзоактивної механіки. Аналіз, проведений відповідно до цієї класифікаційної схеми показав, що крім п'єзоелектричних датчиків тиску, рівня і гіроскопів у суднових системах керування більше жоден пристрій не застосовується. У той час як в автомобільній промисловості з метою підвищення безпеки, зниження аварійності, маси і габаритних розмірів, мініатюризації і підвищення комфортності пристрої п'єзоактивної механіки представлені широко. Тому була висунута ідея їхнього використання для рішення проблеми забезпечення систем керування паливними системами суднових ДВЗ новими типами датчиків.

В другому розділі проаналізовані методи виміру в'язкості: капілярний, щілинний, метод співвісних циліндрів, метод паралельних площин, ротаційний метод, метод крутильних коливань, метод падаючого шарика і вібраційний. Проведено порівняльний аналіз існуючих конструкцій віскозиметрів від відомих виробників, таких як Cambridge Applied Systems, Inc і VAF Instrument B. V., російських виробників і вже існуючих у суднових паливних системах.

Чутливі елементи сучасних регуляторів в'язкості ДВЗ засновані на використанні різних фізичних принципів.

Аналіз методів виміру в'язкості показав, що найбільше поширення одержали вимірювачі коефіцієнтів в'язкості, засновані на: визначенні перепаду тиску в капілярі; зусилля на подолання сил тертя між двома співвісними дисками; часу подвійного проходу поршня в циліндрі, через який прокачується паливо; загасанні механічних чи ультразвукових коливань. А в основу роботи реометрів покладені методи виміру в'язкості.

Установлено, що для визначення реологічних характеристик тиксотропних рідин у зазорах 10 мкм (плунжерних пар) необхідно використовувати метод співвісних циліндрів, коли рухомий циліндр переміщається усередині нерухомого. Для побудови реологічних характеристик олій для вузлів, що роблять обертальні рухи (підшипники ковзання і кочення) необхідно використовувати ротаційний метод. Ці два методи дозволяють визначати коефіцієнти динамічної в'язкості у діапазоні лінійних швидкостей тертьових деталей від 0 до 0,8 м/с і частот їх обертання від 0 до 6 Гц.

Аналіз характеристик вимірювальних зондів існуючих конструкцій показав, що тільки віскозиметри на співвісних дисках мають зазор 125 мкм.

Сучасні приводи вимірювальних зондів оснащують електромагнітними й електромеханічними приводами, що чуттєві до короткого замикання на механічній стороні, використовують спеціальні редуктори для перекриття всього діапазону швидкостей і піддані впливу електромагнітних полів.

Висунуто гіпотезу, що розширення діапазону вимірів реометрів (див. рис. 1) і зменшення кроку зміни швидкості рухомого циліндру можливо при використанні пристроїв п'єзоактивної механіки - п'єзоелектричного привода, що має лінійну механічну характеристику.

Запропоновано класифікацію конструкцій реометрів і віскозиметрів з п'єзоприводом (табл. 1), що дозволяють визначати реологічні характеристики і коефіцієнти в'язкості тиксотропних рідин у вузлах із зазором 10 мкм, а також процеси у вимірювальній камері відповідають реальним процесам і умовам експлуатації відповідальних вузлів паливної апаратури.

Таблиця 1

Класифікація реометрів і віскозиметрів.

Реометри, віскозиметри

Метод виміру | Вібраційний | На співвісних циліндрах | Ротаційний

Тип привода | маніпулятори | двигуни

Конструкція п'єзорезонатора (ПР) | Циліндр | біморф | стовп | лінійні (ЛПД) | роторні (ПЕД)

Довжина ходу рухомого циліндра | <0,1 мкм | <0,5 мм | >5 мм | n=05 Гц

Наявність математичного опису | є | відсутнє

Таким чином, відсутність математичного опису реометрів на співвісних циліндрах вимагає додаткових досліджень.

У третьому розділі розроблений метод проектування реометрів на співвісних циліндрах з п'єзоелектричним приводом, що включає методику складання структурних схем реометрів на співвісних циліндрах із приводом на ЛПД і роторних двигунах, одержання математичного опису й оцінки на цій основі характеристик пристроїв.

Розроблено структурні схеми реометрів і віскозиметрів на співвісних циліндрах (рис. 2), до складу яких входять, як правило, п'єзоелектричний привод і вимірювальний зонд, характеристики якого відповідають характеристикам триботехнічному вузлу. Кожний з них відповідає реометрам, наведеним у класифікаційній таблиці 2.

Для створення математичної моделі реометрів на співвісних циліндрах, було використано лінійне диференціальне рівняння першого порядку для акустичного компенсатора на ПР, запропоноване Нікольським О.А., що одержало подальший розвиток у роботі Щербина В.М. для ЛПД із мультиплікацією, куди вперше нами введено зворотний зв'язок у виді сили тертя в триботехнічному вузлі, що враховує властивості тиксотропних рідин, масу і габаритні розміри вимірювального зонда.

Рівняння для маніпулятора на ПР із поперечною поляризацією, що здійснює переміщення рухомого циліндра, враховує властивості системи з розподіленими параметрами, коли в ПР протікають одночасно процеси, зв'язані з прямим і зворотним п'єзоефектом при керуванні від джерела напруги:

Fy=FЕ-Fд-Fдин-FП-FTP, (1)

де Fy=Ky - зусилля пружної деформації п'єзоелектричного маніпулятора (ПЕМ), Н; FЕ=dПYS0Е - зусилля в ПЕМ, викликане прикладеним електричним полем, Н; Fд=Кдd/dt - демпферне зусилля у ПЕМ, Н; - динамічне зусилля в ПЕМ, пропорційне швидкості зсуву рухомого циліндра і викликаними при цьому процесами дисипації енергії в ПЕМ, Н; чи (g31, g33) - коефіцієнт пружності ПЕМ, Н/м; Kд (h31, h33) - коефіцієнт внутрішнього демпфірування ПЕМ, кг/с; т - еквівалентна приведена сумарна маса рухомих частин, кг; FП - статичне зусилля, прикладене до поршня і діюче на ПЕМ з боку палива, що надходить у вимірювальну камеру, Н; – сила грузлого тертя в триботехнічному вузлі, Н, уведена вперше; - коефіцієнт динамічної в'язкості, Пас; S – площа поверхні тертя, м2; V/h – градієнт швидкості зрушення однорідного шару рідини в триботехнічному вузлі, с-1.

а) |

б)

в) | г)

Рис. 2. Структурні схеми реометрів і віскозиметрів на співвісних циліндрах: а – привод на біморфному елементі; б – привод на складальному стовпі; і реометрів: в – привод на ЛПД; г – привод на ПЕД; 1 - ПР; 2 – точка торкання; 3 - шток; 4 – нерухомий циліндр; 5 – рухомий циліндр; 6 – корпус; 7 - маховик; 8 - пружина; 9 – кривошип

Повна система диференціальних рівнянь, що описують реометр із приводом на ПР:

. (2)

; (3)

. (4)

Аналіз існуючих методів рішення диференціальних рівнянь показав, що для їхнього рішення переважніше використовувати метод кінцевих елементів.

Для реалізації отриманої моделі (1) була складена структурна схема реометра з одним ПР (рис. 3).

Рис. 3. Структурна схема п'єзоелектричного ПЕМ на одному ПР при керуванні від джерела ЕДС

Тут , , , , - передавальна функція залежності в'язкості рідини від швидкості переміщення рухомого циліндра (ланку введено вперше), , - сила тиску палива на циліндр, К0 – коефіцієнт зворотного п'єзоефекту; КП – коефіцієнт прямого п'єзоефекту; K0=KП=bY11d31; Rвт – опір генератора; С0 – електрична ємність ПР, С0=033(1-((d31)2Y11/(033))2)l1l2/l3; m - приведена маса ПР і рухомого циліндру; g33 – коефіцієнт пружності; h33 – коефіцієнт демпфірування; S – площа взаємодії двох циліндрів.

Перетворення структурної схеми на рис. 3 приводить до передавальної функції:

, (5)

На основі моделі (5) отримані ЛАЧХ реометра для ПР із подовжньою (рис. 4, а і б) і поперечною (рис. 4, в і г) поляризацією при наступних розмірах рухомого циліндра і п'єзорезонатора: розмір рухомого циліндра d=510-3 м, h=110-2 м, матеріал - залізо. Площа поверхні рухомого циліндра S=6,28310-4 м2, маса m=0,015 кг. Матеріал ПР кераміка ЦТС-19 з параметрами: 0=8,8510-12 Ф/м, 33=1500, h33=8,910-3 кг/с, g33=0,032 Н/м, =7,6103 кг/м3, Y11=81010 Па, d31=17510-12 Кл/Н.

а) б)

в) г)

Рис. 4. ЛАЧХ реометра з подовжньою поляризацією ПР: а - , б - , l0=1,910-3 м, S0=7,85410-5 м2; та поперечною поляризацією ПР: в - , г - , l1=1010-3 м, l2=7,85410-3 м, l3=1910-3 м; mПР ЦТС-19=0,01134 кг, Rвт=50 Ом; 1 – холостий хід, 2 - 1=10 Пас, 3 - 2=20 Пас, 4 - 3=30 Пас

Аналіз отриманих АЧХ дозволяє зробити висновок, що п'єзопривід в складі реометра, виконаний на одному ПР, має високу чутливість до зміни коефіцієнта динамічної в'язкості рідини в заданому діапазоні, що призводить до збільшення чутливості всього первинного перетворювача.

На аналоговому обчислювальному комплексі було проведене моделювання перехідних процесів для п'єзорезонаторів з подовжньою і поперечною поляризацією при синусоїдальній керуючій напрузі.

Однак, у процесі досліджень виявилося, що для виміру переміщень рухомого циліндра (0,24 мкм) необхідні спеціальні дорогі оптичні датчики для вимірювання переміщення.

Тому подальші дослідження були спрямовані на збільшення переміщення рухомого циліндра до 5 мм з метою використання раніше розроблених недорогих датчиків переміщення.

Установлено, що цю задачу можна виконати двома способами:

а) збільшувати діапазон переміщення рухомого циліндра за рахунок нарощування кількості п'єзорезонаторів у маніпуляторі при одночасному збільшенні керуючої напруги;

б) для переміщення рухомого циліндра використовувати п'єзодвигуни, які працюють на частоті резонансу, що дозволяє уникнути впливу гістерезису.

Для реалізації першого способу використовувався складальний стовп шайб (рис. 5, а), набраний із ПР із поперечною поляризацією і з'єднаних механічно послідовно (рис. 5, б), а електрично – паралельно (рис. 5, в) і з'єднаний з ним триботехнічний вузол. Схема заміщення складального стовпа є досить складною для одержання математичного опису і моделювання процесів через велику кількість ПР (якщо один ПР робить переміщення 0,4 мкм при подачі 500 В керуючої напруги, то для одержання переміщення в 1 мм буде потрібно 2500 шайб).

Крім того, зі збільшенням кількості шайб у стовпі його властивості наближаються до властивостей розподіленого стрижня з хвильовими параметрами і h, причому вплив прямого п'єзоефекту усе в більшій мері обмежується ланцюгами формування керуючої напруги U. Тому в даному випадку зручніше використовувати структурну схему, представлену на рис. 5, г.

ЛАЧХ (рис. 5, д) показала, що привод при використанні як матеріал п'єзорезонатора кераміки ЦТС - 19 не реагує на зміну коефіцієнта в'язкості рідини. Для того, щоб реакція була помітна, необхідно зменшити або параметр d33 п'єзокераміки в 1000 разів (рис. 5, є), або зменшити зазор у вузлі до 1нм, коли буде спостерігатися сухе тертя в триботехнічному вузлі, що є неприпустимим.

Для зниження маси і забезпечення можливості зміни діапазону швидкостей рухомого циліндра другий спосіб припускає використання п'єзодвигунів, особливість протікання процесів у яких визначається фрикційним контактом, теорія якого розроблялася такими відомими вченими як Лавриненко В.В., Карташовим І.А., Вишневським В.С..

Були складені структурні схеми реометрів на співвісних циліндрах із приводом на ЛПД і ПЕД (рис. 6, а і б), у склад яких уперше введені: передавальна функція ланки для фрикційного контакту; зворотні зв'язки, що враховують вплив сили тертя в триботехнічному вузлі й опір палива.

Перетворення структурної схеми на рис. 6, б дозволило одержати математичну модель у формі передавальної функції для реометру з ЛПД (6), що здійснює переміщення в прямому напрямку:

, (6)

де =+, уперше введені , – передавальні функції сили опору палива і сили грузлого тертя рідини, що прикладаються з боку палива і триботехнічного вузла, RB - радіус ротора ПЕД, r - радіус кривошипа, h – зазор, n – коефіцієнт кута атаки, k – коефіцієнт, що характеризує фрикційний контакт.

На основі моделі (6, б) отримані ЛАЧХ реометрів на співвісних циліндрах з двома ЛПД (рис. 7, а-в), а також механічна характеристика ЛПД “лінійна швидкість – амплітуда керуючої напруги” для “ньютонівських” рідин (рис. 7, г).

д)

є)

Рис. 5. Реометр із ПЕМ зі складального стовпа: а – багатомасова модель: 1 – складальний стовп; 2 - нерухомий циліндр, 3 – рухомий циліндр, 4 – випробувана рідина, РТ – тиск рідини, FC – зусилля маніпулятора; б - електрична схема заміщення; у - пакет шайб; г - структурна схема реометра, коли Nпєзостовба ; д - ЛАЧХ реометра з маніпулятором зі складального стовпа RЦ=2,510-3 м, LЦ=0,01 м, l0=210-3 м, матеріал кераміки – ЦТС –19, RПР=110-2 м, N=100, m=0,48 кг; є - матеріал із d33=56103 Кл/Н; , 1 - 1=10 Пас, 2 - 2=20 Пас, 3 - 3=30 Пас

а)

б)

Рис. 6. Структурні схеми реометрів з роторними (а) і лінійними (б) п'єзодвигунами

На підставі отриманої ЛАЧХ був зроблений висновок про те, що реометр з ЛПД практично миттєво починає свою роботу. Отже, привод має високу чутливість до опору навантаження, а реометр до зміни властивостей рідин і, приблизно, незначними масою і габаритними розмірами, у чому стояло переконатися при розробці конструкцій.

Крім того, структурні схеми віскозиметрів і реометрів із ЛПД вільні від таких ланок як підшипники кочення, на які спирається ротор двигуна, і кривошипного механізму.

У випадку використання ПЕД ланка зворотного зв'язку буде нелінійною через наявність кривошипного механізму. Використовуючи метод кусочно-лінійної апроксимації з припасовуванням (метод точкового перетворення), можна здійснити заміну нелінійної ланки лінійною у момент, коли здійснюється контакт ПР і ротора, а рухомий циліндр знаходиться по середині між крайніми положеннями і його відносна швидкість максимальна.

Проведені дослідження дозволяють здійснити вибір вимог до умов визначення реологічної характеристики з урахуванням фізико-хімічних властивостей палива, у залежності від розмірів форсунки чи відповідальних вузлів ПА (V, F, h, S); вибір тиску палива в трубопроводі низького тиску FT; попереднього вибору лінійних розмірів п'єзоелементів; побудови амплітудно-частотної характеристики; аналізу чутливості й уточнюючого розрахунку ПР із метою коректування АЧХ і створити методику визначення реологічних характеристик і коефіцієнтів динамічної в'язкості по механічних характеристиках п'єзоприводу, що здійснюється по наступному алгоритму:

а) б)

в) г)

Рис. 7. Характеристики реометрів на співвісних циліндрах з двома ЛПД у прямому напрямку: а - ЛАЧХ ; б - ЛАЧХ , k=10; в – ЛАЧХ при зміні k; г - механічна характеристика “лінійна швидкість - амплітуда керуючої напруги”, частота резонансу ПР 57 кГц; 1 – холостий хід при 1=0,1 Пас; 2 - 2=10 Пас; 3 - 3=20 Пас; 4 - 4=30 Пас

а) визначаються механічні характеристики п'єзоелектричного привода на холостому ходу, що, на відміну від крокових двигунів, є залежністю лінійної швидкості переміщення рухомої частини двигуна (V) або частоти обертання ротора двигуна (n) від амплітуди керуючої напруги (UУПР).

б) задається момент навантаження і визначається лінійна швидкість або частота обертання в залежності від типу привода при заданому значенні амплітуди керуючої напруги.

в) будуються механічні характеристики n=f(MC), V=f(FC) п'єзоприводу (ПП), які можна представити (апроксимувати) у виді прямих і описуваних рівняннями:

F=KM(V0 - VC), (7)

M=KM(0 - C), (8)

де KM - коефіцієнт твердості механічної характеристики; 0 - кутова швидкість обертання ПЕД і V0 – лінійна швидкість переміщення ЛПД на холостому ходу; C=MC/KM - статичний перепад кутової швидкості обертання і VC= FC/KM - статичний перепад лінійної швидкості переміщення.

г) знаходяться вирази для моменту опору з ПЕД:

, (9)

і сили опору з ЛПД:

, (10)

де М=Р/ і F=P/V відомі вирази для моменту і зусилля, що розвиваються ПП.

д) визначаються реологічні характеристики: по осі абсцис відкладається величина F/S, де F пропорційна амплітуді керуючої напруги, S – площа поверхні рухомого циліндра (величина постійна), а по осі ординат - градієнт швидкості V/h, де V – зміна величини швидкості, h – зазор у вузлі, величина постійна.

е) для заданих умов визначається коефіцієнт динамічної в'язкості .

У четвертому розділі на основі запропонованих методів проектування розглядаються питання реалізації співвісних віскозиметрів і реометрів на пристроях п'єзоактивної механіки для системи керування ДВЗ.

Для рішення поставленої задачі розроблені конструкції реометрів і віскозиметрів на співвісних циліндрах із приводом на маніпуляторі з біморфа і складального стовпа, на нереверсивному двигуні з пасивним ротором ДЕП-28 (2) (виробленого серійно лабораторією п’єзоприводу КПІ, параметри якого слідуючи: діапазон швидкостей обертання в режимі холостого ходу - 0...300 1/хв.; пусковий момент на валу двигуна – 3 кгсм; ресурс роботи двигуна - 50000 годин) і лінійному п'єзодвигуні. Також були удосконалені конструкції вібраційних віскозиметрів з метою їхнього використання при визначенні коефіцієнтів в'язкості рідин у триботехнічному зазорі.

Спочатку були розроблені дві конструкції вібраційних віскозиметрів на основі вже існуючих з метою розширення їхніх функціональних можливостей, а саме, виміру в'язкості в зазорі 10 мкм. Це вібраційний віскозиметр на циліндрі з двох координатним керуванням і вібраційний віскозиметр (рис. 8, а) із приводом на біморфному елементі, одним кінцем жорстко зв'язаним з рухомим циліндром триботехнічного вузла, і який складається з вимірювального зонда (1), вимірювальної камери (2), біморфного п'єзоелемента (3), діелектричної втулки (4), штока рухомого циліндра (5), вхідного штуцера (6), рухомого циліндра (7), резистора в ланцюзі керування (8), випускного штуцера (9), генератора (10), диференціального підсилювача (11). Надалі це конструктивне рішення лягло в основу віскозиметра на співвісних циліндрах.

Технічні характеристики: зазор у триботехнічному вузлі - 15 мкм; лінійна швидкість рухомого елемента - 00,23 м/с; робочий діапазон температур – +50 С; діапазон напруги зсуву однорідного шару - 0250 Па; маса конструкції вимірювального зонду – 0,1 кг.

Для збільшення переміщення була розроблена конструкція реометра, до складу якого ввійшли два складальних стовпи з однаковими параметрами, один із яких використовувався як привод, а інший як датчик коливань (рис. 8, б), що складається з вимірювального зонда (1), вимірювальної камери (2), маніпулятора (3), електроду (4), що підводить струм, впускного штуцера (5), рухомого циліндра (6), датчика переміщення (7), електрода (8), з якого знімається інформаційний сигнал, спільних електродів (9) і (11), випускного штуцера (10), генератора (12), підсилювача (13), фазометра (14).

а)

б)

Рис. 8. Структурні схеми: а - вібраційного віскозиметру; б – реометру на співвісних циліндрах із приводом на складальному стовпі

Технічні характеристики: зазор у триботехнічному вузлі - 15 мкм; лінійна швидкість рухомого елемента - 00,15 м/с; матеріал кераміки з d33=56103 Кл/Н; робочий діапазон температур - +50 С; діапазон напруги зсуву однорідного шару - 02500 Па; маса конструкції вимірювального зонду – 0,4 кг.

Однак, недоліками всіх цих конструкцій є присутність маніпуляторів у вимірювальній камері, куди надходить рідина. Це не дозволяє використовувати дані конструкції при температурах вище +50 С. З метою розширення температурного діапазону вимірювальний зонд був розділений на дві камери – камеру привода і вимірювальну камеру. Для зменшення розмірів маніпулятора були використані підсилювачі переміщення, виконані у виді важеля і паралелограма. Однак, у процесі роботи через повзучість кераміки і наявності гістерезиса, може накопичуватися помилка при безупинному циклі роботи. Для цього необхідно відключати блок з метою усунення таких помилок. В умовах постійного контролю в'язкості це не є вірогідним. Тому, були розроблені конструкції реометрів з ПЕД, що володіють значним ресурсом, малими габаритними розмірами, можливістю працювати в безперервно-імпульсному режимі, малою інерцією, а відповідно високою чутливістю до моменту опору, що прикладається.

Таким чином, ці реометри дозволяють оцінювати стан рідини на ділянці ОА (див. рис. 1), а, саме, подачі палива від бака до паливного насоса