Методика динамічного синтезу і технічного контролю виробництва механізмів газорозподілу

Размещено на http://www.allbest.ru/

Національний університет водного господарства та природокористування

Методика динамічного синтезу і технічного контролю виробництва механізмів газорозподілу

УДК 621.432 - 384

Шинкаренко І.Т., к.т.н., доцент, Стрілець В.М., к.т.н., доцент

Рівне

Анотації

Пропонується методика динамічного синтезу та технічного контролю і керування процесами виробництва механізмів газорозподілу, наведені рекомендації до вибору раціонального варіанту сукупності їх параметрів.

The method of dynamic synthesis and technical control and process control of production of mechanisms of gas separation is offered, recommendations to the choice of rational variant of their parameters combination are resulted.

В механізмах газорозподілу (МГ) опозитних двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ) проявляються суттєво більші, ніж в таких же механізмах інших двигунів, збурення і більш складний характер динамічних зв'язків. Відповідно, у них виникають і якісно нові динамічні ефекти та режими коливань. Їх визначають специфічні особливості конструкції, компоновки, умови експлуатації, а також нелінійності, вимушені технологічні недосконалості та змінність деяких параметрів.

Врахування цих обставин і факторів обумовлюють підвищені вимоги до рівня динамічних розрахунків і суттєво ускладнюють задачу їх синтезу.

Відомі [1, 2, 3, 4] методики динамічних розрахунків МГ, в основу яких покладені трьох- і чотирьохмасові динамічні моделі приводять до громіздких обчислень і труднощів аналізу отриманих результатів. Точність рішень отриманих при їх використанні мало відрізняється від точності результатів, отриманих на основі моделей з однією або двома масами [5]. Тому вони не знайшли широкого розповсюдження в конструкторських організаціях.

Найбільше розповсюдження в інженерних розрахунках отримала методика, яка базується на одномасовій динамічній моделі [6]. Однак, для розрахунків МГ опозитних ДВЗ і ця методика мало придатна (за винятком випадку, про який буде вказано нижче). Це підтверджують і пошукові експериментальні дослідження динаміки цих механізмів. І якісно, і кількісно їх результати суттєво відрізняються від результатів, отриманих розрахунковим шляхом за допомогою існуючих методик. Ця некоректність є наслідком того, що в них не враховуються:

- специфічні особливості конструкції та компоновки МГ опозитних ДВЗ;

- помилки виготовлення ланок шарнірно-важільного ланцюга привода клапана (ПК), кулачка розподільного вала та ексцентриситету прикладання збуджуючих сил на штангу;

- ефектів поперечних або поздовжньо-поперечних коливань штанги;

- нелінійних характеристик пружності, інерційності та затухання коливань, а також змінності параметрів системи;

- можливості визначення і комплексної оцінки навантаження пари кулачок-штовхач;

- можливості здійснення технічного контролю і керування процесами виробництва МГ.

Ці обставини враховуються в запропонованій методиці, яка витікає із розробленого [7, 8, 9, 10, 11] методу динамічного дослідження цих механізмів.

Метою роботи є розробка методики динамічного синтезу та технічного контролю і керування процесами виробництва МГ, а також рекомендацій до вибору раціонального варіанту сукупності параметрів, що забезпечує:

- реалізацію необхідного закону руху клапана (ЗРК);

- поліпшення динамічних якостей і стійку роботу МГ в експлуатаційному діапазоні швидкостей і навантажувальних режимів;

- виключення явищ розривів кінематичного ланцюга привода клапана (КЛПК);

- суттєве зниження динамічних навантажень в ПК і навантаженності пари кулачок-штовхач;

- збільшення довговічності та надійності МГ і підвищення експлуатаційних показників двигуна.

Тут для виконання отриманої мети були поставлені і розв'язані такі задачі:

- розробка алгоритма замкнутого процесу динамічного синтезу (проектування) і програми для реалізації його на ПЕОМ;

- визначення і формування банку вихідних даних, необхідних для динамічних розрахунків МГ, вибір коректної математичної моделі;

- уточнення критеріїв для оцінки прийнятого варіанту сукупності закону руху штовхача (ЗРШ) і сукупності параметрів механізму газорозподілу (СПМГ).

При проектуванні нелінійних динамічних систем з кулачковим приводом, де кількісні і якісні показники характеристик вимушених коливань залежать від багатьох факторів, виникають складні ситуації. Вони пов'язані з доланням ряду невизначеностей. Складність взаємовпливу цих факторів не дозволяє за допомогою окремих розрахункових операцій та інженерної інтуїції долати ці невизначеності. Залишається неясним яким чином і при яких співвідношеннях між значеннями окремих параметрів можна досягнути бажаних показників розрахункових характеристик. Це - швидкості і прискорення штовхача; амплітуди пружних деформацій ПК; переміщення , швидкості і прискорення клапана з врахуванням пружності ланок ПК; сили в ПК; моменти розривів КЛПК; силиі контактні напруження у парі кулачок-штовхач. Вказані показники являються функціями кута повороту кулачкового вала.

Показники розрахункових характеристик, а отже, і відповідний їм варіант сукупності ЗРШ і СПМГ, що розглядається, оцінюється за критеріями загальної якості динаміки і функціонування системи. В [6] пропонуються такі критерії для деяких систем з кулачковим приводом. Однак, застосовувати без коректування ці критерії до МГ опозитних ДВЗ неможливо, тому що вони недостатньо повно враховують властиві цим механізмам динамічні явища (розриви КЛПК і поперечні коливання штанги). Крім того, скоректовані критерії мають враховувати і призначення (умови експлуатації) машини, у двигуні якої буде використовуватись цей механізм.

Для МГ двигунів дорожніх машин таким критерієм являється відсутність явищ розривів КЛПК (виключення ударів) при мінімальних значеннях пікових сил в ПК і контактних напружень в парі кулачок-штовхач, тобто:

; (1)

,

де - амплітуди, відповідно поперечних і поздовжніх коливань штанги.

При виконанні умов (1) зменшується навантаженість і підвищується довговічність МГ.

Для МГ двигунів ескортних і спортивних машин - відсутність явищ розривів КЛПК і мінімальне викривлення вибраного ЗРК за рахунок пружних деформацій ланок ПК

, (2)

де - площа під діаграмою переміщення клапана; , - кути повороту кулачкового вала, відповідно в моменти відкриття і закриття клапана.

Виконання вимог (2) приводить до поліпшення наповнення циліндрів і збільшення потужності двигуна.

Проектування таких систем спричиняє необхідність постановки і рішення комплексної багатоваріантної задачі динаміки, в якій методом послідовних наближень визначається оптимальне співвідношення між значеннями окремих параметрів системи, тобто раціональний варіант сукупності ЗРШ і СПМГ.

Суть цієї задачі наступна:

- визначаються вихідні дані для динамічних розрахунків механізму і формується банк ЗРШ і банк різних варіантів СПМГ;

- вибирається [7, 8] адекватна дійсним процесам математична модель;

- вибираються із банків певний ЗРШ і конкретний варіант СПМГ (варіант сукупності ЗРШ і СПМГ, що розглядається);

- визначаються для варіанту сукупності ЗРШ і СПМГ, що розглядається, показники розрахункових характеристик і закономірності їх зміни за кутом зміни повороту кулачка в експлуатаційному діапазоні швидкостей;

- оцінюється прийнятність варіанту, що розглядається, сукупності ЗРШ і СПМГ за відповідністю показників розрахункових характеристик критеріям (1) або (2);

- вибирається із банків новий варіант сукупності ЗРШ і СПМГ у випадку неприйняття того, що розглядався, і розрахунки повторюються.

Багатоваріантність і громіздкість задачі приводить до великих труднощів при її розв'язанні та оцінці отриманих результатів. Однак, якщо для цієї мети використати ПЕОМ, то процес проектування можна розглядати в цілому, а не як сукупність окремих, не зв'язаних між собою, операцій. Він охоплює два основних етапи проектування - аналіз динаміки МГ при варіанті сукупності ЗРШ і СПМГ, що розглядається і інтерпретацію аналізу впливу окремих, зв'язаних між собою, його параметрів.

Для пошуку раціонального варіанту сукупності ЗРШ і СПМГ використовують замкнутий процес динамічного синтезу (проектування). Його основа подана схематично на рисунку. Тут термін “Наладка параметрів” слід розуміти, як перегляд неприйнятого варіанта сукупності ЗРШ і СПМГ і групування нового, наближеного до раціонального. Для переходу до нового варіанту сукупності ЗРШ і СПМГ передбачений зворотній зв'язок. Реалізується цей процес на ПЕОМ за розробленим алгоритмом і програмами розрахунків.

Диференціальні рівняння для всіх математичних моделей, що використовуються тут, розв'язуються числовими методами. Вибір кроку розв'язання задачі обґрунтований в [6] і приймається рівним .

Проектувальник, використовуючи завдання на проектування або доводку МГ, визначає значення параметрів вихідного варіанту СПМГ. Далі, варіюючи значеннями деяких параметрів, які входять у вихідний варіант СПМГ, групує багато різних варіантів СПМГ. Так, при доводці існуючих конструкцій слід варіювати значеннями тих параметрів, зміна яких не приведе до суттєвих переробок конструкції самого МГ, інших вузлів двигуна і відпрацьованої технології їх виготовлення.

Рисунок. Схема замкнутого процесу проектування динамічної системи з кулачковим приводом (МГ)

При цьому, необхідно враховувати можливості технологічного обладнання, що має підприємство. При проектуванні нової конструкції МГ обмеження можуть бути іншими. Вони визначаються конкретними умовами його розробки, виготовлення та експлуатації. Числові значення кожного варіанта СПМГ складають банк різних варіантів СПМГ.

Керування вибором значень окремих параметрів у кожному варіанті СПМГ здійснює проектувальник.

Далі створюється банк профілів кулачків, які забезпечують різні ЗРШ. Тут можна використовувати ЗРШ, отримані графоаналітичними методами або шляхом вимірювання, з врахуванням помилок виготовлення профілю кулачка. Зазвичай ЗРШ задається дискретно (таблицею) через або за кутом повороту кулачка . Таблиця ЗРШ (масив, що засилається в ПЕОМ має удвоє менший крок, ніж прийнятий при рішенні задачі крок, а перші і останні мінімум чотири значення (точки) масиву - рівні нулю. Цю умову необхідно виконувати для того, щоб вирахувати числовим методом похідні і у трьох точках початку і кінця масиву . Тоді кількість точок масиву , засланого в ПЕОМ визначається наступною залежністю:

, (3)

де і - кількість точок на початку і в кінці масиву , які задані нулями; , - кути, відповідно віддалення та повернення штовхача.

Достовірні якісні та кількісні показники розрахункових характеристик можна отримати при умові, що математична модель вибрана для розрахунків буде найбільш повно описувати властиві МГ динамічні процеси. Тому вибір коректної математичної моделі для розрахунків цих механізмів являється важним етапом при їх проектуванні. Для МГ, які містять в ПК штангу, визначальним фактором при виборі типу математичної моделі є вид коливань, які виникають у штанзі.

Випадок, коли штанга має тільки поздовжні коливання детально викладений в [6]. Там же приведена одномасова розрахункова модель і лінійне диференціальне рівняння руху веденої маси або пружних деформацій ПК.

Якщо штанга здійснює тільки поперечні коливання, тоді для розрахунків необхідно вибрати розрахункову схему і математичну модель приведену в [7].

При поздовжньо-поперечних коливаннях штанги для розрахунків слід вибирати приведену в [8] розрахункову схему і математичну модель. Цей вид коливань штанги є загальним випадком. Не дивлячись на громіздкість, його слід використовувати коли недостатньо накопичено відомостей про фактори, які визначають вид коливань штанги.

Якщо отримані в результаті розрахунків показники розрахункових характеристик не задовольняють вимогам вибраного критерію, тоді необхідно розглянути новий варіант сукупності ЗРШ і СПМГ. Шляхом системного перебирання різних варіантів сукупності ЗРШ і СПМГ знаходять варіант, який задовольняє вимогам вибраного критерію і забезпечить його відповідність раціональній конструкції МГ. Цей варіант сукупності при рішенні задачі виводиться на друк і використовується в конструкторській документації.

Знання шляхів “наладки параметрів” дозволяє знайти прийнятний варіант сукупності ЗРШ і СПМГ з меншими затратами машинного часу. Аналіз накопиченої в процесі проектування інформації про вплив окремих параметрів МГ на його динаміку дозволяє виявити визначальні параметри, які найбільше впливають на характер руху системи і оцінити порядок величин у співвідношеннях між оптимальними значеннями параметрів, що визначаються. На основі цих відомостей можна розробити стратегію оптимального керування “наладкою параметрів” і , цим формалізувати процес проектування. газорозподіл двигун штовхач

У виробництві величини окремих параметрів, які складають раціональний варіант сукупності ЗРШ і СПМГ мають відхилення від номінальних значень.

Різна степінь впливу і складність взаємовпливу відхилень (в сукупності їх негативний вплив на характер процесів МГ можуть додаватись або компенсуватись) не дозволяють оцінювати наскільки вони допустимі. Тому технічний контроль при виготовленні слід вести не за дискретними величинами відхилень від проектних значень окремих параметрів, а комплексно - за показниками робочих характеристик МГ, до яких приводить сукупність цих відхилень. Для цієї мети використовують машинний технічний контроль, в основу якого покладена запропонована методика проектування МГ. Суть його в наступному:

- безпосередньо, після виготовлення, вимірюється профіль кулачка (ЗРШ) та параметри, складові СПМГ і вводяться в ПЕОМ;

- вибирається адекватна дійсним процесам математична модель і програма розрахунків;

- визначаються показники розрахункових (робочих) характеристик для контрольованого варіанту сукупності ЗРШ і СПМГ і, за відповідністю показників критеріям (1) або (2) оцінюється його прийнятність.

Якщо він буде неприйнятним, тоді необхідно виконати наладку виробничого устаткування та технологічних процесів і повторити контроль. При неможливості за рахунок наладки отримати необхідні величини деяких параметрів, із-за зносу технологічного обладнання, їх слід залишити такими, якими їх отримують після якісної наладки, а раціональний варіант сукупності ЗРШ і СПМГ забезпечити шляхом корекції величин інших параметрів, зміну яких можна реалізувати у виробництві МГ з реальними технологічними можливостями підприємства-виробника.

Широке впровадження в сучасній промисловості ПЕОМ дозволяє реалізувати виконання ком'ютерного технічного контролю та керування процесами виробництва МГ високої якості і ефективності.

Висновки

Задача синтезу МГ, яка встановлює прийнятність варіантів сукупності ЗРШ і СПМГ має базуватись на попередньо розв'язаній задачі аналізу;

- визначення прийнятого варіанта сукупності ЗРШ і СПМГ при варіантній розробці не являється однозначною задачею. В процесі її розв'язання можна отримати декілька, рівноцінних з точки зору показників розрахункових характеристик, прийнятних варіантів сукупності ЗРШ і СПМГ, в яких величини окремих параметрів мають різні співвідношення;

- вибір раціонального варіанту необхідно виконувати комплексно - з врахуванням конкретних умов, які включають, крім динамічних і експлуатаційних факторів, умов (1), (2), також технологічні можливості та економічну доцільність виробництва;

- виконання комп'ютерного технічного контролю і керування процесами виробництва МГ, що забезпечує їх наперед задані показники робочих характеристик, являється перспективним напрямком.

Література

1. Акита Хироси. Исследование движения клапана газораспределения бистроходного двигателя внутреннего сгорания // Мицубиси Нихон дзюко гихо. - 1983. - Т. 4, № 2. -С. 39-46. - Пер. с яп. №64761/7.

2. Богомолов А.В., Карамишкин В.В. К динамике клапанных механизмов // Тр. Моск. ин-та электромашиностроения. -1974. -Вып. 39. - С. 32-40.

3. Доброгаев Р.П., Афанасьев В.Г. Четырехмассовая модель привода клапана // Изв. вузов. Машиностроение. - 1976. - №2. -С. 104 - 109.

4. Попык Г.К. Конструирование и расчет автомобильных и тракторних двигателей. - 2-е изд., пере раб. и доп. - М.: Высш. шк., 1973. - 400с.

5. Белолинецкая Л.И., Корчемний Л.В. Аналитическое исследование динамики некоторых быстроходных кулачковых механизмов с упругими звеньями // Динамика машин. - М.: Наука, 1986. - С. 203…215.

6. Корчемный Л.В. Механизмы газораспределения двигателя. Кинематика, динамика, расчеты на прочность. - М.: Машиностроение, 1964. - 211 с.

7. Шинкаренко І.Т., Стрілець В.М. Математична модель механізму газорозподілу при поперечних коливаннях штанги // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. - Рівне: НУВГП, 2007. - Вип. 31. - С.433...445.

8. Шинкаренко І.Т., Стрілець В.М. Математична модель механізму газорозподілу при поздовжньо-поперечних коливаннях штанги // Вісник НУВГП. - Рівне: НУВГП, 2006. - Вип. 2 (34). - С.230...238.

9. Шинкаренко І.Т., Стрілець В.М. Визначення приведеного прогину штанги в механізмах газорозподілу // Вісник НУВГП. - Рівне: НУВГП, 2007. Вип. 2.

10. Шинкаренко І.Т., Стрілець В.М. Експериментальне вимірювання і визначення контактних сил в парі кулачок-штовхач // Гідромеліорація та гідротехнічне будівництво. - Рівне: НУВГП, 2005. - Вип. 30. - С.248...256.

11. Шинкаренко І.Т., Стрілець В.М. Аналіз напруженого стану пари кулачок-штовхач // Вісник НУВГП. - Рівне: НУВГП, 2006. - Вип. 1 (33). - С.149...158.

Размещено на Allbest.ru