Библиографическое описание:

Михеев В. А. Граф-модель взаимосвязи функциональных элементов масляной системы дизельной энергетической установки // Молодой ученый. — 2015. — №3. — С. 182-187.

В статье рассмотрен подход к исследованию функциональных взаимосвязей элементов масляной системы дизельной энергетической установки с использованием теории графов.

Ключевые слова: граф-модель; масляная система; дизельная энергетическая установка.

 

Масляная система (МС) предназначена для подачи масла к трущимся поверхностям дизеля с целью их смазывания и охлаждения. На рисунке 1 представлена структурно-функциональная блок-схема масляной системы [1]. Перечень и наименования соответствующих блоков и параметров приведены в таблице 1.

Краткое содержательное описание функционирования системы [2]. Из масляной ванны поддизельной рамы (МВ) через сетчатый маслозаборник масло поступает во всасывающую полость правого (первого) насоса масла (МН1) и подается по трубе к фильтрам тонкой очистки масла (ФТОМ), затем в охладитель масла (ВМТ). На выходе из (ВМТ) поток разделяется на три части. Одна часть от ВМТ по трубе в поддизельной раме поступает к левому (второму) насосу масла (МН2), который через сетчатый фильтр (ФГОМ) подает масло в дизель (МСД). Вторая — направляется к центробежным фильтрам и оттуда после очистки сливается в масляную ванну (МВ). По третьему каналу масло через предохранительный клапан (ПрК) отводится в поддизельную раму.

Рис. 1. Структурно-функциональная блок-схема масляной системы

 

Следует отметить, что представленная блок-схема составлена для главного контура работы МС на установившемся эксплуатационном режиме работы и соответствует нормальному функционированию системы. Контур центробежного фильтра очистки масла не приводится, так как общий расход масла через него не превышает 5 %. Так же из рассмотрения исключен отвод масла от трубопровода подачи масла к дизелю на турбокомпрессор.

Таблица 1

Перечень и наименование блоков и параметров блок-схемы масляной системы

Наименование и обозначение блока

Наименование и обозначение параметра

Примечание

Масляный насос № 1, МН1

Давление масла перед МН1, Нммв

Подача МН1, Gмн1

Температура масла в МВ, Тммв

Давление масла за МН1, Рмн1

Температура масла после МН1, Тмн1

Частота вращения вала дизеля, nе

Фильтр тонкой очистки масла, ФТОМ

Давление масла перед ФТОМ, Рмн1

Температура масла перед ФТОМ, Тмн1

Давление масла после ФТОМ, Рмфт

Температура масла после ФТОМ, Тмфт

Подача МН1, Gмн1

Количество масла, прошедшего через ФТОМ, Gмфт

Водомасляный теплообменник, ВМТ

Давление масла перед ВМТ, Рмфт

Температура масла перед ВМТ, Тмфт

Давление масла после ВМТ, Рммт

Температура масла после ВМТ, Тммт

Количество масла, прошедшего через ФТОм, Gмфт

Количество масла, проходящего через ВМТ, Gммт

Давление воды перед ВМТ, Рвмт

Температура воды перед ВМТ, Твмт

Давление воды после ВМТ, Р′вмт

Температура воды после ВМТ, Т′вмт

Скорость течения потока воды по трубкам ВМТ, Gмфт

Количество воды, проходящего через ВМТ, Gвмт

Предохранительный клапан,

ПрК

Давление масла после ВМТ, Рммт

Температура масла после ВМТ, Тммт

Количество масла проходящего через ПрК, Gпрк

Количество масла проходящего через ВМТ, Gммт

Температура масла за ПрК, Тпрк

Напор давления перед МН2 Нпрк,

Невозвратный клапан,

НК

Температура масла в МВ, Тмв

Температура масла за НК, Тмнк

Производительность МН2, Gмн2

Количество масла подаваемого к МН2 через НК, Gмнк

Масляный

насос № 2,

МН2

Давление масла перед МН2, Нпрк

Количество масла, проходящего через НК, Gмнк

Частота вращения вала дизеля, nе

Подача МН2, Gмн2

Давление масла после МН2, Рмн2

Температура масла перед МН2, Тпрк

Температура масла за НК, Тмнк

Температура масла после МН2, Тмн2

Фильтр грубой очистки масла, ФГОМ

Давление масла перед ФГОМ, Рмн2

Температура масла перед ФГОМ, Тмн2

Подача МН2, Gмн2

Давление масла после ФГОМ, Рмд

Количество масла, подведенного к МСД, Gмд

Температура масла после ФГОМ, Тмд

Масляная

система дизеля, МСД

Давление масла на входе МСД, Рмд

Температура масла на входе МСД, Тмд

Температура масла на выходе МСД, Т′мд

Давление масла на выходе МСД, Р′мд

Количество масла на выходе МСД, G′мд

Количество масла подводимого к МСД, Gмд

Масляная ванна, МВ

Температура масла на выходе МСД, Т′мд

Температура масла, проходящего через ПрК, Тпрк

Количество масла, проходящего через ПрК, Gпрк

Количество масла проходящего через МСД, Gмд

Количество масла, подаваемого к МН2 через НК, Gнк

Температура масла МВ, Тмв

Давление масла перед МН1, Нмв

 

Примечание:  — входной параметр блока;  — выходной параметр блока.

Все функции, возложенные на МС, выполняет прокачиваемое через систему масло. Источником энергии в МС является масляный насос, а потребителями — все остальные элементы ее проточной части. Трубопроводы, масляные каналы, отдельные агрегаты и узлы смазочной системы создают определенные гидравлические сопротивления, приводящие к уменьшению энергии потока масла, выражающейся в потере давления масла (напора), создаваемого смазочным насосом, таким образом, что весь напор, создаваемый насосом, затрачивается на преодоление сопротивления прокачке масла.

В работе [3] к выделению рекомендованы следующие конечные множества параметров: входные параметры (множество K) — параметры воздействий других объектов или окружающей среды; выходные параметры (множество R) — параметры рассматриваемого объекта, воздействующие на другие объекты и системы; параметры процесса функционирования (множество F) — характеристики множества подпроцессов, составляющих основной процесс функционирования топливной системы; структурные параметры (множество E) и дефекты (множество D).

В качестве входных параметров (множество K) рассматриваются: частоты вращения обоих насосов — nмнi; температура деталей дизеля (тепловыделение дизеля в масло) — Qм; температура, давление и расход воды в ВМТ — Тсо, Рвмт и Gвмт. Основными характеристиками процесса (параметрами множества R) служат расход масла МСД, давление и температура масла МСД — Gмд, Рмд и Тмд.

Межблочные взаимосвязи функциональных элементов масляной системы можно охарактеризовать уравнением Бернулли для реальной жидкости [4, 5], которое для рассматриваемой системы запишется как:

                         (1)

Рассмотрим аналитические соотношения, характеризующие нормальный режим функционирования элементов МС.

Масляный насос (МН). Производительность шестеренчатого масляного насоса, характеризующая количество масла проходящего через систему в единицу времени, определяется выражением [4, 5]:

.                                                                                                              (2)

Фильтр тонкой и грубой очистки масла (ФТО и ФГО). Cкорость фильтрации νф прямо пропорциональна градиенту перепада давлений ΔР, обратно пропорциональное вязкости η и зависит от проницаемости пористой среды Z [4, 5]. Как элементы гидравлической системы фильтры представляют собой местные сопротивления, для которых на основании уравнения Бернулли можно записать [4, 5]:

                                                                         (3)

где hмф — гидравлические потери напора потока масла на фильтре; ξмф — коэффициент гидравлического сопротивления фильтра; Рмф, Р′мф — соответственно давление до и после фильтра; ρм — плотность масла; υмф — средняя скорость масла в фильтре.

Водомасляный теплообменник (ВМТ). Назначением охладителей масла является обеспечение необходимого отвода тепла от смазочного масла с целью поддержания его определенной рабочей температуры. Работа ВМТ на установившемся режиме описывается уравнениями теплового баланса, теплопередачи и гидравлики. Система уравнений теплового баланса и теплопередачи для ВМТ имеет вид [6, 7]:

; ,                                                        (4)

где  — водяной эквивалент масла;  — водяной эквивалент поверхности, омываемой маслом; tм2, tм1 — температура масла на входе и выходе из теплообменника; Gм — расход масла через теплообменник; срм — средняя теплоемкость масла; Fм — поверхность теплообменника со стороны масла;  — коэффициент теплопередачи в теплообменнике, отнесенный к поверхности, омываемой маслом; αм — коэффициент теплоотдачи от масла к наружной поверхности трубок; dн, dв — соответственно наружный и внутренний диаметры трубок охлаждающего элемента; αвд — коэффициент теплоотдачи от внутренней поверхности трубок к охлаждающей воде; ε — коэффициент загрязнения поверхности теплообмена. Величина коэффициентов теплоотдачи зависит от теплофизических параметров теплоносителей и скоростей движения сред: .

Гидравлическое сопротивление масляного и водяного тракта теплообменника определит перепад давлений на входе и выходе из него [4, 5]:

                                                                                             (5)

где Р′мт, Рмт — соответственно давление масла на входе и выходе из ВМТ; Gт — расход среды через ВМТ; μFт — эффективная площадь проходного сечения холодильника, м2.

Предохранительный и невозвратный клапаны (ПрК и НК). Потери напора на клапанах представляют собой потери в местных сопротивлениях, определяемые следующим выражением [4, 5]:

                                                                                                         (6)

При определенном значении Рвмт, превышающем заданный предел, ПрК открывается и разделяет поток масла (), в результате давление в системе стабилизируется. НК служит для всасывания масла МН2 непосредственно из емкости масла (МВ).

Масляная система дизеля (МСД) представляет собой сложную разветвленную гидравлическую систему. Давление и объемная подача масла на i-ом участке МСД определяются по гидродинамическим зависимостям вида [4, 5, 6]:

;                                                                       (7)

где υмдi — скорость движения масла на i-ом участке; dмкi — диаметр масляного канала или кольцевой зазор i-го участка; ρм — плотность масла; ξмдi — коэффициент гидравлического сопротивления i-го участка.

Таким образом, основной цикл работы системы отображается множеством взаимосвязанных вершин f, представляющих давления (Рмн1, Рмфт, …, Рммт), температуры (Тммв, Тмфт, …, Тпрк) и скорости движения сред (υмфт, υммт, …, υвмт), расходы жидкостей (Gпрк, Gммт, …, Gмн2) и гидравлические потери напора (hмфт, hмфг, …, hммт). К группе параметров, влияющих на изменение гидравлических и тепловых характеристик МС относятся: μмнi, ξi, μFi, fi и ε.

В граф-модель были введены вершины, представляющие структурные — собственные — параметры (множество Е), влияющие на вершины μмн, ξi, μFi, fi и εi. Описание структурных параметров подмножества Е реализуем в терминах теории размытых категорий: Емн — техническое состояние масляного насоса; Ефгм и Ефтм — техническое состояние фильтров грубой и тонкой очистки; Евмт — техническое состояние ВМТ; Емсд — техническое состояние МСД; Епрк и Енк — техническое состояние перепускного и невозвратного клапанов; Емз — техническое состояние сетки маслозаборника. Параметры Еi ввели по следующим соображениям. Анализ функциональной схемы МС показывает, что выходные параметры МС (множество R) в процессе эксплуатации могут измениться вследствие засорения фильтрующих элементов (Ефгм, Ефтм), отклонения гидравлических и тепловых параметров ВМТ (Евмт) и МСД (Емсд), нарушится работа клапанов (Епрк, Енк), снижения производительности масляного насоса (Емн). Каждый структурный параметр представляется возможным состоянием — дефектом — в виде присоединения к собственным параметрам вершин di (параметры множества D).

Граф-модель взаимосвязи функциональных элементов масляной системы в пространстве параметров на основе содержательного описания, качественных взаимосвязей и аналитических зависимостей функциональных параметров представлена на рисунке 2.

Рис. 2. Граф-модель взаимосвязи функциональных элементов масляной системы в пространстве параметров

 

Литература:

 

1.      Моделирование процессов функционирования дизель-генераторной установки тепловоза с целью оптимизации количества параметров контроля / Е. И. Сковородников, В. А. Михеев // Транспорт Урала. — 2009. — № 1 (20). — С. 59–62.

2.      Тепловоз 2ТЭ116 / С. П. Филонов, А. И. Гибалов, Е. А. Никитин и др. 3-е изд., перераб. и доп. — М.: Транспорт, 1996. — 334 с.

3.      Диагностирование на граф-моделях: На примерах авиационной и автомобильной техники / Я. Я. Осис, Я. А. Гельфандбейн, З. П. Маркович, Н. В. Новожилова. — М.: Транспорт, 1991. — 244 с.

4.      Справочник по гидравлическим сопротивлениям [Текст] / Под ред. М. О. Штейнберга. — М.: Машиностроение, 1992. — 672 с.

5.      Чиняев И. А. Судовые системы [Текст] / И. А. Чиняев. — М.: Транспорт, 1984. — 216 с.

6.      Локомотивные энергетические установки / Под ред. А. И. Володина. — М.: ИПК «Желдориздат», 2002. — 718 с.

7.      Методы оценки технического состояния, эксплуатационной экономичности и экологической безопасности дизельных локомотивов / Под ред. А. И. Володина. — М.: ООО «Желдориздат», 2007. — 264 с.

 

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle