mô phỏng động cơ diezen theo hướng chẩn đoán

luận văn, tiến sĩ, thạc sĩ, báo cáo, khóa luận, đề tài

Đặt vấn đề Trong quá trình hoạt động các thông số kỹ thuật của động cơ thay đổi làm ảnh hởng xấu tới các chỉ tiêu làm việc của động cơ - xuất hiện h hỏng. Điều này làm ảnh hửng xấu tới chất lợng và hiệu suất công việc, độ an toàn hoạt động của động cơ. Việc đánh giá trạng thái hoạt động của động cơ trong quá trình hoạt động là việc làm cần thiết và rất quan trọng. Có nhận biết đợc trạng thái kỹ thuật của động cơ thì mới đa ra giải pháp kỹ thuật hợp lý, kịp thời nhằm giảm thiểu chi phí và nâng cao hiệu suất hoạt động của động cơ. Để đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ một cách nhanh chóng, đơn giản, chi phí kinh tế thấp nhng vẫn đảm bảo đợc độ chính xác cao, ngời ta sử dụng phơng pháp chẩn đoán kỹ thuật. Chẩn đoán kỹ thuật là một môn khoa học nhằm nhận biết, đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ nói riêng mà không cần tháo rời các chi tiết của chúng. Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các ngành khoa học kỹ thuật, nhiều tiến bộ khoa học đợc ứng dụng trong nghiên cứu, chẩn đoán tình trạng kỹ thuật động cơ nói chung, động cơ điêzen nói riêng. Đối với những động cơ hiện đại, công việc chẩn đoán, kiểm soát trạng thái kỹ thuật đợc ứng dụng trực tiếp trên bản thân động cơ tức là trên mỗi động cơ đều đợc lắp các thiết bị tự chẩn đoán. Song song với nó cũng có nhiều những thiết bị, phần mềm chẩn đoán chuyên dụng đợc thiết kế để kiểm tra, chẩn đoán đông cơ. Các thiết bị này chỉ phát huy tác dụng đối với các động cơ có trang bị thiết bị xử lý và lu trữ thông tin. Đối với những động cơ cũ, đặc biệt là động cơ điêzen cần phải xây dựng cơ sở dữ liệu cho từng loại động cơ và mô phỏng nó cho phù hợp (tơng thích) để nối kết với các phần mềm chẩn đoán hiện đại. Với mục đích này, cần phải có những công trình đi sâu vào nghiên cứu, xây dựng mô phỏng động cơ điêzen trên cơ sở đó có những phơng án chẩn đoán trạng thái kỹ thuật của động cơ trong quá trình sử dụng. -1- Xuất phát từ nhu cầu thực tế đó chúng tôi tiến hành đề tài nhằm mô phỏng động cơ điêzen, dựa vào mô hình mô phỏng để mô tả một số khuyết tật của động cơ, tạo cơ sở lý thuyết cho việc xác định các dấu hiệu chẩn đoán bằng phơng pháp chẩn gia tốc. -2- Chơng 1 Tổng quan về vấn đề nghiên cứu 1.1 Tình hình nghiên cứu động cơ, kiểm tra và chẩn đoán động cơ Trong các loại động cơ nhiệt, nhiệt lợng do nhiên liệu đốt cháy tạo ra, đợc truyền thành công có ích, động cơ đốt trong có hiệu suất cao nhất ( e = 0,4-0,52). Vì nhiệt động trong quá trình cháy có thể lên tới 1800 0 K - 2800 0 K, còn nhiệt độ khí xả thải ra ngoài trời chỉ còn 900 - 1500 0 K. Nhờ những u điểm vợt trội nên động cơ đốt trong đợc đi sâu vào nghiên cứu, cải tiến và đợc phát triển rộng khắp trên các lĩnh vực công nghiệp, nông lâm ng nghiệp, giao thông vận tải. Chính vì vậy công việc chế tạo, kiểm tra xửa chữa động cơ đốt trong chiếm một vị trí hết sức quan trọng. Đã có rất nhiều các nhà khoa học trên thế giới và Việt Nam đi sâu vào nghiên cứu tìm ra những giải pháp kỹ thuật nhằm nâng cao hiệu quả, chất lợng, tuổi thọ, cũng nh việc kiểm tra đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ. Đối với động cơ đang trong thời gian khai thác, việc xác định một cách chính xác trạng thái kỹ thuật của chúng là một việc hết sức quan trọng vì nó trực tiếp ảnh hởng tới hiệu suất, độ an toàn của động cơ trong quá trình làm việc. Trạng thái kỹ thuật của động cơ đợc đặc trng bởi các chỉ tiêu kỹ thuật mà chỉ tiêu cơ bản nhất đặc trng cho chất lợng sử dụng của động cơ là công suất và tính tiết kiệm, do đó các thông số cơ bản để đánh giá trạng thái kỹ thuật của động cơ một cách tổng hợp là: công suất động cơ, mô men quay trên trục khuỷu, chi phí nhiên liệu giờ, chi phí nhiên liệu tức thời và chi phí nhiên liệu riêng. Ngoài ra có thể đánh giá động cơ qua áp suất trong mạch dầu chính và phân tích khí xả. Công suất và tính tiết kiệm của động cơ là những chỉ tiêu đồng bộ, có tính tổng quát và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Do đó khi chẩn đoán ngời ta tiến hành thử -3- động cơ để đánh giá trạng thái kỹ thuật và tìm hiểu các chỉ tiêu cơ bản là công suất và tính tiết kiệm. Ngày nay, nhờ những tiến bộ vợt bậc của khoa học kỹ thuật, đặc biệt là khoa học máy tính, cho phép tính toán, mô phỏng động cơ nhằm nghiên cứu động cơ bằng một mô hình tơng tự. Nhờ mô hình có thể thực hiện nhiều phơng án thí nghiệm khác nhau mà không cần đòi hỏi thời gian lâu và giảm chi phí thí nghiệm. Vấn đề mô phỏng động cơ đốt trong đã đợc nhiều nhà khoa học quan tâm nghiên cứu và công bố ở nhiều công trình. Trong [16], [17], [18] động cơ tuốc bin lùa khí đã đợc mô hình hoá theo 7 phần tử : máy nén khí, tuốc bin, hệ thống nạp, hệ thống xả, bơm nhiên liệu, động cơ, tải trọng. Các quá trình vật lý xẩy ra trong mỗi phần tử đợc biểu diễn bằng các phơng trình vi phân. Các phần tử đợc liên hệ với nhau bởi các quan hệ cấu trúc và vật lý. Hệ phơng trình vi phân tuyến tính đợc phân tích và tính toán bằng cách lập chơng trình cho máy tính analog. Cũng để giải quyết vấn đề trên Schmidt và Rebelein [32] đã xây dựng một mô hình mô tả hoạt động của động cơ, trong đó ngoài việc sử dụng các phơng trình vi phân để mô tả các quá trình động lực học của các phần tử còn sử dụng các quan hệ đại số để mô tả quan hệ của các thông số. Trên cơ sở đó mô hình có thể giải quyết đợc cả bài toán tĩnh và bài toán động lực học, kể cả bài toán phi tuyến. Việc phân tích tính toán mô hình đợc thực hiện trên máy tính số bằng ngôn ngữ FORTRAN. Mô hình đợc biểu diễn trên hình 1-1, trong đó: - lu khối khí nạp, khí xả và lu khối nhiên liệu . T, p - nhiệt độ và áp suất. M . ,, BKa mmm K , - mô men quay và vận tốc góc của động cơ. M T , T - mô men quay và vận tốc góc của tuốc bin. h - hành trình của tay thớc bơm nhiên liệu. -4- Động cơ (các quá trình bên trong) Xả may nén khí turbin bộ điều chỉnh Bơn cao áp h m ' M k M ' k m ' k T k P m ' T x P a T a m ' phanh điện P x Hình 1-1 Mô hình động cơ turbin lùa khí Cũng với mục đích trên tác giả [11] đã mô phỏng động cơ D12 lắp trên các LHM kéo nhỏ. Việc phân tích tính toán mô hình đợc thực hiện trên máy tính số bằng ngôn ngữ Pascal. Động cơ Xả bộ điều chỉnh Bơn cao áp m ' M k ' h m ' k T k P k P a T a m ' nạp nạp Hình 1-2 Mô hình động cơ D12 -5- Để tạo tải trọng và chẩn đoán công suất động cơ Turbin lùa khí sử dụng theo phơng án gia tốc. Điều này có nghĩa là các thông số chẩn đoán đợc đo trong chế độ làm việc chuyển tiếp của động cơ và của turbin lùa khí, khi mà động cơ làm việc trong điều kiện gần với đặc tính ngoài, điều kiện rất nhạy cảm với những trục trặc có thể xảy ra. Để thực hiện mục đích này tác giả [20] đã sử dụng mô hình sau: Bình lọc khí Máy nén khí ống nạp P CI ,T CI P CO ,T CO m TO B ộ tiêu âm TC Turbin (T) P TI ,T TI P TO ,T TO P a ống xả (EP) m EO m EI Động cơ (E) m CO m CI P a ,T a m TI m FC Hình 1.3 Sơ đồ khối của hệ thống Động cơ - Turbin lùa khí Tác giả [20] đã tiến hành mô phỏng các khuyết tật của động cơ điêzen lùa khí. ở loại động cơ này các dấu hiệu chẩn đoán đa dạng hơn và có thể sử dụng ngay tốc độ quay của tuốc bin làm dấu hiệu chẩn đoán. Cũng xuất phát từ ý tởng này, chúng tôi tiến hành mô phỏng cho động cơ điêzen nhằm tạo dựng cơ sở lý thuyết cho việc lựa chọn dấu hiệu chẩn đoán cho phơng pháp chẩn đoán gia tốc. -6- 1.2 cơ sở lý thuyết chẩn đoán kỹ thuật Việc đánh giá trạng thái kỹ thuật của Ôtô, máy kéo và liên hợp máy tự chạy đợc tiến hành trong quá trình sử dụng, trong khoảng giữa các thời kỳ sửa chữa, chăm sóc, bảo dỡng kỹ thuật. Để đánh giá trạng thái kỹ thuật một cách tổng thể ngời ta sử dụng các thiết bị chính trang bị cho ôtô - máy kéo: đồng hồ đo tốc độ, đồng hồ chỉ thị mức nhiên liệu nhiệt độ nớc làm mát Việc đánh giá khách quan trạng thái kỹ thuật của ôtô - máy kéo và liên hợp máy tự chạy chỉ có thể thực hiện đợc theo kết quả chẩn đoán các cụm lắp ráp và các phần cấu trúc nhờ các thiết bị chẩn đoán chuyên dụng. Trong kỹ thuật chẩn đoán hiện đại luôn bao gồm: - Giám sát: chỉ đảm nhận việc tìm ra lỗi hoặc h hỏng, thông thờng giám sát mô tả trạng thái. - Chẩn đoán: Ngoài việc tìm lỗi hoặc h hỏng hay mô tả trạng thái còn nhận dạng, xác định vị trí và lợng hoá các lỗi và h hỏng. Các phép đo đợc thực hiện trong quá trình giám sát và đa ra nhiều dấu hiệu chẩn đoán. Các dấu hiệu chẩn đoán đợc đánh giá riêng trong một mô hình đơn phơng án hay đánh giá liên hợp trong mô hình đa phơng án. Nh vậy, chẩn đoán là một môn khoa học để nhận biết trạng thái của hệ thống kỹ thuật. Chẩn đoán bao gồm các dạng đặc trng sau: + Chẩn đoán đợc thực hiện nhờ đo trực tiếp, các dấu hiệu chẩn đoán đợc đo để đánh giá trạng thái cần chẩn đoán. + Chẩn đoán đợc thực hiện khi không ngắt hoạt động và tháo máy hoặc thiết bị. Các dấu hiệu chẩn đoán đợc xác lập từ quan sát hoạt động hoặc từ những phơng pháp nghiên cứu đặc biệt bên ngoài hệ thống. Các bớc tiến hành chẩn đoán kỹ thuật và mô hình chẩn đoán: Mục đích của chẩn đoán là xác định trạng thái kỹ thuật một cách lợng hoá, đánh giá trạng thái hiện tại và đánh giá dự báo, các bớc tiêu biểu của chẩn đoán kỹ thuật bao gồm: -7- * Mô tả trạng thái: Phân tích đối tợng chẩn đoán: xem xét những tính chất nào của máy hoặc thiết bị hay một quá trình có thể giám sát hoặc đợc phép giáp sát. Trạng thái có thể hiện thị theo các dạng khác nhau: - Theo thang chia tỷ lệ. - Thang chia khoảng. - Thang chia không thứ nguyên. Nhờ các dạng biểu hiện mà trạng thái hoặc đợc mô tả bởi các thông số trạng thái metric(P) hoặc đợc mô tả theo phân loại trạng thái. Hai khái niệm trên đồng nghĩa với khái niệm thông số h hỏng và loại h hỏng. * Tín hiệu chẩn đoán và dấu hiệu chẩn đoán: Tiến hành lựa chọn tín hiệu chẩn đoán và các dấu hiệu chẩn đoán nhạy cảm. Tín hiệu chẩn đoán là một đại lợng vật lý đo đợc, phản ánh gián tiếp trạng thái tơng ứng với các tính chất đặc trng của đối tợng chẩn đoán. Tuy nhiên ít nhất cũng cần đánh giá đợc giá trị hiện tại của tín hiệu chẩn đoán để có thể mô tả trạng thái. Các tín hiệu chẩn đoán có thể đợc phân chia sơ bộ nh sau: + Tín hiệu phát hiện trực tiếp h hỏng, thờng dùng phơng pháp kiểm tra bằng mắt. + Tín hiệu từ các thông số quá trình, thờng dùng cho chẩn đoán quá trình. + Tín hiệu liên quan trực tiếp đến h hỏng. + Tín hiệu gián tiếp liên quan đến h hỏng. * Lập mô hình chẩn đoán -8- Xây dựng mô hình lợng giữa dấu hiệu chẩn đoán và trạng thái cần nhận dạng, quan hệ này đợc gọi là mô hình chẩn đoán. Mô hình chẩn đoán gồm các dạng sau: - Mô hình hệ thống dao động tuyến tính. - Mô hình phỏng sinh học. - Mô hình chẩn đoán đơn yếu tố. - Mô hình chẩn đoán đa yếu tố. * Mô tả dấu hiệu chẩn đoán: Khi chẩn đoán thờng biểu diễn bằng đồ thị thông số trạng thái P và dấu hiệu chẩn đoán thành một đờng đặc tính thông số, một mạng dấu hiệu hay một trờng đặc tính. Trong giai đoạn làm việc của mô hình chẩn đoán đờng đặc tính này thờng đợc sử dụng để xác định thông số trạng thái hiện tại cho dấu hiệu chẩn đoán mới đo đợc của đối tợng chẩn đoán có trạng thái kỹ thuật cha biết trớc đó. * Đánh giá trạng thái kỹ thuật Trong giai đoạn làm việc có thể xác định trạng thái hiện tại của đối tợng nhờ đó đa vào mô hình chẩn đoán các dấu hiệu chẩn đoán đo đợc tại một đối tợng chẩn đoán có trạng thái cha biết. Trạng thái đó đợc biểu diễn bởi thông số trạng thái P j (j = 1 M) hoặc các thành phần à j (j=1M) của một véc tơ trực thuộc vào các lớp trạng thái khác nhau. + Đánh giá trạng thái hiện tại Việc đánh giá trạng thái hiện tại đợc thực hiện nhờ so sánh trạng thái cần chẩn đoán với các giá trị giới hạn của thông số trạng thái hoặc của tính chất trực thuộc của lớp trạng thái. -9- Việc xác định đúng các giá trị giới hạn khi đánh giá trạng thái là một nhiệm vụ khó khăn. Việc này thờng đợc thực hiện bằng trực giác với mục đích: - Ngắt bỏ đúng nhất các xu hớng phát triển h hỏng sao cho không dẫn đến một h hỏng nặng hoặc ngừng trệ sản xuất ngoài ý muốn. - Mặt khác tránh việc báo lỗi không có nguyên nhân. + Sự phát triển trạng thái phụ thuộc vào thời gian. Tại các đối tợng chẩn đoán có thể xuất hiện hai loại đối tợng thay đổi trạng thái: - Nếu trạng thái kỹ thuật của đối tợng thay đổi xấu đi liên tục thì có thể dẫn đến hỏng máy một cách từ từ liên tục. Mục đích chẩn đoán trong trờng hợp này là để ngăn ngừa h hỏng. Lúc này việc xác định đúng giá trị dấu hiệu chẩn đoán giới hạn cũng nh mức độ phụ thuộc giới hạn lớp trạng thái trở nên rất quan trọng. - Trong trờng hợp thay đổi trạng thái rời rạc, cần phải hạn chế mục đích chẩn đoán vào việc nhận biết sớm h hỏng. Điều đó đảm bảo cho khả năng ngăn ngừa h hỏng kế tiếp. Lúc này quan trọng nhất là sử dụng ngay lập tức những hiểu biết có đợc do chẩn đoán và giám sát trạng thái kỹ thuật thay đổi của đối tợng chẩn đoán để quyết định ngừng hoạt động hay thay đổi chế độ hoạt động. + Phân tích xu hớng và dự báo tuổi thọ còn lại. Các phép đo chẩn đoán thờng đợc thực hiện trong những khoảng thời gian xác định. Trong trờng hợp trạng thái kỹ thuật thay đổi liên tục sẽ có một giá trị dấu hiệu chẩn đoán hiện tại cho mỗi thời điểm chẩn đoán. Nếu đa vào đồ thị theo thời gian sẽ nhận đợc ra xu hớng thay đổi theo thời gian, là dấu hiệu thay đổi trạng thái của mẫu thử chẩn đoán trong vùng phân bố của tất cả các đối tợng chẩn đoán cùng kiểu. -10- . nhằm mô phỏng động cơ điêzen, dựa vào mô hình mô phỏng để mô tả một số khuyết tật của động cơ, tạo cơ sở lý thuyết cho việc xác định các dấu hiệu chẩn đoán. tuyến tính. - Mô hình phỏng sinh học. - Mô hình chẩn đoán đơn yếu tố. - Mô hình chẩn đoán đa yếu tố. * Mô tả dấu hiệu chẩn đoán: Khi chẩn đoán thờng biểu