Граф-модель взаимосвязи функциональных элементов масляной системы дизельной энергетической установки

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 (ФТО_М), 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 (ФГО_М) 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

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 — n_мнi; температура деталей дизеля (тепловыделение дизеля в масло) — Q_м; температура, давление и расход воды в ВМТ — Т_со, Р_вмт и G_вмт. Основными характеристиками процесса (параметрами множества R) служат расход масла МСД, давление и температура масла МСД — G_мд, Р_мд и Т_мд.

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 ν_ф 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 h_мф — гидравлические потери напора потока масла на фильтре; ξ_мф — коэффициент гидравлического сопротивления фильтра; Р_мф, Р′_мф — соответственно давление до и после фильтра; ρ_м — плотность масла; υ_мф — 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; t_м2, t_м1 — температура масла на входе и выходе из теплообменника; G_м — расход масла через теплообменник; с_рм — средняя теплоемкость масла; F_м — поверхность теплообменника со стороны масла;  — коэффициент теплопередачи в теплообменнике, отнесенный к поверхности, омываемой маслом; α_м — коэффициент теплоотдачи от масла к наружной поверхности трубок; d_н, d_в — соответственно наружный и внутренний диаметры трубок охлаждающего элемента; α_вд — 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, Р_мт — соответственно давление масла на входе и выходе из ВМТ; G_т — расход среды через ВМТ; μF_т — 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 Р_вмт, 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 υ_мдi — скорость движения масла на i-ом участке; d_мкi — диаметр масляного канала или кольцевой зазор i-го участка; ρ_м — плотность масла; ξ_мдi — коэффициент гидравлического сопротивления i-го участка.

Таким образом, основной цикл работы системы отображается множеством взаимосвязанных вершин f, представляющих давления (Р_мн1, Р_мфт, …, Р_ммт), температуры (Т_ммв, Т_мфт, …, Т_прк) и скорости движения сред (υ_мфт, υ_ммт, …, υ_вмт), расходы жидкостей (G_прк, G_ммт, …, G_мн2) и гидравлические потери напора (h_мфт, h_мфг, …, h_ммт). К группе параметров, влияющих на изменение гидравлических и тепловых характеристик МС относятся: μ_мнi, ξ_i, μF_i, f_i и ε.

В граф-модель были введены вершины, представляющие структурные — собственные — параметры (множество Е), влияющие на вершины μ_мн, ξ_i, μF_i, f_i и ε_i. Описание структурных параметров подмножества Е реализуем в терминах теории размытых категорий: Е_мн — техническое состояние масляного насоса; Е_фгм и Е_фтм — техническое состояние фильтров грубой и тонкой очистки; Е_вмт — техническое состояние ВМТ; Е_мсд — техническое состояние МСД; Е_прк и Е_нк — техническое состояние перепускного и невозвратного клапанов; Е_мз — техническое состояние сетки маслозаборника. Параметры Е_i ввели по следующим соображениям. Анализ функциональной схемы МС показывает, что выходные параметры МС (множество R) в процессе эксплуатации могут измениться вследствие засорения фильтрующих элементов (Е_фгм, Е_фтм), отклонения гидравлических и тепловых параметров ВМТ (Е_вмт) и МСД (Е_мсд), нарушится работа клапанов (Е_прк, Е_нк), снижения производительности масляного насоса (Е_мн). Каждый структурный параметр представляется возможным состоянием — дефектом — в виде присоединения к собственным параметрам вершин d_i (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.