RU50333U1 - Акустический моторный стенд, оборудованный системой виброакустической диагностики - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к контрольно-диагностическому оборудованию, в частности к испытательному стенду для проведения виброакустических стендовых испытаний двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС). Акустический моторный стенд установлен в безэховой камере и содержит, в частности, систему крепления ДВС на стенде с смонтированным на ней исследуемым ДВС, элементы привода, кинематически связывающего коленчатый вал ДВС с приводным валом балансирной асинхронной машины. Отличительной особенностью является то, что на поверхностях вибронагруженных элементов моторного стенда смонтированы датчики виброускорений - акселерометры, связанные через соединительный кабель с усилителем заряда, спектральным анализатором, который, в свою очередь, соединен с персональным компьютером, программное обеспечение которого содержит опорные виброакустические портреты вибронагруженных элементов стенда с заданными значениями общих и спектральных уровней виброускорений по отдельным порядковым гармоникам с предельно допустимыми допусками величин уровней виброускорений. Практическая реализация предлагаемой конструкции низкошумного акустического моторного стенда позволяет повысить точность и объективность результатов стендовых виброакустических испытаний ДВС.

Description

Полезная модель относится к контрольно-диагностическому оборудованию, в частности к испытательному стенду для проведения виброакустических стендовых испытаний двигателей внутреннего сгорания (далее ДВС).

Для определения основных технических показателей ДВС используют специальные испытательные стенды, оборудованные различными устройствами и измерительной аппаратурой.

В качестве базового оборудования стенд испытаний ДВС содержит:

- автономный (виброизолированный) фундамент для поглощения вибраций, возникающих из-за действия в двигателе неуравновешенных сил и моментов инерции;

- фундаментную плиту (пазовую) для установки исследуемого ДВС и тормоза;

- стойки для установки и крепления ДВС на фундаментной плите;

- нагрузочный тормоз (гидравлический, электрический) для поглощения развиваемой ДВС мощности с устройством измерения крутящего момента на валу двигателя (тормоза);

- вал и специальные муфты для соединения коленвала ДВС с валом тормоза;

- устройства и коммуникации для подачи в двигатель охлаждаемого смазочного масла, охлаждающей жидкости системы охлаждения ДВС, отвода в атмосферу отработавших и картерных газов двигателя;

- устройства и коммуникации для питания двигателя топливом и воздухом с соответствующими датчиками и приборами для измерения расхода, температуры, давлений воздуха и топлива;

- устройства для регулирования и определения отдельных параметров, влияющих на рабочий процесс и показатели ДВС (угол опережения зажигания, состав смеси, угол опережения начала впрыска);

- системы, обеспечивающие регулирование и управление ДВС в процессе испытаний;

- пульт с размещенными на нем органами пуска и управления работой ДВС;

- приборы для контроля работы двигателя и приборы для регистрации рабочих параметров ДВС;

- устройства и приборы, предназначенные для специальных исследований по определению отдельных физических параметров ДВС (токсичности, дымности, шума, вибраций, тепловой напряженности, механических деформаций отдельных деталей и т.п.).

Известно техническое решение по исполнению стенда для обкатки и испытания двигателя внутреннего сгорания (патент РФ №2107175, по заявке 96114020), содержащее основание, нагрузочное (тормозное) и соединительные устройства. На основании закреплены продольные направляющие, на которых установлена рама, выполненная в виде автономных балок. Балки установлены с возможностью перемещения по продольным направляющим и фиксирования относительно них. На балках закреплены поперечные направляющие, на которых установлены стойки с возможностью перемещения по ним и фиксирования. На стойках закреплены ложементы для размещения двигателя с возможностью перемещения и фиксирования в избранном направлении.

Недостатками данного технического решения являются:

- жесткая передача вибровозбуждения от исследуемого работающего ДВС на присоединительные металлические элементы основания и соединительные устройства стенда (ложементы, стойки, поперечные и продольные направляющие, автономные балки рамы) и, как следствие, интенсивное паразитное шумовое излучение от этих элементов в пространство испытательного помещения (моторного бокса);

- жесткая и интенсивная передача динамического возбуждения от работающего нагрузочного (тормозного) устройства (электрическая машина) на металлические элементы основания и соединительные устройства стенда (ложементы, стойки, поперечные и продольные направляющие, автономные балки рамы) с последующим паразитным шумовым излучением в воздушное пространство измерительной камеры;

- излучение паразитного воздушного шума в пространство испытательного помещения моторного бокса непосредственно корпусом и

крыльчаткой вентилятора электрической машины нагрузочного устройства;

- излучение паразитного структурного и воздушного шума вибрирующими элементами соединительного приводного вала и ограждающего кожуха, установленных между исследуемым ДВС и тормозным агрегатом;

- большая звукоотражающая поверхность ограждающего защитного кожуха приводного соединительного вала, искажающая условия свободного звукового поля в измерительных точках вокруг исследуемого ДВС.

В связи с перечисленными недостатками, такого типа концепции стендов не нашли применения в практике современных виброакустических испытаний ДВС, в первую очередь из-за того, что требуется свести к минимуму посторонние паразитные (помимо исследуемого ДВС) шумовые излучения от приводных механизмов и систем стендового оборудования моторного бокса.

Для проведения стендовых виброакустических исследовательских и доводочных работ на ДВС нашли широкое применение специализированные нагрузочные стенды, установленные в специальных акустических (полузаглушенных или безэховых) камерах [например, 1, 2, 3]:

[1] Adam Gavine. The American Way. Testing Technology International, November, 2000, p.28...31;

[2] ГУП НИЦИАМТ «Акустический центр выполнит:». Автомобильная промышленность, 2000, №11, 1.

[3] Peter Gutzmer und Reimer Pilgrim. Motorakustische Versuchs-und Меβ technik bei Porsche. MTZ, Motortechnische Zeitschrift, 48 (1987), 2, 47...50.

В частности, в [1] приведен пример использования полузаглушенной акустической камеры фирмы «Крайслер» (США), в [2] - акустический моторный стенд центрального автополигона ГУП НИЦИАМТ (г. Дмитров, Московской обл.) с жестким звукоотражающим полом, на пазовой плите которого с помощью специальных стоек закреплен исследуемый ДВС. Тормозные (или приводные - на режимах прокрутки двигателя без реализации в нем рабочего процесса) установки стенда (их 2) находятся на этом же уровне вне помещения акустической камеры и располагаются за стенами камеры в соседнем помещении (помещение машинного зала). Исследуемый ДВС с тормозной балансирной машиной соединяется с помощью приводных валов (валов отбора мощности), обеспечивающих передачу

крутящего или тормозного момента между ними. Концевые участки приводных валов закреплены с помощью стоек к пазовой плите и непосредственно поверхности пола камеры. Трубопроводы и различные коммуникационные элементы систем питания, охлаждения, отвода выхлопных газов выводятся из пространства акустической камеры через звукоизолированные проемы в полу (пазовой плите) камеры в машинное отделение стенда, оборудованное различными технологическими системами и агрегатами обеспечения функционирования стенда. Недостатками используемой концепции акустического моторного стенда является применение камеры с жестким звукоотражающим полом, искажающим реальное звуковое поле исследуемого ДВС (в особенности, - излучение звука нижней частью ДВС (блок-картера, маслянного поддона), находящейся в непосредственной близости от звукоотражающей поверхности пола, которая, как правило, у всех поршневых ДВС является наиболее шумовиброактивной). Именно в связи с этим, что нижняя зона двигателя представляет для исследователей и доводчиков ДВС, как правило, наибольший практический интерес и требует выполнения в этой зоне наиболее трудоемких и, по возможности, наиболее точных и объективных исследований. С другой стороны, применение в качестве вращающихся приводных элементов, соединяющих коленчатый вал ДВС и вал отбора мощности тормозной машины стенда, длинных карданных валов с опорными подшипниками в вертикальных стойках, установленных на пазовой плите и непосредственно полу камеры, вызывает проблемы их центровки с коленчатым валом исследуемого ДВС, и, как следствие, обуславливает генерирование вибросил на частотах и порядковых гармониках их вращения, передаваемых через опорные связи как непосредственно исследуемому ДВС, вызывая его дополнительное паразитное шумоизлучение, так и некоторым присоединенным структурам акустической камеры (например, полу камеры), что влечет дополнительное искажение регистрируемых шумовых характеристик как исследуемого ДВС, так и излучение «паразитного» звука непосредственно защитными кожухами валов стенда, а также и излучение «паразитного» звука непосредственно возбужденной структурой пола акустической камеры, вследствие передачи этого вибрационного возбуждения на пол (пазовую плиту) через опорные стойки валов.

Более прогрессивным методом исследования и регистрации акустической энергии, излучаемой ДВС в стендовых условиях, является использование концепции акустического моторного стенда, описанного в публикации [3] - ПРОТОТИП, применяемого в исследовательском центре фирмы «Порше» (ФРГ). В данном случае он предусматривает применение тормозного (нагрузочного) стенда,

установленного по центру камеры внизу под поверхностью пола полностью заглушенной безэховой акустической камеры. Передача крутящего (тормозного) момента осуществляется при этом бесконечной гибкой связью - гладкоременной передачей. В этом случае, пол акустической камеры выполнен полностью виброизолированным от автономного фундамента, на котором установлен приводной (тормозной) стенд, а его поверхность (пола) покрыта эффективным шумопоглощающим материалом (специальными шумопоглощающими клиньями). Корпус двигателя, как объект исследования, в этом случае располагается вблизи геометрического центра воздушного пространства камеры, т.е. в зоне наиболее удаленной от звукоотражающих поверхностей (с «наилучшей акустикой»). Нижняя зона исследуемого ДВС не находится вблизи звукоотражающей поверхности пола, как это имело место в [1] и [2], и является открытой для качественных, объективных измерений параметров акустического поля исследуемого ДВС. Таким образом, эта конструкция [3] акустического моторного стенда является более совершенной и принимается в качестве прототипа. Недостатками известного прототипа акустического моторного стенда с ременным приводом [3], как и вышеописанных конструкций моторных стендов, является проблема высокоточной центровки коленчатого вала исследуемого ДВС с приводным валом и валом верхнего опорного подшипникового узла для последующего устранения интенсивного динамического (вибрационного) возбуждения механических устройств стенда и исследуемого ДВС. Центровка указанных сопрягающихся валов производится либо с использованием дорогостоящей лазерной аппаратуры, либо с использованием косвенных методов центровки (например, метод, использующий принцип расхождения (схождения) двух цетровочных стрелок, смонтированных на фланцах цетрируемых валов). Отсутствие надежного и высокоточного способа центровки валов в процессе монтажа ДВС на стенде, приводит к генерированию дополнительных вибросил на возбуждающих частотах и порядковых гармониках их вращения, передаваемых через опорные связи присоединенным твердым структурам акустической камеры, что приводит к возникновению «паразитного» шумоизлучения, затрудняющего качественное объективное исследование шумовых характеристик ДВС, смонтированного на моторном стенде. Также, в процессе эксплуатации акустического моторного стенда важно постоянно контролировать техническое состояние (проводить виброакустический мониторинг) вибронагруженных механических узлов стенда (например, промежуточного опорного подшипникового узла, приводного вала, подшипников и валов верхнего и нижнего опорных подшипниковых узлов, приводного ремня, стоек крепления ДВС и т.д.) с целью недопущения возникновения

нежелательных дополнительных динамических вибровозбуждений отдельных составляющих элементов стенда, преобразовывающихся в соответствующий паразитный структурный шум, искажающий акустическое поле исследуемого объекта испытаний (ДВС). Именно поэтому, важно оборудовать акустический моторный стенд надежной системой виброакустической диагностики технического состояния стенда.

Технический результат заявляемой полезной модели заключается в оборудовании акустического моторного стенда системой виброакустической диагностики технического состояния стенда.

Указанный технический результат при осуществлении заявляемой полезной модели достигается тем, что в известном акустическом моторном стенде, установленном в безэховой камере и содержащем, в частности, систему крепления ДВС на стенде с смонтированным на ней исследуемым ДВС, элементы привода, кинематически связывающего коленчатый вал ДВС с приводным валом балансирной асинхронной машины, - на поверхностях вибронагруженных элементов моторного стенда смонтированы датчики виброускорений - акселерометры, связанные через соединительный кабель с усилителем заряда, спектральным анализатором, который, в свою очередь, соединен с персональным компьютером, программное обеспечение которого содержит опорные виброакустические портреты вибронагруженных элементов стенда с заданными значениями общих и спектральных уровней виброускорений по отдельным порядковым гармоникам с предельно допустимыми допусками величин уровней виброускорений.

Сравнение опубликованной в открытой печати научно-технической и патентной документации на дату приоритета в основной и смежной рубриках МКИ показывает, что совокупность существенных признаков заявленного решения ранее не была известна, следовательно, оно соответствует условию патентоспособности "новизна".

Предложенное техническое решение промышленно применимо, т.к. может быть изготовлено промышленным способом, работоспособно, осуществимо и воспроизводимо, следовательно, соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

Полезная модель поясняется чертежами, где

На фиг.1 представлена концепция полностью заглушенной безэховой акустической камеры, в которой установлен заявляемый в качестве полезной модели акустический моторный стенд, оборудованный системой виброакустической диагностики технического состояния стенда.

На фиг.2 представлена схема механического привода акустического моторного стенда, кинематически связывающего коленчатый вал ДВС с приводным валом балансирной асинхронной машины стенда.

На фиг.3 представлена схема системы виброакустической диагностики технического состояния акустического моторного стенда.

Полезная модель, согласно схемы фиг.1, представляет собой исследовательский моторный стенд, смонтированный в полностью заглушенной безэховой акустической камере 1, с установленной внизу под поверхностью пола 2 приводной (тормозной) балансирной асинхронной (или постоянного тока) машиной 3, установленной на виброизолированном пружинами 4 автономном фундаменте 5. Внутренняя бетонная оболочка 6 камеры 1 установлена по периметру пола 7 на пружинах 8, и полностью изолирована от внешней бетонной оболочки 9 (принцип строительства «камера в камере»). Пол 10 акустической камеры 1 виброшумоизолирован от фундамента 5, на котором установлена балансирная асинхронная машина 3, резиновыми уплотнениями 11. Поверхности пола 10, стен 6 и потолка 12 камеры 1 покрыты шумопоглощающими клиньями (или кулисами) 13. Балансирная асинхронная машина 3 передает крутящий (тормозной) момент через нижний вал 14, установленный в корпусе 15 нижнего опорного подшипникового узла, приводной ремень 16, приводной вал 18, закрытый защитным звукоизолирующим кожухом 19. Область вращения приводного ремня 16 закрыта защитным кожухом 17. Объект испытаний - ДВС 20 монтируется на вертикальных стойках 21 системы крепления ДВС на стенде. Продольные балки 22 системы крепления ДВС, корпус 23 верхнего опорного подшипникового узла смонтированы на несущем силовом каркасе 24. Пол испытательной камеры 1 представляет собой звукопрозрачные решетки 25, виброизолированные от рамы 26 несущего силового каркаса 24. Воздушная полость камеры 1 вентилируется высокопроизводительной приточной 27 и вытяжной 28 вентиляцией. На поверхности вибронагруженного корпуса стендовой задней подшипниковой опоры 29, как непосредственного элемента динамической связи исследуемого объекта (коленвала ДВС) и стенда (приводного вала 18), смонтирован акселерометр 30, сигнал которого подается на измерительную, анализирующую аппаратуру и персональный компьютер, расположенные в отдельном пультовом помещении (см. фиг.3 и 4).

На фиг.2 представлена схема механического привода акустического моторного стенда, поясняющая динамику возникновения структурных вибраций и излучения паразитного шума вибронагруженными вращающимися элементами привода, их корпусами, присоединенными к ним структурами.

Позициями на фиг.2 обозначены:

16 - приводной ремень;

17 - защитный кожух приводного ремня;

18 - приводной вал;

19 - защитный звукоизолирующий кожух приводного вала;

20 - исследуемый объект - ДВС;

21 - вертикальная стойка системы крепления ДВС на стенде;

22 - продольная балка системы крепления ДВС на стенде;

23 - корпус верхнего опорного подшипникового узла;

26 - рама несущего силового каркаса;

29 - стендовая задняя подшипниковая опора;

30 - акселерометр;

31 - верхний вал;

32 - опорные подшипники;

33 - соединительный кабель.

На фиг.3 представлена блок-схема системы виброакустической диагностики акустического моторного стенда. Данная система предусматривает применение двух опорных режимов работы - режим центровки осей верхнего вала 31, приводного вала 18 (см. фиг.2) и коленчатого вала ДВС при выполнении монтажа ДВС 20 на стенде и режим виброакустического мониторинга. Акселерометр 30 смонтирован на корпусе стендовой задней подшипниковой опоры 29 и соединен кабелем 33 с усилителем заряда 34, спектральным анализатором 35, осуществляющим передачу данных на персональный компьютер 36. Вся аппаратура располагается в отдельном изолированном пультовом помещении 37. Режим центровки валов заключается в генерировании акселерометром 30 сигналов виброускорений корпуса стендовой задней подшипниковой опоры 29 при различных преднамеренно изменяемых регулировочных положениях вертикальных стоек 21 системы крепления ДВС на стенде, на различных скоростных режимах работы ДВС (например, 1000...6000 мин^-1), с фильтрацией сигнала акселерометра спектральным анализатором по порядковой частоте вращения вала в секунду n/60, где n - обороты коленвала ДВС в минуту. Наиболее оптимальным по центровке вала принимается то положение вертикальных стоек 21 системы крепления ДВС, в котором зарегистрированы наименьшие уровни виброускорений, в особенности на максимальных оборотах вращения коленвала ДВС. Данный способ центровки осей сопрягающихся валов (коленвала ДВС и приводного вала) отличается высокой чувствительностью и точностью, позволяет свести к минимуму генерирование дополнительных вибросил

на частотах и порядковых гармониках вращения стыкуемых валов с существенным ослаблением паразитных шумовых излучений. Режим виброакустического мониторинга используется, в первую очередь, для вибродиагностики подшипниковых узлов и подвижных сочленений механического привода стенда с целью исключения проведения необъективных акустических исследований ДВС с высоким «паразитным» виброакустическим фоном, генерируемым стендом. В этом случае акселерометр(ы) 30 устанавливается(ются) на поверхностях корпусных деталей диагностируемых элементов (механизмов) и при работе ДВС на различных скоростных и нагрузочных режимах регистрируются уровни виброускорений с фильтрацией сигнала по порядковым частотам с первой до двенадцатой гармоники - n/60...12n/60. Данные измерений передаются на компьютер 36, в котором содержится исходная база данных по опорным (предельным значениям вибрационных параметров) виброакустическим портретам вибронагруженных элементов стенда. Путем сопоставления значений действительно измеренных вибропараметров на тестируемых режимах с значениями опорных вибрационных характеристик виброакустического портрета определяется текущее техническое состояние диагностируемого элемента стенда с точки зрения его виброакустической активности, и принимается решение о возможности проведения дальнейших акустических испытаний установленного на стенде ДВС или необходимости выполнения регулировочных работ по центровке осей сопрягающихся валов объекта испытаний (ДВС) и испытательного стенда.

Практическая реализация предлагаемой конструкции низкошумного акустического моторного стенда позволяет повысить точность и объективность результатов стендовых виброакустических испытаний ДВС.

Claims (1)

1. Акустический моторный стенд, установленный в безэховой камере и содержащий, в частности, систему крепления ДВС на стенде с смонтированным на ней исследуемым ДВС, элементы привода, кинематически связывающего коленчатый вал ДВС с приводным валом балансирной асинхронной машины, отличающийся тем, что на поверхностях вибронагруженных элементов моторного стенда смонтированы датчики виброускорений - акселерометры, связанные через соединительный кабель с усилителем заряда, спектральным анализатором, который, в свою очередь, соединен с персональным компьютером, программное обеспечение которого содержит опорные виброакустические портреты вибронагруженных элементов стенда с заданными значениями общих и спектральных уровней виброускорений по отдельным порядковым гармоникам с предельно допустимыми допусками величин уровней виброускорений.