Автоматика.
    Автоматизация.
        Электротехнические
            комплексы и системы.

УДК 681.586.773

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ В ВИСКОЗИМЕТРЕ

С ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ

Никольский В.В., Сандлер А.К.

Процесс топливосжигания играет важную роль в обеспечении качества технической эксплуатации судовых энергетических установок.

Правильный выбор и поддержание параметров топлива на различных режимах работы дизеля способствуют повышению экономичности его работы, улучшению работы топливной аппаратуры, уменьшению нагарообразования и износа деталей цилиндро- поршневой группы, топливного насоса высокого давления (ТНВД) и форсунок. В свою очередь, функционирование топливных систем определяется следующими факторами [1]:

- конструктивными: размерами и формой каналов элементов системы (трубопроводов, насосов, регулирующих устройств, фильтров и форсунок), применяемыми материалами, степенью обработки стенок, структурой сопряжений;

- условиями осуществления подачи: количеством подаваемого топлива и его скоростью, продолжительностью отдельных циклов, температурой, давлением, влажностью и загрязненностью воздуха;

- свойствами топлива - прокачиваемостью, которая характеризуется вязкостью, упругостью паров, гигроскопичностью, способностью к кристаллизации и застыванию, способностью удерживать во взвешенном состоянии частицы различных загрязнений, поверхностным натяжением, плотностью.

Известно [2], что свойства топлива, в судовых условиях, изменяются в широком диапазоне. В связи с этим, особую актуальность приобретает вопрос измерения и регулирования вязкости.

Существующие методы измерения вязкости позволяют определять её как обособленными (лабораторными) приборами, так и включенными в состав определенных участков топливной магистрали. Выбор метода и условий применения определяют выбор метода и конструкции измерительного зонда.

В [3], проведен анализ потенциальных возможностей используемых в настоящее время вискозиметров. Анализ выявил присущий всем видам вискозиметров неустранимый недостаток, обусловленный использованием в их конструкциях в качестве возбуждающей системы и двигателя электромагнитных и электромеханических устройств. В тоже время в [4] рассмотрена возможность применения пьезоэлектрического привода в этих устройствах. В результате был получен ряд конструкций вискозиметров, у которых из пьезокерамики выполнен манипулятор и линейный пьезодвигатель.

На основании результатов проведенного исследования нами предложена конструкция вискозиметра, сочетающая в себе достоинства обособленных и потоковых вискозиметров.

Для оптимизации конструкции вискозиметра были приняты следующие условия и ограничения.

Транспортировка топлива от танков к форсункам оценивалась как триботехнический процесс, возникающий в местах сопряжений топливной системы. В результате чего вязкость топлива, как тиксотропной жидкости [3], аппроксимировалась функцией от скорости трущихся деталей. График этой функции представлен на рис.1.

Рис. 1 Зависимость вязкости тиксотропной жидкости от скорости потока

Условия эксплуатации были определены с учетом величин физических процессов, протекающих на различных участках топливного тракта.

Информацию о процессе впрыскивания и его параметрах предоставили осциллограммы давления топлива в рабочей полости насоса - Рн и топливоподводящем канале форсунки -Рф, снятые совместно с осциллограммами подъема иглы (рис. 2) [5].

Рис.2 Осциллограммы давления топлива в насосе

Величины и градиент давлений исключили возможность контроля вязкости на участке ТНВД - форсунка и позиционировали место и начальные параметры предлагаемого вискозиметра. Схема установки приведена на рис. 3 [6].

Рис. 3 Принципиальная схема, включения вискозиметра регулирования вязкости топлива: 1 - расходная цистерна тяжелого топлива; 2 - змеевик парового подогревателя; 3 - расходная цистерна дизельного топлива; 4 - смесительный клапан; 5 -расходомер; 6 - смесительная цистерна; 7 -трубопровод прокачки топлива; 8- дизель; 9-ТНВД; 10 - обводной трубопровод; 11 - вискозиметр; 12 - паровой регулирующий клапан; 13 - топливоподкачивающий насос

Таким образом, мы остановили свой выбор на конструкции вискозиметра с пьезоэлектрическим манипулятором, осуществляющего измерение по методу соосных цилиндров.

Принцип соосных цилиндров уже реализован в ряде вискозиметров. Наиболее известен вискозиметр VM-200A фирмы «Дудвелл», представленный на рис. 4 [6].

Рис. 4 Вискозиметр VM-200A фирмы «Дудвелл»: 1 - электродвигатель; 2- магнитная соединительная муфта; 3 - винтовой насос; 4 - поршень; 5 - пружина; 6 - чувствительный элемент

Разработанный нами вискозиметр (рис. 5), несмотря на кажущуюся аналогичность, имеет коренные отличия от VM-200A.

Рис. 5 Вискозиметр: 1 – измерительный зонд, 2 – измерительная камера, 3 – пьезоэлектрический манипулятор, 4 – подводящий сигнал электрод, 5 – поршень, 6 – топливо, 7- общий электрод

Принцип действия такой конструкции заключается в следующем. На пьезоэлектрический манипулятор, выполненный из наборного столбца пьезошайб, включенных встречно-параллельно, подается электрический сигнал. Вследствие прямого пьезоэффекта столбец начинает испытывать деформацию сжатия и растяжения. В результате чего, прикрепленный к манипулятору поршень совершает перемещение внутри измерительной камеры, продавливая жидкость через зазор 15±0.005 мкм. Такая конструкция напоминает плунжерную пару.

В классическом представлении колебательной системы конструкция такого вискозиметра может быть представлена как система с вынужденными колебаниями и вязким демпфированием (рис. 6). В настоящее время такие системы хорошо изучены [7].

Рис. 6 Колебательная система с вязким демпфированием

Рассмотрим каждый элемент обособленно. В колебательной системе пружина является аналогом пьезоэлектрического манипулятора, а демпфер – тиксотропной жидкости. Используя метод электромеханических аналогий пружину можно заменить эквивалентным конденсатором. Такая замена позволяет в целом оценить процессы, происходящие в устройстве. Однако, для более детального анализа мы воспользовались схемой замещения пьезоэлементов, испытывающих продольные колебания под действием внешнего управляющего напряжения [8] (рис.7).

Рис. 7 Схема замещения стержневого пьезоэлемента, совершающего продольные колебания по ширине

При рассмотрении демпфера мы отошли от традиционного представления и воспользовались обобщенной моделью А.Ю. Ишлинского (рис.8, а).

а)                                          б)

Рис. 8 Обобщенная модель упруго-вязкого тела А.Ю. Ишлинского

Так как представленная модель состоит из набора стандартных элементов, мы произвели её преобразование в электромеханический аналог (рис. 8, б).

Оценивая более широко полученные результаты, мы хотели бы акцентировать внимание на следующих моментах: характеристики составленной электромеханической схемы показали её практически полное сходство с характеристиками натурного эксперимента; метрологические характеристики предлагаемой конструкции значительно превышают характеристики ранее созданных вискозиметров; электромеханическая модель может служить основой для дальнейших исследований в области совершенствования вискозиметров.

Границы следующего этапа нашей работы составляют вопросы исследования ротационных вискозиметров с пьезоэлектрическим роторным двигателем и вискозиметра на соосных цилиндрах с линейным возвратно – поступательным двигателем.

1.                  Справочник по горюче-смазочным материалам в судовой технике / Гулин Е.И., Якубо Д. П., Сомов В. А., Чечот И. М. - 2-е изд., перераб. и доп. Л.: Судостроение, 1987. – 224 с. ил.

2.                  Ланчуковский В. И., Козьмивых А. В. Автоматизированные системы управления судовых дизельных и газотурбинных установок. Учебник – М.: Транспорт, 1983. – 320 с.

3.                  Овчинников П.Ф. Виброреология. – К.: Наук. думка, 1983. – 272 с.

4.                  Никольский В.В., Ханмамедов С.А. Ротационные вискозиметры // Вимірювальна та обчислювальна техніка в технологічних процесах: збірник матеріалів конференції (випуск №10 (2003)): – Хмельницький, ПП Ковальський, 2003. – С. 10.

5.                  Камкин С. В., Возницкий И. В., Шмелев В. П. Эксплуатация судовых дизелей: Учебник для вузов. – М.: Транспорт, 1990. – 344 с,

6.                  Овсянников М.К., Петухов В. А.; – Судовые дизельные установки: Справочник. – Л.: Судостроение, 1986.– 424 с., ил.

7.                  Тимошенко С.П., Янг Д.Х., Уивер У. Колебания в инженерном деле / Пер. с англ. Л.Г. Корнейчука; Под. Ред. Э.И. Григолюка. – М.: Машиностроение, 1985. – 472 с.

8.                  Джагупов Р. Г., Ерофеев А. А. Пьезоэлектронные устройства вычислительной техники, систем контроля и управления: Справочник / – СПб.: Политехника, 1994. – 608 с.