Streszczenie
Celem pracy jest opracowanie modelu uszkodzeń ciągnika kołowego zorientowa-nego na diagnostykę z uwzględnieniem wymienionych klas uszkodzeń. Autorzy przyjęli do identyfikacji uszkodzeń dwa rodzaje modelowania:
− model symulacyjny uszkodzeń ciągnika,
− model eksperymentalny zadanych uszkodzeń z doborem symptomów diagno-stycznych.
Uwzględniono charakterystyki trakcyjne opisujące zjawiska fizyczne związane z funkcjonowaniem ciągnika i mające wpływ na proces jego degradacji w określonych cyklach obciążeń.
Przy wykorzystaniu modeli symulacyjnych istnieje możliwość identyfikacji uszko-dzeń funkcjonalnych, emisyjnych, zagrażających bezpieczeństwu i pogarszających dynamikę ciągnika kołowego.. Model eksperymentalny pozwala na szybkie wykrycie uszkodzeń, które wystąpią w ciągniku kołowym.
1. Wprowadzenie
Ciągnik kołowy naleĪy do grupy pojazdów silnikowych przystosowanych konstrukcyjnie do przemieszczania maszyn i urządzeĔ nie posiadających własnego napĊdu. Maszyny i urządzenia współpracujące z ciągnikiem mogą byü do niego montowane za pomocą trójpunktowego układu zawieszenia (TUZ). Ciągnik kołowy moĪe byü wykorzystywany do prac rolniczych, leĞnych, bu-dowlanych, transportowych i komunalnych. Zadania te realizowane są za pomocą przyczepianych lub zawieszanych narzĊdzi i maszyn oraz przyczep transportowych.
Diagnostyka uszkodzeĔ ciągnika kołowego dotyczy oceny:
• stanu spełniania funkcji w procesie realizacji zadaĔ transportowych i operacyjnych, • efektywnoĞci pracy,
• bezpieczeĔstwa w ruchu drogowym i polowym, • emisyjnoĞci spalin w trakcie uĪytkowania.
Rys. 1. Schemat elementów, wchodzących w skład budowy ciągników kołowych ħródło: [4].
W związku z ochroną Ğrodowiska oraz z ograniczeniem zuĪycia oleju napĊdowego konieczne jest wprowadzenie nowego podejĞcia do procesu eksploatacji pojazdów kołowych (przyjĊta obecnie w UE emisyjnoĞü spalin 120gCO/km oznacza zuĪycie paliwa na poziomie 4,9 l/100km). Wymusza to przyjĊcie nowej strategii utrzymania ruchu pojazdów. Emisja szkodliwych substancji przez cią-gniki kołowe ma ogromny wpływ na produkcjĊ roĞlinną oraz Ğrodowisko i stwarza duĪe zagroĪenia [1].
W diagnostyce uszkodzeĔ ciągników kołowych za kryterium klasyfikacyjne przyjĊto podział uszkodzeĔ ze wzglĊdu na ich skutki [2, 89–99]:
− uszkodzenia funkcjonalne (uf), powodujące ograniczenie efektywnoĞci pracy (mocy momentu, siły uciągu, prĊdkoĞci roboczej, zuĪycia paliwa),
− uszkodzenia emisyjne (ue) wywołujące wzrost emisji związków toksycznych (oraz hałasu) i zu-Īycie paliwa spowodowane niezdatnoĞcią elementów układu zasilania, układu spalania silnika ZS i zespołów przekazania napĊdu,
− uszkodzenia zagraĪające bezpieczeĔstwu ruchu (us) ciągnika wystĊpujące w takich układach jak: hamulcowy, zawieszenia, kierowniczy lub oĞwietlenia.
− uszkodzenia pogarszające dynamikĊ (ud) ciągnika kołowego, które pogarszają parametry ruchu ciągnika takie jak: zmniejszenie przyĞpieszenia, opóĨnienie reakcji na zmianĊ ruchu, nierów-nomiernoĞü lub znaczny spadek mocy, momentu siły napĊdowej itp.
Celem pracy jest opracowanie modelu uszkodzeĔ ciągnika kołowego zorientowanego na dia-gnostykĊ z uwzglĊdnieniem wymienionych klas uszkodzeĔ. W niniejszym opracowaniu autorzy przyjĊli do identyfikacji uszkodzeĔ dwa rodzaje modelowania:
− model symulacyjny uszkodzeĔ ciągnika kołowego,
− model eksperymentalny zadanych uszkodzeĔ z doborem symptomów diagnostycznych. W przyjĊtych modelach okreĞlano wpływ poszczególnych klas uszkodzeĔ na zuĪycie ON.
2. Model symulacyjny
Istota modelu symulacyjnego polega na wyznaczeniu charakterystyk eksploatacyjnych ciągnika kołowego w odniesieniu do zuĪycia ON dla sklasyfikowanych niezdatnoĞci. PrzyjĊty model cią-gnika kołowego jest rozumiany jako zaleĪnoĞü wielkoĞci trakcyjnych opisujących zjawiska związane z pracą ciągnika, mające wpływ na proces jego degradacji w okreĞlonym cyklu obciąĪeĔ eksploatacyjnych (rys. 2). Model symulacyjny ciągnika MSMC Je d n o s tk o w e zu Īyci e O N g Cykl obciąĪeĔ Q Czynniki wymuszające Osiągi (Nu,Fu,V) Klasy uszkodzeĔ U(uf,us,ue,ud) Stany niezdatnoĞci (SN)
Rys. 2. Schemat badania stanu ciągnika z wykorzystaniem projektowanego mechatronicznego systemu monitorowania jego stanu (MSMC), gdzie: g-jednostkowe zużycie paliwa; SN-stany
niezdatności, u-klasy niezdatności ħródło: [3].
Procesy zachodzące w złoĪonych układach kinematycznych ciągnika kołowego są traktowane jako procesy dynamiczne bĊdące skutkiem działania sił pochodzących z zamiany energii chemicznej na mechaniczną w silniku i jej rozpraszaniu w pozostałych elementach układu napĊdowego.
Parametry pracy ciągnika ze wzglĊdu na charakter zmian moĪna podzieliü na [3, 16-30]: • Stałe: współczynnik oporów toczenia ciągnika, masa ciągnika gotowego do pracy, masa
przyczepy, masa operatora, sprawnoĞü układu przekazywania napĊdu z silnika na koła jezdne, przyĞpieszenie ziemskie, współczynnik udziału poboru mocy, gĊstoĞü oleju napĊ-dowego.
• Losowe: kąt pochylenia podłoĪa, współczynnik poĞlizgu kół napĊdowych.
• Deklarowane: prĊdkoĞü obrotowa silnika ustawiana przez operatora, prĊdkoĞü robocza ustawiana przez operatora, masa ładunku znajdującego siĊ na przyczepie, cena litra paliwa, cena maszyny, silnik włączony/wyłączony, przełoĪenie skrzyni przekładniowej (zmiana biegów).
• Monitorowane: prĊdkoĞü obrotowa silnika, spadek prĊdkoĞci obrotowej silnika, całkowity czas pracy, moc zuĪywana na pokonywanie oporów jałowych w ciągniku, moc zuĪywana na przemieszczanie ciągnika z przyczepą, moc osiągana przez silnik, jednostkowe zuĪycie paliwa, prĊdkoĞü jazdy, zuĪycie paliwa, koszt przejechania kilometra, godzinowy koszt, całkowity koszt, iloĞü przejechanych kilometrów, całkowite zuĪycie paliwa.
Stan pracy ciągnika uzaleĪniony jest od: prĊdkoĞci jazdy, oporów ruchu (własnych
i narzĊdzi), masy, przełoĪeĔ w układzie napĊdowym, konstrukcji układu napĊdowego,
pro-mienia dynamicznego kół napĊdowych itp. Z kolei na intensywnoĞü uszkodzeĔ elementów
ciągnika kołowego w eksploatacji mają wpływ: obciąĪenia cyklu pracy i wytrzymałoĞü
elementów konstrukcyjnych.
Model symulacji uszkodzeĔ ciągnika kołowego moĪna przedstawiü zaleĪnoĞcią: pozwala iden-tyfikowaü uszkodzenia w zaleĪnoĞci (1):
(1) gdzie: ge – jednostkowe zuĪycie paliwa; ȡp – gĊstoĞü paliwa; ȡ – gĊstoĞü powietrza; A – po-wierzchnia czołowa ciągnika; Cx – współczynnik aerodynamiczny; V – prĊdkoĞü; m – masa; g – przyĞpieszenie ziemskie; Į – kąt nachylenia drogi; a – przyspieszenie; į – współczynnik mas wiru-jących; f – współczynnik oporów toczenia; Fwew – oporu wewnĊtrzne poszczególnych kół; ȘUN – sprawnoĞü układu napĊdowego.
Na rysunku 3 przedstawiono moĪliwe do zasymulowania uszkodzenia ciągnika kołowego, które mają wpływ na zuĪycie paliwa przez ciągnik kołowy.
Rys. 3. Okno programu przedstawiające możliwe do zasymulowania uszkodzenia ciągnika kołowego
ħródło: opracowanie własne.
UN wewTL wewTP wewPL wewPP x p e V
V
F
F
F
F
g
m
f
a
m
g
m
V
c
A
g
G
η
δ
α
ρ
ρ
¹
⋅¸
·
¨
©
§
+
+
+
+
⋅
⋅
+
⋅
⋅
+
⋅
⋅
+
⋅
⋅
⋅
⋅
⋅
=
sin
2
1
1000
2Model obliczeniowy (1) zawiera parametry wejĞciowe dla komputerowego modelu symulacyj-nego, którego konfiguracjĊ i deklaracjĊ zmiennych przedstawiono na rysunku 4.
Rys. 4. Okno konfiguracji i deklarowane zmienne symulatora uszkodzeń ciągnika kołowego ħródło: opracowanie własne.
Przykładowe przebiegi symulacyjne niektórych uszkodzeĔ ciągnika kołowego tj: uszkodzenie sprzĊgła ciernego, uszkodzenie ułoĪyskowania skrzyni redukcyjnej, uszkodzenie turbosprĊĪarki, zu-Īycie tulei cylindrowych oraz uszkodzenia wtryskiwaczy silnika. Poszczególnym uszkodzeniom przyporządkowano odpowiadające im symptomy diagnostyczne.
Uszkodzenie sprzĊgła ciernego moĪe byü identyfikowane na podstawie nastĊpujących sympto-mów (rys. 5):
Rys. 5. Symptomy diagnostyczne pozwalające identyfikować uszkodzenie sprzęgła ciernego ħródło: opracowanie własne.
Uszkodzenia ułoĪyskowania wałków skrzyni redukcyjnej moĪe byü identyfikowane na podsta-wie nastĊpujących symptomów (rys. 6):
Rys. 6. Symptomy diagnostyczne pozwalające identyfikować uszkodzenie ułożyskowania wałków skrzyni redukcyjnej
Uszkodzenie turbosprĊĪarki moĪe byü identyfikowane na podstawie nastĊpujących symptomów (rys. 7):
Rys. 7. Symptomy diagnostyczne pozwalające identyfikować uszkodzenie turbosprężarki ħródło: opracowanie własne.
ZuĪycie tulei cylindrowych moĪe byü identyfikowane na podstawie nastĊpujących symptomów (rys. 8):
Rys. 8. Symptomy diagnostyczne pozwalające identyfikować zużycie tulei cylindrowych ħródło: opracowanie własne.
Uszkodzenia wtryskiwaczy moĪe byü identyfikowane na podstawie nastĊpujących sympto-mów(rys. 9):
Rys. 9. Symptomy diagnostyczne pozwalające identyfikować uszkodzenia wtryskiwaczy ħródło: opracowanie własne.
Na rysunku 10 przedstawiono wyniki badaĔ symulacyjnych wpływu symulowanych uszkodzeĔ na zuĪycie paliwa ciągnika kołowego.
Rys. 10. Zależność zużycia paliwa od symulowanych uszkodzeń [opr. własne]: Seria 1 – ciągnik kołowy nie posiadał uszkodzeń, Seria 2 – uszkodzenie sprzęgła ciernego, Seria 3 – uszkodzenie ułożyskowania skrzyni redukcyjnej, Seria 4 – uszkodzenie turbosprężarki, Seria 5 – Zużycie tulei
3. Model eksperymentalny na podstawie zadanych uszkodzeĔ
Do oceny zuĪycia paliwa ciągnika kołowego w zaleĪnoĞci od zadanych uszkodzeĔ
opracowano stanowisko diagnostyczne przedstawione na rysunku 11. Rozmieszczenie
czujników w układzie napĊdowym podano na rysunku 12.
Rys. 11. Urządzenie diagnostyczne MSDC-1 ħródło: opracowanie własne.
Rys. 12. Rozmieszczenie sensorów diagnostycznych na schemacie kinematycznym układu napędowego ciągnika kołowego
Rys. 13. Rozmieszczenie czujników służących do monitorowania pracy silnika ciągnika kołowego
ħródło: [3].
Na rysunku 13 zaprezentowano rozmieszczenie czujników, które są wykorzystywane do moni-torowania pracy silnika spalinowego ciągnika kołowego.
W skład urządzenia diagnostycznego (rys. 11) wchodzą: zestaw czujników, skrzynka z zamon-towanymi urządzeniami akwizycji danych slave, konwerter USB CAN master, komputer, monitor z ekranem dotykowym. Na ciągniku kołowym zamontowane zostały nastĊpujące czujniki: prĊdkoĞci obrotowej wału korbowego silnika (rys. 14), prĊdkoĞci obrotowej kół pojazdu, dwuosiowy czujnik drgaĔ silnika, dwuosiowy czujnik drgaĔ skrzyni przekładniowej oraz reduktora, wychylenia po-jazdu, ciĞnienia w układzie dolotowym silnika, temperatury płynu chłodzącego, temperatury oleju w silniku, temperatury spalin na poszczególnych cylindrach (rys. 14).
Rys. 14. Czujnik prędkości obrotowej wału korbowego silnika (z lewej) oraz czujniki temperatury spalin (z prawej)
ħródło: Opracowanie własne.
Badania przeprowadzono z wykorzystaniem eksperymentalnego urządzenia diagnostycznego MSDC-1 zamontowanego na ciągniku kołowym.
Podczas testów wykonywano przejazdy próbne w zmiennych warunkach obciąĪeĔ i prĊdkoĞci jazdy oraz w róĪnych zakresach prĊdkoĞci obrotowych wału korbowego silnika. Zostały przepro-wadzone badania diagnostyczne ciągnika kołowego bĊdącego w stanie zdatnoĞci funkcjonalnej (bez wyróĪnionych klas uszkodzeĔ), oceniono parametry diagnostyczne, a nastĊpnie przeprowadzono pomiary parametrów diagnostycznych dla ciągnika kołowego posiadającego uszkodzoną koĔcówkĊ wtryskiwacza na pierwszym cylindrze silnika i uzyskano nastĊpujące zmiany parametrów: − spadek temperatury spalin na pierwszym cylindrze,
− wzrost poziomu drgaĔ silnika,
− spadek mocy oraz momentu obrotowego silnika w stosunku do uzyskanych parametrów diagno-stycznych w badaniach zdatnego ciągnika kołowego.
Na rys. 15 przedstawione zostały przebiegi zmian temperatury w czasie na kolektorze wyde-chowym silnika dla ciągnika zdatnego, a na rys. 16 przedstawiono przebieg zmian temperatury kolektora wydechowego dla silnika z uszkodzoną koĔcówką wtryskiwacza na pierwszym cylindrze.
Rys. 15. Przebieg zmian temperatury kolektora wydechowego w czasie dla ciągnika zdatnego ħródło: Opracowanie własne.
Rys. 16. Przebieg zmian temperatury kolektora wydechowego przy uszkodzonej końcówce wtryskiwacza na I cylindrze
Na rys. 17 przedstawiono zmiany poziomu drgaĔ zarejestrowanych podczas próby na silniku ciągnika zdatnego, a na rys. 18 zmiany poziomu drgaĔ zarejestrowane na silniku z uszkodzoną koĔ-cówką wtryskiwacza pierwszego cylindra. Jak wynika z porównania wykresów na rysunkach 17 i 18 w wyniku uszkodzenia koĔcówki wtryskiwacza na pierwszym cylindrze stwierdzono około dziesiĊ-ciokrotny wzrost poziomu drgaĔ.
Rys. 17. Zmiany poziomu drgań zarejestrowanych na silniku ciągnika w czasie ħródło: Opracowanie własne.
Rys. 18. Zmiany poziomu drgań zarejestrowane na silniku ciągnika przy uszkodzonej końcówce wtryskiwacza
ħródło: Opracowanie własne. Ϭ Ϭ͕ϭ Ϭ͕Ϯ Ϭ͕ϯ Ϭ͕ϰ Ϭ͕ϱ Ϭ͕ϲ Ϭ ϭϬϬ ϮϬϬ ϯϬϬ ϰϬϬ ϱϬϬ ϲϬϬ WŽ njŝŽ ŵ Ě ƌŐ Ăŷ njĂƐƐ ƌŐĂŶŝĂ ŶĂŽƐŝy
Jak wynika z przeprowadzonych badaĔ eksperymentalnych ciągnika kołowego istotne uszko-dzenia ciągnika powodują zmiany róĪnych parametrów diagnostycznych, co potwierdzono dla przyjĊtych załoĪeĔ modelowych.
4. Podsumowanie
Opracowane modele diagnostyczne są oryginalne i innowacyjne. Zostały uwzglĊdnione cztery klasy uszkodzeĔ ciągnika kołowego, analizując postĊpującą destrukcjĊ ciągnika kołowego w trakcje eksploatacji. Poszczególnym uszkodzeniom ciągników kołowych zostały przyporządkowane symp-tomy diagnostyczne pozwalające identyfikowaü daną niezdatnoĞü.
Stworzony model symulacyjny pozwala modelowaü róĪnego rodzaju uszkodzenia ciągników kołowych eksploatowanych w zmiennych warunkach terenowych oraz wykonujących róĪnego ro-dzaju prace. MoĪna dziĊki temu okreĞlaü wpływ poszczególnych uszkodzeĔ na zuĪycie paliwa przez silnik pojazdu. Na podstawie zasymulowanych w pracy uszkodzeĔ moĪna zaobserwowaü, Īe po-szczególne uszkodzenia miały róĪny wpływ na zuĪycie paliwa.
Model eksperymentalny pozwala na szybkie wykrycie uszkodzeĔ, które wystąpią w ciągniku kołowym. Analizując pracĊ silnika zaobserwowano związek miĊdzy temperaturą spalin, a prĊdko-Ğcią obrotową wału korbowego silnika, obciąĪeniem silnika i drganiami. Rejestracja i monitorowanie parametrów pracy ciągnika jest szczególnie waĪne przy wykrywaniu krytycznych uszkodzeĔ związanych z jego funkcjonowaniem, dynamiką pracy, bezpieczeĔstwem i emisyjnoĞcią spalin.
Bibliografia
1. Dyer J., Desjardins R., Carbon Dioxide Emissions Associated with the Manufacturing of Tractors and Farm Machinery in Canada, Biosystems Eng. 93 2006.
2. Michalski R., Gonera J., Monitoring the operation of a wheeled tractor, Zeszyty naukowe Nauki Techniczne – Budowa i eksploatacja maszyn nr 17; Wydawnictwo Politechniki ĝwiĊtokrzyskiej, Kielce 2012r.; ISSN 1897-2683, str. 89–99.
3. Michalski R., Gonera J., Janulin M., Arendt R., Structural analysis of a wheeled tractor oriented towards damage diagnostics, Monografie, studia, rozprawy nr M29, Wydawnictwo Politechniki ĝwiĊtokrzyskiej, Kielce 2012r., ISSN 1897-2691, str. 16–30.
4. Michalski R., Arendt R., Janulin M., Gonera J., Diagnostyka uszkodzeń ciągników kołowych. Identyfikacja relacji, modele, hardware i software systemu diagnostycznego, Wydawnictwo UWM, Olsztyn 2014 r.
MODELING DAMAGE WHEELED TRACTOR IN TERMS OF DIAGNOSIS Summary
The aim of the study is to develop a model of damage wheeled tractor-oriented diagnostics with regard to these classes of damage. The authors adopted to identify the two types of damage modeling:
– damage simulation model wheeled tractor,
– experimental model of choice for selected lesions diagnostic symptoms. The presented model of a wheeled tractor relies on traction values describing physical phenomena which are associated with a vehicle's operation and which deter-mine its wear in a given load cycle.
Simulation models can identify functional defects, exhaust defects, defects that jeopardize safety and defects that affect performance. The experimental model allows for quick detection of defects that occur in the tractor circular.
Keywords: tractor, damage simulation model, experimental model Ryszard Michalski
Jarosław Gonera
Katedra Budowy, Eksploatacji Pojazdów i Maszyn Wydział Nauk Technicznych
Uniwersytet WarmiĔsko-Mazurski w Olsztynie ul. Oczapowskiego 11, 10-719 Olsztyn
e-mail: ryszard.michalski@uwm.edu.pl, jaroslaw.gonera@uwm.edu.pl
