РОЗДІЛ 2
РОЗРОБКА МЕТОДУ ТЕХНІЧНОЇ ДІАГНОСТИКИ ЗА ІНДИКАТОРНИМИ ДІАГРАМАМИ ЦИКЛІВ
Визначаються вихідні залежності методу, комплекс параметрів, що ідентифікуються, і процеси, параметри яких підлягають ідентифікації. Розробляється принцип ідентифікації, що відповідає наявним початковим і граничним умовам. Характеристики робочого тіла визначаються залежностями, обраними для досягнення необхідної точності. Розробляється метод, що дозволяє враховувати вологість робочого тіла.
Визначається тип задачі стосовно до методу технічної діагностики, вибирається метод розв'язання і будується алгоритм розв'язку задачі ідентифікації параметрів технічного стану циліндра ПГПА.
2.1 Визначення вихідних залежностей для розробки методу ідентифікації параметрів технічного стану циліндрів ПГПА
У циліндрі поршневого компресора відбувається сукупність термодинамічних процесів, що називається циклом і поєднує послідовно плинні процеси: розширення робочого тіла з мертвого простору, наповнення циліндра, стискання газу, його нагнітання. У циклі відбувається теплообмін із зовнішнім середовищем, а також обмін у вигляді роботи і маси робочого тіла. Корисний масообмін, тобто такий, що відповідає функціональному призначенню компресора, проходить у процесах наповнення і нагнітання. Шкідливий масообмін проходить при будь-якому процесі циклу і характеризується величиною перетоків через негерметичності ущільнень.
Негерметичність ущільнень має місце при наявності отворів або щілин, що конструктивно не передбачені, кількісно оцінюється величиною площі перерізу отвору чи щілини. Для характеристики ступеня негерметичності ущільнення користуються поняттям переріз негерметичності, який є функцією відповідного процесу. Якщо процес циклу передбачає відключення ущільнення, наприклад, під час відкриття клапана, то переріз негерметичності відключеного клапана тотожно дорівнює нулю. В інших процесах величина перерізу негерметичності залежить від якості посадки ущільнювального елемента, перепаду тисків на ущільненні, маси рухомих елементів, пружних характеристик деталей ущільнювального вузла тощо [42, 63]. Таким чином, величина перерізу негерметичності є змінною, найбільші її зміни відбуваються в моменти включення і відключення ущільнень.
Оскільки початкові і граничні параметри циклу в загальному випадку є змінними у часі, то однозначно визначити величину шкідливих масообмінів за весь цикл неможливо. Тому необхідно знайти такий процес циклу, при якому величину перерізу негерметичності можна було б умовно вважати сталою, що дозволило б однозначно оцінити її. Очевидно, що для цього не можна розглядати два різних послідовних процеси, тому що на їхній границі відбувається включення або відключення ущільнень. У процесах наповнення і нагнітання переріз негерметичності одного з клапанів тотожний нулю, отже ідентифікації не підлягає. У такий спосіб ідентифікацію величин перерізів негерметичності всіх ущільнень необхідно проводити для одного з процесів: або розширення газу з мертвого простору, або його стискання.
До відмов, які спричиняють енерговтрати, відноситься зміна стану проточної частини клапана, що виражається у втратах газодинамічної роботи [41], зумовлених нагароутворенням, деформацією запірних елементів, неправильно підібраним зусиллям пружин тощо. Ці відмови не можуть ідентифікуватися в процесах розширення і стискання, їх ідентифікують у процесах наповнення або нагнітання з використанням спеціальних методів діагностики [63, 42] за величиною перепаду тиску в проточній частині клапана. Таким чином, досліджуючи процес розширення або стискання, можна оцінити технічний стан циліндра.
Процес розширення або стискання газу в циліндрі є політропним із змінним показником політропи. Це нестаціонарний процес змінної маси . Для аналітичного опису таких процесів необхідно використовувати перший закон термодинаміки, який для нестаціонарних процесів має вигляд:
(2.1)
де Q12 ? тепло, передане за проміжок часу t1-t2; L12 ? термодинамічна робота, виконана за цей же час; Е1, Е2 ? запас енергії відкритої системи відповідно в моменти часу t1, t2.
Запас енергії системи ? це сума її кінематичної, потенційної і внутрішньої енергії. Оскільки політропний процес відбувається в циліндрі компресора, то можна прийняти, що протягом часу t1- t2 потенційна і кінетична енергії газу не змінюються. Тобто маємо:
Е2-І1= ??=?U, (2.2)
де U ? повна масова внутрішня енергія системи.
Оскільки геометричні розміри циліндра ПГПА є невеликими, то вважатимемо, що масообмін в ньому відбувається без привнесення потенційної енергії, зумовленої силою земного тяжіння.
Оскільки поршневий компресор являє собою проточну машину об'ємного класу, то під час політропних процесів, що відбуваються в циліндрі, газ у нагнітальному трубопроводі за клапаном немає кінетичної енергії. В цьому випадку:
, (2.3)
де iн ? питома ентальпія газу, обчислена за параметрами тиску і температури в нагнітальному трубопроводі за клапаном.
У термодинамічних моделях поршневих компресорів прийнято вважати, що термодинамічна система є гомогенною, тому припущення, прийняті нами, не протирічать загальноприйнятим, викладеним в [18].
У відповідності з прийнятими припущеннями закон (2.1) зводиться до вигляду:
(2.4)
Визначимо початкові умови. Відомо, що жодна точка політропного процесу не може належати одночасно двом послідовним процесам циклу. Дослідником В.Г.Мясниковим установлено, що запізнювання закриття клапана спричинює істотні перетоки [63]. За даними робіт [59, 60] таке запізнювання закриття оцінюється до 5-10 повороту колінчастого вала після край