Разработка средств и методов тестового диагностирования машин

Введение. Современный этап конструктивного совершенствования мобильных энергетических средств (МЭС) в текущем веке принципиально отличается от предшествующего. Вторая половина ХХ века в машиностроении была направлена на создание МЭС с повышенной единичной мощностью, а отсюда – увеличение грузоподъемности, пропускной способности и, главное, повышение показателей эксплуатационной надежности, безотказности и ремонтопригодности. Наработка на отказ повысилась у тракторов до 300…500 мото-часов, самоходных сельскохозяйственных комбайнов до 150…180 мото-часов, пробег автомобилей до капитального ремонта возрос до миллиона и более километров [1].

Реализация указанных конструктивных решений была направлена на повышение количественных показателей потребительских свойств МЭС: часовую и дневную норму выработки, объем и количество перевезенных грузов и пассажиров и др.

Современный этап конструктивного совершенствования МЭС направлен на обеспечение качества функционирования систем и механизмов, увеличение их функций при эксплуатации машин. Такие конструктивные решения позволяют обеспечить современные требования – экологии, эргономики, экономичности (табл. 1).

Новые системы и механизмы функционирования МЭС [2, 3]

Таблица 1

Системы и механизмы	Тракторы и комбайны	Грузовой и пассажирский транспорт	Легковые автомобили
Центральный бортовой компьютер с функциями системы зажигания, системы впрыска топлива, системы диагностики, системы путевого контроля, экологическая система, приборы освещения и сигнализации	±	±	+
Система впрыска топлива типа Д – прерывистый распределенный впрыск для внутреннего смесеобразования, бензин + дизель, плазменное зажигание, common rail	±	+	+
Спутниковая навигация, автопоиск	±	±	+
Устройства аварийной безопасности, автопилот	-	±	+
Электронное управление системой газораспределения	-	-	+
Новые типы ДВС	-	+	+
Газоразрядные приборы освещения и сигнализации, спецсигнализация	-	-	+

Примечание: - – не применяются, либо находятся в стадии разработки для данных МЭС; ± – частично применяются в очень ограниченном количестве; + – широкое практическое применение.

Таким образом, современные МЭС имеют следящие системы за техническим состоянием и эффективностью (правильностью) функционирования механизмов: первые из них сигнализируют о выходе какого-либо параметра за пределы допуска; вторые, в зависимости от условий эксплуатации машин, корректируют работу механизмов. Очевидно, в обоих случаях значимо сократились допуски на изменение диапазона величины параметра технического состояния механизмов машин. А это в разы увеличило требования к точности средств как встроенной диагностики, так и внешнего их диагностирования [3].

Цель исследований . Раскрыть взаимосвязь конструктивного совершенствования мобильных энергетических средств с методами диагностирования их технического состояния.

В соответствии с целью исследований были выдвинуты задачи :

• 1.    Провести анализ тенденций изменения количественных и качественных показателей потребительских свойств МЭС. Привести примеры конструктивных решений, позволяющих обеспечить современные требования экологии, эргономики и экономичности, а также перспективной тенденции интеграции всего электронного оснащения автомобиля.

• 2.    Рассмотреть различные средства диагностирования (СД) легковых автомобилей, рекомендуемые в настоящее время, и представить их анализ по основным показателям контролепригодности.

• 3.    Разработать методику оценки эффективности проведения технического обслуживания машин по результатам диагностирования при различных стратегиях ТО и Р машин.

• 4.    Представить анализ показателей диагностирования элементов ДВС легковых автомобилей с применением разработанных средств диагностирования. Провести расчеты и представить зависимость эффективности W процесса обеспечения работоспособности машин от вероятности выявления отказов Р_в и их предотвращения Р_п^ф_р .

Материал и методика исследований. Развитие автомобильного бортового оборудования идет по двум направлениям: по пути дальнейшего совершенствования существующих и по пути конструирования и построения совершенно новых электрических, электронных и автотронных устройств. Не менее существенна намечающаяся перспективная тенденция интеграции всего электронного оснащения автомобиля на основе нескольких систем: мультиплексной, автомобильной (реже ее называют водительской), информационной и встроенной системы диагностирования [5].

На рисунке 1 показано сравнение характеристик динамики развития систем впрыска. Производительность системы МЕ 9 с новым поколением микроконтроллеров и дальнейшим повышением тактовой частоты была увеличена более чем в 50 раз, а с появлением МЕ 17.9.7 тактовая частота увеличилась в 100 раз.

AM41PDS3228D 112МГц

Flash: 5,0 Мбайт        МЕ 17.9.7

МРС555 56МГц

Flash: 2,5 Мбайт

МЕ 9.0

МЕ 7.0.1

С 167 40МГц

Flash: 1 Мбайт

МЕ 7.0

С167 24МГц

Flash: 1 Мбайт

МЕ 7.0

С167 24МГц

Flash: 512 Кбайт

М4.3

М1.8

LH3.2+EZ129K

М4.4.1

80G517A 16МГц Flash: 128 Кбайт

80С517 1 5,8МГц Flash: 64 Кбайт

80535 12МГц EPROM: 32 Кбайт

80535 12МГц EPROM: 32 Кбайт

1990             1995             2000

2005              2010              2015 год

Рис. 1. Сравнительная характеристика динамики развития систем впрыска автомобилей:

• 1    – производительность системы управления ДВС (степень превышения мощности первого блока управления), раз; 2 – количество выводов в блоке управления, шт.;

3 – объем постоянной памяти (ROM), кбайт; 4 – объем оперативной памяти (RAM), кбайт

В обозримом будущем микроконтроллеры будут интегрироваться с процессорами обработки сигналов. В настоящее время в системах МЕ 9.0 используются чипы на 2,5 Мбт, а в ближайшее время потребуются чипы уже на 5–10 Мбт и гораздо выше. Продолжается разработка новых электронных блоков управления (ЭБУ), функционально более сложных: с 16- и 32-разрядным микропроцессором. Т.е. требования снижения токсичности, экологичности все более усложняют конструктивное исполнение ЭБУ (увеличиваются тактовая частота процессора, объемы памяти, количество выводов в разъемах) [4, 5].

В свою очередь, усложняется конструкция средств диагностирования, а эффективность их функционирования не соответствует конструктивной сложности машин. Современные методы диагностирования отстают в своем развитии и не позволяют с требуемой точностью своевременно выявить наличие параметрических отказов (табл. 2) [3, 5].

Таблица 2

Показатели диагностирования элементов ДВС легковых автомобилей различными средствами диагностирования

Диагностируемые элементы	Рекомендуемые СД	N, шт.	T, ч	T B , ч	К ПДИ , К ПП	К ГП	К ИС
Цепи микропроцессорной системы управления двигателем (МСУД)	Мотор-тестер МТ-10, cканер DST-12	132 96	0,6 0,3	0,1 0,15	0,50 0,40	0,40	1,00
Проводка и разъемы	Тестер (цифровой мультиметр)	12	1,5	0,05	0,30 0,30	0,30	1,00
Датчики и исполнительные механизмы	Осциллограф, блок питания, мотор-тестер, специальные приборы, 12 шт.	26	2	0,2	0,60 0,50	0,50	0,60
Система зажигания	Мотор-тестер МТ-10, разрядник	6	0,3	0,1	0,80 0,70	0,70	1,00
Система топливоподачи: форсунки бензонасос топливный фильтр топливная рампа	Проливочный стенд «Форсаж» МТА-2 с набором жиклеров МТА-2 -	8 3 2 -	2 0,5 0,2 -	1 0,1 0,1 -	0,90 0,80 -	0,80 0,80 0,80 -	1,00 0,80 1,00 -
КШМ: цилиндропоршневая группа подшипники коленвала	Компрессометр, мотор-тестер МТ-10 Пневмотестер, манометр	4 4	0,3 0,5	0,15 0,35	0,90 0,90 0,60 0,50	0,8 0,5	0,90 1,00
Газораспределительный механизм	Мотор-тестер МТ-10, пневмотестер	1	0,5	0,35	0,80 0,60	0,60	1,00
Система выпуска отработавших газов	МТА-2	1	0,8	0,3	0,60 0,50	0,50	1,00
Система впуска: воздушный фильтр	МТА-2	1	0,8	0,3	0,60 0,50	0,50	1,00

В таблице 2 рассмотрены различные СД, рекомендуемые в настоящее время, и представлен их анализ по таким важным показателям контролепригодности [3, 5], как количество диагностических параметров N , время поиска неисправностей Т , среднее время подготовки автомобиля к диагностированию заданным числом специалистов Т _В , коэффициент полноты диагностической информации К_ПДИ , коэффициент полноты проверки исправности К _ПП , коэффициент глубины поиска дефекта К _ГП , коэффициент использования специальных средств диагностирования К_ИС .

Проведем анализ средств и методов по таблице 2.

Цепи МСУД завод-изготовитель предлагает диагностировать при помощи мотор-тестера МТ-10 и cка-нера DST-12 [3, 5]. Преимуществом данных СД является контроль значительного количества диагностиче- ских параметров (N = 132 и N = 96), что говорит о высокой их универсальности. Время Т имеет среднее (0,6 ч) и малое (0,3 ч) значения соответственно, время ТВ также незначительно – 0,1 и 0,15 ч. По параметрам Т и ТВ указанные средства вполне приемлемы. Однако низкие значения коэффициентов КПДИ , КПП и КГП (предопределяют качество диагностирования) характеризуют указанные СД как низкоэффективные и малодостоверные. Значение КИС = 1,0 говорит о использовании только заводских средств при диагностировании.

Проводку и разъемы рекомендуют диагностировать при помощи тестера (цифровой мультиметр) [3, 5]. Однако при значительном числе диагностических параметров (ДП) время Т_В принимает очень большое значение, что значительно превышает все допустимые пределы. При этом коэффициенты К _ПДИ , К_ПП и К_ГП низки, что говорит о их низкой эффективности и достоверности.

Датчики и исполнительные механизмы диагностируют при помощи заводских СД [3, 5]: осциллографа, мотор-тестера МТ-10, специальных приборов (12 шт.). Указанные СД позволяют контролировать 26 ДП, что несомненно эффективно с позиции количества информации. Однако значительно (чрезмерно) высоки значения Т и Т_В , а также низки эффективность и качество процесса диагностирования, так как низки коэффициенты К _ПДИ , К_ПП и К_ГП .

Система зажигания по заводской технологии диагностируется мотор-тестером МТ-10 и разрядником [3, 5]. Количество ДП составляет 6, что соответствует высокой универсальности средств и высоким возможностям их использования. Время Т и Т_В принимают минимальные значения, что удовлетворяет требованиям с излишком. Коэффициенты К _ПДИ , К_ПП и К_ГП принимают средние значения, что вполне приемлемо обеспечивает качество процесса диагностирования.

Система топливоподачи предусматривает диагностирование форсунок путем снятия их и испытания на стенде для очистки и испытания бензиновых форсунок «Форсаж» [3, 5]. Количество ДП составляет 8, что говорит о существенной универсальности стенда, причем оценка производится на нескольких режимах. Однако значительным и главным недостатком является высокое время Т , которое составляет 2 часа, и Т_В соответственно 1 ч, а это влечет увеличение материальных и трудовых затрат. Коэффициенты К _ПДИ , К_ПП и К_ГП имеют высокие и средние значения, что вполне удовлетворяет требованиям качества процесса диагностирования. Для бензонасоса время Т и время Т_В принимают среднее и низкое значение, что удовлетворяет требованиям, другие параметры также в норме. Однако топливная рампа, пожалуй, самый неприспособленный элемент для диагностирования, поэтому в основном при снятии промывается или меняется на новую.

Цилиндропоршневую группу диагностируют компрессометром, мотор-тестером МТ-10. Значения Т и Т_В находятся на низком и среднем уровне соответственно, что вполне удовлетворяет требованиям. Коэффициенты К _ПДИ , К_ПП и К_ГП принимают средние и высокие значения, К_ПП неудовлетворителен.

Подшипники коленчатого вала диагностируют пневмотестером, манометром в магистрали давления. Высоко время Т и Т_В , что является главным недостатком. Коэффициенты К_ПП и К_ГП имеют крайне низкое значение.

Для газораспределительного механизма, системы впуска, системы выпуска отработавших газов предусмотрены мотор-тестер МТ-10, пневмотестер и МТА-2. Значения Т и Т_В принимают высокие значения, низкая эффективность процесса диагностирования, низкая точность.

На современном этапе конструктивного совершенствования МЭС при их эксплуатации превалируют не функциональные отказы механизмов машин, а параметрические отказы, которые органолептическими методами операторов в большинстве случаев не могут быть зафиксированы и выявлены.

Это снижает использование созданного эксплуатационного потенциала машин, эффективность процесса обеспечения их работоспособности на основе результатов диагностирования.

Рассмотрим сущность данного события на основе схемы выявления и предотвращения отказов машин (рис. 2) [6].

Рис. 2. Схема выявления отказов при диагностировании и их предотвращения при обслуживании машин

Все отказы подразделяются на внезапные и постепенные. Принимаем, что при проведении РОВ можно оказывать значимое влияние (с точки зрения предупреждения) на количество постепенных отказов nров = n - nBH ,                                               (1)

где n_ров - количество отказов, которые возможно устранить при проведении РОВ по результатам диагностирования, шт.; n - общее фактическое количество отказов машин, шт.; п_вн - количество внезапных отказов, шт.

Отмечаем, что общее количество отказов, в т.ч. количество внезапных отказов у МЭС второй, а тем более третьей группы (личные автомобили – иномарки) , в несколько раз меньше по сравнению с количеством соответствующих отказов у тракторов.

Допустим, что все п_ров могут быть предотвращены, хотя не все постепенные отказы можно предотвратить. Часто трудно определить медленные изменения параметров различных составных частей машин (СЧМ).

Из выражения (1) следует, что при п _ров = п_пр

^Пров = ^Ппр = ^П — ^Пвн ^{,                                        (2)}

где п пр - количество отказов, которые можно предотвратить у данной марки машины, шт.

Отметим, что деление отказов на предотвращаемые и непредотвращаемые в процессе реализации технического обслуживания вводится лишь для оценки эффективности этого процесса и до некоторой степени условно. Совершенствование стратегий ТО, методов и средств диагностирования, прогнозирования технического состояния машин; повышение показателей их ремонтопригодности приводят к тому, что все большая часть изменений в машинах может быть обнаружена и часть отказов будет предупреждена.

Соотношение между числом предотвращаемых и непредотвращаемых отказов машин оценивается коэффициентом характера отказов

А =     "'(

^ппр (t) + ^пнепр (t)

где п пр (t) , п непр (t) - число предотвращаемых и непредотвращаемых отказов в данном типе машины, шт. Здесь принято с учетом (1) и (2), что п вн = п непр .

На величину коэффициента характера отказов МЭС оказывают влияние конструктивные и технологические, эксплуатационные факторы, стратегии, режимы, методы и средства системы ТО и Р, показатели ремонтопригодности и др.

Например, для тракторов типа «Кировец» принято на основе расчетов А 1 = 0 , 65 , автомобиля типа «Газель» с электронной системой управления топливоподачей в ДВС - А 2 = 0 , 80 .

Таким образом, качество процесса технического обслуживания определяется эффективностью диагностирования и качеством проведения ремонтно-обслуживающих работ. Эффективность диагностирования (выявления) неисправностей пропорциональна количеству выявленных неисправностей за какое-то время [7, 8].

Регулярный процесс выявления неисправностей характерен тем, что заранее известны последовательность и продолжительность каждой операции по выявлению неисправностей.

Вероятность того, что неисправные СЧМ (машин) не будут обнаружены при данном диагностировании, обусловлена двумя причинами [6]:

• -    недостаточной точностью измерительной аппаратуры. Вероятность невыявления неисправностей по этой причине обозначим через δ ;

• -    недостатком времени на диагностирование. Вероятность выявления неисправностей в данном случае прямо пропорциональна длительности проведения диагностирования, то есть равна α ⋅ Т_д , где

α =      – коэффициент пропорциональности, определяющий производительность диагностических работ;

Т до

Т_до – трудоемкость диагностирования, чел-ч; Т_д – продолжительность диагностирования, ч.

Синтез научных работ и наши исследования показали, что значения δ и Т_до зависят от технологической способности χ средств, методов М _д и места П_с диагностирования, а также приспособленности машин П_т к диагностированию

( Я ,Т до ) = Л X , М д , П с , П т ) .

А возможная продолжительность диагностирования определяется стратегиями и режимами ТО и Р машин.

Считая первую и вторую причины невыявления неисправностей независимыми событиями, выражение для вероятности выявления неисправностей в случае регулярного процесса можно представить в виде

Р в = ( 1 - 8 ) • а-Т д .

Качество ремонтно-обслуживающих воздействий определяется режимами, методами, средствами и уровнем специализации выполняемых работ. Уровень вероятности качественного обслуживания машин по результатам диагностирования определяется выражением рф _ ппр пр =

С учетом (5) вероятность качественного выполнения операций технического обслуживания можно определить по формуле

п

Рпр = Рв • Рф = (1 - 8) - а-Тд •     , пв где Рв – вероятность выявления отказа.

Ее величина зависит от количества диагностируемых параметров, технологий и средств диагностирования.

По аналитически выраженной взаимосвязи профилактики машин с процессами диагностирования можно осуществлять оценку эффективности совокупности выполнения операций технического обслуживания. Опуская промежуточные преобразования, эффективность проведения технического обслуживания машин по результатам диагностирования при различных стратегиях ТО и Р машин можно оценить по выражению [6]

W =

1 - A( 1 - S ) - a- T g - Р фр '

Таким образом, эффективность процесса обеспечения работоспособности машин зависит от показателей их безотказности и ремонтопригодности ( А ), качества и производительности диагностирования ( δ , α , Т_д ), качества проведения по результатам диагностирования РОВ ( Р_п^ф_р ). Показатели процесса диагностирования предопределяют вероятность выявления отказов, т.е. Р в = f( S , a ,T_g) .

Результаты исследований и их обсуждение. Разработанные нами новые технологии и средства диагностирования ДВС на основе тестовых режимов позволяют повысить точность диагностирования технического состояния механизмов основных систем легковых автомобилей, что доказано экспериментально, в 1,5…2 раза (табл. 3) [3, 5, 9, 10].

Таблица 3

Показатели диагностирования элементов ДВС легковых автомобилей с применением разработанных средств диагностирования

Диагностируемые элементы	Рекомендуемые СД	N, шт.	Т, ч	Т В , ч	К ПДИ , К ПП	К ГП	К ИС
Цепи МСУД	Приборный комплекс догружатель (ПКД), мотор-тестер	132	0,3	0,1	0,80 0,80	0,90	0,70
Проводка и разъемы	ПКД	12	0,4	0,05	0,90 0,80	0,90	0,70
Датчики и исполнительные механизмы	ПКД, установка для испытания датчиков массового расхода воздуха и др.	10	0,4	0,1	0,80 0,80	0,90	0,50
Система зажигания	ПКД	6	0,2	0,1	0,80 0,70	0,80	0,70
Система топливоподачи	ПКД	8	0,5	0,15	0,90	0,80	0,80
КШМ: ЦПГ подшипники коленчатого вала	ПКД, осциллограф, блок питания, датчик давления, усилитель	6	0,3 0,4	0,15 0,15	0,90 0,90 0,90 0,90	0,8 0,8	0,70 0,70
Газораспределительный механизм	ПКД	4	0,4	0,15	0,80 0,80	0,90	0,70
Система выпуска отработавших газов	ПКД, осциллограф, блок питания, датчик давления, усилитель	3	0,4	0,15	0,80 0,80	0,80	0,70
Система впуска: воздушный фильтр	ПКД, осциллограф, блок питания, датчик давления, усилитель	3	0,4	0,15	0,80 0,80	0,80	0,70

Как видно из таблицы 3, применение разработанных нами СД и методов диагностирования легковых автомобилей позволяет повысить показатели контролепригодности в среднем: время поиска неисправностей

Т уменьшить в 1,2…5 раз; среднее время подготовки автомобиля к диагностированию заданным числом специалистов Т_В уменьшить в 1,2…7 раз; коэффициент полноты диагностической информации К _ПДИ увеличить на 10…60 %; коэффициент полноты проверки исправности К_ПП увеличить на 10…60 %; коэффициент глубины поиска дефекта К_ГП увеличить на 10…60 %; коэффициент использования специальных средств диагностирования К_ИС снизить за счет использования разработанных нами специальных СД на 20^30 %. Это, с учетом повышения производительности ( а ) процесса диагностирования, позволяет повысить вероятность выявления отказов в зависимости от конструктивных особенностей МЭС до 0,75…0,80. Применение указанных методов диагностирования современных машин в системе ТО и Р, где основу составляет стратегия превентивного обслуживания (перед предстоящими циклами работ, без ограничения количества диагностируемых параметров), вероятность выявления отказов, в т.ч. возможных в предстоящий цикл использования МЭС, можно повысить до 0,85…0,90 [3, 5].

Совокупность применения новых методов диагностирования технического состояния МЭС с их конструктивным совершенством и реализацией стратегии превентивного обслуживания позволяет повысить

Рис. 3. Изменение эффективности W процесса обеспечения работоспособности машин в зависимости от вероятности выявления отказов Р_в и их предотвращения Р_п^ф_р : 1 – тракторов при стратегии регламентного проведения процессов ТО при Р_в = 0 , 50 ; 2 - тракторов при стратегии превентивного проведения процессов ТО при Р в = 0 , 75 ; 3 - автомобилей при существующих средствах диагностирования и конструкциях Р в = 0 , 80 ; 4 - конструктивно новых автомобилей при применении разработанных методов диагностирования Р в = 0 , 90

пр

Выводы

• 1.    Анализ тенденций изменения количественных и качественных показателей потребительских свойств МЭС показал, что современный этап конструктивного совершенствования МЭС направлен на обеспечение качества функционирования систем и механизмов, увеличение их функций при эксплуатации машин. Приведены примеры конструктивных решений (см. табл. 1), позволяющих обеспечить современные

• 2.    Рассмотрены различные СД легковых автомобилей, рекомендуемые в настоящее время (см. табл. 2) и представен их анализ по основным показателям контролепригодности.

• 3.    Разработана методика оценки эффективности проведения технического обслуживания машин по результатам диагностирования при различных стратегиях ТО и Р машин.

• 4.    Представлен анализ показателей диагностирования элементов ДВС легковых автомобилей с применением разработанных средств диагностирования (см. табл. 3). Приведены расчеты и представлена зависимость эффективности W процесса обеспечения работоспособности машин от вероятности выявления отказов Р_в и их предотвращения Р_п^ф_р .

требования экологии, эргономики и экономичности, а также перспективной тенденции интеграции всего электронного оснащения автомобиля.