МЕТОДИКА ИСПОЛЬЗОВАНИЯ УЧЕБНОГО СТЕНДА «РАБОЧИЕ ПРОЦЕССЫ ДИЗЕЛЬНЫХ ДВС» В ЛАБОРАТОРНОМ ПРАКТИКУМЕ

THE METHOD OF USING THE TRAINING STAND "WORKING PROCESSES OF DIESEL ENGINES" IN LABORATORY PRACTICES

Boris Kireev

PhD of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor, Department of General Engineering Training, Elabuga Institute of Kazan (Volga) Federal University

Russia, Elabuga

АННОТАЦИЯ

В статье приведена методика использования учебного стенда «Рабочие процессы дизельных двс» на занятиях лабораторного практикума при подготовке бакалавров профессионального обучения (по отраслям, профиль «транспорт»). Показано, что его использование в «смешанном» обучении оказывает положительное влияние на формирование профессиональных компетенций, укрепляет межпредметные связи, расширяет возможности проведения учебно-исследовательской работы со студентами.

ABSTRACT

The article describes methods of use of a training stand called "Work processes of diesel engines" in laboratory workshops for bachelors of professional education (transport profile). It is shown that the use of training stands in mixed education has a positive impact on the formation of professional competencies and strengthens interdisciplinary communications, expands the possibilities of conducting educational and research work with students.

Ключевые слова: стенд, методика, аудиторный, дистанционное обучение, профессиональное обучение, работа, мощность, давление, угол, площадь.

Keywords: stand, methodology, classroom, distance learning, professional education, work, power, pressure, angle, area.

Методическое обеспечение является важной составной частью учебного процесса и представляет собой совокупность мероприятий, проводимых профессорско-преподавательским составом в целях совершенствования методики, повышения эффективности и качества учебных занятий, разработки и внедрения новых методов, форм и средств обучения студентов [1].

Методическое обеспечение по конкретному учебному предмету включает в себя комплект дидактических материалов, представляющих собой совокупность натурных, печатных, рукописных (машинописных), графических и других носителей учебной информации, накопленных преподавателем по данной дисциплине и используемых при ее изучении: учебную литературу (учебники, учебные пособия), тексты лекций, методические разработки, видеокурсы, презентации, задачники, справочники, раздаточные материалы, материалы для контроля знаний (тесты, опросные карточки, бланки и другие материалы, используемые для текущего, промежуточного и итогового контроля студентов) и другие печатные материалы, необходимые для всех видов аудиторных занятий и самостоятельной работы обучающихся [2]. При использовании дистанционного (электронного) или «смешанного» (аудиторное + дистанционное) обучения наряду с печатными формами готовятся перечисленные выше материалы в цифровом виде и размещаются на сайте дистанционного обучения. Обязательным учебно-методическим документом преподавателя является план проведения учебного занятия. Он включает: тему, учебные и воспитательные цели, номер учебной группы, время и место проведения, учебно-материальное обеспечение (литературу, дидактические мате­риалы и технические средства обучения), учебные вопросы и расчет времени, их содержание, вступительную и заключительную части.

Полнота комплекта и степень разработки каждого из его элементов, а так-же их соответствие современным требованиям являются одними из важных качественных критериев. Совокупность таких критериев и общий показатель обеспеченности учебных дисциплин дидактическими материалами в определенной степени позволяют оценить качество учебной и методической работы преподавателя.

Наглядные пособия представляют собой изобразительные средства учебного процесса, они играют вспомогательную, но важную роль в процессе обучения. Их главное назначение сводится к тому, чтобы способствовать активизации учебного процесса, облегчать преподавателю разъяснение, а обучающимся понимание и усвоение различных вопросов учебной программы. Каждое из наглядных пособий, предназначенное к использованию при проведении аудиторного занятия, должно удовлетворять следующим требованиям: педагоги-ческой целесообразности и идейности; научности (отражать современное состояние изучаемой науки); доступности (соответствовать уровню подготовки обучаемых); содержательности (раскрывать теорию и перспективу развития); целостности (сохранять полноту восприятия); системности (воспроизводить мате-риал в логической взаимосвязи); специализации (соответствовать профилю подготовки специалистов); композиционной стройности; эстетичности и принципам эргономики; экономичности и простоты в использовании[2].

При изучении общетехнических дисциплин к наиболее важным наглядным пособиям следует отнести лабораторное оборудование, удовлетворяющее перечисленным выше требованиям. При изучении теплотехнических дисциплин (теплотехника, термодинамика и рабочие процессы двс, транспортная энергетика) к такому виду учебно-наглядных пособий можно отнести стенд «Рабочие процессы дизельных двигателей, 1Ч 6,8х5,5». Он позволяет проводить как учебные работы лабораторного практикума по теме «Рабочие процессы тепловых двига-телей» (например, по учебному предмету «Термодинамика и рабочие процессы двигателей», направление подготовки 44.03.04 «Профессиональное обучение (по отраслям), профиль «транспорт» или по предмету «Транспортная энергетика», направление подготовки 23.03.01 «Технология транспортных процессов», профиль «эксплуатация транспортных средств»), так и работы учебно-исследовательского характера (изучение скоростных, нагрузочных и характеристик холостого хода двс) по исследованию наиболее оптимальных режимов работы дизельных двигателей и др. На рис.1 показан общий вид стенда.

Рисунок 1. Общий вид стенда

Стенд можно использовать:

1. В качестве наглядного пособия. При изучении темы «Устройство двс и принципы его работы» рассматривается внешний вид стенда и его составляющие: непосредственно двигатель (блок цилиндров, картер, топливный насос высоко-го давления, клапанная коробка, воздушный фильтр, стартер с ключом зажигания), а также нагрузочный блок (бак с маслом, шестерёнчатый насос, дроссель, маслопроводы), электронный блок для записи показаний датчиков с выводом на экран ноутбука, электронные весы для записи расхода топлива (часового и удельного) и др.

Анализ работы нагрузочного блока позволяет широко использовать межпредметные связи, от прикладной механики, до гидравлики и гидравлических машин (передача вращательного момента двигателя валу насоса; увеличение нагрузки при уменьшении проходного отверстия дросселя; роль аккумулятора и стартера и т.п.).

2. Для изучения индицирования двс. Вопросы, связанные с изучением индикаторных и эффективных показателей двс и построения индикаторной диаграммы достаточно сложны для понимания, не наглядны. Использование стенда позволяют сделать их более понятными, повысить эффективность обучения.

Для измерения крутящего (вращающего) момента коленчатого вала двигателя и частоты его вращения в установке используется специальная тензометрическая балка, воспринимающая реактивный момент на корпусе гидравлического тормоза. Вращающий момент на коленчатом валу определяется в режиме реального времени при работе двигателя и отображается на индикаторной панели сопряженной со стендом ЭВМ. Применение механического нагрузочного дросселя обеспечивает возможность плавной регулировки момента сопротивления нагрузочного устройства во всем диапазоне режимов нагружения двигателя.

Оценка эффективной мощности двигателя выполняется по следующей зависимости:

N_e = М×ω = M×2πn = (КВт) =  (КВт) (1-1)

Где N_e – эффективная мощность двигателя, кВт;

М – вращающий момент, Н×м;

n – частота вращения коленчатого вала, мин-1.

Для нахождения индикаторных показателей работы двигателя необходимо определить полезную работу за цикл. Стенд позволяет найти зависимость индикаторного давления от угла поворота коленвала (провести индицирование двигателя) и отобразить её как на экране компьютера (см.рис.2), так и записать в виде таблицы в памяти электронного блока, в пределах 0⁰–720⁰ угла поворота коленвала (цикл), с шагом через α =1⁰. Используя данные по зависимости индикаторного давления от угла поворота коленвала двигателя, можно найти зависимость давления от текущих значений объёма газа в цилиндре под поршнем, используя ряд эмпирических и полуэмпирических формул: Рi = f (V_i):

                   (1-2)

Рисунок 2. Вид кривой индицирования Рi = f (α)

Здесь s – кинематическая функция, V_а-полный объём цилиндра.

 . (1-3) V_h - рабочий объём цилиндра, ε – степень сжатия,

. (1-4) α - угол поворота коленчатого вала (п.к.в.), отсчитываемый от верхней мертвой точки (в.м.т.), град., l – отношение радиуса кривошипа к длине шатуна.

Индикаторная работа цикла L_i , (дж), определится как сумма работ сжатия и горения-расширения. Поскольку при сжатии рабочего тела затрачивается энергия и объем рабочего тела в цилиндре уменьшается, работа процесса сжатия будет отрицательной, в то время, как работа процессов сгорания-расширения будет положительной.

В общем случае, при изменении давления от Р_j-1 до P_j, объём меняется от V_j-1 до V_j . Здесь j – целое число, от 2 до a (где a - число элементарных участков разбиения процессов). Работа для данного процесса суммируется для всех участков:

             (1-5)

Для расчётов удобно использовать MS Excel. Индикаторная диаграмма, построенная в MS Excel имеет примерно следующий вид (рис.3).

Рисунок 3. Вид индикаторной диаграммы, полученной в MS Excel

Так как аналитический вид кривой зависимости индикаторного давления от текущего объёма газа сложно выразить какой либо известной функцией, то и индикаторную работу за цикл L_i= , численно равную площади фигуры, лежащей под кривой давления и ограниченную пределами начального и конечного объёмов можно найти только приближённо, используя формулу типа (1-5) (метод численного интегрирования).

Расчёты значений полезной работы за цикл достаточно провести в интервале 280⁰-460⁰ поворота коленвала (половина цикла), используя формулы (1-2)-(1-5) (основная часть кривой сжатия и сгорания-расширения). При меньших и больших значениях угла поворота коленвала работы сжатия и расширения примерно равны, но противоположны по знаку, и дают нуль в сумме. Это позволяет сократить число рассчитываемых значений в 2 раза.

Получаемые при расчётах значения полезной индикаторной работы за цикл позволяют рассчитать затем такие важные параметры работы теплового двигателя, как: индикаторная мощность Ni =  ×Li×ω×z ×10^-3 (кВт); (1-6) среднее индикаторное давление P_i= ; (1-7) индикаторный кпд η_i = ; (1-8)

удельный индикаторный расход топлива

b_i = ×10³ ; (1-9)

мощность механических потерь на трение:

N_m = Ni – N_e. (1-10)

 и другие показатели (эффективные и механические).

Здесь к = 4-число тактов двигателя, ω – число оборотов, с^-1, z =1-число цилиндров,  – рабочий объём цилиндра, В – секундный расход топлива,  – низшая рабочая теплота сгорания дизельного топлива, В_ч – часовой расход топлива.

3. Для проведения учебно-исследовательской работы студентов. Стенд позволяет проводить изучение характеристик холостого хода, скоростных и нагрузочных характеристик дизельного двигателя, с целью выяснения, например, зависимости эффективности работы дизельного двигателя от режимов работы и др.

Для удобства работы студентов необходимый учебно-методический материал нами подготовлен как в печатном виде (инструкции по работе с установкой, шаблоны отчётов, шаблоны решения типовых задач по данной тематике и задания для самостоятельной работы, контрольные вопросы, тесты), так и в электронном [3,4]. Электронный вариант размещён на университетском сайте дистанционного обучения edu.kpfu,ru используется как для подготовки к практикуму, так и для сдачи соответствующих отчётов и выполненных самостоятельных заданий (см. рис.4).

На рис.4 приведена часть учебно-методического материала по теме: «Рабочие процессы двс», размещённого на сайте edu.kpfu.ru. Система оценок за выполненные задания, разработанная в рамках балльно-рейтинговой системы университета, позволяет оперативно оценивать текущую успеваемость студентов и вносить соответствующие коррективы в их работу.

Практика показывает, что рассмотренная выше методика проведения лабораторного практикума по теме: «Рабочие процессы двс» в сочетании с методикой теоретического изучения темы, особенно при «смешанном» обучении (аудиторное +дистанционное), даёт положительные результаты: учебный материал становится доступнее, шире используются знания из смежных наук, (межпредметные связи), совершенствуются навыки работы с двс, развивается информационно-коммуникационная компетентность и др.