WWW.DISS.SELUK.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА
(Авторефераты, диссертации, методички, учебные программы, монографии)

 

Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |

«Викулов Станислав Викторович МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА Специальность 05.08.05. – Судовые энергетические установки ...»

-- [ Страница 1 ] --

ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ВОДНОГО ТРАНСПОРТА»

На правах рукописи

Викулов Станислав Викторович

МЕТОДЫ ПОСТРОЕНИЯ АЛГОРИТМОВ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ

ДИЗЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ СИСТЕМНОГО ПОДХОДА

Специальность 05.08.05. – «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)»

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание учёной степени доктора технических наук

Научный консультант: доктор технических наук, профессор Глушков Сергей Павлович НОВОСИБИРСК –

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.………………………………………………………………………

ГЛАВА 1 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ………………...………………………………... 1.1 Значение, роль и место технической диагностики основных элементов судовых дизелей в системе технической эксплуатации флота речного пароходства...………………………………………..………… 1.2 Обзор и анализ работ по техническому диагностированию среднеоборотных и высокооборотных двигателей внутреннего сгорания...……………………………………………………………...………... 1.3 Обзор и анализ методов и средств диагностирования двигателей внутреннего сгорания по параметрам работающего моторного масла...……. 1.4 Обзор и анализ работ по методам оценки состояния элементов линии коленчатого вала судовых дизелей…………………………………….. 1.5 Обзор и анализ методов и средств диагностирования судовых дизелей по крутильным колебаниям......……………………………………… 1.6 Выводы по обзору. Постановка задач исследования....…………………..

ГЛАВА 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СИСТЕМНОГО

МОДЕЛИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ……………………….... 2.1 Системный анализ комплекса «судовой дизель – работающее моторное масло – валопровод судовой энергетической установки – система технической эксплуатации флота речного пароходства»…………... 2.2 Теоретическое обоснование выбора комплекса диагностических параметров состояния трущихся деталей, работающего моторного масла и систем дизеля.....……………………..………………………………... 2.3 Математическое моделирование алгоритмов диагностирования по параметрам работающего моторного масла и их функционирование в системе технической эксплуатации флота пароходства.
.....……………….. 2.4 Теоретические основы исследования информативности диагностических параметров....………………………………………………. 2.5 Теоретический анализ параметров крутильных колебаний для диагностирования элементов валовой линии судового дизеля ……...... 2.5.1 Математическое моделирование расчёта собственных частот и форм крутильных колебаний валовой линии дизельной судовой энергетической установки...…………………………………….....……….. 2.5.2 Теоретический анализ работы возмущающих моментов валовой линии дизельной судовой энергетической установки..…………………... 2.5.3 Математическое моделирование вынужденных колебаний валовой линии дизельной судовой энергетической установки...………... 2.6 Общие закономерности построения математических моделей прогнозирования состояния основных элементов судовых дизелей....…… 2.7 Основные результаты исследования. Выводы…………………………...

ГЛАВА 3 МЕТОДОЛОГИЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ВЕЛИЧИН

ДИАГНОСТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ. ВЫБОР ЧИСЛА

ОБЪЕКТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ….………………………………………….. 3.1 Организация проведения опытных исследований.....…………………... 3.2 Методика проведения экспрессного спектрального анализа работающего моторного масла.....……………………………………………. 3.3 Методики проведения физико-химических анализов работающего моторного масла......…………………………………………………………… 3.3.1 Определение содержания механических примесей работающего моторного масла..…..……………………………………………………….. 3.3.2 Определение водородного показателя, щелочного и кислотного чисел работающего моторного масла....…………………………………… 3.3.3 Определение температуры вспышки работающего моторного масла.....………………………………………………………………………. 3.3.4 Определение содержания воды в работающем моторном масле...... 3.3.5 Определение вязкости работающего моторного масла....…………... 3.4 Выбор числа объектов исследования для оценки их технического состояния по параметрам работающего моторного масла...………………... 3.5 Методика проведения измерений параметров крутильных колебаний валовой линии при помощи комплекса БАГС-4...……………… 3.5.1 Автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс БАГС-4....………………………………………………………….. 3.5.2 Стендовая экспериментальная установка……………………………. 3.5.3 Результаты стендовых измерений крутильных колебаний валовой линии....……………………………………………………………... 3.5.4 Анализ амплитудно-частотной характеристики крутильных колебаний валовой линии судовой энергетической установки....………... 3.6 Основные результаты исследования. Выводы....………………………...

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СРЕДНЕОБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

ПО ПАРАМЕТРАМ РАБОТАЮЩЕГО МОТОРНОГО МАСЛА.…………. 4.1 Математическое моделирование и результаты расчёта корректируемых диагностических нормативов дизелей Г70-5...…………... 4.2 Математическое моделирование и оптимизация обучающегося алгоритма диагностирования состояния основных элементов дизелей Г70-5...………….....…………………………………………………... 4.3 Разработка методики прогнозирования остаточного ресурса цилиндровых втулок дизелей Г70-5 по средней концентрации железа в работающем моторном масле………………………………………. 4.4 Разработка методики диагностирования состояния цилиндровых втулок дизелей Г70-5 по общей загрязнённости работающего моторного масла...……………….……………………………….....…………. 4.5 Основные результаты исследования. Выводы…………………………...

ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ

ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВЫСОКООБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

ПО ПАРАМЕТРАМ РАБОТАЮЩЕГО МОТОРНОГО МАСЛА……...…... 5.1 Экспериментально-теоретическое исследование влияния нагрузки на ресурс дизелей 12ЧСН 18/20....……………………………………………. 5.2 Математическое моделирование и результаты расчета диагностических нормативов дизелей 12ЧСН 18/20.....……………………. 5.3 Разработка методики диагностирования состояния деталей цилиндропоршневой группы дизелей 12ЧСН 18/20 по угару работающего моторного масла...….………………………………...……….. 5.4 Разработка математических моделей и методик прогнозирования остаточного ресурса деталей цилиндропоршневой группы дизелей 12ЧСН 18/20 по комплексу параметров работающего моторного масла….. 5.5 Основные результаты исследования. Выводы…………………………...

ГЛАВА 6 МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВАЛОВОЙ ЛИНИИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

ПО ПАРАМЕТРАМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ.…...…….......……….. 6.1 Измерение крутильных колебаний валовой линии судовой энергетической установки при эксплуатации теплоходов………………….. 6.1.1 Характеристики объекта исследования.……………………………... 6.1.2 Расчёт собственных частот и относительных амплитуд крутильных колебаний валовой линии теплохода проекта 1741А….....… 6.2 Разработка методики диагностирования силиконового демпфера крутильных колебаний судового дизеля……………....…………………….. 6.3 Результаты исследования информативности диагностических параметров спектрограммы крутильных колебаний при оценке состояния силиконового демпфера.....……………………………………….. 6.4 Разработка математической модели и методики прогнозирования остаточного ресурса коленчатого вала дизеля по параметрам крутильных колебаний…………………………………………………………....………... 6.5 Основные результаты исследования. Выводы...…………………………

ГЛАВА 7 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ

КОМПЛЕКСА ИССЛЕДОВАНИЙ..………………………………………….. 7.1 Система диагностирования судовых дизелей методом комплексного анализа работающего моторного масла......…………………. 7.2 Экономическая эффективность от внедрения диагностики судовых дизелей по комплексу параметров работающего моторного масла...……… 7.2.1 Общая часть.…………………………………………………………… 7.2.2. Расчет издержек по устранению дефектов………………………….. 7.2.3. Расчет текущих затрат на содержание и эксплуатацию спектральной установки…………………………………………………….. 7.2.4. Расчет капитальных вложений на создание системы диагностирования...………………………………………………………….. 7.3. Внедрение результатов исследований..………………………………….. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ..…………………………………….. СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ……..……………………………………………… ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………………..

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Эффективность эксплуатации главных судовых дизелей определяется, по существу, показателями надёжности, экономичности, ресурса работы и трудоёмкости их обслуживания [18, 26, 33, 44, 52, 76, 98, 101, 102, 123, 128, 169, 187, 190]. В сложившихся рыночных условиях хозяйствования улучшение этих показателей приобретает особую актуальность для отдаленных районов Сибири и Дальнего Востока, где водный транспорт является основным, а зачастую – единственным видом транспорта, способным доставлять грузы в больших количествах. В решении проблемы обеспечения надежной и ресурсосберегающей эксплуатации судовых дизелей важная роль принадлежит внедрению технологий диагностирования, основанных на эффективных методах и алгоритмах, повышающих достоверность оценки их состояния.

Ресурсные показатели и экономичность работы двигателей внутреннего сгорания (ДВС) различного назначения (в том числе главных дизелей речных судов) в значительной мере определяются износным состоянием трущихся деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), кривошипно-шатунного механизма (КШМ), подшипников коленчатого вала, а также усталостной прочностью его элементов. Следовательно, очевидна необходимость разработки методов оценки их состояния, что подтверждается многочисленными исследованиями [10, 12, 16, 27, 32, 33, 38, 46, 59, 62, 69, 76, 80, 94, 126, 141, 146, 164, 165].

Проведённые исследования и производственный опыт транспортных предприятий, эксплуатирующих ДВС, показали, что наиболее эффективным методом, позволяющим заблаговременно оценивать состояние большого числа трущихся деталей, смазочных свойств масла и некоторых систем двигателя без вывода его из эксплуатации, является диагностирование и прогнозирование на основе спектрального анализа продуктов износа в работающем моторном масле (РММ). Широкое распространение метод оценки состояния ДВС различного назначения по параметрам РММ получил за рубежом [101, 197 – 202, 204 – 212, 215]. В нашей стране накоплен большой эксплуатационный опыт такого диагностирования тепловозных дизелей [65, 125, 133, 139, 144, 146, 185], двигателей автомобилей [25, 59, 71, 80, 89 – 91, 95, 124, 168], тракторов [17, 69, 80, 96, 127, 141, 164, 184, 191], газотурбинных двигателей самолётов [75, 112, 121, 137, 143, 177]. В меньшей степени нашёл применение данный метод при эксплуатации судовых дизелей речного и морского флота [28, 34, 40, 47, 62, 115, 131, 147, 169].

Анализ существующих методов и средств оценки усталостной прочности элементов валовой линии судовой энергетической установки (СЭУ) [1, 3, 55, 76, 88, 101, 130, 192, 193, 203, 214, 216] позволяет утверждать, что для этих целей в настоящее время наиболее эффективным является метод вибродиагностики крутильных колебаний (КК) с применением автоматизированных портативных измерительно-вычислительных комплексов типа БАГС- [56]. Информация здесь обрабатывается на основе современных информационных технологий, использующих максимальные возможности компьютерной техники [4, 43, 49, 56, 57, 192], и отличающихся экспрессным получением параметров амплитудно-частотной характеристики КК на основе быстрого преобразования Фурье.

Отдавая должное выполненным исследованиям по системному моделированию алгоритмов диагностирования ДВС, например, по параметрам экспрессного спектрального анализа РММ, необходимо отметить, что здесь имеется целый ряд нерешенных теоретических и практических задач. Алгоритмы не универсальны и в большинстве случаев не приемлемы к конкретным условиям эксплуатации дизелей речных судов. Для диагностирования усталостных повреждений элементов валовой линии судовых дизелей подобный опыт к настоящему времени весьма ограничен. Более того, тесная взаимосвязь усталостных процессов, происходящих в системе «судовой дизель – работающее РММ – валовая линия СЭУ», общее целевое назначение её в системе технической эксплуатации флота (ТЭФ) пароходства – обеспечение надёжности, долговечности и экономичности работы – приводят к необходимости при моделировании оптимальных алгоритмов диагностирования рассматривать данные системы как единый комплекс с позиций системного подхода. Это позволит с наименьшими затратами, используя внутренние резервы системы, эффективно управлять техническим состоянием сложившегося парка дизелей.

Сказанное подтверждает, что задачи разработки эффективных методов моделирования алгоритмов диагностирования основных элементов эксплуатируемых судовых дизелей в условиях речного пароходства или судоходной компании как по параметрам РММ, так и КК с привлечением других информативных показателей далеки от своего полного решения, поэтому являются весьма актуальными.

Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по направлению «Создание методов, технических средств и технологий технической диагностики основных деталей судовых механизмов и энергетического оборудования с оценкой ресурса их работы».

Объектом исследований являлся парк среднеоборотных и высокооборотных дизелей, эксплуатируемых на речных судах в условиях ЗападноСибирского региона.

Предметом исследований являлись оценка, анализ и идентификация технического состояния элементов судовых дизелей на основе информации, поступающей с параметрами работающего моторного масла и динамическими характеристиками крутильных колебаний коленчатого вала.

Научная гипотеза. Исследуя стохастическое изменение величин комплекса диагностических параметров, характеризующих техническое состояние парка судовых дизелей, на основе системного подхода можно создать оптимальные системные модели, алгоритмы и методики диагностирования, позволяющие с наименьшими затратами, используя внутренние резервы системы, эффективно управлять техническим состоянием сложившегося парка дизелей.

Цель работы. Цель диссертационной работы состоит в разработке теоретических положений системного моделирования алгоритмов диагностирования элементов дизеля, лимитирующих его надежность и моторесурс, создании на этой основе эффективных методов и прикладных методик диагностирования и их практической реализации в системе ТЭФ пароходства или судоходной компании.

Методы исследования. Теоретической и методологической базой для достижения поставленной цели работы являлись научные положения системной методологии, теории вероятностей и математической статистики, теории распознавания образов, теории ДВС, теории колебаний и математического моделирования на ЭВМ. В экспериментальном исследовании и практическом использовании результатов данной работы применялись современные физико-химические методы и методики (экспрессная эмиссионная спектрометрия, фотоэлектрическая колориметрия, потенциометрия и др.), измерительно-вычислительный комплекс БАГС-4, аттестованные и поверенные приборы. Обработка статистических данных и моделирование алгоритмов диагностирования и прогнозирования выполнены с применением ЭВМ.

Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: обоснованностью исходных теоретических положений, вытекающих из физической картины исследуемых явлений и опыта эксплуатации судовых дизелей, адекватностью теоретических моделей многочисленному статистическому материалу практического использования для эксплуатируемых дизелей, широкой апробацией и внедрением.

Научная новизна диссертационной работы сводится к следующему:

– на основе принципов системной методологии разработаны теоретические положения построения диагностической модели комплекса «судовой дизель – РММ – валовая линия СЭУ – система ТЭФ пароходства», отличающейся от существующих моделей более полным и эффективным использованием располагаемой информации;

– определен комплекс диагностических параметров, позволяющий получить достоверную информацию о техническом состоянии основных (системообразующих) элементов, систем и качестве РММ судового дизеля;

– разработан принцип системного моделирования обучающегося алгоритма диагностирования основных элементов судового дизеля (на примере параметров РММ), позволяющего оптимизировать диагностические нормативы и критерии на основе вновь поступающей статистической информации;

– разработан вероятностно-статистический метод расчета информативности диагностических параметров, на основе которого формируется диагностическая матрица, обеспечивающая эффективное использование обучающегося алгоритма диагностирования;

– разработаны математические модели и методики прогнозирования остаточного ресурса основных трущихся деталей дизеля (на примере цилиндровых втулок дизеля Г70-5) по средней концентрации железа в РММ и его общей загрязненности, отличающиеся простотой и высокой достоверностью прогноза;

– предложены методики диагностирования основных деталей ЦПГ высокооборотных дизелей по угару и комплексу параметров РММ, основанные на полиномиальном моделировании;

– разработана методика диагностирования силиконового демпфера судового дизеля по параметрам амплитудно-частотной характеристики спектрограммы крутильных колебаний валовой линии, отличающаяся вероятностно-статистическим подходом к распознаванию;

– предложен метод исследования информативности амплитудночастотной характеристики спектрограммы крутильных колебаний дизеля, основанный на вероятностно-статистическом подходе и отличающийся полным учетом частотного диапазона в установлении диагноза;

– разработаны математическая модель и методика прогнозирования остаточного ресурса коленчатого вала дизеля по средней амплитуде спектрограммы крутильных колебаний валовой линии, отличающиеся простотой и высокой достоверностью прогноза.

Практическая ценность и реализация работы заключается в разработке научно обоснованных математических моделей, алгоритмов и методик диагностирования и прогнозирования основных элементов эксплуатируемых судовых дизелей по комплексу параметров работающего моторного масла и крутильных колебаний валовой линии. Результаты диссертационной работы доведены до практической реализации путем создания и внедрения системы диагностирования дизелей по параметрам работающего моторного масла в Западно-Сибирском речном пароходстве (Приложение 1), приняты к внедрению в ОАО «Томская судоходная компания» (Приложение 2), рекомендованы Западно-Сибирским филиалом ФГУ «Российский Речной Регистр» к внедрению на судах Западно-Сибирского региона (Приложение 3) и используются в учебном процессе при подготовке специалистов судомеханической специальности для речного и морского флота в Новосибирской государственной академии водного транспорта (Приложение 4). По результатам исследований разработаны «Стандарт предприятия. СТП 314.536.0 – 01 – 88: Система диагностирования дизелей по методу комплексного анализа смазочного масла» [147, 162] и практические рекомендации по диагностированию элементов валовой линии судовых дизелей по параметрам крутильных колебаний [49, 50].

На защиту выносятся следующие основные результаты работы:

1. Диагностическая модель комплекса «судовой дизель – РММ – валовая линия СЭУ – система ТЭФ пароходства», основанная на принципах системной методологии.

2. Комплекс диагностических параметров: показатели РММ для оценки и анализа его работоспособности, состояния трущихся деталей и основных систем судовых дизелей; средняя амплитуда и частотный диапазон спектрограммы КК валовой линии для оценки и анализа состояния основных элементов судового дизеля.

3. Системная модель обучающегося алгоритма диагностирования основных элементов ДВС, реализованная по комплексу параметров РММ для оценки состояния деталей ЦПГ средне- и высокооборотных судовых дизелей.

4. Метод расчёта информативности диагностических параметров для формирования матрицы, обеспечивающей эффективное использование обучающегося алгоритма диагностирования основных элементов судового дизеля.

5. Математические модели и методики прогнозирования остаточного ресурса основных элементов ДВС по концентрации продуктов износа и его общей загрязненности, реализованные для цилиндровых втулок среднеоборотных дизелей.

6. Методики диагностирования технического состояния деталей ЦПГ высокооборотных дизелей по угару и комплексу параметров РММ, основанные на полиномиальном моделировании.

7. Методика диагностирования состояния силиконового демпфера дизеля по параметрам крутильных колебаний валовой линии СЭУ.

8. Метод исследования информативности амплитудно-частотной характеристики спектрограммы крутильных колебаний дизеля.

9. Математическая модель и методика прогнозирования остаточного ресурса коленчатого вала дизеля по средней амплитуде спектрограммы крутильных колебаний валовой линии СЭУ.

Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на 21-27 научно-технических конференциях НИИВТ и ЗСНТО ВТ (Новосибирск, 1980-1986 г.г.); НГАВТ (Новосибирск, 2007-2011 г.г.); на межвузовской научной конференции «Философия науки и техники» (Новосибирск, 2008 г.); на научно-техническом семинаре МРФ РСФСР «Опыт экономного использования топлива и нефтепродуктов на водном транспорте» (Куйбышев, 1982 г.); на 43-ей научнотехнической конференции Сибирского автодорожного института им. В.В.

Куйбышева (Омск, 1983 г.); на 2-ом Межведомственном совещании по координации работ в области технической диагностики двигателей (ЛенинградПушкин, 1983 г.); на производственно-техническом совещании Главфлота МРФ РСФСР (Москва, 1983 г.); на заседании технического совета ЗСРП (Новосибирск, 1984 г.); на заседании научно-методической комиссии секции «Проблемы надёжности и технической диагностики» НТС Госстандарта по вопросу «Внедрение диагностики в систему технического обслуживания и ремонта техники» Горький, 1986 г.); на 46-ом международном семинаре «Моделирование в компьютерном материаловедении» (Одесса, 2007 г.); на Сибирской Ярмарке (Новосибирск, 2008, 2009, 2011 г.г.).

Публикации. По теме диссертации опубликована 41 работа. В том числе две монографии [47, 49] и 20 научных статей в изданиях, рекомендуемых ВАК для опубликования материалов докторских диссертаций [41 – 46, 48].

Результаты исследований отражены также в двух научно - исследовательских отчетах о НИР, выполненном при участии автора диссертации и прошедшим государственную регистрацию [147, 151].

Личный вклад автора. Работа выполнялось на кафедре Судовых ДВС и в лаборатории Динамика и прочность судовых конструкций кафедры Сопротивление материалов и подъемно-транспортных машин ФБОУ ВПО Новосибирской государственной академии водного транспорта. Некоторые частные работы проводились автором совместно с сотрудниками кафедр этого втуза. Результаты таких исследований были опубликованы в совместных трудах. В статьях [55, 103], написанных в соавторстве, личный вклад автора составляет не менее 30%, в остальных – не менее 50%. Однако разработка общей концепции построения и положений диссертации, касающихся основ системного моделирования вероятностных обучающихся алгоритмов диагностирования и их оптимизации, разработки конкретных методик выполнены автором самостоятельно и опубликованы в монографиях и научных статьях.

Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложений четырех актов внедрения. Основная часть работы изложена на 304 страницах машинописного текста, включая 49 таблиц, 60 рисунков и библиографию из наименований.

Логическая схема проведенного исследования представлена на рисунке В.1.

В первой главе «Техническая диагностика двигателей внутреннего сгорания: состояние, проблемы и задачи исследования» показана роль и значение технической диагностики в решении проблемы повышения надежности и эффективности эксплуатируемых судовых дизелей. Дан обзор и анализ работ по техническому диагностированию ДВС различного назначения.

Обосновано, что для комплексной оценки состояния основных элементов наиболее предпочтительно диагностирование по параметрам РММ на основе экспрессного спектрального анализа продуктов износа и по параметрам амплитудно-частотной характеристики КК коленчатого вала с применением портативных автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов типа БАГС-4.

Отмечается, что большой вклад в научную организацию эксплуатации ДВС с использованием методов и средств диагностики внесли В.И. Бельских, А.П. Болдин, Б.В. Васильев, Н.Я. Говорущенко, П.С. Ждановский, Л.Н. Карпов, Е.Н. Климов, В.В. Лаханин, Л.В. Мирошников, В.М. Михлин, А.В. Мозгалевский, В.С. Семенов, Л.А. Шеромов и другие исследователи.

Достижения в области химмотологии и трибологии для повышения эксплуатационной надежности ДВС с замкнутой системой смазки нашли отражение в работах В.Ф. Большакова, С.В. Венцеля, М.А. Григорьева, Г.П. Кичи, Б.О. Лебедева, Г.П. Лышко, В.А. Сомова, В.Н. Сторожева.

В развитие теории и практики диагностирования ДВС по параметрам РММ на основе спектрального анализа большой вклад внесли работы В.И.

Гринцевича, В.Е. Канарчука, К.А. Келера, С.К. Кюрегяна, А.В. Надежкина, Э.А. Пахомова, П.Ш. Петросяна, А.И. Соколова, В.В. Чанкина и других исследователей.

В области теории и расчетных методов крутильных колебаний различных вариантов СЭУ следует отметить работы А.Г. Агуреева, В.В. Алексеева, А.М. Барановского, С.П. Глушкова, П.А. Истомина, В.П. Терских и многих других ученых. Их исследования явились теоретической базой, на которой строились разработанные в настоящей диссертационной работе теоретические положения моделирования алгоритмов и прикладные методики диагностирования усталостных повреждений элементов коленчатого вала.

Анализ работ показал, что при разработке теоретических основ технической диагностики машин и механизмов не всегда учитывалась специфика объекта диагностики. Кроме того, при системном представлении объекта игнорировалась роль субъекта – сложившейся системы технической эксплуатации машин. При моделировании вероятностных алгоритмов диагностирования и установлении предельных нормативов и критериев не учитывалась физическая картина формирования статистических законов распределения значений диагностических параметров, не исследовались диагностическая ценность параметров и её оптимальное использование в алгоритмах диагностирования. В связи с этим возникает необходимость в разработке теоретических положений системного моделирования эффективных алгоритмов и методик диагностирования основных элементов судового дизеля, заполняющих указанные пробелы. На основании выполненного анализа в диссертации были сформулированы основные задачи исследования.

Во второй главе «Теоретические основы системного моделирования алгоритмов диагностирования основных элементов судовых дизелей»

рассматриваются теоретические основы системного моделирования алгоритмов диагностирования и прогнозирования основных элементов эксплуатируемых судовых дизелей. Проведен системный анализ комплекса «судовой дизель – РММ – валовая линия СЭУ – система ТЭФ пароходства», сформулированы критерии для оценки и идентификации состояния основных элементов судового дизеля и на этой основе осуществлен выбор диагностических параметров с теоретическим обоснованием метода расчета их информативности. Дано описание основных теоретических положений построения обучающегося алгоритма диагностирования и принципа его функционирования в системе ТЭФ пароходства или судоходной компании; изложены теоретические основы оценки и анализа технического состояния элементов валовой линии судового дизеля по параметрам КК; рассмотрены общие закономерности построения математических моделей прогнозирования состояния основных элементов судового дизеля.

По результатам анализа функциональных структурно-следственных связей элементов предмета исследований, используя прием декомпозиции, характерной для системного анализа, исследуемый комплекс представлен системной диагностической моделью, основанной на принципе оптимального управления. Детальный анализ прямых и обратных связей этой модели, отражающих информационные процессы комплекса, позволил разработать математические модели, алгоритмы и методики диагностирования рассматриваемых системообразующих элементов судового дизеля.

В реальных условиях эксплуатации судовых дизелей надёжное определение всех составляющих баланса продуктов износа вследствие стохастического характера их накопления в РММ не представляется возможным. В связи с этим была принята концепция разработки методик диагностирования и прогнозирования, позволяющих с высокой достоверностью оценивать износное состояние эксплуатируемого дизеля непосредственно по текущим величинам концентрации продуктов износа в РММ. Поэтому в отличие от детерминированных уровней стабилизации концентрации продуктов износа и их интенсивностей поступления в РММ при исправном состоянии дизеля, описанных в работах Э.А. Пахомова, В.В. Чанкина и других исследователей, в настоящей работе эти уровни представлены в виде функций случайных величин. Показано, что по своей физической природе эти функции являются вероятностными математическими моделями, для построения которых необходим большой массив экспериментальных данных.

По данным химического состава материалов деталей исследуемых дизелей и анализа основных факторов, снижающих их надежность и экономичность, был сформирован комплекс диагностических параметров. В качестве основных параметров приняты текущие величины концентраций шести элементов-индикаторов (kFe, kCu, kPb, kSn, kCr, kAl), по которым оценивается состояние трущихся деталей, лимитирующих надежность или ресурсные показатели дизеля. Дополнительными параметрами выбраны текущие значения концентрации кремния (kSi), водородного показателя (pH), щелочного (ЩЧ) и кислотного (КЧ) чисел, температуры вспышки (tвсп), общей загрязненности и содержания воды (Н2О). В зависимости от вида информации о техническом состоянии объекта диагностирования (ОД), поступающей с РММ, диагностические параметры классифицированы по трем группам, каждая из которых наиболее полно характеризует состояние конкретных элементов ОД.

В соответствии с принципами системной методологии в работе обоснована целесообразность построения обучающихся алгоритмов диагностирования, которые позволяют оптимизировать диагностические нормативы и критерии на основе вновь поступающих статистических данных. Моделирование обучающегося алгоритма диагностирования проведено в два этапа.

На первом этапе, путем введения «зоны неопределенности» распознавания, по методу Неймана – Пирсона рассматривалась задача нахождения предельных Kj пр и допустимых Kj доп нормативных значений величин основного j – го параметра K, позволяющих с установленными вероятностями ошибок первого уст «ложная тревога» и второго уст «пропуск дефекта» рода принять однозначное решение соответственно о дефектном или исправном состоянии диагностируемого объекта дизеля.

На втором этапе рассмотрена задача разрешения «зоны неопределенности» основного параметра с использованием комплекса дополнительных диагностических параметров на основе метода статистического последовательного анализа А. Вальда. Так как решающее правило этого метода соответствует однородному комплексу диагностических параметров и не учитывает диагностическую ценность различных параметров и диагнозов, в решающее правило введены весовые коэффициенты, учитывающие диагностическую ценность и дисперсию j го параметра K для различных состояний Di контролируемых объектов дизеля.

Определение диагностической ценности (информативности) комплекса рассматриваемых параметров проведено на основе методов теории информации. С увеличением числа интервалов диагностическая ценность параметра возрастает или остаётся прежней, но анализ результатов при этом становится более трудоёмким. Поэтому в работе предложен критерий оптимизации, позволяющий осуществить выбор необходимого и достаточного числа разбиений величин параметра на интервалы.

Для разработки критериев оценки и идентификации усталостных повреждений элементов валовой линии произведено компьютерное моделирование дискретной крутильно-колеблющейся системы дизельной СЭУ в программном пакете MathCAD версии 13. Расчеты собственных частот и форм крутильных колебаний (КК), работы гармонических возмущающих моментов и их амплитуд осуществлены на основе уравнения Лагранжа второго рода.

Для определения собственных значений частот и соответствующих им относительных собственных амплитуд использовался QR алгоритм, в настоящее время признанный одним из лучших методов решения задачи по определению собственных значений квадратных заполненных матриц общего вида. В работе рассмотрен моделирующий пример расчета крутильных колебаний валовой линии СЭУ теплохода проекта 121 с дизелем 4190ZLC-2 мощностью 165 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин-1. Установлено, что в качестве критериев оценки и идентификации состояния элементов валовой линии следует рассматривать изменение параметров амплитудночастотной характеристики крутильных колебаний в процессе эксплуатации дизеля.

На основе анализа существующих моделей прогнозирования технических объектов осуществлен выбор конкретных прогнозирующих функций для определения остаточного ресурса основных элементов судового дизеля.

В третьей главе «Методология определения величин диагностических параметров. Выбор числа объектов исследования» изложена методология определения величин диагностических параметров РММ, проведено обоснование выбора числа объектов исследования, рассмотрены методика и результаты стендовых измерений параметров КК валовой линии при помощи автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса БАГС-4.

Спектральный анализ концентраций продуктов износа и кремния в РММ проводился на фотоэлектрическом спектрометре МФС-5, согласно ГОСТ 20759-81. Для определения других физико-химических показателей РММ, принятых в качестве диагностических параметров, также использовались стандартные методики и аттестованные приборы и оборудование.

По результатам статистического анализа экспериментального материала, полученного с 25 дизелей 6ЧРН 36/45, установлено, что распределения всех величин наиболее хорошо согласуются с законом гамма – распределения.

Для такого распределения рассчитано необходимое число контролируемых дизелей. Для относительной ошибки 0,15 с вероятностью P=0,95 расчетами было установлено N = 49 дизелей, а число проб масла с одного дизеля N = 5 при периодичности отбора 200 часов. В последующие навигации все дизели Г70-5 буксиров-толкачей типа «ОТ-2000» и М400, М401А-1 скоростных судов типа «Заря», «Восход», «Ракета», «Метеор» (более 50 единиц) были охвачены мониторингом их состояния по параметрам РММ, что позволило получить достаточно надёжные и обоснованные результаты исследования.

Для измерения динамических характеристик эксплуатируемых валовых линий судовых дизелей использовался портативный автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс БАГС-4, разработанный в лаборатории «Динамика и прочность судовых конструкций» кафедры «Сопротивления материалов» ФБОУ ВПО НГАВТ [56]. Стендовые испытания комплекса БАГС-4 проводились на экспериментальной установке, изготовленной на базе токарно-винторезного станка 1А616. Валовая линия состояла из коленчатого вала ДВС «ВАЗ- 2108» и промежуточного вала, зажатых в патрон токарного станка и поджимаемых его задней бабкой. Частота вращения валовой линии задавалась с помощью вращения шпинделя токарного станка. Измерения КК производились с коленчатым валом без наработки и с коленчатым валом, имеющим наработку более 4000 часов. Обработка записи измереAnalyzez@»

ний выполнялась с помощью программы электронновычислительного комплекса БАГС-4. Результаты испытаний показали значительное снижение усталостной прочности коленчатого вала с наработкой по сравнению с валом без наработки.

В четвёртой главе «Результаты моделирования алгоритмов диагностирования среднеоборотных дизелей по параметрам работающего масла» представлены результаты математического моделирования и оптимизации обучающихся алгоритмов диагностирования и прогнозирования состояния основных элементов среднеоборотных дизелей 6ЧРН 36/45 (Г70-5) теплоходов «ОТ-2000». Моделирование обучающегося алгоритма диагностирования осуществлено на примере цилиндровых втулок среднеоборотных дизелей Г70-5 теплоходов типа «ОТ-2000». Дизели с овальностью всех втулок меньше предельной величины пр 0,5 мм относились к исправному состоянию D1, а дизели, у которых овальность цилиндровых втулок, хотя бы у одного цилиндра, достигала или превышала величину пр, составили подмножество дефектного состояния D2. В соответствии с таким разделением формировались массивы данных анализов масла {K ji / D1} и {K ji / D2 }. По результатам проведенного вероятностно-статистического анализа было установлено, что эмпирические массивы данных как исправного, так и дефектного и общего состояний дизелей наиболее хорошо аппроксимируются законом гамма – распределения. В работе дано теоретическое обоснование физической картины формирования закона гамма – распределения.

На основе полученных результатов численного эксперимента проведено компьютерное моделирование расчёта предельных и допустимых нормативов диагностических параметров.

Корреляционно-регрессионный анализ связей между основными и дополнительными диагностическими параметрами позволил сформировать логический базис «параметры – состояние» для диагностики основных трущихся деталей дизеля и его систем, который использовался на втором этапе моделирования обучающегося алгоритма диагностирования состояния цилиндровых втулок (разрешение «зоны неопределенности»). Для концентрации железа и дополнительных параметров масла М10В2 дизелей Г70-5 установлена значимость всех расчетных коэффициентов корреляции, что послужило достаточным основанием для привлечения в алгоритм диагностирования состояния деталей ЦПГ всех рассматриваемых нами параметров РММ.

В соответствии с теоретическими положениями, изложенными во второй главе, был проведён численный компьютерный эксперимент по выявлению характера изменения экспериментальных величин частной и общей диагностической ценности рассматриваемых параметров в зависимости от различного числа разбиений их значений на равномерные статистические инM тервалы. Установлено, что это изменение наиболее хорошо описывается экспоненциальной зависимостью. Определение оптимального числа интервалов производилось итерационным методом путём сравнения приращения расчётных величин диагностической ценности двух смежных интервалов с величиной доверительного интервала средней ошибки аппроксимации. По результатам оптимизации диагностической ценности параметров сформирована диагностическая матрица, обеспечивающая эффективное использование обучающегося в процессе эксплуатации дизелей вероятностного алгоритма диагностирования. Разработанный алгоритм диагностирования представлен схемой последовательности операций. В работе даны практические рекомендации по его применению.

В основу математической модели прогнозирования нами положена только одна из составляющих баланса – концентрация продуктов износа основных деталей. Разработка прогнозной модели осуществлена по результатам экспериментального материала для цилиндровых втулок, полученного с 14 исправных дизелей Г70-5, работавших на масле М10В2. Установлена довольно тесная корреляционная зависимость средней скорости изнашивания втулок от средней концентрации железа в масле, представленная линейной регрессионной моделью с коэффициентом корреляции r 0,912. При этом абсолютная погрешность аппроксимации для уровня доверительной вероятности составила величину g ср 5, 4 103 мм/тыс. ч, а средняя относительная ошибка g ср 11,5%. Для принятых уровней ошибки «пропуска дефекта»

уст 0,10 и ошибки «ложной тревоги» уст 0,16 установлены допустимая величина средней концентрации железа, равная 80 г/т, и соответствующая величина допустимого износа Uдоп = 0,214 мм. С учетом сезонности работы судов речного флота Сибири и Дальнего Востока, локальный прогноз осуществлен на период следующей навигации. Получена рабочая прогнозная формула. Кроме того, на основе линейной корреляционной зависимости между общей загрязненностью и концентрацией железа K Fe в РММ получена рабочая прогнозная формула для оценки ресурса дизеля по общей загрязненности РММ. Апостериорные расчеты по установленным формулам подтвердили высокую достоверность прогноза (86%).

В пятой главе «Результаты моделирования алгоритмов диагностирования высокооборотных дизелей по параметрам работающего моторного масла» рассмотрены результаты моделирования и оптимизации алгоритмов диагностирования высокооборотных дизелей 12ЧСН 18/20 (М400, М401А-1) скоростных судов. Анализ условий эксплуатации показал, что они работали в среднем в режиме, оставляющем около 65% от номинального режима. Установлено, что для всех комбинаций режимов и модификаций дизелей не было достаточных оснований принять гипотезу о значимости расхождений между их дисперсиями и средними величинами наработки на отказ деталей ЦПГ и рассматриваемые распределения следует отнести к одной и той же генеральной совокупности. При эксплуатации контролируемых дизелей применялось топливо марки ДС по ГОСТ 4749-73. Для смазки использовалось масло двух сортов: М16В2 (ТУ 38-10235-74) и М20В2 (ТУ 38-101166Так как нормативный расход масла на угар у дизелей 12ЧСН 18/20 в 1, раза выше, чем у дизелей Г70-5, то при исправном состоянии дизелей 12ЧСН 18/20 концентрация продуктов износа теоретически должна стабилизироваться на более низком уровне, чем в дизелях Г70-5. Анализ экспериментального материала показал, что концентрации железа у дизелей 12ЧСН 18/20 действительно в 1,5 2 раза ниже, чем у дизелей Г70-5.

Математическое моделирование и расчёты диагностических нормативов дизелей 12ЧСН 18/20 было осуществлено на базе научно-методологических разработок, полученных для дизелей Г70-5. По результатам вычислительного эксперимента установлено, что наиболее обоснованным (как и для дизелей Г70-5) является гамма-распределение. Так как контролируемые дизели 12ЧСН 18/20 имели ряд существенных конструктивных отличий и работали на различных сортах масел (М16В2, М20В2), исследовалось влияние этих факторов на величины диагностических нормативов. Было установлено, что условия эксплуатации, режимы работы и условия работы узлов трения дизелей, работавших на различных сортах масел, в среднем примерно одинаковые и нет существенных различий в скорости изнашивания деталей и в изменении физико-химических свойств РММ, характеризующихся рассматриваемыми параметрами. Рассчитанные значения диагностических нормативов могут быть использованы для диагностики дизелей 12ЧСН 18/20 различных модификаций, работающих на различных сортах масел.

Для разработки методики диагностирования высокооборотных дизелей по расходу масла на угар g у были проведены широкие исследования по оценке стохастической связи между техническим состоянием ЦПГ и угаром масла для дизелей 12ЧСН 18/20. В статистическую выборку величин угара масла вошли примерно в равном количестве новые дизели, дизели после одной-двух профилактических разборок-сборок и дизели, прошедшие один и два капитально-восстановительного ремонта. Диапазон варьирования общей наработки дизелей в количестве 57 единиц, работающих на масле М20В 2, составил от 1,020 до 7,294 тыс. ч. По результатам вычислительного эксперимента установлено, что для распределения величин g у лучше всего подходит смещённый закон гамма – распределения. Кроме того, сравнение вероятностно-статистических характеристик показало, что угар масла в дизелях М в среднем на 24% выше, чем в дизелях М401А-1.

Исследованиями диагностической ценности угара масла установлено, что он является довольно информативным диагностическим параметром состояния деталей ЦПГ дизелей. Для сравнения отметим, что в полученных ранее результатах наибольшую информативность при оценке состояния ЦПГ дизелей Г70-5 имеют: средняя концентрация железа (0,353), температура вспышки (0,097) и общая загрязненность масла (0,084). Кроме того, установлено, что величина информативности угара масла (0,241) дизелей М401А- на 21% больше, чем для дизелей М400. На основе полученных результатов были рассчитаны диагностические нормативы угара масла для оценки состояний деталей ЦПГ дизелей 12ЧСН 18/20.

В диссертации разработаны математические модели прогнозирования ресурса деталей ЦПГ дизелей 12ЧСН 18/20 по угару и комплексу ПРМ. Для получения прогнозной модели по угару масла статистические данные аппроксимированы полиномами первой и второй степени по методу наименьших квадратов. Анализ полученных результатов показал, что обе модели для всех типов дизелей адекватно описывают опытный материал. Исходя из системного принципа простоты, в качестве рабочей была принята линейная модель прогнозирования. По результатам накопленного экспериментального материала в диссертации получены прикладные прогнозные формулы для исследуемых дизелей:

В математическую модель прогнозирования по комплексу ПРМ обоснованно включены средние величины концентрации железа в масле, угара масла и наработка дизеля. Для поиска подходящей математической модели прогнозирования было проведено трёхфакторное полиноминальное моделирование опытного материала. Массив опытных данных был аппроксимирован полными и неполными линейными и квадратичными и моделями. Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о наибольшей приемлемости полной квадратичной модели, у которой индексы корреляции для дизелей М400 и М401А-1 исправного состояния соответственно составляют величины 0,78 и 0,96, а относительные вероятные ошибки аппроксимации – 7,5 % и 3,92 %. Для других моделей эти величины несколько ниже. Исходя из системного принципа простоты, для практического использования рекомендованы линейная и неполная квадратичная модели.

По результатам математического моделирования в диссертации разработаны прикладные прогнозные формулы. Адекватность разработанных моделей прогнозирования остаточного ресурса дизеля проверялась на опытном материале. Апостериорная достоверность прогнозирования составила, например, для линейной модели величину, равную 89 %, при выбранной ошибке второго рода 0,05.

В шестой главе «Моделирование алгоритмов диагностирования основных элементов валовой линии судовых дизелей по параметрам крутильных колебаний» представлены результаты моделирования алгоритмов диагнстирования коленчатого вала дизелей 6NVD26A-3 теплоходов проекта 1741А по параметрам крутильных колебаний. Для обоснования выбора диагностических параметров и критериев проведены расчеты собственных частот и относительных амплитуд валовой линии дизеля; осуществлены оценка и идентификация технического состояния силиконового демпфера; исследована информативность амплитудно-частотной характеристики спектрограммы;

разработаны математическая модель и методика прогнозирования остаточного ресурса коленчатого вала дизеля по средней амплитуде спектрограммы КК валовой линии СЭУ.

Измерения крутильных колебаний эксплуатируемых дизелей проводились при помощи автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса БАГС-4 в соответствии с программой по торсиографированию валопроводов, согласованной с Западно-Сибирской инспекцией Российского Речного Регистра. Расчёты собственных частот и относительных амплитуд десятимассовой крутильной схемы осуществлялись методом математического моделирования в программном пакете MathCAD версии 13. Исходя из максимального порядка рассматриваемых гармоник (равного 12) и максимальной частоты вращения коленчатого вала дизеля 1000 мин-1, была установлена максимальная граница рассматриваемых частот колебаний, равная 200 Гц. Для определения работы возмущающих моментов в диссертации были построены графики их развития в зависимости от частоты вращения коленчатого вала дизеля. Показано, что с увеличением частоты коленчатого вала работа возмущающих моментов возрастает, а с увеличением порядка гармоники она уменьшается.

По результатам эксплуатационного мониторинга произведена идентификация технического состояния демпферов. Дизели с работоспособными демпферами были отнесены к исправному D1 техническому состоянию, а дизели, у которых была нарушена нормальная работа демпфера (заклинивание инерционной массы в корпусе, повышенная температура и отсутствие демпфера в валовой линии), – к дефектному D2 состоянию. Математическая обработка массивов спектрограмм различных состояний, отснятых в течение двух навигаций с 14 дизелей при одинаковой диагностической частоте вращения коленчатого вала (600 мин-1), показала существенное различие их статистических характеристик. Установлено, что среднее значение амплитуды A по массиву данных дефектного D2 состояния в 2,85 раз превышает такой же уровень амплитуд колебаний валопровода исправного D1 состояния демпфера. На этом основании в качестве диагностического параметра состояния демпфера принята величина средней амплитуды A крутильных колебаний.

Исходя из гипотезы нормального распределения величин средних амплитуд A спектрограмм, установлены допустимый и предельный нормативы для оценки состояния демпфера при уровне надёжности P=0,95. Кроме того, детальный анализ спектрограмм показал, что у валов с дефектным состоянием демпфера амплитуды крутильных колебаний в установленном диапазоне частот от 0 до 200 Гц в районе собственной частоты 54,031 Гц одноузловой формы колебаний и собственной частоты 71,490 Гц двухузловой формы колебаний в три и более раз превышают величины амплитуд на тех же частотах в валах с исправными демпферами.

В соответствии с методикой оценки диагностической ценности параметров, принятой в наших исследованиях, проведены расчеты диагностической ценности параметров КК спектрограммы в распознавании состояния демпфера крутильных колебаний. Установлено, что диагностическая ценность относительных амплитуд для всех интервалов частот достаточно равномерно распределена по массиву экспериментальных данных. При этом величины частной диагностической ценности Z D2 ( Aj ) для дефектных состояний демпфера в среднем в 2,44 раза превышают аналогичные величины Z D ( A j ) исправных состояний. Среднее значение общей диагностической ценности амплитуд крутильных колебаний, равное 0,842 бит, в 2,3 раза превышает аналогичное значение для средней концентрации железа в масле дизелей Г70-5 (0, бита).

Теоретический анализ и полученные результаты экспериментальных исследований показали, что весь комплекс явлений, составляющих существо процесса накопления усталостных повреждений при циклических нагрузках, приводит к росту интенсивности крутильных колебаний валовой линии дизеля. В качестве критерия накопления усталостных повреждений была принята средняя амплитуда A спектрограмм крутильных колебаний, снимаемых с исправных дизелей 6NVD26-А3. Обработка массива экспериментального материала методом наименьших квадратов позволила установить наличие довольно тесной зависимости, представленной линейной регрессионной моделью. На основе полученной математической модели разработан алгоритм линейного прогнозирования остаточного ресурса коленчатого вала дизеля и получена рабочая прогнозная формула.

В седьмой главе «Практическая реализация комплекса исследований»

рассмотрено краткое описание внедренной в ЗСРП по результатам диссертационной работы системы диагностирования судовых дизелей методом комплексного анализа РММ. Приводится расчет экономической эффективности от внедрения диагностики судовых дизелей по комплексу ПРМ. Показана экономическая эффективность от внедрения диагностики судовых дизелей по комплексу параметров работающего моторного масла в ЗСРП. Основные результаты диссертационной работы приняты к внедрению в ОАО «Томская судоходная компания». Кроме того, результаты работы рекомендованы к внедрению на судах Западно-Сибирского региона Западно-Сибирским филиалом ФГУ «Российский Речной Регистр» и используются в учебном процессе при подготовке специалистов судомеханической специальности для речного и морского флота в Новосибирской государственной академии водного транспорта [47, 49, 50]. Теоретические, экспериментальные результаты и научно-технические решения настоящей работы легли в основу разработанного ЗСРП нормативного документа «Стандарт предприятия. Система диагностирования дизелей по методу комплексного анализа смазочного масла.

СТП 314.536.0-01-88 [162] и «Рекомендаций по диагностированию коленчатого вала судового дизеля по параметрам крутильных колебаний» [50].

В общих выводах и заключении сформулированы основные выводы и результаты выполненных исследований и разработок.

В приложениях представлены четыре акта внедрения результатов диссертационной работы.

Завершая данный раздел, автор выражает искреннюю признательность и благодарность всем сотрудникам, без участия которых невозможно было выполнение настоящей диссертационнной работы.

ГЛАВА 1 ТЕХНИЧЕСКАЯ ДИАГНОСТИКА ДВИГАТЕЛЕЙ

ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ: СОСТОЯНИЕ, ПРОБЛЕМЫ

И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Значение, роль и место технической диагностики основных элементов судовых дизелей в системе технической эксплуатации флота речного пароходства В настоящее время на судах речного флота в качестве главных двигателей наибольшее распространение получили (более 90% суммарной мощности транспортного флота) получили среднеоборотные (n = 300–750 мин-1), повышенной оборотности (n = 750–1500 мин-1) и высокооборотные (n мин-1) дизельные двигатели внутреннего сгорания (ДВС) отечественного и зарубежного производства [33, 38, 102, 114, 154, 155, 157]. Дизели речных судов, в отличие от дизелей морского флота, – четырёхтактные, тронковые.

Они имеют замкнутую систему смазки и, как правило, с «сухим картером».

Диапазон мощностей этих машин достаточно широк: от 110 до 1100 кВт.

В связи с неоднородностью изготовления и многофакторным влиянием условий эксплуатации на работу главных судовых дизелей, текущие значения параметров их технического состояния и ресурсные показатели изменяются довольно в широких пределах. Действительные сроки проведения профилактик и ремонтов судовых дизелей речного флота совпадают с нормативными сроками всего на 20-30%, а остальные дизели либо перерабатывают, либо не дорабатывают установленный ресурс [33, 123, 171].

Разборка ДВС для определения его фактического состояния в процессе эксплуатации (за редким исключением) нецелесообразна в виду неизбежного увеличения скорости износа деталей за счёт последующей их приработки, а также увеличения затрат на демонтажно-монтажные работы. Например, по данным работ [108], после частичной разборки автомобильного двигателя концентрация продуктов износа в масле, свидетельствующая об интенсивности изнашивания деталей, повышается в 2,5 – 3 раза.

Период эксплуатации современных дизелей речного и морского флота между моментом окончания приработки и началом прогрессивного износа деталей довольно велик. Поэтому для многих деталей характерно плавное изменение структурных параметров вследствие накопления микроповреждений износного и усталостного характера. Принято такие отказы называть постепенными [33, 69, 80].

Кроме этих изменений, происходящих в конечной стадии эксплуатации и являющихся следствием постепенных процессов изнашивания (в период установившихся износов), возможны флуктуации процесса [33, 71, 124, 168, 169], обусловленные резким изменением эксплуатационных условий. Эти условия могут вызвать как внезапные, неподдающиеся прогнозу отказы (дискретные процессы), так и постепенные, но относительно быстро развивающиеся динамические процессы на сравнительно небольших участках наработки.

Следует отметить, что внезапные отказы можно определить лишь по форме их проявления, так как качественные изменения технического состояния ДВС (макроповреждения) проявляются в виде стуков, поломки коленчатого вала, задиров, подплавления подшипников и т.д. Следовательно, деление отказов на постепенные и внезапные в значительной степени условно и связано с уровнем знаний закономерностей изменения технического состояния, с применением средств диагностирования технического состояния дизелей и их конструкцией [33]. Так, например, если удастся изучить природу накопления усталостных повреждений элементов валовой линии дизеля, исследуя её крутильные колебания [49, 57, 76], то внезапные поломки вала можно предотвратить, переводя внезапный вид отказа в постепенный отказ.

В таблице 1.1 по данным ЛИВТ [33] приведена классификация отказов главных судовых дизелей, из которых видно, что около половины отказов (37 – 60%) среднеоборотных дизелей относится к постепенным отказам.

Таблица 1.1 – Классификация отказов судовых дизелей [33] Из общего числа постепенных отказов 50 – 60% (около 30% всех отказов) непосредственно зависит от качества и регулярности проведения технического обслуживания. Кроме того, в группе внезапных отказов, как указывают авторы работы [33], можно выделить подгруппу условно-внезапных отказов. К ним следует отнести отказы, возникающие из-за недостаточного знания закономерностей изменения технического состояния, отсутствия соответствующих диагностических приборов и др. Количество условновнезапных отказов по главным дизелям составляет около 20% от общего числа внезапных отказов (около 10% всех отказов). Следовательно, имеются предпосылки, вытекающие из закономерностей изменения технического состояния, уменьшения в перспективе отказов дизелей, по крайней мере, в 1, раза по сравнению с существующим уровнем вследствие сокращения постепенных и условно-внезапных отказов.

Таким образом, рассматривая находящийся в эксплуатации двигатель как материальную систему, мы всегда оказываемся перед фактом её постепенной деградации под действием многочисленных случайных факторов.

Снизить скорость деградации, предотвратить отказы можно в процессе технического обслуживания и ремонта дизелей с помощью средств диагностирования.

В СССР в этом направлении на речном флоте были достигнуты существенные результаты. Была внедрена и развивалась система плановопредупредительного ремонта судов, организовано береговое техническое обслуживание, распространялся агрегатный и агрегатно-узловой методы поддержания и восстановления их работоспособности. Была создана отраслевая система сбора, обработки и анализа информации о неисправностях и отказах судовой техники. На её основе внедрялась система непрерывного технического обслуживания судов внутреннего плавания, обеспечивающая существенное повышение эффективности работы на водном транспорте [18, 33, 102, 189, 190].

Особое внимание уделялось разработке и внедрению методов и средств диагностики судовых машин и механизмов [33, 47, 52, 98, 189], основной задачей которой является получение объективной информации о техническом состоянии эксплуатируемых объектов [23, 33, 58, 128, 129, 135, 138]. При этом техническая диагностика рассматривалась в системе ТЭФ в качестве научно-информационной базы, обеспечивающей существенное повышение эффективности работы речного транспорта [33, 47, 98, 189, 190].

В настоящее время в связи с переходом к рыночным условиям хозяйствования произошёл резкий обрыв налаженных технико-экономических связей как у нас в стране, так и со странами-изготовителями дизелей (Германия, Чехия и др.). Количество эксплуатируемых судов резко сократилось, произошло дробление флота, пароходства хронически испытывают дефицит денежных средств.

Кроме того, на водном транспорте сложилась тревожная ситуация, связанная с состоянием основного парка дизелей, отработавших назначенный ресурс. Средний возраст судов транспортного речного флота превышает сегодня 25 лет [118, 123]. Нельзя не согласиться с мнением автора работы [123], что выход из сложившейся ситуации сегодня видится только один – продление срока эксплуатации дизелей, их ремонт и замена по фактическому состоянию. Для этого необходим комплекс диагностических мероприятий, позволяющих оценить фактическое техническое состояние двигателя и прогнозировать время (хотя бы в первом приближении) до наступления дефектного состояния. Следует только определиться – из чего должен состоять комплекс этих диагностических мероприятий? При этом, безусловно, нельзя опускать из виду, обсуждавшие выше финансовые проблемы.

Таким образом, можно сделать вывод, что в настоящее время проблема разработки методов и средств безразборной оценки состояния судовых дизелей (мониторинга) с целью обеспечения их надёжности и ресурсосберегающей эксплуатации остаётся весьма актуальной. Конечно, при этом не следует преувеличивать влияние диагностирования на существующие системы технического обслуживания и ремонта флота. Это, по мнению авторов работы [32], может привести к недооценке важности и перспективности регламентных обслуживаний и ремонтов многих механизмов, устройств и систем, обеспечивающих безопасность плавания судна.

Причины и характер отказов и неисправностей, лимитирующих надёжность и долговечность судовых дизелей речного и морского флота, достаточно подробно проанализированы и описаны в работах [33, 94, 110, 161, 167, 171]. Общепризнано, что ЦПГ является основным (критериальным) узлом, определяющим межремонтный период большинства ДВС (в том числе судовых дизелей), а коленчатый вал лимитирует ресурс двигателя в целом [17, 33, 59, 69, 74, 76, 80, 85, 94, 117, 126, 167, 171].

Наиболее полная, на наш взгляд, классификация методов диагностики состояния деталей ЦПГ судового дизеля приведена в работах [32, 94, 98].

Износ деталей этой группы приводит к повышению расходов топлива и смазки, снижению мощности, ухудшению пусковых характеристик двигателя и повышению температуры отходящих газов, что в конечном результате, значительно повышает эксплуатационные расходы.

С учётом широкого диапазона типов главных дизелей, эксплуатируемых на судах речного флота, в качестве объектов исследования нами рассматривались среднеоборотные (6ЧРН 36/45), повышенной оборотности (6NVD 26-A3) и высокооборотные (12ЧСН 18/20) дизели. Для обоснования выбора эффективных методов оценки технического состояния судовых дизелей в эксплуатации, создания на их основе моделей и алгоритмов диагностирования, необходимо провести обзор и анализ существующих методов и средств диагностики, касающихся в нашем случае основных трущихся деталей среднеоборотных и высокооборотных ДВС с замкнутой системой смазки и элементов валовой линии судовых дизелей.

1.2 Обзор и анализ работ по техническому диагностированию среднеоборотных и высокооборотных двигателей Работа любого двигателя сопровождается множеством сопутствующих физических процессов: изменение цвета выхлопных газов, распространение шума, вибрации, изменение температуры, накопление продуктов износа трущихся деталей в масле и др. Параметры этих процессов достаточно полно отражают техническое состояние и качество функционирования двигателя и содержат необходимую для диагностирования информацию. Их называют диагностическими параметрами [23, 33, 47, 49, 55, 64 – 66].

Методы диагностирования весьма разнообразны. Непосредственные измерения параметров технического состояния без полной или частичной разборки двигателя весьма ограниченны. Поэтому при диагностировании параметры технического состояния, как правило, измеряют косвенно, используя процессы, происходящие во время функционирования или в статических условиях. По видам диагностирования методы и средства диагностики подразделяют на функциональные и тестовые [33, 66] (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 – Принципиальные схемы диагностирования [33] Функциональные методы и средства диагностирования (СД) применяют во время работы дизеля (Д), на который поступают только рабочие воздействия. При тестовом диагностировании воздействие на двигатель (Д) поступают от средства диагностирования (СД).

Применительно к водному транспорту методы и средства диагностирования классифицируют на применяемые в судовых или стационарных условиях. Диагностирование дизелей на судах осуществляют во время хода или стоянки последних с помощью встроенных или внешних (переносных) средств. При этом на речных судах используют простейшие средства, а на крупных морских – автоматизированные системы диагностирования на базе ЭВМ. Стационарное диагностирование дизелей и их агрегатов выполняют на береговых производственных участках (БПУ), ремонтно-эксплуатационных базах (РЭБ) и судоремонтных заводах (СЗ) [33, 98].

Для выбора и разработки метода диагностирования какого-либо элемента дизеля необходимо иметь обобщённое логическое или аналитическое описание наиболее важных его свойств. Это описание (или диагностическая модель) должна включать перечень основных элементов (деталей, узлов и др.), определяющих исправность объекта диагностирования, соответствующие этим элементам структурные и диагностические параметры и связи между ними. Проведём обзор методов диагностики ЦПГ ДВС различного назначения в классифицированном виде применительно к структурно-следственной схеме (рисунок 1.2), составленной для ЦПГ судовых дизелей [33].

Большую группу диагностических параметров составляют показатели, основанные на анализе герметичности рабочих полостей и объёмов двигателя. К ним относятся следующие параметры: давление газов в цилиндре в конце такта сжатия [16, 59, 94]; количество и давление отработавших газов и прорывающихся в картер газов [59, 80, 103, 124, 126]; падение давления воздуха, подаваемого компрессором в проверяемый цилиндр [16, 33, 80, 102, 104].

Рисунок 1.2 – Структурно-следственная схема ЦПГ дизеля [33] В качестве критерия оценки общего состояния ЦПГ служит расход масла на угар [17, 47, 59, 80, 94, 111, 126, 170], так как с увеличением зазоров в сопрягаемых деталях ЦПГ расход масла, как правило, возрастает.

С увеличением износа деталей ЦПГ снижается эффективность и экономичность двигателя, которые оцениваются расходом топлива, мощностью, крутящим моментом, временем разгона коленчатого вала в установленном диапазоне частот вращения, индикаторными показателями цилиндров и изменением частоты вращения коленчатого вала под нагрузкой, создаваемой неработающими цилиндрами [33, 80, 94, 125, 154, 157].

В качестве критерия оценки состояния кривошипно-шатунного механизма (КШМ) служат: давление масла в системе смазки [33, 80] и его расход через подшипники [94, 100].

Для непосредственного измерения зазоров и степени изнашивания деталей ЦПГ и КШМ применяются приборы с встроенными сигнализаторами и датчиками [100], стоимость которых достаточно велика и сопоставима со стоимостью самого двигателя [104]. Для замера зазоров в деталях ЦПГ и КШМ в ЛИВТ разработан метод диагностирования при помощи прибора ПЗМ [18, 33].

Качественный контроль состояния внутренних поверхностей ЦПГ осуществляется визуальными методами при помощи бороскопов и эндоскопов [29, 94, 101], позволяющих уточнить или подтвердить фактическую причину неисправности узла.

Для оценки состояния ЦПГ и КШМ, а также других механизмов двигателя в настоящее время активно разрабатываются и внедряются в практику эксплуатации ДВС различного назначения (в том числе судовых дизелей) методы диагностики по виброакустическим показателям [8, 11, 12, 80, 86, 94, 183, 186, 196, 204, 213]. При этом используются: общий уровень шума, критерии частотной и амплитудной характеристик акустического сигнала, скорости нарастания энергии вибраций, смещение скорости и ускорения вибраций в соответствующей полосе частот, амплитуды и смещения фазы импульса. Использование виброакустического метода сопряжено, как правило, со значительными трудностями, связанными с необходимостью выделения полезного сигнала на фоне шумов и с применением сложной, дорогостоящей аппаратуры.

Большое внимание уделяется исследованию и разработке методов и средств диагностирования ДВС по параметрам теплового поля рабочих сред и деталей. Так, например, измерения температуры деталей даёт возможность дифференцированно определить состояние сопряжений ЦПГ и механизма газораспределения [134, 140].

По результатам анализа отработанных газов двигателя можно сделать заключение о характере и условиях протекания процесса сгорания, а по величине коэффициента избытка воздуха – оценить максимально допустимый износ деталей ЦПГ [33, 78, 94, 95, 100].

Для определения фактического износа узлов трения двигателей используются результаты анализов смазочного РММ, основу которых составляют концентрации продуктов износа в нём, определяемые различными способами [28, 34, 38, 62, 71, 91, 96, 108, 139, 185, 191]. Дополнительную информацию о качестве РММ несут его различные внутренние свойства, характеризуемые такими физико-химическими показателями, как кинематическая вязкость, содержание воды, водородный показатель, щелочное число и др. [25, 38, 71, 85, 117, 139, 168 – 172].

Для оценки технического состояния деталей, омываемых маслом, судовых дизелей и авиационных газотурбинных двигателей широкое распространение получили способы контроля стружки в масле, указывающей непосредственно на дефектное состояние двигателя [75, 99, 101, 130]. Применяемые при этом сигнализаторы имеют один существенный недостаток, который связан с ложным срабатыванием из-за накопления смолистых веществ в РММ, различного рода загрязнений и прочих помех. Кроме того, эти детекторы фиксируют сам факт дефекта, но не позволяют прогнозировать развитие процесса, вызвавшего появление этой стружки.

Анализ исследований и разработок по применению методов и средств диагностирования ДВС различного назначения показал, что ни один из них в отдельности не позволяет производить диагностику в полной мере и, как правило, они дополняют друг друга. Однако при этом большинство исследователей акцентирует внимание на необходимости первоочередной разработки методов диагностирования, основанных на использовании универсальных параметров, позволяющих решать задачи комплексного характера.

В соответствии с общими требованиями, сформулированными Б.В. Павловым, Я.Х. Закиным, Н.Л. Говорущенко и другими исследователями [23, 59, 83, 98, 127, 128, 138], совершенство того или иного диагностического параметра, положенного в основу метода диагностирования, определяется следующими условиями:

– однозначностью, которая заключается в том, что каждому значению диагностического параметра должно соответствовать вполне определённое значение структурного параметра или выходного процесса (состояния диагностируемого объекта);

– широтой поля изменения: диагностический параметр должен иметь возможно большое относительное изменение при абсолютном изменении структурного параметра;

– технологичностью измерения параметра, определяемой удобством подключения диагностической аппаратуры, простотой измерения и обработки результатов измерений;

– достаточной информативностью о состоянии контролируемого объекта.

Сравнивая по этим условиям рассмотренные выше методы, следует отдать предпочтение методу диагностики ДВС по параметрам РММ на основе определения в нём продуктов износа.

С применением этого метода соблюдается условие однозначности: каждому значению совокупности структурных параметров соответствует вполне определённая закономерность накопления продуктов износа в масле [28, 47, 62, 71, 91, 95, 96, 126, 131, 141, 185].

Сравнение по второму условию – относительному изменению значений параметров по достижению трущимися деталями предельной работоспособности – оставляет преимущество за методом определения продуктов износа в масле, как наиболее чувствительным при оценке состояния двигателя [71, 95, 184]. Так, Г.В. Спичкин, сравнивая диагностические параметры автомобильных двигателей, охарактеризовал параметр «содержание железа в масле», имеющий относительное изменение за период эксплуатации до 1800 %, как лучший показатель технического состояния [95].

С точки зрения третьего условия – доступности и удобства измерения – метод спектрального анализа продуктов износа в РММ, например, не требует присоединения измерительных датчиков или предварительных демонтажных работ на двигателе, а в судовых условиях – остановки дизеля. Отбор пробы масла занимает около пяти минут времени.

Особое место при выборе диагностических параметров отводится оценке их информативности. Несмотря на то, что при диагностировании ДВС используются различные диагностические параметры, до настоящего времени, тем не менее, отсутствуют общепризнанные количественные критерии для обоснования выбора диагностических параметров с точки их информативности.

Н.Л. Говорущенко [58], Л.Х. Закин и др. [83] для количественной оценки информативности параметров предлагают использовать энтропию – меру неопределённости состояний. В этом случае информативность параметра оценивается в двоичных единицах – битах.

Л.Г. Грицай и др. [72] предложили критерий информативности и рассчитали его значение для 34 симптомов по основным элементам судовых дизелей типа ДКРН 74/160-2 и 6Д76, включая: крышку цилиндра, поршень с кольцами, втулку цилиндра, впускной клапан, головные, мотылёвые и рамовые подшипники, коленчатый и распределительный валы, топливный насос и форсунки. На основании выполненных расчётов был сделан вывод о том, что наибольшей информативностью обладают виброакустические показатели. За ними следуют показатели смазочного масла, определяемые посредством спектрального анализа, и далее следует группа индикаторных показателей рабочего процесса, включающая следующие величины: среднее индикаторное давление Pi удельный индикаторный расход топлива g i, давление сжатия ( Pc ) частоту врашения коленчатого вала n, коэффициент избытка воздуха, температуру отходящих газов tог и некоторые другие.

Л.Н. Карпов и Е.А. Титов [93] для оценки информативности параметров используют информационный критерий, который, кроме количества информации, вносимой одним параметром, зависит также от «весомости параметра», включающей в себя коэффициент корреляции и трудоёмкость восстановления узлов. Эти авторы рассчитали информационный критерий для параметров при условии работы дизеля при постоянном положении рейки топливного насоса. В результате было установлено, что наибольшими значения информационного критерия обладают виброакустические показатели (0,390), показатели теплового состояния деталей (0,264) и показатели смазочного масла (0,213).

В качестве критерия для количественного сравнения основных наиболее часто применяемых методов технического диагностирования ДВС М. Л. Виницкий [52] предложил величину где I информационная мера, определяющая возможность метода диффе ренцировано различать изменения технического состояния поршня, втулки, колец и узлов (втулка и кольца, поршень и втулка); относительная точность измерения выбранного параметра;

относительная осреднённая чувствительность метода:

где осреднённая чувствительность метода, равная изменению величины измеряемого параметра; Pном номинальное значение параметра.

По мнению этого автора, предлагаемый критерий также не является универсальным, так как не учитывает времени анализа, стоимости и сложности применяемой аппаратуры и квалификации обслуживающего персонала. Вместе с тем, он подтверждает существующую в практике оценку информативности методов диагностирования. Так, коэффициент K имеет наибольшую величину, равную 17, для спектрального анализа РММ, метод измерения расхода топлива имеет K 10,5, а третье место с величиной K 8,5 занимает виброакустический метод.

В.М. Михлин [127], отмечая перспективность дальнейших исследований, связанных с развитием универсальных методов технического диагностирования ДВС (виброакустического, спектрального анализа РММ и теплового), указывает, что метод спектрального анализа РММ, уступая виброакустическому при поэлементном диагностировании, в то же время более информативен, прост и доступен при общем диагностировании машин, когда определяется общее состояние агрегатов, а также смазочного РММ. Недостатком метода диагностирования состояния двигателей только по анализу содержания продуктом износа в РММ является сложность выделения информации о состоянии отдельных трущихся деталей и узлов.

Проведённый в данном параграфе обзор и анализ существующих методов диагностирования ДВС позволил сделать вывод о наибольшей эффективности метода диагностирования по параметрам РММ, основанного на спектральном анализе продуктов износа. Этот метод в наибольшей мере отражает физическую картину процессов изнашивания и позволяет, наряду с оценкой состояния трущихся деталей, оценивать состояние самого РММ и некоторых систем двигателя в эксплуатационных условиях. Поэтому данный метод диагностики принят за основу в настоящей диссертационной работе.

Методам оценки состояния ДВС по параметрам РММ посвящено значительное число работ. Данный метод получил широкое распространение за рубежом [101, 197 – 202, 205 – 212, 215]. В нашей стране накоплен большой эксплуатационный опыт оценки состояния дизелей тепловозов [65, 133, 139, 144, 146, 185]. Система управления состоянием дизелей тепловозов по результатам анализов РММ внедрена практически на всех железных дорогах.

Достоверность диагностирования для дизелей 2Д100, 10Д100 составила около 84 %. Число незапланированных ремонтов сократилось в 2,5 раза, количество работ по проверкам состояния контролируемых узлов сократилось на 70% [92, 146]. В меньшей мере метод получил распространение для диагностики автомобилей [24, 59, 71, 80, 89 – 91, 95, 124, 168], тракторов [17, 69, 80, 96, 126, 141, 164, 184, 191] и газотурбинных двигателей самолётов [75, 112, 121, 137, 143, 178].

Сравнительно ограниченное использование метод диагностики по параметрам спектрального анализа РММ находит при эксплуатации судовых дизелей речного и морского флота [28, 34, 40, 47, 62, 115, 131, 147, 169, 180].

Объясняется это трудностями создания организационной структуры сбора, переработки и передачи диагностической информации на суда и в различные подразделения пароходств. Связано это также с отсутствием приемлемых и научно обоснованных, для условий эксплуатации судовых дизелей, методик определения необходимого набора диагностических параметров и правил принятия решений для оценки технического состояния дизелей по этим параметрам.

Для обоснования выбора методик определения диагностических параметров, разработки алгоритмов диагностирования и создания на их основе эффективной системы оценки и анализа технического состояния судовых дизелей речного флота необходимо провести обзор и анализ существующих методов и средств оценки состояния ДВС различного назначения по параметрам РММ.

1.3 Обзор и анализ методов и средств диагностирования двигателей внутреннего сгорания по параметрам Для оценки существующих методов диагностирования двигателей с использованием параметров РММ целесообразно рассмотреть их в классифицированном виде. В основу предложенной нами классификации (рисунок 1.2) входят методики определения диагностических параметров, их количество и алгоритмы диагностирования.

Среди основных трущихся пар двигателей практически одна из сопрягаемых деталей содержит железо. Концентрация его в РММ, независимо от технического состояния механизма, всегда выше концентрации остальных элементов, что позволяет более точно и просто определить его концентрацию. Поэтому ряд исследователей [91, 95, 96, 184] рекомендуют проводить диагностику автотракторных двигателей на основе анализа в РММ лишь одного элемента – железа. В работах [25, 28, 71, 108, 141, 164, 168, 169, 185] предлагается оценивать состояние автотракторных, тепловозных и судовых двигателей по комплексу основных элементов, входящих в состав различных деталей.

Рисунок 1.3 – Классификация методов диагностирования ДВС Многие исследователи [25, 47, 71, 117, 131, 168] с целью повышения информативности и достоверности оценки технического состояния трущихся пар, систем и самого РММ при постановке диагноза учитывают результаты дополнительных физико-химических показателей РММ и некоторые технико-экономические показатели работы двигателя (давление и расход масла, время вращения центрифуги и др.).

Для определения концентрации железа в РММ используется колориметрический анализ, который обеспечивает погрешность определения 2,5% и чувствительность до 1106 % [95, 191]. Метод этот трудоёмкий, и проведение одного анализа занимает от 3 до 8 часов.

Полярографический анализ позволяет определять содержание железа, меди, свинца и олова в масле при чувствительности 106 107 % и с погрешностью около 15%. Проведение на полярографе самого анализа не требует много времени, но приготовление растворов занимает от 6 до 10 часов [109].

Для наблюдения процесса изнашивания деталей разработан целый ряд приборов, принцип работы которых на изменении электропроводности масла в зависимости от содержания в нём ферромагнитных продуктов износа [34, 91, 95, 99, 101, 129]. Использование этих приборов позволяет производить оценку содержания железа в масле и занимает около 5 минут времени.

Вследствие влияния на электропроводность масла его температуры, изменения физико-химических свойств и других факторов эти методы обладают высокой погрешностью и являются приближёнными.

Появление крупных частиц в РММ свидетельствует о нарушении нормального процесса изнашивания деталей. В виду этого, разработан целый ряд специальных сигнализаторов и феррографов, определяющих размеры частиц и интенсивность их накопления в РММ [75, 101, 129]. Как уже было отмечено выше, эти детекторы фиксируют сам факт прогрессивного износа, но не позволяют прогнозировать развитие процесса, вызвавшего появление этих частиц. Однако по феррограммам с помощью микроскопа можно определить характерные особенности частиц. По частицам определяют виды изнашивания: абразивный, усталостный, коррозионный и др., так как размеры и форма частиц отличаются в различных фазах процесса изнашивания [131, 170].

Эмиссионный спектральный анализ даёт возможность одновременно определять концентрацию в РММ большого количества элементов. При этом чувствительность анализа отдельных элементов достигает 106 107 % при точности 5 35 % [71, 131, 166, 182]. Анализ пробы РММ на спектрографе занимает до 10 часов [107], а использование фотоэлектрических установок для экспрессного анализа позволяет сократить время определения содержания элементов до 5 минут [71, 184, 185]. По чувствительности этот метод анализа значительно превосходит даже косвенные методы эмиссионного спектрального анализа [2, 108, 168, 180].

Определение продуктов износа в РММ можно производить методом радиоактивных изотопов. Данный метод, обладая исключительно высокой чувствительностью 108 % и относительно малой погрешностью 16 %, позволяет осуществлять непрерывную регистрацию измерений работающего двигателя [108, 179]. Основными недостатками его являются сложность переоборудования двигателя для диагностики, высокая стоимость измерительной аппаратуры и потребность в биологической защите обслуживающего персонала. Количество определяемых элементов поэтому, как правило, ограничивается и не превышает двух. Предложенный Д.Г. Точильниковым дифференциальный радиоиндикаторный метод [179] выявил возможность применения этого метода для регистрации изменения износа судовых дизелей в эксплуатационных условиях. Тем не менее, сложность метода, дорогостоящее оборудование вряд ли явятся приемлемыми для дизелей речного флота.

При методе нейтронной активации [108] не требуется переоборудования двигателя для диагностики, так как проба РММ, взятая из него, облучается затем в реакторе мощным потоком нейтронов, после чего продукты износа становятся радиоактивными. Однако сама активация и расшифровка результатов представляет весьма сложную задачу. Данному методу присущи те же достоинства и недостатки, что и радиоиндикаторному методу.

С увеличением загрязнённости РММ различными примесями изменяется цвет масла. Это свойство положено в основу методов «масляного пятна» и измерения оптической плотности масла. При их помощи можно определить степень загрязнённости РММ продуктами сгорания, топливом, водой, механическими примесями и получить приближённую оценку состояния двигателя и его систем [47, 131, 133, 155, 169, 170].

Проведённый анализ существующих методов определения продуктов износа в РММ показывает, что каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. С учётом вышеназванных общих требований, предъявляемых к методам и способам определения диагностических параметров (параграф 1.2), следует отдать предпочтение методу эмиссионного спектрального анализа РММ. Этот метод не требует предварительного дооборудования дизеля для диагностики, совершенно безопасен, по точности и чувствительности не уступает радиоактивационному, полярографическому и другим методам. Высокая информативная способность, благодаря большому числу одновременно определяемых элементов, сохраняет преимущество за спектральным анализом и в сравнении с полярографическим, колориметрическим и другими способами.

Однако спектральный анализ имеет свои специфические особенности, заключающиеся в различии способов введения анализируемой пробы РММ в разряд (прямые и косвенные), регистрацией спектра излучения (фотографифическая и фотоэлектрическая), а также способами подсчёта концентраций элементов [108, 168, 185].

Отечественный и зарубежный опыт применения спектрального анализа РММ для диагностирования [28, 38, 71,108, 131, 144, 147, 185] показал, что для оперативного эксплуатационного мониторинга большого количества двигателей наиболее эффективно применение установок с фотоэлектрической регистрацией спектра (спектрометров) в сочетании с прямым введением пробы масла в разряд, например, по методу вращающегося электрода. В силу сказанного, в нашей работе при разработке системы диагностирования судовых дизелей нами было отдано предпочтение экспрессному спектральному анализу с применением спектрометров (квантометров) типа МФС-3, МФС-5, МФС-7 позволяющих одновременно определять в пробе от 9 до 16 элементов. Следует отметить, что в настоящее выпускаются более современные портативные эмиссионные спектрометры, предназначенные для экспрессного спектрального анализа продуктов износа ДВС различного назначения. Так, у нас в стране компания ДИАМАС поставляет диагностический центр MetallChek для определения металлов в масле. Этот центр позволяет одновременно определить стандартный набор десяти элементов: алюминия (Al), хром (Cr), меди(Cu), железа (Fe), свинца (Pb), олова (Sn), кремния (Si), калия (K), натрия (Na) и молибдена (Mo). По дополнительному заказу можно определять ещё десять элементов: никель (Ni), титан (Ti), марганец (Mn), ванадий (V), бор (B), магний (Mg), кальций (Ca), барий (Ba), фосфор (P), цинк (Zn).

Установка полностью автоматизированная, малогабаритная, снабжена компьютером с программным обеспечением соответствующим целям диагностики.

Таким образом, анализ вышеперечисленных литературных источников свидетельствует, что существует целый ряд алгоритмов диагностирования состояния ДВС по параметрам РММ. Учитывая, что процесс усталостного накопления продуктов износа в РММ, благодаря динамическому равновесию между их поступлением и удалением в результате фильтрации и угара масла, является саморегулирующимся [34, 108, 109, 133, 168, 175, 185], одни авторы при постановке диагноза больше внимания уделяют текущей концентрации, сравнивая её с допустимыми нормами, установленными по статистическим данным. При этом возможны случаи, когда не учитывается очистка и расход масла [164, 168], учитывается только расход масла [184] или только очистка масла [141], учитывается как расход, так и очистка масла [96]. Другие авторы [25, 95] больше внимания уделяют динамике изменения концентрации продуктов износа, третьи – учитывают оба фактора: уровень концентрации и динамику её изменения [71, 185].



Pages:   || 2 | 3 | 4 | 5 |
 
Похожие работы:

«Чигиринский Юлий Львович ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТЕЙ ПРИ МНОГОПЕРЕХОДНОЙ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ НА ОСНОВЕ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ ИНФОРМАЦИОННЫХ И МАТЕМАТИЧЕСКИХ СРЕДСТВ ПРОЕКТИРУЮЩЕЙ ПОДСИСТЕМЫ САПР ТП 05.02.08 – Технология машиностроения 05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами (в машиностроении) диссертация на...»

«УДК 533.695, 629.7.015.3.036 Кажан Егор Вячеславович Комбинированный метод численного решения стационарных уравнений Рейнольдса и его применение к моделированию работы воздухозаборника вспомогательной силовой установки в компоновке с фюзеляжем летательного аппарата Специальность 05.07.01 Аэродинамика и процессы теплообмена летательных аппаратов Диссертация на соискание учной степени кандидата...»

«Карапузова Марина Владимировна УДК 621.65 ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ КОНСТРУИРОВАНИЯ КОМБИНИРОВАННОГО ПОДВОДА ЦЕНТРОБЕЖНОГО НАСОСА Специальность 05.05.17 – гидравлические машины и гидропневмоагрегаты Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук Научный руководитель Евтушенко Анатолий Александрович канд. техн. наук, профессор Сумы – СОДЕРЖАНИЕ ПЕРЕЧЕНЬ...»

«Сидоров Михаил Михайлович Влияние ультразвуковой ударной обработки на механические свойства и перераспределение остаточных напряжений сварных соединений трубопроводов, эксплуатируемых в условиях Сибири и Крайнего Севера Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки...»

«Кикин Андрей Борисович РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ ДЛЯ СТРУКТУРНОКИНЕМАТИЧЕСКОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ РЫЧАЖНЫХ МЕХАНИЗМОВ МАШИН ЛЕГКОЙ ПРОМЫШЛЕННОСТИ Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (легкая промышленность) Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук V ;г, 7 Г.^ТЗ ~ \ Научный консультант ^' '^-^•'-^зн(-,1\^/1\. 1 и1'^А, 5 д.т.н. проф. Э.Е. Пейсах „, Наук Санкт-Петербург...»

«КАНАТНИКОВ НИКИТА ВЛАДИМИРОВИЧ ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОЦЕССА ЗУБОСТРОГАНИЯ ПРЯМОЗУБЫХ КОНИЧЕСКИХ КОЛЕС Специальность 05.02.07 – Технология и оборудование механической и физико-технической обработки Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук Научный руководитель доктор технических...»

«ШИШКОВ ВЛАДИМИР АЛЕКСАНДРОВИЧ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ РАБОЧИМ ЦИКЛОМ ДВУХТОПЛИВНЫХ И ОДНОТОПЛИВНЫХ ПОРШНЕВЫХ ГАЗОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ Специальность 05.04.02 – Тепловые двигатели. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук Научный консультант : доктор технических наук, профессор В.В. Бирюк Самара...»








 
© 2013 www.diss.seluk.ru - «Бесплатная электронная библиотека - Авторефераты, Диссертации, Монографии, Методички, учебные программы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.