ОСНОВЫ ТЕОРИИ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ В ЦИЛИНДРЕ ДИЗЕЛЯ § 1.1. Идеальный цикл дизеля 18 страница

Рассмотрим процесс реверсирования со скорости полного хода вперед принимаемой за единицу (v=7). Режим работы дви­гателя, соответствующий полному ходу судна, будет опреде­ляться точкой а. Процесс реверсирования можно разбить на три условных периода.

Первый период - при выключении подачи топлива на дви­гатель его частота вращения и частота вращения винта быстро падают до 60-70% частоты вращения полного хода п_Ном (точка Ь). В точке Ъ винт начинает тормозить движение судна, момент винта М_в - 0.

Второй условный период работы винта соответствует уча­стку кривой bed’ На этом участке винт приводится в движение набегающим потоком воды и работает как ротор гидротурбины, создавая отрицательный момент, который достигает макси­мального значения при снижении частоты вращения винта до п_в = (30-40%) п_ном переднего хода (точка с).

Отрицательное значение М_в при этом может достигнуть ве­личины 0,8-1,0 Меном полного переднего хода. При дальней­шем снижении частоты вращения (участок cd), отрицательный момент заметно уменьшается до значения момента - Md при частоте вращения, равной нулю (п_в = 0).

На участке bed быстрая остановка винта от п_в- (0,60-0,70) п_ном до п = 0 достигается подачей контрвоздуха в цилиндры дви­гателя.

На этом участке двигатель создает кру­тящий момент, доста­точный для преодоления наибольшего отрица­тельного момента винта, но, как ввдно из графи­ка, наиболее эффектив­ное и безболезное для двигателя торможение может быть достигнуто при меньших скоростях хода судна.

Третий условный период реверсирования винта наступает после точки d (рис. 9.7), после его остановки (п_в= 0) и изменения направле­ния вращения уже на задний ход.

Гребной винт, из­менив совместно с двигателем вращение в сторону заднего хода, по-прежнему бу­дет так как судно движется прежним курсом вперед создавае­мый винтом отрицательный момент будет снова расти. В этот период валопровод подвергается действию скручивающего мо­мента от двигателя и противоположно направленного момента винта, что может привести к значительным механическим пере­грузкам как самого двигателя, так и валопровода. Действие от­рицательного момента винта прекращается после того, как суд­но прекращает свое движение по инерции и начинает двигаться в требуемом направлении.

Практическое замечание: следует избегать быстро по­вышать частоту вращения двигателя на задний ход при ревер­сировании с полного или среднего хода судна.

При реверсировании двигателя и винта в условиях частич­ных скоростей хода судна характеристики имеют тот же вид, что и при V = 1 (рис. 9.7). Максимальный отрицательный мо­мент при этом уменьшается по мере уменьшения скорости хода судна, уменьшается и частота вращения, при которой винт на­чинает работать как гидротурбина.

Реверсирование винта при изменении хода судна с заднего на передний в общем случае сопровождается изменением вра­щающего момента, аналогичным рассмотренному ранее ревер­сированию с полного переднего хода на задний. Здесь отрица­тельный вращающий момент достигает максимальной величины во втором условном периоде кривой реверсирования. Так, при заднем ходе судна со скоростью V = 0,6 от полной скорости вра­щающий момент двигателя достигает значения М_еном уже при час­тоте вращения винта на передний ход, равной около +0,2 п_ном.

Глава 10

КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО состояния, ДИАГНОСТИКА, ОСНОВЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

§ 10.1. Принципиальные основы организации контроля и диагностики

Контроль, осуществляемый в период работы двигателя, включает наружные осмотры, периодически проводимые вах­тенным персоналом, и оценку его состояния и состояния обслу­живающих его систем на основе измерения и анализа ряда па­раметров, прямым или косвенным образом характеризующих их работу. Выбор параметров контроля определяется необходимо­стью иметь наиболее полную информацию о состоянии объекта с помощью относительно простых, надежных и доступных из­мерительных средств, к числу которых относятся термометры, термопары, манометры, расходомеры, счетчики оборотов и дру­гие приборы, штатно устанавливаемые на двигатель и обслужи­вающие его системы. Помимо этого, применяются дополни­тельные приборы, такие, как индикаторы, пиметры, максимет- ры, газовые анализаторы и др.

На судах ранней постройки контроль осуществлялся путем периодического обхода вахтенным персоналом всех работаю­щих механизмов, осмотра и ежечасной записи показаний штат­ных приборов в машинный журнал. В задачу персонала входило следить за тем, чтобы измеряемые параметры не выходили за верхний или нижний пределы или находились внутри допусти­мой области отклонений, ограниченной этими пределами. Реко­мендуемые значения параметров и их допустимые отклонения задаются в инструкциях или формулярах.

На ранней стадии развития автоматизированных систем контроля в целях облегчения сбора информации стали при­меняться измерительные приборы с дистанционными ука­зателями, сосредотачиваемыми у пульта управления двигателем. В последующем для исключения внезапности в изменении тех­нического состояния объектов контроля и предотвращения ава­рийных повреждений, связанных с внезапными отказами, была введена система аварийно-предупредительной сигнализации (СЦК), автоматически срабатывающая при выходе контроли­руемого параметра за допустимый предел (уставку).

По мере развития измерительной техники и средств ав­томатики были созданы системы централизованного контроля (СЦК), в которых, помимо индикации измеряемых величин, све­товой и звуковой сигнализации об отклонениях, была введена автоматическая регистрация измерений. Она построена на принципе последовательного обегания, при котором измери­тельное устройство центрального поста поочередно, со скоро­стью 1-10 точек в секунду, подключается к датчикам каждой из контролируемых величин.

Количество контролируемых параметров в ранних версиях этих систем могла достигать нескольких сотен. Однако, несмот­ря на столь большое число измерений, поступающая в СЦК ин­формация не всегда является достаточной для объективной оценки состояния двигателя и определения причины появления той или иной неисправности в его работе. Особенно затруднена оценка нарушений, вызываемых медленно развивающимися процессами механического и эрозионного изнашивания, хими­ческой, электрохимической и тазовой коррозии, процессами от­ложения на рабочих поверхностях накипи, нагара, асфальтово­смолистых и прочих соединений.

Чтобы наиболее полно и объективно оценить техническое состояние двигателя, его компонентов и систем, в дополнение к информации, получаемой от приборов СЦК, необходимо прибе­гать к непосредственному его освидетельствованию путем раз­борки и измерения геометрических размеров, зазоров, визуаль­ного осмотра рабочих поверхностей отдельных деталей и узлов.

Информационную ценность данных непосредственных из­мерений трудно переоценить, они служат основой для планиро­вания профилактических и ремонтных работ. Однако получение их сопряжено с необходимостью вывода двигателя из эксплуа­тации, его вскрытия и частичной разборки, что связано с затра­тами значительного времени и средств. Поэтому в последние годы все большее внимание уделяется разработке и внедрению в практику эксплуатации методов безразборной диагностики, с помощью которых можно было бы оценивать техническое со­стояние двигателей непосредственно в период их функциониро­вания, определять отклонения от нормальной работы и устанав­ливать причины этих отклонений.

В современных системах диагностики СДВС применяется метод функционального диагноза, направленный на решение задач проверки правильности функционирования и поиска не­исправностей двигателя непосредственно в условиях его экс­плуатации.

Современный дизель представляет собой сложный ком­плекс агрегатов, узлов, деталей, составляющих единое целое и в то же время участвующих в подчас независимых друг от друга процессах. Оценивать техническое состояние дизеля в целом посредством нескольких параметров - задача в силу сложности объекта практически неразрешимая, и поэтому из всего много­образия элементов и процессов выбираются те, от состояния которых в наибольшей степени зависят эффективность работы дизеля, его надежность и ресурс. С целью определения объектов диагностирования нами были проанализированы материалы ста­тистического анализа надежности ряда двигателей, находив­шихся в эксплуатации на судах различных серий. Из анализа видно, что наибольшее число повреждений приходится на крышки цилиндров (вставки), поршни, поршневые кольца, втулки цилиндров, крейцкопфные и мотылевые подшипники, топливную аппаратуру. Наименьшая наработка на отказ при­ходится на форсунки, поршневые кольца, крейцкопфные под­шипники, крышки цилиндров, клапаны и т. д.

Характерно, что к числу наиболее трудоемких работ отно­сятся операции по замене деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), относительная трудоемкость которых составляет 23,8% от затрат времени по всему двигателю. Отсюда следует, что в подобных двигателях в первую очередь автоматизации контроля и диагностики следует подвергнуть элементы ЦПГ, работоспо­собность которых в значительной мере определяется организа­цией, качеством протекания рабочего процесса в цилиндрах, в свою очередь зависящего от работы системы воздухоснабжения и топливоподачи. В дополнение к ЦПГ процессы в рабочих ци­линдрах также должны быть отнесены к объекту диагностиро­вания №1. На второе место выходят системы впрыска топлива и воздухоснабжения и процессы, в них происходящие.

Контроль за перечисленными процессами, обнаружение и своевременное устранение повреждений позволит не только по­высить надежность, но и даст возможность поддерживать на заданном уровне энергетические и экономические показатели двигателя.

Задача технической диагностики состоит в распознава­нии состояния технической системы на основе поступающей от датчиков информации, число которых обычно ограничено. Как правило, непосредственное определение параметров состояния (структурных параметров) затруднено, а информацию дают результаты косвенных измерений.

Так, например, плотность плунжерной пары определяется величиной зазора между втулкой и плунжером, измерить кото­рый в процессе функционирования насоса невозможно, но о плотности можно судить по величине максимального давления впрыска, скорости нарастания давления топлива в насосе, мо­менту достижения давления открытия иглы форсунки. Здесь за­зор является структурным параметром, непосредственное опре­деление которого затруднено. Косвенные параметры измерить значительно легче, а поскольку они несут определенную диаг­ностическую информацию о структурном параметре, то они ис­пользуются для диагностики, получив наименование диагно­стических параметров.

Состав и число диагностических параметров определяется составом подлежащих распознаванию состояний — структурных параметров. К числу требований, предъявляемых к диагности­ческим параметрам, относятся наряду с высокой информативно­стью относительная простота измерения, высокая точность. Ин­формативность в общем случае принято оценивать путем вы­числения энтропии системы, характеризующей степень ее неоп­ределенности. Чем большей информацией о принадлежности системы к определенному состоянию мы располагаем, тем меньше степень неопределенности нахождения системы в этом состоянии, тем меньше энтропия системы.

При оценке информативности диагностических пара­метров немаловажное значение имеет их чувствительность - реакция на изменение структурного параметра, представляющая собой отношение относительных изменений диагностического и структурного параметров. Иными словами, чем больше реагирует на изменение структурного параметра (на изменение техническо­го состояния системы) диагностический параметр, тем выше его чувствительность, тем на более ранней стадии представится воз­можным осуществить распознавание неисправности.

Алгоритмы (правила) распознавания основываются на диагностических моделях, устанавливающих связь между со­стояниями системы и их отображениями в пространстве диагно­стических сигналов. Получение диагностических моделей пред­ставляет собой наиболее сложную часть всего комплекса задач построения диагностического комплекса. Главная трудность заключается в установлении математических связей между из­менениями структурного параметра и его диагностическими признаками (параметрами). Для этого приходится прибегать к довольно сложным активным экспериментам непосредственно на объекте, дополняя их более просто реализуемыми активны­ми экспериментами на математических моделях с использова­нием ЭВМ.

Метод параметрической диагностики Обычно основывает­ся на анализе отклонений диагностических параметров от их эталонных значений.

Эталонные значения параметров должны отражать тех­нически исправное состояние двигателя и его компонентов при всех возможных вариантах внешних условий в практике его эксплуатации на судне и при всех вариациях режимов. Отсюда возникает необходимость располагать зависимостями, которые позволили бы находить значения всех эталонных параметров в функции режима и внешних условий работы компонента. Эти зависимости могут быть получены как на основе математиче­ского моделирования, так и с помощью эксперимента.

1. Метод математического (численного) моделирования для получения эталонных параметров удобен тем, что при нали­чии отлаженной математической модели может быть реализован без проведения трудоемких натурных экспериментов. При этом могут моделироваться такие условия, которые для реального двигателя могли бы оказаться опасными. Подробное изложение метода численного моделирования применительно к решению задач диагностирования изложен в Главе 6.

Экспериментальный метод предусматривает нахождение математических зависимостей эталонных параметров на основе данных активного эксперимента на технически исправном дви­гателе, полученных в достаточно широком диапазоне изменения режимных факторов. При этом в целях сокращения числа режи­мов рекомендуется выбирать их путем планирования экспери­мента в области, ограниченной диапазоном оборотов (от средне­го до полного хода) и нагрузок (от плавания в балласте до пла­вания в грузу при встречном ветре не более 4-5 баллов). На практике не всегда возможно воспроизвести все необходимые режимы, так как не всегда возможно воспроизвести все сочета­ния факторов. Так, например, невозможно во время эксперимен­та изменить барометрическое давление и температуру воздуха, осадку судна, силу встречного ветра и волнения. В этом случае недостающие данные могут быть дополнены статистическим материалом, накопленным при предыдущих испытаниях, но при условии, что двигатель находился в технически исправном со­стоянии. В этом состоит сложность реализации рассматриваемого метода в сравнении с методом активного эксперимента на мате­матической модели.

В общем виде уравнение, связывающее диагностический параметр (критерий у_х) с переменными факторами режима Х\ = УН (указатель нагрузки) и Х₂ = п, может быть представлено в виде полинома второго порядка: ¥_х = ао + а\Х\ + а₂х₂ + ацх? +

022*2 + а₁₂Х]Х₂.

Однако если сузить диапазон диагностируемых режимов, то, как показывает опыт, с достаточной для практики точностью можно ограничиться линейной связью У_х = а₀ + а₁х₁ + а₂х₂.

Расчет коэффициентов выполняется различными методами в зависимости от требований к аппроксимирующей функции. Наибольшее распространение нашел метод наименьших квадра­тов, при котором обеспечивается минимум сумм квадратов от­клонений аппроксимирующей функции от опытных точек.

Значения эталонных параметров, полученные с помощью уравнений, используются для вычисления отклонений измерен­ных значений параметров от эталонных АР = Р_изм-Р_этал• По ве­личине отклонений и определяется состояние исследуемого элемента.

Прежде чем приступить к сопоставлению измеренных па­раметров с эталонными, необходимо первые привести к стан­дартным условиям внешней среды. К числу внешних условий, оказывающих влияние на рабочие параметры двигателя, отно­сятся меняющиеся с изменением района плавания и погодных условий значения барометрического давления и температуры окружающего воздуха, температуры забортной воды.

Рекомендации фирм и данные стендовых испытаний, как правило, приводятся к следующим стандартным условиям, рекомендованным Международной Организацией Стандартов (ISO):

Р₀ = 0,1 МПа = 750 мм рт. ст.;

Т₀ = 27°С;

_t __ 770^.

¹:заб.в.

<Рашжн = 60%, Qf = 42,7 МДж.

Выход отклонений диагностических параметров от эталон­ных за рекомендуемые пределы свидетельствует о появлении неисправности и должны приниматься меры к ее выявлению и устранению. Для упрощения задачи выявления неисправности рекомендуется использовать заранее составленную матрицу не­исправностей, пример которой показан в нижеприведенной таб­лице 1.

Чтобы иметь возможность предсказать момент достижения исследуемым компонентом состояния, при котором дальней­шее его функционирование может привести к нежелатель­ным и опасным для двигателей последствиям. В ряде случаев

	Неисправности				• X 3 х за. 2 • 2 * * ч				§с 2 о

			В		В -		— н —

прибегают к оценке изменения параметра состояния во времени и на этой основе прогнозируют его изменение в будущем. Данные прогноза часто используют для назначения сроков тех­нического обслуживания и ремонта. Однако, известно, что точ­ность прогнозирования обратно пропорциональна расстоянию (времени), на котором осуществляется прогнозирование. Как показали наши исследования, в силу того, что на развитие про­цессов в двигателе влияет большое число факторов, которые практически невозможно учесть, дальнесрочное прогнозирова­ние ряда параметров может оказаться весьма неточным. Поэто­му для них рекомендуется ограничиваться средне-, а лучше, краткосрочным прогнозированием (до 500 часов).

При оценке экономичности работы двигателя принято исходить из сопоставления измеренного удельного расхода топлива на заданном режиме с расходами, полученными при ходовых испытаниях судна на аналогичном режиме работы двигателя.

Удельный расход топлива подсчитывается по результатам измерения:

• объема израсходованного топлива В_нзм м /ч, отнесенного к часу работы двигателя;

• эффективной мощности N_e в кВт.

ge = В_измРт /N_e кг/кВт, час где р_т - плотность топлива при температуре в месте установки расходомера.

Поправка на удельный расход топлива сводится к пересче­ту полученного расхода исходя из соотношения теплоты сгора­ния фактической Ор^нф к стандартной Q_P^H = 42707 кДж/кг:

ge привед g^uiM Qh ф / Qh cm / кВт. Час,

Фактическая теплота сгорания используемого топлива может быть подсчитана по следующему выражению

О/ф = (46,7-8,810 V/5+ 11710' ^Зр,₅) [1 - (х + у + S)] Дж/кг

В этом выражении: р}$ плотность топлива при 15°С, кг/м ; х, у, S массовые доли содержания в топливе воды, золы и серы, выраженные в процентах, деленных на 100.

§ 10.2. Основы технического обслуживания двигателей, повышение эффективности их эксплуатации и предотвращение отказов

10.2.1. Системы технического обслуживания

В последнее десятилетие ряд ведущих дизелестроительных фирм стали использовать методы и средства технической диаг­ностики для совершенствования программ технического обслу­живания, призванного повысить работоспособность и ресурс дви­гателей, исключить непредвиденные поломки и повреждения.

Интересна кривая рис. 10.1. Наибольшее число поломок отмечается в период стендовых испытаний в процессе доработ­ки конструкции. Этот участок кривой на рисунке обозначен как «болезни роста». Серьезные фирмы стремятся устранить болез­ни роста до выпуска двигателей на рынок, но, к сожалению, из­вестны случаи, когда причины поломок, носящие конструктив­ный или технологический характер, устраняются в гарантийный и даже послегарантийный период. В хорошо отработанном дви­гателе по прошествии гарантийного периода число поломок достигает минимума и дальше, по мере его работы и старения, медленно увеличивается. Редкие поломки чаще всего происхо­дят из-за нарушения правил эксплуатации и норм регламентно­го обслуживания. При низком уровне обслуживания потеря дви­гателем работоспособности по мере выработки ресурса проис­ходит все чаще и наступает момент, когда экономическая эф­фективность его дальнейшего использования сводится к нулю. Это связано с увеличением расходов топлива и масла, потерей времени на восстановление рабочего состояния двигателя, осо­бенно чувствительной для главных двигателей, так как это при­водит к простоям судна и выводу его из эксплуатации.

Под техническим, обслуживанием (service and mainte­nance) подразумевается квалифицированное регламентное об­служивание двигателя и поддержание его в технически исправ­ном состоянии путем периодически осуществляемых проверок состояния, регулировок, замены износившихся деталей, включая и текущий ремонт.

При этом немаловажное значение имеет грамотное исполь­зование двигателя, эксплуатация его в пределах рекомендован­ных режимов, осуществление надлежащего топливоиспользова- ния, контроль за состоянием масла и его своевременная замена.

К сожалению, многие судовладельцы для поддержания пропульсивных установок в технически исправном состоянии не используют необходимые материальные и временные ресурсы. Эксплуатируют двигатели до момента потери ими работоспо­собности и только тогда тратят значительно более существен­ные средства на восстановление или замену двигателя.

Ничего не бывает вечным и любое оборудование, включая двигатели и их компоненты, имеют определенный срок службы и, если соблюдаются рекомендации производителя, то двигате­ли вырабатывают свой полный ресурс без преждевременных поломок и отказов.

Как видно из рис. 10.1, большинство (55%) судоходных компаний по данным фирмы Вяртсиля в своей технической по­литике исходят из реализации системы технического обслужи­вания по минимуму {Reactive maintenance) — до появления от­каза. В этом случае, чтобы поддерживать судовое оборудование в состоянии, которое бы обеспечило сохранение заданного

О 50 100 150 200 250 %

продолжительность района

моторесурса, никаких действий или усилий не предпринимает­ся. Положительный эффект такой эксплуатации заметен в ос­новном на отрезке гарантийной эксплуатации, когда поврежде­ния двигателя оплачиваются изготовителем, и позже, пока дви­гатель новый и затраты времени и средств в этот период мини­мальны.

Однако поломка, которая, будучи сама по себе небольшой, может спровоцировать появление более серьезных отказов и тогда затраты времени и затрачиваемых средств возрастают в несколько раз. Надо также учитывать, что работа двигателя в предаварийный период отрицательно сказывается на состоянии остальных компонентов, что сокращает их моторесурс и ресурс двигателя в целом. В итоге частота отказов увеличивается, и со­ответственно растут капитальные затраты.

Метод организации технического обслуживания по прин­ципу - «до отказа» только на первый взгляд кажется заманчи­вы. В действительности, он несет в себе ряд существенных недостатков. Последние в известной мере могут быть устра-

нены, если не отказываясь от этого метода, совместить его с частью метода обслуживания «по состоянию» с использованием диагностических комплексов, которые позволили бы предот­вратить ожидаемые повреж­дения.

Рис. 10.2. Методы технического обслуживания судового оборудования

«Превентивное техническое обслуживание» или обслу­живание по плану («Preventive maintenance») основывается на предусмотренных планом-графиком действиях, позволяющих обнаружить, смягчить или уменьшить деградацию отдельных компонентов или системы (дизеля) в целом для поддержания или увеличения срока службы путем управления происходящей деградацией в желательном направлении. Этот метод поддер­
живается и пропагандируется заводами-производителями обо­рудования и необходимые графики обслуживания обычно ими прилагаются к инструкциям по обслуживанию. По представлен­ной на рис. 10.2 статистике превентивный метод используется на судах в 31% случаев. Дальнейшее изучение показало, что в среднем экономится 12-18% средств. Так, многие судовладель­цы полностью заменив систему обслуживания «до отказа» на систему планируемого обслуживания, получили 15% экономии. Переход на эту систему обеспечивает увеличение срока службы до конструктивной, заданной двигателестроителем. Одновре­менно благодаря своевременно проводимым регулировкам на всем протяжении срока службы достигается высокая эконо­мичность работы двигателя, что также существенно. Естествен­но, что поломки и повреждения катастрофического характера ни одной из рассматриваемых систем обслуживания не могут быть предотвращены, но число поломок эксплуатационного характе­ра сводится к минимуму.

10.2.2. Техническое обслуживание «по состоянию» («Predictive maintenance»)

Метод основывается на систематическом измерении пара­метров, позволяющих проследить техническое состояние двига­теля, его изменение во времени и деградацию его компонентов и систем. На базе полученных данных, в первом приближении, оценивается тенденция его изменения. Это, в свою очередь, за­благовременно предупреждает обслуживающий персонал о не­обходимости проведения соответствующего обслуживания и принятия мер по продлению ресурса и предотвращению воз­можного отказа. Судовой механик на базе данных диагностики может внести соответствующие коррективы в график техниче­ского обслуживания, продлевая сроки проведения того или ино­го мероприятия, продлевая работу того или иного компонента. Это позволяет минимизировать средства на приобретение за­пасных частей, заказывать запчасти по мере необходимости и отказаться от заказа «в запас».

Техническое обслуживание двигателей «по состоянию» пока еще осуществляется на 12% судов, что, видимо, объясняет­ся стоимостью диагностического оборудования и не всегда дос­таточной информативностью. Нужно отметить, что идея пере­хода технического обслуживания с «обслуживания по графику» на «обслуживание по состоянию» в 70-е годы прошлого столе­тия активно развивалась в исследовательских и учебных органи­зациях ММФ, включая и Морские Академии,. Однако эти рабо­ты в связи с недостатком средств и относительно низким в те годы уровнем вычислительной и электронной техники, к сожа­лению, ограничились исследовательским уровнем, без выхода в практику эксплуатации.