Диагностирование дизелей

Дизель рефрижераторного подвижного состава, как объект диагностирования представляет собой сложную систему. Износ деталей основных механизмов (кривошипно-шатунного и газораспределительного) влияет на рабочий процесс, вызывает недопустимое увеличение зазоров в сопряжениях.

В наиболее тяжелых условиях работают детали шатунно-поршневой группы (ШПГ). По мере изнашивания гильз, канавок поршней, постепенной потери упругости поршневых колец прорыв газов в картер резко увеличивается. При предельном износе деталей ЦПГ количество прорывающегося в картер газов увеличивается в 3–4 раза, что влечет за собой усиленное сгорание масла. Изнашивание маслосъемных колец приводит к большому расходу картерного масла на угар.

Одним из основных критериев оценки состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) являются зазоры в замках компрессионных колец.

Потерю работоспособности ЦПГ устанавливают по косвенным диагностическим параметрам:

– недопустимой длительности пуска дизеля;

– угару масла;

– количеству прорывающихся в картер газов.

Под воздействием больших знакопеременных нагрузок работают детали кривошипно-шатунного механизма. Основной параметр, влияющий на работоспособность сопряжений коленчатого вала с шатунными и коренными вкладышами, – радиальный зазор. С его увеличением нарушаются условия жидкостного трения, возрастают динамические нагрузки. Давление в магистрали дизеля снижается, так как облегчается протекание масла через увеличенные зазоры подшипников коленчатого вала. При этом ухудшается смазка гильз цилиндров, поршней, колец.

Зазоры в коренных и шатунных подшипниках коленчатого вала, между поршневым пальцем и втулкой головки шатуна, тепловой зазор в клапанном механизме диагностируются по структурным параметрам, по герметичности сопряжений, контролируемых по давлению в системе смазки.

Перемещение деталей на величину зазора в контролируемом сопряжении осуществляется с помощью компрессорно-вакуумных установок.

В процессе эксплуатации дизеля изнашиваются и все трущиеся пары механизма газораспределения. Вследствие износа рабочих фасок клапанов и гнёзд головок цилиндров, недопустимого уменьшения теплового зазора между стержнем клапана и бойком коромысла нарушается плотность прилегания клапанов к гнездам, снижается компрессия в цилиндрах, а при протекании через неплотности газов фаски клапанов быстро обгорают. При указанных неисправностях наблюдаются трудный пуск дизеля, перебои в работе цилиндров, дымность выхлопа.

Таким образом, оценить техническое состояние дизеля возможно:

– по герметичности рабочих объемов;

– по функциональным параметрам сборочных единиц;

– по структурным параметрам.

Для диагностирования дизеля используются следующие технические средства (из опыта работы Дорожной лаборатории диагностики депо Предпортовая Октябрьской железной дороги):

– пневмодиагностическое устройство (ПДУ), состоящее из компрессорно-вакуумной установки (КВУ), расходомеров, дифференциального тягонапоромера, прибора для определения технического состояния ЦПГ, приспособления с индикатором часового типа для замера зазора между поршневым пальцем и втулкой головки шатуна, приспособления для замера осевого разбега в опорно-упорном подшипнике коленчатого вала;

– вспомогательные приспособления (запорно-распределительная плита, полуавтоматический пульт управления, манометры, газосчетчики).

На рис. 1.27 приведена схема подключения механических средств технической диагностики к дизелю 4 NVД-21.

Ниже приведены технические характеристики наиболее важных узлов пневмо-диагностического устройства.

Техническая характеристика компрессорно-вакуумной установки:

Техническая характеристика дифференциального тягонапоромера ДТНИПКр:

Техническая характеристика прибора К-69М:

Техническая характеристика барабанного газосчетчика

(с жидкостным затвором) типа, ГСБ-400

Диагностика дизелей производится в два этапа:

– по функциональным параметрам;

– по элементному диагностированию отдельных узлов (локальная диагностика).

При функциональной диагностике определяют общее состояние цилиндропоршневой группы по расходу газов, прорывающихся в картер дизеля. Расход газов измеряют на «Информативном» режиме: дизель работает на «холостом» ходу при 750 об/мин, температуре охлаждающей воды в пределах 60–65 ºС. Расходомер подключают к сапуну дизеля вместо вентиляционного уравнительного патрубка. Если прорыв газов в картер составляет 30 л/мин и более, то выявляют неисправный цилиндр или группу цилиндров – источник прорыва газов.

Оценку состояния кривошипно-шатунного механизма производят по величине давления смазочного масла в конце масляной магистрали. «Информативный» режим дизеля обеспечивается постепенным заворачиванием редукционного клапана до получения в системе давления не ниже 0,5 МПа. Если при полностью нагруженном клапане давление в системе ниже 0,5 МПа, то проверяют исправность узлов системы, устраняют неисправности и после сборки повторяют контроль. Если после сборки давление в системе смазки ниже 0,5 МПа, то дизель полностью разбирается с выемкой коленчатого вала для осмотра и ремонта (при необходимости – замены).

Общее состояние дизеля оценивается методом прослушивания. Уровень шумов и стуков определяют с помощью наушников электронного малогабаритного стетоскопа (ЭМС), а уровень вибрации – по шкале прибора – индикатора ЭМС. С помощью пьезоэлектрических датчиков, устанавливаемых в различные точки дизеля, и по показаниям ЭМС определяют неисправные узлы.

Локальную диагностику осуществляют при неработающих дизелях. При этом проверяют:

– герметичность камеры сгорания;

– степень износа отдельных цилиндров;

– плотность посадки рабочих клапанов и зазоры в верхних и нижних подшипниках шатунов.

Диагностическая информация поступает в информационный блок. Документы разделяют на два уровня:

– диагностические карты (рис. 1.28);

– сводные данные по результатам диагностирования дизелей и сводные карты микрометража, проводимые на каждом 10-м дизеле инструментальными методами.

В настоящее время для оценки технического состояния механических, электромеханических устройств широко используются виброакустические методы и технические средства. Известны диагностические комплексы (третье поколение их выпущено в 2000 году) «Прогноз-1» Центра внедрения новой техники и технологий «Транспорт» г. Омск и «Вектор-2000» производства ООО «Ассоциации ВАСТ» в г. Санкт-Петербурге. Эти комплексы нашли применение в практике локомотивного хозяйства при диагностировании механических и электрических систем локомотивов (колесно-моторных и колесно-редукторных блоков, подшипников качения и скольжения, валов (роторов), соединительных муфт, шестерен, обмоток и коллекторов электрических машин). При этом обнаруживаются и идентифицируются дефекты, возникающие во вращающихся узлах на этапах сборки, монтажа и эксплуатации.

В механических системах на разной стадии развития дефектов используются разные методы вибрационной диагностики. В первую очередь это касается частотных диапазонов контролируемой вибрации, в которых наиболее отчетливо выявляются зарождающиеся, развитые и аварийно-опасные дефекты. Жизненный цикл любого элемента (узла) в механическом оборудовании можно разделить на четыре основных этапа – приработки, бездефектной эксплуатации, развития одиночных дефектов и деградации (ускоренного развития цепочек дефектов).

На первом этапе идет приработка элементов в составе машины, и выявляются только скрытые дефекты изготовления. Снизить их количество можно, повышая качество пооперационного и выходного контроля. На втором этапе в условиях бездефектной эксплуатации машины происходит только естественный износ ее элементов. На третьем этапе появляются отдельные дефекты, многие из которых в процессе дальнейшей работы могут уменьшаться и даже исчезать (наклеп или выкрашивание металла с поверхности качения, которые впоследствии в результате «холодной накатки» могут загладиться, а поверхностный прочный слой металла – восстановиться). Но именно на этом этапе, если требуется долгосрочный прогноз состояния узла, необходимо обнаруживать зарождающиеся дефекты. И, наконец, четвертый этап характеризуется быстрым развитием цепочки дефектов, порождающих друг друга. В конце этого этапа происходит отказ узла и машины в целом.

Обнаружить последний этап жизненного цикла узла (машины) и предупредить его отказ – это задача систем защитного мониторинга (системы аварийной защиты) машины.

Существует несколько правил, использование которых позволяет оптимальным образом создавать и использовать системы мониторинга и диагностики технических систем. Первые три правила – общие для всех видов технической диагностики – выглядят следующим образом:

а) система защитного мониторинга (аварийной защиты) должна использовать каналы непрерывного измерения всех контролируемых величин и принимать решение об остановке машины в считанные доли секунды, система защитного мониторинга должна строиться на базе данных измерений низкочастотной вибрации машины, для возбуждения которой нужны значительные колебательные силы, сопровождающие появление развитых дефектов;

б) система глубокой диагностики и долгосрочного прогноза состояния должна обеспечивать обнаружение всех потенциально опасных дефектов на стадии зарождения и идентифицировать вид каждого дефекта; так как разные дефекты имеют разную скорость развития, системы глубокой диагностики должны обеспечивать обнаружение зарождающихся дефектов в первую очередь по высокочастотной вибрации, для возбуждения которой в ближней к дефекту зоне не нужны значительные колебательные силы;

в) при невозможности обнаружения каких либо видов дефектов задолго до аварийной остановки машины особо важные объекты диагностики следует контролировать обоими видами систем.

Первый эффективный метод диагностики механических систем по высокочастотной вибрации был запатентован шведскими специалистами в 1968 году (Патент США № 3482663). Это так называемый метод «ударных импульсов», основанный на обнаружении вибрации, возбуждаемой одиночными микроударами, возникающими в результате разрыва масляной пленки в подшипниках качения. В дальнейшем он получил развитие и в методе «акустической эмиссии», обеспечивающем регистрацию одиночных и групповых микроударов, возникающих в процессе образования микротрещин в нагруженных конструкциях.

Второй эффективный метод диагностики механических систем по высокочастотной вибрации предложили в 1979 году разработчики «ВЕКТОР-2000» (авторское свидетельство № 868416), работавшие в те годы в судостроительной промышленности. Метод получил название «метод огибающей», а основан он на анализе колебаний мощности высокочастотной вибрации (шума), возбуждаемой силами механического, гидродинамического или аэродинамического трения.

В диагностических комплексах «Вектор-2000» и «Прогноз-1» использован метод огибающей, а параллельно со спектром огибающей высокочастотной вибрации измеряется спектр низкочастотной и среднечастотной вибрации узлов колёсно-редукторных блоков. Анализ спектров среднечастотной вибрации является наиболее эффективным методом определения величины средних дефектов, так как на средних частотах вибрация дефектных узлов наиболее сильно отличается от вибрации бездефектных узлов в тех случаях, когда дефекты становятся необратимыми и создают колебательные силы, недостаточные для возбуждения вибрации всей машины, но уже достаточные для возбуждения заметной вибрации дефектного узла.

Дефекты механических передач, в частности зубчатых колес и зацеплений, можно разделить на следующие основные группы:

– дефекты отдельных зубьев шестерни (сколы, трещины, отсутствие зуба);

– дефекты зацепления зубьев (увеличение или уменьшение зазора, бой шестерен, осевой сдвиг и т.п.);

– дефекты вала (бой вала с шестерней, радиальный сдвиг вала в опорах вращения и т.п.).

Практически все из указанных групп дефектов обнаруживаются на начальной стадии развития по высокочастотной вибрации подшипников зубчатой передачи. Основным признаком дефектов является появление динамических нагрузок (в том числе ударных), на подшипники передачи с частотами, характеризующим вид каждого из дефектов на каждой из шестерен зубчатой передачи. По изменению свойств сил трения в подшипниках передачи не только обнаруживается, но и конкретизируется вид дефекта. Величина развитых дефектов определяется по росту уровня и параметра модуляции соответствующих составляющих низкочастотной вибрации передачи в целом.