Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Электронные системы индицирования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания 12
1.1 Обзор электронных систем индицирования и рекомендации по их применению 12
1.2 Аналитический обзор методов контроля и диагностики рабочих процессов судовых двигателей 23
1.3. Постановка задач исследования 37
Глава 2. Исследование влияния внешних факторов на точность замеров при использовании электронных систем индицирования рабочего процесса 39
2.1 Краткий анализ работ по исследованию влияния внешних факторов на точность замеров 39
2.2 Погрешность и методы корректировки положения ВМТ 41
2.3 Погрешность из-за искажения сигнала в индикаторном канале 51
2.4 Влияние неравномерности вращения коленчатого вала на точность измерения среднего индикаторного давления в судовых ДВС 56
2.5 Выводы по главе 61
Глава 3. Контроль показателей рабочего процесса судовых двигателей внутреннего сгорания 63
3.1 Оценка качества рабочего процесса в целом по двигателю (I этап) 67
3.2 Оценка качества рабочего процесса по отдельным цилиндрам (II этап) 76
3.3 Адаптированный для обслуживающего персонала вариант методики контроля показателей рабочего судового двигателя 99
3.4 Выводы по главе 104
Глава 4. Экспериментальное исследование влияния различных видов неисправностей на значение показателей рабочего процесса 105
4.1 Экспериментальное подтверждение результатов имитации неисправностей полученных с помощью математической модели 105
4.1.1 Имитация протечек в топливной аппаратуре 107
4.1.2 Имитация влияния угла опережения подачи топлива на показатели рабочего процесса 109
4.1.3 Имитация неисправности форсунки на показатели рабочего процесса 109
4.2 Экспериментальное подтверждение методики контроля рабочего процесса при имитации неисправностей на среднеоборотном двигателе 114
4.2.1 Экспериментальное исследование влияния повышенной цикловой подачи на протекание рабочего процесса в цилиндре 117
4.2.2 Экспериментальное исследование влияния пониженной цикловой подачи на протекание рабочего процесса в цилиндре 121
4.2.3 Имитация загрязнения фильтра турбокомпрессора 123
4.3 Выводы по главе 125
Основные выводы и результаты работы 126
Список использованной литературы 128
- Аналитический обзор методов контроля и диагностики рабочих процессов судовых двигателей
- Влияние неравномерности вращения коленчатого вала на точность измерения среднего индикаторного давления в судовых ДВС
- Адаптированный для обслуживающего персонала вариант методики контроля показателей рабочего судового двигателя
- Экспериментальное подтверждение методики контроля рабочего процесса при имитации неисправностей на среднеоборотном двигателе
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Техническое состояние судового двигателя - это качество его узлов и деталей в данный момент времени или совокупность косвенных показателей, значение которых определяет его технические характеристики.
Состояние эксплуатирующегося двигателя оценивается мерой утраты им работоспособности и экономичности в связи с износами деталей и узлов, загрязнением и закоксовыванием зазоров между подвижными деталями и в проходных сечениях, нагарообразованием на рабочих поверхностях деталей и газовоздушных трактов. Обычно оценка технического состояния производится в результате разборки двигателя, очистки и обмеров его деталей и различных сопряжений. Такие операции трудоемки и не всегда целесообразны из-за последующего нарушения трущихся поверхностей при их переборке.
Сложность конструкции двигателя, большое количество узлов и агрегатов, подлежащих контролю приводит к тому, что в настоящее время расходы на поддержание технической готовности двигателя в 5-10 раз превосходят затраты на его производство, а поиск неисправностей в двигателе занимает 50-80 % ремонтного времени. Предупредить отказы и преждевременные переборки двигателя позволяют системы технической диагностики двигателя (СТД). При наличии грамотно построенной СТД время поиска неисправностей двигателя может быть сокращено в десятки раз. Так внедрение СТД в практику эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания способствует росту экономичности 2-3%, увеличению ресурса 20-50 %, снижению расхода запасных частей на 10-15%.
Использование систем технического диагностирования в практике эксплуатации двигателей дает возможность решать задачи: повышения эксплуатационного к.п.д. и ресурса за счет поддержания высокого технического уровня ДВС; понижения затрат эксплуатации и уменьшения потребности в запасных частях; сокращения времени поиска неисправностей; сокращения ремонтных и регулировочных работ.
Структура систем технической диагностики содержит следующие элементы: оборудование, предназначенное для измерения, обработки результатов измерения и сбора диагностической информации, и диагностические методики (алгоритмы) обработки результатов измерений.
В качестве оборудования для измерения диагностических параметров в настоящее время все больше применяются портативные электронные системы индицирования. Эффективность использования данных систем зависит от качества их настройки. В настоящее время до сих пор остается открытым вопрос оценки погрешностей этих приборов при их использовании для индицирования
4 судовых двигателей. Зачастую, даже правильно настроенный прибор выдает искаженные результаты. Поэтому оценка погрешности прибора, а в особенности выявление степени ее влияния на результаты измерений является важной задачей. Следует так же отметить, что как таковых четко выработанных рекомендаций по вводу этих приборов в эксплуатацию не имеется. Инструкции по эксплуатации, поставляемы вместе с приборами, дают только общие рекомендации по настройке и установке.
Вышеупомянутые электронные системы индицирования являются всего лишь обычными измерительными приборами, в то время как анализ результатов измерения и выводы, вытекающие из этого анализа, должен выполнять обслуживающий персонал. Отсюда вытекает необходимость создания эффективного алгоритма обработки результатов измерений по которым можно судить о текущем техническом состоянии двигателя. Другими словами нужна эффективная методика диагностирования. Разработка эффективной диагностической методики обработки результатов измерений с использованием электронных систем индицирования является одним из основных вопросов при создании СТД, определяющим элементом которой служит наиболее соответствующий набор контролируемых параметров, позволяющий достаточно полно охарактеризовать технического состояние и работоспособность двигателя. Наконец, методика должна быть достаточно простой и оперативно применимой с минимальными затратами труда, времени и средств.
В настоящее время существует больше количество методик оценки технического состояния двигателя. Но главный недостаток существующих методик диагностирования двигателей заключается в том, что стремление авторов придать методике наибольшую информативность и полноту делает ее громоздкой и сложной для понимания обслуживающим персоналом. Большинство существующих методик разработаны и апробированы на стендовых двигателях, что требует их адаптации для судовых условий эксплуатации двигателя. Для учета влияния внешних факторов, оказывающих воздействие на двигатель в судовых условиях эксплуатации, многие авторы прибегают к выводу уравнений, учитывающих зависимость между диагностическим параметрами и параметрами определяющими режим работы двигателя, что приводит так же к усложнению методики, а так как уравнения зависимости выводятся по статистическому материалу, собранному для определенного типа двигателей, следует, что их результаты не могут претендовать на универсальность.
Цель и задачи исследования. Основной целью диссертационной работы является создание для обслуживающего судовую энергетическую установку персонала эффективной методики оценки технического состояния двигателя на основе контроля параметров рабочего процесса с использованием электронных
в ходе обработки результатов измерений возможно появление кодов неисправностей не только в неисправном цилиндре, но и технически исправных цилиндрах. Исходя из этого, при анализе кодовой таблицы на этапе контроля показателей рабочего процесса по цилиндрам следует сконцентрировать внимание на тех цилиндрах, в которых проявляется наибольшее количество кодов неисправностей и которые наиболее полно характеризуют ту или иную неисправность в эталонной таблице неисправностей;
экстремум в точке 2 функции скорости изменения давления следует использовать только для оценки угла опережения подачи топлива по степени приближения к оси обцисс, чем меньше угол опережения подачи топлива, тем ближе точка к оси;
при анализе технического состояния среднеоборотного двигателя не следует использовать экстремум в точке 4 функции скорости изменения давления, так как велико влияние погрешности вносимой индикаторным каналом
Результаты натурного эксперимента полностью подтвердили результаты численного эксперимента и достоверность разработанной методики контроля показателей рабочего процесса. Достоверность численного эксперимента также подтверждена индикаторными диаграммами с теми или иными неисправностями, которые сняты в условиях эксплуатации на современных двигателях и предоставленные автору фирмами производителями электронных систем индицирования.
В приложениях приведены графики и диаграммы исследования факторов оказывающих влияние на результаты измерений при использовании электронных систем индицирования, результаты численного и натурного эксперимента, индикаторные диаграммы с теми или иными неисправностями снятыми на современных двигателях в условиях эксплуатации.
Проведен обзор исследований по технической диагностике судовых двигателей, который позволил выработать рациональные методологические решения задачи диагностирования судовых двигателей.
Разработана эффективная двухуровневая методика контроля показателей рабочего процесса основанная на анализе отклонения диагностических параметров от их средней величины. Методика основана на тех диагностических параметрах, которые позволяют зарегистрировать портативные электронные системы индицирования и которые наиболее полно отражают неисправности и являются наиболее чувствительными к изменению параметров рабочего процесса двигателя. Сопоставление результатов численного моделирования с
20 где а - вероятность появления отклонения, превышающего Атах (а принималось равным 0,05); ta - квантиль распределения Стьюдента. Далее сравнивая
отклонение А с А . Если А > Am»v, то с вероятностью Р = 1 — ОС откло-
нение А считаем промахом и его отбрасывают.
Так же автор использовал в работе результаты экспериментальных исследований проводимых на кафедре «ДВС и АСЭУ» Государственной морской академии имени адмирала СО. Макарова на судах Балтийского морского пароходства и опубликованные в технических отчетах кафедры. В частности использовался экспериментальный материал по двигателю 6ДКРН56/100 на котором имитировались следующие неисправности:
уменьшена цикловая подача топлива (цилиндр недогружен, неисправен ТНВД). Имитация осуществлялась путем варьирования хода запорного винта дренажной полости форсунки;
слишком ранний/поздний впрыск и воспламенение топлива. Имитация осуществлялась путем варьирования угла опережения подачи топлива;
плохое сгорание топлива (неисправность форсунки). Имитация осуществлялась путем изменения затяга форсунки и применением сопел с изношенными отверстиями.
Анализ влияния неисправностей на показатели рабочего процесса осуществлялся только по трем диагностическим параметрам на режиме 85% от номинальной нагрузки. В качестве диагностических параметров использовались:
Pi - среднее индикаторное давление;
Ртах-максимальное давление цикла;
Тех- температура отработавших газов.
Отклонения параметров по цилиндрам отсчитывались от его базового уровня (эталонных значений). Но из-за недостаточно тщательной регулировки двигателя отклонения диагностических параметров на базовом режиме отличаются от эталонных значений. Для оценки влияния неисправностей использовались «чистые» отклонения, которые определялись:
А .опыт .базов /оч
Д = Д - Д (8)
. опыт
где Д - отклонение диагностического параметра в опыте с данной неис-
кбазов
правностью; /д - отклонение параметра в данном цилиндре до введения неисправности. Основной целью было подтверждение результатов численного эксперимента.
В ходе натурного эксперимента на лабораторном двигателе были выявлены следующие особенности, которые необходимо учитывать в ходе проведения мероприятий по оценке технического состояния двигателя:
5 систем индицирования. При этом разработанная методика должна не терять своей информативности, быть достаточно полной и универсальной.
Для достижения этой цели в работе были поставлены следующие задачи:
Определить минимально необходимую совокупность диагностических параметров, отображающих состояние рабочего процесса и позволяющих выявлять часто встречающиеся при эксплуатации судовых двигателей неисправности;
Установить причинно-следственные связи между выбранной совокупностью диагностических параметров и проявлением той или иной неисправности и на этой основе составить алгоритм диагностирования.
В дополнение к основным задачам автор в диссертационной работе ставит дополнительные задачи:
Дать критическую оценку существующим на современном рынке электронным системам индицирования;
Исследовать и оценить влияние разных факторов на достоверность измеренных параметров при использовании данного класса приборов.
Объектом исследования являются судовые двигатели, главные и вспомогательные.
Предмет исследований. Реагирование теплотехнических параметров (Ртах - максимальное давление сгорания, Рсотр - давление сжатия, Рех - давление на линии расширения в точке 36 п.к.в. после ВМТ (верхняя мертвая точка), Pi -среднее индикаторное давление, Ps - давление воздуха в продувочном ресивере, Тех - температура отработавших газов, экстремумы производной индика-
dP торной диаграммы —) на неисправности системы воздухоснабжения и топ-
d(p
ливоподачи. Влияние внешних факторов (неравномерность вращения коленчатого вала, колебания и сопротивления в индикаторном канале, некорректная установка положения ВМТ) на точность измерения диагностических параметров при использовании портативных электронных систем индицирования.
Методологической основой и теоретической базой являются отечественные и зарубежные исследования в области параметрической диагностике, основные положения термодинамики, теории ДВС, методы теории планирования экспериментов. Экспериментальные исследования выполнялись на основе современных ГОСТов и методов, рекомендуемых при проведении стендовых и эксплуатационных испытаний двигателей. Для анализа влияния различных видов неисправностей на показатели рабочего процесса в работе применялось численное моделирование. Оценка погрешностей определения экспериментальных величин была осуществлена с помощью методов теории погрешно-
стей. В работе использовалась современная анализирующе-регистрирующая аппаратура.
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов
обеспечены применением известных методов системного и логического анализа и синтеза, общепризнанного математического инструментария, а также подтверждены результатами проведенных экспериментальных исследований.
Научная новизна исследования заключается в следующих результатах, выносимых автором на защиту:
Двухуровневая методика контроля показателей рабочего процесса для судовых двигателей, основанная на анализе отклонения диагностических параметров от их средней величины;
Новый метод определения средней величины при значительном разбросе диагностических параметров по цилиндрам двигателя;
Впервые проведенное исследование влияния неисправностей (слишком поздний/ранний впрыск топлива, повышенная/пониженная цикловая подача, неисправность форсунки, неплотности в цилиндре) на экстремумы дифферен-
dP циальной составляющей индикаторной диаграммы —;
d(p
4. Анализ основных факторов, вызывающих погрешности измерения ди
агностических параметров при использовании портативных электронных сис
тем индицирования.
Личный вклад автора. Автором сформулированы цель и задачи исследований на основе методов численного моделирования проведено исследование влияния различных неисправностей на характер изменения показателей рабочего процесса и предложена двухуровневая методика контроля рабочего процесса с оценкой отклонения параметров рабочего процесса относительно средних по двигателю, предложен новый диагностический параметр (экстремумы
dP функции —) и проведено исследование влияние различных неисправностей
d(p
на него. Результаты численного моделирования и достоверность методики были подтверждены автором натурными экспериментами.
Практическая ценность. Результаты исследований, разработанная двухуровневая методика контроля показателей рабочего процесса внедрены в отдел ледокольного и пассажирского флота Санкт-Петербургского филиала ФГУП «Росморпорт» при оценке технического состояния среднеоборотных двигателей и внедрены в учебный процесс на курсах повышения квалификации судовых механиков при Государственной морской академии имени адмирала СО.
19 боты провел экспериментальное исследование с целью подтверждения характера изменения параметров рабочего процесса при возникновении ряда неисправностей. Так же целью исследования являлось практическое подтверждение методики диагностирования по среднему значению параметров рабочего процесса. В ходе эксперимента имитировались следующие неисправности:
уменьшенная цикловая подача в цилиндре двигателя. Имитация неисправности осуществлялась за счет увеличения высоты хода перепускного клана ТНВД с регулированием по концу подачи;
увеличенная цикловая подача в цилиндре. Имитация неисправности осуществлялась за счет уменьшения высоты хода перепускного клана ТНВД с регулированием по концу подачи;
загрязнение фильтра компрессора. Имитация неисправности связанной с загрязнением фильтра имитировалась путем закрытия части фильтра кожухом.
Испытания были проведены на лабораторном двигателе 5 ЧН 22/32. Ин-дицирование производились прибором «The Doctor» (модель IS3) фирмы «Denkra АВ» на режиме 85 % от номинальной нагрузки при работе двигателя на ВРШ (ВРШ - винт регулируемого шага) и частоте вращения n = 484 об/мин.
При индицировании фиксировались: положение топливорегулирующего органа - УН, давление и температура воздуха в продувочном ресивере - Ps, Ts, температуры отработавших газов по каждому цилиндру - Тех, нагрузка на гидротормозе - Ргт, температура окружающего воздуха (термометр тип ТН-3), барометрическое давление (барометр МД-49-2), показания дифференциального манометра измеряющего разность давления до и после фильтра.
Для выявления резко выделяющихся результатов (промахов) применялся
следующий подход. Определяли среднее значение х и среднеквадратичное отклонение S диагностического параметра х для п замеров по формулам:
г=1
(5)
п \ п
где xi х2, х3 хп - значение диагностического параметра измеренного на одном и том же режиме для одной и той же неисправности; п - число замеров. Затем рассчитывали отклонение:
Д = *тах-х (6)
где Хтах - наибольшее значение х. После определяли предельное отклонение:
Amax = ts (7)
18 погрешность изменяется с 5 % до 1,8 %. Поэтому при определении средней величины, следует руководствоваться следующими правилами:
Если разница между максимальным значением диагностического параметра и его минимальным значением не более 20 %, то средняя величина параметра вычисляется, как среднеарифметическое значение данных параметров в каждом цилиндре.
Если разница между максимальным значением диагностического параметра и его минимальным значением более 20 % или число цилиндров меньше восьми, то среднюю величину следует определять по следующим зависимостям, которые получены и апробированы автором:
Для пятицилиндрового двигателя:
Хср = 0,5/_1 (Х1 + 4(Х2 + Х4) + 6Х3 + Х5) (1)
Для шестицилиндрового двигателя:
Хср = 0,5м (Хх + 5(Х2 + Х5) + 10(Х3 + Х4) + Х6 ) (2)
Для семицилиндрового двигателя:
Хср = 0,5/_1 (Х1 + 6(Х2 + Х6) + 15(Х3 + Х5) + 20Х4 + Х? ) (3)
Для восьмицилиндрового:
Хср =0,5/_1(Х1 +7(Х2 +Х?) + 21(Х3 +Х6)+35(Х4 +X5) + Xg) (4)
где Х-, ,Х2,Х3,Х4,Х^,Х^,Х^,Хо - значение измеренного параметра по
цилиндрам; і - количество цилиндров в двигателе.
Для числа цилиндров свыше восьми значение величины вычисляется, как среднеарифметическое значение данных параметров в каждом цилиндре.
Предложенная автором двухуровневая методика обладает по сравнению с существующими методиками, следующими преимуществами:
простотой использования и компактностью благодаря 2-х этапной оценке параметров рабочего процесса, что делает методику ориентированной на персонал разного уровня подготовки;
независимостью от режима работы двигателя, так как оценка осуществляется относительно среднего значения;
возможностью применения для различных типов двигателя.
В четвертой, заключительной, главе приведены результаты натурного эксперимента, подтверждающие данные численного эксперимента, а также проверка достоверности и эффективности разработанной методики оценки технического состояния двигателя.
На базе дизельной лаборатории кафедры «ДВС и АСЭУ» Государственной морской академии имени адмирала СО. Макарова автор диссертационной ра-
7 Макарова. Результаты исследований имеют практическую ценность, так как позволяют:
Сократить процесс поиска неисправности за счет эффективной структуры алгоритма поиска неисправностей;
Уменьшить материальные затраты на ремонт двигателя за счет своевременного выявления неисправностей в начале их развития;
Повысить эффективность использования обслуживающим персоналом современных электронных систем индицирования;
Перейти от регламентных сроков обслуживания двигателя к техническому обслуживанию двигателя в зависимости от его фактического состояния, что позволит избежать лишних переборок и сократить трудоемкость работ.
Апробация работы. Итоги диссертационной работы докладывались на научной конференции профессорско-преподавательского состава Государственной морской академии имени адмирала СО. Макарова (март 2009 г.) и Всероссийской научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России» (апрель 2009 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 4 печатных работы, все издания опубликованы в рекомендованных Высшей аттестационной комиссией Министерства образования и науки РФ изданиях.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, содержит 41 наименование отечественных и зарубежных работ, и семь приложений. Включает в себя 131 страницу текста, в том числе 25 рисунков, 30 таблиц.
Аналитический обзор методов контроля и диагностики рабочих процессов судовых двигателей
Безопасность, долговечность и соответствующие технико-экономические показатели работы судовых дизелей за весь период их использования могут быть обеспечены только при соблюдении Правил технической эксплуатации (ПТЭ) и инструкций заводов-изготовителей.
Одним из важнейших вопросов при этом является контроль параметров рабочего процесса в цилиндрах дизеля и системе воздухоснабжения. В действующих ПТЭ судовых дизелей [27] вопросы контроля и регулирования параметров рабочего процесса изложены в разделе 4, Части III.
В данном разделе ПТЭ в частности отмечается, что помимо систематического контроля эксплуатационных показателей дизеля необходимо периодически осуществлять углубленный контроль с применением специализированных приборов: индикаторов (электрических или механических), максиметров, торсио-метров, расходомеров, диагностической аппаратуры.
Согласно п.4.1.3. периодичность индицирования при отсутствии ненормаль-ностей в работе отдельных цилиндров, при работе на одном и том же сорте топлива и нормальном состоянии корпуса судна должна быть периодической, о не реже одного раза в месяц. Результаты индицирования и замеры расхода топлива должны заносится в журнал индицирования.
В ПТЭ (п.4-. 1.4.) указано, что проверка распределения мощности по цилиндрам дизеля, имеющего индикаторные краны и приводы производится по среднему индикаторному давлению. На дизелях, не имеющих индикаторных кранов, - по температуре выпускных газов за цилиндрами и падению частоты вращения коленчатого вала при поочередном отключении цилиндров. На дизелях, имеющих индикаторные краны, но не имеющие индикаторных приводов, - по максимальному давлению сгорания и температуре выпускных газов или по показаниям пимитра. В заключении раздела 4.1 действующих правил отмечается, что в случае отклонения параметров рабочего процесса, удельного расхода топлива за пределы от нормы, должны быть выяснены причины и при необходимости проведены соответствующие настройки.
Таким образом, ПТЭ судовых дизелей, четко определяя перечень контролируемых параметров по рабочему процессу и процедуру их обработки (определение отклонения от средних значений по двигателю), ограничиваются лишь общими указаниями о том, как провести регулирование мощности по цилиндрам. Иными словами, процедура контроля рабочего процесса в цилиндре не формализована полностью, окончательные выводы о качестве рабочего процесса зависят от опыта и квалификации механика.
В разделе 8 части III действующих ПТЭ изложены основные неисправности дизелей, их причины и способы устранения, в качестве диагностического параметра используется только один показатель рабочего процесса в цилиндрах — температура выпускных газов. В частности п. 8.3.1 указывается, что если температура выпускных газов одного из цилиндров повышена, то возможными причинами могут быть: Перегрузка цилиндра; Неудовлетворительное распыливание топлива из-за неисправности форсунки, топливного насоса; Давление конца сжатия недостаточно; Поздняя подача топлива; Неплотность выпускных клапанов; Выпускные и продувочные окна сильно загрязнены. Если же выше нормы средняя температура выпускных газов (т.е. всех цилиндров), то согласно п.8.3.2: Дизель перегружен; Давление надувочного воздуха ниже нормального; Температура надувочного воздуха повышена; Пожар в подпоршневых полостях или ресивере. Из изложенного выше следует, что действующими ПТЭ судовых дизелей не предусмотрено привлечение результатов индицирования для оперативного контроля рабочих процессов в цилиндрах. Между рекомендуемыми периодическими индицированиями и текущим по-вахтенным контролем эксплуатационных параметров дизеля нет логической связи, позволяющей формализовать процедуру контроля рабочего процесса. В разделе 4 части III ПТЭ также приводятся рекомендации по регулировке параметров рабочего процесса. В частности, в п. 4.2.2. отмечается, что неравномерность распределения параметров рабочего процесса по цилиндрам, характеризуемая отклонением от среднего значения, не должна превышать указанных ниже значений, если в инструкции не оговорены другие отклонения: Среднее индикаторное давление ± 2,5 %; Максимальное давление сгорания ± 3,5 %; Давление конца сгорания ± 2,5 %; Температура выпускных газов ±5%. Отклонение параметров в отдельных цилиндрах могут быть вызваны как неправильной регулировкой, так и неисправностями. Пункт 4.2.1 лишь в общих чертах оговаривает, как исключить ошибочное регулирование. Практически же решить эту задачу чрезвычайно сложно даже опытному механику. Чем больше число цилиндров, тем сложнее осуществить правильную оценку качества рабочих процессов в цилиндрах. В работе [37] приводится методика диагностирования главного двигателя т/х «Новогрудок» Зульцер 6RD76, разработанная специалистами Центрального научно-исследовательского института морского флота (ЩЖИМФ) и Балтийского морского пароходства (БМП). Исследования проводились в течении шести месяцев в эксплуатационных условиях. Рабочий процесс в цилиндрах исследовался при помощи прибора NK-6 фирмы «Аутроника». Измерялись следующие параметры: 1. п — частота вращения коленчатого вала двигателя; 12. Ps - давление надувочного воздуха; 3. Рсотр- давление сжатия; 4. Ртах - максимальное давление цикла; 5. Рех - давление на линии расширения при положении коленчатого вала 36 п.к.в. после ВМТ; 6. Р{ - среднее индикаторное давление; 7. аРтах — угол, соответствующий Pz. Дополнительно с помощью штатных приборов регистрировались: 8- Тех— температура выпускных газов по цилиндрам; 9. УН — указатель нагрузки (положение топливорегулирующего органа в условных делениях). На основе девяти контролируемых параметров построена модель исправного дизеля, представленная в форме совокупности 22 наборов эталонных характеристик. Эти характеристики построены на базе статистической обработки данных, полученных при различных условиях плаваниях. В работе не приводятся соображения, положенные в основу формирования комплексов параметров и на их основе - эталонных характеристик, например: PsPmax = /(Р )-, п + Pi = f(Ps), п + Ртзх = /(Рсотр)- Построение таких комплексов не основано не на теории дизелей, ни на базе методик контроля рабочих процессов, регламентируемых ПТЭ судовых дизелей и инструкциям заводов-изготовителей. Из 22-х эталонных характеристик только 8 имеют ясный физический смысл: PS
Эталонные характеристики задаются в виде графиков, которыми пользуются следующим образом. По измеренным значениям независимой переменной (в приведенных выше зависимостях — Pi или Ps) и диагностического параметра на графике строят точку. Если эта точка лежит в области допустимых значений для диагностического параметра, то по этой эталонной характеристике двигатель считается в хорошем техническом состоянии. Этому событию целесообразно приписать код диагностического параметра «О» (такой принцип кодирования информации впервые предложен в работе [9]). Если точка находится выше допустимых пределов — фиксируется код «+1», если ниже — код «-1».
Влияние неравномерности вращения коленчатого вала на точность измерения среднего индикаторного давления в судовых ДВС
В отличии от рассмотренных выше методов, основанных на использовании эталонных зависимостей для диагностических параметров, позволяющих выделить из общего уровня изменения параметра на различных режимах отклонения, обусловленные неисправностью, в работе [7] приводится методика диагностирования рабочего процесса малооборотного дизеля (Зульцер 6RD 56) на основе анализа отклонений от среднего по цилиндрам (табл. 1.6). Нарушение рабочих процессов одновременно во всех цилиндрах предложено диагностировать на основе приводимой рабочей номограммы Pt = /(УН, п).
Подобный подход обоснован в публикациях [7, 8, 9] и логически вытекает из регламентируемой ПТЭ методики контроля рабочих процессов судовых дизелей. Однако приведенная методика, как и рассмотренные ранее, опробована на конкретном двигателе. В работе не приводятся рекомендации, обобщающие контроль и диагностику рабочих процессов в дизелях различных типов.
Фирмой «MAN B&W» рекомендует пользоваться следующей таблицей при оценке технического состояния двигателя. В данной таблице 1.7 приводятся 7 контролируюмых параметров и выявляются 7 неисправностей. В отличие от других методик здесь сделана попытка создать обобщенную методику контроля пропульсивного комплекса (двигатель-винт). Следует отметить, что по приведенной фирмой таблице акцент в основном делается на контроль параметров воздухоснабжения. В то время как контроль за состоянием топливной аппаратуры выражен обобщенно. К существенному недостатку таблицы 1.7 следует отнести тот факт, что нет дополнительных комментариев по выбору дополнительных диагностических параметров применительно к тем неисправностям, которым соответствуют одинаковые наборы диагностических параметров. 1. Электронные системы индицирования позволяют измерить и зафиксиро вать большое количество данных, однако по сути, они являются обыкновенным электронными измерительными приборами, которые пришли на смену старым механическим приборам индицирования. Вышеприведенный подробный обзор подтверждает это. Как и все измерительные приборы, данный класс приборов обладает определенной погрешностью измерения, а так как это может при по следующей обработке результатов измерений привести к ошибкам идентифика ции неисправностей судового двигателя, то в связи с этим перед автором дис сертационной работы ставятся следующие задачи: Выявить и оценить факторы, наиболее сильно влияющие на выходной сигнал при использовании электронных систем индицирования; Предложить способы снижения погрешности измерения. 2. Из обзора существующих методик контроля показателей рабочего про цесса следует заключить, что имеющиеся в настоящее время методики доволь но громоздки и сложны для понимания. Все предложенные методики в основ ном ориентированы на персонал имеющий высокий уровень квалификации. Предложенные авторами методики зачастую разработаны и апробирована на стендовых двигателях, что делает их неприменимыми для судовых условий эксплуатации двигателя. Для учета влияние внешних факторов оказывающих влияние на двигатель в судовых условиях эксплуатации, авторы прибегаю к вы воду уравнений учитывающих зависимость между диагностическим парамет рами и параметрами определяющими режим работы двигатель, что приводит так же к усложнению методики, а так как уравнения зависимости выводятся по статистическому материалу собранному по определенному типу двигателей, отсюда следует, что предложенные методики не могут претендовать на универсальность. Исходя их этого, автор диссертационной работы ставит перед собой следующие задачи: Определить минимально необходимую совокупность диагностических параметров, отображающих текущее состояние рабочего процесса и позволяющих выявлять наиболее часто встречающиеся при эксплуатации судовых двигателей неисправности; Установить причинно-следственную связь между выбранной совокупностью диагностических параметров и проявлением той или иной неисправности и на этой основе составить единый для всех типов двигателей алгоритм диагностирования ориентированный на персонал разного уровня квалификации. На точность замеров при использовании электронных систем индицирования влияет большое количество внешних факторов. Наиболее существенные из них: Погрешность неточного задания положения ВМТ поршня; Погрешность из-за искажения сигнала в индикаторном канале; Погрешность из-за неравномерности вращения коленчатого вала. Считается, что вышеперечисленные факторы вносят существенный вклад в общую погрешность. Вопросы, связанные с анализом погрешностей и их устранение нашли отражение в работах А. А. Обозова, В. А. Лашко, А. Ю. Конькова, А.Ю. Самойленко и др. Рассмотрим наиболее современные работы из этой области. В частности в работе [34], посвященной влиянию погрешности вносимой индикаторным каналом, автором рассматриваются теоретические и практические аспекты влияния собственных колебаний индикаторного канала на измеряемые при индицировании параметры рабочего процесса. Приводятся расчеты, графики и диаграммы отражающие важность учета данной проблемы. Также рассматривается авторский метод позволяющий компенсировать данный тип погрешностей на основе применения математической модели. Однако приведенный в работе материал распространяется только на четырехтактные средне- и высокооборотные двигатели. Влияние погрешности вносимой индикаторном каналом при индицировании малооборотных двигателей внутреннего сгорания в данной работе практически не рассматривается.
Адаптированный для обслуживающего персонала вариант методики контроля показателей рабочего судового двигателя
Электронные индикаторы позволяют лишь измерить и рассчитать параметры рабочего процесса, в то время как анализ технического состояния двигателя должен уже проводить обслуживающий персонал. Существенной частью процесса анализа является выбор параметров, описывающих состояние двигателя. Они должны быть достаточно информативны, чтобы было возможно отнести техническое состояние двигателя к одному из возможных классов диагнозов. Отсюда следует необходимость, разработки формальных методов построения алгоритмов контроля технического состояния объектов. Это особенно важно для сложных объектов, таких как двигатель внутреннего сгорания, насчитывающих десятки функционально и конструктивно взаимосвязанных компонентов и зачастую требующих многих часов для обнаружения и поиска неисправностей.
Контроль технического состояния судовых дизелей как самостоятельный элемент включает контроль параметров рабочих процессов для своевременного обнаружения отклонений в работе дизеля, которые могут привести к нарушению работоспособности двигателя.
Основной и наиболее сложной задачей контроля технического состояния судовых дизелей является получение адекватных диагностических алгоритмов. Каждый эксперимент при испытаниях судовых дизелей требует больших трудовых и материальных затрат. В полной мере эти эксперименты можно только реализовать в условиях заводского стенда. Однако в реальных условиях двигатель получает непрерывные возмущения со стороны движителя в связи с перемещением пера руля, волнении моря, осадки судна, климатических условий плавания и т.д. Эти возмущения отражаются на контролируемых параметрах, придавая им стохастический характер. Поэтому алгоритмы, полученные при стендовых испытаниях дизеля на стенде, не могут быть полностью использованы для целей диагностики.
Диагностические параметры, полученные в результате обработки пассивного эксперимента на реальных объектах (судах), требуют времени и большого количества статистического материала.
При разработке алгоритмов оценки и контроля параметров рабочего процесса двигателя целесообразно использовать комбинированный метод, который включает [16]: Замкнутую математическую модель рабочих процессов дизеля, пригодную для моделирования в широком диапазоне эксплуатационных -режимов и отражающей влияние внешних условий на показатели работы; Вывод зависимостей отклонения диагностических параметров в зависимости от вида неисправности на основе численного моделирования рабочих процессов с учетом стохастического характера влияющих факторов (путем искусственного генерирования случайных отклонений исходных данных); Проведение выборочных экспериментов на судне в условиях эксплуатации для проверки адекватности полученных зависимостей фактическим значениям контролируемых параметров. Применение комбинированного метода (подхода) позволяет существенно сократить объем натурных испытаний на стенде и в условиях эксплуатации. При осуществлении контроля параметров рабочего процесса судовых двигателей в качестве контролируемых параметров в работе принимаются теплотехнические параметры. Теплотехнические параметры становятся информативными до того, когда загрязнение (засорение), износ, прогорание и т.д. достигнут определенных пределов, после которых наступает резкое ухудшение характеристик, что рассматривается уже как неисправность. Поэтому теплотехнические параметры наиболее подходят для предупреждения нарушения процессов в эксплуатационных условиях. Как упоминалось ранее в связи с тем, что показатели рабочего процесса и процессы в двигателе находятся в сложных взаимосвязях, то выявить какой элемент конструкции повлиял на отклонение того или иного теплотехнического параметра от нормы довольно сложно. Данный факт приводит к созданию довольно сложных и громоздких алгоритмов контроля рабочего процесса. Поэтому исходя из вышеприведенных рассуждений и анализа работ посвященных контролю рабочего процесса (см. Главу 1) автором диссертационной работы предлагает проводить анализ рабочего процесса поэтапно, а в частности в два этапа [25]: I этап - оценка качества рабочего процесса в целом по двигателю; II этап - оценка качества рабочего процесса в отдельных цилиндрах. Оценка отклонения параметров рабочего процесса производится относительно средних по двигателю, это исключает необходимость учитывать влияние режима работы двигателя на процессы в отдельных цилиндрах Предложенная автором двухуровневая методика обладает по сравнению с существующими методиками, следующими преимуществами: простотой использования и компактностью благодаря 2-х этапной оценке параметров рабочего процесса, что делает методику ориентированной на персонал разного уровня подготовки; независимостью от пропульсивного комплекса, так как оценка технического состояния двигателя осуществляется относительно среднего значения; возможностью применения для различных типов двигателя.
Экспериментальное подтверждение методики контроля рабочего процесса при имитации неисправностей на среднеоборотном двигателе
Если результаты оценки параметров рабочего процесса в общем по двигателю дали положительный результат, т.е. контролируемые параметры Ps, Тсх, Р, не отклоняются от заданной нормы или же не была найдена причина отклонения параметра, то необходимо осуществить контроль параметров рабочего процесса в отдельных цилиндрах (второй этап контроля рабочего процесса). На данном этапе осуществляется контроль регулировок и неисправностей топливной аппаратуры по цилиндрам двигателя, а также неисправности ЦПГ (цилинд-ро-поршневой группы), которые невозможно выявить при контроле на первом этапе.
Здесь можно выделить 6 неисправностей, которые могут быть идентифицированы по измеряемым существующими электронными системами индициро-вания параметрам рабочего процесса. 1 .Нарушение плотности цилиндра: Прогорание выпускного клапана; Износ и поломка поршневых колец; Трещины в деталях ЦПГ и др. 2.Слишком ранний впрыск и воспламенение топлива: Увеличен угол опережения подачи топлива вследствие неправильной установки кулачной шайбы ТНВД. 3.Слишком поздний впрыск и воспламенение топлива: Уменьшен угол опережения подачи топлива вследствие неправильной установки кулачной шайбы ТНВД; Самопроизвольное смещение кулачковой шайбы на распредвале; Износ или выкрашивание металла кулачковой шайбы. 4.Уменыпена цикловая подача: Неправильная регулировка ТНВД; Трещина в корпусе ТНВД или разрыв форсуночного трубопровода; Чрезмерный износ прецизионных пар; Неплотность всасывающего или перепускного клапанов ТНВД и др. 5.Увеличена цикловая подача: Неправильная регулировка ТНВД. 6.Плохое сгорание топлива из-за неисправности форсунки: Износ отверстий распылителя более чем на 10% (по диаметру); Трещина или обрыв носика распылителя; Закоксовывание отверстий распылителя; Поломка пружины форсунки и др. Автором диссертационной работы был выполнен анализ всех шести неисправностей. Анализ проводился на математической модели реализующей алгоритм расчета рабочего процесса только в одном цилиндре и без расчета газообмена, предложенный в пособии [2] для двигателя 6ДКРН 50/200. Неисправности варьировались путем изменения исходных данных: 1- заданием условного эффективного сечения утечки заряда на участках сжатия-сгорания — расширения, здесь задавалась величина протечек от 3,3% до 22,5%; 2 и 3 - соответствующим изменением угла начала подачи топлива форсункой, изменение угла варьировалось в диапазоне ±4 п.к.в. (поворота коленчатого вала) в каждую сторону; 4 и 5 - изменением величины цикловой подачи и связанных с ней фаз начала и конца подачи топлива, величина цикловой подачи варьировалась в диапазоне ± 30% ; 6 - увеличение продолжительности сгорания топлива путем изменения настроечных коэффициентов в математической модели процесса сгорания, здесь искусственно завышалась продолжительность сгорания топлива в цилиндре путем увеличения периода сгорания топлива на 5 п.к.в. в сторону линии расширения по индикаторной диаграмме.
Целью данного исследования было выявить характер изменения набора параметров рабочего процесса получаемых при пользовании электронных систем индицирования в зависимости от той или иной неисправности. В математическую модель были внесены изменения с целью выявления возможностей ряда параметров получаемых техническим специалистом при использовании элек 78 тронных систем индицирования, но не применяемых при оценке технического состояния двигателя. Среди этих параметров особый интерес представляют, следующие: Ре-Ч- значение давления при 36 после ВМТ; /d(p - изменение давления по отношению к углу поворота коленчатого вала (скорость нарастания давления); аРтах- положение значения максимального давления по отношению к того или иного вида неисправностей. Рассмотрим каждый из новых параметров более детально с целью выявления их потенциальных возможностей.
Скорость изменения давления по отношению к углу поворота коленчатого вала (скорость нарастания давления) представляет наибольший интерес из данных параметров, так как характеризует скорости протекания процессов в цилиндре двигателя. До настоящего времени дифференциальная составляющая индикаторной диаграммы использовалась только для оценки механической напряженности двигателя. Хотя данный тип диаграмм может служить дополнительным источником диагностической информации при оценке рабочего процесса в цилиндре двигателя, так как любое отклонение рабочего процесса от нормы будет сказывается на скорости протекания процессов в цилиндре двигателя. Автором диссертационной работы было проведено исследование по оценке диагностической ценности данного параметра, основные положения которых были изложены в работе [24]
Выведем и рассмотрим дифференциальные уравнения скорости изменения давления в процессе горения-расширения и сжатия, чтобы можно было оценить диагностическую ценность данных диаграмм. Решение этой задачи основывается на первом начале термодинамики для переменной массы газа [40]: где dOnob = gltQtldx - количество теплоты, выделившееся при сгорании элементарной относительной массы топлива gtjdx (QH — низшая теплотворность топлива); idMT = cpTg4dx - энтальпия газа, поступающего в объем цилиндра при сгорании массы топлива, равной gtldx; idMH - энтальпия заряда, потерянная через неплотности камеры сгорания; dM — элементарная масса рабочего тела; М - масса рабочего тела; и — удельная внутренняя энергия рабочего тела;-р — давление рабочего тела в цилиндре; dV — изменение.объема цилиндра; Оы - теплота, полученная/отданная рабочим телом в результате теплообмена.
