Введение к работе
Актуальность работы. Основополагающим требованием политики на морском флоте, сформулированным в международных конвенциях, является управление безопасностью его эксплуатации. Наибольшее несоответствие требованиям международного кодекса управления безопасностью (МКУБ) приходится на главные и вспомогательные двигатели морских судов. Существующее многообразие типов современных судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС) требует разработки индивидуального подхода для реализации принципов их безопасной ресурсосберегающей эксплуатации с учетом особенностей конструкции и условий работы.
Работающее моторное масло (РММ) из системы смазки судового дизеля несет в себе информацию о термодинамических, химических и триботехни-ческих процессах, происходящих в парах трения двигателя. Носителями этой информации являются физико-химические показатели самого РММ, а также содержащиеся в нем продукты износа трущихся деталей дизеля и неполного сгорания топлива. Информация о концентрации частиц износа в масле и их распределении по размерам позволяет решать задачи распознавания технического состояния С ДВС. Обширные научные исследования, проведенные во многих странах мира, показали высокую достоверность выявления неисправностей и предупреждения отказов в работе дизелей на основании анализа используемых в них РММ. Однако из-за широкого диапазона показателей применяемых топлив и режимов эксплуатации СДВС, разного качества используемого масла наиболее острой и нерешенной остается задача адекватного распознавания дефекта на основе извлекаемой из РММ информации.
Существующие предельные нормы содержания продуктов износа в РММ не универсальны. Они не учитывают форсировку, режимы работы дизелей, различные условия их эксплуатации, качество и многообразие применяемых топлив, а также собственно химмотологическую специфику самих масел. В большинстве случаев имеющиеся рекомендации являются нечеткими и размытыми, а задача принятия решения возлагается на экспертов - технический менеджмент судоходной компании. Необходима разработка как общих подходов к решению данной задачи, так и конкретных методик и алгоритмов применительно к различным типам судовых дизелей.
Объектом исследования является информационный потенциал работающего моторного масла в системах смазки судовых тронковых и крейц-копфных дизелей при их эксплуатации на различных топливах.
Цель диссертационной работы состоит в разработке комплекса теоретических положений и научно-технических решений по обеспечению безопасной ресурсосберегающей эксплуатации судовых дизелей на основе мониторинга параметров работающего масла и содержания в нем продуктов износа деталей двигателя.
Методы исследований базировались на основных положениях системного анализа и объектно-ориентированного подхода при моделировании сложных процессов массообмена в системах смазки (СС) судовых дизелей,
статистической теории распознавания образов. Они включали в себя взаимодополняющие методы имитационного и математического моделирования. Экспериментальное исследование параметров работающего моторного масла (ММ) проводилось на аттестованном оборудовании современными методами: фотометрией, инфракрасной и эмиссионной спектроскопией. Диспергирующую способность масла, дисперсный состав его загрязнений и эффективность маслоочистителей (МО) оценивали оптической и электронной микроскопией.
Научная новизна проведенных исследований состоит в:
разработке на основе системного подхода иерархических и структурно-функциональных схем СДВС как объектов трибодиагностики через представление работающего моторного масла в виде системообразующего процесса;
разработке имитационной модели циркуляции и кинетики накопления частиц продуктов износа в работающем масле СС судового тронкового дизельного двигателя;
уточнении стохастических моделей очистки РММ фильтрованием и центрифугированием (сепарированием) от частиц продуктов износа;
разработке методики векторной многокритериальной идентификации функции распределения частиц продуктов износа трибосопряжений тронко-вых СДВС;
предложенной имитационной модели зависимости скорости изнашивания двигателя от триботехнических свойств РММ в дизелях разной форси-ровки при сжигании топлив широкого фракционного и группового составов;
разработке методики и алгоритма оценивания технического состояния тронкового СДВС путем имитационного моделирования на основе данных трибомониторинга с учетом влияния случайных факторов;
разработке вероятностно-статистического подхода распознавания технического состояния деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ) крейц-копфных малооборотных дизелей (МОД) по данным мониторинга отработанного цилиндрового масла (ОЦМ) с привлечением методов многомерной статистики и теории статистических решений;
впервые разработанной имитационной модели накопления продуктов износа деталей ЦПГ крейцкопфных МОД в отработанном цилиндровом масле;
получении математических моделей изменения дисперсности продуктов загрязнения РММ при доливе свежего масла в систему смазки судового дизеля и экспериментальных зависимостей, описывающих вероятностный процесс долива масла в эксплуатации.
Практическая ценность работы заключается в разработке научно обоснованных методик и алгоритмов оценки технического состояния СДВС на основе контроля параметров работающего масла и содержания в нем продуктов износа двигателя. Важной для практики особенностью разработанного подхода является учет воздействия на результаты мониторинга РММ случайных факторов при комплектации СС агрегатами очистки разного принци-
па действия. Разработанные методы интерпретации показателей РММ по результатам проведенного комплексного исследования являются основой для разработки конкретных правил управления безопасной эксплуатацией судовых дизелей в судоходных компаниях. Предложена методика выбора рационального режима долива свежего масла в систему смазки СДВС, которая предотвращает негативные последствия смешивания работающего и свежего масел, связанные с потерей коллоидной стабильности РММ. Полученные научные и практические результаты используются в учебном процессе подготовки специалистов судомеханической специальности для морского флота в Морском государственном университете им. адм. Г.И. Невельского.
Предметом защиты являются следующие основные результаты работы, определяющие ее научную и практическую ценность:
иерархические и структурно-функциональные схемы СДВС как объектов трибодиагностики через представление работающего моторного масла в виде системообразующего процесса;
имитационная модель циркуляции и кинетики накопления частиц продуктов износа в работающем масле системы смазки тронкового СДВС с учетом стохастичности режимов долива и интенсивности очистки РММ, а также качества применяемых топлив и моторных масел с оценкой их триботехниче-ских свойств;
уточненные стохастические модели очистки РММ фильтрованием и центрифугированием (сепарированием) от частиц продуктов износа;
методика идентификации функции распределения частиц продуктов износа трибосопряжений тронковых СДВС на основе решения задачи многокритериальной векторной оптимизации, использующей данные трибомони-торинга РММ;
имитационная модель накопления продуктов износа деталей ЦПГ крейцкопфных МОД в отработанном цилиндровом масле;
методика решения задачи распознавания технического состояния ЦПГ крейцкопфных МОД по результатам трибомониторинга ОЦМ на основе теории статистических решений в условиях недостатка априорной информации;
математические зависимости, описывающие изменение дисперсности продуктов загрязнения работающего масла при доливе свежего масла в систему смазки СДВС;
методики и критерии количественного оценивания результатов мониторинга РММ и их применение для обеспечения безопасной эксплуатации СДВС.
Апробация работы. Результаты проведенных исследований представлялись ежегодно на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ДВГМА (МГУ) им. адм. Г. И. Невельского (1986 -2011 гг.). Основные положения работы докладывались на краевых, региональных, всесоюзных (российских) и международных конференциях и семинарах: «Диагностика, повышение эффективности, экономичности и долговечности двигателей» (Ленинград, ЛСХИ, январь 1985 г.); «Теория и практи-
ка рационального использования горючих и смазочных материалов и рабочих жидкостей в технике» (Челябинск, ЧФ НАТИ, 1989, 1993, 1996 гг.); «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, ДВО PAT, 1995, 1997, 1999, 2001, 2003, 2005, 2007, 2009 гг.); «Актуальные проблемы фундаментальных наук» МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1993 г.); «Двигатель - 2007», посвященной 100-летию школы двигателе-строения МГТУ им. Н.Э. Баумана (Москва, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2007 г.); XXXIV Уральский семинар по механике и процессам управления (Миасс, УрО РАН, 2004 г.); «Двигатель - 2005» (Хабаровск, ТОГУ, 2005 г.); «Двигатель - 2008» (Хабаровск, ТОГУ, 2008 г.); «Исследование, проектирование и техническая эксплуатация судовых ДВС» (Санкт-Петербург, СПб. гос. ун-т вод. коммуникаций, 2006 г.); 51-й, 52-й Всероссийской научной конференции (Владивосток, ТОВМИ, 2008, 2009 гг.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 89 работ. В том числе одна монография, два учебных пособия и 19 научных статей в изданиях, рекомендуемых ВАК для опубликования материалов докторских диссертаций. Результаты исследований отражены также в семи отчетах по хоздоговорным и госбюджетным НИР, выполненных при участии автора диссертации и прошедших государственную регистрацию. Практические результаты работы защищены 12-ю авторскими свидетельствами на изобретения.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, восьми глав, заключения, списка использованных источников и приложений. Основная часть работы изложена на 357 с. машинописного текста, включая 95 рисунков, 52 таблицы и библиографию из 259 наименований.
