Электронная библиотека Веда
Цели библиотеки
Скачать бесплатно
Доставка литературы
Доставка диссертаций
Размещение литературы
Контактные данные
Я ищу:
Библиотечный каталог российских и украинских диссертаций

Вы находитесь:
Диссертационные работы России
Технические науки
Судовые энергетические установки

Диссертационная работа:

Пальтов Сергей Алексеевич. Контроль рабочих процессов судовых двигателей с использованием электронных систем индицирования : диссертация ... кандидата технических наук : 05.08.05 / Пальтов Сергей Алексеевич; [Место защиты: Гос. мор. акад. им. адмирала С.О. Макарова].- Санкт-Петербург, 2010.- 186 с.: ил. РГБ ОД, 61 10-5/1652

смотреть введение
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.

  1. Проведен обзор исследований по технической диагностике судовых двигателей, который позволил выработать рациональные методологические решения задачи диагностирования судовых двигателей.

  2. 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:

  1. Определить минимально необходимую совокупность диагностических параметров, отображающих состояние рабочего процесса и позволяющих выявлять часто встречающиеся при эксплуатации судовых двигателей неисправности;

  2. 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:

  1. Дать критическую оценку существующим на современном рынке электронным системам индицирования;

  2. 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:

  1. Двухуровневая методика контроля показателей рабочего процесса для судовых двигателей, основанная на анализе отклонения диагностических параметров от их средней величины;

  2. Новый метод определения средней величины при значительном разбросе диагностических параметров по цилиндрам двигателя;

  3. 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 1 + 4(Х2 + Х4) + 6Х3 + Х5) (1)

Для шестицилиндрового двигателя:

Хср = 0,5мх + 5(Х2 + Х5) + 10(Х3 + Х4) + Х6 ) (2)

Для семицилиндрового двигателя:
Хср = 0,5/_1 1 + 6(Х2 + Х6) + 15(Х3 + Х5) + 20Х4 + Х? ) (3)

Для восьмицилиндрового:
Хср =0,5/_11 +7(Х2?) + 21(Х36)+35(Х4 +X5) + Xg) (4)

где Х-, 234,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:

  1. Сократить процесс поиска неисправности за счет эффективной структуры алгоритма поиска неисправностей;

  2. Уменьшить материальные затраты на ремонт двигателя за счет своевременного выявления неисправностей в начале их развития;

  3. Повысить эффективность использования обслуживающим персоналом современных электронных систем индицирования;

  4. 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.


© Научная электронная библиотека «Веда», 2003-2013.
info@lib.ua-ru.net