Повышение эффективности функциональных методов диагностирования судовых дизелей

В комплексе машин и механизмов, составляющих судовую энергетическую установку, дизели являются наиболее сложными и ответственными агрегатами, эффективность работы которых в значительной мере определяет технико-экономические показатели энергетической установки и судна в целом.

Основная проблема современного дизелестроения — последовательное улучшение удельных энергетических, массово-габаритных и экономических характеристик — наиболее полно и динамично разрешается посредством формирования рабочих процессов. Это приводит к тому, что уровни механических и тепловых нагрузок, действующих в узлах и деталях современных дизелей, приближаются к предельно допустимым, а в некоторых случаях достигают их. Другими словами, современные судовые дизели имеют повышенную чувствительность к качеству технического обслуживания, ремонта и уровню нагрузок на возможных режимах работы.

В этих условиях высокие эксплуатационные значения энергетических и экономических показателей, надежности и ресурса могут быть достигнуты только в тех случаях, когда имеется объективная информация о качестве функционирования, техническом состоянии и величинах нагрузок в узлах и деталях дизелей. Следовательно, стремление наиболее эффективно реализовать показатели, заложенные в дизели при проектировании, неизбежно предполагает совершенствование методов и средств кощрощя за их функционированием в эксплуатационных условиях.

Практический опыт, накопленный в различных отраслях промышленности й транспорта, свидетельствует о том", что наиболее перспективным направлением совершенствования контроля за работой дизелей является безразборная диагностика. Разработка и внедрение надежных и эффективных систем технического диагностирования (СТД) двигателей различного назначения призваны обеспечить:

— во-первых, достаточно надежную оценку качества функционирования и технического состояния с обнаружением возникших неисправностей на различных скоростных и нагрузочных режимах;

— во-вторых, прогнозирование изменения технического состояния и, в конечном счете, переход от регламентной системы технического обслуживания к системе обслуживания в зависимости от фактического состояния.

По данным /76 / использование технического диагностирова ния сокращает трудоемкость и время ремонтов на 30−40 $, уменьшает расход топлива на 2−4 $, увеличивает коэффициент технического использования на 12 $, существенно повышает безопасность плавания морских судов. Кроме этого, техническое диагностирование оказывает обратное действие на производство, так как скрыть производственные и технологические дефекты становится труднее, а в ряде случаев практически невозможно.* Последнее немедленно сказывается на качестве продукции. Поэтому в странах с развитым транспортным машиностроением проводятся интенсивные исследования^ направленные на развитие методов и средств безразборной диагностики.

Исследования, выполненные Норвежским институтом исследования судов в конце 1960;х г., результатом которых явилось создание экспериментальных СТД для судовых дизелей, были инициирующим началом к проведению работ по созданию СТД в других странах. В 1970;х гг. такие работы ведутся всеми круп ными дизелестроительными фирмами при участии фирм-изготовите / лей судовых средств автоматизации. В итоге на мировом рынке появилось довольно много СТД, базирующихся на использовании микро-ЭВМ.

Из публикаций и рекламных материалов, сопутствующих появлению этих систем следовало, что они способны решать полный комплекс задач по диагностированию судовых дизелей. Однако, действительная эффективность СТД оказалась существенно ниже предполагаемой.

В результате эксплуатационных испытаний СТД было установлено, что в судовых условиях они вели себя иначе, чем на испытательных стендах. Объясняется это в основном несовершенством заложенных в системы методов обработки информации и алгоритмов диагностирования. Поэтому уже к концу 1970;х^{.большинство} дорогостоящих сложных СТД были сняты с*производства.

В последние годы серийно выпускаются сравнительно простые СТД, состоящие из отдельных самостоятельно функционирующих блоков, представляющих средства автоматизированного контроля параметров, характеризующих выполнение конкретными компонентами дизеля заданных функций.

В перечень компонентов, подлежащих диагностированию в первую очередь, практически все разработчики СТД включают рабочие процессы в цилиндрах, топливной аппаратуре, воздушно-газовом тракте и наиболее напряженные элементы ЦПГ. К последним обычно относят первое поршневое кольцо и выпускной клапан.

Представляется, что перечень элементов ЦПГ, подлежащих диагностированию в первую очередь, следует расширить.

Статистические данные о причинах замены цилиндровых втулок судовых дизелей свидетельствуют о том, что общее число браковочных признаков, характерных для наружной поверхности втулки, превышает этот же показатель для внутренней поверхности (см. приложение). Другими словами, наружная поверхность втулки подвержена воздействию разрушающих факторов не в меньшей мере, чем рабочая, а устранение их последствий связано с демонтажем ЦПГ, т. е. представляет трудоемкую операцию, приводит к значительным потерям эксплуатационного времени и нарушению достигнутой приработки сопрягаемых поверхностей. По этим причинам элементы зарубашечных полостей охлаждения судовых дизелей также следует отнести к компонентам диагностирования первой очереди.

Для оценки качества функционирования и технического состояния всех названных выше компонентов дизелей могут использоваться в различных комбинациях виброакустические методы, данные непосредственного измерения температур деталей, анализа состава продуктов сгорания и продуктов износа в масле, методы прямого определения структурных параметров, а также теплотехнических параметров рабочего тела. .

Следует отметить, что использование теплотехнических параметров, тесно связанных с рабочими процессами9создает исключительные возможности для реализации функционального диагности- -рования судовых дизелей в эксплуатационных условиях, поскольку позволяет в значительной мере использовать традиционные каналы контроля параметров, только при необходимости дополняемые новыми измерительными каналами с применением специальной аппаратуры.

Кроме того, при условии решения ряда задач методологического и теоретического характера, а также должном приборном обеспечении, диагностирование с использованием теплотехнических параметров позволяет получить не только качественную, но и количественную информацию об изменении технического состояния агрегатов воздушного и газового трактов, топливной аппаратуры и элементов ЦПГ, непосредственно контактирующих с рабочим телом.

Что же касается элементов ЦПГ, не контактирующих с рабочим* телом, техническое состояние которых мало или совсем не влияет на характеристики рабочего процесса, то их диагностическое обеспечение в настоящее время представляется наиболее проблематичным, поскольку требует анализа явлений, выходящих за рамки рассмотрения термодинамических процессов и применения новых измерительных каналов.

Независимо от физической природы метода диагностирования, методической основой распознавания технического состояния двигателей всех типов и назначений во всех СТД является единый принцип: сравнение текущих значений диагностических параметров с их эталонными значениями. Причем эталонные значения диагностических параметров должны соответствовать техническому состоянию двигателя, которое принято за исходное.

Названный принцип может быть реализован без каких-либо допущений только в том случае, когда потребитель энергии имеет стабильную во времени характеристику. Если же характеристика потребителя изменяется не только вследствие воздействия износных, но и случайных факторов, ситуация резко усложняется Именно этим обстоятельством обусловлены трудности построения работоспособных алгоритмов диагностирования дизелей в судовых условиях. Более того, названное обстоятельство является перво причиной отсутствия единого взгляда по поводу самой методологии диагностирования и появления самых различных подходов к решению научно-методической проблемы эффективного использования судовых СТД.

В первой главе диссертации выполнен анализ опубликованных подходов к задаче распознавания технического состояния судовых дизелей и результатов эксплуатационных испытаний СТД.

Показано, что наибольшие трудности представляют вопросы, связанные с формированием эталонных зависимостей, характеризующих исходное состояние и вопросы обеспечения универсальности этих зависимостей для двигателей различных марок и назначений Посредством известных методик практически возможно реализовать основной принцип диагностирования только на заданном режиме или режимах определенной характеристики. Чувствительность и избирательность существующих методик занижается и по той причине, что в большинстве случаев эталоны строятся на основе осредненных данных по двигателю в целом, т. е. не учитываются конкретные особенности отдельных цилиндров.- Эффективность диагностирования, а следовательно, и возможности самих СТД существенно снижаются в тех случаях, когда потребители энергии имеют нестабильные характеристики.

Изложенные выше обстоятельства определили цель диссертационной работы и содержание задач, посредством решения которых она достигается.

Во второй главе изложены принципы формирования инвариантных относительно потребителей механической энергии диагностических эталонов.

Физической основой исходных предпосылок развитого в работе подхода является понятие нового эталона, под которым понимается поле допустимых режимов длительной работы дизеля. Очевидно, что названное поле включает всю совокупность режимов, которымиопределяются приемлемые условия сгорания топлива в цилиндрах нового дизеля, протекание рабочих процессов в системе топливоподачи и компонентах воздушно-газового тракта. Положение границ этого поля определяется только свойствами двигателя и не зависит от свойств потребителя энергии, т. е. такой эталон обладает свойством инвариантности относительно возможных возмущений со стороны потребителя. Поэтому никаких ограничений на характер возмущений со стороны потребителя не накладывается, если их значения укладываются в поле допустимых для длительной эксплуатации режимов.

Очевидно, что изложенные физические предпосылки приобретают конкретное выражение и практическую значимость только в том случае, если указан способ их представления в форме количественных соотношений.

Сущность развитого в работе метода количественного описания исходных предпосылок состоит в следующем.

Согласно данному выше определению, инвариантные эталоны должны обеспечить количественную оценку конкретных свойств двигателя или его компонентов во всем поле допустимых для длительной эксплуатации режимов в произвольный момент времени. Следовательно, для оценки качества функционирования того или иного компонента двигателя в исходном состоянии, на основе входных и выходных переменных (в последующем именуемых информационными параметрами) необходимо сформировать количественную структуру, которая во всех точках поля, принятого за эталон, давала бы постоянное численное значение, т. е. обладала свойством инвариантности относительно возможных возмущений со стороны потребителя.

Независимо от физической природы информативных параметров процесс построения инвариантных эталонов реализуется в два этапа.

На первом этапе пространство, образованное множеством значений информативных параметров, разбивается изопараметри-ческими линиями или поверхностями на ряд поверхностных или объемных конечных полос. Практически этот шаг реализуется посредством испытаний нового двигателя по серии нагрузочных характеристик, результаты которых являются наиболее подходящими исходными данными для построения инвариантных эталонов.

Поскольку информативные параметры могут измеряться в различных единицах и меняться в разных диапазонах, с целью повышения устойчивости вычислительного процесса целесообразно их нормировать посредством деления текущих значений на номинальные, т. е. представлять в безразмерной форме.

Производится выбор функций, аппроксимирующих взаимосвязи между информативными параметрами по изопараметрическим линиям или поверхностям/ Это один из самых важных шагов алгоритма формирования инвариантных эталонов, поскольку здесь решается принципиальный вопрос, с которым приходится сталкиваться, — противоречие между общностью и точностью эталона.

Показано, что в условиях, когда информативные параметры измерены с погрешностями, стремление учесть как можно большее количество определяющих факторов, неизбежно сопровождается ростом величины суммарной погрешности и снижением устойчивости вычислительного процесса.

По изложенным причинам в совокупности факторов, определяющих работоспособность инвариантных эталонов, вопрос о количественной оценке пригодности структуры, выбранной для аппроксимации связей между информативными параметрами, и влиянии погрешностей измерений на устойчивость вычислительного процесса приобретает первостепенную значимость.

Для решения этой задачи предложены количественные признаки, позволяющие в каждом конкретном случае осуществлять контроль устойчивости вычислительного процесса на всех этапах и оценить минимальную совокупность информативных параметров, из которых может быть сформирован работоспособный инвариантный эталон.

На втором этапе формирования инвариантных эталонов осуществляется объединение поверхностных или объемных конечных полос в единую систему. С этой целью, посредством графического представления, выявляются закономерности изменения коэффициентов связи (зависимых переменных) аппроксимирующих структур при переходе от одного изопараметрического сечения к другому. Выбором явного вида алгебраических полиномов, аппрокси-^ мирующих эти закономерности, завершается процесс количественной оценки исходных предпосылок.

Изложенные выше соображения являются основой алгоритма формирования инвариантных эталонов для оценки качества функционирования и технического состояния компонентов двигателей, подлежащих диагностированию в первую очередь.

В третьей главе приведены примеры построения инвариантных эталонов для оценки качества функционирования цилиндров двигателей, обсуждаются результаты их практического апробирования и возможности использования для контроля режимов верхней ограничительной характеристики.

Комплекс эталонов, предназначенных для оценки качества функционирования цилиндров, разработан на основе традиционно контролируемых в эксплуатации теплотехнических параметров.

На конкретных примерах описаны этапы реализации алгоритма формирования инвариантных эталонов и процесс контроля устойчивости вычислительных операций на каждом этапесформирован алгоритм практического применения эталонов и поясняется механизм, посредством которого инвариантные эталоны реагируют на проявление неисправностей в компонентах двигателя, обеспечивающих качество сгорания топлива в цилиндрах.

Посредством эталонов, построенных на основе традиционно контролируемых теплотехнических параметров, возможно решить только первую" часть диагностической задачи: обнаружить на различных режимах работы конечные эффекты от проявления возмущений, возникших в двигателе, при раздельном или совместном их воздействий. В принципе, воздействие любого из факторов, которые могут оказать влияние на положение границ пространства, принятого за эталон, равно как и работа двигателя на режимах вне этого пространства, нарушает однозначность связей между независимыми и зависимыми переменными, на основе которых сформирована эталонная структура. Поэтому инвариантные эталоны дают возможность контролировать положение границ пространства, принятого за эталон, в частности, режимы верхней ограничительной характеристики.

Для решения второй части диагностической задачи, т. е. локализации неисправности до уровня компонента, в котором она возникла, необходимо располагать эталонами для оценки качества функционирования топливной аппаратуры и воздушно-газового тракта или специальными техническими стредствами, позволяющими оценить состояние конкретного узла или элемента.

В четвертой главе рассматриваются вопросы формирования инвариантных эталонов для оценки качества функционирования топливной аппаратуры, обсуждаются их диагностические возможности и результаты практического апробирования.

Показано, что исходные физические предпосылки и метод их количественного описания позволяют формировать инвариантные эталоны, посредством которых возможна оценка, качества функционирования компонентов топливной аппаратуры в поле эксплуатационных режимов.

Диагностические возможности сформированных эталонов позволяют лишь обнаружить изменения качества функционирования топливной аппратуры на ранней стадии их проявления, вызванные неисправностями-, возникшими в комплекте. Для локализации неисправностей до уровня форсунки или ТНВД необходима дополнительная информация о причинах, которыми обусловлены индивидуальные различия явлений^ возникающих в комплекте топливной аппаратуры в процессе впрыска топлива.

При наличии технических средств, позволяющих оперативно и достоверно регистрировать параметры кривой давления впрыска топлива, снятой перед форсункой, перечень инвариантных эталонов, сформированных и апробированных в работе, может быть расширен, что позволит повысить конкретность диагноза до уровня отдельных элементов топливной аппаратуры. *.

В пятой главе рассматриваются вопросы формирования инвариантных эталонов для оценки качества функционирования воздушно-газового тракта дизелей с наддувом, обсуждаются их диагностические возможности и результаты практического апробирования.

Комплекс инвариантных эталонов, предназначенных для оценки качества функционирования воздушно-газового тракта, сформирован на основе традиционно контролируемых теплотехнических параметров. Диагностические возможности эталонов позволяют осуществлять контроль технического состояния проточных частей компонентов, контактирующих с потоком рабочего тела (воздушный фильтр, проточные части компрессора, охладителя наддувочного воздуха и газовой турбины).

Результаты апробирования эталонов на различных скоростных и нагрузочных режимах свидетельствуют о их высокой чувствитель ности и избирательности, т. е. способности реагировать на проявление неисправностей на ранней стадии в тех компонентах, для оценки состояния которых они предназначены.

В каждом конкретном случае количество эталонов может быть различным и определяется контролепригодностью диагностируемых компонентов и уровнем конкретности решения задачи, т. е. глубиной поиска возникших неисправностей.

В шестой главе выполнены теоретические и экспериментальные исследования возможностей повышения универсальности и точности безразборной оценки технического состояния элементов цилиндро-поршневой группы виброакустическими методами.

Показано, что под воздействием переменных эксплуатационных факторов (состояние узлов крепления втулки -:в блоке, величина зазора в сопряжении «поршень-втулка», режим работы) возможны значительные изменения виброактивности цилиндровой втулки, при этом частоты собственных колебаний уменьшаются, а радиальные перемещения стенки «резко увеличиваются.

Результаты экспериментальных исследований разрушений поверхностей в условиях изменяющихся вибрационных и гидродинамических факторов свидетельствуют о том, что описанные изменения виброактивности цилиндровой втулки способствуют интенсификации процессов кавитационной эрозии, накоплению усталостных явлений в материале и появлению трещин. Следовательно налаженный контроль за изменением во времени виброактивности цилиндровой втуЛки является важным источником информации о возможной интенсификации нежелательных явлений в элементах и сопряжениях цилиндрово-поршневой группы.

В реальных условиях изменение виброактивности втулки вызывается одновременным воздействием названных факторов, а их удельное влияние различно по1 цилиндрам и не постоянно во времени. Поэтому для количественных оценок веса каждого из них необходимо располагать инвариантными эталонами, сформированными на основе вибрационных параметров и параметров рабочего процесса отдельных цилиндров. Посредством таких эталонов появляется возможность устранить необходимость привязки процесса диагностирования к определенному режиму или режимам строго заданной характеристики, а также учесть особенности виброакустических полей и рабочих процессов отдельных цилиндров, т. е. повысить универсальность и точность безразборной оценки состояния элементов цилиндро-поршневой группы.

Описанные выше принципы формирования инвариантных эталонов без каких-либо изменений могут быть реализованы для количественного описания вибрационных полей отдельных цилиндров.

Основные результаты работы, определяющие ее научную новиз ну, практическую ценность и в совокупности составляющие предмет защиты, могут быть сформулированы в виде нижеследующих положений.

1. Определение инвариантного эталона, позволяющего отделить возмущения, обусловленные нестабильностью характеристик потребителей энергии, от возмущений, возникающих непосредственно в двигателе.

2. Метод формирования инвариантных количественных структур, устанавливающих взаимосвязи между информативными пара-: метрами в поле допустимых для длительной эксплуатации режимов.

3. Алгоритмы построения инвариантных эталонов на основе результатов стендовых испытаний новых двигателей для оценки качества функционирования рабочих цилиндров, топливной аппаратуры и компонентов воздушно-газового тракта.

4. Результаты практического апробирования работоспособности инвариантных эталонов на различных скоростных и нагрузочных режимах.

5. Результаты теоретических и экспериментальных исследований возможностей повышения универсальности и точности безразборной оценки технического состояния элементов цилиндро.

— 237-ЗАКЛЮЧЕНИЕ.

1. Анализ опубликованных отечественных и зарубежных исследований показывает, что диагностика качества функционирования судовых дизелей находится на стадии поиска и отбора рациональных подходов к решению научно-методической проблемы повышения универсальности и точности функциональных методов диагностирования.

2. Результаты эксплуатационных испытаний систем технического диагностирования свидетельствуют о том, что универсальность и точность функциональных методов диагностирования судовых дизелей могут быть существенно улучшены посредством устранения необходимости привязки процесса диагноза к заданному режиму или режимам строго определенной характеристики.

3. Основой предложенного и развитого в работе подхода к решению названной проблемы является понятие инвариантного диагностического эталона, содержанием которого является совокупность конкретных свойств, заложенных в конструкцию двигателя в процессе проектирования, и определяющих его способность вырабатывать механическую энергию в поле допустимых для длительной эксплуатации режимов.

4. Сформулированы принципы формирования инвариантных относительно характеристик потребителей энергии количественных структур, позволяющих реализовать процесс диагностирования в поле допуо тимых для длительной эксплуатации режимов работы судовых двигателей.

5. Предложен способ количественного описания исходных физических предпосылок, в основу которого положены тождественные аналитические соотношения, позволяющие контролировать устойчивость вычислительного процесса параметров инвариантных эталонов относительно воздействий погрешностей измерения информативных параметров.

6. На конкретных примерах показана правомерность и целесообразность формирования инвариантных диагностических эталонов на основе результатов стендовых испытаний новых двигателей по серии нагрузочных характеристик. При этом в качестве информативных могут быть использована < легко доступные и оперативно контролируемые параметры различной физической природы.

7. Для построения эталонов нежелательно использовать усредненные значения температур потоков воздуха и отработавших газов, т.к. в этом случае возникает необходимость идентификации режимов работы двигателя по времени. Кроме этого, в силу изменения термических сопротивлений теплопередающих стенок проточных частей, следует ожидать неустойчивости показаний таких эталонов во времени. Изложенными причинами определяется целесообразность замещения средних температур средними давлениями (например, температуры отработавших газов на выходе из цилиндра средним индикаторным давлением).

8. Разработанная система инвариантных эталонов позволяет осуществлять раздельный контроль качества функционирования основных компонентов двигателя, обеспечивающих оптимальные условия сгорания топлива в цилиндрах, на произвольных установившихся режимах, принадлежащих эталонному пространству.

9. Диагностические возможности инвариантных эталонов, предназначенных для оценки качества функционирования рабочих цилиндров и топливной аппаратуры, позволяют локализовать неисправность до уров^ ня цилиндра, выявить режимы, на которых неисправность проявляется с наибольшей интенсивностью и решить важную с практической точки зрения задачу: устраняется возникшая неисправность без разборки или с разборкой цилиндра.

10. Система инвариантных эталонов, предназначенных для оценки качества функционирования компонентов воздушно-газового тракта позволяет осуществлять раздельный контроль функционирования воздушного тракта и тракта отработавших газов и локализовать возникшие неисправности до уровня тех узлов, в которых они проявляются.

11. Теоретически исследованы возможные изменения виброактивнос ти цилиндровых втулок в процессе эксплуатации. Доказано, что совместное воздействие определяющих эксплуатационных факторов (изменение условий закрепления втулки в блоке и зазора в сопряжении «поршень-втулка», режим работы) обусловливает однонаправленное изменение частот собственных колебаний — в сторону уменьшения, а максимальных радиальных перемещений стенок втулки — в сторону увеличения.

12. Увеличение радиальных перемещений стенок втулки в процессе эксплуатации способствует интенсификации нежелательных явлений, в том числе и процессов кавитационных разрушений элементов зару-башечных полостей охлаждения, что подтверждается результатами косвенных экспериментальных исследований развития кавитационных разрушений омываемых водой поверхностей в условиях изменяющихся вибрационных и гидродинамических факторов.

13. В условиях, когда двигатель работает на потребитель с нестабильной характеристикой, универсальность и точность безразборной интегральной оценки состояния элементов цилиндропоршневой группы виброакустическим методом может быть повышена устранением необходимости привязки процесса диагноза к строго заданному режиму или режимам определенной характеристики, т. е. посредством построения и использования инвариантных количественных структур, устанавливающих взаимосвязи между параметрами рабочего процесса и вибрации конкретного цилиндра во всем поле допустимых для длительной эксплуатации режимов.

14. Разработанные алгоритмы построения и практического применения инвариантных эталонов, их программное обеспечение, включая.

— 24L- ¦¦