автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.16, диссертация на тему:Информационно-измерительная система для оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания по параметрам вибраций

' ' Г < I к ! -! s* ■'!

S 1 . ! J

L ! J J J ' ! • /

О /7/7 0 - 0

Самарский институт инженеров железнодорожного транспорта им.M.Т.Елизарова

На правах рукописи

УДК 681.323:621.436+629.424.3:621.436(043.3)

Криволапов Вячеслав Павлович

ИНФОРМАЦИОННО - ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА для оценки И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ ВИБРАЦИЙ

Специальность 05.11.16 -Информационно - измерительные системы Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель : Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор технических наук, профессор КОПЕЙКИН C.B.

Научный консультант: кандитат технических наук, доцент ГУМЕННИКОВ В. Б.

САМАРА 1998

СОДЕРЖАНИЕ

Стр.

Введение ..................................................... 5

I. Постановка задачи по определению возможности оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания по параметрам вибраций ____ II

1.1. Обоснование выбора топливной аппаратуры дизеля в качестве объекта диагностирования .................. II

1.2. Анализ параметров влияющих на техническое состояние топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания ................................................ 13

1.3. Критерии оценок работоспособности топливной аппаратуры дизелей ....................................... 19

1.4. Анализ существующих методов и средств оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры дизелей...................................24

1.5. Постановка задачи по реализации информационно - измерительной системы для оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры дизелей .32

1.6. Выводы ............................................. 36

2. Теоретические аспекты создания и оценки диагностических

моделей оптимальной сложности ............................. 38

2.1. Анализ существующих методов построения диагностических моделей ..................................... 38

2.2. Анализ существующих методов выбора критериев оценок диагностических моделей ............................ 48

2.3. Построение и выбор диагностической модели оптималь-

ной сложности топливной аппаратуры двигателя внутреннего сгорания ................................... 55

2.4. Выводы ............................................. 63

3. Методы обработки информации для оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания ...................................... 65

3.1. Анализ существующих методов обработки виброакустической диагностической информации. Методы разделения источников вибраций ............................ 65

3.2. Метод "привязки" диагностической информации к фазе поворота коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания и организация фазового "окна" ............. 73

3.3. Применение методов обработки информации к задаче диагностирования и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания ........................................... 77

3.4. Выводы ............................................. 91

4. Принципы организации информационно - измерительной системы для оценки и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания ......... 93

4.1. Анализ существующих методов построения систем диагностирования и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания ........................................... 93

4.2. Построение информационно - измерительной системы на базе микро-ЭВМ ..................................... 99

4.3. Анализ погрешностей МИС............................III

4.4. Выводы .............................................121

5. Результаты внедрения и оценка технико-экономической эффек-

тивности ИИС ..............................................123

5.1. Анализ теоретических и экспериментальных данных по результатам эксплуатации ИМС .......................123

5.2. Определение технико-экономической эффективности МИС для оценки и прогнозирования технического состояния

, топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания по параметрам вибраций .........................131

6. Основные выводы и предложения .............................136

7. Список использованных источников ..........................139

8. Приложения ................................................151

ВВЕДЕНИЕ

Прогресс в машиностроении в значительной степени связан с созданием высокоэффективных и надежных машин и механизмов. Для успешного решения проблемы обеспечения высокого качества и надежности при разработке, производстве и эксплуатации разнообразных технических устройств и систем различных типов большое значение имеют средства информационно - измерительной техники, в том числе с применением микропроцессорных систем и микро-ЭВМ. Можно указать три основных направления развития информационно-измерительных систем (ИИС):

- создание оптимальных систем управления;

- разработка систем, идентифицирующих функциональное состояние машин и механизмов, с целью доводки и усовершенствования их конструкции;

- создание систем контроля, диагностики и прогнозирования технического состояния различных устройств для обеспечения таких эксплуатационных характеристик, как надежность, остаточный ресурс, экологические показатели, а также для эффективного использования топливно-энергетических ресурсов.

Повышение эффективности промышленных объектов идет по пути совершенствования как самих технологических процессов и оборудования, так и процессов управления ими с целью снижения издержек производства. Особое внимание уделяется повышению эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и связанных с ними экологических показателей машин и механизмов. Поэтому, перед машиностроением поставлена задача создания и внедрения средств технического диагностирования и определения остаточного ресурса машин и оборудования.

Разработка методов и средств технической диагностики требует проведения исследований в целом ряде направлений. К ним следует отнести исследование рабочих процессов объектов диагностирования в широком диапазоне эксплуатационных режимов, процессов формирования диагностических сигналов и их измерений, проблем идентификации технического состояния по результатам измерений. Являясь частью системы технического обслуживания машин и механизмов, диагностика должна быть оптимально согласована с этой системой для обеспечения максимальной эффективности.

Наиболее важными показателями двигателей внутреннего сгорания (ДВС) являются надежность и эффективность функционирования, а также экологические показатели. Эти параметры формируются на стадии разработки и изготовления ДВС и реализуются в период эксплуатации. Однако, в процессе эксплуатации в результате физических, химических и других воздействий техническое состояние узлов, блоков и систем ДВС ухудшается, что приводит к постепенным и внезапным отказам.

Для предупреждения отказов была разработана и внедрена в производство планово-предупредительная система технического обслуживания и ремонта двигателей, которая основана на опыте и практике эксплуатации ДВС (метод статистического диагностирования или метод экспертных оценок) определенного класса и назначения. Эта система обладает рядом недостатков, а именно /1,2/:

- ремонтно-регулировочные работы проводятся с двигателем находящимся в работоспособном состоянии и не нуждающимся в них;

- скрытый отказ, появившийся в период эксплуатации, выявляется и устраняется только во время проведения регламентных работ. Таким образом, планово-предупредительная система не учитывает реального технического состояния ДВС.При этом увеличиваются эксплу-

атационные расходы, уменьшается ресурс двигателя, повышаются трудовые затраты, снижается эффективность использования горюче-смазочных материалов, что ведет к снижению технико-экономической эффективности функционирования ДВС.

Качество работы топливной аппаратуры (ТА) в значительной степени определяет эффективность работы двигателя и его экологические показатели. В то же время, ТА представляет собой один из наименее надежных узлов ДВС, на техническое обслуживание которого затрачиваются значительные средства. Поэтому, определение и прогнозирование технического состояния ТА ДВС представляет собой актуальную задачу.

Одним из очень важных требований, предъявляемых к системам диагностики в условиях эксплуатации является применение безразборных методов диагностирования. Это связано с сокращением времени поиска дефекта и уменьшением материальных и трудовых затрат предприятия. К таким методам следует отнести виброакустическую диагностику, которая не требует демонтажа и разборки оборудования, а также является наиболее чувствительной к различным отклонениям технического состояния объекта от нормы. Эффективность виброакустических методов также обусловлена возможностью автоматизации процессов сбора информации и применения для ее обработки микропроцессорной техники, с целью организации процедур диагностирования с использованием современного математического аппарата.

Исходя из этого следует, что разработка и создание информационно-измерительной системы (иис) для диагностирования и прогнозирования технического состояния ТА ДВС с использованием безразборных методов представляет собой актуальную задачу.

Основной целью данной работы является повышение надежности, улучшение экономических и экологических показателей ДВС, что в

свою очередь достигается путем решения научно-технической задачи по разработке методов, алгоритмов, программного обеспечения и аппаратных средств ИИС для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС по параметрам вибраций с использованием в качестве ядра системы микро-ЭВМ.

Для достижения поставленной цели в работе решались следующие задачи: ,

1. Разработка методов построения математических моделей и создание с использованием этих методов диагностических и прогнозирующих моделей технического состояния ТА ДВС.

2. Разработка методов и средств разделения источников вибраций.

3. Разработка структурной схемы ИИС с анализом погрешностей и методов повышения достоверности первичной виброакустической информации.

4. Разработка алгоритмов и программ для обеспечения функционирования ИИС.

5. Разработка и изготовление аппаратных средств ИИС на базе микро-ЭВМ.

6.Внедрение ИИС в практику работы и проверка ее эффективности.

При решении поставленных задач теоретические исследования

проводились с использованием методов структурного и корреляционно-регрессионного анализов, метода группового учета аргументов, теории графов, алгоритмов, распознавания образов и планирования экспериментов, а также метода экспертных оценок при создании экспертных систем. Разработанные методы и технические средства позволяют снизить затраты на техническое обслуживание ДВС, уменьшить расход топлива в период эксплуатации, улучшить.экологические показатели.

На основании полученных в процессе исследований данных пост-

роены диагностические и прогнозирующие модели ТА ДВС типа ДЮО, а также алгоритмы и программное обеспечение для диагностики и прогнозирования технического состояния топливной аппаратуры этих ДВС. Кроме того,разработано и внедрено в производство аппаратное обеспечение ИИС на базе микро - ЭВМ класса не ниже СМ1803 с внутрима-шинным интерфейсом типа И41 (специальные блоки для связи с объектом). Разработанная ШС применяется:

- в локомотивном депо ст. Сызрань Куйбышевской ж.д при проведении реостатных испытаний тепловозов, что подтверждается актом внедрения (Приложение 1);

- на кафедре "Локомотивы" Самарского института инженеров железнодорожного транспорта им. М.Т.Елизарова (СамИИТа) для научных исследований с целью расширения функций МИС.-

На защиту выносятся следующие положения:

1. Метод построения диагностических и прогнозирующих моделей оптимальной сложности.

2. Метод разделения источников вибраций при вводе виброакустической информации в память микро-ЭВМ.

3. Метод повышения достоверности вводимой в память микро-ЭВМ виброакустической информации.

4. Алгоритмы и машинные программы для функционирования МИС при использовании микро-ЭВМ системы как в режиме съема, диагностирования и прогнозирования технического состояния ТА ДВС, так и в режиме построения моделей оптимальной сложности.

5. ШС для оценки и прогнозирования технического состояния ТА ДВС по параметрам вибраций на базе микро-ЭВМ.

Разработанная ИИС предоставляет возможность эффективно оценивать и прогнозировать техническое состояние топливной аппаратуры ДВС, что в свою очередь, позволяет снизить издержки, связанные

с расходом горюче-смазочных материалов, изменением мощности ДВС, отдаваемой в нагрузку, улучшить экологические параметры ДВС. Кроме того, разработанная ММС может применяться для диагностирования и прогнозирования технического состояния циклически работающих машин и механизмов. Предложенный метод построения диагностических и прогнозирующих моделей оптимальной сложности может быть использован для' построения математических моделей объектов и систем рассматриваемого класса, причем количество входных и выходных переменных, тезаурус моделей, используемых для получения модели объекта ограничивается только емкостью запоминающего устройства микро-ЭВМ, используемой для построения модели. Следует отметить, что разработанная ММС является системой открытого типа, т.е. предоставляет возможность для расширения своих функций, что позволяет использовать ее для диагностирования и прогнозирования большинства узлов и систем ДВС.

I. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ВОЗМОЖНОСТИ ОЦЕНКИ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ДВИГАТЕЛЕЙ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ ПО ПАРАМЕТРАМ ВИБРАЦИЙ

1.1. Обоснование выбора топливной аппаратуры дизеля в качестве объекта диагностирования

К современному поршневому двигателю внутреннего сгорания предъявляются повышенные требования, главные из которых, независимо от типа и назначения - надежность, долговечность, экономичность, экологичность. Выполнение этих требований определяется конструкторскими решениями и технологическими меоприятиями, включающими широкий круг вопросов технологии изготовления, обслуживания и ремонта. В настоящее время расходы на обслуживание и ремонт двигателей внутреннего сгорания требуют весьма значительных затрат. Эти затраты во многом определяются временем простоя двигателей из-за происходящих отказов узлов и агрегатов, стоимостью необходимых для ремонта запасных частей, материалов и т.п.. Кроме того, ухудшение технико-экономических показателей в период эксплуатации обусловливает и изменение расхода горюче-смазочных материалов. Замедлить неизбежный процесс ухудшения показателей двигателей помогло применение системы планово-предупредительных ремонтов. Тем не менее, в реальных условиях, оказывается, что, либо ресурсы конкретного двигателя полностью не использованы, либо добавляется некоторое количество неплановых ремонтов.

Эта проблема может быть решена с использованием системы диа-

гностировашя двигателей внутреннего сгорания (ДВС).

Дизель, как сложный объект, представляет собой совокупность многих систем и элементов. К таким системам относятся и подлежат диагностированию следующие:

- цилиндро-поршневая группа;

- кривошипно-шатунный механизм;

- механизм газораспределения;

- топливная система;

- система смазки;

- система охлаждения;

- электрооборудование.

В приложении 2 таблицы 1,2 приведены статистические данные по отказам различных узлов тепловозных и судовых дизелей.

Анализируя эти таблицы можо сделать вывод, что топливная система является одной из систем, наиболее часто подверженных поломкам, следовательно более остро нуждающаяся в оценке ее технического состояния и прогнозирования ресурса.

Многими исследованиями / 3,4,5,6,7 / установлено, что техническое состояние топливной аппаратуры (ТА) довольно сильно влияет на работоспособность цилиндро-поршневой группы, кривошипно-шатун-ного механизма и других узлов дизеля. Из /8,9,10,11/ следует, что на понижение мощности и экономичности двигателей в условиях эксплуатации влияет, прежде всего, техническое состояние и правильность регулировок топливной аппаратуры.

Таким образом, повышения топливной экономичности, надежности и снижения ремонтных издержек,а также улучшения экологических показателей можно достигнуть, имея объективную информацию об основных параметрах работы и остаточном ресурсе топливной аппаратуры.

Эта информация носит диагностический характер, а получение и обработка составляет техническую диагностику.

1.2. Анализ параметров влияющих на техническое состояние топливной аппаратуры двигателей внутреннего сгорания

Протекание процесса подачи топлива зависит от многих конструктивных параметров топливной системы, режимных условий работы дизеля и физических свойств топлива. Поэтому, для анализа параметров, влияющих на т�