автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Контроль рабочих процессов судовых двигателей с использованием электронных систем индицирования

На правах рукописи

Пальтов Сергей Алексеевич

КОНТРОЛЬ РАБОЧИХ ПРОЦЕССОВ СУДОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ИНДИЦИРОВАНИЯ

Специальность 05.08.05 - «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург-2010 003493398

003493398

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова».

Научный руководитель - кандидат технических наук, профессор

Александр Семенович Пунда

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, доцент Александр Мстиславович Никитин

кандидат технических наук, профессор Семен Иванович Золотарев

Ведущая организация ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»

Защита состоится «4» марта 2010 г. в 14-30 часов в аудитории 21 на заседании Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 223.002.02 при ФГОУ ВПО «Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова» по адресу: 199106, Санкт-Петербург, ВО 21 линия, д. 14А.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Государственная морская академия имени адмирала С.О. Макарова».

Автореферат разослан «3» ¿^Рл ,

Ученый секретарь Совета по защите докторских и кандидатских диссертаций Д 223.002.02 доктор технических наук, профессор / ' В.А. Петухов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

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 Л

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

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 (Рщи - 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, Р5 - давление воздуха в продувочном ресивере, Тех - температура отработавших газов, экстремумы производной индика-йР

торной диаграммы —) на неисправности системы воздухоснабжения и топ-й<р

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-

Р

циальной составляющей индикаторной диаграммы —;

<1(р

4. Анализ основных факторов, вызывающих погрешности измерения диагностических параметров при использовании портативных электронных систем 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 </Р

функции —) и проведено исследование влияние различных неисправностей йср

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 С.О.

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 С.О. 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.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационного исследования, сформулированы цель и задачи исследования, дана общая характеристика работы.

В первой главе проведен обзор исследований по технической диагностике судовых дизелей. Проведен анализ современных электронных систем диагностики судовых двигателей внутреннего сгорания.

В настоящее время разработкой и созданием систем диагностирования для морского транспорта занимаются ведущие дизелестроительные фирмы и научно-исследовательские институты Швеции, Норвегии, Дании, России и других стран. Однако, несмотря на значительный опыт, не выработано единого мнения о применяемых методах диагностирования и количестве регистрируемых параметров. Зарубежные системы технической диагностики основываются на более или менее глубоком диагностировании важнейших элементов дви-

гателя: системы воздухообмена, агрегатов наддува, цилиндропоршневой группы, топливной аппаратуры, охлаждающих устройств.

Используемые на судах морского флота электронные системы контроля рабочего процесса подразделяются на стационарные диагностические комплексы и портативные электронные индикаторы (электронные системы инди-цирования).

Наиболее известны, следующие стационарные диагностические комплексы: система MJ-1 (фирмы «Аутроника»), «Дата Тренд» (фирма «Норкон-трол»), «Меком» (фирма «Statronik»), CYLDET-CM (фирма «ASEA»), SEDS (фирма «Зульцер»), «Либратор 500» (США), «Machinery Health Monitoring System Jer 5800» (фирма ENDEVCO), система CC-10 (фирма «B&W») и др.

Если стационарные системы осуществляют постоянный мониторинг состояния двигателя, то портативные системы электронного индицирования предназначены для периодического контроля параметров. Данный тип приборов благодаря своей компактности, дешевизне, функциональности и простоте обслуживания нашел широкое применение на флоте.

Среди российских производителей наиболее известны следующие портативные системы электронного индицирования: универсальный программно-аппаратный диагностический комплекс «Дизель-Адмирал-Экспресс» созданный НПК «Гарант», комплекс «КОНТЕСТ-СКАН» научно-производственной фирмы «Техприборсервис» (ЦНИИМФ), системы контроля индикаторного процесса судовых дизелей «МКСД-11,21» группы предприятий «Marine Computer Systems Ltd» и многие другие. Но в силу объективных причин, на морских судах получили известность и применение индикаторы зарубежных фирм «BAEWERT GMBH» (тип HLV 94 M), «LEUTERT» (тип DPI), «MAN B&W» (система PMI), Denkra AB (прибор «The Doctor»), Diesel Intellect International (система мониторинга и диагностики дизелей DII-7), Malin Instruments Limited (тип Malin 6000) и другие.

Анализ параметров и принципа работы существующих систем показывает, что предлагаемое на современном рынке многообразие портативных электронных систем кажущееся. Отличие одной системы от другой проявляется зачастую лишь в форме реализации средства обработки и визуализации процесса контроля.

Электронные системы индицирования позволяют измерить и зафиксировать большое количество данных, однако, по сути, они являются обыкновенным электронными измерительными приборами, которые пришли на смену старым механическим приборам индицирования. В то время как анализ результатов измерения и выводы должен делать обслуживающий персонал. Сократить время при оценке технического состояния двигателя на основе выполненных измерений помогают специальные методики диагностирования. При-

менительно к судовым двигателям проблемы диагностирования исследованы ЦНИДИ, ВВМИУ, ЛИВТ, ЛВИМУ, ЦНИИМФ и другими НИИ и учебными заведениями и помещены в трудах A.M. Александрова, Л.В. Станиславского, Е.В. Дмитриевского, Ю.А. Магнитского, P.M. Васильева-Южина, Б.М, Левина, И.В. Возницкого, A.A. Обозова, А.Ю. Конькова, В.А. Лашко и др.

Обзор существующих в настоящее время методик контроля показателей рабочего процесса показал, что имеющиеся в настоящее время методики довольно громоздки и сложны для понимания, ориентированы на определенный тип двигателя.

Следует отметить, что практически все существующие в настоящее время алгоритмы оценки технического состояния по показателям рабочего процесса были разработаны до появления портативных электронных систем индициро-вания и ориентированы под авторские системы технической диагностики или же стационарные диагностические системы, но никак не на современные портативные электронные системы индицирования.

Поэтому необходимо создание эффективной и простой для обслуживающего судовую энергетическую установку персонала методики оценки технического состояния двигателя на основе контроля параметров рабочего процесса и ориентированной на современные электронные системы индицирования. При этом разработанная методика должна быть достаточно полной и универсальной.

Вторая глава посвящена анализу и исследованию влияния внешних факторов на точность замеров при использовании электронных систем индицирования.

На качество 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.

Вопросы, связанные с анализом погрешностей и их устранение нашли отражение в работах A.A. Обозова, В. Лашко, А. Конькова, А.Ю. Самойленко и др.

Погрешность задания положения ВМТ, как правило, объясняется систематическими ошибками при первоначальной установке. Наиболее существенно это сказывается на точности определения среднего индикаторного давления и мощности, при отклонении ВМТ от истинного значения на 1 п.к.в. погрешность среднего индикаторного давления и индикаторной мощности может достигнуть 5-7 %. В настоящее время для установки положения ВМТ применяют три способа:

- по диаграмме сжатия-расширения при выключенной цикловой подаче;

- по меткам на маховике;

- с помощью экстраполяции линии сжатия на ось ординат.

Однако данные способы не позволяют снизить погрешность при измерении показателей рабочего процесса до приемлемого уровня, так как мы не можем в условиях эксплуатации обеспечить точность установки положения ВМТ меньше 0,5° п.к.в. Поэтому после выполнения измерений и перед началом обработки результатов измерений необходимо при помощи опции корректировки положения ВМТ в прилагаемом к электронному индикатору программном обеспечении, дополнительно произвести корректировку данной величины по производной индикаторной диаграммы (с1Р/с1ф). Для этого необходимо выполнить экстраполяцию участка сжатия данной диаграммы до пересечения с ось с1р

обцисс (-= 0), это и будет истинное значение ВМТ, такая программная

(1(р

корректировка позволяет сократить погрешность до оптимальной величины (до 0,5%).

Существенную помощь при корректировке положения ВМТ оказывает подход основанный на сравнительном анализе эталонной индикаторной диаграммы полученной на математической модели с индикаторной диаграммой измеренной в условиях эксплуатации. Суть предлагаемого подхода заключается в следующем, по результатам индицирования для каждого режима определяются средние по цилиндрам идентификационные показатели: давление конца сжатия, угол начала воспламенения топлива, угол достижения максимального давления сгорания, максимальное давление цикла. Затем для каждого режима производиться расчет индикаторной диаграммы на ЭВМ. Путем корректировки в исходных данных добиваются совпадения расчетных параметров с идентификационными показателями, определенными по измеренным индикаторным диаграммам. Затем определяется погрешность ВМТ, как разность значений положений ВМТ на эталонной индикаторной диаграмме и измеренной индикаторной диаграммы для того или иного режима работы. После определения величины погрешности в программном обеспечении электронного индикатора при помощи опции корректировки положения ВМТ окончательно устанавливается ее правильное положение. По данному методу можно выявить «чистую» погрешность установки ВМТ.

Следующий фактор, обусловленный искажением сигнала в индикаторном канале, является наиболее трудно устранимым, так как представляет собой функцию с переменными параметрами, изменяющимися по мере изменения нагрузки на двигатель.

В индикаторном канале, сообщающем цилиндр двигателя с воспринимающим давление элементом индикатора, создается сопротивление течению газа, при снятии индикаторных диаграмм возникает некоторая разность давлений в цилиндре двигателя и в полости канала около элемента индикатора, воспринимающего давление. Величина этой разности давлений зависит от формы, длины и площади поперечного сечения канала, скорости изменения давления в цилиндре и от величины давления в цилиндре.

Помимо сопротивления, оказываемого протеканию газов, в соединительном канале могут возникнуть колебания давления. Индикаторный канал является колебательным, динамическим звеном. Совпадение собственной частоты колебаний индикаторного канала и частоты колебаний газа в индикаторном канале приводят к искажению результатов индицирования.

В связи с тем, что исследований по влиянию погрешности вносимой индикаторным каналом для малооборотных двигателей в настоящее время проведено недостаточно, то была поставлена задача оценки степени ее влияния на данные измерения при индицировании данного типа двигателей.

Исследование проводилось по двум составляющим погрешности: погрешности от сопротивления, возникающего на входе в индикаторный канал, вследствие разности диаметров цилиндра и канала, погрешности возникающей вследствие колебаний газа в индикаторном канале.

Несмотря на то, что погрешность сопротивления Ар^ возрастает с увеличением нагрузки, эта погрешность для малооборотных судовых двигателей незначительна. Из выполненного расчета следует, что в малооборотных двигателя Ртах » Ар Например для двигателя 7ДКРН50/200 на 100% режиме

работы Рщах =151,6 бар, а сопротивление на входе в канал и перед датчиком Арк = 0,92 бар.

Касательно погрешности, возникающей из-за колебаний газа в индикаторном канале, были выполнены расчеты для двигателя 7ДКРН74/180 по формулам, предложенным профессором А.Ю. Самойленко. Расчет показал, что частота колебаний в газа в цилиндре двигателя в 4,3 меньше, чем в канале, а, следовательно, явления резонанса, являющегося основной причиной погрешности, не может иметь место. Зачастую параметры рабочего процесса малооборотных двигателей не превосходят значений принятых в расчете, а следовательно, это соотношение будет справедливо и для других двигателей этого класса.

Индикаторная диаграмма на выходе системы электронного индицирования представляет собой осредненное значение нескольких циклов при средней

частоте вращения коленчатого вала двигателя. Но из-за непостоянства крутящего момента частота вращения коленчатого вала носит колебательный характер, вызывая искажение формы индикаторной диаграммы относительно своего среднего значения. Влияние неравномерности вращения коленчатого вала довольно слабо освещено в научной литературе. Фирмы производители электронных систем индицирования не дают информации по этому вопросу. Обычно производители электронных систем индицирования ограничиваются рекомендацией по использованию совместно с датчиком ВМТ (TDC-датчик) CAE-датчика (Crank Angle Encoder) угла поворота коленчатого вала, с целью сокращения погрешности вносимой неравномерностью вращения.

Исследование влияние неравномерности вращения коленчатого вала двигателя заключалось в расчете среднего индикаторного давления и проводилось по двум типам индикаторных диаграмм: индикаторной диаграммы снятой в условиях эксплуатации с учетом осреднения частоты вращения и индикаторной диаграммы построенной на основе измеренной, но уже при определенной неравномерности вращения коленчатого вала. Расчет проводился для малооборотного двигателя, так как степень неравномерности у них выше. Это связано с тем, что неравномерность вращения коленчатого вала обратно пропорциональна квадрату частоты вращения двигателя. В среднеоборотных двигателях величина неравномерности вращения коленчатого вала значительно меньше в связи с тем, что данные типы двигателей оборудованы маховиками и имеют частоту вращения выше, чем у малооборотных двигателей.

Расчет среднего индикаторного давления для двигателя 6ДКРН 26/98 показывает, что для полученной при индицировании двигателя индикаторной диаграммы Р;=26,26 бар, а для индикаторной диаграммы при переменной частоте вращения Р;=26,35 бар. Сравнивая обе величины между собой, получим, что величина погрешности вносимой неравномерностью вращения коленчатого вала менее 1%. Таким образом, это доказывает, что степень неравномерности вращения коленчатого вала оказывает несущественное влияние на индикаторные показатели.

Третья глава отведена описанию методики контроля технического состояния двигателя, анализу информативности и характера изменения диагностических параметров при возникновении различных неисправностей посредством математического моделирования.

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.

Поэтому исходя из анализа работ посвященных контролю рабочего процесса автором было предложено проводить анализ рабочего процесса поэтапно, а в частности:

-1 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. В качестве контролируемых параметров в работе принимаются теплотехнические параметры (Ртах, Рсотр> Рех> Ps> Тех, Экстремумы прОИЗВОДНОЙ ИИДИКаТОрнОЙ ДИЭ-dp

граммы —). Теплотехнические параметры становятся информативными до dq>

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.

Первый этап (уровень) методики является начальным и служит для оценки общетехнического состояния двигателя, а именно для оценки состояния системы воздухоснабжения двигателя и общего ухудшения процессов во всех цилиндрах - плохое топливо, износ распылителей форсунок. На данном этапе необходимо по результатам индицирования и замера показаний контрольных приборов двигателя записать средние значения экспериментальных точек Р5, Тех, Pi, УН (указатель нагрузки) для того или иного режима. Затем нанести эти точки на номограммы P\-f (УН), Р^ - f (УН), Тех - /(УН)

(см.рис.1), которые строятся по данным стендовых, ходовых и теплотехнических испытаний и протоколам индицирования. Если бы не было влияния на рабочий процесс дизеля параметров внешней среды, качества топлива, регулировок топливной аппаратуры и других эксплуатационных факторов, то параметры Ps, Тех, Р; были бы связаны с УН «жестко», т.е. имели бы линейный закон изменения. Влияние эксплуатационных факторов приводит к рассеиванию точек относительно средней линии (пунктирная линия) и образованию поля эксплуатационных значений функций Р- = /(УН) , Р^ = f (УН),

Тех = /(ун) (поле ограничено сплошными линиями). Если нанесенная на

номограмму экспериментальная точка располагается выше верхней ограничительной линии поля, то этому событию приписывается код [+1], если ниже нижней ограничительной линии код - [-1]. При попадании точки в поле допус-

тимых значений записываем код [0]. Полученные наборы кодов сравниваем с эталонной диагностической табл. 1 разработанной с привлечением замкнутой численной модели рабочего процесса многоцилиндрового двигателя с изобарным наддувом и выявляется неисправность повлекшая появление данных кодов. После устранения неисправностей переходим ко второму этапу (уровню) контроля показателей рабочего процесса.

Тех 480 еС 440 420 400 380 360 340 320

6 7 8 9

УН

Рис. 1 Номограмма Тех = /(УН) для контроля технического состояния двигателя

Таблица 1

Эталонная таблица идентификации нарушения рабочих процессов в целом по двигателю

■—.____ Код неисправности Неисправности ~—-- Р5 Р1 Т Аех

Загрязнение фильтра компрессора Дополнительный признак: Перепад давлений на фильтре компрессора (нормальное 50-60 мм.вод.ст) -1 0 +1

Загрязнение проточной части компрессора -1 0 0

Загрязнение соплового аппарата турбины +1 0 +1

Загрязнение выпускных клапанов 0 0 +1

Высокое противодавление за турбиной Дополнительный признак: Давление газа перед утилизационным котлом (нормальное 2-3 кПа) -1 0 +1

На втором этапе осуществляется контроль регулировок и неисправностей топливной аппаратуры по цилиндрам двигателя (слишком поздний/ранний впрыск топлива, повышенная/пониженная цикловая подача, неисправность форсунки), а также неисправности ЦПГ (цилиндро-поршневая группа) (нарушение плотности цилиндра), которые невозможно выявить при контроле на первом этапе. В качестве диагностических параметров здесь используются, как общеизвестные параметры (РСОтр, Ртах, Тсх), так и новые, в частности экстремумы производной индикаторной диаграммы (ёРМср) и показатель значение давления при 36° после ВМТ

аР

Экстремумы производной индикаторной диаграммы — (см. рис. 2) в ка-

йср

честве диагностического параметра используются впервые, до настоящего момента данный тип диаграмм использовался только для оценки механической напряженности двигателя. Каждая из точек (экстремум) характеризует протекание того или иного процесса в цилиндре двигателя. Первый экстремум (точка 1) характеризует протекание процесса сжатия в цилиндре двигателя, а следовательно, характеризует неисправности связанные с нарушении плотности цилиндра. Здесь примечательно то, что данный экстремум служит более точным указателем данного класса неисправностей, т.к. измеряемое по индикаторной диаграмме давление сжатия нельзя определить достоверно точно, обычно за давления сжатия принимается точка начала воспламенения. Второй экстремум (точка 2) характеризует точку начала воспламенения топлива, здесь регистрируется угол начала подачи топлива, чем позже происходит впрыск топлива, тем ближе к оси абцисс располагается второй экстремум функции. Третий и четвертый экстремумы (точки 3, 4) характеризуют протекание процесса сгорания в цилиндре и следующий за ним процесс расширения, данные участки регистрируют изменение цикловой подачи и неисправности форсунок, ТНВД.

-«• -иг « ■» -а • а> я м «в

Рис. 2. Диаграмма скорости изменения давления в цилиндре двигателя с характерными точками: 1 - сжатие; 2 - начало воспламенения; 3 — горение; 4 - расширение После проведении индицирования определяется среднее значение каждого диагностического параметра и допустимый диапазон его отклонения (рекомендуемые уставки, если нет иных указаний, представлены табл. 2), сравнивая замеренные параметры по цилиндрам с его средним значением и используя предложенный на первом этапе метод кодирования выписываются наборы кодов неисправностей по каждому цилиндру. Полученные наборы кодов сравниваются с кодами, предложенными в эталонной диагностической табл. 3. Эталонная таблица разработана с привлечением численной модели реализующей алгоритм расчета рабочего процесса только в одном цилиндре, без расчета процесса газообмена.

Таблица 2

Величина принимаемых уставок_

Показатель Отклонение, %

Рсотр ±2,5

Р А тах ±3,5

Р1 ±2,5

Те, ±5,0

Рех ±5,0

армф ±5,0

Таблица 3

Эталонная таблица идентификации нарушения рабочих процессов по отдельным

цилиндрам

^^Код неисправности Р 1 сотр р 1 тах р. Т 1 ех Рех ёр/а<р т.1 ёРМф т. 2 арМф т.З ёР/а<р т.4

Неисправности

Рабочий процесс в цилиндре протекает нормально 0 0 0 0 0 0 0 0 0

Нарушение плотности цилиндра (прогорание выпускного клапана или поломка поршневых колец) -1 -1 -1 +1 -1 -1 0 +1 -1

Слишком ранний впрыск и воспламенение топлива 0 +1 +1 0 0 0 +1 +1 +1

Слишком поздний впрыск и воспламенение топлива 0 -1 -1 0 0 0 -1 -1 -1

Уменьшена цикловая подача топлива (цилиндр недогружен, неисправен ТНВД*) 0 -1 -1 -1 -1 0 0 -1 0

Увеличена цикловая подача топлива (неправильная регулировка ТНВД) 0 +1 +1 +1 +1 0 0 +1 0

Плохое сгорание топлива (неисправность форсунки) 0 -1 0 0 0 0 0 -1 -1

ТНВД* - топливный насос высокого давления

При определении среднего значения диагностического параметра по цилиндрам, следует учитывать, что мы всегда имеем разброс исследуемого параметра в определенных пределах, даже если двигатель полностью исправен и хорошо отрегулирован. Это объясняется тем, что в каждом цилиндре рабочий процесс носит индивидуальный характер. Что приводит к возникновению погрешности в определении средней величины диагностических параметров. Проведенные автором исследования показали, что с увеличение количества цилиндров двигателя от 4 до 12 при разнице самого максимально и самого минимального значения контролируемого параметра по цилиндрам менее 20%

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 = 0,5М + 4(Х2 +Х4) + 6Х3+Х5) (1)

Для шестицилиндрового двигателя:

Хср = 0,5М (Х1 + 5(Х2 +Х5) + 10(Х3 +Х4) + Х6) (2)

Для семицилиндрового двигателя:

Хср = 0,5 М 1 + 6(Х2 + Х6) +15(Х3 + Х5) + 20Х4 + Х1) (3)

Для восьмицилиндрового: Хср =0,5М(Х1 +%Х2 +Х1) + 2\(ХЪ +Х6) + 35(Х4+Х5) + Х&) (4)

где Х^,Х2,Х3,- значение измеренного параметра по

цилиндрам; 1 - 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 С.О. Макарова автор диссертационной ра-

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 Doctore (модель IS3) фирмы «Denkra АВ» на режиме 85 % от номинальной нагрузки при работе двигателя на ВРШ (ВРШ - винт регулируемого шага) и частоте вращения п = 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 - Рго 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:

2>i

х = ; 5 = п

&--(5)

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-* (6)

где Хтах - наибольшее значение дг. После определяли предельное отклонение:

(У)

где а - вероятность появления отклонения, превышающего Д^ (а принималось равным 0,05); ta - квантиль распределения Стьюдента. Далее сравнивая отклонение А с Атах • Если А > Атах, то с вероятностью Р = 1 — а отклонение 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 С.О. 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:

- Р; - среднее индикаторное давление;

- Рщах- 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:

, .опыт ,базов /0»

А = Д - Д (8)

. опыт и

где Д - отклонение диагностического параметра в опыте с данной неис-

кбазов

правностью; А - 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:

- 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 ин-дицирования.

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.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

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

результатами натурного эксперимента подтвердило достоверность предложенной методики.

3. Разработан и доказан метод определения средней величины при значительном разбросе диагностических параметров по цилиндрам двигателя. Сущность метода заключается в последовательном нахождении среднего значения между двумя, рядом стоящими точками, до тех пор, пока не будет вычислена средняя величина параметра, близкая к оптимальному значению. Автором предложены формулы для расчета среднего значения для пяти-, шести-, семи-и восьмицилиндрового двигателя. Предложенный метод применяется в случае, если разница между максимальным значением диагностического параметра и его минимальным значением более 20 % и числе цилиндром менее восьми.

4. Впервые проведено исследование отклонения экстремумов производной

<1Р

индикаторной диаграммы — при возникновении различных неисправностей

с1(р

(неплотность ЦПГ, поздний/ранний впрыск топлива, повышенная/пониженная цикловая подача, неисправность форсунки) и доказана возможность применения этого диагностического параметра для оценки технического состояния судового двигателя.

5. Проведено исследование влияния неравномерности вращения коленчатого вала на значение среднего индикаторного давления с целью выявить значение вносимой погрешности и обоснованности применения фирмами, производящими электронные системы индицирования с двумя датчиками оборотов на двигатель.

6. Результаты диссертационной работы внедрены в отдел ледокольного и пассажирского флота Санкт-Петербургского филиала ФГУП «Росморпорт» в виде методических рекомендаций по контролю технического состояния среднеоборотных двигателей и внедрены в учебный процесс на курсах повышения квалификации судовых механиков при Государственной морской академии имени адмирала С. О. Макарова. Внедрения подтверждены актами внедрения и использования, которые находятся в приложении.

ОСНОВНЫЕ ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Пальтов, С.А. Системы электронного индицирования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания // Эксплуатация морского транспорта. -2008. - № 2 (52) - С. 63 - 66.

2. Пальтов, С.А. Влияние неравномерности вращения коленчатого вала на точность измерения среднего индикаторного давления в судовых двигателях внутреннего сгорания // Эксплуатация морского транспорта. - 2008. - № 4 (54) -С. 59-62.

3. Пальтов, С.А. Использование диаграммы скорости изменения давления в качестве дополнительного диагностического источника информации // Эксплуатация морского транспорта. - 2009. - № 2 (56) - С. 60 - 65.

4. Пальтов, С.А. Методика контроля показателей рабочего процесса малооборотных ДВС // Двигателестроение - 2009. - № 2 (236). - С. 56 - 57.

ГМА им. адм. С.О. Макарова Заказ 30 от 28.01.2010. Тираж 100 экз. Усл. печ. л. - 1,5 199106, Санкт-Петербург, Косая линия, 15-а

Введение.

Глава 1. Электронные системы индицирования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания.

1.1 Обзор электронных систем индицирования и рекомендации по их применению.

1.2 Аналитический обзор методов контроля и диагностики рабочих процессов судовых двигателей.

1.3. Постановка задач исследования.

Глава 2. Исследование влияния внешних факторов на точность замеров при использовании электронных систем индицирования рабочего процесса.

2.1 Краткий анализ работ по исследованию влияния внешних факторов на точность замеров.

2.2 Погрешность и методы корректировки положения ВМТ.

2.3 Погрешность из-за искажения сигнала в индикаторном канале.

2.4 Влияние неравномерности вращения коленчатого вала на точность измерения среднего индикаторного давления в судовых ДВС

2.5 Выводы по главе.

Глава 3. Контроль показателей рабочего процесса судовых двигателей внутреннего сгорания.

3.1 Оценка качества рабочего процесса в целом по двигателю (I этап).

3.2 Оценка качества рабочего процесса по отдельным цилиндрам (II этап).

3.3 Адаптированный для обслуживающего персонала вариант методики контроля показателей рабочего судового двигателя.

3.4 Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальное исследование влияния различных видов неисправностей на значение показателей рабочего процесса.

4.1 Экспериментальное подтверждение результатов имитации неисправностей полученных с помощью математической модели

4.1.1 Имитация протечек в топливной аппаратуре.

4.1.2 Имитация влияния угла опережения подачи топлива на показатели рабочего процесса.

4.1.3 Имитация неисправности форсунки на показатели рабочего процесса.

4.2 Экспериментальное подтверждение методики контроля рабочего процесса при имитации неисправностей на среднеоборотном двигателе.

4.2.1 Экспериментальное исследование влияния повышенной цикловой подачи на протекание рабочего процесса в цилиндре.

4.2.2 Экспериментальное исследование влияния пониженной цикловой подачи на протекание рабочего процесса в цилиндре.

4.2.3 Имитация загрязнения фильтра турбокомпрессора.

4.3 Выводы по главе.

Техническое состояние судового двигателя — это качество его узлов и деталей в данный момент времени или совокупность косвенных показателей, качественное значение которых определяют 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, нагарообразование 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 нарушения прирабатываемости 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 % общего простоя в ремонте [28]. Устранить преждевременные остановки, а также ненужные переборки двигателя позволяет оптимально спроектированная система технической диагностики (СТД) двигателя. При наличии грамотно построенной системы технической диагностики 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% [38].

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; сокращение времени поиска неисправностей; сокращению 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 привлекаются портативные электронные системы индицирования. Эффективность использования этих систем зависит от качества их настройки. В настоящее время до сих пор остается открытым вопрос оценки погрешностей данных приборов при использовании их для индицирования судовых двигателей. Зачастую, даже грамотно настроенный прибор выдает искаженные результаты. Поэтому оценка погрешности прибора, а в особенности выявление ее степени влияния является важной задачей. Следует отметить, что как таковых четко выработанных рекомендаций по вводу этих приборов в эксплуатацию не имеется. Инструкции по эксплуатации, поставляемые 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 которому 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 оптимальный набор контролируемых параметров, позволяющий достаточной полно охарактеризовать технического состояние и работоспособность двигателя. Наконец, методика должна быть достаточно простой и оперативной с минимальными затратами труда, времени и средств.

В настоящее время существует больше количество методик оценки технического состояния двигателя. Применительно к судовым двигателям проблемы диагностирования исследованы ЦНИДИ, ВВМИУ, ЛИВТ, ЛВИМУ, ЦНИМФ и другими НИИ и учебными заведениями и помещены в трудах А. М. Александрова, Л. В. Станиславского, Е. В. Дмитриевского, Ю. А. Магнитского, Р. М. Васильева-Южина, Б. М. Левина, И. В. Возницкого, Петухова В. А., Овсянникова М. К., А. А. Обозова, А. Ю. Конькова, В. А. Лашко и др. Главный недостаток этих методик заключается в том, что стремление авторов придать методике наибольшую информативность и полноту делает ее громоздкой и сложной для понимания обслуживающим персоналом. Зачастую методики разработаны и апробирована на стендовых двигателях, что делает их неприменимыми для судовых условий эксплуатации двигателя. Чтобы учесть влияние внешних факторов на двигатель в судовых условиях эксплуатации, авторы прибегаю к выводу уравнений учитывающих зависимость между диагностическим параметрами 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, то возникает вопрос, а применима ли данная методика к другому типу двигателю и при других условиях эксплуатации? Выше приведенные положения определяют важность и актуальность вопросов решаемых автором диссертационной работы.

Основной целью диссертационной работы, является создание понятной для обслуживающего судовую энергетическую установку персонала методики оценки технического состояния двигателя на основе контроля параметров рабочего процесса с использованием электронных систем индицирования. При этом разработанная методика должна не терять своей информативности, быть достаточно полной и универсальной.

Для достижения этой цели 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-следственную .связь между выбранной совокупностью диагностических параметров и проявлением той или иной неисправности и на этой основе составить алгоритм диагностирования.

Наряду с основными задачами автор в диссертационной работе ставит дополнительные задачи:

1. Рассмотреть существующие на современном рынке электронные системы индицирования, а так же дать описание их принципа работы;

2. Исследовать и оценить влияние разных факторов на достоверность измеренных параметров при использовании данного класса приборов.

Объектом исследований являются судовые двигатели, главные и вспомогательные.

Личный вклад автора. Автором сформулированы цель и задачи исследований, на основе методов численного моделирования проведено исследование влияние 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, спланирован и проведен натурный эксперимент подтверждающий разработанный автором алгоритм оценки технического состояния двигателя.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, содержащихся в диссертации, подтверждено результатами натурного эксперимента, актами вне/фения, результатами численного эксперимента. В работе использовались аналитические методы. 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 применялись методы численного моделирования. Оценка погрешностей определения экспериментальных величин была осуществлена с помощью методов теории погрешностей. В работе использовалась современная анализирующее-регистрирующая аппаратура.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выполнена оценка основных факторов вносящих погрешность в результаты измерений при использовании электронных систем индицирова-ния;

2. Разработана двухуровневая методика контроля показателей рабочего процесса для судовых двигателей внутреннего сгорания основанная на анализе отклонения диагностических параметров от их средней величины;

3. Исследовано влияние величины и характера разброса диагностических параметров по цилиндрам на погрешность в определении их среднего значения;

4. Разработан метод, позволяющий значительно сократить погрешность в определении среднего значения параметров;

5. Впервые в качестве диагностического параметра предложено использовать экстремумы дифференциальной составляющей индикаторной диаграммы.

Практическая ценность. Результаты исследований, разработанная двухуровневая методика контроля показателей рабочего процесса использованы отделом ледокольного и пассажирского флота Санкт-Петербургского филиала ФГУП «Росморпорт» для оценки технического состояния среднеоборотных двигателей и внедрены в учебный процесс на курсах повышения квалификации судовых механиков при Государственной морской академии им. адм. С. О. Макарова. Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:

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

2. Сократить материальные затраты на ремонт двигателя за счет предотвращения неисправностей еще до того как они достигнут катастрофического размера;

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

4. Оптимизировать время между регламентными сроками технического обслуживания.

Апробация работы.

Публикации. Основные положения диссертационной работы публикованы в 4 работах автора, все работы опубликованы в рекомендованных ВАК изданиях. Итоги диссертационной работы докладывались на научной профессорско-преподавательской конференции Государственной Морской Академии имени адмирала С. О. Макарова (март 2009 г.) и Всероссийской научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России» (апрель 2009 г.).

Объем работы - диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, перечня литературы из 41 источника, 7 - приложений, содержит 30 таблиц, 25 рисунков — на 131 страницах. В первой главе приводится краткий анализ электронных систем индицирования, их устройство и принцип работы, приведены основные положения по их эксплуатации, а также приведен краткий анализ основных методов и алгоритмов оценки технического стояния судовых двигателей внутреннего сгорания.

Основные выводы и результаты работы.

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 рабочего процесса двигателя. Сопоставление результатов численного моделирования с результатами натурного эксперимента подтвердило достоверность предложенной методики.

3. Разработан и доказан метод определения средней величины при значительном разбросе диагностических параметров по цилиндрам двигателя. Сущность метода заключается в последовательном нахождении среднего значения между двумя рядом стоящими точками до тех пор, пока не будет вычислена средняя величина параметра близкая к истинному значению. Автором предложены формулы для расчета среднего значения для пяти-, шести-, семи- и восьмицилиндрового двигателя. Предложенный метод применяется в случае, если разница между максимальным значением диагностического параметра и его минимальным значением более 20 % и числе цилиндром менее шести.

4. Впервые проведено исследование отклонения экстремумом производной Р индикаторнои диаграммы — при возникновении различных неисправностей неплотность ЦПГ, поздний/ранний впрыск топлива, повышенная/пониженная цикловая подача, неисправность форсунки). .

5. Проведено исследование влияния неравномерности вращения коленчатого вала на значение среднего индикаторного давления с целью выявить значение вносимой погрешности и обоснованности решения установки фирмами производящими электронные системы индицирования двух датчиков оборотов на двигатель.

6. Результаты диссертационной работы использованы отделом ледокольного и пассажирского флота Санкт-Петербургского филиала ФГУП «Росморпорт» в виде методических рекомендаций по контролю технического состояния среднеоборотных двигателей и внедрены в учебный процесс на курсах повышения квалификации судовых механиков при Государственной морской академии им. адм. С. О. Макарова. Внедрения подтверждены актами внедрения и использования которые находятся в приложении

Изложенные в диссертации рекомендации и методы позволяют повысить эффективность использования электронных систем индицирования, надежность и экономичность судовой энергетической установки за счет своевременного предупреждения неисправностей, повысить эксплуатационный к.п.д. и ресурс за счет поддержания высокого технического уровня ДВС, понизить затраты в эксплуатации и уменьшить потребности в запасных частях, сократить время поиска неисправностей.

1. А. С. Пунда. Расчет индикаторной диаграммы судового дизеля и эмиссии окислов азота с отработавшими газами. Учебное пособие. Изд. ГМА, 2000 — 36 с.

2. А. С. Пунда. Численное моделирование рабочих процессов судовых дизелей: Учеб. пособие. — М.: Мортехинформеклама, 1995. — 64 .с.

3. Биргер И. А. Техническая диагностика. — М.: «Машиностроение», 1978. — 240 с.

4. Белоконъ В. П. Из опыта эксплуатации системы технической диагностики судовых дизелей. Реферат слушателя курсов повышения квалификации судовых механиков ЛВИМУ им. адм. С. О. Макарова , 1985. 35с.

5. В. А. Лашко, А. Ю. Коньков. Расчетный метод коррекции действительно положения ВМТ при индицировании ДВС // Двигателестроение. — 2007. №3. — С. 34-38.

6. Возницкий И. В., Грин А. А., Орехов Ю. А. Диагностирование рабочего процесса дизеля по теплотехническим показателям. Экспресс-информация «Морской транспорт», серия «Техническая эксплуатация флота», №18, М. ; В/О «Мортехинформреклама» , 1984. с. 16.

7. Возницкий И. В., Бедай А. С. Метод построения таблицы неисправностей для диагностирования рабочего процесса дизелей: Сборник научных статей «Автоматизация энергетических установок судов». — М.: В/О Мотехин-формреклама, 1983. с. 8-15.

8. Возницкий И. В. Контроль и диагностика технического состояния судовых дизелей. Тексты лекций. М.; В/О «Мортехинформреклама», 1984 — 36 с.

9. Возницкий И. В., Орехов Ю. А. , Пунда А. С. Диагностирование рабочего процесса судового дизеля: Сб. научных трудов «Судовые силовые установки». -М.; ЦРИА «Морфлот», 1980.

10. Гаврилов В. С., Камкин С. В., Шмелев В. П. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок. Учебное пособие. М.: Транспорт, 1985. — 288 с.

11. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей./ Под ред. А. С. Орлина. — М.: Машиностроение, 1983. 372с.

12. ГОСТ 10150-88 "Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия"

13. ГОСТ 10448-80 "Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Приемка. Методы испытания."

14. А. Дмитриевский Е. В., Левин М. И., Обозов А. А., Шелков С. М. построение .алгоритма диагностирования малооборотного дизеля на основе регрессионных моделей (для использования с устройством К- 748). Двигателестроение, 1984, №1 с. 46-49.

15. Зажигаев Л. С., Кишъян А. А., Романиков Ю. И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. —М.; Атомиздат, 1978.-232 с.

16. Камкин С. В., Лемещенко А. Л., Пунда А. С. Повышение экономичности судовых дизелей. СПб.: Судостроение, 1992. - 176 с.

17. Методы исследований и организации экспериментов/ под. ред. проф. К. П. Власова —X.: Издательство «Гуманитарный центр», 2002. 256 с.

18. Моек Е., Штрикерт X Техническая диагностика судовых машин и механизмов: Пер. с нем. — Л.; Судостроение, 1986. — 232 с.

19. Монтгомери Д. К. Планирование эксперимента и анализ данных: Пер. с англ. — Л.: Судостроение, 1980—384 с.

20. Нейман К. Кинетический анализ процесса сгорания в дизеле // Двигателестроение. 1938, № 4 с. 242-257.

21. Обозов А. А. Алгоритм поиска корректного положения отметки ВМТ в системах диагностики судовых дизелей II Двигателестроение, 2006, №1. — С. 27 -30.

22. Палътов С. А. Системы электронного индицирования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания. — Эксплуатация морского транспорта, 2008, №2 (52) с. 63-66.

23. Палътов С. А. Влияние неравномерности вращения коленчатого вала на точность измерения среднего индикаторного давления в судовых двигателяхвнутреннего сгорания. — Эксплуатация морского транспорта, 2008, №4 (54) — с. 59-62.

24. Палътов С. А. Использование диаграммы скорости изменения давления в качестве дополнительного диагностического источника информации. Эксплуатация морского транспорта, 2009, №2 (56) — с. 60-65.

25. Палътов С. А. Методика контроля показателей рабочего процесса малооборотных ДВС. Двигателестроение, 2009, № 2 (236) — с.56-57.

26. Лахомов Ю. А., Красовский О. Г. Дмитриевский Е. В., Рогалев В. В. Эталонные модели параметров рабочего процесса малооборотного дизеля для эксплуатационного контроля. Двигателестроение, 1983, № 10 — с.41-44.

27. Правила технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций. РД.31.21.30-97 СПб; ЗАО ЦНИИМФ, 1997. - 344 с.

28. Петухов В. А., Овсянников М. К. Эксплуатационные качества судовых-дизелей. — Л.: Судостроение, 1982. — 208 с.

29. Райков И. Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. Учебник для вузов. М., «Высш. школа», 1975. — 320 с.

30. Разлейцев Н. Ф. Анализ условий сгорания в дизелях на основе обобщенного уравнения динамики горения.// Двигатели внутреннего сгорания, 1969, Вып. 8-е. 47-52.

31. Руководство по теплотехническому контролю серийных теплохо-дов/Минречфлот. 3-е изд., перераб. и доп. М.: «Транспорт», 1896г. — 207 с.

32. Свиридов Ю. Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. — Л.: Машиностроение, 1972. 224 с.

33. Средства и методы диагностирования дизелей по индикаторной диаграмме рабочего процесса: моногр. / А. Ю. Коньков, В. А. Лашко — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007 147 с.

34. Самойленко А. Ю. Электронные системы контроля параметров рабочего процесса судовых средне- и высокооборотных дизелей: Монография — СПб.: Судостроение, 2004. — 132 с.35. . Сегаль В.Ф. Динамические расчеты двигателей внутреннего сгорания.

35. JL; Машиностроение, 1974. —248с.

36. Соловьев Б. И. Теплотехнические испытания и эксплуатация судовых дизелей. -М.; «Транспорт», 1973.-240 с.

37. Соболев Л. Г., Галанин А. А., Финоченов А. А., Блинов Э. К., Комаров И. В. Диагностические испытания ЦПГ главного двигателя теплохода «Новогру-док» в эксплуатационных условиях. — Двигателестроение, 1981, №12 с.36-38

38. Станиславский Л. В. Техническое диагностирование. — Донецк: Вища школа, 1983,— 136 с.

39. Теория двигателей внутреннего сгорания. Под ред. проф. д-ра техн. наук Н. X. Дьяченко. JL, «Машиностроение», 1974. — 552 с.

40. Петриченко Р. М., Батурин С. А., Исаков Ю. Н. и др. Элементы систем автоматизированного проектирования ДВС: Алгоритмы прикладных программ. — JL: Машиностроение, 1990. — 328 с.

41. User's Manual Digital Pressure Indicator DPI 2, version 2.02 LEUTERT GmbH.