автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Повышение эффективности эксплуатации комплекса главный двигатель - обслуживающие системы судовой дизельной установки на основе оценивания и прогнозирования функциональной надежности его элементов с использованием информационных технологий

На правах рукописи

Чебанов Владимир Сергеевич

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПЛЕКСА

ГЛАВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ СУДОВОЙ ДИЗЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ІІА ОСНОВЕ ОЦЕНИВАНИЯ

И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ

ТЕХНОЛОГИЙ

Специальность: 05.08.05. - Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 МАР 2012

Новороссийск - 2012

005015689

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки Кубани

Башуров Борис Павлович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Туркин Владимир Антонович

кандидат технических наук

Брежнев Александр Викторович

Ведущая организация:

ОАО "Новошип" (г. Новороссийск)

Защита состоится 30 марта 2012 года в 1200 часов на заседании Диссертационного совета Д 223.007.01 при ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова» по адресу: 353 918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова».

Автореферат диссертации разослан 16 февраля 2012 года

Ученый секретарь диссертг

д.т.н., профессор

ХекертЕ.В.

Перечень принятых сокращений

ТЭ - техническая эксплуатация

ДЭУ - дизельная энергетическая установка

ГД-ОС - главный двигатель-обслуживающие системы

ТО - техническое обслуживание

ФН - функциональная надежность

МУФН - механизм управления функциональной надежностью

ТС - техническое состояние

РП - ресурсный потенциал

СЗЧ - сменно-запасные части

МРП - межремонтный эксплуатационйый период

ТИ - техническое использование

ЖЦ -" жизненный " цикл

ЦН - центробежные насосы

ТА - теплообменные аппараты

КУ - контактное устройство

BOX - водоохладители

ПТ - подогреватели топлива

ВПКВД - воздушные поршневые компрессоры высокого давления

ЦПГ - цилиндро-поршневая группа

МНК - метод наименьших квадратов

СКС - смыкающий кубический сплайн

УД - упреждающие допуски

ДП - диагностические показатели

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность темы. Основным фактором, определяющим рентабельность работы судов различного функционального назначения, является научно -обоснованная система технической эксплуатации (ТЭ) их дизельных энергетических установок(ДЭУ), в значительной степени зависящая от эффективности использования топливно-энергетических ресурсов и уровня работоспособности элементов комплекса главный двигатель-обслуживающие системы (ГД-ОС). Это подтверждается следующими данными: доля повреждений относительно судна в целом составляет ~ 90%; затраты, связанные с ТЭ - ~ 70%; объем работ по техническому обслуживанию (ТО) - ~ 40%; стоимость расходуемого топлива от себестоимости перевозимого груза - ~ 50%. Опыт ТЭ показывает, что более 80% аварийных ситуаций (в частности, на море) обусловлены субъективными причинами, связанными с человеческим фактором, а одной из основных является отказ в работе ГД и элементов обслуживающих систем. Соотношение отказов в количественном выражении примерно равное. В сложившейся ситуации с позиций повышения эффективности ТЭ ДЭУ и рентабельности работы судна в целом первостепенное значение приобретают вопросы оценивания и прогнозирования ФН элементов комплекса ГД -ОС. Для решения задачи в такой постановке необходим механизм управления ФН (МУФН), основывающийся на использовании информационных технологий.

Диссертационная работа посвящена решению важной научно - технической задачи, связанной с повышением эффективности ТЭ комплекса (ГД - ОС) судовой ДЭУ, путем разработки информационного и алгоритмического обеспечения управления ФН элементов топливной, воздушной и системы охлаждения.

Объект исследования - элементы главного судового двигателя и его систем.

Предмет исследования - функциональная надежность элементов комплекса ГД-ОС и механизм по ее управлению при ТЭ.

Цель диссертационной работы - повышение эффективности ТЭ комплекса ГД-ОС на основе оценивания, прогнозирования ФН его элементов и перевода на систему ТО по фактическому техническому состоянию (ТС).

Для достижения поставленной цели в диссертационной работе решаются следующие задачи:

1. Анализ сложившихся проблем в области ТЭ главного двигателя судовой ДЭУ и возможные пути повышения его эффективности.

2. Обобщение существующих проблем в области ФН и анализ основных направлений по ее исследованию на основе системного подхода.

3. Систематизация методов обеспечения ФН на различных этапах "жизненного" цикла.

4. Обоснование выбора объектов исследования, разработка методики обработки статистической информации и оценивания их ФН.

5. Проведение статистических исследований ФН элементов комплекса ГД - ОС с использованием метода экспертных оценок и фактологической информации.

6. Разработка математических моделей прогнозирования безотказной работы элементов комплекса ГД - ОС в основном эксплуатационном периоде и оценивания расходования их ресурсного потенциала(РП) на основе энтропийного подхода.

7. Создание нормативной базы диагностических показателей для оценивания текущего ТС элементов систем ГД в эксплуатационных условиях.

8. Анализ стратегий ТО и ремонта элементов систем ГД на основе существующих моделей и обоснование перевода их на обслуживание по фактическому ТС.

9. Разработка комплекса мероприятий по обеспечению ФН элементов систем ГД в процессе их ТЭ на основе контроля ТС, концепции его восстановления и определения оптимального объема сменно - запасных частей (СЗЧ).

10. Разработка структуры механизма по управлению ФН элементов систем ГД и его формирование на основе информационно - статистического банка данных.

Методы исследования основываются на: экспертной оценке ФН элементов систем ГД с использованием информации в виде аргументированных мнений специалистов различного квалификационного уровня, ее формализацией, обработкой, анализом и интерпретацией; использование общего закона надежности технического изделия, принципов системного анализа, математической статистики, моделирования, РП, регрессионных функций и корреляционного анализа.

Научная новизна полученных результатов состоит:

Во-первых, обоснована постановка и решение задачи перевода элементов комплекса ГД-ОС на менее затратную систему ТО и ремонта по фактическому состоянию на основе созданной информационной базы.

Во-вторых, получены закономерности изменения показателей безотказности от наработки, определены зоны приработочного и стабилизированного режимов, выявлены узлы и детали с минимальным уровнем работоспособности.

В-третьих, разработаны критерии сравнительного оценивания расходования РП в процессе ТЭ и математические модели прогнозирования безотказной работы, основанные на аппроксимации статистических данных с применением нелинейного МНК и интерполирования сплайнами.

Теоретическое значение результатов состоит в получении обобщенных показателей, критериев и математических моделей, позволяющих производить оценивание и прогнозирование ФН элементов комплекса ГД - ОС в пределах межремонтного эксплуатационного периода (МРП).

Практическая значимость исследований заключается в создании механизма по управлению ФН элементов комплекса ГД-ОС, позволяющего перевести их на систему ТО по фактическому состоянию.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Информационное и алгоритмическое обеспечение по управлению ФН элементов топливной, воздушной и системы охлаждения ГД ДЭУ в процессе их ТЭ.

2. Информационно-статистический банк данных по оцениванию ТС и прогнозированию безотказной работы.

3. Нормативная база ДП, комплекс мероприятий по контролю и учету ТС .

Апробация и внедрение результатов исследований.

Материалы диссертации обсуждались в Санкт-Петербурском государственном университете водных коммуникаций, Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова, опубликованы в виде докладов, тезисов в материалах Международных научно - технических конференций, проводимых в Пензенском государственном университете (г. Пенза, 2007г.), Санкт-Петербурском государственном политехническом университете (г. Санкт-Петербург, 2008 г.), МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова(2007,2009, 2010г) и научных статей в трудах Института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН) "Динамика неоднородных систем", используются при разработке учебных программ эксплуатационной направленности в МГА имени адмирала Ф.Ф. Ушакова и ее филиалах, нашли отражение в изданном (в соавторстве) учебном пособии, в эксплуатационной практике судоходных компаний ОАО "Ново-шип" (г. Новороссийск), ООО "Кристал Марин" (г. Ростов - на - Дону).

Структура диссертации: оглавление; перечень условных сокращений; введение; четыре главы (132 страницы); заключение; списки использованных источников (112 наименований) и опубликованных научных работ (18); содержит 49 таблиц и иллюстраций; приложение на 69-ти страницах, акты использования и внедрения результатов исследования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, сформулированы цель, задачи, определены этапы исследования, показаны научная новизна, теоретическое и практическое значение, изложены результаты.

В первой главе выполнен аналитический обзор работ по состоянию и развитию проблем повышения эффективности ТЭ элементов судовых ДЭУ и их ФН, свидетельствующий о важности и перспективности исследований в этом направлении. Освещены методы обеспечения ФН на различных этапах "жизненного" цикла (ЖЦ). В области разработки теоретических основ и научных положений ТЭ большая заслуга принадлежит отечественным ученым Драницыну С.Н., Половинкину В. Н., Климову E.H., Гаскарову Д.В., Голинкевичу Т.А., Мозгалевскому A.B., Мясникову Ю.Н., Тузову JI.B., Сахарову В.В., Соболеву Л.Г. и многим другим. Центральной проблемой на всех этапах ЖЦ элементов ДЭУ является обеспечение их ФН. Наиболее рациональный путь ее решения-создание механизма управления ФН (МУФН). Эффективность ТЭ в значительной степени обусловлена взаимосвязанностью процессов изменения ТС, технического использования (ТИ), ТО и ремонта. В связи с этим необходимо решение задач, связанных с оценками правильности функционирования, ТС и прогноза работоспособности. На оценку ТС приходится до 20 - 30% общей трудоемкости ТО и 5 - 10% заводского ремонта. С точки зрения дальнейшего совершенствования ТЭ (из возможных вариантов) наиболее эффективным является перевод элементов комплекса ГД-ОС с существующей системы централизованного планирования профилактических ремонтно - восстановительных работ на систему ТО по фактическому ТС.

Вторая глава посвящена обоснованию выбора объектов исследования, рассмотрению методик его проведения, оценивания и прогнозирования ФН элементов комплекса ГД-ОС. Исследуемые объекты рассматриваются с позиций восстанавливаемости, а их отказы принимаются случайными и независимыми событиями, при этом поток отказов считается простейшим. В основу экспертной оценки (получение качественной информации) ФН положены данные аргументированных мнений экспертов различных квалификационных уровней, её формализация, обработка, анализ и интерпретация. При оценке степени согласованности их мнений использовался коэффициент ранговой корреляции (коэффициент конкордации). Проверка на значимость осуществлялась с использованием критериев Пирсона и Фишера. Получение количественной информации основывается на классических понятиях информативных показателей и измерителей (коэффициент отказов, готовности и ТИ, затраты на ТО, суммарная

трудоемкость ТО, средняя наработка на отказ, параметр потока отказов, вероятность безотказной работы, РП, критерии). При оценке числовых характеристик ФН (доверительные границы и интервалы) использовались асимптотические формулы Большого Л.Н., методы Фишера и Рябинина И.А. Для исследуемых объектов РП рассматривается в виде произведения уровней ФН на различных этапах ЖЦ = Н!^вд • Нт • при идеальной и реальной моделях. В первом случае = 1, во втором - < 1. Величина РП для МРП элемента системы определяется в соответствии с выражением:

адмрп)=.г;Ааж (1)

где Щ:) - интенсивность отказов.

Уравнение (1) в информационном и термодинамическом смысле представляется как энтропия состояния элемента системы (8ЭЛ) и используется в качестве меры уменьшения запаса его РП. Процесс расходования РП в пределах 1;мрп разделяется на три этапа: начальный :0); промежуточный

(й"пп,5пр); заключительный Я.^ ,,0), при соотношении в пределах

^мрп" < < Е^з,.. . Отсюда следует, что сЬ/сЙ =к Щ), где к-константа, связанная с выбором единиц измерения; - мера скорости изменения энтропии элемента (скорости расходования РП), являющаяся одним из основных показателей ФН и удовлетворяющая условию: А,(1) < X*; I £ [0;Т], X* - предельно допустимая (назначенная) интенсивность отказов элемента, Т - назначенный РП (срок службы элемента). Для простейшего потока отказов = А(£), при этом со(<:)=с1Н(1)/сК, тогда выражение (1) представляется в виде

^мрп)= /о й)(ОЛ (2)

Вид подынтегральной функции определяется путем проведения статистических исследований на основе фактологической информации. Для нахождения интеграла используются методы численного интегрирования (формула Симпсо-на). Для различных периодов работы элемента в приработочном и основном режимах выражение (2) приводится к виду:

ИЫ = иШО'1 (3)

(4)

Для сравнительной оценки продолжительности работы элемента, изменения параметра потока отказов в зонах этих режимов и анализа соответствия уровней ФН используются критерии работоспособности;

Д<а = 1- (ы 00 /оз пр);

ДКГ=К"'"- Кгд; ДКТН=К"Г,- К-,,,.

(5)

(6)

(7)

(8)

В третьей главе представлены результаты экспертно-статистического исследования ФН элементов топливной, воздушной и системы охлаждения ГД и её оценивание с использованием разработанных показателей, критериев и математических моделей прогнозирования безотказной работы. Для оценивания степени влияния уровня ФН элементов систем на эффективность ТЭ ГД (первый этап) в качестве критерия использован показатель существенности Апс= 1/ £Ряя (£рШ ~ сумма нормированных рангов с учетом их совпадения по конкретному фактору). Информационной основой явились аргументированные мнения специалистов двух квалификационных уровней. Полученные результаты свидетельствуют о значительном влиянии ФН исследуемых элементов на эффективность ТЭ ГД. Результаты количественного оценивания уровня ФН элементов систем ГД танкеров (второй этап) приведены на рис.1 - 6.

1/тыс. ч.

Рисунок 1 - Динамика потока отказов топливных насосов высокого давления

ГД танкеров

Рисунок 2 - Изменение вероятности безотказной работы насосов от наработки: 1 - топливоперекачивающие; 2 - топливные

Наибольшая интенсивность отказов насосов в пределах наработки £ = (0 — 7)-103ч обусловлена приработкой основных узлов, сопровождающаяся повышенным износом соприкасающихся поверхностей, однако не исключается и фактор скрытого дефекта материала, характер которого (в зависимости от эксплуатационных условий) проявляется разнообразно (абразивный, адгезия, в виде молекулярного схватывания, тепловой, усталостный). Для насосов одной конструктивной модификации, но выполняющих в составе топливных систем различные функции наблюдается неоднозначность показателей безотказности. Меньшим уровнем ФН обладают топливные насосы во всем исследованном диапазоне наработки. Аналогичная картина и у отдельных узлов насосов. Примерно половина отказов приходиться на уплотнительное устройство, а вторая на остальные элементы (рабочий орган, подшипники). Максимальная интенсивность отказов для всех узлов наблюдается в диапазоне наработки г = (0 ~5)Т03ч. Существенное влияние на эффективность ТЭ ГД оказывает ФН форсунок, особенно в области малых нагрузок, о чем свидетельствуют результаты выполненных исследований Моек Е., Штрикерт X (рис.3).

< —*—,

Нтфумг. гд

Рисунок 3 - Зависимость удельного расхода топлива от ТС сопла: 1 ( —•—»— нормальное ТС состояние;—А—А— «эрозия»);

2 (—■—■— нормальное ТС; —-♦—«коксование сопла»)

Наиболее уязвимым элементом форсунок являются распылители, к характерных дефектам которых относятся: повреждение уплотнителъного торца; зависание иглы; потеря плотности; повреждение торцевой поверхности иглы; распрессовка сопел; износ сопловых отверстий по диаметру. Общий ресурс распылителей с учетом проведения ремонтов составляет (8 - 10)-103ч, а износ сопловых отверстий по диаметру на 1000 часов работы - ~ 10 - 20мкм. По данным зарубежных специалистов применительно к дизелям фирмы «Зульцер» ~ 75% распылителей бракуется вследствие чрезмерного изнашивания распыливающих отверстий, а ~ 25% приходится на изнашивание запорного конуса распылителя.

Для центробежных насосов (ЦН) второго контура охлаждения ГД преобладающими являются отказы износового и коррозионного происхождения, а

первого (в порядке значимости) отказы, обусловленные износом, кавитацией и поломками. При одинаковой наработке количество отказов ЦН второго контура ~ на 30% больше по сравнению с первым, а удельные трудозатраты возрастают в два раза. Динамика потока отказов основных узлов ЦН и теплообменных аппаратов (ТА) показана на рис.4, 5.

Wf!.j 1/1ЫС.Ч.

Рисунок 4 - 1 - контактное уплотнение (КУ); 2 - подшипники; 3 - рабочее колесо

Факторами, определяющими уровень ФН КУ насосов являются: параметры уплотняемой среды (смазывающие свойства, теплопроводимость, степень загрязнения, химический состав); режим работы (трение, вибрация, гидравлические удары, перерывы в движении, пуск под нагрузкой, периодическая работа без смазки, нагрев или охлаждение, радиальные биения).

Рисунок 5 - 1 - водоохладители (BOX); 2 - подогреватели топлива (ПТ)

Расчеты в соответствии с (2) показали, что расходование РП при ТЭ для BOX по отношению к ПТ выше в 1,6 раза. Причинами, приводящими к отказам ТА, являются: засорение трубной части; кавитация; эрозия; трещины; разгерметизация и износ заслонок. Учитывая, что BOX является связующим элементом двух контуров системы охлаждения, возникновение разгерметизации приводит к изменению параметров среды первого контура и, как следствие, изменению теплонапряженности ГД, увеличению жесткости и содержания хлоридов. При-

чины отказов ТА (с точки зрения влияния на ФН) разделяются на две группы: преобладающие; оказывающие незначительное влияние. Возникновение отказов в процессе ТЭ ТА обусловлено: протечками через неплотности в соединениях (I); нарушением плотности трубы по месту заделки в трубной решетке вследствие образования трещин под действием циклических нагрузок вибрационного, ударного, переменно-статического и термического характера (II); нарушение герметичности труб от трения диафрагмы (III). Для ТА, использующих схему сред (охлаждаемая-охлаждающая), возможно различное сочетание преобладающих причин. Для BOX (пресная - морская вода) имеют место три группы причин, a BOX (воздух - морская вода) соответственно две. Исходя из основных узлов ТА их структурно-логическая схема представляет сочетание трех групп: соединение теплопередающих сред (Mi) ; зоны концентраций напряжений от заделки труб в трубных решетках (М2) ; пары трения (М3) . В этом случае расчетная схема ФН ТА является вероятностной моделью, выражающейся в виде взаимосвязи элементов этих групп. Согласно концепции последовательного соединения вероятность безотказной работы ТА в пределах ограниченной наработки (по данным Промыслова J1.A.) определяется как,

P(rj =P!(r?)Pni(r?)PIlj(i„)P1I1(t?) , (9)

где Pi(tp),Pn! (tvj- вероятности первой и второй групп элементов, имеющих внезапную физическую модель отказов: P]],(tp),P]]](t»)~ вероятности второй и третьей, имеющих износовую модель отказов.

| Рисунок 6 - Показатели безотказности воздушных поршневых компрессоров

| высокого давления (ВПКВД): а) динамика параметра потока отказов; б) дина-

! мика вероятности безотказной работы

I

В процессе ТЭ более 2/3 отказов ВПКВД связаны с износом и механическими повреждениями. Чаще всего выходят из строя всасывающие и нагнета-| тельные клапаны. В наибольшей степени их ФН определяется уровнем работо-

1 способности клапанов, поршневых колец, BOX и поршней. Основной фактор,

влияющий на их ТС, - качество проводимых монтажных работ. Наибольшая интенсификация коррозионных процессов происходит в области посадочных буртов, крышек BOX и полостей охлаждения цилиндров. Возникновение отказов приводит к снижению эксплуатационных качеств компрессоров, выражающихся в: увеличении расхода масла и его обводнении; снижении производительности; падении давления; увеличении нагрузки приводного электродвигателя; появлении вибрации. Осреднённые значения наработки на отказ исследуемых типов ВПКВД и трудозатрат соответственно составляют 2, 14 тыс. ч , 30, 61 ч/тыс.ч, 58, 86 чел. ч/тыс. ч. Применительно к исследуемым элементам систем ГД отказы (в зависимости от физического происхождения) разделяются на три группы: трибологические; по параметрам прочности; по параметрам коррозии (табл.1).

Таблица 1

Элементы систем ГД Соотношение отказов по группам (%)

Трибологические По параметрам прочности По параметрам коррозии

Топливные насосы высокого давления 17 83 -

Воздушные поршневые компрессора 54 31 15

Трубопроводы и арматура — 22 78

Теплообменные аппараты - 23 77

Трибологические отказы (в зависимости от конструктивных особенностей и условий ТЭ) имеют различный характер (механический, коррозионно-механический). Изнашивание деталей проявляется в виде: схватывания; переноса металла; заедания; задира; отслаивания; выкрашивания. Сравнительное оценивание безотказной работы элементов систем ГД произведено с помощью критерия работоспособности в виде обобщенного показателя = (_[с~ и>(г)аг)~- и интегрирования полученной функции ш^) с использованием формулы Симпсо-на. Из обследованных систем уровень работоспособности топливной и систем охлаждения примерно одинаков, а по сравнению с масляной системой ниже в -2,5 раза. Уровень работоспособности насосов топливной системы ниже такового масляной системы ~ в 5 раз, а насосов второго контура охлаждения (по сравнению с первым) - ~ в 2 раза. Различие уровней работоспособности ВПК относительно их типов колеблется в пределах 1,5 -3 раза.

Предлагаемый критерий Лщ (независимо от режима) определяется двумя факторами: наработкой и параметром потока отказов. Условие Кщ=соп51 сохраняется в двух случаях: малые значения наработки и большие значения параметра потока отказов и наоборот. Поэтому при 1=сопз1 по величине Ящ можно су-

дить об интенсивности потока отказов для конкретного элемента системы и с его помощью производить сравнительное оценивание, обусловленное качеством технологического изготовления отдельных деталей и узлов, проведением сдаточных испытаний, выполнением монтажных работ и соблюдением инструкций заводов-изготовителей в период ТЭ. Величина Д^ при работе элемента в при-работочном режиме зависит от количества деталей и узлов с низким уровнем ФН, качества выполнения сборочных операций и ошибок при монтаже. Для этого периода характерны постепенные отказы, а его продолжительность определяется микрогеометрией сопряженных поверхностей, их шероховатостью, погрешностью взаимного расположения сопряженных и смежных деталей из-за неточности их изготовления и сборки.

При работе элементов в стабилизированном режиме преобладают внезапные отказы. При переходе от приработочного к стабилизированному режиму в элементе системы остаются детали с более высоким уровнем ФН и большим РП, т.е имеем /?"> при этом величину соотношения й" предлагается использовать как критерий оценивания: совершенства конструкции элемента; качества изготовления его узлов и деталей; тщательности соблюдения режимов ТЭ. Зависимость здесь такова: чем меньше критерий, тем совершеннее конструкция элемента, выше качество технологических процессов изготовления деталей и более тщательно проведены стендовые испытания.

Методический подход прогнозирования ТС элементов систем ГД при ТЭ основывается на определении зоны упреждающих допусков (УД) на контролируемые параметры. Применительно к отдельным этапам ЖЦ должна устанавливаться различная величина допусков, в частности производственные (Впр), эксплуатационные (Вэкс) и ремонтные (Врем) при соблюдении соотношения: В^ £ Вое„ ^ взкс;т. Наличие информации по УД позволяет создать запас ФН элемента и обеспечить при периодическом контроле с профилактическими (восстановительными) мероприятиями его безотказную работу до очередной проверки. Информационной базой разработанных прогностических моделей элементов систем ГД являются результаты статистического эксперимента и натурных испытаний. При реализации метода обобщенных функций и использовании метода наименьших квадратов (МНК) прогностические модели безотказной работы насоса аппроксимируются степенными выражениями в виде полиномиальных уравнений: Ярн = Г^1'23"0'30^ ; £ря = Г'С'007" 0'2^ ; Р^-0,905 -0,043г+0.0008^(насосы топливной систем);

_ ¿-(1.72-0.4р _ ЗГ-(0Д4-0.28«1 .

ЦН 1 ''ЦН ~ )

т ■ 2

Р^ = 0,703 - 0,051+0.0011 (насосы системы охлаждения).

Прогностические модели параметра потока ВПК представляются в виде регрессионных зависимостей: co(t) = -3038,2 t8+ 12957,6 t7-22828,l t6+21367,4t5-11332,9t4+3333,9t3-495,5t2+30,7t-0,02 (ВПК типа ТС 27/16);

oo(t) = 161,3 t6 - 489,1 t5 + 542,5 t4 - 257,7 t3 +41,5 t2 + 1,7 t - 0,03 (ВПК THna2TFS)

Для сравнительного оценивания расходования ПР исследуемых элементов систем ГД предлагается использовать две модели их ТЭ (идеальную, реальную) рис.7

pro;

1.0

0,5

ИДЕАЛЬНЫМ пкщксе

гп 1, мрп

Рисунок 7 - ^ ^ь.....1л- межремонтный период конкретных элементов систем

ГД; Р(1)зЛвероятность их безотказной работы в пределах

(10)

Для идеальной модели ТЭ Fb реальной - R^ot- F2, т. е.

RnoT= /totMpn P(t)dt,

где P(t) - аппроксимированная функция вероятности безотказной работы.

При аппроксимации P(t) полиномом второго порядка (10) приводится к виду: Ql ,.•> <12

RSr =^(tMpn -t0)+^(4n - rj+f (4П - 11)

(П)

С учетом идеальной модели относительная величина РП определяется как = IV Иь Расчеты в соответствии с (11) приведены в табл.2.

Таблица 2

Элемент системы ГД Аппроксимациоігньїе коэффициенты Величина ^Rnswi

а» а1 а2

Насосы топливной системы 0,763 - 0,078 0,002 0,31

Компрессоры воздушной системы 0,965 - 0,025 0,0002 0,53

Величину предлагается использовать в качестве меры расходования РП элементов систем при ТЭ и критерия их сравнительного оценивания ФН.

Снижение несоответствия (Клот )«од ^ (Кдо- )р;о- достигается разработкой комплекса мероприятий, практическая реализация которого позволяет уменьшить величину АЩ;оТ и при И34т = сопзт, заданного на этапе проектирования, за счет меньшей скорости расходования РП, увеличить МРП, снизить расход материальных средств и, соответственно, повысить эффективность ТЭ комплекса ГД-ОС.

В основу математических моделей прогнозирования ФН элементов систем ГД положены данные статистического эксперимента. При этом использовались два методических подхода аппроксимации с применением нелинейного МНК и интерполирования сплайнами. Расчеты производились в математической системе МАТЬАВ. Для определения точности аппроксимации полиномов различных степеней проводился системный анализ. Параметр потока отказов от наработки аппроксимировался полиномами 3-8 степеней Р3 (I) - Р8 (1). Для каждого полинома производились оценки среднеквадратической ошибки. Анализ полученных выражений показал, что для деталей ЦПГ наиболее приемлемой математической моделью ФН (с точки зрения минимизации среднеквадратической ошибки являются аппроксимационные полиномы восьмой степени Р8 (!), представленные для втулок в виде (5), крышек (6), поршней (7), выпускных клапанов (8), ТНВД (9):

Р8(1) =0,89047- 10~7Г3~0,92847- 10-7Г+0,75209- Ю-7Г6— 0,11903- 10~7г:5+ +0,84881- 10"7г4-0,85785- КГ'Р+0,84371- 1СГ7Г2-0,99171- 1(Г7Г+ +0,61848-10-? (12)

Р8(1)=-0,17831 • 10-Ч8+ 0,36923- 10"7Г7-0,64578- 10'71ь+ 0,51966- 1(Г7Г5--0,88741- 1СГ7г-4+0,89956- 10~7Г3-0,10775- 17 ^+0,25792- 10'Ч + +0,024298-10~7 (13)

Р^;=0,69705 • Ю-7Г8—0,34205-10"7?7+0,91877- 10_,Г6-0,95391-10~7?5 +0,28104- 10-7Г4+0,50768- 10~71г3-0,93697- 10"-7С2+0,93407- 10~7г> -0,91522-10~7 (14)

Р8(1) =0,29583 - 10_7г®-0,89644- 10~7Г7+0,57191- 10~7г:6-0,64067- 10~7Г5+ +2,53213- 10"7Г4-2,63211- 1(Г7Г3+1,44238- НГ^+0,16285- 10~7Г--0,063621- Ю-7 (15)

Р8(()=-0,01071 - Ю-7 Г8+0,60871- 10~7Г7-0,64311- 10~7Гг+0,91501 • 10~7Г+ +0,14621-10"7С4+0, 3351 М0-7£3-0,51341 • 10_7Г+1,90068- 10~Ч --0,36361- 10"7 (16)

Реализация второго методического подхода (интерполирование сплайнами) применительно к элементам ГД основана на системе полиномов, состав-

ляющих сплайн, для конкретных участков по наработке: ЦПГ- 2 тыс. ч; ТНВД' - 2,5 тыс.ч; выпускные клапаны -0,5 тыс.ч.

Эксплуатационные и аппроксимируемые зависимости параметра потока отказов со(Ц от наработки (I) элементов ГД с использованием двух методических подходов представлены на рисунках 8-12.

0.6

0.4

0.2 1

0 4 8 I: 20 24 1.ШС.Ч.

.4

Рисунок 8 - Цилиндровые втулки:

--эксплуатация; О - аппроксимация полиномом восьмой степени;

• - аппроксимация смыкающим кубическим сплайном

У.(1). 1/-П.КЧ 0,6

0.4 0Л

0 4 8 12 16 20 24 t, тыс.ч.

Рисунок 9 - Крыши цилиндров:

--эксплуатация; О - аппроксимация полиномом восьмой степени;

• - аппроксимация смыкающим кубическим сплайном

w(t), 1/тыс.ч.

о.б

!

0,2

0 4 8 12 16 20 24 1, тыс.ч.

Рисунок 10 - Поршни: — - эксплуатация; О - аппроксимация полиномом восьмой степени; • -аппроксимация смыкающим кубическим сплайном

1/шс.ч.

0,6

°,4 0,2

0 4 8 12 16 20 24 1,тыс.ч.

Рисунок 11 - Выпускные клапаны:

--эксплуатация; О - аппроксимация полиномом восьмой степени;

• - аппроксимация смыкающим кубическим сплайном

и^), 1/тъгсл. 0,6

0,4

0,2

0 5 10 15 20 25 30 I, тыс.4.

Рисунок 12 - Топливные насосы высокого давления: — эксплуатация; О - аппроксимация полиномом восьмой степени; • - аппроксимация смыкающим кубическим сплайном

Полученные математические модели могут быть использованы: для прогнозирования ФН деталей ЦПГ в процессе ТЭ; в качестве основы для оценки их остаточного ресурса; выработки стратегии ТО и ремонта при переходе на более перспективную (с точки зрения затратной технологии) систему ТО по фактическому состоянию.

В четвертой главе представлен комплекс мероприятий по обеспечению ФН элементов топливной, воздушной и системы охлаждения ГД. Освещены вопросы информационного обеспечения системы управления ФН, обоснования выбора стратегии ТО, диагностического контроля ТС и его концепции восстановления, оценивания оптимального объема ЗИПа с использованием модели восстановления. Приведена нормативная база диагностических показателей и изложены основные направления по обеспечению ФН при ТЭ. Представлена иерархическая схема прогнозирования работоспособности применительно к комплексу ГД - ОС с использованием методологического подхода, предложенного Гаскаровым Д.В. Приведена структурная схема МУФН, основу которого составляют три процесса (планирование, оценивание ТС, управление восста-

о - Экспл РвШ •атпщи

}' 1 ¿0 \ -■г

новлением характеристик), а интегрирующим элементом является информационная система. Дан анализ взаимной связи между стратегиями ТИ элементов систем и их ТО. При использовании стратегии ТО по состоянию с контролем параметров для выявления предотказного ТС элементов систем наиболее рационален принцип назначения УД на диагностические параметры. Приведены условия практической реализации такой системы ТО. Приведены перечень параметров, необходимых для осуществления диагностического контроля ТС и допустимые нормы ДП. Комплекс мероприятий по обеспечению ФН исследуемых элементов систем ГД предлагается разделить на три группы (конструктивные, технологические, эксплуатационные).

Применительно к каждой группе рассмотрены конкретные мероприятия. Показано, что наиболее перспективным направлением обеспечения ФН элементов систем ГД является использова- ние равнонадежностных деталей, имеющих одинаковый уровень безотказной работы.

В приложении приведен материал, имеющий практическую направленность: объекты экспсртно-статистического исследования; конструктивные и измерительные схемы; характерные повреждения деталей и способы восстановления их ТС; технологические условия по замене деталей; пределы изменения эксплуатационных параметров; нормы ДП; периодичность контроля и категории ТС; примеры практического использования методов диагностирования ТС.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе анализа взаимосвязи элементов комплекса (ГД -ОС) и выполненного экспертно-статистического исследования их ФН сделаны выводы и получены следующие научные и практические результаты:

1. Одним из определяющих факторов повышения эффективности эксплуатации комплекса ГД - ОС судовой ДЭУ является информационное и алгоритмическое обеспечение управления ФН элементов топливной, воздушной и системы охлаждения при различных режимах работы.

2. Основополагающим элементом систем управления является механизм оценивания текущего уровня ФН в процессе ТЭ, базирующийся на создании информационно-статистического банка данных.

3. На основе выполненного комплексного исследования ФН элементов систем ГД и проведенных натурных испытаний с целью создания информационно-статистического банка данных:

- систематизированы, обобщены и классифицированы причины отказов, дана им физическая трактовка, выявлены узлы и детали, имеющие минимальный уровень работоспособности;

- получены функциональные зависимости параметра потока отказов и вероятности безотказной работы от наработки, установлены границы приработоч-ного и стабилизированного режимов работы в пределах межремонтного эксплуатационного периода;

- разработаны критерии и прогностические модели, позволяющие производить сравнительное оценивание уровня ФН в приработочном и стабилизированном режимах, изменение параметра потока отказов и вероятности безотказной работы;

- создан комплекс мероприятий по обеспечению ФН при эксплуатации, базирующийся на методическом обеспечении контроля и учета ТС, концепции его восстановления и оценивании оптимального объема сменно-запасных частей, позволяющий практически реализовать переход от существующей системы централизованного планирования профилактических ремонтно-восстановителышх работ на систему ТО и ремонта по прогнозируемому ТС.

4. Научные и практические результаты выполненных исследований и предлагаемые рекомендации могут представить интерес для широкого круга специалистов эксплуатационного профиля, технологов, конструкторов, создающих новые образцы элементов обслуживающих систем ГД судовых ДЭУ.

Защищаемые положения и результаты диссертационной работы опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ

1 .Чебапое, B.C. Методический подход к оценке функциональной надежности элементов систем главного двигателя судовой дизельной энергетической установки // Известия ВУЗов Сев-Кавк. реп, техн. науки, 2008. - С.60-63 ( № 889 по перечню ВАК РФ 2008г.).

2. Чебанов, B.C. Функциональная надежность оборудования систем главного двигателя энергетических установок транспортных средств - фактор, определяющий эффективность их технической эксплуатации / Б.П.Башуров, А.Н.Скиба, B.C. Чебанов // Известия ВУЗов Сев-Кавк. per., техн. науки, 2008. -С.54-57 (№ 889 по перечню ВАК РФ 2008г.).

3. Чебанов, B.C. О выборе стратегии технического обслуживания элементов судовых систем / А.Н.Скиба, Б.П.Башуров, В.С.Чебанов, М.Г. Мурашко // Из-

вестия ВУЗов Сев-Кавк. per., техн. науки, 2008. - С.71-75 ( №889 по перечню ВАК РФ 2008г.).

4. Чебанов, B.C. Оценка функциональной надежности элементов топливной системы судовых дизелей в условиях эксплуатации/ Б.П.Башуров, B.C. Чебанов // Двигателестроение.- 2010.-№1 (239).- С. 34-36. ( № 719 по перечню ВАК РФ 2010г.).

5. Чебанов, B.C. Математические модели прогнозирования функциональной надежности элементов судовых дизелей при эксплуатации/ Б.П.Башуров, М.П.Середа, B.C. Чебанов // Двигателестроение,-2011.-№2- С. 42-44. (№ 719 по перечню ВАК РФ 2011г.).

Другие публикации:

6. Чебанов, B.C. Критерии оценки функциональной надежности элементов энергетических установок судовых транспортных средств / Б.П.Башуров, Г.А. Зеленков, B.C. Чебанов // Труды Института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН) «Динамика неоднородных систем»: Т.31(2), 2007-С.205-212.

7. Чебанов, B.C. К вопросу оценки функциональной надежности теплообмен-ных аппаратов систем энергетических установок на различных этапах «жизненного» цикла// Сборник статей III Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин». - Пенза, 2007. - С. 32-34.

8. Чебанов, B.C. О «жизненном» цикле оборудования систем энергетических установок и используемой терминологии при оценке его надежности/ Б.П. Ба-шуров, B.C. Чебанов // Сборник статей III Международной научно-технической конференции «Проблемы исследования и проектирования машин». - Пенза, 2007.-С. 38-40.

9. Чебанов, B.C. О методике экспертной оценки функциональной надежности элементов систем главного двигателя дизельной энергетической установки// Сб. научных трудов (вып. 12). - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2007. - С. 67-69.

10. Чебанов, B.C. К вопросу математического моделирования параметров работы судовых теплообменных аппаратов/ Б.П. Башуров, С.Г.Зеленков, B.C. Чебанов // Труды Института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН) «Динамика неоднородных систем»: Т.32(2), 2008. - С. 286-298.

11. Чебанов, B.C. Математические модели прогнозирования функциональной надежности элементов комплекса судовой дизель - системы/ Б.П. Башуров, Г.А. Зеленков, B.C. Чебанов // Труды Института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН) «Динамика неоднородных систем»: Т.39(1), 2008,-С.226-234.

12. Чебанов, B.C. Методы диагностирования, оценка технического состояния оборудования систем судовых дизелей при эксплуатации и средства мониторинга отказов/ B.C. Чебанов, Б.П. Башуров // Материалы 10-й Международной научно-практической конференции - СПб.: изд-во Политехи, ун-та, 2008. - С. 505513.

13. Чебанов, B.C. Анализ критерия качества по ошибкам в узлах интерполирования данных безотказной работы судовых теплообменных аппаратов с использованием полиномов и сплайнов/ С.Г.Зеленков, Г.А.Зеленков, В.С.Чебанов,

B.В. Шарик // Труды Института системного анализа Российской академии наук «Динамика неоднородных систем»: Т.39(1), 2008 - С.235 - 241.

14. Чебанов, B.C. Вероятностные модели безотказной работы судовых теплообменных аппаратов/ Г.А.Зеленков, B.C. Чебанов //Труды Института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН) «Динамика неоднородных систем»: Т.32(3), 2008,- С.332-339.

15. Чебанов, B.C. Математические модели прогнозирования безотказной работы насосов топливной и системы охлаждения судовых дизелей/ Б.П. Башуров, Г.А. Зеленков, B.C. Чебанов //Труды Института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН) «Динамика неоднородных систем»: Т.42(1), 2009.-

C.270-279.

16. Чебанов, B.C. Оценка функциональной надежности элементов систем охлаждения судовых дизелей на основе экспертно-статистических исследований /

B.C. Чебанов, Б.П. Башуров, В.В.Шарик, Е.С. Носенко //Сб. научных трудов (вып. 13). - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2009. - С. 107-110.

17. Чебанов, B.C. Математические модели прогнозирования функциональной надежности деталей цилиндро-поршневой группы судовых дизелей/

C.Г. Зеленков, М.П. Середа, Е.С. Носенко, B.C. Чебанов // Труды Института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН) «Динамика неоднородных систем»: Т.53(1), 2010.вып.14 - С.185-193.

18. Чебанов, B.C. Методы аппроксимации данных статистического эксперимента безотказной работы теплообменных аппаратов систем судовых дизелей/ С.Г. Зеленков, М.С. Лопатин, B.C. Чебанов, В.В. Шарик //Сб. Научных трудов (вып. 14). - Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010. - С. 9-12.

Формат 60x84 1/16. Тираж 100. Заказ 2206. Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» 353918, г. Новороссийск, пр. Ленина, 93

61 12-5/3536

МОРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ИМЕНИ АДМИРАЛА

Ф.Ф. УШАКОВА

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ КОМПЛЕКСА ГЛАВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ СУДОВОЙ ДИЗЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ НА ОСНОВЕ ОЦЕНИВАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛО-

Специальность: 05.08.05 - Судовые энергетические установки и их элементы

(главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Научный руководитель - доктор технических наук, профессор, Заслуженный

На правах рукописи

Чебанов Владимир Сергеевич

гий

деятель науки Кубани, Башуров Б.П.

Новороссийск - 2012

ОГЛАВЛЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ 3

ВВЕДЕНИЕ.................................................................................5

ГЛАВА 1

ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОСТИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ЭЛЕМЕНТОВ КОМПЛЕКСА ГЛАВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ - ОБСЛУЖИВАЮЩИЕ СИСТЕМЫ ДИЗЕЛЬНЫХ УСТАНОВОК, СУЩЕСТВУЮЩИЕ ПРОБЛЕМЫ В ОБЛАСТИ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ И МЕТОДЫ ЕЕ ОБЕСПЕЧЕНИЯ 13

1.1 Основные направления повышения эффективности технической эксплуатации...........................................................................................^

1.2 Анализ существующих проблем в области функциональной надежности.. 17

1.3 Методы обеспечения функциональной надежности на различных этапах

22

«жизненного» цикла....................................................................^

1.4 Системный подход при исследовании проблем повышения эффективности и

функциональной надежности.........................................................^

1.5 Основные направления повышения функциональной надежности.........29

1.6 Цель и постановка задачи исследования..........................................32

ГЛАВА 2

ОБЪЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ , МЕТОДИКА ОБРАБОТКИ СТАТИСТИЧЕСКОЙ ИНФОРМАЦИИ И ОЦЕНИВАНИЯ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ 35

2.1 Обоснование выбора объектов исследования................................. 35

2.2 Состав показателей функциональной надежности и их определяющие

38

факторы..................................................................................

2.3 Методика экспертного оценивания функциональной надежности..........43

47

2.4 Выводы по главе........................................................................

ГЛАВА 3

ОЦЕНИВАНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ТОПЛИВНОЙ, ВОЗДУШНОЙ И СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ НА ОСНОВЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРТНО - СТАТИСТИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ 48

3.1 Системный подход к оцениванию функциональной надёжности............48

3.2 Экспертное оценивание влияния функциональной надежности элементов

систем на эффективность эксплуатации главного двигателя с использованием

53

метода ранговой корреляции............................................................

3.3 Оценивание расходования ресурсного потенциала элементов систем при

эксплуатации с использованием энтропийного подхода...........................56

3.4 Показатели безотказной работы теплообменных аппаратов.................58

3.5 Показатели безотказной работы воздушных компрессоров..................64

3.6 Сравнительное оценивание безотказной работы элементов систем на основе обобщенной информации и критериев работоспособности.......................67

3.7 Математическая основа прогнозирования технического состояния элементов систем при эксплуатации и методика оценивания упреждающего допуска на

Н(\

контролируемые параметры.............................................................

3.8 Математические модели прогнозирования функциональной надёжности

80

элементов систем при эксплуатации....................................................ои

3.9 Математические модели прогнозирования функциональной надёжности

элементов главного двигателя при эксплуатации....................................94

100

3.10 Выводы по главе......................................................................

ГЛАВА 4

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ТОПЛИВНОЙ, ВОЗДУШНОЙ И СИСТЕМЫ ОХЛАЖДЕНИЯ ГЛАВНОГО ДВИГАТЕЛЯ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ 102

4.1 Информационное обеспечение системы управления функциональной

надежностью................................................................................^

4.2 Обоснование выбора стратегии технического обслуживания...............109

4.3 Диагностический контроль технического состояния и нормативная база диа-

121

гностических показателей...............................................................

4.4 Концепция восстановления технического состояния.........................125

4.5 Оценивание оптимального объема сменно-запасных частей с использовани-

132

ем модели восстановления...............................................................

4.6 Основные направления по обеспечению функциональной надежности... 137

144

4.7 Выводы по главе.......................................................................

ЗАКЛЮЧЕНИЕ...........................................................................146

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 148 СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ АВТОРА ПО РАЗДЕЛАМ ДИССЕРТАЦИИ................................................................................159

ПРИЛОЖЕНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ СОКРАЩЕНИЙ

СДЭУ - судовые дизельные энергетические установки

ТЭ - техническая эксплуатация

ТО - техническое обслуживание

ТИ - техническое использование

ГД - главный двигатель

МОД - малооборотный двигатель

СОД - среднеоборотный двигатель

ФН - функциональная надежность

ТС - техническое состояние

ДП - диагностические показатели

ОС - оборудование систем

ВЭ - вторичные энергоресурсы

УГ - уходящие газы

ТА - теплообменные аппараты

УТГ- утилизационный турбогенератор

ХТ - ходовая турбина

УК - утилизационный котел

ТРС - транспортные средства

МУФН- механизм управления функциональной надежностью

ТК - турбокомпрессор

ТД - техническое диагностирование

ДМ - диагностическая модель

ЖЦ - «жизненный» цикл

СЗЧ- сменно- запасные части

МЭП - межремонтный эксплуатационный период

ГТН- газотурбонагнетатель

ТУК - теплоутилизационный контур

ДГ - дизельгенераторы

КС ДОС - комплекс судовой дизель - обслуживающие системы

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы исследования. Рентабельность работы главного элемента судовой транспортной системы (водного транспорта) в значительной степени зависит от научно - обоснованной и рациональной системы технической эксплуатации (ТЭ) судовых дизельных энергетических установок (СДЭУ), которая во многом определяет эффективность использования топлив-но - энергетических ресурсов, уровень безопасности плавания и экологические последствия перевозок. Об этом свидетельствуют следующие данные: затраты на ТЭ СДЭУ достигают более 60% общих затрат по судну; стоимость расходуемого топлива составляет более 50% себестоимости перевозок; расходы на ремонт и техническое обслуживание (ТО) находятся в пределах 50% суммарного объема вложений в строительство новых судов; расходы на топливо (по ценам мирового рынка) достигают 60% эксплуатационных затрат по судну, а на осуществление контроля и ремонта до 80% от общих затрат. Определяющая роль в этом направлении принадлежит комплексу: судовой дизель - обслуживающие системы (КСДОС), в частности функциональной надежности (ФН) его элементов.

В настоящее время в СДЭУ в качестве главного двигателя (ГД) преимущественно используется два конструктивных типа: малооборотные двигатели (МОД); среднеоборотные (СОД). Характерная особенность современных МОД заключается в их способности работать на дешевых низкокачественных моторных сортах топлив с содержанием серы до 3.5 %.В таком случае (при условии использования высококачественных цилиндровых масел) представляется возможность обеспечить максимальный ресурс и высокий уровень их ФН. Однако следует отметить, что повышение эффективности ТЭ КСДОС в значительной степени обусловлено решением методологических, теоретических и практических задач обеспечения необходимого уровня ФН, исходя из жестких требований, предъявляемых к безопасности плавания ТРС (морские, речные, суда ре-море и суда специального назначения) и экологической безопасности окружающей среды (воздушный и водный бассейны). Основу решения теоретических

и

практических задач ФН КСДОС составляют: разработка методики сбора информации по отказам, ее систематизации, обобщения и обработки; проведение стендовых и натурных испытаний; оценка количественных показателей; разработка методологии экспертно - статистических исследований; выбор рациональной стратегии технического обслуживания (ТО) и обоснования норм расхода запасных частей; установление экономически целесообразного уровня ФН с учетом конструктивных особенностей и условий ТЭ; разработка математических моделей функционирования, диагностирования технического состояния (ТС) и прогнозирования безотказной работы при ТЭ; оценивания ТС; разработка допустимых норм диагностических показателей (ДП) и установление периодичности их контроля в процессе ТЭ.

Несмотря на значительное количество работ, посвященных изучению вопросов надежности, проведение исследований в этой области применительно к КСДОС и его элементов по - прежнему актуально и имеет практическую значимость. Это обусловлено большими материальными затратами, связанными с их отказами, значительным снижением экономической эффективности ТРС в целом и моральной стороной проблемы надежности, так как ненадежная работа КСДОС может служить причиной неудобств для экипажа и пассажиров или нарушения нормальных условий перевозки грузов.

Основным элементом СДЭУ, в значительной степени определяющим энергетическую безопасность ТРС, экологическую безопасность окружающей воздушной среды и водного пространства, является КСДОС, при этом существенное значение имеет их уровень ФН. Из опыта ТЭ следует, что более 80% аварийных ситуаций, например, на море обусловлены субъективными причинами, связанными с человеческим фактором, а одной из основных является отказ в работе КСДОС . Соотношение отказов ГД и элементов обслуживающих систем в количественном соотношении примерно равное.

С точки зрения структуризации КСДОС представляет собой сложную многоуровневую систему, включающую большое количество элементов, выполняющих различные функции. Поэтому произвести его полное описание практиче-

ски не представляется возможным. Решение задачи в такой постановке может быть осуществлено с использованием теории иерархических многоуровневых систем (иерархического подхода). При этом система задается в виде множества модулей, отражающих функционирование ее с точки зрения различных уровней абстрагирования (использование моделей стратифицированной системы). Применительно к КСДОС страты могут быть классифицированы как по «вертикали» (система - агрегат - механизм - узел - деталь), так и по «горизонтали» (в зависимости от ответственности выполняемых элементами функций). Во втором случае необходимо рассматривать три категории ответственности, обеспечивающие безопасность плавания ТРС и сохранность человеческой жизни; выполнение системой основных и вспомогательных функций в составе СДЭУ.

Для оценивания показателей ФН рекомендуется использовать два способа: по результатам проведения специальных испытаний; при работе в реальных условиях. Однако второй способ ( с точки зрения затратной технологии) является более предпочтительным, так как в этом случае для получения отказной информации нет необходимости имитировать реальные эксплуатационные условия.

Проблема обеспечения безопасности ТЭ обслуживаемых объектов (применительно к сегодняшним условиям) обусловлена еще и тем, что элементы КСДОС несмотря на пополнение водного транспорта новыми судами в этой системе по-прежнему имеется значительное количество судов с большими эксплуатационными сроками, а поэтому элементы КСДОС работают на сверхнормативной стадии и в связи с этим морально и физически изношены. В такой ситуации первостепенное значение приобретает техническое диагностирование (ТД), которое может рассматриваться с позиций основного элемента экспертизы состояния ФН.

Существенное влияние на безопасность ТРС, условия обитания и работы на борту оказывает один из элементов МУФН - это технология и техника ТО. Важным экономическим показателем является стоимость проводимого ТО. В настоящее время обострение проблемы ТО обусловлено растущей сложностью

элементов КСДОС. Предпосылками его совершенствования являются: повышение работоспособности отдельных агрегатов и их узлов с одновременным улучшением ее количественных показателей, составляющие основу планирования ТО; выбор способа ТЭ элементов КСДОС, определяющего время их безотказной работы и наиболее экономичные режимы работы; своевременное выявление повреждений, возникающих в узлах и деталях способами безразборного контроля, способствующие значительному снижению затрат на монтажные и демонтажные работы; количественный анализ отказов, являющийся средством

планирования ТО и уменьшения затрат на ТЭ.

Одним из возможных путей решения возникающих проблем в процессе ТЭ элементов КС ДО С является переход от существующей затратной системы централизованного планирования проведения профилактических ремонтно-восстановительных работ на перспективную (с точки зрения снижения эксплуатационных расходов) систему ТО и ремонта по фактическому ТС, что (по данным ЦНИИМФ) позволяет получить экономию материальных средств до 30 %. Практическая реализация такой системы может быть осуществлена только при наличии фактологической информации по ФН. Концепция оценивания ФН состоит в получении результатов путем проведения экспертно-статистических исследований, натурных испытаний, разработки нормативной базы диагностических показателей (ДП) и их текущего контроля, создание прогностических моделей безотказной работы, в совокупности составляющих информационно-статистической базы данных, являющийся основой МУФН. Решение этих вопросов применительно к конкретным элементам КСДОС дает возможность существенно повысить эффективность их ТЭ. В этом и заключается сущность

диссертационной работы.

Объект исследования - элементы комплекса: судовой дизель - обслуживающие системы (топливная, воздушная, охлаждения).

Предмет исследования - функциональная надежность элементов обслуживающих систем (насосы, компрессоры, теплообменные аппараты) и механизм

по ее управлению.

Цель диссертационной работы - увеличение рентабельности работы судовых транспортных средств на основе повышения эффективности эксплуатации комплекса: главный двигатель - обслуживающие системы дизельной установки путем оценивания функциональной надежности элементов и разработки механизма по ее управлению.

В соответствии с объектом, предметом, существующей проблемой и целью исследования поставлены следующие задачи:

- провести анализ сложившихся проблем в области технической эксплуатации комплекса и наметить основные пути повышения его эффективности;

- обобщить существующие проблемы в области функциональной надежности и определить основные направления по ее исследованию на основе системного

подхода;

- систематизировать методы обеспечения функциональной надежности на различных этапах «жизненного» цикла;

- обосновать выбор объектов исследования, разработать методику обработки статистической информации и оценивания их функциональной надежности;

- провести статистические исследования функциональной надежности элементов обслуживающих систем с использованием метода экспертных оценок и фактологической информации;

- разработать математические модели прогнозирования безотказной работы элементов систем в их основном эксплуатационном периоде и произвести оценивание расходования их ресурсного потенциала на основе энтропийного подхода;

- создать нормативную базу диагностических показателей для оценивания текущего состояния элементов систем в эксплуатационных условиях;

- провести анализ стратегий технического обслуживания и ремонта элементов систем на основе существующих моделей и обосновать перевод их на систему обслуживания по фактическому состоянию;

- разработать комплекс мероприятий по обеспечению функциональной надежности элементов систем в процессе их эксплуатации на основе контроля техни-

ческого состояния» концепции его восстановления и определения оптимального объема сменно-запасных частей;

- разработать структуру механизма по управлению функциональной надежностью и произвести его формирование на основе информационно-статистического банка данных.

Методы исследования основываются на: экспертной оценке функциональной надежности элементов систем с использованием информации в виде аргументированных мнений специалистов различного квалификационного уровня, ее формализацией, обработкой, анализом и интерпретацией; использовании общего закона надежности технического изделия, принципов системного анализа, математической статистики и моделирования, ресурсного потенциала, регрессионных функций и корреляционного анализа.

Научная новизна результатов выполненных исследований заключается в разработке механизма по управлению функциональной надежностью элементов комплекса: судовой дизель - обслуживающие системы , базирующегося на информационно-стат�