автореферат диссертации по электротехнике, 05.09.03, диссертация на тему:Разработка способов и средств диагностирования резервных дизель-электрических станций электротехнических систем

Введение

СОДЕРЖАНИЕ

1 Анализ систем современного диагностирования дизельных двигателей автономных источников энергии.

1.1 Основные аспекты технической диагностики двигателей дизель-электрических станций электротехнических систем.

1.2 Анализ известных методов и средств контроля и диагностирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания.

1.3 Исследование диагностируемых систем и выбор диагностических параметров двигателя.

1.4 Тенденции развития методов и средств диагностирования двигателей внутреннего сгорания по параметрам элементов системы смазки.

1.5 Выводы.

2 Разработка и исследование математической моделей системы смазки.

2.1 Построение математических моделей отдельных элементов системы смазки.

2.2. Построение математической модели всей системы смазки.

2.3 Влияние условия эксплуатации на параметры маслянных очистителей.

2.4 Выводы.

3 Экспериментальные и теоретические исследования частотных характеристик очистителей масла дизель-электрических станций электротехнических систем

3.1 Исследование частотных характеристик очистителей на испытательном стенде.

3 2 Исследование частотных характеристик фильтров на экспериментальной установке.

3.3 Определение наиболее эффективного режима работы маслянного фильтра по параметрам частотных характеристик.

3 4 Определение адекватности теоретических моделей.

3 5 Выводы.

4 Определение технического состояния двигателей дэс по параметрам элементов систем смазки.

4.1 Способы и средства диагностирования технического состояния двигателя.

4.2 Методика оценки технического состояния двигателя ДЭС.

4.3 Эффективность применения разработанных средств диагностирования двигателей ДЭС.

4.4 Выводы.

В настоящее время основными автономными и резервными источниками электрической энергии различных электротехнических комплексов являются дизельные электрические станции.

Техническое обслуживание ДЭС может проводиться как планово, так и по фактическому техническому состоянию. Как показывает опыт работы, система технического обслуживания по фиксированному ресурсу не обеспечивает высокой надежности и минимальных затрат. Невысокое качество горючесмазочных материалов, низкая культура обслуживающего персонала и множество других причин приводят к внезапным отказам и преждевременному выходу из строя первичного преобразователя энергии - дизеля. Однако при благоприятных условиях эксплуатации ДЭС реальный ресурс может значительно превосходить фиксированный, предусмотренный плановым техническим обслуживанием.

Более экономичным является метод технического обслуживания по фактическому состоянию, для этого необходима разработка методов прогнозирования технического состояния агрегатов.

В зависимости от условий работы изменяются основные технико-экономические показатели функционирования агрегатов. Истинное техническое состояние устанавливается только при индивидуальном обследовании (контроль, диагностирование, прогнозирование) каждого агрегата. При этом может быть учтено влияние всего многообразия факторов, от которых зависит техническое состояние ДЭС.

Поэтому, одним из эффективных путей повышения технической надежности электрических станций является внедрение в практику их эксплуатации эффективных способов и средств контроля и диагностирования технического состояния дизелей с оценкой остаточного ресурса. Это даст возможность определять заблаговременно вид, место, причину возникновения неисправности и принять своевременные меры по ее устранению. Использование технических средств функционального диагностирования позволит перейти к обслуживанию станций по фактическому техническому состоянию дизеля, что значительно повысит их надежность в целом.

В связи с этим, разработка и внедрение способов и средств диагностирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания по параметрам наиболее информативной системы двигателя - системы смазки - представляется актуальной задачей.

В связи с изложенным тема диссертации, посвященная разработке способов и средств контроля и диагностирования технического состояния двигателей ДЭС, представляется актуальной.

Целью работы является повышение точности диагностирования двигателей ДЭС за счет обеспечения объективной оценки фактического технического состояния двигателей ДЭС с помощью способов и средств функциональной диагностики по параметрам элементов системы смазки.

При этом основными задачами исследования являются следующие: выбор диагностируемых систем и диагностических параметров на основе исследования физических процессов происходящих в двигателе; разработка математических моделей очистителей масла системы смазки как объектов несущих информацию о техническом состоянии узлов и механизмов двигателя;

- разработка методики определения технического состояния двигателя по параметрам очистителей масла;

- разработка способов и средств диагностирования технического состояния двигателя по частотным характеристикам маслоочистителей и физико-химическим параметрам масла.

Научная новизна результатов исследования заключается в том, что: предложена методика получения математического описания отдельных элементов системы смазки; разработаны математические модели агрегатов очистки масла различных конструкций; определена зависимость между степенью загрязнения и динамическими составляющими гидравлического сопротивления фильтра, на основе которой разработан ряд способов контроля и диагностирования технического состояния отдельных элементов системы смазки и двигателя в целом;

- разработана методика определения технического состояния двигателя по параметрам очистителей масла.

Научная и практическая значимость результатов исследования состоит в том, что: предложена методика проведения эксперимента на испытательном стенде, позволяющем определять амплитудные частотные характеристики (АЧХ) и фазовые частотные характеристики (ФЧХ) отдельных элементов систем смазки; создана экспериментальная установка на базе двигателя К-770, noJ зволяющая определять АЧХ и ФЧХ полнопоточного масляного фильтра с моделированием реальных условий эксплуатации; обоснована методика определения дисперсного состава загрязняющих примесей на фильтрующей перегородке; разработаны способы и средства диагностирования технического состояния элементов системы смазки и двигателя в целом, по которым получено положительное решение на выдачу патента по заявке №200313 8200/06(041227).

Основные научные результаты, выносимые на защиту: математические модели системы смазки и ее элементов, учитывающих нестационарные явления в гидравлических магистралях и взаимосвязь процесса накопления продуктов загрязнения масла на фильтроэлементе (ФЭ) и технического состояния двигателя ДЭС; методика определения технического состояния двигателя по параметрам АЧХ и ФЧХ маслоочистителей; способы и средства диагностирования технического состояния двигателей ДЭС по параметрам систем смазки.

Результаты диссертационной работы реализованы и используются в ДОАО Электрогаз ОАО Газпром, в учебном процессе и научно-исследовательской работе КубГТУ

Основные научные результаты докладывались на 2-й межвузовской научной конференции (Краснодар, КубГТУ, 2003),третей межвузовской научной конференции (Краснодар, КВАИ, 2004), четвертой южнороссийской научной конференции (Краснодар, КВВАУЛ, 2005), научно-технических семинарах кафедры информатики КубГТУ.

Основное содержание и результаты работы изложены в 5 тезисах к докладам, 5 статьях, и 1 описании к изобретению.

Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений, список использованной литературы включает 70 наименований.

В первом разделе изложены основные аспекты контроля и прогнозирования времени безотказной работы дизельных двигателей, применяемых в качестве приводных в автономных дизельных электростанциях, приведены результаты анализа исследований по разработке способов и средств оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Проведено исследование диагностируемых систем и диагностических параметров на информативность, сделан вывод о целесообразности использования параметров частотных характеристик очистителей масла в качестве основных для оценки технического состояния двигателей ДЭС.

Второй раздел посвящен разработке и исследованию математических моделей очистителей масла различных типов и конструкций как объектов несущих информацию о техническом состоянии двигателя. Предложена обобщенная модель системы смазки двигателя. Обоснована зависимость между дисперсным составом продуктов загрязнения масла и динамическими составляющими гидравлического сопротивления очистителя, определен диапазон наиболее эффективной работы масляного фильтра.

В третьем разделе проведены экспериментальные и теоретические исследования частотных характеристик очистителей масла при помощи разработанных испытательного стенда и экспериментальной установки. Изложена методика проведения исследований и получены эталонные амплитудные и фазовые частотные характеристики элементов очистки соответствующие различным эксплуатационным режимам работы дизельного двигателя.

Четвертый раздел посвящен разработке способов и средств диагностирования технического состояния двигателя, учитывающих динамические характеристики элементов его системы смазки и физико-химические свойства масла. Предложена методика определения технического состояния и проведена оценка эффективности разработанных технических средств диагностирования двигателей ДЭС.

В заключении обобщены выносимые на защиту теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, даны рекомендации по дальнейшему развитию научных исследований в данной области.

В приложении приведены материалы, послужившие исходными данными для получения математических моделей элементов системы смазки и программные продукты, реализующие алгоритм диагностирования двигателя.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность за помощь и ряд ценных указаний при проведении исследований и написании диссертационной работы научному руководителю Шевцову Юрию Дмитриевичу, а также всему коллективу кафедры Информатика и кафедры Машиностроения и автомобильный транспорт Кубанского государственного технологического университета.

4.4 ВЫВОДЫ

4.4.1 Разработаны способы и средства диагностирования технического состояния дизельного двигателя, основанные на определении величины и скорости отклонения на резонансных частотах АЧХ и ФЧХ очистителей масла, а также динамики изменения физико-химических свойств масла.

4.4.2 Предложена методика оценки технического состояния двигателя, включающая в себя последовательность операций по определению параметров частотных характеристик очистителей, сравнению их с допустимыми пределами и уточнению диагностической информации путем использования данных о количественном и качественном составе загрязняющих примесей в масле.

4.4.3 . Разработаны алгоритм и устройство диагностирования двигателя, реализующие предложенные способы, новизна которых подтверждена положительными решениями по заявкам на предполагаемые изобретения.

4.4.4 Применение предложенных способов и средств диагностирования двигателей ДЭС, позволяющих перейти к техническому обслуживанию по фактическому техническому состоянию агрегатов, обеспечит повышение коэффициента технической готовности СЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Диссертационная работа посвящена повышению технической готовности систем электроснабжения за счет обеспечения объективной оценки фактического технического состояния двигателей ДЭС путем использования способов и средств функционального диагностирования по параметрам элементов системы смазки.

Основные научные и практические результаты проведенных исследований.

1) В результате анализа существующих способов диагностирования и исследования диагностических параметров различных систем двигателя определена наиболее информативная система двигателя - система смазки и параметры ее элементов, несущие информацию о состоянии узлов и механизмов двигателя:

- гидравлическое сопротивление масляного фильтра и динамика его изменения в зависимости от количественного и качественного состава отложений на фильтрующей перегородке;

- уровень, состав и кинетика поступления загрязнений в смазочное масло.

2) Разработана методика получения математического описания отдельных элементов очистки масла, использующая экспериментальный метод определения вида передаточной функции последовательно соединенных групп динамических звеньев, методы синтеза и анализа пневмогидравлических цепей по аналогии с электрическими.

3) Получены математические модели сетчатого масляного фильтра и реактивной масляной центрифуги, учитывающие их конструктивные и эксплуатационные особенности, а также изменение в техническом состоянии двигателя ДЭС. Такие модели включают в себя гидравлические, электрические схемы замещения и системные передаточные функции очистителей.

4) Определена и исследована зависимость между степенью загрязнения и динамическими составляющими гидравлического сопротивления фильтра, которая положена в основу разработки способов и средств диагностирования технического состояния дизельного двигателя.

5) Определено, что в качестве диагностических параметров двигателя необходимо использовать параметры частотных характеристик очистителей масла: величину и скорость отклонения АЧХ на резонансных частотах и величину изменения резонансных частот по ФЧХ, которые характеризуют количественный и качественный состав загрязнений, поступающих в масло и осаждающихся на очистителе.

6) С целью уточнения достоверности информации по диагностическим параметрам в реальных условиях эксплуатации, получения эталонных значений указанных параметров и определения адекватности теоретических моделей предложена методика экспериментальных исследований с использованием разработанных испытательного стенда и экспериментальной установки.

Экспериментальные исследования на испытательном стенде позволили определить амплитудные и фазовые частотные характеристики очистителей масла и моделировать возникновение возможных неисправностей в двигателе.

Исследования проведенные на экспериментальной установки позволили оценить степень влияния эксплуатационных и внешних факторов на точность процесса диагностирования ДВС по параметрам АЧХ и ФЧХ масляного фильтра.

7) Достоверность результатов полученных при исследовании математической модели масляного фильтра проверялась путем сопоставления по критерию Фишера с результатами полученными в ходе экспериментальных исследований. Обработка данных показала, что разработанная модель адекватна и с доверительной вероятностью 95% хорошо описывает исследуемый процесс.

8) Разработаны способы и средства диагностирования технического состояния двигателей ДЭС основанные на определении параметров частотных характеристик очистителей и физико-химических свойств масла.

9) Предложена методика оценки технического состояния двигателя, включающая в себя последовательность операций по определению параметров частотных характеристик очистителей, сравнению их с допустимыми пределами и уточнению диагностической информации путем использования данных о количественном и качественном составе загрязняющих примесей в масле.

10) Установлено, что применение предложенных средств диагностирования двигателей ДЭС, позволяющих перейти к техническому обслуживанию по фактическому техническому состоянию агрегатов, позволит обеспечить повышение коэффициента технической готовности СЭС.

1. Александров A.M., Быстрое А.И., Гаврилюк И.И. и др. Прогнозирование ресурса судовых ДВС по результатам ускоренных испытаний. Двигате-лестроение, № 10, 1985, с. 45-50.

2. Автоматизация поиска неисправностей агрегатов автомобиля. Автомобильный транспорт. № 1, 1997, с 21-23.

3. Атрощенко В.А., Лысенко М.П., Орлов А.В., Петрушкин В.Ф. Резервное и гарантированное электроснабжение (Проблемы, методы и технические средства). Краснодар: изд-во «Флер», 1998. 120 с.

4. Беляев Н.М., Уваров Е.И., Степанчук Ю.М. Пневмогидравлические сис-^ темы: Расчёт и проектирование. М.: Высшая школа, 1988. - 270 с.

5. Бессонов Л.А. Теоретические основы электротехники: Электрические цепи: Учебник. 10-е изд. - М.: Гардарики, 1999. - 637 с.

6. Бердников В.В. Прикладная теория гидравлических цепей. М.: Машиностроение, 1977. -192 с.

7. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978.-240с.

8. Болдин А.П., Мирошников Л. Спектральный анализ масла для диагностики двигателя. Автомобильный транспорт, № 5, 1968, с. 22-24.

9. Борисенко А.Н., Заславский Е.Г., Соболь В.Н. и др. Бортовая система диагностирования тепловозного дизеля. М.: Двигателестроение, № 6, 1985, с. 37-38.

10. Васильев Б.В. Диагностика судовых дизелей на речном флоте. М.: Двигателестроение, № 3, 1986, с.28-29.

11. Венцель С.В. Применение смазочных масел в двигателе внутреннего сгорания. М.: Химия, 1979. 240 с.

12. Гийон М.В. Исследование и расчет гидравлических схем. М.: Машиностроение, 1964. - 388 с.

13. Гликман Б.Ф. Нестационарные течения в пневмогидравлических цепях. -М.: Машиностроение, 1979. 256 с.

14. Гликман Б.Ф. Математические модели пневмогидравлических систем. -М.: Наука. Гл. Ред. физ.-мат.литЛ 986.-386 с.

15. Гликман Б.Ф. Автоматическое регулирование жидкостных ракетныхдвигателей. М.: Машиностроение, 1974.-396 с.

16. ГОСТ 18509-80 Дизели тракторные и комбайновые. Методы стендовых испытаний. М.: Стандарт, 1980. - 12 с.

17. Григорьев М.А., Бунаков Б.М., Долецкий В.А. и др. Качество моторного масла и надёжность двигателей. М.: Издательство стандартов, 1981.щ 232 с.

18. Григорьев М.А. Обеспечение надежности двигателей. М.: Издательство стандартов. 1978. 186 с.

19. Григорьев М.А. Очистка масел двигателей внутреннего сгорания. М.:

20. Машиностроение, 1983 148 с.

21. Григорьев М.А., Понаморев Н.Н. Износ и долговечность автомобильных двигателей. М.: Машиностроение, 1976.- 248 с.

22. Григорьев М.А., Волков В.И. Искусственный загрязнитель для испытаний устройств очистки моторного масла. АС №93031186, Опубл. в Б.И.36,1995 г.

23. Грушко И.М., Сиденко В.М. Основы научных исследований. 3 изд. пе-рераб. и доп. - Харьков: Вища школа. Изд-во при Харьковском университете, 1983.-224 с.

24. Давтян Р.И., Подгаецкий В.М., Зицер И.М., Рудаков Н.И. Оценка ресурса дизелей по комплексному показателю. Двигателестроение, № 7, 1983, с. 42-44.

25. Ждановский Н.С., Николаенко А.В. Надёжность и долговечность автотракторных двигателей.- Л.:Колос, 1974.-224 с.

26. Жужиков В.А. Фильтрование: Теория и практика разделения суспензий. 4-е изд., перераб. и доп. - М.: Химия, 1980. - 400 с.

27. Зарин А.А., Логинов В.Е., Отман З.С. Диагностирование и регулирование топливной аппаратуры авиадвигателей. М.: Транспорт, 1989. -78 с.

28. Идельчик И.Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. М.: Машиностроение, 1975. -128 с.

29. Итинская Н.И., Кузнецов Н.А. Справочник по топливу, маслам и техническим жидкостям. -М.:Агропромиздат,1989.- 208 с.

30. Карагезов С.Х., Эфрос В.В., Голованов Ю.К. Исследование влияния расхода масла на угар и износ деталей. М.: Тракторы и сельхозмашины, 1973, №7, с. 16-18.

31. Келлер P.M. Диагностика технического состояния двигателя. М.: Машиностроение, 1973. 123 с.

32. Кича Г.П., Солив В.А., Солодов Д.В. Анализ и уточнение теоретических методов расчёта процессов загрязнений масла в двигателях внутреннего сгорания. Труды ЦНИДИ. Вып. 62 Л.: 1970. -169 с.

33. Кича Г.П. Некоторые закономерности процесса загрязнения циркуляционного судового дизеля. Труды ДВВИМУ, вып. 5. М.: Владивосток, 1969, с. 60-63.

34. Клюев В.В., Пархоменко П.П., Абрамчук В.Е. и др. Техничнские средства диагностирования: Справочник. М.: Машиностроение, 1989. -672с.

35. Козицкий В.М., Лысенко М.П., Шевцов Ю.Д. Способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания. АС (СССР) №1814044. Опубл. в Б.И., №17, 1989.

36. Коллакот Р.А. Диагностирование механического оборудования. Л.: Судостроение, 1980. 296 с.

37. Колчин А.В., Бобков Ю.К. Новые средства и методы диагностированияавтотракторных двигателей. М.: Колос, 1982. 110 с.

38. Колчина П.Я. Гидродинамика и теория фильтрации. М.: Наука, 1991.351с.

39. Кононов Б.Т., Сергеев К.Г., Шевцов Ю.Д. и др. Способ оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания. АС (СССР) №9660712. Опубл. в Б.И., № 38, 1982.

40. Кононов Б.Т., Сергеев К.Г., Шевцов Ю.Д. и др. Способ оценки технического состояния системы смазки двигателя внутреннего сгорания. АС (СССР) №1260712. Опубл. в Б.И., № 36, 1986.

41. Кононов Б.Т., Сергеев К.Г., Шевцов Ю.Д. и др. Способ оценки технического состояния системы смазки двигателя внутреннего сгорания. АС (СССР) №896466. Опубл. в Б.И., № 1, 1982.

42. Константинов В.Д., Куликов Г.А. Средства контроля технического состояния авиационного оборудования. М.: МИИГА, 1987. - 96 с. Коробочкин Б.Л. Динамика гидравлических систем станков. М.: Машиностроение, 1978. - 331 с.

43. Лихачёв В.Я., Васин А.С., Гликман Б.Ф. Техническая диагностика пневмогидравлических систем ЖРД. М.: Машиностроение, 1983 - 204 с.

44. Макаров И.В., Менский Б.М. Линейные автоматические системы. Учебное пособие для ВУЗов.- М.: Машиностроение, 1977.- 464 с.

45. Малышенко Ю.В., Раздобреев А.Х. Методы сокращения объёма диагно-* стической информации, используемой для поиска неисправностей. Автоматика и телемеханика, № 4, 1977, с. 160-164.

46. Мирошников Л.Д. Диагностика технического состояния автомобилей. -М.: Высшая школа, 1976,408 с.

47. Михлин В.М. Прогнозирование технического состояния машин. М.: Колос, 1986.-288 с.

48. Могендович Е.М. Гидравлические импульсные системы. Л.: Машиностроение. Ленинград, отд-ние, 1977. - 216 с.

49. Морозов Т.А., Арцимонов Д.М. Очистка масла в дизелях. М.: Машиностроение, 1971. - 203 с.

50. Мясников Ю.Н., Павлов А.А. Техническое диагностирование применительно к судовым дизельным установкам. Двигателестроение, № 1,1. Ф 1984, с. 41-43.

51. Никитин Е.А., Станиславский Л.В. и др. Диагностирование дизелей. -М.: Машиностроение, 1987. 224 с.

52. Орлин А.С. Двигатели внутреннего сгорания. Теория рабочих процессовпоршневых и комбинированных двигателей. М.: Машиностроение, 1971.-400 с.

53. Попов Д.Н. Динамика и регулирование гидро- и пневмосистем. Учебник для ВУЗов-2-е изд., перераб. и доп. М: Машиностроение, 1987. - 464 с.

54. Петров А.С. К вопросу о минимизации количества показателей техниче-^ ского состояния элементов двигателя. Труды ЦНИДИ, вып. 66, 1974.

55. И) 59. Пивоваров В.А. Диагностика летательных аппаратов и авиадвигателей. Учебное пособие. М.: МГТУ. 1995. - 186 с.

56. Полухин Д.А., Орещенко В.М., Морозов В.А. Отработка пневмогидро-систем двигательных установок ракет-носителей и космических аппаратов с ЖРД. М.: Машиностроение, 1987. - 248 с.

57. Семёнов В.Я., Курганский П.М., Кузьмин В.И. и др. Автоматизированные смазочные системы и устройства. М.: Машиностроение, 1982.197 с.

58. Сидоров В.Н. Методика выбора диагностических параметров по критерию информативности. Труды МАДИ, 1979, № 175, с. 125-127.

59. Сорокин Н.Н. Кинетика накопления механических примесей в смазочном масле. Труды Новосибирского института инженеров водного транспорта. 1973, с. 84-87.

60. Станиславский JI.B. Техническое диагностирование дизелей. К.: Вищашкола, 1983.-98 с.

61. Таршиш М.С. Контроль гидравлических сопротивлений. М.: Машиностроение, 1966. - 156 с.

62. Тензометрия в машиностроении./ Под ред. Р.А.Макарова. М.: Машиностроение, 1975. - 288 с.

63. Техническая диагностика гидравлических приводов./ Под ред. Башты Т.М. М.: Машиностроение, 1989. 262 с.

64. Федяков Е.М. Колтанов В.К., Богдатьев Е.Е. Измерение переменныхдавлений. М.: изд. стандартов, 1982.- 216 с.

65. Харазов A.M., Цвид С.Ф. Методы оптимизации в технической диагностике машин. М.: Машиностроение, 1983. - 132 с.

66. Шевцов Ю.Д. Диссертация на соискание учёной степени к.т.н. инв. № 7903. МО СССР, 1988. - 323 с.

67. Шевцов Ю.Д., Богданов В.В., Василенко Н.В. Выбор диагностических параметров двигателя. Межвузовский сборник научных трудов. Выпуск 9./ Краснодарское высшее военное авиационное училище летчиков. -Краснодар: КВВАУЛ, 2005. с. 189-193.

68. Ямпольский В.И., Белоконь Н.И., Пилипосян Б.Н. Контроль и диагностирование гражданской авиационной техники. М.: Транспорт, 1990. -181 с.