автореферат диссертации по транспорту, 05.22.07, диссертация на тему:Совершенствование технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей

На правах рукописи

БАЛАГИН Дмитрий Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.22.07 - «Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

г 7 и:сн ^

005062279

ОМСК 2013

005062279

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))».

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор 1 ВОЛОДИН Александр Иванович. [

Научный консультант:

доктор технических наук, профессор ЧЕТВЕРГОВ Виталий Алексеевич.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор АВИЛОВ Валерий Дмитриевич —

профессор кафедры «Электрические машины и общая электротехника», ОмГУПС;

кандидат технических наук, профессор МАКУШЕВ Юрий Петрович -

доцент кафедры «Тепловые двигатели и автотракторное электрооборудование» Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии.

Ведущая организация:

федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет путей сообщения (СамГУПС)».

Защита диссертации состоится 27 июня 2013 г. в 12 часов на заседании диссертационного совета Д 218.007.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный университет путей сообщения (ОмГУПС (ОмИИТ))» по адресу: 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35, ауд. 219.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан 25 мая 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные гербовой печатью учреждения, просим направлять в адрес диссертационного совета Д 218.007.01.

Тел./факс: (3812) 31-13-44; e-mail: nauka@omgups.ru

Ученый секретарь

диссертационного совета

доктор технических наук,

профессор

(Q Омский гос. университет путей сообщения, 2013

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Согласно целевой программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации № 877-р от 17 июня 2008 г., одним из восьми основных направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» является повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических

средств.

Решение этой проблемы может быть обеспечено комплексными мероприятиями, включающими в себя широкий круг вопросов, связанных с обеспечением устойчивой работы тепловозов и их систем. Эксплуатация тепловозов во многом зависит от надежности и эффективности работы топливной аппаратуры высокого давления (ТА), которая определяется качеством технического обслуживания и ремонта. Количество отказов тепловозов по сети железных дорог по причине выхода из строя дизельной установки достигают 41% от общего числа отказов основных узлов тепловозов, в том числе 12 - 13 % от общего числа отказов по дизелю тепловоза по причине выхода из строя топливной аппаратуры. Подобное состояние тепловозного парка и топливной аппаратуры тепловозных дизелей обусловливается ненадлежащим качеством текущих ремонтов и неэффективным диагностированием, что свидетельствует о недостаточной степени

разработанности исследуемой темы.

Увеличение эксплуатационного ресурса топливной аппаратуры тепловозов может быть достигнуто в результате внедрения

- методов безразборного и бесконтактного диагностирования и своевременного выявления неисправностей ТА;

- автоматизации технологических процессов технического обслуживания

и ремонта, контроля качества ремонта.

Поэтому разработка технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей является важной составляющей технических мероприятий, направленных на повышение эффективности эксплуатации тепловозов.

Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей для повышения эксплуатационной надежности тепловозов.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1) оценить возможность использования тепловизионного метода для контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей;

2) разработать математическую модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловоза, позволяющую исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по температуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;

3) определить зависимость температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления от технического состояния топливной аппаратуры (топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунка) и температуры окружающего воздуха;

4) предложить технологию контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа;

5) провести апробацию разработанной технологии контроля в эксплуатации.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математической статистики, математического моделирования уравнений теплового баланса, термодинамики, теплопередачи и гидравлики. Для расчета и анализа математических зависимостей применялись электронные таблицы Microsoft Excel 2007 и математическое программное обеспечение MathLab 7.0. Разработка программного продукта производилась на языке программирования Delphi 7. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных стендовых установках кафедры «Локомотивы» и тепловозах локомотивного депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава на станции реостатных испытаний.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1) разработана математическая модель, позволяющая выполнять оценку технического состояния топливной аппаратуры тепловозного дизеля по темпе-

4

ратуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;

2) обосновано использование температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления в качестве диагностического параметра для оценки технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей;

3) определен ряд критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, определяющих техническое состояние топливной аппаратуры тепловозов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловоза, позволяющая исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по температуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;

2) ряд критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля может привести к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, к возможному отказу в пути следования и к необходимому неплановому ремонту тепловоза.

3) технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа.

Степень достоверности результатов работы. Создание на основе разработанных теоретических положений математической модели процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей, позволяющей исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по изменению температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов исследования, корректного применения известных достижений научных дисциплин: теории теплообмена, механики жидкости и газа, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ и математическая статистика.

Экспериментальные исследования и опытная апробация результатов работы проведены на реальных объектах с использованием сертифицированных и поверенных средств контроля и оборудования.

Достоверность теоретических исследований на предложенной математической модели подтверждена массивом экспериментальных данных, полученных в локомотивных депо сети железных дорог ОАО «РЖД». Расхождение результатов математического моделирования и экспериментальных данных не превышает 4 %.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1) решение задачи моделирования работы топливной аппаратуры позволяет сократить объем экспериментальных исследований и количество технологических операций для выявления неисправностей тепловозных дизелей;

2) разработанная технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа позволяет повысить эксплуатационную надежность тепловозов.

Реализация результатов работы. Разработанная технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей прошла эксплуатационные испытания и принята к внедрению в ремонтном локомотивном депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава.

Личный вклад соискателя состоит:

1) в обосновании использования тепловизионного метода для контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей;

2) разработке математической модели процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей, позволяющей производить оценку технического состояния топливной аппаратуры по изменению температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;

3) определении ряда критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля может привести к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, возможному отказу в пути следования и неплановому ремонту тепловоза;

4) разработке технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей, позволяющей повысить эксплуатационную надежность тепловозов;

5) проведении эксплуатационных испытаний разработанной технологии контроля на базе ремонтного локомотивного депо Московка ЗападноСибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава и оценке эффективности ее внедрения.

Основные положения и результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса» (Омск, 2011); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск, 2011); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2012); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012); международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (Новосибирск 2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано одиннадцать печатных работ, в том числе четыре - в изданиях, определенных перечнем ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 литературных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 132 страницы, включая 35 рисунков, 12 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описано состояние проблемы надежности топливной аппаратуры тепловозных дизелей, обоснованы актуальность проводимых исследований, научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе рассматриваются условия работы тепловозов и эксплуатационные факторы, влияющие на надежность и техническое состояние топливной аппаратуры.

Анализ отчетных данных ОАО «РЖД» показал, что отказы тепловозов на сети железных дорог по причине выхода из строя топливной аппаратуры составляют 12 - 13 % от общего числа отказов по дизелю. К основным неисправностям топливных насосов высокого давления относятся износ трущихся поверхностей плунжерных пар и заклинивание плунжеров во втулках - 17 %; ка-витационно-эрозионное разрушение деталей плунжерных пар, нагнетательного клапана - 8 %. Основными неисправностями форсунок являются: нарушение герметичности запирающего конуса распылителя - 25 %; зависание иглы и износ распылителей — 13 %. Контроль технического состояния ТА позволяет снизить количество неплановых ремонтов и отказов в пути следования.

Значительный вклад в решение проблемы повышения надежности работы топливной аппаратуры тепловозных дизелей внесли А. И. Володин, В. А. Четвергов, П. Н. Блинов, В. И. Киселев, В. Н. Балабин, Н. А. Фуфрянский, С. С. Ушаков, Т. Ф. Кузнецов, Н. Г. Лугинин, К. А. Бернгард, А. Д. Каретников, А. П. Третьяков, В. В. Мережко и др.

Выполненный обзор методов и средств контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозов позволяет считать, что есть необходимость разработки и внедрения новых перспективных методов и средств диагностирования. Наиболее перспективным в системе диагностирования следует считать тепловизионный контроль, получивший широкое распространение на транспорте, в энергетике, строительстве, медицине и т. д.

На основе анализа современного состояния вопроса сформулированы цель и задачи настоящего исследования.

Во второй главе дана предварительная экспериментальная оценка возможности использования тепловизионного контроля для определения технического состояния топливной аппаратуры дизелей. Предложена методика проведения экспериментальных исследований технического состояния топливной аппаратуры дизелей в лабораторных условиях на примере дизеля 6ЧН1б/22,5. Анализ результатов эксперимента показал, что температура поверхности нагнетательного трубопровода зависит от технического состояния ТА. Правомерность принятого заключения подтверждается изменением температуры после переустановки форсунок по цилиндрам и контролем максимального давления сгорания и давления сжатия.

В третьей главе представлена разработанная математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловозных дизелей и приводятся результаты моделирования влияния технического состояния топливной аппаратуры на температуру внешней поверхности топливных трубопроводов.

Для разработки математической модели процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловозного дизеля предложена расчетная схема топливной системы непосредственного действия с механическим приводом и нагнетательным трубопроводом (рис. 1).

На первом этапе моделирования осуществлялся расчет процесса впрыска с определением характера изменения давления топлива за цикл при различном техническом состоянии топливной аппаратуры (ТНВД, форсунка).

Изменение условия протекания процесса подачи во входном и выходном сечениях нагнетательного клапана и иглы форсунки, а также закрытия и открытия плунжером всасывающих и отсечных окон втулки вызывает необходимость разделять процесс на этапы, число которых определяется конструкцией системы «ТНВД-трубопровод-форсунка» и соотношением размеров между ее элементами.

За исходное уравнение для расчета баланса расхода топлива принято выражение:

Рис. 1. Расчетная схема топливной системы

с!р =

ру

21

2(у)+2(у)

Н ф

(1)

где ^ - площадь поперечного сечения плунжера, м2; р - коэффициент сжимаемости топлива, м2/Н; V - объем топливной системы высокого давления, м3; ига — скорость, соответствующая геометрическому началу подачи, т. е. времени 1га, м/с; .]'г„ - ускорение начала геометрической подачи топлива; г - текущее значение времени, с; ^ - геометрическая продолжительность подачи топлива, с; ]к — ускорение в конце участка геометрической подачи с продолжительностью V; , - утечки топлива через ТНВД и форсунку соответственно, м3/с.

9

При моделировании не учитываются упругие колебания в нагнетательном топливопроводе, а давление по всей линии высокого давления в период протекания процесса считаем одинаковым и меняющимся только во времени.

Воспользовавшись уравнением для определения неразрывности расхода через посадочный конус иглы форсунки и через сопловые отверстия:

(2)

Л , 2(

где ц,/,, - эффективное проходное сечение под иглой форсунки; - эффективное сечение сопловых отверстий форсунки; рф — давление топлива в камере

форсунки, Па; рф' — давление перед сопловыми отверстиями форсунки, Па;

рц — среднее давление в камере сгорания дизеля во время впрыска топлива, Па; р - плотность топлива, кг/м3.

Получили основное уравнение процесса впрыска топлива:

60

(3)

где и — скорость подачи топлива, т. е. соответствующая времени I м/с;

( г

к2 =

На рис. 2 представлен пример зависимости расчетного давления топлива в топ-липроводе тепловозного дизеля типа ПД1М от угла ф.

Для определения расхода топлива <3 через каждый элемент системы топливная система высокого

МПа

30

15

/ / / 1 1

/ / / / 1 1 1

/ / 1 1 1 1 1 1

< / / 1 1 1 1

15

22

29 <Р

36

43 град 57

Рис. 2. Давление топлива в топливопроводе дизеля типа ПД1М

давления рассмотрена как состоящая из трех узловых объектов: ТНВД, нагнетательного трубопровода и форсунки (рис. 3).

10

В итоге получено основное уравнение расхода топлива:

Q =

2(РЯ-Р„)

1

1

1

_ш2 М К)2.

где Р„ - давление топлива в надплунжерной полости ТНВД, Па; Рц- давление газов в цилиндре дизеля, Па; ц^, Н^тр, - эффективное проходное сечение нагнетательного клапана ТНВД, нагнетательного трубопровода, форсунки.

Рис. 3. Схема топливной системы высокого давления дизеля

Моделирование характерных неисправностей осуществлялось заданием различных значений площади поперечного сечения плунжера (fn), поперечного сечения нагнетательного клапана по разгружающему пояску (fK), проходного сечения под конусом иглы форсунки (fu]), суммарной проходной площади сопловых отверстий распылителя (fc), коэффициента расхода проходного сечения под конусом клапана (ц„), коэффициента расхода проходного сечения под конусом иглы, (|i„), коэффициента расхода сопловых отверстий распылителя, (Цс).

На втором этапе исследования результаты моделирования позволили ввести параметр для оценки технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей - температуру внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, °С:

-»..Ml (5)

р '

где tr - температура топлива в трубопроводе высокого давления (после сжатия в надплунжерном пространстве), °С; QT - количество передаваемого от топлива к воздуху теплоты, Вт; Rx. - термическое сопротивление стенки, м2К/Вт; F - площадь внешней поверхности топливного трубопровода, м2.

11

Для автоматизации и повышения оперативности выполняемых расчетов разработана программа на языке программирования Delphi 7.

В итоге получены значения температуры на внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления в зависимости от технического состояния топливной аппаратуры и температуры окружающего воздуха (от О °С до 30 °С) и ряд критических значений при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля приводит к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, к возможному отказу в пути следования и к необходимому неплановому ремонту тепловоза.

Часть результатов моделирования представлена в табл. 1.

Таблица 1

Результаты моделирования температуры внешней поверхности топливного трубопровода высокого давления

Температура окр. воздуха, "С, Температура внешней поверхности трубопровода, °С t j(H) t j(Ha) A- P ~ P 0/ * j(H) J j(<W A P P 0/

^ t JH ' /<• Д——-——, /о Vй

t j(»> tpJ("a) t j(<t>)

25 51,6 45,9 47,1 11,0 8,7

26 52,7 47,1 48,8 10,6 7,4

27 53,9 47,8 49,8 11,3 7,6

28 55,2 48,9 52,0 11,4 5,8

29 56,9 51,0 52,6 10,4 7,6

30 58,1 51,9 54,3 10,7 6,5

В табл. 1 обозначено гр^и) - расчетное нормативное значение температуры поверхности трубопровода исправной топливной системы при ]-й температуре; 1р ^(на) — расчетное значение температуры поверхности трубопровода топливной системы при неисправном ТНВД при ,)-й температуре; расчетное значение температуры поверхности трубопровода топливной системы при неисправной форсунке при ]-й температуре.

В результате обработки результатов моделирования в качестве граничных значений отклонения температуры трубопровода топливной системы с неисправным ТНВД приняты — 10 %, с неисправной форсункой -5%.

Для проверки достоверности результатов моделирования проведен ряд экспериментов в локомотивном депо Омск Западно-Сибирской железной дороги - филиале ОАО «РЖД». Сопоставление результатов обработки термограмм (рис. 4) и результатов теоретических исследований подтверждает достаточную точность разработанной математической модели. Расхождение опытных и теоретических данных не превышает 4 % (табл. 2).

3 щщиндр

Рис. 4. Нагнетательные трубопроводы 1—3-го цилиндров дизеля тепловоза ТЭМ-2 № 6158: а) - термограмма; б) - фотография

Таблица 2

Сравнительный анализ результатов моделирования и термографирования

Температура нагнетательного трубопровода дизеля ПД1М тепловоза ТЭМ-2 № 6158, ^ = 4 "С

Опыт№1 Опыт №2 Опыт №3

я о. « X к э ТА в «норме» Неисправен ТНВД (износ плунжерной пары) Неисправна форсунка (нарушение герметичности запирающего конуса распылителя)

ё Экспеременгальное значение Расчетное значение Ошибка д.% Экспеременгальное значение Расчетное значение Ошибка Д.% Экспеременгальное значение Расчетное значение Ошибка Д.%

1 36,0 4,0 36,2 37,5 3,5 33,4** 32,5 2,8

2 36,7 2,1 31.1* 30.5 2,0 36,6 37,5 2,4

3 36,2 37,5 3,5 36,4 37,5 2,9 36,3 37,5 3,2

4 37,0 1,3 36,9 37,5 1,6 37,2 37,5 0,8

5 36,1 3,7 36,5 37,5 2,7 36,8 37,5 1,9

6 38,0 1,3 37,6 37,5 0,3 37,1 37,5 1,1

Примечание: * - неисправен ТНВД цилиндра № 2; ** - неисправна форсунка цилиндра № 1.

В четвертой главе представлена разработанная технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа и приведены результаты ее эксплуатационных испытаний.

Для математической обработки результатов измерения разработано специальное программное обеспечение.

Алгоритм обработки результатов термографирования приведен на рис. 5.

Обработка результатов контроля производится в следующей последовательности.

1. Каждая термограмма обрабатывается в режиме термопрофиля и определяется температура поверхности топливного трубопровода высокого давления ^.

2. Вычисляется отклонение температуры Д1р' каждого трубопровода дизеля и формируется их база данных.

3. Согласно установленному диапазону отклонения значений температуры поверхности топливных трубопроводов делается заключение о техническом состоянии топливной аппаратуры.

Контроль технического состояния ТА рекомендуется производить до (потребность в демонтаже ТА) и после (качество ремонта) каждого планового технического обслуживания и ремонта тепловоза. Весь процесс контроля занимает не более 10 мин.

С помощью созданного программного комплекса проведен контроль технического состояния топливной аппаратуры дизелей тепловозов ТЭМ 2 эксплуатационного парка локомотивного депо Омск. В целом экспериментальная проверка разработанной технологии контроля и тепловизора для регистрации выбранного параметра показала их работоспособность и эффективность обнаружения неисправной топливной аппаратуры дизелей. На тепловозе ТЭМ 2 № 6124 был выявлен ТА дизеля

неисправный ТНВД шестого цилиндра дизеля (рис. 6), температура поверхности

14

топливного трубопровода высокого давления которого составила 41,5 °С. После обработки результатов термографирования с помощью созданного программного комплекса установлено, что расхождение между минимальным значением температуры поверхности топливного трубопровода высокого давления шестого цилиндра и расчетным значением г*0"'при 20 "С составляет 12,1 %.

Согласно разработанной технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей ТНВД шестого цилиндра находится в неисправном состоянии - не обеспечивает необходимого давления подачи топлива.

Номер цилиндра Теплпвт ТЭМ-2 № 6124

г 20° С Чэ ^ 20°С(Н) Р Д,%

1 45,9 47,2 2,8

2 46,7 1,1

3 46,2 2,1

4 46,4 1,7

5 47,0 0,4

6 41.5* 12.1

Рис. 6. Нагнетательные трубопроводы цилиндров дизеля тепловоза ТЭМ-2 № 6124: а - термограмма; б - результаты контроля ТА

Результаты контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей подтверждены соответствующими актами испытаний и внедрения разработанной технологии контроля.

В пятой главе проведена оценка экономической эффективности внедрения разработанной технологии контроля в систему технического обслуживания и ремонта тепловозов локомотивного депо, выполняющего их обслуживание и ремонт, которая достигается за счет снижения количества неплановых ремонтов. Ожидаемый годовой эффект составляет 263 892 р., индекс

доходности - 78,4 %.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

На основе комплекса выполненных теоретических и экспериментальных исследований научно обоснована, испытана и внедрена в ремонтные локомотивные депо разработанная технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей, которая обеспечивает повышение надежности работы тепловозов в эксплуатации. В целом по работе можно сделать следующие выводы.

1. Выполнена оценка возможности использования тепловизионного метода для контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей на лабораторной стендовой установке.

2. Разработана математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловоза, позволяющая исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по изменению температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления. Расхождение результатов расчета с использованием разработанной модели и экспериментальных данных не превышает 4 %.

3. В результате моделирования установлена зависимость температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления от технического состояния топливной аппаратуры (топливный насос высокого давления, форсунка) и температуры окружающего воздуха.

4. Предложен диагностический параметр для контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей — температура внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления.

5. Определен ряд критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля приводит к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, к возможному отказу в пути следования и к необходимому неплановому ремонту тепловоза.

6. Предложена технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей, состоящая

из операций подготовки и прогрева тепловозного дизеля на номинальной позиции контроллера машиниста до стабилизации его теплового состояния;

безразборного оперативного измерения температурных полей на поверхности топливных трубопроводов высокого давления с помощью портативного термографа;

математической обработки результатов измерения с помощью созданного программного обеспечения;

формирования заключения о техническом состоянии топливной аппаратуры.

7. Эксплуатационные испытания разработанной технологии контроля показали работоспособность и высокую эффективность обнаружения неисправных топливных насосов высокого давления и форсунок. Проведена оценка эффективности внедрения портативного компьютерного термографа. Ожидаемый экономический эффект от внедрения разработанной технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей составляет 263 892 р. в год на эксплуатационный парк тепловозов ремонтного локомотивного депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава

Список работ, опубликованных по теме диссертации

1. В олодин А. И. Теплоэнергетическая визуализация технических объектов как способ оценки качества их функционирования / А. И. Володин, Д. В. Балагин // Инновации для транспорта: Сб. науч. статей с междунар. участием/ Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. Ч. 2. С. 14 -17.

2. Тепловой контроль работоспособности топливной аппаратуры тепловозных дизелей /О. В. Балагин, Д. В. Балагин и др.//Повышение эффективности использования и совершенствование технического обслуживания и ремонта локомотивов: Межвуз. темат. сб. науч. тр. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2010. С. 47 - 50.

3. Володин А. И. Термодинамическая визуализация тепловозного дизеля как способ оценки качества его функционирования / А. И. Володин, Д. В. Балагин, А. Я. Яскин//Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.-практ. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. С. 72 - 78.

4. Володин А.И. Тепловизионный контроль технического состояния элементов подвижного состава/А. И. Володин, Д. В. Балагин // Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава: Материалы всерос. науч.-техн. конф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. С. 172 - 176.

5 Володин А И. Исследование процессов теплопередачи в тепловозном дизеле'/ А. И. Володин, Д. В. Балагин, Ю. С. Комкона // Известия Транссиба / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2011. № 4(4). С. 6 -10.

6 Володин А.И. Теплоэнергетическая визуализация тогогавнои аппаратуры тепловозных дизелей как способ оценки качества ее функционирования / А И Володин Д. В. Балагин // Инновационные проекты и новые технологии в'образовании, промышленности и на транспорте: Материалы науч.- пракг. конф. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 110 -115.

7 Балагин Д. В. Исследование надежности работы и средств диагностирования технического состояния топливной аппаратуры дизелей / Д. В. Балагин // Известия Транссиба. / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012.

№3(11). С. 7-14.

8 Балагин Д В. Экспериментальные исследования тепловых процессов в трубопроводах высокого давления топливной аппаратуры дизелей/ Д. В. Балагин // Омский научный вестник. Сер. Приборы, машины и технологии. Омск, 2012. № 3(113), С.142— 146.

9 Балагин Д. В. Методика оценки рабочего процесса дизеля по изменению температуры трубопроводов насоса высокого давления / Д. В. Балагин // Вестник СибАДИ. Сер. Транспорт. Транспортные и технологические

машины. Омск, 2012. Вып. 5 (27). С. 10-15.

10 Балагин О. В. Результаты тепловизионного контроля технического состояния топливной аппаратуры дизелей тепловозов ТЭМ-2 / О. В. Балагин Д В Балагин//Эксплуатационная надежность локомотивного парка и

повышение эффективности тяга поездов: Материалы всерос. н^техн -нф. с междунар. участием / Омский гос. ун-т путей сообщения. Омск, 2012. С. 71 - 77.

11 Балагин Д В. Термодинамическая визуализация работающего дизеля / Д В Балагин // Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе: Мат-лы Междунар. науч.-практ. конф. Сибирского гос. ун-та путей сообщения / Ч. 2 - Новосибирск, 2013. С. 30 - 35.

Типография ОмГУПСа. 2013. Тираж 100 экз. Заказ 275 . 644046, г. Омск, пр. Маркса, 35

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ

ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

(ОмГУПС (ОмИИТ))

04201359655 На правах рукописи

БАЛАГИН Дмитрий Владимирович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ КОНТРОЛЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТОПЛИВНОЙ АППАРАТУРЫ ТЕПЛОВОЗНЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Специальность 05.22.07 -«Подвижной состав железных дорог, тяга поездов и электрификация»

Диссертация

I у О тлтапли лтапапи тллтгтт*1ттлтп т т т т т т т/-т IV ТТОЛГТ/"

па ^ии^лапис у типии иии^пи лапдпда1а и.лш'т.^лпл па^ г\.

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор,

заслуженный деятель науки РФ

Володин Александр Иванович

Научный консультант -доктор технических наук, профессор, заслуженный деятель науки и техники РСФСР Четвергов Виталий Алексеевич

Омск 2013

Оглавление

Введение.................................................................................................................................4

1. Исследование надежности работы и способов диагностирования технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей............................................11

1.1. Условия работы тепловозов и эксплуатационные факторы, влияющие на надежность и техническое состояние топливной аппаратуры....................................12

1.2. Статистический анализ неисправностей топливной аппаратуры тепловозов.....15

1.3. Анализ методов и технических средств диагностирования топливной аппаратуры тепловозов........................................................................................................22

1.4. Основные выводы.........................................................................................................3 1

1.5. Постановка цели и задач исследования....................................................................32

2. Оценка возможности использования тепловизионного метода для котроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозов.........................................33

2.1. Задачи проведения экспериментальных исследований...........................................34

2.2. Экспериментальные исследования теплового состояния топливных трубопроводов высокого давления дизеля.......................................................................34

2.3. Методика проведения экспериментальных исследований технического состояния топливной аппаратуры по температуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления дизеля.......................................................................39

2.4. Результаты экспериментальных исследований технического состояния топливной аппаратуры дизелей с помощью методов пирометрического и тепловизионного контроля.....................................................................................41

3. Математическое моделирование процессов, протекающих в трубопроводах высокого давления тепловозных дизелей..........................................................................45

3.1. Постановка задач исследования...................................................................................45

3.2. Основные положения расчета процесса впрыска топлива в топливной системе...................................................................................................................................46

3.3. Расчет процесса впрыска применительно к топливной аппаратуре дизеля типа ПД1М.....................................................................................................................................57

3.4. Разработка расчетной схемы топливной системы высокого давления дизеля.. .66

[ьтаты математического моделирования температуры внешней поверхнос

>го трубопровода высокого давления...................................................'

вные выводы...........................................................................

ботка и экспериментальная проверка технологии тепловизионнс

топливной аппаратуры тепловозных дизелей..............................................<

шовка задач исследования..................................................................................<

Заключение.............

Список литературы Приложение........

118 131

Введение

Актуальность темы исследования. Согласно целевой программе «Стратегия развития железнодорожного транспорта в Российской Федерации до 2030 года», утвержденной постановлением Правительства Российской Федерации № 877-р от 17 июня 2008 г., одним из восьми основных направлений научно-технического развития ОАО «Российские железные дороги» является повышение надежности работы и увеличение эксплуатационного ресурса технических средств.

Решение этой проблемы может быть обеспечено комплексными мероприятиями, включающими в себя широкий круг вопросов, связанных с обеспечением устойчивой работы тепловозов и их систем. Эксплуатация тепловозов во многом зависит от надежности и эффективности работы топливной аппаратуры высокого давления (ТА), которая определяется качеством технического обслуживания и ремонта. Количество отказов тепловозов по сети железных дорог по причине выхода из строя дизельной установки достигают 41 % от общего числа отказов основных узлов тепловозов, в том числе 12 - 13 % от общего числа отказов по дизелю тепловоза по причине выхода из строя топливной аппаратуры. Подобное состояние тепловозного парка и топливной аппаратуры тепловозных дизелей обусловливается ненадлежащим качеством текущих ремонтов и неэффективным диагностированием, что свидетельствует о недостаточной степени разработанности исследуемой темы.

Увеличение эксплуатационного ресурса топливной аппаратуры тепловозов может быть достигнуто в результате внедрения

- методов безразборного и бесконтактного диагностирования и своевременного выявления неисправностей ТА;

- автоматизации технологических процессов технического обслуживания и ремонта, контроля качества ремонта.

Поэтому разработка технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей является важной составляющей технических мероприятий, направленных на повышение эффективности эксплуатации тепловозов.

Цель диссертационной работы заключается в совершенствовании технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей для повышения эксплуатационной надежности тепловозов.

Для достижения указанной цели в диссертационной работе решались следующие задачи:

1) оценить возможность использования тепловизионного метода для контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей;

2) разработать математическую модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловоза, позволяющую исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по температуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;

3) определить зависимость температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления от технического состояния топливной аппаратуры (топливный насос высокого давления (ТНВД), форсунка) и температуры окружающего воздуха;

4) предложить технологию контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа;

ГТ 1Л ПП/1Л Т I I V\niV4n^/\TnTTriAli TÛVITn TT/^T^TJTJ Т/*/~Ч I I ппк> ri tj n

_> j upuD^vin аирииацти pciopcivjw юппин i^Anujiui nn литрилл d

эксплуатации.

Методы исследования. При решении поставленных задач использовались методы математической статистики, математического моделирования уравнений теплового баланса, термодинамики, теплопередачи и гидравлики. Для расчета и анализа математических зависимостей применялись электронные таблицы Microsoft Excel 2007 и математическое программное обеспечение MathLab 7.0. Разработка программного продукта производилась на языке программирования Delphi 7. Экспериментальные исследования проводились на лабораторных стендовых установках кафедры «Локомотивы» и тепловозах локомотивного депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава на станции реостатных испытаний.

Научная новизна результатов диссертационной работы заключается в следующем:

1) разработана математическая модель, позволяющая выполнять оценку технического состояния топливной аппаратуры тепловозного дизеля по температуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;

2) обосновано использование температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления в качестве диагностического параметра для оценки технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей;

3) определен ряд критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, определяющих техническое состояние топливной аппаратуры тепловозов.

Основные положения, выносимые на защиту:

1) математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловоза, позволяющая исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по температуре внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;

2) ряд критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля может привести к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, к возможному отказу в пути следования и к необходимому неплановому ремонту тепловоза.

3) технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа.

Степень достоверности результатов работы. Создание на основе разработанных теоретических положений математической модели процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей, позволяющей исследовать техническое состояние топливной аппаратуры по изменению температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, стало возможным благодаря комплексному использованию теоретических и экспериментальных методов

исследования, корректного применения известных достижений научных дисциплин: теории теплообмена, механики жидкости и газа, базируется на строго доказанных выводах фундаментальных и прикладных наук, таких как математический анализ и математическая статистика.

Экспериментальные исследования и опытная апробация результатов работы проведены на реальных объектах с использованием сертифицированных и поверенных средств контроля и оборудования.

Достоверность теоретических исследований на предложенной математической модели подтверждена массивом экспериментальных данных, полученных в локомотивных депо сети железных дорог ОАО «РЖД». Расхождение результатов математического моделирования и экспериментальных данных не превышает 4 %.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1) решение задачи моделирования работы топливной аппаратуры позволяет сократить объем экспериментальных исследований и количество технологических операций для выявления неисправностей тепловозных дизелей;

2) разработанная технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей с применением портативного компьютерного термографа позволяет повысить эксплуатационную надежность тепловозов.

Реализация результатов работы. Разработанная технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей прошла эксплуатационные испытания и принята к внедрению в ремонтном локомотивном депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава.

Личный вклад соискателя состоит:

1) в обосновании использования тепловизионного метода для контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей;

2) разработке математической модели процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления топливной аппаратуры тепловозных дизелей, позволяющей производить оценку технического состояния топливной аппаратуры

по изменению температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления;

3) определении ряда критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, при которых дальнейшая эксплуатация тепловозного дизеля может привести к ухудшению его мощностных, экономических и экологических характеристик, возможному отказу в пути следования и неплановому ремонту тепловоза;

4) разработке технологии контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей, позволяющей повысить эксплуатационную надежность тепловозов;

5) проведении эксплуатационных испытаний разработанной технологии контроля на базе ремонтного локомотивного депо Московка Западно-Сибирской дирекции по ремонту тягового подвижного состава и оценке эффективности ее внедрения.

Основные положения и результаты, представленные в диссертации, получены автором самостоятельно.

Апробация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной научно-технической конференции «Инновации для транспорта» (Омск, 2010); научно-практическои конференции «Инновационные проекты и новые технологии для транспортного комплекса» (Омск, 2011); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Технологическое обеспечение ремонта и повышение динамических качеств железнодорожного подвижного состава» (Омск, 2011); научно-практической конференции «Инновационные проекты и новые технологии в образовании, промышленности и на транспорте» (Омск, 2012); всероссийской научно-технической конференции с международным участием «Эксплуатационная надежность локомотивного парка и повышение эффективности тяги поездов» (Омск, 2012); международной научно-практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (Новосибирск 2013).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано одиннадцать печатных работ, в том числе четыре - в изданиях, определенных перечнем ВАК Министерства образования и науки РФ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 112 литературных источников и приложения. Общий объем диссертации составляет 132 страницы, включая 35 рисунков, 12 таблиц.

Во введении обоснована актуальность темы исследования.

В первой главе рассматриваются условия работы тепловозов и эксплуатационные факторы, влияющие на надежность и техническое состояние топливной аппаратуры. Выполнен обзор существующих методов и средств контроля те технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей.

Во второй главе дана предварительная экспериментальная оценка возможности использования тепловизионного метода контроля для определения технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей. Предложена методика проведения экспериментальных исследований технического состояния топливной аппаратуры в лабораторных условиях. Анализ результатов эксперимента показал, что температура поверхности нагнетательного трубопровода зависит от технического состояния ТА.

В третьей главе разработана математическая модель процесса нагрева топливного трубопровода высокого давления ТА тепловоза, позволяющая исследовать техническое состояние топливной аппаратуры (ТНВД, форсунка) по изменению температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления.

На первом этапе моделирования теплового состояния исследуемого объекта топливная система высокого давления была рассмотрена как состоящая из трех узловых объектов: ТНВД, нагнетательный трубопровод и форсунка. Далее производился расчет давления и расхода топлива через систему и выполнялся расчет температуры внешней поверхности топливного трубопровода высокого давления с использованием основных положений теории теплообмена.

На втором этапе по результатам моделирования предложен и обоснован новый диагностический параметр - температура внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления ^^ Достоверность разработанной математической модели была оценена на практике с использованием портативного компьютерного термографа. В итоге получены функциональные зависимости между техническим состоянием топливной аппаратуры и температурой внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления. Установлен ряд критических значений температуры внешней поверхности топливных трубопроводов высокого давления, которые свидетельствуют о неисправном состоянии топливной аппаратуры дизеля.

В четвертой главе разработана технология контроля технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей и приводятся результаты ее эксплуатационных испытаний.

В пятой главе проведена оценка экономической эффективности внедрения разработанной технологии контроля в систему технического обслуживания и ремонта тепловозов локомотивного депо, выполняющего их обслуживание и ремонт.

В заключении сформулированы основные результаты и выводы по диссертационной работе.

1. Исследование надежности работы и способов диагностирования технического состояния топливной аппаратуры тепловозных дизелей

Система впрыска топлива является одной из