автореферат диссертации по кораблестроению, 05.08.05, диссертация на тему:Вибродиагностирование технического состояния судовых дизелей по критериям подобия

На правах рукописи

Афанасьева Ольга Владимировна

ВИБРОДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО КРИТЕРИЯМ ПОДОБИЯ

Специальность 05.08.05 - «Судовые энергетические установки

и их элементы (главные и вспомогательные)»

Ав тореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2004

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций"

Научный руководитель -

доктор технических наук, профессор Безюков Олег Константинович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Климов Евгении Николаевич

кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник, заслуженный изобретатель России Розенберг Генрих Шоломовпч

Ведущая организация

Северо-Западная Инспекция Российского Речного Регистра

Зашита состоится 17 июня 2004 г. в 13 часов на заседании диссертационного совета Д223.009.04 при ФГОУ ВПО Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций по адресу: 198035, Санкт-Петербург, Двинская ул., д. 5/7, ауд. 235.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан 17 мая 2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета ^ доктор технических наук, профессор

Ерофеев В. Л

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Важной особенностью экономики российских судоходных компаний является старение основных фондов (средний возраст самоходных судов речного флота - более 20 лет), что приводит к росту отказов и аварий. Статистические данные Российского Речного Регистра показывают, что наибольший процент отказов (до 80%) приходится на судовые энергетические установки, среди которых наименее надежными являются главные судовые двигатели.

В связи с постоянным старением дизелей российского речного флага проблема их безопасной эксплуатации становится все более актуальной, что невозможно обеспечить без использования современных методов и средств контроля их технического состояния и проведения на основе его результате своевременных технических обслуживании и ремонтов.

Таким образом, одной из важнейших и актуальных научно-технических проблем водного транспорта является совершенствование методов диагностирования судовых дизелей.

Объектом исследования являются судовые дизели и процессы изменения их технического состояния во время эксплуатации.

Предметом исследования являются методы и средства вибродиагностирования судовых дизелей.

Цель работы - повышение надежности судовых дизелей на основе совершенствования их вибродиагностирования.

Задачи работы. Для достижения поставленной цели необходимо обеспечить решение следующих задач:

1. Провести анализ существующего и перспективного парка судовых дизелей речного флота, методов и средств их вибродиагностирования.

2. Провести анализ динамических моделей дизеля и математических методов, наиболее эффективных при диагностировании технического состояния дизеля по вибрационным характеристикам.

3. Получить методами теории подобия и анализа размерностей критерии подобия вибрационных процессов и критериальное уравнение для оценки виброактивности дизеля, порождаемой

4. Разработать усовершенствованный метод вибродиагностирования судовых дизелей, учитывающий конструктивные и режимные параметры и провести его экспериментальную проверку.

Методы исследования. В основе проведенных исследований и разработок лежат методы решения линейных неоднородных дифференциальных уравнений, теории оболочек, теории подобия, анализа размерностей и математической статистики, а также программа автоматизации инженерно-математических расчётов MathCad.

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов обеспечена применением известных методов теоретического анализа, непротиворечивостью полученных экспериментальных и расчетных данных основным положениям кинематики и динамики ДВС, теории вибрации, а также подтверждена опытными данными, полученными с использованием современных поверенных средств измерения и методов их обработки.

Научная новизна. Научная новизна исследований состоит в том, что на основе теории подобия и анализа размерностей получены два критерия подобия. Один из них характеризует уровень вибраций дизеля, вызванных перекладкой поршня в тепловом зазоре под воздействием нормальной составляющей силы, а лругой позволяет рассчитывать виброактивность, порождаемую рабочим процессом дизеля. Критерии учитывают конструктивные особенности ДВС (толщины стенок блока и в гулок цилиндров), свойства материалов остова (модуль упругости и коэффициент Пуассона) и режимные параметры (максимальное давление цикла, величину нормальной (боковой) составляющей движущей силы).

Построено критериальное уравнение и получены его коэффициенты обработкой данных виброактивности 23 наиболее распространённых типов дизелей речного флота.

Предложен усовершенствованный метод вибродиагностирования судовых дизелей, позволяющий определять величину зазора в трибосопряжении втулка цилиндра-тронк поршня.

На защиту выносятся:

• критерий подобия, учитывающий влияние рабочего процесса на виброактивность судового дизеля;

• критерий подобия, учитывающий влияние перекладки поршня на виброактивность судового дизеля;

• критериальное уравнение, позволяющее определить параметры виброактивности как существующих, так и проектируемых судовых дизелей,

• результаты расчетно-экспериментального исследования параметров виброактивности дизеля 448,5/11;

• основные положения усовершенствованного метода вибродиагностирования судовых дизелей.

Практическая ценность. Разработанный метод позволяет рассчитывать вибрационные характеристики как существующих, так и проектируемых дизелей, определять скорость изнашивания втулок цилиндров и тронков поршней, прогнозировать их техническое состояние, более обоснованно выбирать периодичность технических обслуживании и ремонтов деталей ЦПГ.

Апробация работы. Материалы работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях и семинарах, в том числе: на Международных конференциях "Знание-Диалог-Решение" (Ялта, 15-20 сентября 1997 г.; Щецин, 21-25 сентября 1998 г.; Кацивели, 13-18 сентября 1999г.; Варна, 01-15 сентября 2000 г.; СПб, 19-22 июня 2001 г.); на Международных научно-практических конференциях "Системный анализ в проектировании и управлении" (СПб, 23 июня-03 июля 1998 г.; СПб, 30 июня - 03 июля 1999 г.; СПб, 29 июня - 06 июля 2002 г.); на Международной конференции EXPLO - SHIP' 99 "Проблемы эксплуатации морских и речных судов и портового оборудования" (Щецин, 1-4 февраля 1999 г.); на Международных конференциях "Охрана человека в морской среде" (Щецин, 1719 мая 2000 г.; Щецин, сентябрь 2001 г.); на 1-ом Международном конгрессе „Seas & Осеаш"(Щецин, май 2001); на Международной научно - практической конференции "Анализ и прогнозирование систем управления" (СПб, 01-06 сентября 2000 г.); на Международной научно-практической конференции сгудентов и аспиранюв «Анализ и прогнозирование систем управления» (СПб, 3-4 апреля 2001 г.; СПб, 16-17 апреля 2002 г.); на Российско-Польских конференциях «Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах» (СПб, 23-28 июня 2002 г.; 2003 г.), на заседании секции «Теория, методы и средства управления» (СПб, Дом учёных РАН, 2003-2004 г.), на Всероссийском конгрессе двигателестроителсй (СПб, 16-19 июнь 2003г.), на Международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта» (СПб, СПГУВК, 10-12 сентября 2003 г.) и др.

Реализация работы. Разработанный в диссертации метод вибродиагностирования судовых дизелей реализован в научно-исследовательской работе, выполненной для Российского Речного Регистра.

Публикации. Основные научные результаты диссертации опубликованы в 15 статьях.

Структура и объём работы. Диссертация включает в себя: введение, четыре главы, заключение, приложения, список литературы Содержит 157 страниц основного текста, в том числе: 44 рисунков и диаграмм, 6 фотографий, 22 таблиц, список использованных источников из 115 наименований.

Во введении дана краткая характеристика современного состояния внутреннего водною транспорта, рассмотрены вопросы повышения долговечности и безотказности судовых дизелей и их диагностирования. Показано, что одним из важнейших показателей технического состояния дизелей является уровень и характер изменения параметров вибраций. Поэтому ориентация на методы вибродиа1 ности-рования, базирующиеся на принципах безразборности и оперативности, позволяет не только предотвращать отказы и аварии, но и обнаружить развивающиеся дефекты на ранних стадиях, что дает возможность предотвращать аварийные ситуации и обоснованно планировать сроки и объем ремонта судовых ДВС.

В первой главе показано, что основу энергетики судов внутреннего и смешанного плавания составляют отечественные и импортные четырехтактные дизели. Диапазон агрегатных мощностей от 10 до 1800 кВт покрывается примерно 30 типоразмерами дизелей около 100 модификаций.

В существующем составе парка дизелей производства предприятий России и стран СНГ преобладающую роль играют высокооборотные двигатели (65 % парка отечественных двигателей) (диаграммы 1.)

Основное содержание работы

Диаграмма 1. Распределение относительного количества двигателей производства России и стран СНГ в зависимости от их номинальной частоты вращения

юо с

% 50

о

г«500 5004|к7я 7504к1ь00 П>1500

Нзмипалшая частота вращения коленчлого вала (п)

Среди импортных дизелей преобладали двигатели с номинальной частотой вращения коленчатого вала, не превышающей 500 мин-1 (диаграмма 2), что обеспечивает по сравнению с отечественными их более высокую надежность.

Диаграмма 2. Распределение относительного количества импортных двигателей в зависимости от их номинальной частоты

вращения

rt<375 375<ntf500 500<n<750 n>75Ü

Номинальная частота вращения коленчатого вала (п)

В целом, одной из важнейших особенностей всею парка дизелей является преобладание в его составе двигателей, имеющих относительно невысокие агрегатную мощность и размеры цилиндро-поршневой группы. Для таких двигателей характерны высокая частота вращения коленчатого вала, повышенная жесткость рабочего процесса, более высокие, чем у малооборотных двигателей, температуры отработавших газов, что сопряжено со значительной механо-, тепло- и вибронаг-руженностыо деталей.

Из числа отечественных ДВС, которые могут пойти на замену судовых двигателей, традиционно применяемых на Российском речном флоте, наиболее перспективными являются тепловозные и автотракторные двигатели, которые, как правило, уже прошли или проходят конвер:ацию в судовые: 4,6ЧН30/38 и 4,6ЧН26/26 (ОАО ХК «Коломенский завод»), 6ЧН21/21 ЗАО «Волжский дизель им. Маминых» и высокооборотные двигатсли Ярославскою завода 6,8Ч(Н)13/14 и 8,12ЧН14/14.

Несмотря на то, что в России существует производство достаточно современных дизелей, основным поставщиком ДВС па строящиеся суда являются дизе-лестроительные предприятия Финляндии, Германии и ряда других стран: Wartsila Diesel, KRUPP МАК, MAN B&W, DEUTZ MWM, Caterpillar и др. Даже при применении одновальных энергетических установок с относительно мощными двигателями их номинальная частота вращения лежш в диапазоне 900-1000 мин-1, что существенно выше, чем у импортных дизелей, применяемых в настоящее время. Or-

носитсльно малые массогабаритные показатели новых типов дизелей зарубежных фирм при высокой степени форсированности по среднему эффективному давлению и часто 1С вращения коленчатого вала способствуют росту их виброактивности.

Вышеизложенное позволяет сделать вывод о том, что в ближайшей перспективе для обеспечения безаварийности судовых дизелей, как существующих малофорсированных, но физически изношенных, так и новых, особенно зарубежных, высокофорсированных, необходимо совершенствование методов и средств диагностирования и расширения сферы их применения на флоте.

Известно, что параметрами, дающими наиболее полную информацию о техническом состоянии судовых дизелей, являются вибрации, порождаемые ударами в зазорах трибосопряжений, прежде всего, в цилиндро-поршневой группе (ЦПГ).

Непрямое измерение зазоров, не требующее установки датчиков на подвижных деталях и узлах дизелей, например с помощью вибродиапюстирования, является наиболее предпочтительным в реальных условиях длительной эксплуатации дизелей.

Кроме тою, вибрация является не только источником для оценки технического состояния дизеля, но и фактором, вызывающим повреждения как его самого, так и другого оборудования и корпуса судна, на котором он установлен. Поэтому исследование виброактивности может, кроме решения задач диагностирования, позволить получить информацию полезную при разработке мер по снижению виброактивности и виброизоляции дизелей.

В России первые научно-технические подразделения, работающие в области вибродиагностирования, появились в ИМАШ им. акад. А.А. Благонравова (К. В. Фролов, М. Д. Генкин, Я.Г. Пановко, А.Г. Соколова), ЦНИИ им А.Н. Крылова (В. И. Понков, К. И. Селиванов), ГНЦ «ЦИАМ» (И. А. Биргер), ГНЦ «ЦКТИ» (В. И. Олимниев), ЦНИИТМАШ (Р. В. Васильева). Эти исследования далее были развиты в ЦНИДИ (Н. Н. Иванченко, М.И. Левин, А. А. Скуридин, В. А. Янчеленко), ЦНИИМФ (В. И. Зинченко, Л.Н. Карпов, Г. Ш. Розенберг, Е. С. Голуб, Е. 3. Ма-дорский, А. Н. Неелов, М. Ю. Скоробогатов, В. А. Сорокин), СПГМТУ (П. А. Истомин), СЗТУ (В.В. Турецкий), СП ГУ В К (Л. В. Тузов, Е.Н. Климов, В.В. Сахаров, Г.Д. Изак, О. К. Безюков, ЭА. Гомзиков).

Для исследования вибраций дизелей в целях их диагностирования могут быть эффективно использованы методы теории подобия и размерностей. Эмпирические закономерности, установленные с их помощью, позволяют абстрагиро-

ваться от излишне детализированной информации и, тем не менее, с очень хорошей точностью воспроизводятся на опыте. Однако методы теории подобия и анализа размерностей в настоящее время не используются в достаточной мере в целях диагностирования судовых дизелей, прежде всего, для исследования их вибраций.

Важнейшими составными частями комплекса методов и средств вибродиагностирования являются датчики и приборы для измерения параметров вибраций. Различают следующие средства вибрационного диагностирования: виброметры общего уровня, виброметры-анализаторы и вибродиагностические системы.

Однако экономические трудности, с которыми сталкиваются большинство судоходных компаний, не позволяют пока рассчитывать на внедрение судовых систем вибрационного мониторинга и диагностирования.

Поэтому измерения целесообразно производить переносными виброметрами-анализаторами, обладающими достаточно большой памятью, возможностью подключения к компьютеру.

На основе анализа, выполненного в 1 главе, были сформулированы цель и задачи дальнейших исследований.

Во второй главе в основу математического моделирования вибрационных процессов положена модель-интерпретация дизеля, адекватно отражающая исследуемые вибрационные процессы.

При построении математической модели дизеля, как динамической системы, выбрана для дальнейшего развития структурная модель, предложенная д.т.н., профессором Л.В. Тузовым.

На практике традиционно стремятся получить и использовать упрощенную модель дизеля, которая позволяет обеспечить необходимую точность вибродиагностирования при меньшей его трудоёмкости.

Большинство приближённых методов исследования колебаний приводят к замене реальной конструкции некоторой идеализированной колебательной системой с минимальным числом степеней свободы, по с максимально возможным сохранением главных колебательных свойств реального двигателя.

Например, в работах Л.В. Тузова модель-интерпретация 2-х цилиндрового ^образного дизеля (рис. 1) представляет собой разветвленную 16 массовую колебательную систему.

Рис. 1. Модель-интерпретация двухцилиндрового ^образного дизеля (по Л.В. Тузову).

Параметры /я,-,/^-,^ (при / = 1.„12) являются элементами моделей КШМ основного и бокового цилиндров; - массы головок блоков цилиндров;

- массы блоков цилиндров; - масса карч-ера; -коэффициент демпфирования i-той упругодемпфирующей связи; с, - коэффициент жесткости ьтой упругодемпфирующей связи; - силы давления газов.

Данная модель является наиболее универсальной как для рядных, так и для ^образных дизелей и применима и для одно-, так и для миогоцилиндровых двигателей различных конструктивных схем. Полому она наиболее перспективна для дальнейших исследований и уточнений, прежде всего, с точки зрения оценки технического состояния дизеля.

В данной работе было предложено математическое описание такой структурной модели в виде системы уравнений:

где /я#- масса ьго элемента,- коэффициет демпфирования масляной пленки, С{-.жесткость ьой упругой связи, W - абсолютное перемещение места установки,

XJ - абсолютное перемещение .¡-го элемента ( = 1,2,...,п).

Для исследования этой системы воспользуемся методами теории подобия.

На основании анализа системы дифференциальных уравнений и краевых условий, описывающих исследуемое явление, находятся связи между отдельными группами величин, затем они соединяются в комплексы определенного вида. Эти комплексы, являясь комбинациями величин, которые существенны для изучаемых процессов, представляют собой обобщенные переменные (критерии подобия и симплексы).

В процессе анализа способов решения данной многомассовой системы методами теории подобия были получены критерии, сначала для одномассовой, двух-массовой и трёхмассовой системы, а затем для п -массовой системы и математически доказано, что для многомассовой системы, за которую принимается дизель, критерии подобия будут такими же, как и критерии, полученные В. Я. Кальменсом и П. М. Алабужевым методом анализа размерностей для роторных машин, а именно:

л,

с-х

г > 11)

Л-.-Ш-1, к,~-

(2)

т-а

Данные критерии включают в себя такие характеристики как жёсткость с и демпфирование масляного слоя. Для того, чтобы их использовать на практике, надо решить сложные задачи эластогидродинамики тонких масляных слоев.

Поэтому рассмотрено построение более простого безразмерного комплекса применительно как к важнейшей детали дизеля - втулки цилиндра, состояние которой, в значительной мере, характеризует вибрационное состояние как ЦПГ, так и дизеля в целом.

Определить характер колебаний вчулок цилиндров, порождаемых рабочим процессом, можно на основе уравнений динамики оболочек. Основной системой в теории пологих оболочек является система:

поверхностная нагрузка, Б - жесткость, - виброперемещение, к - толщина оболочки, Е - модель упругости, х,у- координаты оболочки..

Эти уравнения (3) имеют следующий физический смысл: первое - условие равновесия в направлении нормали к поверхности, второе - условие неразрывности деформаций серединной поверхности. В соответствии с физическим смыслом первое уравнение можно назвать статистическим, а второе - геометрическим.

Рассмотрим задачу о вынужденных поперечных колебаниях шарнирно опертых по контуру пологих оболочек при действии произвольной нагрузки р, изменяющейся во времени по гармоническому закону.

Уравнения вынужденных колебаний втулок цилиндров, порождаемых ударами поршней при их перекладках, имеют вид:

главные радиусы кривизны оболочки,

- внешнее воздействие на оболочку, - частота вынужденных колебаний, равная частоте возмущающей нагрузки; - цилиндрическая жесткость втулки цилиндра; - виброперемещение; <р - функция напряжений; к -толщина вгулки; р - плотность материала; t - время; Е - модуль упругости.

Важно заметить, что в реальном дизеле втулка с одной стороны защемлена, а в другом месте шарнирно оперта, поэтому решение системы (4) приводит к детер-

минантам высоких порядков, раскрытие которых может быть громоздким, даже в случае шарнирного опирания.

Для этого перепишем систему (4) в следующем виде:

Разделив первое уравнение в системе (5) на р и применив я-теорему, полу-

В результате, из первого уравнения получим следующие безразмерные комплексы:

Особый интерес представляет следующее выражение:

По этому критерию может быть оценено виброперемещение средней линии втулки цилиндра по координатам х, у.

Данный критерий гг(1 может быть приведён к виду более удобному для оценки уровней вибраций втулки цилиндра.

Для этого проведем замену координат х,у основными геометрическими характеристикамиДВС -диаметром иходомпоршня,то есть х-

Внешнее воздействие на оболочку заменим средним индикаторным давлением р—или максимальным давлением цикла р2.

В результате элементарных преобразований получим критериальное выра-

чим:

где - относительное перемещение средней линии втулки цилиндра под воздействием рабочего процесса.

Известно, что на параметры вибраций судового дизеля оказывает существенное влияние жесткость рабочего процесса, которую можно учесть, введя в выражение (8) коэффициент динамичности рабочего процесса о (отношение массы топлива, поступившей в цилиндр двигателя за период задержки воспламенения к цикловой подаче).

Более просто определяется максимальное давление цикла, поэтому для дальнейших исследований использовался критерий в следующем виде:

(10)

Таким образом, получен критерий, представляющий отношение энергии газовых сил к энергии упругих сил и позволяющий учитывать влияние рабочего процесса дизеля на вибрации в гулки цилиндра.

Для анализа вибраций остова дизеля в целом, порождаемых газодинамическими процессами при сгорании топлива, указанный выше критерий может быть представлен в виде:

(И)

Данный кри1Срий включает в себя такие характеристики как жесткости блока ( ОкЛ) и втул кици)л индров, максимальное давление цикла ( р^), ход поршня ), диаметр цилиндра (Оц). Здесь к - эмпирический коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей ДВС и демпфирующих свойств его материалов.

Таким образом, получен критерий, позволяющий рассчитывать виброактивность, порождаемую газодинамическими процессами.

В третьей главе рассмотрены факторы, от которых зависит интенсивность вибраций, вызванных перекладкой поршня.

Анализ физических процессов, происходящих при перекладке поршня в судовых дизелях и их математических моделей, показал, что параметрами, определяющими вибрации остова, порождаемые перекладками поршня, являются: 1. Жесткость, значение которой можно рассчитать по формуле:

гл ... Ее ™ 12(1-^)'

(12)

где ц - коэффициент Пуассона.

2. Величина зазора между тронком поршня и зеркалом втулки 5.

3. Значение нормальной силы, под воздействием которой поршень совершает боковое движение. Для оценки общего уровня вибраций будем использовать максимальное значение боковой силы .

Методами теории размерностей построены следующие критерии подобия для анализа вибраций деталей остова дизеля.

Критерий подобия, пропорциональный кинетической энергии вибрирующей втулки под действием удара поршня при перекладке есть функция величины зазора максимального значения боковой силы и цилиндрической жестко-

сти то есть

N5

к-

в-

(13)

Обычно уровень вибраций ДВС измеряют па наружных поверхностях, поэтому его значение будет зависеть от жесткости не только В1улки цилиндра, но и других деталей остова, прежде всего - блока цилиндров. Поэтому критерий, характеризующий уровень вибраций втулки цилиндра, вызванных перекладкой поршня, примет следующий вид:

Л'.....8

л =■

Д ,+с-О '

(14)

Данный критерий включает в себя такие характеристики как жесткость блока цилиндров ( 2>иА ), жёсткость в т у л симального значения боковой силы и величину зазора между тронком поршня и зеркалом втулки цилиндра с - эмпирический коэффициент, зависящий от конструктивных особенностей ДВС и демпфирующих свойств его материалов.

Для анализа зависимости и уровня вибрации от вышеперечисленных характеристик было построено критериальное уравнение, описывающее относительное виброперемещение ? , которое зависит от интенсивности как механического, так и газодинамического воздействия на детали остова. Оно должно быть представлено как параметр, зависящий от трех критериев я„, к1$ Ил*, например, вида:

5 = С ■[nf-(7c/s)m-xH]t

(15)

где С, m и п- эмпирические константы.

Критерий тг4 учитывает влияние упруго-вязкостных свойств масла в зазоре между тронком поршня и зеркалом втулки цилиндра. Однако известно, что толщина масляной пленки в указанном зазоре составляет от 3-5 до 10 мкм, а при положении поршня в ВМТ в начале такта расширения и того меньше. Поэтому влияние вязко-упругих сил на перекладку поршня и виброактивность дизеля на данном этапе исследований учитывать не будем.

Окончательно вид зависимости виброперемещения от критериев подобия примет вид:

В четвертой главе разработаны основные положения усовершенствованного метода вибродиагностирования на основе критериального уравнения (16).

Для того, чтобы оценить техническое состояние элементов цилиндро-поршневой группы дизелей речного флота, необходимо:

1. Создать базу основных паспортных данных дизелей (эффективная мощность №, кВт; номинальная частота вращения коленчатого вала п, мин'1; среднее эффективное давление МПа; максимальное давление цикла МПа).

2. Создать базу основных конструктивных данных дизелей (зазор между поршнем и втулкой м; средняя толщина втулки цилиндра м; средняя толщина блока

3. Вычислить основные промежуточные характеристики дизелей (жёстки • м~

кость блока Dub и втулки цилиндра О.^,,

(

ной (боковой) составляющей силы N^, И).

; значение максимальной нормаль-

4. Вычислить значения коэффициентов критериального уравнения для групп дизелей в зависимости от их номинальной частоты вращения или для конкретного дизеля, если известны его технические характеристики.

5. Провести экспериментальную проверку значений среднего эффективного давления и максимального давления сгорания.

6. Экспериментально определить уровни виброскорости дизеля в его характерных точках (согласно ГОСТ ИСО 10816-97).

7. Рассчитать величину диаметрального зазора между зеркалом цилиндра и тронком поршня по критериальному уравнению.

8. Определить текущую скорость изнашивания трибосопряжения.

9. Построить прогнозную модель (тренд) изменения величины зазора между тронком поршня и зеркалом втулки цилиндра.

10. Выработать заключение о техническом состоянии ЦПГ дизеля (определить продолжительность работы дизеля до следующего экспериментального измерения виброскорости или до прекращения его технической эксплуатации).

С этой целью был использован метод наименьших квадратов для определения пяти неизвестных С3, т,с,к и п в критериальном уравнении виброскорости

где - угловая частота, - циклическая частота

и найдены их значения для наиболее распространённых дизелей речного флота. В качестве исходных данных были использованы значения виброскорости, измеренные на лапах 23 типов дизелей, приведённые в Руководящем техническом материале РТМ 212.0060-76. При вычислении виброскорости, выраженной в децибелах, пороговый уровень был принят равным

Затем была проведена проверка полученных результатов на адекватность с использованием 1-критерия Стьюдента.

Критериальное уравнение (19) приводит к погрешности вычисления виброскорости, колеблющейся от 5 до 14%.

Таблица 1. Расчетные и экспериментальные значения виброскорости (дБ) ряда судовых дизелей.

Марка ' Средние частоты октавных полос, Гц

н основные характеристики двигателя 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

V, К V, V, V, V, 1 < V, V, К V, V,

6ЧРНН 36/45 (Г60) N=662 кВт, 14=375 95.8 96 90.8 91 89.8 89 88.9 96 88.9 92 86.0 94 72.8 75 66.0 61

8ГЧУ036 N=220 кВт, N=360 77.0 77 72.0 72 71 71 72.0 70 70.1 70 67.0 67 54 54 52.9 53

8МУ036А N=309 кВт, N =375 84.1 88 78.9 78 77.8 74 76.9 75 76.9 74 73.9 74 61.6 62 59.8 56

8.\УО-48А N=736 кВт, N=375 92.1 94 87.0 87 86.1 87 85.1 92 85.1 89 82.1 89 66.0 60 65.1 60

6NVD48AИ N=486 кВт, N=330 90.6 89 85.6 85 84.6 81 83.6 83 83.6 83 80 75 66.0 60 62.9 57

6Ь275Ш1 N=276 кВт, N=500 96.0 96 89.9 90 89.9 90 87.0 87 86.9 87 88.9 89 67.4 63 51 51

6Ь275РМ N=515 КВТ, N=600 9 4.9 95 88.9 90 88.9 91 86.0 91 86.0 90 86.0 86 66.4 80 49.9 50

6ЧИСП18/22 N=165,6 кВт, N=750 98.0 98 95.0 95 94 94 101 101 98.0 98 91 91 80 80 69.9 70

6ЧСП18/22 N=110 кВт, N=750 93.6 97 92.0 93 89.7 92 96.7 101 93.6 95 86.0 86 75.6 75 65.6 64

6ЧСП1112/14 (К-461-1) N=59 КВТ, N=1500 106 106 97 97 94.2 94 100 100 103 103 99 99 86 86 72 72

Для того чтобы обеспечить высокую точность диагностирования, целесообразно рассчитывать коэффициенты в критериальном уравнении индивидуально для каждого типа дизеля с учётом степени его форсированности.

В качестве примера на диаграмме 3 приведены данные расчетов и экспериментов по определению виброскорости для дизелей 8КУС36 (столбцы 1, 2) и 6ЧСП12/14 (столбцы 3, 4), где 1 и 3 - значения уровня вибраций по РГМ 212.0060-76, а 2 и 4 - значения уровня вибраций, вычисленные по критериальному уравнению.

Диаграмма 3. Значения уровня вибрации для дизелей 8№Э36А (Ы=309КВТ, М = 375МИН-1) И 6ЧСПН12/14 (М=92КВТ, И = 1700МИН-1)

Диапазон частот,

В таблице 1. приведены значения вибрации но скоросчи как 1абличные (V), так и вычисленные по критериальному уравнению, коэффициенты которою получены для конкретной группы дизелей. Из неё следует, чю погрешность снизилась на 2-3%.

Из уравнения (19) получено выражение для вычисления значения зазора между поршнем и втулкой цилиндра:

Причём, для достижения наибольшей точности, применяются коэффициенты, найденные для конкретной группы дизелей.

Экспериментальная проверка метода вибродиагностирования и определения зазора в трибосопряжении втулка цилиндра-тронк поршня производились на

дизеле 4Ч8.5/11во время его работы по нагрузочной характеристике. На рис. 2 представлена схема экспериментальной установки, включающая в себя: дизель -объект вибродиагностирования, информационно-измерительный комплекс на базе прибора SVAN 946, контрольно-вычислительный комплекс на базе персонального компьютера Rover book и выходное регистрирующее (печатающее) устройство.

Рис.2. Блок-схема экспериментальной установки для регистрации и обработки результатов измерения вибраций дизеля.

Рис. 3. График виброскорости блока цилиндров дизеля 448,5/11; эффективная мощность 17 кВт, частота вращения коленчатого вала 1500 мин1.

В результате проведённых исследований на дизеле 448,5/11 минимальная погрешность вычисления, при расчетно-экспериментальном определении зазора в трибосопряжении, быладостигнута а на частоте фильтра 125 Гц.

Разработан метод, позволяющий по значениям уровня вибрации диагностировать величину зазора, измерить которую на работающем дизеле невозможно.

Основные результаты исследования и выводы

1. Анализ парка дизелей речного флота показал, что для обеспечения безаварийности судовых дизелей, как существующих малофорсированных, но физически изношенных, так и новых, высокофорсированных, необходимо совершенствование методов и средств вибродиагностирования и расширения сферы их применения на речном флоте.

2. Разработана математическая модель дизеля как многомассовой системы, которая позволила при использовании методов теории подобия получить критерии подобия, учитывающие влияние на вибрационные параметры таких характеристик как жёсткость и демпфирование масляных плёнок.

3. На основе теоретического анализа уравнений, описывающих вынужденные колебания оболочек, и использования методов теории подобия получен критерий, позволяющий оценить влияние на уровень вибраций втулок и блоков цилиндров, газодинамических процессов при сгорании топлива.

4. Па основе анализа размерностей получен критерий подобия, позволяющий оценить влияние на уровень вибраций втулок и блоков цилиндров от перекладки поршня в тепловом зазоре.

5. Предложено критериальное уравнение, полученное комбинацией ранее описанных критериев подобия. Определены неизвестные коэффициенты в критериальном уравнении для 23 наиболее распространенных дизелей речного флота. Показано, что максимальную точность в определении виброскорости дают критериальные уравнения, коэффициенты которых получены при разбиении парка дизелей на 4 группы в зависимости от номинальной частоты вращения коленчатого вала. Тем не менее, для того, чюбы обеспечить высокую точность диагностирования как виброскорости, так и зазора, целесообразно рассчитывать коэффициенты в критериальном уравнении индивидуально для каждого типа дизеля с учётом степени его форсированности.

6. Разработан метод вибродиапюстирования дизеля, который позволяет определять величину диаметрального зазора между втулкой цилиндра и тронком поршня, рассчитывать текущую скорость изнашивания деталей цилиндро-

поршневой группы, более обоснованно выбирать периодичность технических обслуживании и ремонтов дизелей.

7. Проведено экспериментальное исследование дизеля 4Ч8,5/11, которое подтвердило эффективность предложенного метода определения зазора между поршнем и втулкой цилиндра по данным измерений вибраций.

Автор считает целесообразным проведение дальнейших исследований по разработке методов определения зазоров между деталями поршневой группы и в подшипниках коленчатого вала на основе измерений вибраций дизеля с учетом эластогидродинамических процессов в этих трибосопряжениях.

Основные положения диссертации опубликованы в научных работах:

1. Афанасьева О.В. Niektore wlasciowsci.ruchu wielomasowcgo systemu. Труды 7-ой Международной конференции KDS - 98, Польша, Щецин, B.S.M., Т. 1, 1998, с. 165-174.

2. Афанасьева О.В. Моделирование поведения TV-массных систем по их динамическим характеристикам. Труды. Международной научно-практич. конференции "Системный анализ в проектировании и управлении". С-Пб, СПбГТУ,-1999,с. 148.

3. Афанасьева О.В. Динамическое моделирование функционального состояния многомассовых систем. Труды международной, научно-практич. конференции "Системный анализ в проектировании и управлении". Санкт-Петербург. СПбГТУ, 2000, с. 179-181.

4. Афанасьева О.В. Definition and discernment of problem situations at engineering diagnostics of condition of a mechanical system. International Journal •INFORMATION THEORIES & APPLICATIONS"/Volume VIII//Foi-commerce, Болгария, София, 2000, с. 56-61.

5. Афанасьева О.В. Моделирование элементов многомассовых систем на примере ДВС. Труды Международной научно-практической конференции "Системный анализ в проектировании и управлении", С-Пб., 2001, СПбГТУ, с. 378382.

6. Афанасьева О.В., Потапенко А.А. Method of an estimation of operating characteristics of reliability ship power the installations. Труды 1-ого Международного конгресса „Seas & Oceans"/Volume 1//Maiitime University, Szczecin, 2001, c. 13-20.

237. Афанасьева О.В. Determining ihe operational safety of vessel diesel engines by the method of spectral analysis. Труды 4-ой международной конференции «Ochpona czlowieka w morskim srodowisku pracy»WSM,-2001.-c. 5-15.

8. Безюков O.K., Афанасьева О.В. Вибродиагностирование судовых дизелей с использованием динамических моделей. Труды Международной научно-практической конференции «Анализ и прогнозирование систем управления», Санкт-Петербург, СЗТУ,-2002,- с.24-34.

9. Афанасьева О.В. Сравнительный анализ вибродиагностических моделей судовых дизелей. Труды VI-й Международной научно-практич. конференции "Системный анализ в проектировании и управлении". Санкт-Петербург, СПбГПУ, 2002, с. 392-393.

10. Безюков O.K., Афанасьева О.В. Безразмерный параметр виброактивности судовых дизелей. Труды Российско-польской конференции «Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах», Санкт-Петербург, СЗТУ, 2002, с. 27-31.

11. Безюков O.K., Афанасьева О.В. Критерии подобия для анализа вибраций ДВС. Труды всероссийского конгресса двигатслестроителей, СПб., 17-20 июня 2003г.,-С. 27-28.

12. Безюков O.K., Афанасьева О.В. Использование методов теории размерностей при вибродиагностировании судовых дизелей. Труды Российско-польской конференции «Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах», Санкт-Петербург, СЗТУ,-2003г.-С.215-220.

13. Безюков O.K., Афанасьева О.В. Парк дизелей судов внутреннего и смешанного плавания и перспективы его развития. Труды международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта», т.З, Санкт-Петербург, СПГУВК, 10-12 сентября 2003, -СД2-17.

14. Безюков O.K., Афанасьева О.В. Критерии подобия для анализа вибраций ДВС. Труды Международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта», т. 3, Санкт-Петербург, СПГУВК, 10-12 сентября 2003, -С.38-44.

15. Афанасьева О. В. Metoda diagnostyki silnikow okr^lowych wykorzystaniem kryteriow podobienstwa. Miedzynarodowe sympozjum silowni okr?towych «ZESZYTY NAUKOWE NR 71», Польша, Щецин, WSM, 2003. с. 21-31.

СПГУВК ИИЦ Зак 168 ТЦр 80 17.05.2004г

»122 1 î

Введение.

ГЛАВА 1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ЛИТЕРАТУРЫ.

1.1. Парк дизелей судов внутреннего и смешанного плавания и перспективы его развития.

1.2. Судовой дизель, как объект вибродиагностирования.

1.3. Применение теории подобия при диагностировании судовых дизелей.

1.4. Методы и приборы для вибродиагностирования судовых двигателей.

1.5. Цель и задачи исследования работы.

ГЛАВА 2. ПОСТРОЕНИЕ КРИТЕРИЕВ И КРИТЕРИАЛЬНЫХ УРАВНЕНИЙ ДЛЯ ВИБРОДИАГНОСТИРОВАНИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ МЕТОДАМИ ТЕОРИИ ПОДОБИЯ.

2.1. Математическая модель дизеля, как многомассовой динамической системы.

2.2. Построение критериев подобия и критериального уравнения для одно-массовой системы.

2.2.1. Критерии подобия для одномассовой системы.

2.2.2. Критериальное уравнение.

2.3. Построение критериев подобия для двухмассовой и трёхмассовой систем.

2.3.1. Двухмассовая система.

2.3.2. Трёхмассовая система.

2.4. Критерии подобия для многомассовой системы.

2.4.1. Достаточные условия подобия двух многомассовых систем.

2.4.2. Построение критериев подобия для многомассовой системы.

2.5. Получение критериев подобия на основе анализа уравнений колебания оболочек.

2.5.1. Уравнения колебаний оболочек.

2.5.2.Критерий подобия, характеризующий уровень вибраций втулки цилиндра, порождаемых газодинамическими процессами.

Выводы по второй главе

ГЛАВА 3. ПОСТРОЕНИЕ КРИТЕРИЕВ ДЛЯ ВИБРОДИАГНОСТИРОВАНИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ МЕТОДОМ АНАЛИЗА РАЗМЕРНОСТЕЙ.

3.1. Физические процессы, происходящие при перекладке поршня в судовых дизелях.

3.2. Математические модели процессов, происходящих при перекладке поршня в судовых дизелях.

3.3. Алгоритм получения критериев подобия методом анализа размерностей.

3.4. Критерий подобия, определяющий вибрации дизелей, порождаемых перекладками поршней.

3.5. Критериальное уравнение, характеризующее уровень виброактивности судовых дизелей.

Выводы по третьей главе.

ГЛАВА 4. МЕТОД ВИБРОДИАГНОСТИРОВАНИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ.

4.1. Методика определения коэффициентов критериального уравнения.

4.1.1. Методика определения коэффициентов в уравнении, характеризующем уровень вибраций, вызванных перекладкой поршня.

4.1.2. Методика определения коэффициентов в уравнении, отражающем отношение энергии упругих сил к энергии газовых сил.

4.2. Вычисление коэффициентов критериального уравнения для основных дизелей речного флота.

4.3. Определение коэффициентов критериального уравнения для дизелей, сгруппированных по частоте вращения коленчатого вала.

4.4. Проверка критериального уравнения на адекватность.

4.5. Диагностирование зазора между поршнем и втулкой цилиндра с помощью критериального уравнения.

4.6. Экспериментальное исследование виброактивности дизеля (448.5/11).

4.6.1. Экспериментальная установка.

4.6.2. Информационно-измерительный комплекс.

4.6.3. Контрольно - вычислительный комплекс.

4.6.4. Программа проведения эксперимента.

4.7. Обработка результатов эксперимента с помощью критериального уравнения

4.8. Построение прогнозной модели изменения величины зазора между тронком поршня и зеркалом втулки цилиндра.

Выводы по четвёртой главе.

Основные результаты исследования и выводы.

Россия — крупнейшая речная держава, водных путей с гарантированными габаритами в которой на 66% больше, чем в США, и в несколько раз больше, чем в любой другой стране мира.

В начале 90-х годов самый крупный в мире флот судов внутреннего и смешанного плавания России обеспечивал перевозку около 600 миллионов тонн различных народно-хозяйственных грузов. Речным транспортом перевозилось в тот период свыше 140 млн. пассажиров, что на порядок выше аналогичных показателей других стран.

Несмотря на существенное сокращение за последние 12 лет экономических показателей, флот внутреннего и смешанного плавания России, насчитывающий более 30 тысяч судов, продолжает играть важную роль в транспортном обеспечении нашей страны.

По состоянию на конец 2002 г. эту перевозочную деятельность осуществляют более 1700 субъектов [41]. Из них около 40% от общего числа являются малыми предприятиями и предпринимателями без образования юридического лица, которым трудно обеспечить поддерживание на приемлемом техническом уровне судов и судового оборудования. Остается высоким количество убыточных судоходных компаний, на которые приходится около 30% их общего количества. Следствием этого является старение основных фондов судоходных компаний (средний возраст самоходных сухогрузных судов речного регистра - 29,5 лет), что приводит к росту отказов и аварий на судах речного флота [19].

Статистические данные, приведенные начальником Верхне-Волжской инспекции Российского Речного Регистра к.т.н. В.П. Лобастовым, показывают (рис. 1), что наибольший процент отказов имеют энергетические установки (до 80%), далее идет ДРК, палубные механизмы, корпус, электрооборудование. В свою очередь, анализ статистических данных по отказам основных элементов судовых энергетических установок, выполненный им же, свидетельствует, что до 80% отказов приходится на главные двигатели, далее идут дизель-генераторы, системы судовой автоматики, вспомогательные котлы (рис. 2).

В связи с постоянным старением дизелей, в особенности широко распространённых высокооборотных ДВС, проблема безопасной эксплуатации судовых дизелей становится все более актуальной. Ее невозможно решить без широкого использования современных методов и средств диагностирования.

Развитию методов и средств диагностирования ДВС посвятили свои работы такие ученые как И.А. Биргер (ЦИАМ), В.А. Шишкин (Институт проблем транспорта РАН), Е. А. Никитин, JI. В. Станиславский, Э. А. Ула-новский (ОАО «Коломенский машиностроительный завод»), O.K. Безюков, Б.В. Васильев, Д.В. Гаскаров, E.H. Климов, В.В. Сахаров, JI.B. Тузов, Изак, Д.А. Кофман, С.М. Ханин, С.Г. Эренбург (СПГУВК), И.В. Возницкий, A.C. Пунда (ГМА им. С.О. Макарова), JI.JI. Грицай (ОИИМФ), О.Н. Лебедев, Ше-ромов (НГАВТ), В.А. Аллилуев, Н.С. Ждановский, A.B. Николаенко, Б. А. Улитовский, В.М. Михлин (СПГАУ) и др. Одиними из важнейших показателей технического состояния дизелей являются уровень и характер изменения параметров вибраций, как наиболее чувствительных к различным отклонениям технического состояния от нормы. ^

Основными источниками вибраций в дизелях являются:

• цилиндро-поршневая группа;

• процесс горения топлива;

• сочленения и контакты подвижных деталей;

• топливная аппаратура;

• механизм газораспределения;

• зубчатые передачи;

• система воздухоснабжения;

• система газовыпуска;

• неуравновешенность движущихся деталей;

• крутильные колебания. а) Грузовой теплоход гр507Б

100.0% зада, вода

70,0% 60ЦК тсг/о еда эода акта

10, СУ/. ада

9Ц0 а.о о $0

2,0 в)Топачпр.Э11Б чиоч, ю щта 7ЦО/. 6цок 5Ц0РЛ ода эдак

07» 40% ада ем ао □

50

50 б) Тамер |-р1577 юцда зада»

ЩСРА 7ЦСРЛ щта вода да зада яда

ЩСРА ада

70,0

150

40

6.0 I

7,0 □ г) Пассзжкфскк« теплоход грЭ46 тао-л.

9Ц0% щда Що

7Ц он що% аа®* «№> ацк, яда щоч

0.СРА

2,0

3,0

21.0

50 - энергетическая установка; □ - палубные механизмы; 0 - электрооборудование; р- л в и ж и те л ь н о-р у л е в о й комплекс; р - корпус и надстройка

Рис. 1. Диаграмма распределения отказов по основным элементам судов (данные Российского Речного Регистра). а > Грузовой ютжкнгрЭТБоо цвдвсбсрсть М4 ДВПМ1 tan. ж®; зцак

Жак, ЭЦ<№ ■бООРА

-«ада/, ьда» ада/. дал

Т7.1Р/, юда/

Ша)л I

4,00/; 4,С№ дого в} Тсгкэч rpi911Б с деепми гаеыдо+сй оборотности эаог/. жег/,

TQCF/t mo% еасрл 4№ заср/с 2QCP/o ЩОК. Qff/i о ад го го б) Инвр гр1577 оо фвдеабфгоь шм/цшпшм баш/о

ОСР/о «ОСР/0 ЭБ0и'4 ждал гг. за со;:,

1500% пак. ада/.

46004

25 дач ида/. ада/, ■

4ДК ддах ада/, г) ГЪосгмчгюйтвгтосдгрЯбс a=ra<oc6cpj<vbMi

HJJHVH ода,

ЯВЬ зада ахда/<> iP: тцда/. адда/. зада/» зада/. чада/. ада/. ■ ■ ■ ада/ дого

Г I г/т «як 4Q0P/' - главные двигатели; []-дизель-генераторы; Ц - вспомогательные котлы; ] - автоматика; Щ - трубопроводы; | - компрессоры; [~| - насосы; Щ - валопроводы; - утилизационные котлы

Рис. 2. Диаграмма распределения отказов по основным элементам судовых энергетических установок (данные Российского Речного Регистра).

Высокие вибрационные нагрузки деталей приводят к появлению усталостных напряжений, ускоряют износ контактирующих поверхностей, снижая надежность и срок службы судовых дизелей. Поэтому измерение виброактивности ДВС весьма важно, а диагностирование на этой основе - перспективно.

Эффективность методов вибрационного диагностирования обусловлена не только органической связью, используемой измерительной информации, содержащейся в вибрационных сигналах с динамическими процессами возбуждения и распространения колебаний, но и возможностью автоматизации процессов съема и обработки измерительной информации с помощью современной микропроцессорной техники и организации процедур диагностирования на основе использования современных программных средств.

Ориентация на методы вибродиагностирования, базирующиеся на принципах безразборности, оперативности и универсальности, позволяет успешно решать поставленные задачи, благодаря огромной информационной емкости вибрационных процессов, сопровождающих функционирование дизелей, использование новых методов обработки измерительной информации, применение микроэлектронной, вычислительной техники.

Методы вибродиагностирования потенциально могут не только предотвратить катастрофические разрушения, но и обнаружить развивающийся дефект на очень ранней стадии, что дает возможность прогнозировать аварийную ситуацию и обоснованно планировать сроки и объем ремонта ДВС.

В России первые научно-технические подразделения, работающие в области вибродиагностирования, появились в ИМАШ им. акад. A.A. Благо-нравова (К. В. Фролов, М. Д. Генкин, Я.Г. Пановко, Соколова А. Г.), ЦНИИ им А.Н. Крылова (В. И. Попков, К. И. Селиванов), ГНЦ «ЦИАМ» (И. А. Бир-гер), ГНЦ «ЦКТИ» (В. И. Олимпиев), ЦНИИТМАШ (Р. В. Васильева), которые далее были развиты в ЦНИДИ (Н. Н. Иванченко, А. А. Скуридина, В. А.

Янчеленко), ЦНИИМФ (Г. Ш. Розенберг, В. И. Зинченко, Е. С. Голуб, Е. 3. Мадорский, А. Н. Неелов, М. Ю. Скоробогатов, В. А. Сорокин), СПГМТУ (П. А. Истомин), СПГУВК (Л. В. Тузов, О. К. Безюков).

Теоретические и прикладные работы в области воспроизведения пространственных полей вибрации и имитации эксплуатационной вибрации были выполнены в Институте проблем машиностроения им. А. Н. Подгорного HAH Украины (А. Е. Божко, Е. А. Личкатый), ЦНИИТОЧМАШ (В. И. Степанов), ЦКБ «Алмаз» (В. М. Калушин), НИИ прикладной физики (Л. Г. Эткин), Белорусском государственном университете информатики и радиоэлектроники (А. Е. Леусенко) и в других организациях [64].

В. И. Попков, Н. В. Григорьев, В. А. Якимов, Н. А. Стоянова и другие ученые обобщили результаты исследования взаимосвязи рабочих процессов и состояния узлов механизмов с вибрационными процессами, и предложили направления использования этих закономерностей для вибродиагностики технического состояния машин и механизмов. Рассмотрены различные типы диагностических моделей, по которым можно оценить техническое состояние машин как при квазидетерминированной, так и при статической связи спектральных составляющих вибрации со структурными параметрами машин [23].

Прогресс в области информатики и микропроцессорной техники, обусловивший возможность создания портативных виброанализаторов с большим объемом встроенной памяти, позволил создать и внедрить методы и средства инспекционной вибродиагностики, то есть систем вибродиагностирования, работающих в «on line».

Следует отметить, что общим недостатком большинства разработанных автоматизированных систем, при достаточно высоком техническом уровне аппаратуры контроля и мониторинга, является относительно слабое методическое и алгоритмическое обеспечение, ограничивающее диагностические функции систем, что снижает эффект от использования аппаратуры с большим быстродействием и объемом памяти [28, 89].

Это обусловлено тем, что определение дефектов по вибрационным параметрам является одним из наиболее интеллектуалоемких разделов диагностирования машин возвратно-поступательного действия, к числу которых относятся судовые ДВС. Для них не все, научные и практически важные, проблемы решены в полной мере.

В настоящее время отсутствуют методики определения виброактивности дизелей, адекватные сложности указанного процесса и возможностям виброизмерительной аппаратуры.

Представленные в данной диссертационной работе исследования направлены на устранение этих пробелов, прежде всего, на основе более полного описания вибрационных процессов с помощью методов теории подобия и анализа размерностей.

Решение этой задачи позволит полнее контролировать техническое состояние судовых дизелей, а, следовательно, более обосновано переходить от метода 111 IP к методу технического обслуживания и ремонта судовых дизелей по их фактическому состоянию.

1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ

ЛИТЕРАТУРЫ

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ И ВЫВОДЫ

1. Анализ парка дизелей речного флота показал, что для обеспечения безаварийности судовых дизелей, как существующих малофорсированных, но физически изношенных, так и новых, высокофорсированных, необходимо совершенствование методов и средств вибродиагностирования и расширения сферы их применения на речном флоте.

2. Разработана математическая модель дизеля, как многомассовой системы, которая позволила при использовании методов теории подобия получить критерии подобия, учитывающие влияние на вибрационные параметры таких характеристик как жёсткость и демпфирование масляных плёнок.

3. На основе теоретического анализа уравнений, описывающих вынужденные колебания оболочек, и использования методов теории подобия получен критерий, позволяющий оценить влияние на уровень вибраций втулок и блоков цилиндров, газодинамических процессов при сгорании топлива.

4. На основе анализа размерностей получен критерий подобия, позволяющий оценить влияние на уровень вибраций втулок и блоков цилиндров перекладки поршня в тепловом зазоре.

5. Предложено критериальное уравнение, полученное комбинацией ранее описанных критериев подобия. Определены неизвестные коэффициенты в критериальном уравнении для 23 наиболее распространенных дизелей речного флота. Показано, что максимальную точность в определении виброскорости дают критериальные уравнения, коэффициенты которых получены при разбиении парка дизелей на 4 группы, в зависимости от номинальной частоты вращения коленчатого вала. Таким образом, погрешность в определении вибрационных параметров дизелей практически полностью определяется погрешностью измерений.

6. Разработан метод вибродиагностирования дизеля, который позволяет определять величину диаметрального зазора между втулкой цилиндра и тронком поршня, рассчитывать текущую скорость изнашивания деталей цилиндро-поршневой группы, более обоснованно выбирать периодичность технических обслуживаний и ремонтов дизелей.

7. Проведено экспериментальное исследование дизеля 448,5/11, которое подтвердило эффективность предложенного метода определения зазора между поршнем и втулкой цилиндра по данным измерения вибраций.

Автор считает целесообразным проведение дальнейших исследований по разработке методов определения зазоров, между деталями поршневой группы и в подшипниках коленчатого вала, на основе измерений вибраций дизеля, с учетом эластогидродинамических процессов в этих трибосопряже-ниях.

1. Акимов Р.Н. и др. Справочник моториста.М^ Воениздат, 1972.-512с.

2. Альбом информации по судовым двигателям. ОАО ХК «Коломенский завод», Коломна, 2000,49 с.

3. Анализ размерности в С++. Роберт Ф. Кмелик и Нараин X. Гехани AT&T Bell Laboratories

4. Афанасьева О.В., Мартыщенко JI.А. Интерполяционный метод статистического анализа динамики элементов судовых дизелей. Труды Российско-польской конференции «Анализ, прогнозирование и управление в сложных системах», Санкт-Петербург, СЭТУ,-2003г.-С.209-214.

5. Байбурин Ф.З. Эксплуатационные характеристики корабельных дизелей. Л., Изд-во ЛВИМУ, 1989, 235 с.

6. Баранов Л.Г., Сенников Ю.И., Скуридин A.A., Тузов Л.В. Виброакустический метод диагностики цилиндро-поршневой группы ДВС. Судостроение № 11,- 1976, с. 26-29.

7. Басниев К.С., Дмитриев Н.М., Розенберг Г.Д. Нефтегазовая гидромеханика: Учебник для вузов.- Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, -2003, 480с.

8. Безюков O.K., Афанасьева О.В. Критерии подобия для анализа вибраций ДВС. Труды Международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта», Т. 4, Санкт-Петербург, СПГУВК, 10-12 сентября 2003, С 38-44.

9. Ю.Безюков O.K., Афанасьева О.В. Использование методов теории размерностей при вибродиагностировании судовых дизелей.

10. Труды Российско-польской конференции «Анализ, прогнозирование иуправление в сложных системах», Санкт-Петербург, СЗТУ,-2003г.-С.215220.

11. Н.Безюков O.K., Забелин H.A. Датчик для измерения параметров пленочного течения жидкостей. Авторское свидетельство №934232,БИ №21, 1982

12. Безюков O.K., Скрюченков М.Л. Адаптация средств вибродиагностирования судового дизеля// Сборник материалов IX межвузовской школы семинара «Методы и средства технической диагностики», кн.2, Ивано-Франковск, 1990.-С.74-76.

13. Безюков O.K., Смирнов Б.К. Устройство для измерения толщины пленки жидкости. Авторское свидетельство №664020, БИ №19, 1979

14. Безюков O.K., Смирнов Б.К., Попов Н.В. Датчик пленки жидкости Авторское свидетельство № 723382, БИ №11, 1980

15. Биргер И.А. Техническая диагностика. М., 1979.-270с.

16. Болыная энциклопедия транспорта. В8т./ Под общ. ред. В.П. Каляви-на.Т5.: Морской транспорт\Под ред. В.Л. Галки.-СПб.: Элмор,2000,-380с.

17. Бриджмен П.В. Анализ размерностей. 2001, 148с.

18. Булов A.A. Подходы и методы оценки стоимости бизнеса судоходных компаний// Труды Международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта», СПб, СПГУВК, 2003, т. 1, С.78-81.

19. Ваншейдт В.А. Судовые двигатели внутреннего сгорания. Л., Судостроение, 1977.-391с.

20. Веткина JI.B., Янчеленко В.А. Имитационная модель для оценки вибрационных потерь энергии в ДВС. Двигателестроение № 4, 1985.-С.21-23.

21. Вибрация в технике. Справочник: В 6 т.//Колебания машин, конструкций и их элементов/Под ред. Ф.М. Диментберга, К.С.Колесникова. М., 1980. Т. 3: -544с.

22. Вибрация в технике: Справочник в 6-ти т. Т. 5 / Под ред. М. Д. Генки-на. М.: Машиностроение, 1981.-496с.

23. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов/ Ф.Я. Ба-лицкий и др. М., 1984.-119с.

24. Вибродиагностика: Моногр./Розенберг Г.Ш., Мадорский Е.З., Голуб Е.С. и др.; Под ред. Г.Ш. Розенберга.-СПб.: ПЭИПК, 2003.-284с.

25. Генкин М.Д., Соколова А.Г. Виброакустическая диагностика машин и механизмов.- М.: Машиностроение, 1987.-288с.

26. Глушков С.П., Ратничкин A.A. Вынужденные колебания двигателя на виброизоляторах с ограничителями хода //Снижение вибрации судовых энергетических установок: Сб. науч. тр. — Новосибирск: ниивт,1989. — С.17-25.

27. Голуб Е.С., Мадорский Е.З., Розенберг Г.Ш. Диагностирование судовых технических средств: Справочник. -М.: Транспорт, 1993.-150с.

28. Гольдин А. С. Вибрация роторных машин. М.: Машиностроение, 2000.

29. Григорьев Е.А., Аллабергенов М.Д. Теоретическое исследование колебательной системы поршень-цилиндр. Двигателестроение № 10, 1985.-С.13-16.

30. Гухман A.A. Введение в теорию подобия. М., Высшая школа,-1973,-296с.

31. Диагностирование дизелей/Е.А. Никитин, JI.B. Станиславский, Э.А. Улановский и др. М, Машиностроение, 1987, 224 с.

32. Дизели 48,5/11, 49,5/11. Описание и инструкции по эксплуатации. М, В/О «Судоимпорт», 1979, 143 с.

33. Дизельные и газовые двигатели. Каталог. СПб, ФГУП «ЦНИДИ», 2003, 219с.

34. Диков В.А., Макаренков А.И., Кулик А .Я. Снижение вибрации дизелей при использовании поршней с деформируемым покрытием. Двигателе-строение. № 3, 1990 г., с. 42 43.

35. Динамическое нагружение кривошипно-шатунного механизма дизелей /Косырев С.П.- Двигателестроение. № 11, 1980 г., с. 21 23.

36. Дорошко С.М. Контроль и диагностирование технического состояния газотурбинных двигателей по вибрационным параметрам. М.: Транспорт, 1984.- 129 с.

37. Дьяконов В. Mathcad 2001: Специальный справочник СПб., Питер,2002.-832с.

38. Ефремов Л.В. Корреляционный анализ статистических данных в области технической эксплуатации флота рыбной промышленности. Экспресс-информация ЦНИИТЭИРХ, серия «Эксплуатация флота рыбной промышленности», 1974, вып. 8, с. 8-14.

39. Ивченко Б.П., Мартыщенко Л.А., Монастырский М.Л. Теоретические основы информационно-статистического анализа сложных систем /Оформление обложки А.Олексенко, С.Шапиро СПб.: Лань, 1997. -320с.

40. Ивченко В. Д., Ивченко Н. К. Диагностика технических систем. МГА-ПИ, 1998.

41. Ионов A.B. Средства снижения вибрации на судах. СПб.: ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова, 2000.- 348с.

42. Кальменс В.Я. Обеспечение вибронадёжности роторных машин на основе методов подобия и моделирования. СПб.: СЗПИ, 1992,- 373с.

43. Камкин C.B., Возницкий И.В., Шмелев В.П. Эксплуатация судовых дизелей. М.: Транспорт, 1990,-344 с.

44. Керчер Б.М., Богданов Ю.С., Клигерман Ю.Я. Исследование перекладки поршня быстроходного дизеля. Двигателестроение №10, 1981.-С. 1519.

45. Климов E.H. Основы технической диагностики судовых энергетических установок.-М.: Транспорт, 1980.-116с.

46. Климов E.H., Попов С.А., Сахаров В.В. Идентификация и диагностика судовых технических систем. JL: Судостроение, 1978. - 176 с.

47. Ковальчук Л.И. Оценка технического состояния элементов зарубашеч-ных полостей охлаждения дизелей по изменению виброактивности цилиндровых втулок. Двигателестроение. № 7, 1991г.-с.37-39.

48. Колкунов Н.В. Основы расчёта упругих оболочек: Учеб. пособие для строит, спец. Вузов.-З-е изд., М.: Высшая Школа, 1987.-256 с.

49. Коллакот Р. А. Диагностирование механического оборудования. Л.: Судостроение, 1980.

50. Колчин А.И., Демидов В.П. Расчёт автомобильных и тракторных двигателей. М.: Высш. Шк., 2002.-496с.

51. Кондратьев H.H. Отказы и дефекты судовых дизелей. М.: Транспорт, 1985,- 152с.

52. Костров A.B., Смирнов C.B., Макаров А.Р. Математическое моделирование движения поршня в цилиндре, в слое смазочного материала с учетом деформации юбки. Двигателестроение. № 1, 1990г.-с.7-9.

53. Махутов H.A., Каплунов С.М., Прусс Л.В. Вибрация и долговечность судового энергетического оборудования. Д.: Судостроение, 1985,-304с.

54. Машиностроение. Энциклопедия, /ред. совет: К.В. Фролов (пред.) и др. -М.: Машиностроение. Динамика и прочность машин. Т. 1-3. В 2-х кни-гах/А.В. Александров, H.A. Алфутов, В.В. Астанин и др.; Под общ. ред. К.С. Колесникова. 1995.-624с.ил.

55. Миронов Г.Н. Определение действительных зазоров между цилиндром и поршнем на работающем двигателе. Двигателестроение , 1984-С.50-51.

56. Михеев P.A. Прочность вертолётов: Учебник для авиационных специальностей втузов. М.: Машиностроение, 1984,- 280с.

57. Моек Е., Штрикерт X. Техническая диагностика судовых машин и механизмов: Пер. с нем. -JI: Судостроение, 1986.-232с., ил.

58. Надёжность и эффективность в технике: Справочник: В Ют./ Т.4.:Методы подобия в надёжности/ Под общ. Ред. B.A. Мельникова, H.A. Сверцева.М.: Машиностроение, 1987,- 280с.

59. Папуша А.Н. Динамические явления в колебательных системах цилиндро-поршневой группы ДВСД Автореферат диссертации на соискание учёной степени доктора техн.наук. СПб, 1999.-3 8с.

60. Пахолко В.В. Колебания и надёжность цилиндровых втулок малооборотных ДВС. Двигателестроение №2, 1985.-С.20-21.

61. Попков В.И., Мышинский Э.Л., Попков О.И. Виброакустическая диагностика в судостроении. Л., Судостроение, 1989. -256 с.

62. Постнов В.А., Калинин B.C., Ростовцев Д.М. Вибрация корабля: Учебник-Л.: Судостроение, 1983.-248с.

63. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х книгах. Кн. 1 /Под ред. В.В.Клюева.-2-е изд., перераб. и доп. -М: Машиностроение, 1986.-488с., ил.

64. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. В 2-х книгах. Кн.2 /Под ред. В.В.Клюева.-2-е изд., перераб. и доп. -М: Машиностроение, 1986.-352с., ил.

65. Руководство по эксплуатации. Портативный виброметр SVAN 946./ Технические системы и технологии. SVANTEK Ltd, 2002.

66. Руководящий технический материал. Комплекс противошумовых мероприятий на судах речного флота./ РТМ 212.0060-76. Ленинград: Транспорт, ЛИВТ, 1978.-C.88-94

67. Рык Г.М. Особенности бокового движения поршня при различных режимах работы ДВС. Двигателестроение №10, 1985.- 17-19.

68. Сборник методических пособий по обеспечению эксплуатационных качеств и надежности оборудования промысловых судов//Под ред. Р.В. Кузьмина/Л., Судостроение, 1977, 252 с.

69. Северцев A.A., Шолкин В.Г., Ярыгин Г.А. Статистическая теория подобия: надёжность технических систем. М.: Наука, 1986, 206 с.

70. Седов Л.И. Методы подобия и размерности в механике. М.: Наука, 1972,- 440с.

71. Сидоренко M.K. Виброметрия газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 1973.- 224с.

72. Смирнов С.С., Скуридин A.A. Расчётно-экспериментальный метод определения амплитуд колебаний элементов остова дизеля. Двигателестроение №Ц} 1987.-18-20.

73. Спиро В.Е. Борьба с вибрацией на судах. — Б.м., 1987. — 36с.: ил.

74. Справочник по технической акустике: Пер. с нем./ Под ред. М. Хекла и Х.А. Мюллера.- Л.: Судостроение, 1980.-440 с.

75. Теории подобия и размерностей. Моделирование. Алабужев П.М. и др. М.: ВШ, 1968,-208с.88Лехнические средства диагностирования: Справочник/Под общ. ред. В.В. Клюева. М.: Машиностроение, 1989.-627с.

76. Тисенко В.Н. Агрегирование модели в системах испытаний сложных технических объектов. СПб.: Политехника, 1998. - 153с.: ил.

77. Тузов Л. В., Недошивин А. И. Дизелизация речного флота России. Дви-гателестроение, № 1-2,1993.- с. 45-48.

78. Тузов Л.В., Скориков Ю.Т. Динамическая модель кривошипно-шатунного механизма с учётом зазоров. Двигателестроение, № 3, 1987.- С. 14-15.

79. Тузов Л.В., Скориков Ю.Т. Динамическая модель кривошипно-шатунного механизма// Тезисы докладов научно-технической конференции «Современные проблемы кинематики и динамики ДВС», Волгоград: Волгоградская правда, 1985. с.10-13.

80. Фомин H.H., Безюков O.K. Эксплуатация дизелей до предельного состояния. Труды международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта», т. 3, СПГУВК, 2003, с.

81. Фомин H.H., Безюков O.K. Эксплуатация дизелей до предельного состояния. Труды Международной научно-практической конференции «Безопасность водного транспорта», т. 3, СПГУВК, 2003, С. 18-24.

82. Хантли Г. Анализ размерностей. М.: Мир, 1970,- 176с.

83. Шабанов Ю.А., Сидоров A.A. Исследование совместной работы комплекта поршневых колец и тронка поршня двигателя. Двигателестроение. № 1,2000 г.-с.5 — 6 .

84. Щиголев Б.М. Математическая обработка наблюдений. Москва, Гос. изд. физ-мат. лит. -1960.-С. 246-248.

85. Эльперин А.И., Явленский А.К., Талашов Г.И. Диагностирование рео-динамики систем трения, СПб: Наука, 1998.- 142с.

86. Явленский К.Н., Явленский А.К. Вибродиагностика и прогнозирование качества систем, Л: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1983.-239с.

87. Ямарин А.И., Жаров A.B. Динамика поршневых двигателей: Учебное пособие.-М.: Машиностроение, 2003 .-464с.

88. Barhorst Alan A., Everett Louisj. Modeling hibrid parameter multiple body systems: a different approach. //Int. j. Non-Linear Mech.-30N 1.1995.- C.l-21.

89. Dubowsky S., Freudenstein F. Dynamic Analysis of Mechanical Systems With Clearances, Part I: Formation of Dynamic Model. Конструирование и техническое машиностроение № 1, 1971.-С.247-252.

90. Fishburn P.C. SSB utility theory and decision-making under uncertainty Math Social sci. 1984. V.8. N3.

91. Fishburn P.C. The axioms of subjective probability / /Stat. Sci. 1986. V. 1.N3.

92. Haque-Copilan Shirin. Extremely simple demonstration of forced os-cillation//Amen. j. Phys.-64 N4.-1996.-C.507-508.

93. Hildebrand S. Feinmechanische Bauelemente// 4 Aufl; Berlin: VEF Verlag Technik, 1980. 747 s.

94. Huber G.P. methods of quantifying subjective probabilities and multiattribute utilities / / Decision sci. 1974. V.5. N3.

95. Listewnik J, Marcinkowski J. Rozwokonstrukcji okrçtowych wolnoobrotowych silnikôw spalinowych. Szczecin, 2000.-233.

96. Lvovskiy E.N. Research of Mechanical Characteristics of concrete using Computer, Statistical Methods and .Active Experiments Summaries Rilem Symposium. Copenhagen, 1971.

97. Lvovskiy E.N. Calculation of Prestressing Lossesin Fitting caused by Greep of Concrete using Multifactor Models, VIII International Congress of the Federation International de la Précontrainte. London, 1978.

98. Lvovskiy E.N., Bordeyanou G. V. Une methode statistique nouvelle pour le calcul des caractéristiques de fluage des bétons. Bulletin de liaison de laboratoires des pouts et chaussees, N 91, 1977.

99. Sntpin'ski Brunon. Identifikacja nieliniowego ukladu dunamicznego z zastosowaniem optymalizacji complex// Zesz. nauk. pbialost Mech.-N 11.1993,- c.103-118.

100. Technical summaty of Sulzer disel engines. Sulzer Brothers Ltd. Switzerland. 1981.

101. Technical development. Prospekt Firmy MAN-B&W, 1985.

102. Yoshitake Yutaka, Sueoka Atsuo,Shoji Nobuchika, Hai Toshitaka. Vibrations of nonlinean systems with discontinuities: The case of apreloaded compliance system// Nihon kikai gakkai ronbunshu/ Trans. Jap. Soc. Mech. Eng.- 63 B 615.-1997.- C.3848-3855.