авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |

«ФЕДЕРАЛЬНОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «НОВОСИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ ВОДНОГО ...»

-- [ Страница 5 ] --

Задаваясь необходимым уровнем надёжности ошибок, по этим распре делениям можно установить допустимую величину средней концентрации железа K Feср доп и на основе формулы (4.25) при tн 3,5 тыс. ч определить до пустимую величину износа, обеспечивающую при заданных ошибках нара ботку дизеля в течение навигации U доп 7,64 104 K Fe cр доп tн (4.26) Тогда величина остаточного ресурса при глобальном прогнозировании, рассчитанная из предположения постоянной скорости износа, определится разностью полного (располагаемого) ресурса tпол и фактически выполненной наработки на момент прогнозирования U доп U ср U доп tост tпол tпр tпр. (4.27) gср gср При выборе нормы допустимого износа по формуле (4.19) следует иметь в виду следующие два соображения: число снимаемых с эксплуатации дизе лей должно существенно превышать ожидаемое число дефектных дизелей;

принимаемое значение «ложной тревоги» не должно нарушать нормальную эксплуатацию или приводить к чрезмерно большим экономическим потерям.

В практических задачах часто принимают [23] k, (4.28) где ошибка первого рода (ложная тревога);

ошибка второго рода (пропуск дефекта);

k 1 3 коэффициент избыточности, зависящий от разрешающей способно сти диагностических средств, опасности дефекта, экономических затрат и т.п.

Учитывая то, что экономические затраты требуют специальных иссле дований, решение задач которых нами не ставилось, мы исходили из уровня вероятности ошибки «пропуска дефекта» уст 0,10. Соответственно вероят ность ошибки «ложной тревоги» составила величину уст 0,16 (рисунок 4.11). Принятым уровням вероятностей ошибок соответствует допустимая величина средней концентрации железа, равная 80 г/т. Следует отметить, что этой величине (по опыту эксплуатации в течение трёх навигаций) соответст вует более высокая фактическая достоверность прогноза (87%), чем, скажем, при норме в 70 г/т, определённой при 0, 05 и 0,31 (79%).

При установленной норме с учётом формулы (4.17) имеем:

U доп 7,64 104 80 3,5 0, 214 мм.

Тогда прогнозная формула (4.18) примет окончательный вид:

tост tпр. (4.29) K Feср Суммарная погрешность прогноза пр обусловлена ошибками в опреде лении допустимых величин средней концентрации железа K Feср доп и средней скорости изнашивания gср доп :

g.

2 пр K Feср доп (4.30) ср доп ( K Fe ) ( K Feср ) ср уст уст 0 K Fe, г / т K Feдоп Рисунок 4.11 – Распределение вероятностей ошибок принятия решений о состоянии дизеля по средней концентрации железа в масле M 10B2 : 1 – первого рода;

2 – второго рода При известном параметре формы гамма – распределения для дефектного состояния r K Feср / D2 9,124 и количестве дефектных дизелей N2 19 единиц K Feср доп оставила величину, равную 0,123. При известной величине абсо лютной погрешности gср 5, 4 103 мм/(тыс. ч) отнесённой к скорости из нашивания, определённой при K Feсрдоп 80 г/т, gср доп равна 0, 087. Тогда, согласно формуле (4.30), пр 0,1232 0,0872 0,151, т.е. 15,1 %.

На рисунке 4.12 представлена иллюстрация разработанного алгоритма прогнозирования. Здесь тангенсы углов 1 и 2 соответственно характери зуют: допустимую и текущую на момент прогнозирования средние скорости изнашивания цилиндровых втулок.

Рисунок 4.12 – Схема прогнозирования по износу цилиндровых втулок судового дизеля Таким образом, разработанная на примере цилиндровых втулок методи ка прогнозирования остаточного ресурса дизелей, как показали наши иссле дования и практический опыт, позволяет с большой достоверностью плани ровать постановку дизелей в ремонт или оставлять их без разборки для рабо ты в следующую навигацию. Алгоритм прогнозирования является обучаю щимся, так как позволяет производить корректировку величин допустимых износов деталей, выраженных через среднюю концентрацию продуктов из носа в РММ.

4.4 Результаты разработки методики диагностирования состояния цилиндровых втулок дизелей Г70-5 по общей загрязнённости работающего моторного масла Математитические модели диагностирования и прогнозирования судо вых дизелей на основе спектрального анализа РММ, разработанные автором настоящей диссертационной работы, успешно прошли апробацию в произ водственных условиях развитой инфраструктуры Западно-Сибирского реч ного пароходства. Они показали свою экономическую эффективность при наличии большого парка эксплуатируемых дизелей [38, 115, 162].

В сложившихся рыночных условиях судоходным компаниям, особенно частным, использование системы диагностирования на основе спектрального анализа масла экономически невыгодно из-за больших капитальных затрат и срока окупаемости. Однако накопленный производственный опыт позволяет заключить, что в этом случае с успехом может быть использован такой обобщенный диагностический параметр, как общая загрязненность РММ (параграф 3.3). В комплексе с теплотехническими показателями, контроли руемыми судовым экипажем, этот показатель позволит обоснованно вынести решение о техническом состоянии дизеля в процессе его эксплуататации.

На основе полученных ранее результатов была поставлена задача: раз работать алгоритм диагностирования состояния трущихся деталей дизеля, а также самого масла по его общей загрязненности. Ниже изложены результа ты такой разработки.

В процессе работы ДВС работающие моторные масла загрязняются примесями, которые условно можно разделить: растворимые и нераствори мые. Растворимые примеси это в основном продукты неполного окисления и полимеризации масла, топливо и органические кислоты. В свою очередь нерастворимые в масле примеси делятся на органические (карбены, асфаль тены и др.) и неорганические (металлы, окислы металлов — продукты износа деталей;

минеральная часть — частицы пыли). При длительной работе дизеля в условиях установившегося износа и постоянном уровне масла характерна стабилизация содержания примесей в РММ [26, 35, 169, 175, 180]. Возраста ние интенсивности изнашивания деталей ЦПГ двигателя приводит соответ ственно к возрастанию уровня загрязненности и старению РММ. Это обстоя тельство используется при диагностировании и прогнозировании состояния трущихся деталей по средним показателям параметра.

Общая загрязненность РММ, как диагностический параметр, опреде лялась при помощи фотоэлектрического колориметра-нефелометра ФЭК 56М. Методика определения подробно изложена в параграфе 3.3, пункт 3.3.1.

Как установлено ранее (параграф 4.1), общая загрязненность наибо лее хорошо описывается законом гамма – распределения. В таблице 4. приведены основные характеристики такого распределения для исправных D1 и дефектных D2 состояний дизелей Г70-5. Пробы РММ получены с дизелей.

В технической диагностике, большое значение имеет описание состоя ния объекта контроля системой параметров, обладающих большой диагно стической ценностью. Расчеты частной Z D, Z D и общей Z D диагно 1 стической ценности показали, что общая загрязненность РММ является до вольно информативным параметром, занимает третье место после концен Z D Feср 0,136;

трации железа и температуры вспышки масла:

Z D tвсп 0,097;

Z D 0,084. Эти параметры связаны единым физическим ме ханизмом процесса изнашивания: концентрация железа напрямую связана с интенсивностью изнашивания сопряжения «втулка-поршень», что ведет к увеличению зазоров и попаданию продуктов износа и продуктов неполного сгорания топлива в РММ.

Таблица 4.12- Характеристики распределения общей загрязненности масла M 10B2 для различных состояний дизелей Г70- Состояние Объём Диапазон Среднее Квадратич- Параметры дизеля выборки значение изме- ное откло- распределения нение нения r 176 40-1000 432,73 238,86 3,279 0, D 137 110-1320 596,20 268,29 4,928 0, D Для изучения характера статической связи между общей загрязненно стью и концентрацией железа K Fe, как основного диагностического пара метра состояния деталей ЦПГ, был проведен корреляционно-регрессионный анализ экспериментального материала. Линейная регрессионная модель вида 98, 21 5,77 K Fe, (4.31) где a 98, 21;

b 5,77 коэффициенты, определённые путем обработки масси ва опытных точек K Fe ;

методом наименьших квадратов, адекват но описывает опытный материал.

Так, коэффициент корреляции r и вероятная относительная погреш ность аппроксимации составили соответственно величины 0,72, при rкр 0, с уровнем надежности P 0,95, и 9,52 %.

На основе полученных результатов рассчитаны диагностические норма тивы для общей загрязненности На рисунке 4.13 представлены вероятно сти распределения величин для различных состояний дизелей Г70-5. Как следует из рисунка, области исправного (1) и дефектного (2) состояний су щественно пересекаются.

Рисунок 4.13 – Плотности распределений величин в масле для различных состояний дизелей Г70-5: 1 – D1 2 – D Для повышения надежности оценки по комплексу диагностических па раметров нами вводилась «зона неопределенности» (зона отказа от распозна вания), которая анализировалась затем методом последовательного статисти ческого анализа А. Вальда. По одному параметру такой анализ невозможен.

Поэтому при выборе нормативов мы исходили из следующих соображений, графически представленных на рисунке 4.14.

Рисунок 4.14 – Распределение вероятностей ошибок принятия решений по величинам для различных состояний дизелей Г70-5: 1 ;

2 Для однозначного принятия решения о дефектном состоянии дизеля и, следовательно, его разборки для ремонта следует установить предельный норматив в 800 единиц при ошибке первого рода 0, 05 «ложная трево га». При этом с вероятностью P 0,95 принимается решение о дефектном со стоянии дизеля. Приблизительно такое же значение норматива имеет вели чина 790 единиц, рассчитанная по уравнению регрессии (4.31) при пре дельной величине концентрации железа, равной 120 г/т. Этот же норматив следует применять и при решении о смене масла (браковочный параметр РММ).

Допустимый норматив в 300 единиц при ошибке второго рода 0, 05 «пропуск дефекта» позволяет с вероятностью P 0,95 вынести реше ние как об исправном состоянии деталей ЦПГ, так и работоспособности мо торного масла. При превышении величинами норматива следует уси лить теплотехнический контроль над дизелем, что дополнит информацию о состоянии дизеля.

Как указывалось ранее (параграф 4.4), эффективность диагностических программ существенно возрастает, когда при одинаковом содержании кон трольных операций решается задача прогнозирования изменения состояния объекта в будущие моменты времени. В этом случае алгоритм диагностиро вания дополняется алгоритмом прогнозирования.

Полученные нами результаты эксплуатационных исследований позво лили с единых теоретических позиций, принятых в параграфе 2.6, разрабо тать алгоритм прогнозирования остаточного ресурса цилиндровых втулок дизелей Г70-5 по общей загрязнённости РММ. Ниже изложены результаты такой разработки при допущениях, принятых выше в алгоритме прогнози рования по средней концентрации железа в РММ.

На основе полученной регрессионной модели (4.31) и установленном в параграфе 4.4 нормативе K Feср доп 80 г/т рассчитаем допустимую величину общей загрязнённости РММ доп Получим доп 560 единиц. Это значение соответствует величине ошибки второго рода 0, 09 (рисунок 4.14).

Выразим из выражения (4.31) концентрацию железа в РММ и предста вим величины средними значениями, получим K Fe 0,173 ср 17, 021. (4.32) ср Полученное выражение, а также величины K Fe ср 80 г/т и tн 3,5 тыс. ч подставим в прогнозную формулу (4.29), окончательно имеем:

tост tпр (4.33) 0,173 ср 17, Апостериорные расчёты по формуле (4.33) подтвердили высокую досто верность постановки диагноза (86%).

4.5 Основные результаты исследования. Выводы 1. Выполнены широкие опытные исследования на контролируемых в эксплуатационных условиях судовых дизелях Г70-5. Получен необходимый экспериментальный материал для разработки нормативов и критериев оцен ки их состояния.

2. Проведён вероятностно-статистический анализ распределений вели чин диагностических параметров РММ при различных состояниях деталей ЦПГ дизелей Г70-5. Аппроксимация осуществлялась по пяти теоретическим законам. Наиболее приемлемым оказался закон гамма – распределения. Дано теоретическое обоснование этому.

3. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработан и реализован в программе на ЭВМ расчётный метод корректи тируемых предельных и допустимых нормативов, позволяющих выносить однозначное решение о дефектном и исправном состоянии дизеля.

4. На примере деталей ЦПГ дизелей 12ЧРН 36/45 впервые выполнен численный эксперимент по исследованию изменения диагностической цен ности комплекса параметров РММ в зависимости от числа разбиений реали заций массива данных на равномерные интервалы.

5. По результатам экспериментальных и теоретических исследований получена экспоненциальная зависимость, наиболее полно отражающая об щий характер такого изменения. Метод расчёта реализован в программе на ЭВМ.

6. По результатам теоретических и экспериментальных исследований сформирована диагностическая матрица, обеспечивающая эффективное ис пользование обучающегося алгоритма диагностирования. Алгоритм форми рования матрицы реализован в программе на ЭВМ.

7. По результатам экспериментальных и теоретических исследований разработаны математические модели и методики диагностирования и про гнозирования остаточного ресурса цилиндровых втулок дизелей Г70-5 по средней концентрации и общей загрязнённости РММ. Получены рабочие прогнозные формулы.

ГЛАВА 5 РЕЗУЛЬТАТЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ВЫСОКООБОРОТНЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО ПАРАМЕТРАМ РАБОТАЮЩЕГО МОТОРНОГО МАСЛА 5.1 Экспериментально-теоретическое исследование влияния нагрузки на ресурс дизелей 12ЧСН 18/20 (М400, М401А-1) Дизели М400 и М401А-1, эксплуатационно-технические данные кото рых представлены в таблице 5.1, скоростных пассажирских судов составляли довольно многочисленную группу дизелей ЗСРП (около 90 единиц). Скоро стные теплоходы проекта № 340 (типа «Ракета»), проекта № 342 (типа «Ме теор»), проекта № 352 (типа «Восход»), проектов № 946 и № Р-83 (типа «За ря»), дизели которых задействованы в нашем исследовании, были заняты пе ревозкой пассажиров по рекам Оби и Томи. Время их непрерывной работы составляло от 3 до 14 часов в зависимости от протяженности линии. При ра боте скоростной режим фактически не менялся, но затрачиваемая мощность, а, следовательно, и среднее эффективное давление, в некоторой степени за висели от загрузки теплоходов пассажирами.

Некоторое представление о нагрузке дизелей дают результаты наших наблюдений за работой теплоходов «Ракета- 21» (дизель М400) и «Ракета 28» (дизель М401А-1). Расход топлива дизелями этого типа за навигацию в среднем составил, соответственно: 115 и 120 кг/ч при нормативном расходе на номинальном режиме – 185 и 175 кг/ч. Следовательно, можно заключить, что дизели в среднем работали в режиме, составляющем около 65% от номи нального режима. При этом следует отметить стабильность основных показа телей (мощности, частоты вращения и др.) при работе на эксплуатационном режиме.

Таблица 5.1 – Эксплуатационно-технические данные исследуемых дизелей [114, 154] Наименование параметра Обозна- Размер- Дизель или показателя чение ность М400 М401А- Мощность кВт 736 Ne мин- Частота вращения 1700 ne Число цилиндров - 12 i Диаметр цилиндра мм 180 D Ход поршня * мм 200 S 209,8 209, Степень сжатия - 13,5 13, Средняя скорость поршня м/с 11,61 10, cm Среднее эффективное МПа 0,832 0, Pe давление Давление сжатия МПа - Pc Давление сгорания МПа - Pz Давление наддува МПа 0,054 0, Pk Удельный расход топлива г/(кВт ч) 252 ge Удельный расход масла г/(кВт ч) 8,16 8, gм Температура выпускных газов (средняя по О С 560 tог цилиндрам) О Температура масла С 95 tм после дизеля, не выше Давление масла в системе МПа 0,588 – 0, Pм смазки (после фильтра) 0, Масса масла в системе кг 150 Qo смазки Масса дизеля кг 1800 G Примечание: * – ход поршня с прицепным шатуном в знаменателе Накопленный производственный опыт [60, 61] показывает, что нагрузка дизелей, установленных на судах разных проектов, значительно отличается как на переходных, так и на установившихся режимах. С перегрузкой, без за паса мощности работают дизели, установленные на мелкосидящих теплохо дах «Ракета» проекта № 340МЕ. Это обусловливается конструктивными осо бенностями: малым заглублением крыльев и движительной системы, которые создают дополнительное сопротивление движению судна. Гребные винты теплоходов «Заря» проекта № 946, изготовленные Красноярским СРЗ, явля ются гидродинамически «тяжёлыми». Даже дизели М400 на этих судах, не достигнув номинальной частоты вращения, уже при 1250 1300 мин-1 начина ют работать за ограничительной характеристикой. В лучших условиях рабо тают дизели на теплоходах «Ракета» проекта № 340. Максимальная мощ ность на переходных режимах находится у них на уровне ограничительной характеристики.

Используя результаты работ [60, 61] в настоящем исследовании прове дена оценка показателей надёжности деталей ЦПГ исследуемых дизелей с учётом их модификаций и режимов работы для различных проектов скорост ных судов.

Статистическая выборка наработки на отказ дизеля включала в себя от казы по следующим причинам: износ цилиндровых гильз, повреждения гильз из-за прогара поршней, износа заглушек поршневых пальцев;

износы, залега ния и поломки поршневых колец, а также трещины и нарушения уплотнений гильз. Объём выборки отказов составил 106 дизелей. В виду их ограниченно го числа, разделение на отдельные совокупности деталей ЦПГ нами не про водилось, а оценивалась надежность ЦПГ дизелей в целом.

На основании анализа винтовых характеристик скоростных судов дизе ли по эксплуатационному режиму работы условно были разбиты на две группы: «тяжелый» и «нормальный». К «тяжелому» режиму, т.е. работе ди зеля за ограничительной характеристикой, отнесены суда проектов №№ 340МЕ, 946, 946А (дизель М400). «Нормальный» режим, соответствующий работе дизеля ниже ограничительной характеристики и мощности ниже или близкой к номинальной, составили суда проектов №№ 340, Р-83 (дизель М400) и 340Э, Р-83 (дизель М401-1).

Для совокупности исследуемых дизелей был проведен вычислительный эксперимент по поиску подходящего теоретического закона распределения времени наработки на отказ. Рассматривались показательный, лога рифмически-нормальный, Релея и гамма – распределения законы [формулы (3.9) – (3.13)]. Соответствие эмпирического распределения теоретическому распределению проверялось по критерию Фишера 2. Результаты вычисли тельного эксперимента, рассмотренные в работе [37], позволили сделать вы вод, что для всех групп дизелей наиболее обоснованным является закон гам ма – распределения, характеристики которого представлены в таблице 5.2.

Таблица 5.2 - Характеристики распределений наработки на отказ деталей ЦПГ дизелей М400, М401А- Тип дизеля, № проекта Характеристики Режим работы и Нормальный Тяжёлый Нормальный параметры М400 (Р-83, М400(340МЕ, М401А- 946, 946А) (Р-83А, 340Э) 340) Число дизелей 40 41 Среднее время 2,750 2,142 2, наработки, тыс. ч Среднее квадратичное 1,387 1,131 1, отклонение, тыс. ч Параметр формы 3,931 3,587 3, Параметр масштаба 1,429 1,675 1,, тыс. час- Сравнительный анализ вероятностно-статистических характеристик распределений, представленных в таблице 5.3, показал, что для всех комби наций режимов и модификаций дизелей нет достаточных оснований принять гипотезу о значимости расхождений между их дисперсиями и средними ве личинами наработки на отказ. Следовательно, рассматриваемые распре деления можно отнести к одной и той же генеральной совокупности. Это оз начает, что влиянием условий эксплуатации и режимов работы для сово купности рассматриваемых дизелей при установлении диагностических нор мативов параметров РММ для оценки состояний трущихся деталей ЦПГ можно в нашем исследовании пренебречь.

Таблица 5.3 – Результаты сравнения характеристик распределений наработки на отказ деталей ЦПГ дизелей М400, М401А- Критерий Стьюдента Сравниваемые Критерий Фишера дизели по режиму Fкр tкр t F работы при 0,05 при 0, М400 (нормальный) и 1,50 1,70 1,80 1, М400 (тяжелый) М400 (нормальный) и 1,89 1,92 1,52 2, М401А-1 (нормальный) М400 (тяжелый) и 1,07 1,80 0,35 2, М401А-1 (нормальный) М400 (нормальный и 1,16 1,82 0,01 1, тяжёлый) и М401А- (нормальный) Сравнение осуществлялось по двум критериям: « F критерию» Фишера и « t критерию» Стьюдента [53].

Критерий Фишера вычислялся по формуле F, (5.1) где 1 и 2 выборочные дисперсии сравниваемых распределений.

Число степеней свободы определяется следующим образом:

f1 N1 1, f2 N2 1, (5.2) где N1, N2 количество наблюдений в сравниваемых выборках.

По приложению 2 [53] при уровне значимости 0, 05 определялось критическое значение рассматриваемого критерия Fкр F, f, f. Если F Fкр, то 1 различие признавалось случайным.

Вычисление «t критерия» Стьюдента осуществлялось по формуле y1 y2 N1 N t, (5.3) N1 N y1, y2 выборочное среднее рассматриваемых параметров;

2 средняя где выборочная дисперсия величин сравниваемых распределений:

1 N1 1 N2 1.

2 (5.4) N1 N 2 По приложению 1 [53] при установленном уровне значимости 0, 05 и числу степеней свободы f N1 N2 1 определялось критическое значение Если t tкр то с установленной надёжностью расхождение считалось tкр t, f незначительным.

5.2 Математическое моделирование и результаты расчёта диагностических нормативов дизелей 12ЧСН 18/ После отработки организационных аспектов сбора проб масла, методов обработки и передачи информации в Западно-Сибирском речном пароходст ве (ЗСРП) приступили к систематической оценке технического состояния дизелей Г70-5. К этому периоду времени был также налажен регулярный контроль состояния высокооборотных дизелей 12ЧСН 18/20 по параметрам РММ.

При эксплуатации контролируемых дизелей применялось топливо марки ДС по ГОСТ 4749-73. Цетановое число изменялось в интервале 52-57 единиц, содержание серы – 0,12 0,15%. По отдельным показателям (вязкость, темпе ратура вспышки, содержание фактических смол и др.) топливо также соот ветствовало требованиям стандарта.

Для смазки использовалось масло двух сортов: М16В2 (ТУ 38-10235-74) и М20В2 (ТУ 38-101166-71). Качество свежих масел оценивалось по данным паспортов, поставляемых с маслом на бункеровочные базы, а также кон трольными анализами в теплотехнической лаборатории ЗСРП и соответство вало техническим условиям на поставку.

При статистической обработке экспериментального материала нами ис пользовались рассмотренные в четвертой главе для дизелей Г70-5 результаты экспериментально-теоретических исследований, алгоритмы и программы для проведения вычислительного эксперимента.

В связи с тем, что контролируемые дизели 12ЧСН 18/20 имели ряд су щественных конструктивных отличий и работали на различных сортах масел, необходимо было исследовать влияние этих факторов на величины диагно стических нормативов.

Так как нормативный расход масла на угар (таблицы 4.1 и 5.1) у дизе лей 12ЧСН 18/20 в 1,45 раза выше, чем у дизелей Г70-5, то согласно уравне нию баланса (2.4), при исправном состоянии дизелей 12ЧСН 18/20 концен трация продуктов износа должна стабилизироваться на более низком уровне, чем в дизелях Г70-5. На рисунке 5.1 приведены экспериментальные графики изменения концентрации железа в РММ дизелей 12ЧСН 18/20. Сравнение этих графиков с аналогичными графиками для дизелей Г70-5 (рисунок 4.1) показывает, что действительно средний уровень концентрации железа у ди зелей 12ЧСН 18/20 в 1,5 2 раза ниже, чем у дизелей Г70-5. В процессе экс плуатации также характерны значительные флуктуации уровня концентра ции у разных дизелей.

В связи с частой заменой дизелей по причинам поломок, не связанных с износным состоянием, сопоставление результатов спектрального анализа с микрометрическими измерениями было затруднено. Как показала практика эксплуатации и наши исследования, основными неисправностями, связанны ми с износным состоянием дизелей, являются прогары алюминиевых порш ней, повышенные износы цилиндровых гильз и подшипников коленчатого вала. С учётом этих неисправностей было произведено разделение диагно стических параметров на подмножества: исправного D1 и дефектного D2 со стояний деталей ЦПГ, основным диагностическим параметром которой явля ется концентрация железа в РММ.

Рисунок 5.1 – Динамика изменения концентрации железа в РММ дизелей 12ЧСН 18/20: 1 – дизель М401А-1 (состояние D2 ) «Восход-10»;

2 – дизель М400 (состояние D2 ) «Ракета-21»;

3 – дизель М400 (состоя ние D1 ) «Ракета 22»;

4 – дизель М401А-1 (состояние D1 ) «Ракета-28»

На первом этапе исследований наибольшая выборка проб РММ объёмом 195 единиц была получена с дизелей М400, работающих на масле M 16B2.

Вычислительный эксперимент по поиску подходящего теоретического зако на (глава 3, параграф 3.5) распределений величин диагностических парамет ров показал, что наиболее обоснованным для них (как и для дизелей Г70-5) является гамма-распределение. В таблицах 5.4 и 5.5 представлены харак теристики распределений соответственно для исправного D1 и дефектного D состояний дизелей.

Таблица 5.4 - Характеристики распределений диагностических параметров для исправного D1 состояния дизелей М400, работавших на масле M 16B Диагностический Объём Диапзон Среднее Квадратич- Параметры параметр значение выборки изме- ное откло- гамма нения нение распределения r Концентрация 102 1 - 100 20,76 28,06 0,547 0, железа г/т Концентрация 98 1 - 49 8,14 7,78 1, 093 0, меди, г/т Концентрация 101 1 - 30 4,60 4,34 1,123 0, алюминия, г/т Концентрация 101 1-7 1,28 1,16 1,205 0, олова, г/т Концентрация 101 1 - 13 1,75 1,50 1,369 0, хрома, г/т Концентрация 106 1 - 20 5,67 5,13 1,221 0, свинца, г/т Концентрация 106 1 - 40 8,50 7,14 1,415 0, кремния, г/т 149 – Температура 108 213 14,91 2,210 0, вспышки, С 47 – Общая загряз- 107 215,70 122,95 3,082 0, нённость, ед.

6,3 – 8, Водородный показа- 106 7,69 0,51 5,734 4, тель, ед.

0,40 – 3, Щелочное число, 106 2,43 0,53 6,688 4, мг КОН/г 0,65 – 3, Кислотное число, 83 1,62 0,42 14,632 9, мг КОН/г Таблица 5.5 - Характеристики распределений диагностических параметров для дефектного D2 состояния дизелей М400, работавших на масле M 16B Диагностический Объём Диапазон Среднее Квадратич- Параметры параметр выборки изме- значе- ное откло- гамма нения ние нение распределения r Концентрация 81 1 - 120 33,29 38,86 0,734 0, железа г/т Концентрация 77 1 - 52 11,95 11,42 1,095 0, меди, г/т Концентрация 80 1 - 38 6,92 6,58 1,106 0, алюминия, г/т Концентрация 80 1 - 10 1,65 1,65 0,988 0, олова, г/т Концентрация 80 1 - 21 2,66 2,66 1,230 0, хрома, г/т Концентрация 85 1 - 28 6,52 6,52 1,081 0, свинца, г/т Концентрация 85 1 - 55 10,75 10,75 0,198 0, кремния, г/т 145 – Температура 87 189,20 83,40 5,144 0, вспышки, С 60 – Общая загряз- 86 306,29 174,59 3,078 0, нённость, ед.

6,2 – 8, Водородный показа- 85 7,45 1,55 8,552 3, тель, ед.

0,38 – 3, Щелочное число, 85 2,36 1,05 5,174 0, мг КОН/г 0,65 – 3, Кислотное число, 60 1,75 0,49 9,235 3, мг КОН/г На этой основе были рассчитаны величины предельных и допустимых нормативов для концентрации железа как основного параметра деталей ЦПГ дизелей М400, работающих на масле M 16B2, и предельные нормативы для оценки состояния других деталей, систем дизеля и качества РММ.

После накопления достаточного объёма выборки проб РММ с дизелей М400, работавших на масле M 20B2, и дизелей М401А-1 – на маслах M 16B2 и M 20B2 целесообразно было рассмотреть правомерность использования для них установленных выше нормативных значений диагностических парамет ров. Для этого рассчитывались основные вероятностно-статистические ха рактеристики распределений величин параметров, и производилось их срав нение с характеристиками показателей дизелей М400, работавших на масле M 16 B2. Результаты такого сравнения для дизелей М400 М401А-1, работав ших на разных сортах масел, представлены соответственно в таблицах 5.6 – 5.8.

Сравнение характеристик, проведенное по двум критериям (« F крите рию» Фишера и « t критерию» Стьюдента), показало, что для всех диагно стических параметров (кроме концентрации меди) нет достаточных основа ний принять гипотезу о значимости расхождений между их дисперсиями и средними величинами. Следовательно, можно заключить, что рассматривае мые параметры относятся к одной и той же генеральной совокупности. Это означает, по-видимому, что условия эксплуатации, режимы работы, как было показано в параграфе 5.1 данной главы, и условия работы узлов трения дизе лей, работавших на различных сортах масел, в среднем примерно одинако вые и нет существенных различий в скорости износа деталей и в изменении физико-химических свойств РММ, характеризующихся рассматриваемыми параметрами. Таким образом, установленные величины диагностических нормативов для дизелей М400, работавших на масле М16В2, могут быть ис пользованы для диагностики дизелей 12ЧСН 18/20 различных модификаций, работающих на различных сортах масел.

Таблица 5.6 - Результаты сравнения статистических характеристик распределений диагностических параметров дизелей М400, работавших на маслах M 16B2 и M 20B Критерий Фишера Критерий Стьюдента Fкр tкр Диагностический F при: при:

t параметр 0,05, 0,05, 0,01 0, Концентрация 1,10 21,02 1, 1, железа, г/т 2, Концентрация 1,27 7,55 0, 1, меди, г/т 2, Концентрация 1,22 4,24 0, 1, алюминия, г/т 2, Концентрация 1,11 1,32 0, 1, олова, г/т 2, Концентрация 1,96, 1,10 1,48 0, 1, хрома, г/т 2, 2, Концентрация 1,12 5,06 0, 1, свинца, г/т 2, Концентрация 1,10 7,64 0, 1, кремния, г/т 1, Температура 2,41 13,56 1, 1, 2, вспышки, Общая загрязнен- 1,25 119,77 0, 1, ность, ед. 2, Водородный показа- 1,03 0,51 2, 1, тель, ед. 2, Щелочное число, 1,52 0,56 1, 1, мг КОН/г 1, Кислотное число, 1,05 0,41 0, 2, мг КОН/г 2, Таблица 5.7 – Результаты сравнения статистических характеристик распределений диагностических параметров дизелей М400 и М401А-1, работавших на масле M 16B Критерий Фишера Критерий Стьюдента Диагностический Fкр при: tкр при:

t F параметр 0,05, 0,05, 0,01 0, Концентрация 1,10 21,09 0, 1, железа, г/т 2, Концентрация 6, 1, 3,15 3, меди, г/т 2, Концентрация 1,22 4,20 1, 1, алюминия, г/т 2, Концентрация 1,38 1,10 1, 1, олова, г/т 2, Концентрация 1,96, 1,02 1,48 1, 1, хрома, г/т 2, 2, Концентрация 1,09 5,05 1, 1, свинца, г/т 2, Концентрация 1,01 7,45 0, 1, кремния, г/т 1, Температура 1,22 15,33 0, 1, 1, вспышки, Общая загряз- 1,50 115,82 2, 1, ненность, ед.

1, Водородный показа- 1,19 0,52 1, 1, тель, ед. 1, Щелочное число, 1,03 0,53 0, 1, мг КОН/г 1, Кислотное число, 1,63 0,39 0, 1, мг КОН/г 2, Таблица 5.8 - Результаты сравнения статистических характеристик распределений диагностических параметров дизелей М400 и М401А-1, работавших на маслах M 16B2 и M 20B Критерий Фишера Критерий Стьюдента Диагностический Fкр при: tкр при:

параметр t 0,05, 0,05, F 0,01 0, Концентрация 1,41 22,17 1, 1, железа, г/т 2, Концентрация 6, 1, 3,32 3, меди, г/т 1, Концентрация 1,41 4,11 1, 1, алюминия, г/т 1, Концентрация 1,09 1,16 0, 1, олова, г/т 1, Концентрация 1,96, 1,49 1,67 0, 1, хрома, г/т 2, 1, Концентрация 1,18 4,99 1, 1, свинца, г/т 1, Концентрация 1,06 7,50 0, 1, кремния, г/т 1, Температура 1,41 13,37 0, 1, 1, вспышки, Общая загряз- 1,13 120,40 2, 1, ненность, ед. 1, Водородный показа- 1,50 0,48 2, 1, тель, ед. 1, Щелочное число, 1,41 0,50 0, 1, мг КОН/г 1, Кислотное число, 1,00 0,42 0, 1, мг КОН/г 2, Наряду с этим, как следует из анализа материалов таблиц 5.7 и 5.8, нель зя отвергнуть гипотезу о значимости расхождений для концентрации меди, поскольку « F критерий» и « t критерий» существенно превышают крити ческие показатели достоверности. По-видимому, имелись некоторые отличия в процессах изнашивания втулок верхних головок шатунов этих двух моди фикаций дизелей, для которых медь является основным параметром (элемен том-индикатором) [параграф 2.3, таблица 2.3].

Значительное количество меди (около 70%) содержится и в подшипни ках коленчатого вала. Однако, как было установлено ранее по элементу индикатору этих деталей – олову, существенных различий в их изнашивании не наблюдается.

Исследование статистического распределения величин концентрации меди в РММ дизелей М401А-1 показало, что они хорошо согласуются с за коном гамма – распределения с параметрами r 1,367 и 0, 414. Предель ное значение при 0, 05 равно величине 9 г/т. Кроме того, сравнение рас пределений концентрации меди в РММ M 16B2 и M 20B2 дизелей М401А- показало, что они относятся к одной и той же генеральной совокупности. По этому для дизелей этого типа, работавших как на масле M 16B2, так и на масле M 20B2, можно принять в качестве предельного норматива величину концен трации меди в 9 г/т.

При назначении предельного норматива по содержанию воды в РММ мы руководствовались положением информационного письма за №46 завода изготовителя дизелей 12ЧСН 18/20, согласно которому смену масла в этих дизелях следует производить при наличии воды в масле выше 0,1%.

Анализ на содержание воды в пробах РММ показал (таблица 5.9), что обводнение масла – довольно частое явление и составляет около 20,1% от общего количества проб для содержания воды 0,1 и более процентов. Основ ной причиной её утечки являлось нарушение герметичности сальников насо сов внутреннего контура охлаждения.

Таблица 5.9 - Результаты анализов на содержание воды в масле дизелей 12ЧСН 18/ Число проб Содержание воды, % масла следы 0,1 – 0,2 0,2 – 0, 0 0, 214 125 46 23 5 100 % 58.4 % 21,5 % 10,75 % 2,34 % 7% Многолетний опыт использования установленных автором диссерта ционной работы диагностических нормативов, представленных в таблице 5.10, для эксплуатационной оценки состояния высокооборотных дизелей подтвердил их правомерность и высокую эффективность при обнаружении и предотвращении прогара поршней и повышенного износа цилиндровых гильз на ранней стадии их возникновения и развития [115, 162].

В качестве иллюстрации приведём два примера. Так, данные по дизелю № 7809М1967-400 (теплоход «Ракета-21») показывают, что в первой пробе РММ от 29.05 и в последующей – от 8.06 концентрация железа, а затем и алюминия значительно превысили установленные нормативы. Согласно на шей методике требовалась немедленная разборка ЦПГ дизеля для ремонта.

Эксплуатацию продолжали, и 15.06, т.е. через 169 часов после первой пробы РММ, был выявлен прогар поршней и большой износ гильз первого и третье го цилиндров левого моноблока.

Начиная с пробы от 14.07 дизеля № 7702М1093-401А-1 (теплоход «Вос ход -10»), наблюдалось систематическое превышение норм и увеличение концентрации железа, алюминия, а затем и хрома. Согласно методике, дизель требовал разборки 24.07. Последующая эксплуатация показала, что лишь 26.09, т.е. через 598 часов работы дизеля, был обнаружен износ и прогар поршней второго и пятого цилиндров левого моноблока. Одновременно с возрастанием концентраций вышеназванных элементов наблюдалось превы шение нормы общей загрязнённостью РММ, что свидетельствовало о необ ходимости проверки состояния средств маслоочистки и смены масла.

Таблица 5.10 – Предельные и допустимые нормативы диагностических параметров масла для дизелей 12ЧСН 18/ Диагностируемое состояние Пара- Размер- Значение норматива дизеля метр ность г/т Износ цилиндровых гильз 65 K Fe г/т Износ и прогар поршней 14 K Al 23/9* г/т Износ втулок верхних KCu головок шатунов г/т 4 K Sn г/т Износ подшипников 15 K Pb коленчатого вала г/т Износ поршневых колец 5 KCr о С Утечки из топливной 180 tвсп системы Утечки из системы Н 2О % - 0, охлаждения ед.

Загрязнённость средств 420 маслоочистки г/т Загрязнённость воздушного 19 K Si тракта % - 0, H 2O о С 180 tвсп ед. 6,7 pH Качество РММ мг ЩЧ 1,45 КОН/г мг КЧ 2,35 КОН/г ед. Примечание: * – для дизелей М401А-1.

Таким образом, приведённые данные и последующий опыт использова ния разработанных нормативов эксплуатационной оценки состояния высоко оборотных дизелей на основе спектрального анализа РММ показывают, что эти нормативы позволяют достаточно достоверно обнаруживать и предот вращать повышенные и аварийные износы основных трущихся узлов на ран ней стадии их возникновения и развития. А это обстоятельство играет суще ственную роль при эксплуатации пассажирских судов, надёжность дизелей которых недостаточна высока.

5.3 Разработка методики диагностирования состояния деталей цилиндропоршневой группы дизелей 12ЧСН 18/20 по угару работающего моторного масла Известно [111, 170], что общий расход qм смазочного масла в ДВС со стоит из расхода на угар q у (вызван попаданием в камеру сгорания двига теля), на испарение непосредственно из картера машины qк, на различные утечки q ут и на слив.

При исправном техническом состоянии дизеля утечки масла q ут практи чески отсутствуют, а с переходом СЭУ речных судов на бессменную работу масла, величина qсл становится несущественной. Из двух оставшихся компо нентов расхода масла наибольшее значение для судовых дизелей с «сухим»

картером имеет величина q у, которая может достигать 90% от общего рас хода масла [110]. Таким образом, под расходом масла мы понимаем его рас ход на угар, с которым уносятся продукты износа деталей ЦПГ дизеля [39, 40, 111].

Величина угара РММ существенно зависит от технического состояния деталей ЦПГ. На самом деле, от износа этих деталей зависят упругость и ве личина стыковочного зазора поршневых колец, зазор между поршневыми кольцами и канавками, зазор между поршнем и втулкой и т.д. А эти величи ны, как показано в работе [111], существенно влияют на угар масла. Кроме этого при износе деталей ЦПГ ухудшается качество рабочего процесса дизе ля, что вызывает увеличение расхода топлива, и повышает средний темпера турный уровень рабочего тела. Последнее также может вызвать рост угара масла. Заметная взаимосвязь величины q у и технического состояния масла двигателя установлена в работах [16, 26, 35, 59, 70, 73, 80]. На этом принципе построен один из методов диагностики технического состояния деталей ЦПГ автотракторных дизелей [16, 80].

Отсутствие подобного опыта для судовых дизелей речных судов побу дило нас взяться за решение данной задачи – разработать метод технического диагностирования состояния дизелей по угару масла.

Как диагностический параметр, угар масла q у удовлетворяет всем че тырём требованиям, предъявляемым к диагностическим параметрам (пара граф 1.1). Действительно, по нашим наблюдениям в дизелях 12ЧСН 18/ величина q у варьирует довольно в широких пределах (2.08 – 6,84 кг/ч), а доступность и удобство измерений не вызывает сомнений. Как показано в наших исследованиях [38, 39, 47], информативность этого параметра доста точно высока.

Оценим стохастическую взаимосвязь между техническим состоянием ЦПГ и угаром РММ для дизелей 12ЧСН 18/20 скоростных судов. В статисти ческую выборку величин угара РММ вошли примерно в одинаковом количе стве новые дизели, дизели после одной-двух профилактических разборок сборок и дизели, прошедшие один и два капитально-восстановительного ре монта. Диапазон варьирования общей наработки дизелей в выборке составил от 1,020 до 7,294 тыс.ч. Все дизеле в количестве 57 единиц работали на масле M 20B2.

Согласно методике, рассмотренной в параграфе 5.2, была проведена идентификация состояний D1 и D2. Вычислительный эксперимент по по иску подходящего теоретического закона (параграф 5.1) распределения вели чин угара масла q у показал, что лучше всего подходит смещённый закон гамма – распределения, его плотность имеет вид:

r f qу q у q уо r 1 exp q у q уо, (5.5) r где q у и q уо соответственно текущее значение угара масла и положитель ное смещение начала кривой распределения от нулевой точки, кг/ч;

r па раметр формы;

параметр масштаба, 1 /(к г/ ч).

В таблице 5.11 представлены основные характеристики и параметры гамма – распределения угара РММ по модификациям дизелей независимо от состояния, а в таблице 5.12 – с учётом модификации и различных техничес ких состояний. На рис. 5.2 в качестве иллюстрации приведено сопоставление эмпирического распределения угара РММ с теоретическим распределением.

Таблица 5.11- Характеристики распределений угара РММ в дизелях 12ЧСН 18/20 независимо от состояния деталей ЦПГ Тип Объём Диапазон, Среднее Квадратичное Параметры гамма дизеля выборки кг/ч значение, отклонение, распределения кг/ч кг/ч r М400, 57 2,08-6,84 3,97 0,854 4,525 2, М401А- М400 34 2,52-6,84 4,26 0,832 3,745 2, М401А-1 23 2,08-5,34 3,53 0,610 3,819 2, В результате анализа вероятностно-статистических характеристик и их сравнения по двум критериям: « F критерию» Фишера и « t критерию»

Стьюдента, был сделан вывод о том, что угар РММ в дизелях М400 в сред нем на 24% выше, чем в дизелях М401А-1. Этот вывод согласуется с резуль татами работ [35, 73, 74, 80, 111] о значительном влиянии конструктивных факторов на угар РММ. Дело в том, что дизель М401А-1 имеет нижнее улучшенное компрессионное кольцо, действие которого, по-видимому, ска зывается на снижении угара масла. Кроме того, дизели отличаются системой наддува, что также не может не оказывать влияние на величину q у.

Таблица 5.12- Характеристики распределений угара РММ в дизелях 12ЧСН 18/20 при различных состояниях деталей ЦПГ Тип Диапазон, Среднее Квадратичное Параметры гамма Состояние дизеля кг/ч значение, отклонение, распределения кг/ч кг/ч r М400, 2,08-5,36 3,54 0,769 4,024 2, D М401А-1 2,93-6,84 4,68 0,772 4,090 2, D 2,52-5,36 3,75 0,384 4,092 3, D М 2,94-6,84 4,81 0,669 5,431 2, D 2,08-4,50 3,01 0,320 3,163 3, D М401А- 2,93-5,31 3,90 0,380 2,628 2, D Рисунок 5.2 – Сопоставление эмпирического распределения угара масла с теоретическим: 1 – гистограмма;

2 – дифференциальная кривая;

3 – интегральная кривая В технической диагностике большое значение имеет описание состояния объекта контроля системой параметров, обладающих высокой диагностичес кой ценностью (информативностью). Расчёты частной Z D q у, Z D q у и об 1 щей Z D q у диагностической ценности угара РММ (таблица 5.13), прове дённые по вычислительному алгоритму, рассмотренному в параграфе 4.3, показали, что угар РММ является довольно информативным диагностичес ким параметром состояния деталей ЦПГ дизелей.

Таблица 5.13 - Диагностическая ценность угара РММ для контроля технического состояния деталей ЦПГ дизелей 12ЧСН 18/ Модификация Z D1 q у Z D2 q у Z D qу P D P D дизелей М400, М401А-1 0,544 0,456 0,185 0,125 0, М400 0,500 0,500 0,195 0,204 0, М401А-1 0,609 0,391 0108 0,449 0, Для сравнения отметим, что в полученных ранее результатах (параграф 4.3, таблица 4.7) наибольшую информативность при оценке состояния ЦПГ дизелей Г70-5 имеют: средняя концентрация железа (0,353), температура вспышки (0,097) и общая загрязненность РММ (0,084). Из анализа данных таблицы 5.13 следует вывод, что величина информативности угара РММ для оценки состояния дизелей М401А-1 на 21% больше, чем для дизелей М400.

На основе полученных результатов были рассчитаны диагностические нормативы угара масла для оценки состояний деталей ЦПГ дизелей 12ЧСН 18/20.

Рисунок 5.3 – Плотности распределения величин угара РММ различных состояний дизеля: 1 – D1 ;

2 – D2 ;

, экспериментальные точки Как видно из рисунка 5.3, плотности распределений величин угара РММ для исправного (кривая 1) и дефектного (кривая 2) состояний дизеля сущест венно пересекаются. Для повышения надёжности оценки нами была введена «зона неопределённости» (зона отказа от распознавания) и установлены два норматива при принятых ошибках первого и второго рода, равных 0,05.

Допустимый норматив позволяет с вероятностью P 1 0,95 принять ре шение об исправном состоянии дизеля, а предельный – о дефектном состоя нии с той же вероятностью P 1 0,95. Здесь решающее правило следую щее:

q у qу доп, q у D1 ;

q у q у пр, q у D2. (5.6) Рассчитанные значения нормативов представлены в таблице 5.14.

Таблица 5.14 –Диагностические нормативы угара РММ Значение норматива при 0, Тип дизеля кг/ч кг/ч М400 4,00 4, М401А-1 3,30 3, Наряду с основными диагностическими параметрами, например, кон центрацией железа, учёт угара РММ может существенно повысить достовер ность постановки диагноза. Кроме того, диагностирование состояния дизеля только по угару масла, как показали наши исследования, является достаточно эффективным методом, что согласуется с выводами других исследователей [17, 80].

5.4 Разработка математических моделей и методик прогнозирования остаточного ресурса деталей цилиндропоршневой группы дизелей 12ЧСН 18/ по комплексу параметров работающего моторного масла Полученный экспериментальный материал для разработки методики ди агностирования дизелей по угару РММ (параграф 5.3) позволил на его основе решить задачу прогнозирования остаточного ресурса деталей ЦПГ с привле чением основного диагностического параметра этого узла – концентрации железа в РММ.

На первом этапе разрабатывалась математическая модель прогнозиро вания остаточного ресурса по расходу РММ q у. Необходимым условием для прогнозирования, как отмечалось ранее (параграф 4.4), является наличие ин формации об изменении величин параметров в процессе работы и установле ние закономерности, описывающей изменение их во времени [33, 126, 128, 180]. Как было отмечено в параграфе 5.3, с ухудшением технического со стояния ЦПГ в процессе работы дизеля, расход масла возрастает (таблица 5.15, которая заимствована из [73]). Линейный характер этой зависимости иллюстрирует график на рисунке 5.4, построенный нами по данным этой таблицы.

Таблица 5.15 - Влияние времени работы двигателя 3Д на расход масла [73] Время работы Расход масла, Средний расход Увеличение кг/ч масла, кг/ч расхода в % двигателя, тыс.ч до 2 0,40 – 0,62 0,56 0,50 – 0, 2-4 0,64 0,64 – 0, 4-6 0,72 0,64 – 0, 6-8 0,80 Рисунок 5.4 – Зависимость увеличения расхода масла от времени работы дизеля 3Д6 [73]: – экспериментальные точки Следует ожидать, что для совокупности дизелей, работающих в реаль ных условиях эксплуатации, детерминированная основа такой зависимости должна иметь аналогичный характер. Для получения прогнозной модели ста тистические данные аппроксимировались полиномами вида q у t bo b1 t (5.7) qу t ao a1 t a2 t 2 (5.8) где t наработка дизеля, тыс. ч ;

bo, b1, a1, a2 коэффициенты, определяемые путем обработки опытных точек ti, g уi етодом наименьших квадратов.

Для проверки адекватности моделей рассчитывались: коэффициент кор реляции r, индекс корреляции, критерий Фишера F и относительная веро ятная ошибка аппроксимации.

Результаты моделирования представлены в таблице 5.16. Анализ резуль татов этой таблицы показывает, что обе модели для всех типов дизелей адек ватно описывают опытный материал.

Квадратичная модель имеет несколько меньшую погрешность аппрок симации. Однако, исходя из принципа простоты [24], принимаем в качест ве рабочей линейную модель прогнозирования.

Таблица 5.16 - Характеристики регрессионных моделей для исправного состояния дизелей D Тип дизеля Вид модели r или,% F qу 2,81 0, 27t 0,63 9,76 9, М q у 2,67 0,36t 0,012t 2 0,63 9,18 9, q у 2,10 0,31t 0,88 39,8 7, М401А- q у 2,36 0,11t 0,01t 2 0,88 39,3 7, Схему линейного прогнозирования ресурса дизеля представим рисунком 5.5, на котором обозначены:

ti текущая наработка дизеля, тыс. ч;

tдо п, t п р допустимая и предельная нара ботки дизеля при установленных ошибках 0,05, тыс. ч;

q уi угар масла на момент прогнозирования ti, кг/ч;

q уном номинальная величина q у, опреде ляемая при t 0, кг/ч;

qу доп, q у пр допустимый и предельный угар масла при установленных ошибках 0,05, кг/ч;

f D1, f D2 плотности распре деления угара масла исправного и дефектного состояний дизеля.

f (D1) f (D2) Рисунок 5.5 – Схема прогнозирования деталей ЦПГ дизеля по угару масла С учетом полученных экспериментальных данных (таблица 5.14 и таб лица 5.16) рабочие прогнозные формулы примут следующий вид:

1,19 дизель М400 t доп ti 1 (5.11) q 2, ост уi 1, 74 t ост ti пр (5.12) q 2, уi 1, 20 дизель М401А-1 t доп ti 1 (5.13) q 2, ост уi 1, 65 t ост ti 1.

пр (5.14) q 2, уi Апробация рабочих формул (5.11) – (5.14), проведенная по полученно му опытному материалу, показала их работоспособность. Апостериорная достоверность прогнозирования по допустимому нормативу составила соот ветственно 87% и 89% для дизелей М400 и М401А-1.

На втором этапе разрабатывались математические модели прогнозиро вания остаточного ресурса дизелей по комплексу диагностических парамет ров. В качестве основных параметров были приняты средняя концентрация железа в масле K Feср г / т, угар масла qу кг / ч и наработка дизеля t тыс. ч.

Предполагалось, наряду с указанными параметрами, привлечь в модель кон центрацию алюминия ( K Al ). Но, как показали результаты численного экспе римента [38, 39, 47], величины K Fe довольно тесно коррелируют с величина ми K Al : коэффициент корреляции r для всех вариантов расчёта по модифи кациям дизелей 12ЧСН 18/20 превышал величину, равную 0,8. Это явилось достаточным основанием для включения в модель лишь одного основного параметра состояния ЦПГ – концентрации железа. Дело в том, что для по строения вероятностной прогностической модели существенным является отсутствие тесной статистической связи между параметрами, включаемыми в полиноминальную модель в качестве независимых факторов, что обеспечи вает достаточную простоту модели, повышение достоверности и снижение трудоёмкости прогнозирования [24, 53].

Анализ регрессионных моделей вида (5.7) и (5.8) зависимости концен трации железа от наработки дизелей выявил отсутствие тесной корреляцион ной связи между ними. По всем вариантам расчёта коэффициент корреляции не превышал величины, равной 0,25 [47]. Данные результаты подтверждают полученные ранее выводы о стабилизации концентрации продуктов износа в процессе нормальной эксплуатации дизелей (параграф 4.2).

Полный анализ регрессионных моделей зависимости угара масла от концентрации железа в масле представлен нами в работах [39, 47].


Ниже, в таблице 5.17, в качестве примера приведены основные характе ристики полученных регрессионных моделей для исправного состояния ди зелей D1. Анализ данных этой таблицы позволяет сделать вывод о наилуч шей аппроксимации экспериментального материала квадратичной моделью вида (5.8). В ней все индексы корреляции значимы, модель адекватно описы вает опытный материал и погрешность аппроксимации наименьшая по срав нению с линейной моделью.

Таблица 5.17 - Характеристики двухфакторных регрессионных моделей состояний D1 судовых дизелей,% r или Тип дизеля Вид модели qу 3,94 0, 005 K Fe 0,15 0,32 11, М qу 5,14 0,01 K Fe 0,001 K Fe 0.45 4,52 10, qу 3,02 0,01 K Fe 0,15 0,21 13, М401А- qу 4,98 0,12 K Fe 0,002 K 0,42 4,65 11, Fe Для выбора подходящей математической модели прогнозирования было проведено трёхфакторное полиноминальное моделирование опытного мате риала [47]. Массивы опытных данных ti, K Fe, q у были аппроксимированы полной, неполными квадратичными и линейными моделями:

qу1 a0 a1 t a2 K Fe a3 t K Fe a4 t 2 a5 K (5.15) Fe qу 2 b0 b1 t b2 K Fe b3t 2 b4 K 2 (5.16) Fe qу 3 b0 b1 t b2 K Fe b3 t K Fe (5.17) qу 4 c0 c1 t c2 K Fe (5.18) где a0,..., a5 ;

b0,..., b4 ;

c0,..., c2 коэффициенты, определяемые методом наимень ших квадратов. Здесь также вычислялись: коэффициент корреляции r ин декс корреляции, критерий Фишера F и относительная вероятная ошибка аппроксимации.

Анализ полученных результатов позволил сделать вывод о наибольшей приемлемости полной квадратичной модели (5.15), у которой индексы корре ляции для дизелей М400 и М401А-1 исправного состояния соответственно составляют величины 0,78 и 0,96, а относительные вероятные ошибки ап проксимации – 7,5 и 3,92%.

Для других моделей эти величины несколько ниже. Однако, исходя из принципа простоты [24], для практического применения можно использовать линейную и неполную квадратичную модели, характеристики которых при ведены в таблице 5.18.

Таблица 5.18 – Характеристики трехфакторных регрессионных моделей состояний D1 дизелей 12ЧСН 18/ Тип,% r или Вид модели дизеля qу 2,79 0, 28 t 8,5 103 K Fe 0,67 5,73 8, М qу 3,63 0, 42 t 7 102 K Fe 0,74 8,23 8, 2,10 102 t 2 7,10 104 K Fe qу 2,03 0,30 t 3, 41103 K Fe 0,95 37,3 4, М401А- qу 2, 44 0, 26 t 1,64 102 K Fe 0,95 39.8 4, 4,30 103 t 2 3 104 K Fe Диагностические нормативы угара РММ q у доп и q у пр, концентрации же леза в РММ K Feдоп и K Fe пр рассчитанные при принятых ошибках первого и второго рода представлены в таблице 5.19.

Таблица 5.19 - Диагностические нормативы Значение норматива при 0, Тип дизеля q удоп, кг / ч q упр, кг / ч K Feпр, г / т K Feдоп, г / т M400 4,00 21 4,55 M401A-1 3,30 21 3,75 Полученные результаты обработки опытных данных, рассмотренные выше, позволили разработать математические модели прогнозирования ос таточного ресурса дизелей по расходу масла с учётом основного диагности ческого параметра износа ЦПГ – концентрации железа. Ниже изложены ос новные положения такой разработки.

Результаты моделирования линейной моделью дизелей М400:

Допустимый ресурс tдоп 3,68 тыс. ч.

4 2,79 0, 28 tдоп 8,50 10 3 21;

(5.19) Предельный ресурс 4,55 2,79 0, 28 tдоп 8,50 10 3 60;

tпр 4, 46 тыс.ч. (5.20) «Зона неопределённости» t 0,78 тыс. ч.

Прогнозные формулы:

tост tдоп ti 13,64 3,57 qу 0,03 K Fe, тыс. ч;

доп (5.21) tост tпр ti 14, 42 3,57 qу 0,03 K Fe, тыс. ч.

пр (5.22) Результаты моделирования линейной моделью дизелей М401А-1:

Допустимый ресурс tдоп 3,96 тыс. ч.

3,3 2,03 0, 28 tдоп 8,5 10 3 21;

(5.23) Предельный ресурс 3,75 2,03 0,30 tпр 3, 4 103 50;

tпр 5,17 тыс. ч. (5.24) «Зона неопределённости» t 1, 21 тыс.ч.

Прогнозные формулы:

tост 10,73 3,33 qу 0,01 K Fe, тыс. ч;

доп (5.25) tост 11,94 3,33 qу 0,01 K Fe, тыс. ч.

пр (5.26) Результаты моделирования квадратичной моделью дизелей М400:

Допустимый ресурс 4 3,63 0, 42 tдоп 7 10 2 21 2,1 10 2 tдоп 7,1 10 4 (5.27) 2, 47 0, 42 tдоп 2,1103 tдоп.

Получаем квадратное уравнение tдоп 20 tдоп 72,714 0, действительный ко рень которого tдоп 4,78 тыс. ч.

Преобразуем полиномиальное уравнение второй строки таблицы 5.18 к виду:

t 2 20t 47,62 q у 3,33 K Fe 3, 4 10 2 K Fe 172,86, действительный корень которого 272,86 47,62 q у 3,33 K Fe 3, 40 102 K Fe.

ti 10 Тогда 272,86 47,62 q у 3,33 K Fe 3, 4 102 K Fe 5, 25.

t доп (5.28) ост Результаты моделирования квадратичной моделью дизелей М401А-1:

Допустимый ресурс 3,3 2, 44 0, 26 tдоп 1,64 10 2 21 4,3 10 3 tдоп 3 10 4 2, 23 0, 26 tдоп 4,3 103 tдоп.

(5.29) Получаем квадратное уравнение t доп 60, 47 tдоп 249,30 0, действительный корень которого tдоп 3,875 тыс. ч.

Преобразуем полиномиальное уравнение четвертой строки таблицы 5. к виду:

t 2 60, 47 t 232,56 q у 3,81 K Fe 7 10 2 K Fe 567, 44 0, действительный корень которого ti 30, 23 346,56 232,56 q у 3,81 K Fe 7 102 K Fe.

Тогда 346,56 232,56 q у 3,81 K Fe 7 102 K Fe 6,3.

t доп (5.30) ост Адекватность разработанных моделей прогнозирования остаточного ре сурса дизеля проверялась на опытном материале. Апостериорная достовер ность прогнозирования составила, например, для линейной модели величину, равную 89%, при выбранной ошибке второго рода 0,05.

5.5. Основные результаты исследования. Выводы 1. Выполнены широкие опытные исследования на контролируемых в эксплуатационных условиях высокооборотных дизелях 12ЧСН 18/20. Полу чен необходимый экспериментальный материал для разработки нормативов и критериев оценки их состояния.

2. Проведён вероятностно-статистический анализ условий эксплуатации высокооборотных дизелей 12ЧСН 18/20 двух модификаций (М400, М401А 1). Установлено, что влиянием условий эксплуатации и режимов их работы при установлении диагностических нормативов можно пренебречь.

3. Проведён вероятностно-статистический анализ распределений вели чин диагностических параметров при различных состояниях деталей ЦПГ дизелей М400, М401А-1. Аппроксимация осуществлялась по пяти теоретиче ским законам. Установлено, что наиболее обоснованным для них является гамма – распределение. Дано теоретическое обоснование этому.

4. Получены новые результаты оценки и сравнения вероятностно статистических характеристик распределений величин диагностических па раметров двух модификаций высокооборотных дизелей 12ЧСН 18/20.

5. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработан и реализован в программе на ЭВМ расчётный метод корректи руемых предельных и допустимых нормативов, позволяющих выносить од нозначное решение о дефектном и исправном состоянии дизелей М400, М401А-1.

6. На примере высокооборотных дизелей 12ЧСН 18/20 по результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана методика ди агностирования технического состояния деталей ЦПГ по угару РММ.

7. По результатам полиномиального моделирования на примере дизелей 12ЧСН 18/20 разработана методика прогнозирования остаточного ресурса деталей ЦПГ по угару и комплексу параметров РММ.

ГЛАВА 6 МОДЕЛИРОВАНИЕ АЛГОРИТМОВ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОСНОВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ ВАЛОВОЙ ЛИНИИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО ПАРАМЕТРАМ КРУТИЛЬНЫХ КОЛЕБАНИЙ 6.1 Измерение крутильных колебаний валовой линии судовой энергетической установки при эксплуатации теплоходов 6.1.1 Характеристики объекта исследования В качестве объектов исследования для оценки усталостной прочности коленчатых валов судовых дизелей были приняты дизели 6NVD26A-3 произ водства фирмы SKL (Германия), установленные на судах типа «ОТ-600» про екта 1741А и эксплуатирующиеся в условиях Западно-Сибирского региона.

Основные эксплуатационно-технические данные исследуемых дизелей при ведены в таблице 6.1.

Энергетическая установка теплоходов проекта 1741А двухвальная. Кру тильно-колеблющиеся схемы системы «дизель-движитель» левого и правого борта идентичны, каждая состоит из дизеля 6NVD26A-3 мощностью 305 л. с.

при частоте вращения коленчатого вала 950 мин-1, реверс-редуктора MS- с передаточным отношением 1 : 2.99, гребного вала и гребного винта фикси рованного шага. Дизель 6NVD26A-3 оснащён силиконовым демпфером кру тильных колебаний. Машинное отделение расположено в кормовой оконеч ности судна.

Приведенная крутильная дискретная десятимассовая схема валовой ли нии СЭУ теплохода проекта 1741А представлена на рисунке 6.1.

Относительные моменты инерции масс и податливости участков систе мы приведены в таблице 6.2.

Таблица 6.1 – Эксплуатационно-технические данные дизеля 6NVD26A-3 [114, 154] Наименование параметра или Обозна- Дизель Размерность показателя чение 6NVD26A- Мощность кВт Ne мин- Частота вращения ne Число цилиндров - i Диаметр цилиндра мм D Ход поршня мм S Последовательность - - 1-3-5-6-2- вспышек в цилиндрах Степень сжатия - 13, Средняя скорость поршня м/с 8, cm Среднее эффективное МПа 0, Pe давление Давление сжатия МПа 4, Pc Давление сгорания МПа 6, Pz Давление наддува МПа 0, Pk Удельный расход топлива г/(кВт ч) ge Удельный расход масла г/(кВт ч) 2, gм О Температура выпускных газов (сред- С tог няя поцилиндрам) О Температура масла после С tм дизеля, не выше Давление масла в системе МПа 0,326 - 0, Pм смазки (после фильтра) Масса масла в системе кг Qo смазки Масса дизеля кг G Рисунок 6.1 – Приведенная крутильная схема валовой линии СЭУ:

1 – демпфер;

2 - 7 – коленчатый вал;

8 - маховик;

9 – реверс-редуктор;

10 – гребной винт Таблица 6.2 - Характеристики системы «дизель – движитель» [192] Обозначение E3 E5 E6 E7 E8 E E1 E2 E Податливость 0,752 1 1 1 1 1 1 8,65 10, Обозначение J1 J2 J3 J4 J5 J6 J7 J8 J9 J Момент 1,547 1 1 1 1 1 1 52,1 3.5 14. инерции Постоянные системы:

J 0 1,3 Нмс 2 ;

е0 161,3 1010 рад / Нм ;

с0 6, 2 106 Нм / рад.

6.1.2 Расчёт собственных частот и относительных амплитуд крутильных колебаний валовой линии теплохода проекта 1741А Расчёт собственных частот и относительных амплитуд крутильных колебаний валопровода СЭУ производился методом математического мо делирования при непосредственном решении системы дифференциальных уравнений (2.30):


c J a c a 0;

1 1 1 c11 c2 c1 2 J12 a12 c2 a3 0. (6.1) ……………………………… c 2 J m am cm1am1 0.

m Эти уравнения являются однородными и допускают решения отно сительно 1, 2,..., m, отличные от нуля в том случае, когда определи тель системы равен нулю:

(6.2) Определитель является функцией 2 симметричен относительно глав ной диагонали и имеет порядок, равный числу степеней свободы дискретной системы. Так как 2 содержится во всех диагональных членах, то число кор ней определителя также равно числу степеней свободы.

Произведём подстановку исходных данных из таблицы 6.2 в определи тель систем уравнений (6.2). Такая подстановка показана на рисунке 6. [192].

Рисунок 6.2 – Матрица для моделирования собственных частот крутильных колебаний в программном пакете MathCAD версии Решение матрицы, показанной на рисунке 6.2, определяет собственные значения системы, представленные на рисунке 6.3.

Рисунок 6.3 – Матрица собственных значений крутильно – колеблющейся системы [192] Для определения вектора собственных частот крутильных колебаний системы воспользуемся известной формулой, подставив туда значения показанные на рисунке 6.3:

(6.3).

Исходя из максимального порядка рассматриваемых гармоник (равного 12) и максимальной частоты вращения коленчатого вала (1000 мин-1), уста новим согласно формуле (2.35) максимальную границу рассматриваемых частот колебаний:

12 max 200 Гц.

Спектр собственных частот крутильных колебаний дискретной десяти массовой системы «дизель – движитель» теплохода проекта 1741А, который определялся по выражению (6.3), представлен в таблице 6.3.

Для известных собственных частот колебаний система уравнений ви да (2.31) решается относительно амплитуд собственных колебаний при за данной частоте. При этом расчётные амплитуды представляются в относи тельном виде (таблица 6.4, рисунок 6.4, рисунок 6.5), где за единицу принята амплитуда колебаний первой массы системы – демпфера крутильных коле баний.

Таблица 6.3 - Спектр собственных частот крутильных колебаний Форма колебаний Частота колебаний, Одноузловая 54, Двухузловая 71, Трёхузловая 205, Четырёхузловая 212, Пятиузловая 341, Шестиузловая 466, Семиузловая 569, Восьмиузловая 644, Десятиузловая 684, Таблица 6.4 - Относительные амплитуды колебаний Номер массы системы Относительные амплитуды колебаний Одноузловая форма Двухузловая форма 1 1 2 0,972559 0, 3 0.9118781 0, 4 0.8291609 0, 5 0,7264064 0, 6 0,6060976 0, 7 0,471142 0, 8 0,3091215 -0, 9 -1,008608 -0, 10 -7,37326 0, Вектор относительных амплитуд неразветвлённой крутильно колеблющейся системы представляет собой столбец:

a A.

.

Относительные амплитуды колебаний Номер массы системы Рисунок 6.4 – График развития одноузловой формы крутильных колебаний [192] Относительные амплитуды колебаний Номер массы системы Рисунок 6.5 – График развития двухузловой формы крутильных колебаний [192] При помощи графиков развития относительных амплитуд колебаний (рисунок 6.4 и рисунок 6.5) осуществляется отыскание узловых сечений, то есть тех сечений, которые остаются условно неподвижными при рассматри риваемой форме колебаний.

Для определения работы возмущающих моментов (параграф 2.5.2) были построены графики их развития в зависимости от частоты вращения коленча того вала дизеля, которые представлены ниже на рисунках 6.6 и 6.7.

Рисунок 6.6 – Графики развития возмущающего момента 1;

1,5;

2 порядков в зависимости от частоты вращения коленчатого вала [192] Рисунок 6.7 – Графики развития возмущающего момента 2,5;

3;

3,5 порядков в зависимости от частоты вращения коленчатого вала [192] 6.2 Разработка методики диагностирования силиконового демпфера крутильных колебаний судового дизеля Для уменьшения уровня колебаний валопровода от возмущающих мо ментов на резонансных режимах работы значительная часть дизельных уста новок оборудована гасителями колебаний различных типов. По способу воз действия на систему средства уменьшения крутильных колебаний принято делить на два вида: демпферы (или виброгасители) – средства с частичным поглощением колебательной энергии и последующим рассеиванием её в ок ружающую среду;

антивибраторы – средства без поглощения колебательной энергии, уменьшающие колебания за счёт динамического воздействия на ва лопровод [1, 3, 152]. Для достижения наибольшей эффективности гаситель колебаний устанавливается в месте развития максимальных амплитуд кру тильных колебаний, обычно на носовом конце коленчатого вала.

В настоящее время широкое распространение получил силиконовый демпфер крутильных колебаний, который благодаря высокой эффективности, простоте изготовления и эксплуатации почти вытеснил все другие виды демпферов и в значительной степени – антивибраторов. Силиконовый демп фер состоит из корпуса-ступицы, которая жёстко или упруго крепится к валу дизеля и инерционной массы (маховика), размещаемого внутри корпуса с за зором менее 1 мм, заполненной силиконовой жидкостью. Энергия в таком демпфере поглощается трением, возникающим при относительном движении маховика в вязкой среде.

Силиконовая жидкость обладает рядом ценных свойств, которые сдела ли ее эффективной для применения в демпферах крутильных колебаний:

высокая химическая инертность (она не окисляется и не вступает в ре акцию с металлами, ни с пластмассой при довольно высоких темпера турах – до значительно меньшая зависимость вязкости от температуры по сравне нию с машинным маслом;

низкая температура застывания;

хорошая смазывающая способность при соприкосновении с кадмиро ванной или хромированной сталью, а также с бронзой, медью, латунью, алюминием, свинцовистым баббитом и резиной.

Перечисленные свойства практически стабильны при работе 10 тыс. ча сов [1].

Могут возникнуть следующие нарушения нормальной работы силико нового демпфера [152]:

заклинивание маховика в корпусе вследствие появления вмятин на тон костенном корпусе или крышке;

полимеризация силиконовой жидкости от резкого повышения темпера туры, вызванного повреждением подшипника самого демпфера или ближайшего к демпферу рамового подшипника дизеля;

утечки силиконовой жидкости при нарушениях герметичности корпу са;

изменения вязкости силиконовой жидкости при длительной экс плуатации демпфера.

Опыт эксплуатации и анализ повреждений демпферов показывает, что они происходят не только от работы в резонансных или околорезонансных зонах, но и при пусках, остановках и резких изменениях частоты вращения коленчатого вала дизеля [1, 3, 152].

Работа дизельной СЭУ с неисправным демпфером более опасна, чем без него, так как может вызвать поломки элементов системы валопровода и стать причиной аварии судна (рисунок 1.4).

На исследуемых дизелях 6NVD26A-3 судов проекта 1741А, установлены герметичные силиконовые демпферы фирмы SKL (Германия). Следователь но, анализ физико-химических показателей силиконовой жидкости в процес се эксплуатации дизеля невозможен. Система непрерывного контроля техни ческого состояния демпфера отсутствует. При отсутствии на судах систем непрерывного контроля состояния демпфера в работе [152] рекомендуется использовать переносные средства диагностирования и штатные контрольно измерительные приборы, создавая такие условия работы валовой линии ди зеля, при которых исключалась бы возможность возникновения предельных напряжений. Периодический контроль над работой демпферов целесообраз но начинать после истечения 30% гарантированного срока их эксплуатации.

Для сбора информации о техническом состоянии демпферов, получения данных о возможных дефектах и целесообразности выполнения профилак тических мероприятий в регламентные сроки можно использовать непосред ственные и косвенные показатели, характеризующие состояние демпферов без их разборки [145, 152].

К непосредственным показателям относятся:

1. Напряжения в валопроводе в резонансных зонах, превышающие 85% от допустимых;

2. Амплитуда колебаний носового конца коленчатого вала более 0, радиан для длительной работы и 0,024 радиан для кратковременной работы;

3. Подвижность инерционной массы (маховика) относительно ступицы демпфера;

Косвенными показателям работоспособности демпфера следует считать:

1. При вибрации остова дизеля в районе демпфера:

- вибросмещение 2 мм при частоте колебаний до 250 кол/мин;

- виброскорость 5 мм/сек при частоте колебаний 250 – 2000 кол/мин;

- виброускорение 10 м/ при частоте колебаний более 2000 кол/мин.

2. Температурные характеристики отдельных деталей:

- температура поверхности выносного демпфера не должна превышать температуру окружающей среды более чем на 15 ;

3. Шум в районе демпфера, зубчатых или цепных передач не должен превышать номинальные величины на 10 дБ.

В течение двух навигаций 2007-2008 годов лабораторией «Динамика и прочность судовых конструкций» кафедры «Сопротивление материалов»

ФБОУ ВПО НГАВТ при непосредственном участии автора данной диссерта ционной работы были проведены натурные исследования технического со стояния элементов валовой линии дизелей 6NVD26-А3 теплоходов проекта 1741А. Номера теплоходов, вид дизеля и его техническое состояние приве дены в таблице 6.5.

Таблица 6.5 - Теплоходы исследуемых дизелей Теплоход Борт дизеля Состояние Средняя амплитуда A дизеля спектрограммы, дел.

РТ – 638 правый 1, D РТ – 673 левый 0, D РТ – 685 левый 2, D РТ – 689 левый 1, D РТ – 726 правый 2, D РТ – 787 правый 1, D РТ – 791 правый 1, D РТ – 634 левый 4, D РТ – 638 левый 5, D РТ – 673 правый 5, D РТ – 674 правый 4, D РТ – 724 левый 4, D РТ – 740 правый 4, D РТ – 786 левый 4, D В соответствие с теоретическими положениями, принятыми нами в па раграфе 2.1, дизели с работоспособными демпферами были отнесены к ис правному D1 техническому состоянию. Дизели, у которых была нарушена нормальная работа демпфера (заклинивание инерционной массы в корпусе, повышенная температура и отсутствие демпфера в валовой линии), были от несены к дефектному состоянию D2.

Измерение крутильных колебаний проводилось при помощи автомати зированного измерительно-вычислительного комплекса БАГС-4 в соответ ствии с п.3 руководства [149], программой по торсиографированию валопро водов, согласованной с Западно-Сибирской инспекцией РРР [150], и по мето дике, рассмотренной в параграфе 3.5. Датчик устанавливался на свободном конце коленчатого вала со стороны демпфера. Определение максимального развития вынужденных колебаний производилось автоматически и синхрон но датчиком ТНК-1 при работе дизеля с заданным числом оборотов. Сигналы датчика выровнены и обработаны, поэтому полезный сигнал определялся крутильными колебаниями, зависящими только от углов закручивания в дан ном участке вала.

За пределами машинного отделения запись измеренных колебаний от флеш-карты через надежный порт типа УСБ скачивалась в аналого-цифровой преобразователь спектра ПФ-1 и обрабатывалась им методом интегрального преобразования Фурье. Получаемая спектрограмма показывает, какие гармо ники содержатся в данном сложном колебании, и какую амплитуду имеет каждая из этих гармоник. Масштабы записи определяются программным ме тодом при тарировке на стенде. Масштаб записи амплитуды для исследуе мых дизелей составил 4 10-3 рад/дел. В дальнейшем одно деление спектро граммы для краткости будем называть единицей.

Сравнительный анализ массива полученных спектрограмм, как при оди наковой частоте, так и при разной частоте вращения коленчатого вала для различных состояний дизелей показал, что их спектральные плотности ам плитудно-частотных характеристик существенно отличаются друг от друга.

Этот факт подтверждает выводы теоретического анализа, проведённого в па раграфе 2.5 и параграфе 3.5. Рисунок 6.8 для исправного состояния D1 и ри сунок 6.9 для дефектного D2 состояния иллюстрируют сказанное.

А, рад 8 10- -, Гц Рисунок 6.8 – Спектрограмма крутильных колебаний вала при частоте вращения 600 об/мин дизеля левого борта теплохода «РТ-689» состояния D А, рад 20 10- 16 10- 12 10- 8 10- 4 10-, Гц Рисунок 6.9 – Спектрограмма крутильных колебаний вала при частоте вращения 600 об/мин дизеля левого борта теплохода «РТ-638» состояния D Надежность диагностирования состояния валовой группы зависит от объективности оценки динамических характеристик крутильных колебаний коленчатого вала. Поэтому в процессе диагностирования судовому дизелю необходимо задать определенный режим работы – диагностический режим.

По данным работы [10] в качестве такого режима работы двигателя рекомен дуется использовать режим 25% Pe ( n 0, 6 n e ), где Pe и n e соответственно номинальная мощность и частота вращения коленчатого вала дизеля. При номинальной частоте дизеля 6NVD26A-3 ne 950 мин1 (таблица 6.1) был при нят диагностический режим частоты n 600 мин1, который, кроме того, нахо дится вне резонансных частот (таблица 6.3). Исходя из сказанного, массив экспериментальных данных параметров амплитудно-частотных характери стик спектрограмм, полученных при одинаковой частоте коленчатого вала, равной n 600 мин1, был подвергнут статистической обработке.

Для каждого интервала частот шириной в 12,2 Гц (всего 16 интервалов в диапазоне от 0 до 195 Гц) в относительных единицах масштаба амплитуд спектрограммы (рисунки 6.8, 6.9) измерялась величина максимальной ампли туды. Затем рассчитывались средние амплитуды A всех интервалов частот спектрограммы каждого дизеля. Результаты расчётов приведены в таблице 6.5. Последующая статистическая обработка данных таблицы 6.5, результаты которой приведены в таблице 6.6, показали, что различие статистических ха рактеристик не случайно. Сравнение характеристик исправного D1 и дефект ного D2 состояний дизеля произведено согласно выражениям (5.1) – (5.4) по двум известным критериям: Фишера и Стьюдента. Как критерий Фишера F так и критерий Стьюдента t превышают критические значения Fкр и tкр (таб лица 6.6). Так, например, по критерию t можно почти с вероятностью 100% утверждать, что расхождения между сравниваемыми выборками весьма зна чимые, и они относятся к разным совокупностям.

Таблица 6.6 - Сравнение статистических характеристик средних амплитуд A спектрограмм крутильных колебаний Статистические характеристики Состояние Среднее Дисперсия Критерий Критерий Fкр при tкр при дизеля 2, дел. значение Фишера Стьюдента P 0,95 P 0, A, дел. t F 1,79 0, D 4,39 10,89 4,28 4, 4,88 0, D Анализ результатов таблицы 6.6 показывает, что среднее значение ам плитуды A по массиву данных дефектного состояния D2 в 2,85 раз превыша ет средний уровень амплитуд колебаний валопровода исправного D2 состоя ния демпфера. На основании изложенного в качестве диагностического па раметра состояния демпфера нами была принята величина средней амплиту ды A крутильных колебаний.

Более того, из детального анализа спектрограмм следует, что у всех ва лопроводов с дефектным состоянием демпфера амплитуды крутильных коле баний в установленном диапазоне от 0 до 200 Гц на собственной частоте 54,031 Гц одноузловой формы колебаний и собственной частоте 71,490 Гц двухузловой формы колебаний (таблица 6.3) в три и более раз превышают величины амплитуд на тех же частотах в валопроводах с исправными демп ферами.

Исходя из гипотезы нормального распределения величин средних ам плитуд A спектрограмм (в первом приближении), установим допустимый и предельный нормативы для оценки состояния демпфера при уровне надёж ности P 0,95 и критерии Стьюдента tP 2, Aдоп A D1 tP D1 1,79 2, 48 0,617 3,32 делений или 1,33 102 рад;

Aпред A D2 tP D2 4,88 2, 48 0,332 4,10 делений или 1, 64 102 рад Здесь A D1, A D2 соответственно средние значения амплитуд исправного D1 и дефектного D2 состояний демпфера;

D1, D2 соответственно сред ние квадратичные отклонения исправного D1 и дефектного D2 состояний демпфера (таблица 6.6).

Кроме того, как показано выше, дополнительными критериями дефект ного состояния демпфера может служить наличие дополнительных резонан сов на собственных частотах одноузловой и двухузловой форм крутильных колебаний.

6.3 Результаты исследования информативности диагностическихпараметров спектрограммы крутильных колебаний при оценке состояния силиконового демпфера Как было отмечено в параграфе 1.2, совершенство того или иного диаг ностического параметра, положенного в основу метода диагностирования, определяется следующими условиями:

– однозначностью, которая заключается в том, что каждому значению диагностического параметра должно соответствовать вполне определённое значение структурного параметра или выходного процесса (состояния диаг ностируемого объекта);

– широтой поля изменения: диагностический параметр должен иметь возможно большое относительное изменение при абсолютном изменении структурного параметра;

– технологичностью измерения параметра, определяемой удобством подключения диагностической аппаратуры, простотой измерения и обработ ки результатов измерений;

– достаточной информативностью о состоянии контролируемого объек та.

Первым трём условиям, как показано выше (параграф 6.2), метод оценки технического состояния элементов валовой линии дизельной СЭУ по пара метрам крутильных колебаний вполне удовлетворяет. Сведений об исследо ваниях информативности параметров крутильных колебаний на настоящий момент времени в литературе не обнаружено. В данной работе предпринята попытка восполнить этот пробел. Ниже изложены результаты проведённых исследований.

Общий массив спектрограмм, отснятых с контролируемых дизелей в те чение двух навигаций (таблица 6.5) при одинаковой диагностической частоте вращения коленчатого вала дизеля (n 600 мин1 ), составил N D 26. Из об щего массива N D1 17 составили спектрограммы дизелей с исправным со стоянием демпферов и N D2 9 с дефектным состоянием.

Согласно методике оценки диагностической ценности параметров рабо тающего масла (параграф 4.2), условимся считать частной диагностической ценностью обследования по i му интервалу амплитуд крутильных колеба ний A, находящихся в j ом интервале частот крутильных колебаний спектрограммы, величину информации, вносимую всеми реализациями в ус тановление соответственно состояний D1 и D2. Тогда частную диагностиче скую ценность можем определить по формулам:

P Aij / D Z D1 Aj P Aij / D1 log M (6.4) ;

P Aij j P Aij / D Z D2 Aj P Aij / D2 log M (6.5), P Aij j где P Aij / D1, P Aij / D2 условная вероятность наличия i го интервала амп j ом интервале частот литуд A в соответственно для исправного D1 и дефектного D2 состояний демпфера;

P Aij полная вероятность наличия в j ом интервале частот для всей системы i го интервала амплитуд A состояний D ;

M – число интервалов частот.

Общая диагностическая ценность определится как количество информа ции, вносимой обследованием в систему состояний:

Z D Aj P D1 Z D1 Aj P D2 Z D2 Aj, (6.6) где P D1, P D2 соответственно априорная вероятность исправного и де фектного состояний демпфера.

Массив экспериментальных данных был сформирован в виде диагности ческой матрицы числа случаев по интервалам относительных амплитуд A (в масштабе делений спектрограммы) и интервалам частот соответственно для исправного N Aij / D1 и дефектного N Aij / D2 состояний демпфера. Мат рица (таблица 6.7) содержит 10 строк интервалов амплитуд в диапазоне от до 18 единиц и 16 столбцов интервалов частот в диапазоне от 0 до 195 Гц.

Величины интервалов амплитуд и частот составляют соответственно 2 еди ницы (за исключением первых двух интервалов, где величина интервала принята равной единице) и 12,2 Гц.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.