Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ технического состояния судовых механизмов как объекта прогнозирования 9
1.1 Причины и характер изменения технического состояния 9
1.2 Структура системы управления работоспособностью судовых механизмов по прогнозируемому состоянию 21
1.3 Основные требования к прогнозам технического состояния 30
1.4 Цель и задачи исследования 41
Выводы по главе 1 42
2. Модели динамики технического состояния узлов судовых механизмов 44
2.1 Общая структура процесса изменения технического состояния 44
2.2 Модели изменения технического состояния основных узлов судовых механизмов 53
2.3 Идентификация параметров модели 71
Выводы по главе 2 85
3. Способы и алгоритмы прогнозирования технического состояния 88
3.1 Анализ способов прогнозирования 88
3.2 Алгоритм одномерного прогнозирования 98
3.3 Алгоритм многомерного прогнозирования 110
3.4 Оценка остаточного ресурса 122
Выводы по главе 3 127
4. Методика прогнозирования технического состояния и работоспособности судовых механизмов 130
4.1 Ретроспективный анализ процессов изменения технического состояния 130
4.2 Построение модели прогнозирования 137
4.3 Оценка параметров модели 153
4.4 Определение параметров и характеристик прогноза 159
Выводы по главе 4 162
Заключение 165
Список использованных источников 168
- Структура системы управления работоспособностью судовых механизмов по прогнозируемому состоянию
- Модели изменения технического состояния основных узлов судовых механизмов
- Алгоритм многомерного прогнозирования
- Ретроспективный анализ процессов изменения технического состояния
Введение к работе
Возрастание затрат водного транспорта за счет роста цен топлива на
мировом рынке, интенсивная конкуренция вследствие факторов рыночных отношений, количественный рост и качественные изменения флота приводят к необходимости повышения эффективности технической эксплуатации судов.
Повышение эффективности технической эксплуатации судов в значительной степени связано с совершенствованием процедуры их эксплуатации, технического обслуживания и ремонта. В последнее время применяется и продолжает развиваться метод ремонта судов по техническому состоянию, как прогнозируемому, так и оцененному средствами диагностирования, широко используются современные методы поддержания и восстановления работоспособности судовых механизмов. Одним из важных факторов обеспечения эффективности указанных методов является определение оптимальной периодичности обслуживания и ремонта.
В настоящее время одним из основных направлений совершенствования технической эксплуатации судов является управление качеством их технического состояния. Управление техническим состоянием судовых энергетических установок позволяет повышать надежность техники, обеспечивает увеличение эксплуатационного времени. Переход своевременно на соответствующие режимы технического обслуживания и ремонта по техническому состоянию механизма позволяет значительно уменьшать затраты, связанные с заменой основных деталей и механизмов судовых энергетических установок. Однако осуществление управления без прогнозирования ожидаемого технического состояния невозможно.
В процессе эксплуатации техническое состояние механизмов судовых
энергетических установок изменяется. Изменения технического состояния
^ происходят в узлах механизма с течением времени под влиянием внешних
воздействий и внутренних необратимых физико-химических превращений.
Эти изменения понижают работоспособность механизма и приводят к его отказам. Внезапные отказы механизмов, особенно судовых энергетических установок, могут вызывать серьезные последствия для собственности и жизни человека, когда суда плавают в море как автономные единицы. Таким образом, при эксплуатации судовых энергетических установок очень важно уметь определять их техническое состояние, т.е. знать, какими характеристиками обладает механизм в данный момент времени. Эта задача решается средствами технического контроля, позволяющего получать данные о технических параметрах механизма в момент измерения. Прогнозирование технического состояния позволяет уменьшать внезапность появления отказов, а также повышать эксплуатационную надежность и наработку до отказа судовых энергетических установок.
Исследования вопросов прогнозирования начаты в 50-х годах XX века, на этом этапе широко развиваются теория прогнозирования, применяются простые прогнозирующие модели, Далее, в 60 - 70 гг. - это период бума прогнозирования, при этом разработано большинство новых методов прогнозирования, созданы сложные прогнозирующие модели. На следующем этапе, с конца 70-х до начала 80 гг. научное прогнозирование продолжает развиваться, достижения прогнозирования широко применяются во многих областях как в социально-экономической, так и в научно-технической.
В области разработки прогнозов изданы работы ученых Европы и Америки - Г. Тейла, Дж. Брайта, Р. Эйреса, Э. Янча, Дж. Мартино, Г.Д. Хау-штейна, А. Бауэра и др.
Опубликованы общезначимые работы русских ученых - А.Г. Аганбе-гдяна, А.И. Берга, Д.М. Гвишиани, В.М. Глушкова, A.M. Румянцева, Н.П. Федоренко, В.Г. Гмошинского, Г.М. Доброва, Ю.А.Зыкова, Г.И. Флиорента.
В России область технической эксплуатации судов становится объектом исследования ученых. Научное решение вопросов организации техниче-
ского обслуживания и ремонта судов показано в работах Б.В. Васильева, М.М. Гальперина, Б.М. Левина, В.Г. Никифорова и др.
В области надежности судовой техники имеются многие важные исследования. Большой вклад в развитие методов анализа и оценки надежности внесли А.Г. Варжапетян, Л.Н. Карпов, В.И. Николаев, И.П. Падерно, Л.А. Промыслов, И.А. Рябинин, Ю.А. Светликов, СР. Смирнов и др.
Физические отказы узлов судовых механизмов и методы их прогнозирования изучены Б.А. Ватипко, B.C. Гавриловым, Г.А. Давыдовым, Р.В. Кузьминым, В.В. Лаханиным, М.К. Овсянниковым, B.C. Семеновым, В.А. Сомовым и др.
Вопросам развития методов и средств технической диагностики судовой техники посвящены труды Б.В. Васильева, И.В. Возницкого, В.П. Каля-вина, Р.А. Коллакота, М.И. Левина, А.В. Мозгалевского, Ю.Н. Мясникова, В.И. Николаева, А.С. Петрова, С.А. Попова, Ю.В. Сумеркина, В.Ф. Сыро-мятникова, И.А. Биргера и др.
Область технического прогнозирования судового оборудования исследована в работах Д.В. Гаскарова, Т.А. Голинкевича, А.В. Мозгалевского, В.В. Глущенко и др.
Вопросы технического обслуживания и ремонта судов по состоянию, управления качеством продукции и управления техническим состоянием судовой техники изучены в работах ЕЛ. Климова, Э.К. Блинова, Г.Ш. Розен-берга, В.И. Гиссина и др.
Во Вьетнаме в настоящее время немного исследован вопрос надежности судовой техники. Еще не достаточное внимание уделяется направлению исследований по управлению техническим состоянием судов и прогнозированию технического состояния судового оборудования. Почти нет работ по прогнозированию работоспособности механизмов судовых энергетических установок.
При наличии больших портов и более 3000 км морского побережья относительно сильно развивается морской транспорт Вьетнама. По статистическим данным вьетнамский флот имеет примерно 970 судов с общей грузовместимостью 2,85 миллионов тонн DWT. Однако вследствие трудных условий экономики страны большинство судов эксплуатируется более 20 лет, и даже 30 лет. Поэтому их техническое состояние значительно ухудшается, часто появляются отказы. Еще не усовершенствован режим технического обслуживания и ремонта энергетических установок. Периодичность выполнения капитального ремонта судна в доке обычно определяется только по требованию Регистра морского судна, а не по прогнозируемому техническому состоянию. Момент осуществления технического обслуживания механизмов судовых энергетических установок определяется по опыту оператора или инструкции технической документации, однако для старых судов этот метод не подходящ. Большинство работ по ремонту и замене деталей, оборудования осуществляется только тогда, когда отказ произошел. Одной из причин этого является отсутствие информации о прогнозировании технического состояния энергетических установок.
Такой режим технического обслуживания и ремонта увеличивает в значительной степени затраты на ремонт флота, связанные с восстановлением работоспособности, по сравнению со своевременным обслуживанием энергетических установок до наступления отказа. Результатом является снижение конкурентоспособности отдельных судов на рынке транспортных услуг и водного транспорта в целом.
Указанный режим обслуживания представляет собой одну из основных причин появления внезапных отказов в процессе эксплуатации судовых энергетических установок. Автор в период работы инженером на судне дважды участвовал в работах по ремонту судовой энергетической установки в море. Это вызывало необходимость внезапной остановки судна для выполнения разборки главного судового дизеля, замены крышки цилиндра, поршня и да-
же втулки цилиндра двигателя. Для исполнителей это весьма трудные и опасные работы при условии волны, ветра и отсутствия управляемости судна.
Исходя из указанных фактов, диссертация выполняется с надеждой, что автор вносит свой небольшой вклад в повышение надежности эксплуатируемых судовых энергетических установок и способствует уменьшению трудностей и опасностей для судовых экипажей.
Настоящее исследование посвящено анализу основных причин изменения технического состояния судовых механизмов при эксплуатации, построению модели процесса изменения их технического состояния, анализу основных задач управления работоспособностью по прогнозируемому техническому состоянию и их решению при эксплуатации, обслуживании и ремонте судовых механизмов. Указанные вопросы решены на основе математического моделирования исходя из физико-кибернетического подхода к построению модели динамики изменения технического состояния основных узлов судовых дизелей. На основании построения алгоритмов прогнозирования при конкретных случаях предложена методика прогнозирования технического состояния и работоспособности судовых механизмов.
Структура системы управления работоспособностью судовых механизмов по прогнозируемому состоянию
Повышение качества судовых энергетических установок предполагает управление процессами формирования и поддерживания необходимых свойств на всех стадиях их жизненного цикла: исследовании, проектировании, изготовлении, транспортировании и эксплуатации. Каждая стадия имеет присущие ей сущности и внутреннюю структуру.
Стадия эксплуатации включает в себя следующие основные этапы: использование по назначению, технологическое обслуживание при эксплуатации, хранение при эксплуатации, техническое обслуживание и ремонт. При этом использование по назначению судовых механизмов является самым основным этапом всего жизненного цикла, связанным со всеми стадиями. Поэтому техническую эксплуатацию судовых механизмов необходимо рассматривать как сложный специальный объект управления качеством, для изучения его не могут быть использованы методы, которые создаются применительно к стадиям исследования, проектирования и изготовления.
Кроме того, ограниченные ресурсы природной энергии, устойчивый рост цены топлива на мировом рынке и интенсивная конкуренция на морском транспорте приводят к необходимости управления качеством технической эксплуатации как целесообразное решение.
Управление качеством технической эксплуатации судовых энергетических установок позволяет обеспечить: повышение надежности техники без больших дополнительных затрат и увеличение эксплуатационного времени или коэффициента технического использования; снижение расхода топлива при соблюдении графика движения судна, снижение расхода смазочного масла, а также снижение соответствующих затрат из-за использования дешевых топлив; переход своевременно на техническое обслуживание и текущий ремонт по фактическому состоянию или на регламентное техническое обслуживание и ремонт по прогнозируемому состоянию и снижение соответствующих затрат; создание условий оптимального функционирования основных узлов; своевременное обнаружение и устранение возникших дефектов, снижение темпов расходования технического ресурса основных деталей и удлинение периодов между средними и текущими ремонтами; безопасность собственности и жизни человека, когда суда плавают в море как автономные единицы.
Качество механизма при эксплуатации определяется многими взаимосвязанными внешними и внутренними факторами. Анализ качества следует начинать с установления его границ и взаимодействий с другими функциональными комплексами судна. При дальнейшем изучении механизма нужно от внешних характеристик перейти к внутренним характеристикам.
Разделение внешних и внутренних характеристик механизма связано с его системным представлением. Различают пять основных типов представлений механизмов как систем: элементно-структурное, иерархическое, функциональное, макроскопическое и процессное. Элементно-структурное основано на понимании его как совокупности элементов и связей. Функциональное представление механизма связано с рассмотрением его как множества функций для достижения определяемых целей. Макроскопическое представление механизма основано на понимании его как объекта, который имеет внешнюю среду. Иерархическое представление механизма построено на основе упорядоченности по вертикальным связям с выделением подсистем (узлов, блоков, агрегатов и т.д.). При процессном представлении механизм рассматривают в виде множества процессов, которые характеризуют последовательное изменение состояний с течением времени. Процессы, происходящие в судовых энергетических установках на стадии эксплуатации, можно разделить на два группы: процессы функционирования и процессы деградации.
На практике различают три основных вида качества: материально-структурное, функциональное и потенциальное системное. Материально-структурное и функциональное качества наблюдают в механизме через свой 23
ства материалов деталей, форму и взаимное расположение рабочих поверхностей, параметров рабочих процессов. Потенциальное системное качество является частью совокупного качества системы, в которую временно входит механизм, оно присутствует в механизме лишь как признак возможности вхождения в систему. Разделение показателей качества по характеризуемым свойствам судовых энергетических установок представлено на рис. 3 [45].
Согласно стандарту [32] техническое состояние любого объекта - это совокупность подверженных изменению свойств объекта в процессе изготовления или эксплуатации. Эти свойства характеризуются в определенный момент времени признаками, установленными технической документацией. Однако это определение технического состояния не достаточно точное, потому что оно не связывает изменение свойств объекта с его пригодностью к использованию по назначению. В настоящее время предлагается следующее определение: "Техническое состояние объекта - совокупность свойств, изменяющихся в процессе производства и эксплуатации и обусловливающих его пригодность к безопасному и эффективному использованию по назначению в заданных условиях" [45].
Модели изменения технического состояния основных узлов судовых механизмов
Эти дефекты переводят необслуживаемый объект из группы начального состояния (исправного состояния) в группу конечного состояния. Этот процесс представлен в работе структурной моделью. 3. Представление процесса изменения технического состояния судового механизма на языках моделирования дает возможность более подробного исследования этого процесса. IDEF3-моделирование является подходящим методом для описания процесса изменения состояния объекта. IDEF3 является техникой для накопления и документирования информации о процессах. Он записывает поведенческие аспекты существующего процесса или предлагаемой системы. С использования логических блоков и элементов этой нотации более ясно понимается процесс изменения состояния объекта. 4. Модели динамики изменения технического состояния судовых механизмов под влиянием изнашивания построены на основе исследования реальных характеристик процесса изнашивания и физических процессов, происходящих в узлах механизмов. В зависимости от характера конструкции и процессов изнашивания узлы судового дизеля разделены на три основные группы: динамически нагруженные узлы (узлы 1-го типа); спокойно нагруженные узлы (узлы 2-го типа) и узлы типа поршневое кольцо - втулка цилиндра (узлы 3-его типа). 5. Построение моделей динамики процесса изнашивания узлов осуществлено при трех основных варьируемых режимах работы дизеля: теплового, нагрузочного и скоростного. Полученные модели процесса изнашивания являются многомерными функциями и могут быть разделены на группы линейных и нелинейных моделей. 6. Одной из важных задач при построении моделей прогнозирования технического состояния судовых механизмов является идентификация. Задача идентификации параметров состоит в определение по результатам эксплуатационных наблюдений (экспериментальным данным) неизвестных параметров модели объекта. Анализ известных методов идентификации позволил обосновать выбор методов наименьших квадратов как наиболее подходящих для идентификации параметров моделей судовых механизмов. 7. Идентификация параметров линейных моделей динамики процесса изнашивания показана на примере узла второго типа (при работе дизеля по винтовой характеристике). 8. Построение алгоритма идентификации параметров модели узла первого типа (при работе двигателя по винтовой характеристике) рассмотрено в качестве примера для нелинейных моделей. Прогнозирование технического состояния вообще, и работоспособности в частности, является наиболее эффективным методом повышения эксплуатационной надежности судового механизма путем своевременного последующего выполнения мероприятий по техническому обслуживанию и ремонту. Прогнозирование позволяет предсказывать, прежде всего, постепенные параметрические отказы, но в отдельных случаях удается предсказать и внезапные отказы. Обычно в прогнозировании технического состояния эксплуатируемого механизма выполняют одновременно два прогноза: на короткий интервал времени до одного месяца в оперативных целях планирования использования по назначению; на интервал от одного месяца до одного года или более с целью планирования технического обслуживания и ремонта. Для решения задачи прогнозирования рассматриваемое время разделяют на два интервала: Т] - интервал наблюдения за техническим состоянием механизма в прошлом (ретроспекция), Тг - интервал, на котором осуществляют прогнозирование (проспекция). Чем больше Tj, тем достовернее прогнозирование, потому что с увеличением интервала наблюдения возрастает объем информации о прогнозируемом процессе. Но увеличение Ті приводит к дополнительным затратам для выполнения длительного эксперимента или обработки данных о состоянии механизма. В связи с этим на практике стараются сократить по возможности Ті. Задача прогнозирования изменения технического состояния судового механизма может быть решена различными методами. В зависимости от используемого математического аппарата различают два следующих основных направления прогнозирования: экстраполяция и классификация.
В прогнозировании технического состояния судового механизма путем экстраполяции определяют значения детерминированных или вероятностных характеристик процесса изменения его технического состояния на основе данных, получаемых на интервале наблюдения. При прямой экстраполяции в процессе прогнозирования предполагают, что условия, которые были при наблюдении, в будущем остаются постоянными или изменяются по известному закону. К экстраполяции относятся аналитическое (детерминированное) и вероятностное прогнозирование.
Алгоритм многомерного прогнозирования
Одним из важнейших факторов обеспечения надежности работы судовых механизмов при эксплуатации является оценка остаточного ресурса. Остаточный ресурс механизма определяется остаточной степенью работоспособности или наработкой до физического или параметрического отказа. Соответственно нужно говорить о физическом и параметрическом остаточном ресурсе.
Исследование проблемы оценки физического остаточного ресурса в работе [38] показало отсутствие научно-обоснованной концепции определения ресурса, а также недостаточную эффективность традиционных методов и средств неразрушающего контроля механизмов.
Существующие подходы к оценке остаточного ресурса оборудования вообще, и судовых механизмов в частности, можно разделить на следующие общие направления,
Во-первых, переход от вероятностных методов оценки ресурса, основанных на статистике отказов, к оценке индивидуального ресурса механизма на основе комплексного подхода, комбинирующего результаты разрушающего и неразрушающего контроля с поверочными вычислениями на прочность.
Во-вторых, переход от дефектоскопии к методам технической диагностики, которые основываются на сочетании механики разрушений и металловедения. В-третьих, обследование большого числа механизмов с целью определения потенциально опасных зон. При комплексном использовании различных методов разрушающего и неразрушающего контроля нет строго определенного порядка и последовательности в их применении для конкретного механизма контроля. Порядок, объем и периодичность контроля механизма, как известно, определяются, с одной стороны, расчетным ресурсом, повреждаемостью и периодом между капитальными ремонтами, а с другой стороны - наличием средств и методов контроля. На практике только в отдельных, ответственных отраслях промышленности имеются специальные инструкции о порядке и периодичности контроля и определения физического остаточного срока службы механизмов [38]. И даже в этих современных областях существует проблема определения предельного состояния металла и оценки индивидуального ресурса механизма. Кроме того, имеющиеся методики вычисления на прочность предполагают независимое протекание процессов коррозии, усталости и ползучести, однако на практике эти процессы протекают одновременно в различной мере сочетания. Направление перехода от традиционной дефектоскопии к технической диагностике с использованием комплексного подхода (определение параметров дефектов, оценка распределения остаточных напряжений, определение структурно-механических характеристик металла) имеет низкую эффективность при контроле напряженно-деформированного состояния механизма. Анализ возможностей известных методов контроля и измерения напряжений и деформаций на основном металле узлов и сварных соединениях механизмов показал следующие недостатки: - невозможность применения большинства методов в области пластической деформации; - невозможность учета изменения структуры металла; - сложность определения положения датчиков контроля по отношению к направлению действия основных напряжений и деформаций, определяющих надежность конструкции. Необходимость обследования больших партий оборудования при оценке ресурса хотя и осознана, однако для выполнения этой задачи на практике требуются большие затраты времени и материальных средств. С применением традиционных методов эта задача не решается. В настоящее время для оценки физического остаточного ресурса судовых механизмов могут быть использованы методы экспертные, расчетные или экспериментально-расчетные. В настоящей работе предлагается метод оценки параметрического остаточного ресурса механизмов на основе контроля и прогнозирования диагностических параметров. С точки зрения технического прогнозирования задача оценки остаточного ресурса судовых механизмов может быть рассмотрена как прогнозирование их работоспособности. Эту задачу можно относительно просто решить, если имеется возможность периодического контроля ресурсного параметра. Однако на практике почти не удается измерять ресурсные параметры при эксплуатации, например, измерение и оценка меры износа втулки цилиндра двигателя в процессе эксплуатации невозможны без ее разборки. В этих случаях задачу оценки (или прогнозирования) остаточного ресурса предлагается произвести следующим образом: 1. Необходимо по результатам предварительных испытаний установить связь между предельными значениями ресурсного параметра и диагностических (контролируемых) параметров. С целью нормировки предельных значений контролируемых параметров могут быть осуществлены ускоренные испытания. Предполагаем, что предельное состояние при ускоренных испытаниях соответствует предельному состоянию механизма в режимах эксплуатации.
Ретроспективный анализ процессов изменения технического состояния
Объем и качество информации о процессе (объекте) определяется требованиями каждой конкретной задачи прогнозирования. Они, естественно, обусловливают успех прогнозирования. Информация о прогнозируемом процессе получается из результатов его контроля (наблюдения). Контроль может осуществляться непрерывно или периодически. Непрерывный контроль сообщает наибольшую информацию, но он увеличивает сложность и стоимость эксперимента и требует специальных измерительных приборов. На практике чаще всего применяется периодический контроль.
В случае индивидуального прогнозирования полученную текущую информацию (контролируемые данные) о процессе можно представить в виде двухмерной матрицы (см. табл. 12). Размер матрицы информации (данных) определяется условиями эксперимента и особенностями исследуемого процесса (объекта). При этом число к контролируемых параметров зависит от характеристики каждого конкретного процесса. Естественно, что чем больше п (число наблюдений контролируемых параметров), тем достовернее прогноз. Однако увеличение числа наблюдений приводит к увеличению затрат вследствие более длительного эксперимента и дополнительной обработки данных. В частном случае, когда к = 1 - это данные для решения задачи одномерного прогнозирования.
Качество информации играет не меньшую роль, чем ее количество. Очевидно, что чем информативнее данные, тем выше точность прогноза. Для повышения точности прогноза необходимо обработать полученную информацию,
Необходимость предварительной обработки при анализе данных возникает независимо от того, какие технологии и алгоритмы используются. Поскольку процесс прогнозирования базируется на основе полученных данных, очевидно, что некорректные исходные данные приводят к некорректным выводам. Таким образом, целью предобработки данных является повышение качества информации о прогнозируемом процессе. Предварительная обработка состоит в корректировании и очистке контролируемых данных.
В процессе эксплуатации механизмы подвергаются воздействию различных факторов как внутренних, так и внешних. Внутренние факторы охватывают режим работы, условия технического обслуживания и ремонта, способность (профессиональная компетентность) человека-оператора. К внешним факторам относятся условия, в которых механизм эксплуатируется, как волна, ветер, температура и влажность среды. Таким образом, эксплуатационные условия в различной мере оказывают влияние на полученные контролируемые данные. На практике обычно эксплуатационные условия механизмов отличаются от испытательных условий, часто считающихся стандартными, поэтому полученные значения контролируемых параметров необходимо корректировать в соответствии со стандартными условиями среды, регламентируемыми стандартами ISO.
В случае судовых механизмов эксплуатационные условия значительно воздействуют на их контролируемые параметры, так как судно имеет широкую эксплуатационную область, условия среды сильно изменяются.
Входной параметр судовых дизелей, подвергающийся непосредственному влиянию условий среды, представляет собой температура всасываемого воздуха. Изменения температуры всасываемого воздуха и охлаждающей воды на входе в воздухоохладитель приводят к изменениям контролируемых параметров двигателя, особенно таких, как максимальное давление в цилиндрах двигателя pz, давление сжатия рс, температура отработавших газов на выходе из цилиндров texh, давление продувочного воздуха pscav. При стандартных условиях значения температуры всасываемого воздуха 1шпт и охлаждающей воды tcooimt на входе в воздухоохладитель равны 25С. Тогда определяются корректирующие величины по мере изменения эксплуатационных условий для каждого указанного контролируемого параметра выражениями:
