Содержание к диссертации
Введение
Анализ состояния диагностирования систем дистанционного автоматизированного управления (ДАУ) главными судовыми дизелями
1.1. Принципы диагностирования систем ДАУ
1.2. Система ДАУ как объект диагностирования
1.3. Цель и задачи исследования Я3.
Исследование надежности систем ДАУ
2.1. Методика исследования
2.2. Надежность системы ДАУ главного судового дизеля 6 ЧРН 36/45 5?
2.2.1. Исходная информация 33
2.2.2. Характеристика отказов системы ДАУ 3
2.2.3. Показатели надежности системы ДАУ и ее элементов.
3. Разработка методики поиска неисправностей в системе ДАУ.
3.1. Построение математической модели системы ДАУ
3.2 Построение таблиц функций неисправностей .4?
3.3. Определение оптимального набора контролируемых точек для локализации неисправностей ^9
Исследование и выбор диагностических параметров технического состояния систем ДАУ
4.1. Динамические характеристики мембранных сервоклаланов.
4.2. Динамические характеристики группы элементов РЧ
4.3. Экспериментальное исследование динамики элементов системы ДАУ ?
Экспериментальное исследование работы системы ДАУ как объекта диагностирования
5.1. Методика экспериментального исследования
5.2. Схема испытаний системы ДАУ в судовых условиях. ?ч
5.3. Результаты испытаний системы при наличии неисправностей ,
5.4. Анализ времени прохождения сигналов в системе ДАУ Ц2,
6. Внедрение и экономическая эффективность результатов исследования
6.1. Разработка средств и технологии диагностирования пневматической системы ДАУ
6.2. Расчет экономической эффективности от внедрения диагностической системы "Поиск"
Заключение г
Литература Ч^
Приложение I. Описание работы принципиальных схем диагностических систем "Поиск" и "Поиск-М" 1~5
Приложение 2. Акты и справки по внедрению диагностических систем "Поиск" на судах Минречфлота РСФСР т
- Принципы диагностирования систем ДАУ
- Методика исследования
- Построение математической модели системы ДАУ
- Динамические характеристики мембранных сервоклаланов.
- Методика экспериментального исследования
Принципы диагностирования систем ДАУ
Принципы диагностирования систем ДАУ во многом основываются на теоретических работах Г.Ф.Верзакова, В.И.Казначеева,В.В.Карибского, Е.Н.Климова, А.В.Мозгалевского, Я.Я.Осиса, П.П.Пархоменко, А.С.Сердакова [12, 29, 31, 32, 35, 36, 37, 48, 49, 50, 52, 53, 54, 55, 68] , а также зарубежных ученых Д.Д.Брголе, Р.А.Джонсона, Е.Д.Клетекого, Е.И.Мак-Класски, В.Гласса [ 34, 86, 87, 88, 89] , в которых разработаны теоретические основы диагностирования технических систем и их элементов.
В общем случае, основной целью диагностирования является определение технического состояния системы в процессе функционирования и нахождении вышедших из строя элементов в случае неработоспособного состояния системы.
В технической диагностике систем ДАУ можно выделить два основных аспекта: изучение реальных систем ДАУ; построение и изучение математических моделей систем ДАУ (рис.1.1.).
Первый аспект связан с решением следующих задач: изучение нормального функционирования системы, выделение возможных состояний системы при отказах ее элементов; сбор и обработка статистических материалов, позволяющих определить распределение вероятностей возможных состояний системы, а также закономерностей проявления отказов отдельных ее элементов; сбор данных о затратах, связанных с осуществлением проверок; определение критериев технического состояния.
Изучению систем ДАУ, их экспериментальному и теоретическому исследованию посвящены работы Г.И.Аграчева, В.С.Гаврилова,В.И.Горелика, Г.А.Конакова, Г.А.Попова, А.К.Пузыревскго, В.А.Романова, С.М.Шелкова, С.Г.Эренбурга, Е.В.Юркова[ 4, 15, 21, 22, 30, 60, 61, 62, 63, 64, 65, 66, 77, 79, 80 ,81, 82, 83 ] .В этих работах приведены результаты исследования алгоритмов функционирования систем ДАУ и их элементов, определение статических характеристик. В работах А.Й.Бегункова, В.Е.Вольского, М.И.Цыркина, С.Г.Эренбурга [ б, 14, 76, 72, 79] рассмотрены вопросы функционирования большинства типов систем ДАУ, эксплуатирующихся на судах морского и речного флота. В ряде работ исследованы отдельные элементы систем ДАУ; пусковые клапаны, главные пусковые клапаны воздухораспределители и т.п. [ 21, 22, 80 ] . Работа таких логических элементов систем ДАУ, как мембранные и перекидные клапаны, воздушные трубопроводы, широко распространенных в различных системах пневмоавтоматики, исследовалась В.И.Водяник, Е.В.Герц, П.А.Залмонзоном, Т.Н.Романенко, А.Г.Холзуновым [ 13, 16, 17, 26, 59, 63, 75 ] . Ими были получены статические и динамические характеристики вышеупомянутых элементов.
Однако следует отметить, что в выполненных работах чрезвычайно мало исследовались вопросы безотказной работы систем ДАУ, характеристик надежности их элементов. Практически не исследованы статические и динамические характеристики систем ДАУ и их элементов при наличии неисправностей. До настоящего времени не определены также критерии технического состояния систем ДАУ.
Второй аспект технической диагностики систем ДАУ связан с построением математической модели систем и разработкой методов проверки и локализации неисправностей, а также алгоритмов диагностирования.
В настоящее время известен целый ряд математических моделей объектов диагностики. В трудах советских и зарубежных ученых Г 7, 12, 29, 32, 35, 37, 46, 49, 54, 55, 68, 8б] были разработаны различные математические модели объектов диагноза. К ним можно отнести структурные, функциональные или принципиальные схемы исправного объекта, а также системы алгебраических, дифференциальных или других уравнений, задающих зависимости между входными, внутренними и выходными координатами объекта. Математические модели дискретных объектов часто представляются в виде функциональных или структурных схем, логических сетей, уравнений, абстрактных или структурных конечных автоматов. Выбор той или иной модели проводится в зависимости от различных аспектов исследований в технической диагностике. Неприменным условием задания математической модели объекта диагноза является наличие модели возникающих в нем несправностей.
Методика исследования
Под надежностью системы ДАУ понимается свойство системы сохранять в течение навигации в установленных пределах параметры, характеризующие способность выполнять требуемые функции в заданных режимах управления и условиях обслуживания. Под отказом системы ДАУ понимается событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния, то есть состояния, при котором значение времени срабатывания, как параметра характеризующего способность выполнять заданные функции, соответствует нормативно-технической документации [2 . Поскольку система является нерезервированным объектом, то отказ какого-либо элемента приводит к отказу всей системы.
Система ДАУ является восстанавливаемым объектом, то есть после отказа элементы системы либо заменяются новыми, либо ремонтируются, при этом работоспособность системы восстанавливается полностью. Следовательно для проведения испытаний на надежность принимаем план испытаний [Л/; М;Т] , то есть такой, при котором под наблюдение одновременно ставится А/объектов, после каждого отказа объект восстанавливают М (ремонт или замена), каждый объект испытывают до истечения времени испытаний Т [23, 24 J . При таком плане испытаний на надежность имеется возможность оценить вероятности безотказной работы элементов и системы в целом в течение навигации. Причем для целей диагностики желательно под наблюдение ставить системы ДАУ, отработавшие 2-3 навигации, поскольку в этом случае отказы системы носят установившийся характер. В настоящее время на судоремонтных предприятиях практически все системы ДАУ, отработавшие более двух навигаций, проходят перед началом следующей навигации техническое обслуживание и ремонт.
Поэтому, как уже было сказано выше, работоспособность системы ДАУ к началу навигации полностью восстанавливается.
Согласно предварительно проведенному анализу, для систем ДАУ, характер распределения наработок на отказ наиболее близок к экспоненциальному закону и закону Вейбулла. В связи с этим минимальное число объектов наблюдения, необходимых для испытания систем ДАУ на надежность, определяется согласно [25] . При коэффициенте вариации равном V я 0,70, доверительной вероятности р = 0,90 и относительной ошибке 8 » 0,15, минимальное число объектов наблюдения равно 45. Таким образом, при испытании систем ДАУ на надежность необходимо поставить под наблюдение 45 судов, оборудованных одним двигателем или 23 судна, оборудованных двумя двигателями.
Наиболее точными являются испытания на надежность в реальных условиях эксплуатации. Основным источником информации о надежности систем ДАУ должна являться специально организуемая подконтрольная эксплуатация. Подконтрольную эксплуатацию систем ДАУ можно проводить не только отдельно, но и как составную часть подконтрольной эксплуатации дизелей. При этом основным источником информации служат специальные журналы подконтрольной эксплуатации, заполняемые механиком судна. Кроме того, дополнительные данные могут быть получены из формуляров дизелей, единых вахтенных журналов, форм МСП-І и МСП-2, актов расследования аварий, актов рекламаций, а также из непосредственных собеседований с обслуживающим персоналом.
Построение математической модели системы ДАУ
Для построения математической модели объекта диагностики необходимо задать схему исправного объекта в виде функциональных или структурных схем, логических сетей, уравнений, абстрактных или структурных конечных автоматов. Кроме этого необходимо задать модель возникающих в объекте неисправностей. Наиболее наглядно модель возникающих неисправностей задается в виде таблиц функций неисправностей.
На основе принципиальной схемы пневматической системы ДАУ двигателем 6ЧРН 36/45 (рис.1.3.) построим ее структурную схему. При этом каждый элемент системы обозначим прямоугольником, связи между элементами обозначим входящими и выходящими стрелками (рис.3.It).
Номера элементов структурной схемы соответствуют номерам элементов принципиальной схемы. В структурную схему включены элементы, непосредственно относящиеся к системе ДАУ, без элементов местного поста управления и системы питания ДАУ. На основе структурной схемы построим диагностическую модель, состоящую из блоков, причем часть блоков состоит только из одного структурного элемента. При этом необходимо учитывать, что вновь полученная система должна обладать следующими свойствами [Зі] :
I. Каждый блок системы имеет только один выход, который может быть соединен с любым числом входов других блоков. Если в системе есть блоки, имеющие К выходов, то их надо разбить на К блоков с одним выходом и у каждого блока оставить только те входы от которых зависит выход данного блока. Выход 1-го блока Х_ называется внутренним входом, если он является выходом у-го блока tj: , то есть если XL= У: .
Динамические характеристики мембранных сервоклаланов
Мембранный клапан можно представить как полость переменного объема (рис.4.1).
Пусть из бесконечно большого объема поступает воздух в количестве CIQM В полость объема V . В качестве неисправности будем рассматривать какое-то отверстие в мембране овальной формы, имеющей площадь ja . Через отверстие в мембране воздух выходит в атмосферу, давление и температура которой соответственно равны Ра , Та .
Для мембранных клапанов Е.В.Герц были получены в общем виде формулы, характеризующие динамику полости переменного объема Г ?1. Выводы формул были сделаны на основе анализа уравнения энергетического баланса полости.
Предполагая, что с воздухом вносится некоторое количество энергии C/QH и уходит в атмосферу olQ.a и что теплообмен с окружающей средой через стенки камеры отсутствует, запишем:
Уравнения (4.П.), (4.14.) и (4.15.) в общем виде описывают динамику рассматриваемой полости. Для того, чтобы определить влияние неисправности мембранного клапана (выкрашивание мембранного полотна, разрыв), необходимо раскрыть значение величины Іоо 9 зависящей от давления воздуха в подмембранной полости и хода жесткого центра мембраны.
Рассмотрим работу мембраны с точки зрения теории тонких упругих оболочек.
Предположим, что в мембране имеется отверстие овальной формы. Площадь этого отверстия при ненагруженной мембране равна где Є о do - полуоси эллипса, ориентированные соответственно по радиусу мембраны и перпендикулярно ему. При нагружении мембраны давлением Р, мембранное полотно будет растягиваться и соответственно будет увеличиваться площадь отверстия. Сделаем следующие допущения:
1. Мембранное полотно, при наличии небольшого отверстия, при растяжении подчиняется закону Гука.
2. Тонкая эластичная оболочка под действием давления воздуха принимает форму частичной поверхности сферы, образованной вращением окружности R вокруг вертикальной оси.
3. Материал мембранного полотна обладает изотропными механическими свойствами.
Методика экспериментального исследования
Экспериментальное исследование работы системы ДАУ дизелей б ЧРН 36/45 проводилось на судах Северо-Западного речного пароходства "Волго-Дон 5070м и "Волго-Дон 5071".
Основной целью судовых испытаний явилось:
1. Исследование работы системы ДАУ при наличии неисправностей ее элементов.
2. Определение количественных характеристик параметров технического состояния системы ДАУ.
С учетом поставленных выше задач, программа эксперимента предусматривала :
1. Проведение ревизии элементов системы ДАУ перед началом испытаний.
2. Регулировку дизелей в соответствии с инструкцией по эксплуатации.
3. Установку датчиков на элементах системы ДАУ, подключение измерительных приборов.
4. Запуск двигателя, вывод на номинальную частоту вращения, затем реверс. В момент маневрирования фиксирование параметров работы системы ДАУ.
5. Поочередный ввод в систему ДАУ неисправностей и производство пусков-реверсов с одновременной фиксацией параметров работы ДАУ.
До начала испытаний, при ревизии элементов системы ДАУ; были частично заменены мембраны сервоклапанов и резиновые элементы перекидных клапанов блока логики. Датчики были установлены в точках контроля (реле направления вращения, топливная рейка, тормоз, главный пусковой клапан, распределительный вал, десятый клапан блока логики системы, вторая ступень реле скорости),которые были выбраны на основании выполненных исследований системы, как объекта диагностирования.
На рис.5.1, показаны места расположения датчиков на дизеле.
Дизель был подготовлен к работе, прогрет. Затем производилось маневрирование. При этом фиксировались следующие параметры.
1. Давление воздуха в пусковх баллонах (для достижения одинаковых исходных условий, все маневры двигателем производились при одинаковом давлении пускового воздуха 3 МПа).
2. Расход воздуха на каждый маневр (по перепаду давления в пусковых баллонах).
3. Время выполнения маневров.
4. Изменение частоты вращения коленчатого вала дизеля.
5. Моменты срабатывания элементов системы ДАУ.
Запись параметров 1,2,3 производилась с помощью штатных приборов и секундомера. Причем, для исключения влияния индивидуальных особенностей обслуживающего персонала при выполнении маневров, рукоятка поста управления в рубке или машинном отделении переставлялась по возможности быстро, в течение не более 0,6 с. Запись параметров осуществлялась с помощью магнитоэлектрического осциллографа,
В соответствии с программой, неисправности вводились в систему ДАУ искусственным путем, При маневрировании в системе ДАУ имелась только одна неисправность. Таким образом, поочередно, проводилась имитация выхода из строя следующих элементов: сервоклапанов УП, X, XI, перекидных клапанов I, Ш, УШ, ХП, а также реле скорости. Имитация выхода из строя сервоклапанов осуществлялась путем установки мембраны с отверстием площадью F - 10 т/Г. В перекидных клапанах имитировалось выкрашивание площаыо 4 мм . Неисправность реле скорости имитировалось путем изменения натяжения пружины первой и второй ступени.
