Содержание к диссертации
Введение
1 Анализ состояния проблемы и выбор путей ее решения ... 16
1.1 Анализ данных по отказам, обзор литературных источников, выбор методов исследования обеспечения надежности и безопасности СЭУ 16
1.2 Обоснование возможности использования имитационного моделирования для обеспечения надежности и безопасности СЭУ 32
1.3 Разработка методики и рекомендаций по организации процедуры имитационного моделирования применительно к СЭУ 37
2 Обеспечение надежности и безопасности главного судового дизеля по ресурсным показателям 57
2.1 Основные принципы и предпосылки применения имитационного моделирования для прогноза и оценки надежности и безопасности главного судового дизеля 57
2.2 Выбор основных соотношений для прогноза ресурсных показателей двигателя 64
2.2.1 Прогнозирование остаточного ресурса деталей по критерию износа 64
2.2.2 Прогнозирование наработки до отказа деталей по критерию усталостной прочности 67
2.2.2.1 Определение наработки деталей судовых ДВС до образования видимых трещин 68
2.2.2.2 Оценка ресурса коленчатых валов судовых дизелей 80
2.2.2.3 Оценка остаточной наработки до отказа детали с трещиной 85
2.3 Основные подходы к расчету характеристик надежности дизеля как сложной системы 96
2.3.1 Аварийное предельное снижение мощности и частоты вращения главного судового дизеля 99
2.3.1.1 Определение параметров аварийного дизеля, приводящих к его остановке из-за малости оборотов 100
2.3.1.2 Определение параметров аварийного дизеля приводящих к потере возможности управлять судном 104
2.3.1.3 Аварийная работа дизеля при отключении цилиндров 106
2.3.1.4 Аварийное состояние турбокомпрессоров 108
2.3.2 Другие подходы 110
2.4 Выводы по главе 118
3 Обеспечение надежности и безопасности сэу по уровням вибрации и шума 121
3.1 Основные принципы и предпосылки применения имитационного моделирования для прогноза и оценки уровней вибрации и шума 121
3.2 Метод прогноза и оценки риска превышения предельно допустимых уровней шума в машинном помещении с дизельной энергетической установкой 129
3.3 Метод прогноза и оценки риска превышения предельно допустимых уровней шума и вибрации в помещениях судна с дизельной энергетической установкой 136
3.3.1 Обзор существующих методов расчета 138
3.3.2 Новый метод расчета динамически связанных конструкций с высоким демпфированием 144
3.3.3 Результаты сопоставления расчетов по новому методу расчета динамически связанных конструкций с высоким демпфированием с данными экспериментов 155
3.3.4 Пример выполнения прогноза риска превышения нормативных значений уровней вибрации и шума в судовых помещениях 180
3.3.5 Возможное направление развития нового метода расчета звуковых вибраций высокодемпфированных сложных динамических структур за счет учета энергии звукоизлучения 183
3.3.6 Возможное направление использования нового метода расчета для повышения надежности и безопасности судовых дизелей 187
3.4 Выводы по главе 192
4 Обеспечение надежности и безопасности по тепловому состоянию деталей элементов СЭУ 194
4.1 Основные принципы и предпосылки применения имитационного моделирования для прогноза и оценки теплового состояния деталей СЭУ 194
4.2 Результаты экспериментального и теоретического исследования гидродинамики и теплообмена пристенных струй, вытекающих в ограниченное пространство : 205
4.2.1 Визуализация течения 206
4.2.2 Экспериментальное исследование поля скоростей в камерах с пристенными струями 221
4.2.3 Математическая модель струйного течения в ограниченном пространстве 230
4.2.4 Экспериментальное исследование теплообмена и гидравлики на моделях лопатки соплового аппарата первой ступени 263
4.3 Расчет и сравнение теплового состояния лопатки с продольными перегородками со штатной дефлекторной лопаткой 297
4.3.1 Температурное поле модельного варианта лопатки со вставными перегородками 299
4.3.2 Тепловое состояние штатной дефлекторной лопатки 301
4.3.3 Тепловое состояние лопатки с перегородками во внутренней полости 306
4.4 Пример применения прогноза и оценки риска превышения допустимых уровней температур в деталях главных судовых двигателей вследствие влияния технологических отклонений 311
4.5 Выводы по главе 317
5 Оценка экономической эффективности мероприятий по обеспечению надежности и безопасности СЭУ 320
5.1 Выводы по главе 340
Заключение 341
Список использованной литературы 343
- Обоснование возможности использования имитационного моделирования для обеспечения надежности и безопасности СЭУ
- Прогнозирование остаточного ресурса деталей по критерию износа
- Метод прогноза и оценки риска превышения предельно допустимых уровней шума в машинном помещении с дизельной энергетической установкой
- Математическая модель струйного течения в ограниченном пространстве
Введение к работе
Актуальность проблемы. Согласно «Стратегии развития судостроительной промышленности на период до 2020 года и на дальнейшую перспективу» приоритетным направлением развития конкурентоспособной высокоэкономичной морской техники является, в частности, создание новых типов двигателей и энергетических установок, обладающих повышенной надежностью, безопасностью и живучестью. Важнейшим инструментом реализации Стратегии стала федеральная целевая программа «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы». Она предполагает проведение НИОКР, в частности по направлению «Судовое машиностроение и энергетика». В ходе выполнения НИОКР должны быть предложены новые конструкции двигателей и новые способы их использования в пропульсивном комплексе. При обилии новых технических решений перед лицами, принимающими окончательное решение, естественно встанет проблема выбора наилучшего из них. Одним из критериев такого выбора может служить устойчивость технических решений к воздействию случайных факторов, которая важна с точки зрения комплексного обеспечения надежности и безопасности эксплуатации. Следует особо отметить, что Международная морская организация (ИМО) в настоящее время последовательно решает задачи повышения безопасности мореплавания путем разработки целевых стандартов постройки новых судов. Одним из примеров системного подхода к их разработке является формализованная оценка безопасности (ФОБ). ФОБ представляет собой структурированную и систематизированную методику повышения безопасности на море путем использования, в частности, оценок рисков. Современное судно представляет собой сложную систему «человек-машина-среда» (ЧМС) в которой важную роль играет судовая энергетическая установка (СЭУ) и прежде всего главный двигатель (ГД). Наибольший эффект в обеспечении безопасности достигается при ее проектировании. Несмотря на обилие выполненных исследований в области обеспечения надежности и безопасности СЭУ, проблема выбора методов исследования этого обеспечения, начиная с этапа ее проектирования, остается актуальной. В первую очередь это касается перехода от оценки надежности и безопасности в детерминированной постановке к оценке в статистической и в вероятностной постановке. При этом необходимо разработать как общие подходы к решению этой задачи, так и конкретные методики и алгоритмы, обеспечивающие прогноз и оценку надежности и безопасности эксплуатации проектируемой СЭУ.
Цель работы. Разработка теоретических основ и реализация методов обеспечения надежности и безопасности эксплуатации СЭУ при ее проектировании на основе имитационного моделирования.
Основными задачами исследования явились:
-разработка комплекса методов обеспечения надежности и безопасности СЭУ с учетом влияния случайных факторов на износ, усталостную прочность, тепловое состояние, шум и вибрацию на основных этапах ее проектирования;
-разработка методики прогноза и оценки риска при проектировании СЭУ и ее элементов;
разработка методики прогноза и оценки риска превышения нормируемых значений виброакустических параметров в судовых помещениях (СП) с учетом влияния случайных факторов на виброакустические характеристики (ВАХ) источников в СЭУ;
разработка метода расчета динамически связанных конструкций с учетом высокого демпфирования с целью обеспечения прогноза и оценки надежности и безопас-
ности по уровням вибрации;
разработка метода выбора варианта конструкции деталей элементов СЭУ на основе прогноза и оценки риска превышения, вследствие влияния случайных факторов, предельных значений температур и/или их градиентов;
разработка математической модели гидродинамики и теплообмена в проточных частях ГД с целью обеспечения прогноза и оценки надежности и безопасности по тепловому состоянию;
разработка программного и методического обеспечение для решения задач имитационного моделирования (ИМ) при выполнении прогноза и оценки рисков на разных этапах проектирования СЭУ и ее элементов;
разработка и проверка на практике научно обоснованных технических решений, обеспечивающих повышение надежности и безопасности основных элементов СЭУ;
разработка методики оценки технико-экономической эффективности предлагаемых технических решений с учетом показателей надежности и безопасности СЭУ.
Объект исследования. Процессы обеспечения при проектировании надежности и безопасности СЭУ, в первую очередь ГД. В качестве ГД в диссертации рассмотрены дизели и газотурбинные двигатели (ГТД).
Предмет исследования. Методы количественного прогноза и оценки характеристик надежности и безопасности СЭУ.
Методы исследования. При решении поставленных в диссертационной работе проблем использовались методы ИМ, математической статистики, теории вероятностей и компьютерных технологий, а также теории распространения акустической энергии, термодинамики, газодинамики и теплообмена. Экспериментальные исследования выполнялись с использованием современной измерительной и регистрирующей аппаратуры.
Научная новизна. Новизна научных результатов, полученных соискателем, состоит в том, что:
-разработан комплекс методов обеспечения надежности и безопасности СЭУ с учетом влияния случайных факторов на износ, усталостную прочность, тепловое состояние, шум и вибрацию на основных этапах ее проектирования;
предложено развитие вероятностных подходов к расчетам прочности и ресурса сложных технических изделий при проектировании СЭУ, обеспечивающее повышение уровня адекватности ИМ массированными статистическими испытаниями;
разработаны методика и рекомендации по применению прогноза и оценки риска при проектировании СЭУ, обеспечивающие повышение уровня адекватности ИМ;
определены принципы использования электронных систем управления СЭУ и систем диагностирования в оценке рисков;
разработана методика и алгоритм определения на основе ИМ риска превышения нормируемых значений уровней вибрации и шума в судовых помещениях с учетом влияния случайных факторов на виброакустические характеристики источников вибрации и шума в СЭУ, в первую очередь - ГД.
-разработан метод расчета динамически связанных конструкций с высоким демпфированием, впервые учитывающий локальную неравномерность поля вибрации при отсутствии частотной зависимости, требования большого объема исходной информации и позволяющий выполнять массовые статистические испытания;
- разработан метод выбора варианта конструкции деталей элементов СЭУ на ос
нове прогноза и оценки риска превышения, вследствие влияния случайных факторов,
предельных значений температур и/или их градиентов;
- разработана математическая модель гидродинамики и теплообмена в проточных
частях ГД с пристенным струйным охлаждением, отличающаяся возможностью про
гнозировать тепловое состояние с учетом влияния случайных факторов на течение в
ограниченном пространстве;
-новизна технических решений, предложенных автором на основе новых научных знаний, полученных в диссертации, подтверждена 26-ю авторскими свидетельствами и двумя патентами.
Практическая ценность. Научно обоснованные методики и алгоритмы, необходимые для ИМ в процессе прогноза и оценки риска при проектировании СЭУ и ее элементов с учетом воздействия случайных факторов на техническое состояние, а также на обслуживающий персонал в судовых помещениях. Программное обеспечение для решения задач прогноза и оценки риска. Обоснование на разных этапах проектирования выбора варианта выполнения СЭУ, деталей и узлов или ГД. Оно может использоваться для принятия решения о продолжении эксплуатации или о возможности реновации. Полученные научные и практические результаты используются в учебном процессе подготовки специалистов в СПГУВК и СПбГМТУ.
Реализация результатов работы. Программные комплексы «Программа расчета вероятности безотказной работы судового двигателя на заданный период эксплуатации» и «Программа расчета остаточного ресурса и вероятности безотказной работы судового дизеля на заданный период эксплуатации» и методические рекомендации по их применению используются главным управлением Российского морского регистра судоходства (PC). Метод расчета динамически связанных конструкций с высоким демпфированием включен в программный комплекс, разработанный по заказу ЦМКБ «Алмаз» и Северного ПКБ. Алгоритмы прогноза и оценки риска превышения предельных значений температур и/или их градиентов используются в качестве одного из критериев в процессе оптимизации проектных решений перспективных вариантов выполнения конструктивных схем сопловых лопаток (СЛ) газовых турбин в филиале ОАО «Силовые машины» «ЛМЗ» в Санкт-Петербурге и при рассмотрении вариантов выполнения элементов и устройств керамических ГТД и теплообменных аппарато при проработке перспективных вариантов корабельных установок в ООО «Научный центр «Керамические двигатели» им. A.M. Бойко».
Результаты исследований использованы при написании учебников «Прочность судового оборудования. Ч. 1. Конструирование и расчеты прочности судовых двигателей внутреннего сгорания» и «Судовые энергетические установки. Судовые дизельные энергетические установки».
На защиту выносятся:
-комплекс методов обеспечения надежности и безопасности СЭУ на основных этапах ее проектирования;
методика и рекомендации по применению прогноза и оценки риска при проведении проектирования СЭУ и ее элементов;
методика прогноза и оценки риска превышения нормируемых значений виброакустических параметров в СП с учетом рассеивания ВАХ источников в СЭУ;
метод расчета динамически связанных конструкций с учетом высокого демпфирования, учитывающий локальную неравномерность поля вибрации при отсутствии частотной зависимости, требования большого объема исходной информации и позволяющий выполнять массовые статистические испытания;
метод выбора варианта конструкции деталей элементов СЭУ на основе прогноза и оценки риска превышения предельных значений температур и/или их градиентов вследствие влияния случайных факторов;
математическая модель гидродинамики и теплообмена в проточных частях ГД с пристенным струйным охлаждением, отличающаяся возможностью прогнозировать тепловое состояние с учетом влияния случайных факторов на течение в ограниченном пространстве;
программное и методическое обеспечение для решения задач ИМ при выполнении прогноза и оценки рисков на разных этапах проектирования СЭУ и ее элементов.
научно обоснованные технические решения, реализующие различные варианты конструктивного выполнения охлаждаемых деталей ГД и теплообменников СЭУ.
Апробация работы. Работа выполнена в СПГУВК. Основное содержание докладывалось на I Международном симпозиуме "Автоматический контроль судовых двигателей и морских энергетических систем" в г. Гданьск, Польша (1994), II Международном симпозиуме "Транспортный шум и вибрация" в г. С-Петербург, Россия (1994), IV Международном конгрессе по шуму и вибрации в г. С-Петербург, Россия (1996), Международном конгрессе по газовым турбинам и авиационным двигателям в г. Бирмингем, Великобритания (1996), Симпозиуме и международной специализированной выставке "Энергетика - 96" в г. С-Петербург, Россия (1996), Международном ЕАА/ЕЕАА симпозиуме "Транспортный шум - 98" в г. Таллинн, Эстония (1998), 5 Международном симпозиуме по экспериментальной и вычислительной аэротермодинамике внутренних потоков 5thISAIF в г. Гданьск, Польша (2001), Международном симпозиуме по тепловым двигателям и морским разработкам в г. Бусан, Корея (2003), Второй международной конференции по судостроению - ISC'98 в г. С-Петербург, Россия (1998), Второй и Пятой международных научно-практических конференциях «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» в г. С-Петербург, Россия (2006, 2008), XXXVI Всесоюзной научно-технической конференции "Состояние и перспективы газодинамических тепловых исследований в обеспечение повышения температуры газа в стационарных газотурбинных установках" в г. Москва (1989), I Всесоюзной конференции "Оптические методы исследования потоков" в г. Новосибирск (1991), Третьей и Четвертой Всероссийской научно-практической конференции "Имитационное моделирование. Теория и практика" ИММОД-2007 и ИММОД-2009 в г. С-Петербург (2007, 2009), Восьмой и Девятой сессиях международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» VPB-07 и VPB-09 в г. С-Петербург (2007,2009), на региональных и межотраслевых конференциях, проведенных в г. Санкт-Петербург (1997, 2000, 2005, 2008, 2010), на заседании секции Энергетики в Доме ученых им. A.M. Горького РАН (2008).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 90 работ. В том числе одна монография, два учебника с грифом Министерства образования и науки РФ, 28 статей в научных журналах и сборниках, 26 авторских свидетельства и 2 патента на изобретения, 8 докладов в трудах симпозиумов и конгрессов, 16 докладов в материалах конференций. Одиннадцать работ выполнено в личном авторстве (включая монографию), доля автора в остальных от 14% до 50%. В изданиях, рекомендованных перечнем ВАК для докторских диссертаций, опубликовано 16 статей: 3 - в личном авторстве, 13- в соавторстве с долей автора от 14 до 50%.
Личный вклад. В диссертации излагаются результаты, вклад в которые автора
был существенным на всех этапах, включая постановку задачи, проведение теоретических исследований и непосредственное участие в экспериментах.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованной литературы из 328 наименований и приложений. Основная часть работы изложена на 375 страницах текста, включающего 124 рисунка и 17 таблиц.
Обоснование возможности использования имитационного моделирования для обеспечения надежности и безопасности СЭУ
В настоящее время остается актуальной точка зрения на место и задачи ИМ сформулированная одним из основателей отечественной школы ИМ членом корр. АН СССР Н.П. Бусленко в монографии [114]. Вот выдержки из этой работы. «Метод имитационного моделирования позволяет решать задачи исключительной сложности: исследуемая система может одновременно содержать элементы непрерывного и дискретного действия, быть подверженной влиянию многочисленных случайных факторов сложной природы, описываться весьма громоздкими соотношениями и т.д. ... существует большое число примеров, когда соответствующая сложная система без особого труда исследуется этим методом, в то время как для исследования другими методами она оказывается недоступной. Метод имитационного моделирования не требует создания специальной аппаратуры для каждой новой задачи и позволяет легко изменять значения параметров, исследуемых систем и начальных условий... По данным моделирования может быть оценена эффективность различных принципов управления, вариантов построения управляющих систем, а также работоспособность и надежность... Необходимо отметить, что в практическом отношении методика исследования сложных систем также требует дальнейшей разработки. Для того чтобы метод моделирования был удобен для практического применения нужна унификация моделирующих алгоритмов и их частей (подалгоритмов), описывающих различные элементы сложных систем» (с. 10-12). Подобная точка зрения позволяет системно подходить к использованию ИМ для решения задачи обеспечения надежности и безопасности, в том числе и СЭУ. Согласно [116] системность подразумевает адекватное генетически глубокое отношение к объекту моделирования, к его исследованию и описанию и соответствующее программное обеспечение имитационных процедур. Организация ИМ для конкретного технического изделия предполагает индивидуальный подход к оценке безопасности каждого объекта. Это приводит к необходимости проведения специальных разработок. Приведем некоторые примеры.
В работе [44] рассматривалось возможность использования ИМ при анализе рисков при техническом обслуживании и ремонте СЭУ. Попытка создания имитационной модели для выбора рационального варианта СЭУ поискового судна приведена в [117]. ИМ динамики элементов и систем судового энергетического оборудования рассматривалось в [118]. В работе [119] ИМ использовано для обоснования нагрузки судовой электростанции, что дает особенно ощутимый результат при проектировании судов и установок, не имеющих аналогов, с большим числом мощных электропотребителей В работах [120] и [121] ИМ использовалось для определения нагрузок, действующих на судовой валопровод. При рассмотрении проблемы разработки базы знаний ДВС для проектирования систем газообмена и двигателя в целом в работе [122] представлены требования, в частности, к системе ИМ.
Однако в перечисленных выше работах нет единого методического подхода, который бы позволил на разных этапах проектирования СЭУ применять ИМ для оценки обеспечения надежности и безопасности с соответствующей подробностью проработки, в частности, при обосновании перехода к следующему этапу проектирования. В них рассматривается только отдельные аспекты, которые влияют или могут воздействовать на надежность и безопасность СЭУ и не рассматривают эту проблему комплексно, с учетом влияния факторов износа, усталостной прочности, теплового состояния, шума и вибрации. Поэтому преимущество настоящей работы заключается в том, что впервые разработанные методические рекомендации позволили целенаправленно подходить к выбору и анализу существующих методов и алгоритмов, определять их возможное место в процессе ИМ, разрабатывать собственные методы и алгоритмы расчетов и программы экспериментальных исследований в тех случаях, когда обнаруживалась потребность в новых знаниях.
Следует отдельно отметить следующее преимущество ИМ использованное в диссертации применительно к оценке обеспечения надежности и безопасности СЭУ. Дело в том, что область ординат принимаемых в рассмотрение при анализе надежности и безопасности будет находиться очень близко к началу координат в виду известной малости величин интенсивности X и вероятности отказов (аварий) Р . Следует отметить, что количество случаев реализации процесса ИМ не ограниченно, и при малом числе отказов, можно получить достоверные результаты. Такой подход позволяет обойти проблему малости величин Р . При этом в настоящей работе учитывалось, что используемые при формализации задач обеспечения надежности и безопасности СЭУ методы и алгоритмы действий должны быть удобны для организации многочисленных статистических испытаний.
В диссертационной работе основное внимание уделено применению ИМ для прогноза и оценки надежности и безопасности СЭУ как по отношению к компонентам М и С, так и в целом ЧМС системы (см. рисунок 1.1). При этом, в первую очередь, разработаны, в том числе на основании данных оригинальных экспериментальных исследований вибрации моделей судовых конструкций, гидродинамики и теплообмена в проточных частях энергетических машин с пристенным струйным охлаждением, новые методы и алгоритмы определения значения величины Р, что на основании ее сравнения с Р позволит лицам принимающим окончательное решение, обосновано предпринимать дальнейшие действия.
Следует также отметить длительный интерес (с конца 60-х - начала 70-х годов XX века) к проблеме исследований, с одной стороны, ЧМС с человеком-оператором в роли субъекта управления и, с другой, человека в роли объекта управления. Появились научные направления названные «инженерная психология» и «эргономика». В рамках этих направлений сформировался подход к человеку как к особому звену, включенному в систему технических средств, что позволяет решать вопросы повышения безопасности функционирования системы с учетом того, что критерием тяжести операторского труда становится объем перерабатываемой информации, а, следовательно, не только физическая тяжесть труда, но и его нервно-психическая напряженность. При этом определяющими в деятельности человека-оператора являются моторная и сенсорная способности.
Прогнозирование остаточного ресурса деталей по критерию износа
Выполненный анализ отказов основных типов главных судовых дизелей позволил в первую очередь выявить наименее надежные элементы. Так было установлено, что чаще всего отказы связаны с поршневыми кольцами и форсунками. Однако отказ этих деталей оказывает различное влияние на работоспособность дизеля. Например, выход из строя распылителя и даже поломка поршневого кольца не всегда требует вынужденной остановки дизеля. По этой причине предусмотрена операция ранжирования отказов с целью определения приоритетов по их опасности для остановки двигателя и судна в целом, рекомендации по выполнению такого ранжирования приведены в главе 1, пример выполненного автором ранжирования приведен в приложении Б.
Индексы риска позволяют ранжировать детали по степени их опасности, как для самого двигателя, так и для судна в целом. К таким деталям относятся: остов - фундаментная рама; блок цилиндров; станина; крышки цилиндров; анкерные связи; шпильки крепления цилиндровых крышек; цилиндровые втулки; коленчатый вал и рамовые подшипники; шатунные подшипники; шпильки (болты) крепления крышек подшипников; газораспределительный механизм — детали клапанного привода, впускные и выпускные клапаны; поршень; крейцкопфные подшипники; реверсно-пусковая система; дистанционно-автоматическое управление.
Детали остова, как правило, нельзя заменить силами машинной команды. Повреждения и отказы деталей остова, за исключением крышек цилиндров (головок) и цилиндровых втулок, составляют незначительный процент повреждений и отказов судового дизеля, однако, их последствия могут быть крайне тяжелыми, вплоть до возникновения аварийных ситуаций. Не случайно о повреждениях деталей и элементов остова упоминается во многих литературных источниках [28], [37], [61], [134]-[137] и др.
Ситуация осложняется также тем, что при работе двигателей затруднено, а в ряде случаев и практически невозможно своевременное обнаружение повреждений несущих деталей остова.
Из несущих деталей остова более часто подвержены повреждениям фундаментные рамы (а также картеры при подвесных коленчатых валах) и блоки цилиндров. Их ресурс, по существу, определяет ресурс дизеля. Для этих деталей изменение технического состояния происходит по причине усталости материала, старения, остаточных деформаций и коррозии. Среди перечисленных причин усталостные поломки встречаются достаточно часто. Усталостным разрушениям подвергаются также коленчатые валы и шатуны. Не случайно блок цилиндров (опорные бурты), коленчатый вал, шатун (тело, район зубчатых разъемов) входят в перечень сборочных единиц и деталей в разделе 6.8.1 «Дизели» части 6 «Техническое наблюдение за ремонтом элементов механических установок и систем (дизелей, редукторов, компрессоров, насосов, рулевых приводов, сепараторов, вентиляторов» Руководства по техническому наблюдению за ремонтом морских судов, являющегося нормативным документом PC, подлежащих при ремонте обязательному контролю на отсутствие трещин.
Для определения последствий отказа отдельных элементов ДВС следует разбивать судовой дизель на составные части. Можно использовать опыт разбивки двигателя при анализе его надежности, когда отдельно выделяют блок цилиндров, кривошипно-шатунный механизм, головку цилиндра, клапанный механизм, систему охлаждения, систему смазки, топливную систему, систему регулирования и управления, систему пуска. В результате такого расчленения главный судовой дизель может быть представлен в виде разработанного автором диссертации иерархического графа «дерева отказов» (рисунок 2.1). В нем все элементы распределены на семь уровней, восьмой (высший) уровень это сам дизель. На каждом уровне располагаются элементы, обладающие известной структурной важностью в сценарии нарушения условий работоспособности (2.1). На низшем уровне находятся элементы, отказ которых с не зависит от надежности других (на рисунке 2.1 такие элементы выделены У пунктирной рамкой). В разработке вариантов выполнения «дерева отказов» принимал участие СР. Семионичев. Связи между элементами разных уровней устанавливаются вероятностными зависимостями на основании логики соподчиненности. В частности, три типа связей описаны в главе 1. Другой отличительной особенностью формализации двигателя является то, что при построении «дерева отказов» использованы принципы: блочно-модульный, иерархии, адаптации и развития, информационного единства. Блочно-модульный принцип построения основан на том, что «дерево отказов» составлено из отдельных модулей (элементов). Каждый модуль — это деталь или узел, которые выполняют определенные функции, имеют свою входную и выходную информацию. Принцип иерархии отражает соотношение .старшинства модулей дерева и их соподчиненность. По принципу адаптации и развития «дерево отказов» предусматривает возможность включения новых модулей, причем потоки информации, как для новых, так и существующих модулей должны быть совместимыми. Использование указанных принципов позволяет развивать и совершенствовать представленное «дерево отказов» применительно к решению задач прогноза и оценки разных видов риска и сравнивать варианты различных конструктивных выполнений дизеля. Допустимая величина конкретного вида риска R (или Р ) для проектируемого дизеля определяется на основании методических рекомендаций изложенных в главе 1. Полученное значение может быть распределено между узлами и элементами проектируемого дизеля для использования при оценке вариантов их конструктивного выполнения, пример расчета приведен в приложении В. Для выполнения самого прогноза риска необходимо для элементов отмеченных на рисунке 2.1 пунктирной линией выработать рекомендации по определяющим величинам Y (или Y в функции от времени t), их граничным значениям у, методам (или алгоритмам) расчета Y, и законам и параметры распределения Y.
Метод прогноза и оценки риска превышения предельно допустимых уровней шума в машинном помещении с дизельной энергетической установкой
Данный факт известен и нашел отражение в нормативных документах. Так согласно п.5.2.2 и 5.2.3 ГОСТ Р 50761-95 [203] предусмотрено, что предельные значения шумовых характеристик и уровней вибрации на рабочих местах обеспечивает потребитель (заказчик) дизеля совместно с его изготовителем при участии потребителя конечной продукции, на которую устанавливают дизель.
Чаще всего ВАХ двигателей, которые будут установлены на судне, не известны. В этих условиях обыкновенно используют приведенные в инструкциях, по сути, математические ожидания этих характеристик.
Известны теоретические разработки, направленные на определение в конечном итоге обобщенных виброакустических характеристик машин и механизмов. Как правило, предварительная оценка базируется на уравнениях колебаний механизма и колебательной мощности. Решение таких уравнений само по себе представляет серьезную задачу. Получаемый результат может рассматриваться как математическое ожидание колебательных или излучательных (по шуму) характеристик, например, дизеля. Соответствующие соотношения и их вывод приведены в [204]. В работе [205] рассмотрены расчеты амортизированных судовых дизелей.
Существует целый спектр аналитических зависимостей для расчетного определения акустических характеристик судовых дизелей и, в частности турбокомпрессоров. Эти зависимости являются продуктом определенного обобщения некоторого набора фактических измерений и также представляют собой расчетные оценки математического ожидания ВАХ [206]. Можно отметить практическое отсутствие улучшения ВАХ судовых дизелей. Это объясняется тем, что доминирующей потребностью, которую и реализовали производители дизелей, явилось улучшение удельных показателей двигателя (массогабаритных, по расходу топлива и масла, экологии). Это улучшение явилось следствием форсировки дизелей за счет роста давления наддува, среднего эффективного давления и других параметров цикла двигателя. В свою очередь форсировка двигателей способствовала росту виброактивности их перспективных образцов. Это нивелировало все усилия по улучшению ВАХ ГД. В результате - соблюсти санитарные нормы по вибрации и шуму крайне сложно (см. рисунок 3.1). Возникает противоречивая задача. Если предусматривать запас в средствах борьбы с вибрацией и шумом, то это может потребовать значительных материальных затрат, которые нужно обосновать так, чтобы они не оказались излишними при благоприятном стечении обстоятельств.
В этих условиях необходимую помощь может оказать метод ФОБ, который позволит оценить риски по превышению санитарных норм в судовых помещениях при принятии того или иного проектного решения. Это, по сути, основа для диалога заказчика дизеля с его изготовителем при участии потребителя конечной продукции. Однако реализация этой методологии требует разработки специальных алгоритмов и методов, отражающих специфику поставленной задачи [207], [208].
Оценки безопасности и риска должны быть даны не только в детерминированной, но и в вероятностной постановке с помощью ИМ. Практически важной, связанной с организацией процесса обслуживания механизмов и машин в машинном помещении (МП), является частная задача прогноза и оценки риска превышения предельно допустимых уровней шума в МП с дизельной энергетической установкой. Для решения этой задачи автором диссертации специально разработан изложенный ниже метод.
В настоящее время дизелестроительные фирмы представляют широкий спектр двигателей обладающих достаточно схожими характеристиками по мощности, массогабаритным показателям и удельным расходам топлива и масла. Поэтому проблема выбора подходящего оборудования требует применения дополнительных критериев для оценки риска последствий от использования выбранного решения. Одним из таких критериев могут являться виброшумовые характеристики.
Кроме наличия таких критериев для практики на этапах проектирования судов необходимо выполнять предварительные оценки ожидаемых уровней шума в машинных помещениях и, при несоблюдении указанных выше норм, принимать различные меры конструктивного (применение зашивок, средств демпфирования и амортизации и т.д.) или организационного (подбор состава и места размещения энергетического оборудования, режима их обслуживания и т.п.) характера. Это является нетривиальной задачей. В диссертации обосновываются универсальные подходы такой оценки, которые базируются на прогнозе и оценке риска превышения предельно допустимых уровней шума в МП. Эффективность предлагаемых подходов определяется достоверностью данных по источникам шума.
Выше было отмечено, что каждый дизель имеет свою индивидуальную шумовую характеристику. Результаты статистических исследований вибрации многих видов бездефектных машин, выполненных в ряде стран, показали, что типовой разброс величин многих составляющих лежит в пределах 20 дБ [209]. Это касается и шума однотипных дизелей.
Последующая эксплуатация, а также ремонты и техническое обслуживание со вскрытием двигателя и его узлов только ухудшают ВАХ. Однако проектант их не знает и ориентируется на математическое ожидание уровней вибрации и шума нового дизеля. Это означает, что проблема обеспечения или восстановления приемлемой акустической обстановки в машинном помещении откладывается на период эксплуатации, когда решить проблемы комплексно уже или очень трудно, или вообще невозможно. Автором предлагается следующая последовательность решения указанной проблемы.
Математическая модель струйного течения в ограниченном пространстве
Выше было указано, что для обеспечения благоприятных условий производственной среды в ЧМС системе важной является задача снижения шума в помещениях судов и других транспортных средств. Эта задача, в современном представлении, должна решаться на этапе проектирования и опираться на надежные и удобные для использования расчетные методы.
Известные в настоящее время руководства по судовой акустике излагают основные понятия о процессе излучения звука и содержат решения задач основанных на представлении об излучении звука как об излучении поршнями, пульсирующими и жесткими осциллирующими сферами, цилиндрами и т.п., что позволяет получить достаточный для практики результат для случая «точечного» источника звука и достаточно удаленного расположения звукоприемника, т.е. при разработке проблем радиовещания, акустических антенн и излучателей.
Для транспортных конструкций применение описанных выше методов представляется затруднительным вследствие ограниченного размера помещений, сложного характера их взаимосвязи и особенностей формообразующих поверхностей (наличие ребер жесткости, границ и т.п.). Применительно к тонкостенным конструкциям транспортных средств, в частности при наличии взаимодействия между конструкцией и средой, в работе [234], а затем в работе [235] получили физическое описание и развитие методы расчета процессов акустического излучения звука.
Однако во всех указанных выше методах задача прохождения звука через препятствие (корпусную конструкцию) решается на основании решения задачи о наличие экрана, препятствующего распространению звука. Процесс прохождения звука через сам экран при этом не рассматривается, т.е. он считается практически бесконечно тонким. Между тем, традиционным путем снижения шума является применение методов и средств виброизоляции и вибропоглощения, в частности за счет применения покрытий и зашивок, в результате чего толщина корпусных конструкций, представляющих собой препятствие для распространения звука, становится настолько значительной, что говорить о тонкостенности такой конструкции не приходится. При этом число слоев покрытий из разных материалов на одной конструкции может быть достаточно велико. Для такого случая, представляющего наибольший практический интерес с точки зрения борьбы с воздушным шумом в помещениях транспортных средств, в настоящее время нет метода расчета учитывающего взаимосвязанные процессы звукоизлучения, звукопоглощения и распространения звуковой вибрации с единых позиций.
Для решения поставленной задачи наиболее подходят методы, основанные на наиболее общих и фундаментальных представлениях о распространении и передаче звука, как одном из частных случаев передачи и преобразования энергии. К таким методам относится известный энергетический метод расчета [226], [236], [237], который широко используется отечественными и зарубежными исследователями для решения других типов акустических задач, а в работе [235] показана возможность его использования при решении задачи об излучении звука пластиной с системой ребер жесткости. Достоинством указанного метода является возможность получения решения задачи, в случае широкополосного или многоточечного некоррелированного возбуждения пластины внешними силами, в виде, удобном для анализа и практического использования, в то время как точное решение имеет достаточно сложный вид или находится только путем численных расчетов с использованием ЭВМ. Однако указанный метод содержит в себе ограничения вызванные, в первую очередь, использованием гипотезы о диффузном характере изгибных волн, что при высоком демпфировании приводит к значительным погрешностям расчетов. Для устранения указанных недостатков энергетического метода, при сохранении его достоинств, был намечен новый подход к решению задачи, который привел к разработке автором диссертации метода расчета звуковых вибраций высокодемпфированных сложных динамических структур (см. пункт 3.3.2). Применение этого метода для расчета уровней вибрации в конструкциях дало достаточно хороший результат, позволивший перейти к рассмотрению с единых позиций вопросов распространения вибрации вдоль конструкций имеющих различные вибродемпфирующие покрытия, продольное или поперечное оребрение и соединение с другими конструкциями (см. пункт 3.3.3). Определенные успехи, достигнутые при использовании энергетического метода к решению задач звукоизлучения при известной тонкостенности конструкций и невысоких значений коэффициентов потерь [235], позволяют предположить, что, для рассмотрения вопроса звукоизлучения многослойных толстостенных высокодемпфированных конструкций, успехов можно ожидать от применения предлагаемого автором метода расчета. Что, в конечном итоге, должно позволить в рамках этого метода рассматривать задачу расчета структурного и воздушного шума как единое целое. Действительно, исходным соотношением для такой постановки задачи служит упрощенное уравнение энергетического баланса, которое для элементарного участка перекрытия примет вид, описываемый уравнением (3.2). Ранее, когда отвод энергии за счет излучения в окружающую перекрытие среду не учитывался, выражение (3.2) принимало вид (3.4).
