Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Техническая диагностика двигателей внутреннего сгорания: состояние, проблемы и задачи исследования 31
1.1 Значение, роль и место технической диагностики основных элементов судовых дизелей в системе технической эксплуатации флота речного пароходства. 31
1.2 Обзор и анализ работ по техническому диагностированию среднеоборотных и высокооборотных двигателей внутреннего сгорания . 36
1.3 Обзор и анализ методов и средств диагностирования двигателей внутреннего сгорания по параметрам работающего моторного масла.. 45
1.4 Обзор и анализ работ по методам оценки состояния элементов линии коленчатого вала судовых дизелей 53
1.5 Обзор и анализ методов и средств диагностирования судовых дизелей по крутильным колебаниям 61
1.6 Выводы по обзору. Постановка задач исследования. 73
ГЛАВА 2 Теоретические основы системного моделирования алгоритмов диагностирования основных элементов судовых дизелей .76
2.1 Системный анализ комплекса «судовой дизель – работающее моторное масло – валопровод судовой энергетической установки – система технической эксплуатации флота речного пароходства» .76
2.2 Теоретическое обоснование выбора комплекса диагностических параметров состояния трущихся деталей, работающего моторного масла и систем дизеля 85
2.3 Математическое моделирование алгоритмов диагностирования по параметрам работающего моторного масла и их функционирование в системе технической эксплуатации флота пароходства 98
2.4 Теоретические основы исследования информативности диагностических параметров.. 106
2.5 Теоретический анализ параметров крутильных колебаний для диагностирования элементов валовой линии судового дизеля 109
2.5.1 Математическое моделирование расчёта собственных частот и форм крутильных колебаний валовой линии дизельной судовой энергетической установки... 109
2.5.2 Теоретический анализ работы возмущающих моментов валовой линии дизельной судовой энергетической установки 113
2.5.3 Математическое моделирование вынужденных колебаний валовой линии дизельной судовой энергетической установки 117
2.6 Общие закономерности построения математических моделей прогнозирования состояния основных элементов судовых дизелей... 121
2.7 Основные результаты исследования. Выводы .125
ГЛАВА 3 Методология определения величин диагностических параметров. выбор числа объектов исследования 128
3.1 Организация проведения опытных исследований 128
3.2 Методика проведения экспрессного спектрального анализа работающего моторного масла .129
3.3 Методики проведения физико-химических анализов работающего моторного масла 137
3.3.1 Определение содержания механических примесей работающего моторного масла . 137
3.3.2 Определение водородного показателя, щелочного и кислотного чисел работающего моторного масла... 138
3.3.3 Определение температуры вспышки работающего моторного масла .139
3.3.4 Определение содержания воды в работающем моторном масле 139
3.3.5 Определение вязкости работающего моторного масла 140
3.4 Выбор числа объектов исследования для оценки их технического состояния по параметрам работающего моторного масла 140
3.5 Методика проведения измерений параметров крутильных колебаний валовой линии при помощи комплекса БАГС-4... 150
3.5.1 Автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс БАГС-4. 150
3.5.2 Стендовая экспериментальная установка .154
3.5.3 Результаты стендовых измерений крутильных колебаний валовой линии 155
3.5.4 Анализ амплитудно-частотной характеристики крутильных колебаний валовой линии судовой энергетической установки 159
3.6 Основные результаты исследования. Выводы 163
ГЛАВА 4 Результаты моделирования алгоритмов диагностирования среднеоборотных дизелей по параметрам работающего моторного масла 165
4.1 Математическое моделирование и результаты расчёта корректируемых диагностических нормативов дизелей Г70-5 165
4.2 Математическое моделирование и оптимизация обучающегося алгоритма диагностирования состояния основных элементов
дизелей Г70-5.. 180
4.3 Разработка методики прогнозирования остаточного ресурса цилиндровых втулок дизелей Г70-5 по средней концентрации железа в работающем моторном масле .196
4.4 Разработка методики диагностирования состояния цилиндровыхвтулок дизелей Г70-5 по общей загрязнённости работающего моторного масла.. 204
4.5 Основные результаты исследования. Выводы .209
ГЛАВА 5 Результаты моделирования алгоритмов диагностирования высокооборотных дизелей по параметрам работающего моторного масла 211
5.1 Экспериментально-теоретическое исследование влияния нагрузки на ресурс дизелей 12ЧСН 18/20.. 211
5.2 Математическое моделирование и результаты расчета диагностических нормативов дизелей 12ЧСН 18/20 .216
5.3 Разработка методики диагностирования состояния деталей цилиндропоршневой группы дизелей 12ЧСН 18/20 по угару работающего моторного масла. 228
5.4 Разработка математических моделей и методик прогнозирования остаточного ресурса деталей цилиндропоршневой группы дизелей
12ЧСН 18/20 по комплексу параметров работающего моторного масла 233
5.5 Основные результаты исследования. Выводы .242
ГЛАВА 6 Моделирование алгоритмов диагностирования основных элементов валовой линии судовых дизелей по параметрам крутильных колебаний 243
6.1 Измерение крутильных колебаний валовой линии судовой
энергетической установки при эксплуатации теплоходов 243
6.1.1 Характеристики объекта исследования 243
6.1.2 Расчёт собственных частот и относительных амплитуд крутильных колебаний валовой линии теплохода проекта 1741А 245
6.2 Разработка методики диагностирования силиконового демпфера крутильных колебаний судового дизеля 251
6.3 Результаты исследования информативности диагностических параметров спектрограммы крутильных колебаний при оценке состояния силиконового демпфера 259
6.4 Разработка математической модели и методики прогнозирования остаточного ресурса коленчатого вала дизеля по параметрам крутильных колебаний 265
6.5 Основные результаты исследования. Выводы... 270
ГЛАВА 7 Практическая реализация результатов комплекса исследований 272
7.1 Система диагностирования судовых дизелей методом комплексного анализа работающего моторного масла .272
7.2 Экономическая эффективность от внедрения диагностики судовых дизелей по комплексу параметров работающего моторного масла... 275
7.2.1 Общая часть. 275
7.2.2. Расчет издержек по устранению дефектов 276
7.2.3. Расчет текущих затрат на содержание и эксплуатацию спектральной установки 277
7.2.4. Расчет капитальных вложений на создание системы диагностирования. 278
7.3. Внедрение результатов исследований 279
Общие выводы и заключение 281
Список литературы
- Обзор и анализ работ по техническому диагностированию среднеоборотных и высокооборотных двигателей внутреннего сгорания
- Теоретическое обоснование выбора комплекса диагностических параметров состояния трущихся деталей, работающего моторного масла и систем дизеля
- Определение содержания механических примесей работающего моторного масла
- Разработка методики прогнозирования остаточного ресурса цилиндровых втулок дизелей Г70-5 по средней концентрации железа в работающем моторном масле
Введение к работе
Актуальность работы. Эксплуатационная надёжность, ресурсные и экономические показатели работы судовых дизелей главным образом определяются износным состоянием трущихся деталей цилиндропоршневой группы (ЦПГ), подшипников коленчатого вала, а также его усталостной прочностью. В решении проблемы обеспечения надёжной и ресурсосберегающей эксплуатации судовых дизелей в сложившихся рыночных условиях хозяйствования на водном транспорте важная роль принадлежит использованию технологий диагностирования, отличающихся высокой объективностью и достоверностью принятия решений при постановке диагноза.
Отечественный и мировой опыт показал, что одним из эффективных методов, позволяющим своевременно оценивать состояние большого числа трущихся деталей, основных систем и смазочных свойств работающего моторного масла (РММ) судового дизеля без вывода его из эксплуатации, является диагностирование на основе экспрессного спектрального анализа продуктов износа в РММ. Для оценки усталостной прочности коленчатого вала наиболее предпочтителен метод вибродиагностики крутильных колебаний (КК) с применением портативных автоматизированных измерительно-вычислительных комплексов типа БАГС-4, отличающихся экспрессным получением параметров их амплитудно-частотных характеристик.
Отдавая должное выполненным исследованиям по системному моделированию алгоритмов диагностирования ДВС, например, по параметрам экспрессного спектрального анализа РММ, необходимо отметить, что здесь имеется целый ряд нерешённых теоретических и практических задач. Для диагностирования усталостных повреждений элементов валовой линии судовых дизелей подобный опыт к настоящему времени весьма ограничен. Более того, тесная взаимосвязь процессов, происходящих в системе «судовой дизель – РММ – валовая линия СЭУ», общее целевое назначение её в системе технической эксплуатации флота (ТЭФ) пароходства или судоходной компании приводят к необходимости при решении задач диагностики рассматривать данные системы как единый комплекс с позиций системного подхода, что делает работу весьма актуальной. Работа выполнялась в соответствии с планом научно-исследовательских работ ФБОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта» по направлению «Создание методов, технических средств и технологий технической диагностики основных деталей судовых механизмов и энергетического оборудования с оценкой ресурса их работы».
Объектом исследований являлся парк среднеоборотных и высокооборотных дизелей, эксплуатируемых на речных судах в условиях ЗападноСибирского региона.
Предметом исследований являлись оценка, анализ и идентификация технического состояния элементов судовых дизелей на основе информации, поступающей с параметрами работающего моторного масла и динамическими характеристиками крутильных колебаний коленчатого вала.
Научная гипотеза основана на диалектическом принципе о всеобщей связи явлений и процессов применительно к объекту и предмету исследований. Исследуя стохастическое изменение величин комплекса диагностических параметров, характеризующих техническое состояние парка судовых дизелей, на основе системного подхода можно создать оптимальные системные модели, алгоритмы и методики диагностирования, позволяющие с наименьшими затратами, используя внутренние резервы системы, эффективно управлять техническим состоянием сложившегося парка дизелей.
Цель диссертационной работы состоит в разработке теоретических положений системного моделирования алгоритмов диагностирования элементов судового дизеля, лимитирующих его надёжность и ресурс, создании на этой основе эффективных методов и методик диагностирования и их практической реализации в системе ТЭФ пароходства или судоходной компании.
Методы исследования. Теоретической и методологической базой для достижения поставленной цели работы являлись научные положения системной методологии, теории вероятностей и математической статистики, теории распознавания образов, теории ДВС, теории колебаний и математического моделирования на ЭВМ. В экспериментальном исследовании и практическом использовании результатов данной работы применялись современные физико-химические методы и методики (экспрессная эмиссионная спектрометрия, фотоэлектрическая колориметрия, потенциометрия и др.), автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс БАГС-4, аттестованные и поверенные приборы. Обработка статистических данных и моделирование алгоритмов диагностирования и прогнозирования выполнены с применением ЭВМ.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждаются: обоснованностью исходных теоретических положений, вытекающих из физической картины исследуемых явлений и опыта эксплуатации судовых дизелей; адекватностью теоретических моделей многочисленному статистическому материалу практического использования для эксплуатируемых дизелей; широкой апробацией и внедрением.
Научная новизна исследований сводится к следующему:
на основе принципов системной методологии разработаны теоретические положения построения диагностической модели комплекса «судовой дизель - работающее моторное масло - валовая линия СЭУ - система ТЭФ пароходства», отличающейся от существующих моделей более полным и эффективным использованием располагаемой информации;
определён комплекс диагностических параметров, позволяющий получить достоверную информацию о техническом состоянии системообразующих элементов, систем и качестве РММ судового дизеля;
на основе системного подхода разработана модель обучающегося алгоритма диагностирования основных элементов дизеля по комплексу параметров РММ, отличающаяся тем, что позволяет:
принимать однозначное решение о состоянии элемента по нормативным величинам основного диагностического параметра, установленных с учётом статистических характеристик его распределения по методу Неймана-Пирсона с заданной вероятностью ошибок первого рода («ложная тревога») и второго рода («пропуск дефекта»);
при нахождении величин основного диагностического параметра в «зоне неопределённости» для установленных априорных вероятностей различных состояний элемента и заданных ошибках первого и второго рода принимать решение о состоянии элемента по комплексу дополнительных диагностических параметров методом последовательного статистического анализа Вальда;
оптимизировать диагностические нормативы и критерии в связи с изменившимися условиями эксплуатации;
предложен вероятностно-статистический метод расчёта информативности диагностических параметров, на основе которого формируется диагностическая матрица, обеспечивающая эффективное использование обучающегося алгоритма диагностирования;
получены математические модели и методики прогнозирования остаточного ресурса основных трущихся деталей дизеля (на примере цилиндровых втулок дизеля Г70-5) по средней концентрации железа в РММ и его общей загрязнённости, отличающиеся простотой и высокой достоверностью прогноза;
предложены методики диагностирования основных деталей ЦПГ высокооборотных дизелей по угару и комплексу параметров РММ, основанные на полиномиальном моделировании;
разработана методика диагностирования силиконового демпфера судового дизеля по параметрам амплитудно-частотной характеристики спектрограммы крутильных колебаний валовой линии, отличающаяся вероятностно-статистическим подходом к распознаванию;
предложен метод исследования информативности амплитудно-частотной характеристики спектрограммы крутильных колебаний дизеля, основанный на вероятностно-статистическом подходе и отличающийся полным учётом частотного диапазона в установлении диагноза;
получены математическая модель и методика прогнозирования остаточного ресурса коленчатого вала дизеля по средней амплитуде спектрограммы крутильных колебаний валовой линии, отличающиеся простотой и высокой достоверностью прогноза.
Практическая ценность и реализация работы заключается в разработке научно обоснованных математических моделей, алгоритмов и методик диагностирования и прогнозирования основных элементов эксплуатируемых судовых дизелей по комплексу параметров работающего моторного масла и крутильных колебаний валовой линии. Результаты диссертационной работы доведены до практической реализации путём создания и внедрения системы диагностирования дизелей по параметрам работающего моторного масла в Западно-Сибирском речном пароходстве (ЗСРП); приняты к внедрению в ОАО «Томская
судоходная компания»; рекомендованы Западно-Сибирским филиалом ФГУ «Российский Речной Регистр» к внедрению на судах Западно-Сибирского региона и используются в учебном процессе при подготовке специалистов судо-механической специальности для речного и морского флота в Новосибирской государственной академии водного транспорта. По результатам исследований разработаны «Стандарт предприятия. СТП 314.536.0 – 01 – 88: Система диагностирования дизелей по методу комплексного анализа смазочного масла» и практические рекомендации по диагностированию элементов валовой линии судовых дизелей по параметрам крутильных колебаний.
На защиту выносятся:
-
Диагностическая модель комплекса «судовой дизель – работающее моторное масло – валовая линия СЭУ – система ТЭФ пароходства», основанная на принципах системной методологии.
-
Комплекс диагностических параметров: показатели РММ для оценки и анализа его работоспособности, состояния трущихся деталей и основных систем судовых дизелей; средняя амплитуда и частотный диапазон спектрограммы КК валовой линии для оценки и анализа состояния основных элементов судового дизеля.
-
Системная модель обучающегося алгоритма диагностирования основных элементов ДВС, реализованная по комплексу параметров РММ для оценки состояния деталей ЦПГ средне- и высокооборотных судовых дизелей.
-
Метод расчёта информативности диагностических параметров для формирования матрицы, обеспечивающей эффективное использование обучающегося алгоритма диагностирования основных элементов судового дизеля.
-
Математические модели и методики прогнозирования остаточного ресурса основных элементов ДВС по концентрации продуктов износа и его общей загрязнённости, реализованные для цилиндровых втулок среднеоборотных дизелей.
-
Методики диагностирования технического состояния деталей ЦПГ высокооборотных дизелей по угару и комплексу параметров РММ, основанные на полиномиальном моделировании.
-
Методика диагностирования состояния силиконового демпфера дизеля по параметрам крутильных колебаний валовой линии СЭУ.
-
Метод исследования информативности амплитудно-частотной характеристики спектрограммы крутильных колебаний дизеля.
-
Математическая модель и методика прогнозирования остаточного ресурса коленчатого вала дизеля по средней амплитуде спектрограммы крутильных колебаний валовой линии СЭУ.
Апробация работы. Основные положения и результаты работы докладывались, обсуждались и были одобрены на 21-27 научно-технических конференциях НИИВТ и ЗСНТО ВТ (Новосибирск, 1980-1986 г.г.), НГАВТ (Новосибирск, 2007-2011 г.г.); на межвузовской научной конференции «Философия науки и техники» (Новосибирск, 2008 г.); на научно-техническом семинаре МРФ
РСФСР «Опыт экономного использования топлива и нефтепродуктов на водном транспорте» (Куйбышев, 1982 г.); на 43-ей научно-технической конференции Сибирского автодорожного института им. В.В. Куйбышева (Омск, 1983 г.); на 2-ом Межведомственном совещании по координации работ в области технической диагностики двигателей (Ленинград-Пушкин, 1983 г.); на производственно-техническом совещании Главфлота МРФ РСФСР (Москва, 1983 г.); на заседании технического совета ЗСРП (Новосибирск, 1984 г.); на заседании научно-методической комиссии секции «Проблемы надёжности и технической диагностики» НТС Госстандарта по вопросу «Внедрение диагностики в систему технического обслуживания и ремонта техники» Горький, 1986 г.); на 46-ом международном семинаре «Моделирование в компьютерном материаловедении» (Одесса, 2007 г.); на Сибирской Ярмарке (Новосибирск, 2008, 2009, 2011 г.г.).
Публикации. По теме диссертации опубликованы 44 работы. В том числе две монографии и 22 научные статьи в изданиях, рекомендуемых ВАК для опубликования материалов докторских диссертаций. Результаты исследований отражены также в двух научно - исследовательских отчётах о НИР, выполненных при участии автора диссертации и прошедшим государственную регистрацию.
Личный вклад автора. В статьях [21, 36], написанных в соавторстве, личный вклад автора составляет не менее 30 %, в остальных – не менее 50 %. Однако разработка общей концепции построения и положений диссертации, касающихся основ системного моделирования вероятностных обучающихся алгоритмов диагностирования и их оптимизации, разработки конкретных методик выполнены автором самостоятельно и опубликованы в монографиях и научных статьях.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, семи глав, заключения, списка использованной литературы и приложений четырёх актов внедрения. Основная часть работы изложена на 304 страницах машинописного текста, включая 49 таблиц, 60 рисунков и библиографию из 216 наименований.
Обзор и анализ работ по техническому диагностированию среднеоборотных и высокооборотных двигателей внутреннего сгорания
Определение диагностической ценности (информативности) комплекса рассматриваемых параметров проведено на основе методов теории информации. С увеличением числа интервалов диагностическая ценность параметра возрастает или остаётся прежней, но анализ результатов при этом становится более трудоёмким. Поэтому в работе предложен критерий оптимизации, позволяющий осуществить выбор необходимого и достаточного числа разбиений величин параметра на интервалы.
Для разработки критериев оценки и идентификации усталостных повреждений элементов валовой линии произведено компьютерное моделирование дискретной крутильно-колеблющейся системы дизельной СЭУ в программном пакете MathCAD версии 13. Расчеты собственных частот и форм крутильных колебаний (КК), работы гармонических возмущающих моментов и их амплитуд осуществлены на основе уравнения Лагранжа второго рода. Для определения собственных значений частот и соответствующих им относительных собственных амплитуд использовался gi? - алгоритм, в настоящее время признанный одним из лучших методов решения задачи по определению собственных значений квадратных заполненных матриц общего вида. В работе рассмотрен моделирующий пример расчета крутильных колебаний валовой линии СЭУ теплохода проекта 121 с дизелем 4190ZLC-2 мощностью 165 кВт при частоте вращения коленчатого вала 1000 мин"1. Установлено, что в качестве критериев оценки и идентификации состояния элементов валовой линии следует рассматривать изменение параметров амплитудно-частотной характеристики крутильных колебаний в процессе эксплуатации дизеля.
На основе анализа существующих моделей прогнозирования технических объектов осуществлен выбор конкретных прогнозирующих функций для определения остаточного ресурса основных элементов судового дизеля. В третьей главе «Методология определения величин диагностических параметров. Выбор числа объектов исследования» изложена методология определения величин диагностических параметров РММ, проведено обоснование выбора числа объектов исследования, рассмотрены методика и результаты стендовых измерений параметров КК валовой линии при помощи автоматизированного измерительно-вычислительного комплекса БАГС-4.
Спектральный анализ концентраций продуктов износа и кремния в РММ проводился на фотоэлектрическом спектрометре МФС-5, согласно ГОСТ 20759-81. Для определения других физико-химических показателей РММ, принятых в качестве диагностических параметров, также использовались стандартные методики и аттестованные приборы и оборудование.
По результатам статистического анализа экспериментального материала, полученного с 25 дизелей 6ЧРН 36/45, установлено, что распределения всех величин наиболее хорошо согласуются с законом гамма - распределения. Для такого распределения рассчитано необходимое число контролируемых дизелей. Для относительной ошибки = 0,15 с вероятностью Р=0,95 расчетами было установлено N = 49 дизелей, а число проб масла с одного дизеля N = 5 при периодичности отбора 200 часов. В последующие навигации все дизели Г70-5 буксиров-толкачей типа «ОТ-2000» и М400, М401А-1 скоростных судов типа «Заря», «Восход», «Ракета», «Метеор» (более 50 единиц) были охвачены мониторингом их состояния по параметрам РММ, что позволило получить достаточно надёжные и обоснованные результаты исследования.
Для измерения динамических характеристик эксплуатируемых валовых линий судовых дизелей использовался портативный автоматизированный измерительно-вычислительный комплекс БАГС-4, разработанный в лаборатории «Динамика и прочность судовых конструкций» кафедры «Сопротивления материалов» ФБОУ ВПО НГАВТ [56]. Стендовые испытания комплекса БАГС-4 проводились на экспериментальной установке, изготовленной на базе токарно-винторезного станка 1А616. Валовая линия состояла из коленчатого вала ДВС «ВАЗ- 2108» и промежуточного вала, зажатых в патрон то 22 карного станка и поджимаемых его задней бабкой. Частота вращения валовой линии задавалась с помощью вращения шпинделя токарного станка. Измерения КК производились с коленчатым валом без наработки и с коленчатым валом, имеющим наработку более 4000 часов. Обработка записи измерений выполнялась с помощью программы «Analyzez» электронно-вычислительного комплекса БАГС-4. Результаты испытаний показали значительное снижение усталостной прочности коленчатого вала с наработкой по сравнению с валом без наработки.
В четвёртой главе «Результаты моделирования алгоритмов диагностирования среднеоборотных дизелей по параметрам работающего масла» представлены результаты математического моделирования и оптимизации обучающихся алгоритмов диагностирования и прогнозирования состояния основных элементов среднеоборотных дизелей 6ЧРН 36/45 (Г70-5) теплоходов «ОТ-2000». Моделирование обучающегося алгоритма диагностирования осуществлено на примере цилиндровых втулок среднеоборотных дизелей Г70-5 теплоходов типа «ОТ-2000». Дизели с овальностью всех втулок меньше предельной величины А =0,5 мм относились к исправному состоянию D\, а дизели, у которых овальность цилиндровых втулок, хотя бы у одного цилиндра, достигала или превышала величину А составили подмножество дефектного состояния D2. В соответствии с таким разделением формировались массивы данных анализов масла {KjiID} и {KjiID2}. По результатам проведенного вероятностно-статистического анализа было установлено, что эмпирические массивы данных как исправного, так и дефектного и общего состояний дизелей наиболее хорошо аппроксимируются законом гамма -распределения. В работе дано теоретическое обоснование физической картины формирования закона гамма - распределения.
Теоретическое обоснование выбора комплекса диагностических параметров состояния трущихся деталей, работающего моторного масла и систем дизеля
Полярографический анализ позволяет определять содержание железа, меди, свинца и олова в масле при чувствительности 10 6 -И0"7% и с погрешностью около ±15%. Проведение на полярографе самого анализа не требует много времени, но приготовление растворов занимает от 6 до 10 часов [109].
Для наблюдения процесса изнашивания деталей разработан целый ряд приборов, принцип работы которых на изменении электропроводности масла в зависимости от содержания в нём ферромагнитных продуктов износа [34, 91, 95, 99, 101, 129]. Использование этих приборов позволяет производить оценку содержания железа в масле и занимает около 5 минут времени. Вследствие влияния на электропроводность масла его температуры, изменения физико-химических свойств и других факторов эти методы обладают высокой погрешностью и являются приближёнными.
Появление крупных частиц в РММ свидетельствует о нарушении нормального процесса изнашивания деталей. В виду этого, разработан целый ряд специальных сигнализаторов и феррографов, определяющих размеры частиц и интенсивность их накопления в РММ [75, 101, 129]. Как уже было отмечено выше, эти детекторы фиксируют сам факт прогрессивного износа, но не позволяют прогнозировать развитие процесса, вызвавшего появление этих частиц. Однако по феррограммам с помощью микроскопа можно определить характерные особенности частиц. По частицам определяют виды изнашивания: абразивный, усталостный, коррозионный и др., так как размеры и форма частиц отличаются в различных фазах процесса изнашивания [131, 170].
Эмиссионный спектральный анализ даёт возможность одновременно определять концентрацию в РММ большого количества элементов. При этом чувствительность анализа отдельных элементов достигает 106-И0 7% при точности ± 5 35 % [71, 131, 166, 182]. Анализ пробы РММ на спектрографе занимает до 10 часов [107], а использование фотоэлектрических установок для экспрессного анализа позволяет сократить время определения содержания элементов до 5 минут [71, 184, 185]. По чувствительности этот метод анализа значительно превосходит даже косвенные методы эмиссионного спектрального анализа [2, 108, 168, 180].
Определение продуктов износа в РММ можно производить методом радиоактивных изотопов. Данный метод, обладая исключительно высокой чувствительностью (ю 8 %) и относительно малой погрешностью (±16%), позволяет осуществлять непрерывную регистрацию измерений работающего двигателя [108, 179]. Основными недостатками его являются сложность переоборудования двигателя для диагностики, высокая стоимость измерительной аппаратуры и потребность в биологической защите обслуживающего персонала. Количество определяемых элементов поэтому, как правило, ограничивается и не превышает двух. Предложенный Д.Г. Точильниковым дифференциальный радиоиндикаторный метод [179] выявил возможность применения этого метода для регистрации изменения износа судовых дизелей в эксплуатационных условиях. Тем не менее, сложность метода, дорогостоящее оборудование вряд ли явятся приемлемыми для дизелей речного флота.
При методе нейтронной активации [108] не требуется переоборудования двигателя для диагностики, так как проба РММ, взятая из него, облучается затем в реакторе мощным потоком нейтронов, после чего продукты износа становятся радиоактивными. Однако сама активация и расшифровка результатов представляет весьма сложную задачу. Данному методу присущи те же достоинства и недостатки, что и радиоиндикаторному методу.
С увеличением загрязнённости РММ различными примесями изменяется цвет масла. Это свойство положено в основу методов «масляного пятна» и измерения оптической плотности масла. При их помощи можно определить степень загрязнённости РММ продуктами сгорания, топливом, водой, меха 49 ническими примесями и получить приближённую оценку состояния двигателя и его систем [47, 131, 133, 155, 169, 170].
Проведённый анализ существующих методов определения продуктов износа в РММ показывает, что каждый из них имеет свои достоинства и недостатки. С учётом вышеназванных общих требований, предъявляемых к методам и способам определения диагностических параметров (параграф 1.2), следует отдать предпочтение методу эмиссионного спектрального анализа РММ. Этот метод не требует предварительного дооборудования дизеля для диагностики, совершенно безопасен, по точности и чувствительности не уступает радиоактивационному, полярографическому и другим методам. Высокая информативная способность, благодаря большому числу одновременно определяемых элементов, сохраняет преимущество за спектральным анализом и в сравнении с полярографическим, колориметрическим и другими способами.
Однако спектральный анализ имеет свои специфические особенности, заключающиеся в различии способов введения анализируемой пробы РММ в разряд (прямые и косвенные), регистрацией спектра излучения (фотографи-фическая и фотоэлектрическая), а также способами подсчёта концентраций элементов [108, 168, 185].
Отечественный и зарубежный опыт применения спектрального анализа РММ для диагностирования [28, 38, 71,108, 131, 144, 147, 185] показал, что для оперативного эксплуатационного мониторинга большого количества двигателей наиболее эффективно применение установок с фотоэлектрической регистрацией спектра (спектрометров) в сочетании с прямым введением пробы масла в разряд, например, по методу вращающегося электрода. В силу сказанного, в нашей работе при разработке системы диагностирования судовых дизелей нами было отдано предпочтение экспрессному спектральному анализу с применением спектрометров (квантометров) типа МФС-3, МФС-5, МФС-7 позволяющих одновременно определять в пробе от 9 до 16 элементов. Следует отметить, что в настоящее выпускаются более современные
Определение содержания механических примесей работающего моторного масла
Процессы изашивания деталей, маслоочистки и старения масла протекают в условиях непрерывного взаимодействия [25, 26, 35, 70, 73, 96, 97, 117, 131, 168 - 171, 175, 185], поэтому диагностические параметры второй и третьей групп наряду с оценкой свойств смазочного РММ будут вносить дополнительную информацию о состоянии трущихся деталей дизеля. Следовательно, при проведении дальнейших экспериментально-теоретических исследований возникает необходимость в проведении корреляционно-регрессионного анализа связей между параметрами разных групп, что позволит установить тот набор параметров, который целесообразно использовать при разработке алгоритма диагностирования по комплексу параметров РММ.
Выбор параметров первой группы можно осуществить, зная химический состав конкретных деталей и концентрацию определяемых элементов, так называемых характерных элементов-индикаторов [108, 109]. В качестве последних выбирается такой элемент в составе материала детали, который не встречается в других деталях или находится в них в малом количестве.
Подробный анализ данных по химическому составу деталей исследуемых дизелей проведён нами в работах [47, 147]. На основе этих данных обоснуем принятый подход к осуществлённому выбору параметров.
Данные показывают, что только подшипники коленчатого вала дизеля 6ЧРН 36/45 (Г70-5) из сплава АО 20-1 имеют в своём составе большое количество характерного элемента – алюминия, который не входит в материалы других деталей. Об износе остальных конкретных деталей приходится судить по элементам, входящим в состав разных деталей. Следует иметь в виду, что алюминий может попадать в масло вместе с пылью воздуха. Однако процентное содержание окиси алюминия в пыли невелико и составляет около 0,8% [180]. Поэтому в качестве параметра сталеалюминиевых подшипников выбираем концентрацию алюминия в масле, составляющего 79% сплава. У дизелей 12ЧСН 18/22 (М400, М401) поршень штампованный, дюралевый, внутри поршня бобышки, в которые запрессованы втулки из бронзы Бр 7- 02. Перемещение пальца предохраняют алюминиевые заглушки. Поршень имеет два уплотнительных кольца (поверхность первого кольца покрыта слоем пористого хрома) трапециевидного сечения и чугунные маслосъёмные кольца: два у дизеля М400 и три у дизеля М401. Следовательно, у этих дизелей параметром состояния поршней будет являться алюминий.
Характерным элементом цилиндровых втулок и гильз, поршней (дизель Г70-5), а также других стальных и чугунных деталей является железо. Как показано в работах [141, 180], наибольшая доля железа от износа перечисленных деталей падает на втулки цилиндров и поршневые кольца (70-н 85%), а на долю износа шеек коленчатого приходится всего 4,5-н5,5 %. Следовательно, концентрация железа в масле будет являться диагностическим параметром износного состояния деталей ЦПГ. При этом концентрацию хрома, которым покрываются верхние компрессионные кольца, следует использовать в качестве дополнительного диагностического параметра состояния этого узла.
Диагностическим параметром износного состояния втулок верхних головок шатунов выбираем концентрацию меди. Правда, медь входит в состав сплава подшипников коленчатого вала, но в незначительном количестве (около 6%), и поэтому следует ожидать, что это не будет являться помехой для оценки состояния втулок.
В качестве диагностического параметра состояния подшипников коленчатого вала из сплава Б-83 дизелей Г70-5 принимаем концентрацию олова. Оно входит также в состав сплава втулок шатунов и подшипников распределительного вала, но интенсивность изнашивания подшипников распределительного вала ниже, чем коленчатого, поэтому концентрация олова в масле будет характеризовать в основном состояние подшипников коленчатого вала. Следует отметить, что характерным элементом для подшипниковой группы деталей является также сурьма, входящая в состав баббита Б-83 (Sb -11%). Однако, согласно работе [108], сурьма обладает низкой спектральной чувствительностью и малым содержанием в масле (3 10"5 ч-810"4 %), и её можно определять количественно только косвенными способами путём озо-ления и обогащения пробы масла [108, 168, 180], что неприемлемо для экспрессного анализа в наших исследованиях. У дизелей М400, М401 вкладыши подшипников коленчатого вала стальные с тонким слоем (0,015ч-0,020 мм) оловянисто-свинцовистой бронзы Бр ОС 1-22, поэтому концентрация свинца в масле будет характеризовать состояние подшипников коленчатого вала.
Характерным элементом для выпускных клапанов является никель. Учитывая сравнительно высокую износостойкость клапанов и малую поставку этого элемента в масло, диагностический параметр в данном случае не выбираем.
Таким образом, концентрации шести выбранных характерных элементов (железо, медь, свинец, алюминий, хром, олово) в масле будут в дальнейшем служить в качестве диагностических параметров состояния основных трущихся и узлов судовых дизелей в процессе эксплуатации.
Далее осуществим выбор диагностических параметров состояния систем дизеля и работающего масла (вторая и третья группы).
Масло в двигателе, работая при высокой температуре и давлении, соприкасается с воздухом и продуктами неполного сгорания топлива, с конденсированными парами воды, пылью, проникшей в ДВС, с металлическими поверхностями деталей и продуктами их изнашивания. Происходит процесс старения масла. На рисунке 2.2, заимствованном из работы [70], показан баланс продуктов старения РММ в ДВС. Некоторые характеристики этих продуктов могут служить в качестве диагностических параметров. Далее проведём их анализ.
Разработка методики прогнозирования остаточного ресурса цилиндровых втулок дизелей Г70-5 по средней концентрации железа в работающем моторном масле
Как известно, детерминированные процессы могут быть периодическими и непериодическими. Так как элементы валовой линии СЭУ обладают характерным признаком периодических колебаний - повторением значений колеблющейся величины через равный промежуток времени, называемый периодом, то крутильно-колеблющая система СЭУ имеет периодические колебания. Простейшим видом периодических колебаний являются гармонические колебания, при которых колеблющаяся величина изменяется по закону x(t) = Acos(cot + p).
Спектр гармонического колебания содержит только одну наблюдаемую частоту. Полигармонический крутильно-колебательный процесс может быть представлен в виде суммы нескольких гармонических колебаний с частотами, находящимися между собой в рациональном отношении
При описании колебательного процесса как функции, изменяющейся во времени, большое значение имеет скорость этого изменения, то есть частота процесса. Частота во многих случаях является более информативной независимой переменной, чем время. Преобразование исходной записи процесса из временной формы (рисунки 3.11 и 3.12) в частотную форму осуществляется простой перегруппировкой данных. Для такой перегруппировки используется либо разложение исходного колебательного процесса по различным ортогональным системам функций [77], либо его интегральное преобразование Фурье [19, 57, 81].
В первом случае наибольшее распространение получила ортогональная система основных тригонометрических функций - синусов и косинусов, т.е. ряд Фурье. Это объясняется тем, что гармоническое колебание - единственная функция времени, сохраняющая свою форму при прохождении колебания через любую линейную систему с постоянными параметрами. Изменяется лишь амплитуда и фаза колебания. Разложение детерминированного сигнала по синусам и косинусам позволяет использовать традиционные методы [22], подробно разработанные для анализа воздействия гармонических колебаний на линейные системы. В случае приближённого разложения колебаний применяются разнообразные ортогональные системы функций: полиномы Чебышева, Эрмита, Логгера, Лежандра и другие.
Второй способ представления процессов связан с использованием интегральных преобразований. Линейное интегральное преобразование процесса (3.38) в общем виде определяется следующим образом [22]:
Интегральное преобразование переводит непрерывную функцию x(t) в непрерывную функцию х(х). Свойства интегрального преобразования опре 161 деляется ядром r(t,%). Интегральные преобразования часто применяют тогда, когда функция х(х) по виду более простая, чем x(t). Они используются для записи зависимости выходного процесса от входного, при нахождении огибающих узкополосных сигналов и при определении распределения энергии сигналов по частотам.
При разложении в ряд Фурье часть записи колебательного процесса, выбранного для анализа, принимается за период или за целое число таких периодов, а вся запись предполагается состоящей из повторений этого отрезка в обе стороны от анализируемого интервала. Результирующий спектр является дискретным и соответствует членам разложения в ряд Фурье с частотами, определяемыми через выбранную длительность основного периода. Каждая линия дискретного спектра представляет собой отдельную гармоническую компоненту.
Интегральное преобразование Фурье [19, 57, 81] предполагает, что процесс имеет нулевые значения вне исследуемого интервала, а результирующий спектр - непрерывный, его форма соответствует огибающей линии разложения в ряд Фурье. Интенсивный пик непрерывного спектра может быть обусловлен группой компонент с близкими частотами.
Хотя оба способа не являются строго корректными, но в обоих случаях эти предположения приводят к тем большим погрешностям, чем меньше анализируемый отрезок колебательного процесса.
Для анализа крутильно-колебательного процесса валопровода СЭУ предпочтительнее использовать интегральное преобразование Фурье. Это связано с несколькими причинами: - затруднительное определение сложного колебания на выходе системы по сумме гармоник с заданными амплитудами и фазами, если не обеспечивается быстрая сходимость ряда Фурье, представляющего колебание; 162 - для разложения в ряд необходимо иметь данные об основном периоде процесса, в то время как спектральный анализ на основе интегрального преобразования не нуждается в подобных предварительных оценках; - оба подхода при спектральном анализе случайных колебаний дают случайный, т.е. неустойчивый спектр, когда нельзя пренебречь его статистической изменчивостью. В этом случае спектральный анализ на основе интегрального преобразования открывает пути получения спектральной плотности исследуемого крутильно-колеблющегося процесса как статистически достоверной оценки его спектра. Применение интегрального преобразования Фурье для детерминированного периодического крутильно-колеблющегося процесса позволяет получать характерный спектр с чередованием пиков и глубоких провалов и таким образом сделать правильный вывод о дискретном характере спектра.
