Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования 23
1.1. Характерные отказы деталей, образующих камеру сгорания ГД ..23
1.1.1. Безотказность деталей - техническая основа безопасной эксплуатации ГД 23
1.1.2. Отказы цилиндровых втулок в эксплуатации .' 25
1.1.3. Отказы цилиндровых крышек в эксплуатации 29
1.1.4. Отказы поршней 34
1.1.5. Влияние эксплуатационных факторов на надежность деталей камеры сгорания 35
1.1.6. Влияние эксплуатационных и конструктивных факторов на теплонапряженность деталей камеры сгорания 38
1.2. Человеческий фактор в судовых авариях 43
1.3. Анализ методов описания режимов нагружения судовых дизелей 49
1.4. Анализ применяемых методов исследования надежности деталей, узлов и изделий в целом 52
1.5. Выводы и постановка задач исследования 72
2. Анализ режимов нагружения главных дизелей 76
2.1. База данных по режимам нагружения ГД судов рыбохозяйственного комплекса 76
2.2. Обоснование выбора критерия согласия эмпирического и теоретического законов распределений нагрузок главных двигателей 96
2.2.1. Критерии согласия эмпирического и теоретического законов распределения случайных величин 96
2.2.2. Определение оптимального критерия согласия 99
2.3. Обобщение распределений нагрузок ГД судов флота рыбной промышленности 107
2.4. Классификация распределений нагрузок ГД судов флота рыбной промышленности 113
2.5. Распределение нагрузок цилиндров ГД судов флота рыбной промышленности 114
3. Тепловая и механическая напряженность деталей ЦПГ МОД 120
3.1. Определение параметров энергонапряженности рабочего цикла 120
3.2. Расчет температурных полей деталей ЦПГ 124
3.3. Определение опасных напряжений, действующих в деталях ЦПГ 131
4. Определение дополнительных напряжений, возникающих во втулке цилиндра, при работе двигателя ... 139
4.1. Факторы, вызывающие дополнительные напряжения 139
4.2. Приборы измерения колебаний и схема их подключения 139
4.3. Проведение измерений 140
4.4. Колебания и дополнительные напряжения цилиндровых втулок 143
5. Исследование влиянрія человеческого фактора на надежность работы главного судового дизеля 153
5.1. Общие положения 153
5.2. Анализ поведения специалистов при развитии реальных аварий 154
5.3. Исследование развития аварийной ситуации при использовании тренажера 156
5.3.1. Описание тренажера (моделирующей установки) 156
5.3.2. Описание судовой дизельной установки, смоделированной на тренажере 158
5.3.3. Моделирование аварийных ситуаций 161
6. Расчет вероятности безотказной работы деталей ГД 166
6.1. Вывод моделей для расчета вероятности безотказной работы деталей 166
6.2. Определение безопасной работы деталей ГД по критерию работоспособности - температура 174
6.3. Определение безопасной работы деталей ГД по критерию работоспособности - напряжения ...182
6.3.1. Исследование материала цилиндровых втулок на допустимые напряжения 182
6.3.2. Расчет распределения напряжений на основных эксплуатационных режимах и определение безопасной работы деталей ГД 184
6.4. Расчет показателей надежности (методика и результаты расчета) 188
6.4.1. Алгоритм расчета безопасной работы 188
6.4.2. Примеры результатов расчета надежности 194
6.4.3. Исследование влияния конструктивных и эксплуатационных факторов на показатели надежности 194
7. Практические мероприятия по повышению работоспособности главных судовых двигателей ... 201
7.1. Ограничение нагрузки ГД 201
7.2. Эксплуатационные испытания судов с обычными и откорректированными гребными винтами 202
7.3. Конструктивные изменения 209
7.4. Воздействие в условиях эксплуатации на факторы, снижающие степень кавитационного разрушения втулки 211
7.5. Воздействие в условиях эксплуатации на факторы, уменьшающие нарушения рабочего процесса 218
7.6. Оперативный контроль и диагностика для обеспечения работоспособности деталей судовых ДВС (приборы, методики) 219
7.7. Повышение качества обучения персонала с целью улучшения качества эксплуатации 234
Заключение 242
Литература ...246
Приложение... 270
- Человеческий фактор в судовых авариях
- Обоснование выбора критерия согласия эмпирического и теоретического законов распределений нагрузок главных двигателей
- Расчет температурных полей деталей ЦПГ
- Приборы измерения колебаний и схема их подключения
Введение к работе
В условиях развивающейся рыночной экономики и жесткой конкуренции обеспечение рентабельности работы судов рыбохозяйственного комплекса регионов страны приобретает особую важность и актуальность. В значительной степени эффективность работы судов зависит от совершенства технической эксплуатации (ТЭ) энергетической установки (ЭУ). На их долю приходится до 90 % повреждений от общего количества по судну, а затраты на ТЭ достигают 60-70 % от общих затрат по судну [13]. Главные судовые двигатели являются основным агрегатом судовой энергетической установки (СЭУ). От их работоспособности во многом зависят технико-эксплуатационные качества судна, безопасность плавания, а также надежность работы ЭУ в целом. От уровня развития ТЭ зависит надежность действия обслуживаемых объектов, вырабатывающих все виды энергии, в количественном и качественном отношении удовлетворяющих потребности их безопасной ТЭ.
Проблема обеспечения надежности является одной их центральных на всех стадиях «жизненного» цикла (проектирование, производство, эксплуатация). Она имеет и моральную строну, а именно - ненадежная работа главных двигателей (ГД) является причиной возникновения аварийных ситуаций для экипажа и пассажиров.
В принципе ненадежная ЭУ и входящие в ее состав ГД не должны допускаться к ТЭ, какими бы ни были показатели остальных характеристик. Такие требования к надежности ГД обусловлены тем, что отказ ЭУ может привести не только к потерям больших материальных ценностей, но и к гибели людей. По жесткости требований к надежности судовая ЭУ уступает только авиационным ЭУ. Поэтому по уровню значимости первостепенная роль отводится обеспечению надежности и лишь второе место занимает проблема обеспечения экономичности.
Аварии иногда бывают также из-за безответственности обслуживающего персонала, низкой квалификации. Вопросы влияния человеческого фактора на эффективность и безопасность судоходства находятся в настоящее время под пристальным вниманием международной морской общественности. В связи с возросшей автоматизацией судов и, как следствие, снижением численности экипажей, возникает целый ряд проблем, значительно влияющих на безопасность судоходства. Совмещение обязанностей, увеличение психологических нагрузок, вызванных, в частности, непрерывным взаимодействием с большим числом автоматизированных приборов, приводят к накоплению усталости и способствуют развитию психологической напряженности в экипаже. Преодоление негативного влияния человеческого фактора и предотвращение возможных последствий человеческих ошибок - важная задача в обеспечении безопасной эксплуатации судовых ГД.
Проблема обеспечения безопасной эксплуатации ГД обозначена в требованиях IMO (International Marine Organization), как неотъемлемая часть требований Международного кодекса STCW 75/95 (Standard of Training for Certificate of Watchkeeping) [241].
Эту проблему следует решать в единстве трех составляющих направлений:
1. Разработка и создание двигателей пригодных для безопасной эксплуатации в заранее определенных условиях эксплуатации.
2. Подготовка персонала, обеспечивающего безопасную эксплуатацию.
3. Разработка и внедрение мероприятий, приспосабливающих двигатели к новым фактическим условиям эксплуатации при их изменении или несоответствии двигателей этим условиям.
Первое направление. Научно-технический прогресс в дизелестроении выдвинул на первый план проблему повышения надежности дизелей в связи с необходимостью повысить эффективность использования их по назначению, уменьшить затраты на техническое обслуживание и ремонт, сократить число высококвалифицированных рабочих, занятых поддержанием и восстановлением работоспособности ненадежных дизелей. Работоспособность - это свойство изделия обеспечивать значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответственно требованиям нормативно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Устанавливаемая дизелестроительными заводами продолжительность работы изделий до профилактических осмотров и ремонтов не всегда учитывает конкретные условия эксплуатации. Наработка дизеля или узла до предельного состояния является случайной величиной подверженной значительному рассеиванию. Интересной является эволюция взглядов на рассеивание ресурсов. Сначала оно отрицалось, затем игнорировалось и рассматривалось как крайне неприятное обстоятельство и досадная помеха; наконец, в настоящее время рассеивание ресурсов общепризнанно, а его характеристики вошли в число показателей надежности изделий.
Выяснение законов распределения наработки применительно к определенным условиям эксплуатации позволяет обосновать ряд важных технических решений. В частности можно определить гамма-процентный ресурс дизелей и назначить их гарантийную наработку, оценить вероятность безотказной работы дизеля при любой выбранной наработке, определить потребность в запасных частях, а также динамику роста этой потребности по мере их старения, установить назначенный ресурс, по достижении которого эксплуатация дизеля должна быть прекращена независимо от его состояния, определить оптимальные сроки профилактических осмотров и ремонтов, прогнозировать средние наработки до замен и ремонтов новых и модернизируемых дизелей, полагая, что ресурсы выпускаемых и создаваемых изделий распределяются по одинаковым законам.
Основные задачи теории надежности в дизелестроении - установление закономерностей возникновения отказов, изучение влияния внешних и внутренних, факторов на надежность, установление количественных характеристик и методов оценки и расчета надежности, разработка методов испытания на надежность, определение методов обеспечения надежности при проектировании и изготовлении, а также сохранения надежности при эксплуатации - принципиально могут решаться двояко [93].
Первый путь основан на изучении физико-химических свойств и параметров элементов дизеля, происходящих в них физико-химических процессов, физической природы и механизма отказов; при этом текущие состояния элементов и систем описываются уравнениями, отражающими физические закономерности.
Второй путь основан на изучении статистических вероятностных закономерностей появления отказов множества однотипных устройств; при этом отказы рассматриваются как отвлеченные случайные события.
В настоящее время наиболее разработана статистическая, вероятностная теория надежности. Это обусловлено отчасти большой доступностью исследования суммарного влияния многих различных факторов (структуры и свойств материалов, конструкции элементов и узлов, технологических процессов, внешних воздействий и режимов работы) на состояние элементов и узлов. Известны значительные успехи математической, вероятностной теории надежности, главным образом, в создании методов оценки надежности систем при эксплуатации и методов обеспечения и расчета надежности сложных систем, состоящих из малонадежных элементов (теории резервирования).
Однако особенности разработанных вероятностных методов оценки надежности, обусловленные тем, что показатели надежности не связываются непосредственно с физическими характеристиками элементов и с воздействующими на них факторами, ограничивают применение этих методов при проектировании дизелей, так как основным средством создания надежных дизелей является обеспечение высокой надежности его компонентов.
Решение перечисленных задач надежности дизелей, являющихся сугубо физическими, инженерными задачами, с помощью разработанных вероятностных методов, в частности, расчет надежности элементов дизеля, отрывается обычно от инженерного расчета конструкции, от инженерных конструктивно-технологических методов надежности.
Единственно верное направление дальнейшего развития техники надежности дизелей - это сочетание статистических, вероятностных методов с «глубоким проникновением в физическую сущность процессов, протекающих в изделии» [202].
Для этого необходимо установление непосредственной зависимости основных показателей надежности, во-первых, от физических свойств и параметров материалов и элементов, и, во-вторых, от интенсивности эксплуатационных воздействий с учетом случайного характера величин и процессов. Изучение физических закономерностей изменения свойств и параметров элементов, кинетика процессов, вызывающих эти изменения, представляется особенно важным, если иметь в виду, что существо проблемы надежности заключается, в конечном счете, в изменчивости материалов и элементов во времени при заданных условиях эксплуатации.
Изучение физико-химических процессов, способных привести к отказам, предшествующих появлению отказов элементов, создает возможности научно обоснованного выбора наиболее эффективных конструктивно-технологических путей повышения надежности деталей и узлов дизеля; априорной оценки надежности элементов, отвечающей действительной природе явлений; разработки научно обоснованных методов ускоренных испытаний на надежность, сокращения объема необходимых испытаний; прогнозирования надежности каждого экземпляра элемента или узла на основании исследования его определенных физических свойств.
Оценка надежности дизеля - это очень сложная задача и решать ее можно только постепенно, этапами, каждый из которых включает исследование определенного узла, элемента; установление зависимости между характеристиками надежности элементов и дизеля в целом; оценку надежности дизеля в целом.
Второе направление - это так называемый человеческий фактор. Последние десять лет IMO первостепенное внимание уделяет именно человеческому фактору. Человеческий фактор в обеспечении безопасности эксплуатации судов является определяющим, так как 65 - 90 % аварий и катастроф случаются по причине ошибок человека. В связи с этим подготовка моряков должна начинаться с процесса их образования. Привитие культуры безопасности возможно на ранней стадии формирования специалиста. Возможно энергономическое управление безопасностью: выбор технических решений при проектировании и постройке судна и создание инфраструктуры морской индустрии, направленных на улучшение системы человек-оператор. Однако, анализ аварий и катастроф показал, что одностороннее повышение уровня безопасности только одним из способов приносит неудовлетворительные результаты.
Третье направление - это адекватная реакция на ненадежную работу техники в эксплуатации. Здесь важно правильно определить способы повышения надежности деталей и узлов и агрегатов, показавших недостаточную работоспособность на эксплуатационных режимах. Существенную роль играют финансовые возможности судовладельца, быстрота внедрения этих мероприятий и их эффективность.
На основе теоретических и экспериментальных исследований, выполненных автором на кафедре судовых энергетических установок Дальневосточного технического института рыбной промышленности и хозяйства предложены пути обеспечения безопасной работы главных судовых дизелей судов флота рыбохозяйственного комплекса Дальнего Востока.
Исследования проведены в рамках следующих отраслевых программ: Комплексная целевая программ «Совершенствование технической эксплуатации флота» (КЦП РЕМОНТ) Минрыбхоза на 1982-95 гг.,
Комплексная целевая программ «Промышленное освоение новых и рациональное использование традиционных объектов промысла в шельфовых водах Дальнего Востока» (КЦП Восток) Минрыбхоза на 1986-88 гг., (Проблема 05.30.04. Техническая эксплуатация и ремонт флота).
Диссертация является обобщением результатов теоретических, методологических и прикладных исследований и разработок, выполненных лично автором или при его ведущем участии в Дальневосточном техническом институте рыбной промышленности и хозяйства.
Основной целью диссертационной работы является разработка методологии и технических решений по обеспечению работоспособности главных судовых дизелей в условиях эксплуатации.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. Разработана методология теоретического обоснования выбора режимов работы ГД, обеспечивающих безопасную эксплуатацию.
2. Разработаны технически обоснованные решения, обеспечивающие безопасную работу деталей при техническом использовании ГД.
3. Разработаны технические решения по контролю работы ГД.
4. Разработаны методические решения по человеческому фактору в части обеспечения безопасной эксплуатации ГД.
Автор защищает совокупность результатов, позволяющих обосновать и рекомендовать к практическому использованию технологию эксплуатации главных судовых дизелей, при которой обеспечивается его заданная вероятность безотказной работы на эксплуатационных режимах, в том числе:
1. Возможность выбора режима работы главного судового дизеля по заданной вероятности его безотказной работы.
2. Способы обеспечения работоспособности главных судовых дизелей в условиях эксплуатации.
3. Приборные средства контроля рабочих параметров в пределах, обеспечивающих безотказную работу двигателей.
4. Учебно-методические технологии подготовки персонала способного обеспечить безопасную эксплуатацию двигателей.
Диссертационная работа содержит совокупность основных результатов, выводов, предложений и рекомендаций, полученных в результате проведенного комплекса теоретических и экспериментальных исследований.
1. Разработаны научные и практические основы эффективных технологий обеспечения безопасной эксплуатации ГД.
2. Исследованы особенности возникновения опасных разрушающих факторов в наиболее ответственных деталях двигателя и установлены закономерности их развития на эксплуатационных режимах.
3. Предложены и экспериментально обоснованы методы расчета основных деталей по разработанным моделям.
3. Эксперименты на лабораторных стендах, тренажерах СЭУ, судах флота рыбохозяйственного комплекса с применением новых технических решений, разработанных автором, подтвердили целесообразность их использования.
Исследования, обобщенные в диссертации позволили, разработать:
- технические проекты модернизации пропульсивных комплексов судов типа «Тарханск», «Алмазный берег», которые внедрены на судах данных серий в ОАО «Востоктрансфлот»;
- технические проекты модернизации и ремонта цилиндровых втулок главных двигателей 5RD68, которые выполнены на ряде судов типа «Тарханск» ОАО «Востоктрансфлот»;
- технические усовершенствования поршней главных двигателей 6ДКРН 45/120-7, которые внедрены на ряде судов типа «Бухта Русская» ОАО «Востоктрансфлот»;
- конструкции средств оперативной диагностики рабочего процесса: система «Дизель-тест» на базе персонального компьютера, внедрена и используется в НКПФ «Браво» в гор. Владивостоке, система ИВК -Д-0020 на базе микроЭВМ, которая была внедрена на судах ОАО «Востоктрансфлот» типа «Бухта Русская», устройство повышенной точности измерения -электронный максиметр-пиметр, которые внедрены на судах ОАО «ТУРНИФ» гор. Владивосток, ОАО НБАМР гор. Находка, р/к «Прибрежный» Сахалинская область.
- компьютерная программа подготовки и проверки знаний судомехаников перед направлением на суда, которая внедрена в на 9 предприятиях, в том числе Мурманская государственная морская академия, Сахалинский облрыбакколхозсоюз, Владивостокский морской колледж, Новосибирский институт инженеров водного транспорта, ГМА им. адм. СО. Макарова (г. С.-Петербург), Новороссийская государственная морская академия, ПКВИМУ (г. Петропавловск-Камчатский), ДВГМА им. адм. Г.И.Невельского, ВВМИУ им. Ф.Э. Дзержинского (г. С.-Петербург), Дальрыбвтуз,
В процессе исследований на электромагнитный смеситель, рекомендованный к применению в новой системе топливоподготовки, получено авторское свидетельство (А.с. № 1165450), запатентована компьютерная программа (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 970530).
Диссертация прошла апробацию на следующих конференциях: Всесоюзной научно-технической конференции «Перспективы развития комбинированных двигателей новых схем и топлив» (Москва, 1987 г.), Всесоюзной научно-технической конференции «Актуальные проблемы развития двигателей внутреннего сгорания и дизельных установок» (Ленинград, 1990 г.), Международной научно-технической конференции «Совершенствование быстроходных двигателей» (Барнаул, 1993 г.), 1-й Тихоокеанской экологической конференции «Инженерные решения проблем экологии прибрежных регионов» (Владивосток, 1994 г.), Международной конференции «Нетрадиционная энергетика и технология» (Владивосток, 1995 г.), 1-st International Congress in Israel on Energy, Power and Motion (Tel Aviv, 1996 у.), 3-d International onference on Engine Room Simulators (Svendborg, Denmark, 1997 y.), 2-й международной конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1997 г.) Международной научной конференции 27-29.09 (Владивосток, 1999 г.), 3-й международной конференции «Проблемы транспорта Дальнего Востока» (Владивосток, 1999 г.), Fourteenth Asian Technical Exchange and Advisory Meeting on Marine Structures 18-21 September (Vladivostok, 2000 y.), 5h International Conference on Engine Room Simulators «Simulator-Aided Education & Training in New Millenium» (Singapore, 2001 y.).
Исследования по созданию математических моделей для расчета работоспособности деталей двигателя использованы при написании единоличного учебного пособия «Автоматизированные расчеты прочности судовых дизелей» Санкт-Петербург, Судостроение, 160 с, допущенного Министерством транспорта РФ в качестве учебного пособия для курсантов и студентов высших учебных заведений морского и речного флота обучающихся по специальности «Эксплуатация судовых энергетических установок». Цикл работ автора по разработке новых информационных технологий обучения направленных на обеспечение безопасной эксплуатации ЭУ был в числе первых удостоенных гранта Губернатора Приморского края в области образования в 1995 г.
Основное содержание диссертации опубликовано в 64 работах, в том числе в 4-х отдельных изданиях, одного авторского свидетельства об официальной регистрации программы, одного авторского свидетельства на изобретение.
Диссертация включает 7 глав, 74 рисунка и 24 таблицы.
В диссертационной работе предложены и исследованы некоторые теоретические и технические решения, позволяющие реально осуществлять эксплуатацию главных судовых двигателей безаварийно, то есть безопасно.
В первой главе рассмотрены основные виды отказов деталей главных судовых дизелей, обуславливающих их аварийные остановки. Рассмотрены проанализированы основные факторы, влияющие на безотказную эксплуатацию двигателей, поставлены задачи по обеспечению работоспособности ГД на эксплуатационных режимах, показаны роль и место исследований автора.
Во второй главе на основе методов теории вероятностей и математической статистики, а также большого статистического материала разработаны математические модели распределения нагрузок ГД и их цилиндров при эксплуатации в условиях Дальнего Востока.
В третьей главе с использование метода конечных элементов и экспериментальных данных установлены закономерности возникновения опасных факторов в деталях Ці 11 дизеля.
В четвертой главе на основе экспериментальных исследований на судах установлены факторы, вызывающие дополнительные напряжения и разработаны математические модели для них.
В пятой главе проанализировано влияние человеческого фактора при эксплуатации ГД на появление отказов в деталях, ограничивающих камеру сгорания - поршнях, крышках, втулках цилиндра.
В шестой главе разработаны математические модели плотности распределения опасных факторов на эксплуатационных режимах. Приведена методика расчета показателей безотказности на основе разработанных моделей и результаты расчета по данной методике в сопоставлении со статистическим экспериментом. Приведена методика решения обратной задачи - определения допускаемых значений опасных факторов по результатам эксплуатационных испытаний.
В седьмой главе приведены разработанные и внедренные мероприятия по выбору технически обоснованных режимов эксплуатации и мероприятия по модернизации конструкции деталей ЦПГ, предназначенные обеспечить безопасную эксплуатацию судовых дизелей. Приведены результаты эксплуатационных испытаний. Приведены мероприятия, рекомендованные к использованию в условиях эксплуатации, касающиеся водообработки системы охлаждения ГД, топливоподготовки системы тяжелого топлива ГД. Приведены результаты экспериментальных исследований по ним и методика ускоренного получения результатов при лабораторных испытаниях. Приведены разработанные и внедренные технические средства по оперативному контролю работы двигателя с целью обеспечения его работоспособности и методики их использования. Приведены новые технологии повышения качества подготовки специалистов с уклоном на безопасную эксплуатацию судовых двигателей.
Человеческий фактор в судовых авариях
Установлено, что 80 % всех аварийных происшествий на судах происходят по причине человеческих ошибок [137]. Человеческие и организационные факторы при проектировании, изготовлении конструкции, техническом обслуживании и особенно менеджменте оказывают влияние на человеческие ошибки на уровне эксплуатации. В сфере, где важность всеобщего качественного менеджмента является превалирующей, важно помнить, что качество и безопасность взаимосвязаны [230].
Институт экономики судоходства в Бремене (Германия) считает, что главной причиной ошибок судомехаников является неадекватность и недостаточность их профессиональных знаний и мастерства, так же как и чрезмерная рабочая нагрузка моряков, особенно при стоянке в порту.
Анализ инцидентов на флоте, проведенный UK&P Club, установил следующие их причины: ошибки судоводителей - 25 %; ошибки судомехаников - 2 %; ошибки экипажа - 17 %; ошибки береговых служб -14 %; ошибки лоцманов - 5 %; отказы оборудования - 8 %; поломки корпуса- 10 %; другие причины - 14 % [230].
Следует отметить малую долю ошибок судомехаников. Это объясняется их подготовкой, ориентированной как на профессиональные обязанности по поддержанию надежности технических средств, так и на использование безопасных алгоритмов эксплуатации.
В отношении судомехаников многие годы существовало недопонимание их влияния на безопасную эксплуатацию судов. Например, в противоположность судоводителям, IMO не считает тренажерную подготовку судомехаников обязательной.
В то же время анализ многих инцидентов на морских судах, независимо от причин, по которым они произошли, показывает, что их развитие и завершение с положительным или отрицательным результатом, включая потерю судна, в итоге зависели от способности машинной команды обеспечить работоспособность главного двигателя, чтобы продолжить движение судна. Пока гребной винт вращается живучесть судна остается.
Человеческий организационный фактор по существу является человеческим фактором с добавленным акцентом на организационную и управленческую практику судовладельца в той мере, как они связаны с безопасностью внутри организации. Повторение факта, что человеческие ошибки являются причиной большинства морских происшествий, становится тривиальным. Неоднократно морские катастрофы объективно созданные ошибкой человека побуждали изменение законодательных требований к судам, тогда как человек, который был причиной аварии, в сущности, игнорировался. Двойное дно и тройное дно не спасли танкер «Exxon Valdez» от выброса на берег и последующей экологической катастрофы.
Президент Американского Бюро Судоходства прокомментировал последние тенденции судостроительной индустрии так: «Многие годы была тенденция в морской индустрии рассматривать проблемы инженерии или оборудования. Рассматривалась возможность производить неломаемые конструкции, свободное от аварий оборудование. К сожалению, много законов и. правил продолжают неправильно включать в себя концепцию акцента на оборудование и изыскивают улучшения конструкции и инженерии как предпочтительный ответ высокой степени риска морских происшествий» [210].
Вместе с тем почти во всех анализах и исследованиях морских катастроф делается вывод, что человеческие ошибки были их причиной более чем в 80 % морских происшествий;
Большинство причин человеческих ошибок в морских происшествиях классифицируются в пять групп [218]: - управление и контроль - ошибочные стандарты, законодательство, неадекватное взаимодействие и координация; - состояние оператора - невнимательность, беспечность или усталость; - рабочая среда - плохая конструкция оборудования, опасная окружающая среда; - принимаемые решения - плохие суждения и неадекватная информация; - знания - неадекватные общие технические знания, отсутствие опыта.
Считается, что четыре основных фактора постоянно присутствуют при происшествиях: - отсутствие возможности провести исследования первоисточника происшествий; - недостаток в идентификации и систематическом анализе операций высокого риска; - недостаток в идентификации, разработке и применении эффективных мер по предотвращению специфической человеческой ошибки; - отсутствие в морской индустрии коллективного анализа проблем, долевого анализа и долевых изучаемых уроков.
Следует отметить сложность событий человеческих ошибок при оценке широкого ряда таких ошибок в сложных социально-технологических системах. Типичные проблемы человеческой ошибки и непредвиденные последствия технологии являются следующими [229]: - несоответствующая реакция антагонистическим условиям среды, при перенасыщенности и беспорядочности информации; - корректирующая деятельность управлением часто слишком узка, так что фундаментальные ошибки происходят снова; - ошибки из-за пропусков и неверных назначений инициируются неадекватной информацией и/или ситуационными факторами, т.е. стресс, усталость или чрезмерная переработка; - несоответствующая подготовка личности, использующей системы или устройства, отсутствие систематических методов для смягчения ошибок при их возникновении; - отсутствие нужных людей в нужное время.
Идентификация ошибок, понимание типов ошибок и их причин и механизма весьма существенно. Знание этих вопросов необходимо, для того чтобы решить какие ошибки можно предупредить и минимизировать посредством эффективного обучения и тренажа. Невозможно предсказать каждое потенциально негативное воздействие человека на процессы и неопределенную вариацию возможных ответов человека.
Анализ человеческих ошибок помогает идентифицировать уязвимость процессов в СЭУ человеческому фактору.
Человеческий фактор в уравнении безопасности весьма нов в морской индустрии и его изучение движется в правильном направлении. Он исходит из понимания того, что многие аварии можно было бы избежать, если бы расчетливый подход был бы взят к человеческому фактору в уравнении безопасности. Это можно рассматривать как программное обеспечение. Многие жизни были бы спасены и огромные финансовые средства можно было бы не инвестировать в капитальные проекты, если бы больше внимания было уделено человеческому фактору.
Обоснование выбора критерия согласия эмпирического и теоретического законов распределений нагрузок главных двигателей
Для проверки согласия выборочного распределения статистик S„S2,...,S3 с теоретическим распределением можно применить какой-либо стандартный критерий, например критерий Пирсона х\ критерий Колмогорова и Смирнова Dn, критерий Реньи Re, критерий Мизеса а2 [14]. Рекомендуется выбор критерия осуществлять исходя из гипотез, конкурирующими с основной гипотезой, по которой исходные величины независимы и одинаково нормально распределены с независимыми параметрами.
Для того, чтобы выводы не зависели от неизвестных теоретических распределений и, в частности, от их параметров, необходимо воспользоваться непараметрической статистикой, то есть критериям, статистики которых представляют собой функционалы от разности функций эмпирического и теоретического распределений. Они требуют больше затрат вычислительной работы, но обладают наибольшей мощностью при проверке нулевой гипотезы, которая гласит «Если функция теоретического распределения достоверно неизвестна то высказывается гипотеза, что ей является некоторая заданная нами функция, непрерывного распределения, не содержащая неизвестных параметров». Формально это записывается так: Для анализа рассмотрим ряд следующих критериев. Критерий Колмогорова. Статистика критерия задается формулой:
В таблицах заданы значения функции распределения Колмогорова К(у) случайной величины V« Dn при п-хх . Тогда при использовании звестных таблиц [14], табличное значение следует разделить на 4п и сравнить с расчетной статистикой.если весовая функция:
Критерий Мизеса a2. Критерии Колмогорова, Реньи основаны на том, что «расстояние» между гипотетическим и истинным распределениями выражаются в равномерной метрике. За расстояние принималось экстремальное значение «взвешенной» разности. Если же воспользоваться квадратичной метрикой, то для проверки гипотезы Нд применяется критерий Мизеса статистика, которого выражается формулой:
Доказано, что существуют предельные распределения статистики ий ;[14]. Второй особенностью этого критерия является то, что для сравнения берется интеграл квадратичных разностей, а не единичное значение как в первых двух случаях.
Особенностью критерия является то, что используется квадратичная метрика отклонения и весовая функция. Существенным недостатком этого критерия является то, что в области малых значений F(x) величина может оказаться очень большой, что приведет в итоге к неверным выводам.
Критерий согласия сумма квадратов разности S2. Предлагается использовать как критерий согласия статистику, которая определяется как сумма квадратов отклонений: Критерий согласия весовая сумма квадратов разности со. Предлагается использовать как критерий согласия статистику, которая определяется как сумма произведения квадратов отклонений на значимость:
Для оценки возможности использования вышеприведенных критериев согласия выполнено специальное исследование.
Оптимальный критерий согласия выбирался исходя из условия обеспечения минимизации целевой функции. В качестве целевой функции принималась погрешность определения норматива расхода топлива с использованием теоретического распределения нагрузки по сравнению с использованием эмпирического распределения нагрузки.
Норматив расхода топлива определялся исходя из функциональной зависимости расхода топлива от нагрузки и функции распределения нагрузки по формуле Функциональная зависимость расхода топлива от нагрузки -топливная характеристика, в аналитической форме, как правило, представляется полиномом второго порядка [57,207]: где G0 - часовой расход топлива при номинальной нагрузке, кг/час, А,В, С- коэффициенты полинома, N - относительная нагрузка двигателя.
Расчет температурных полей деталей ЦПГ
При расчете температур деталей ЦПГ судовых дизелей применялся метод конечных элементов (МКЭ) [203]. В качестве исходных данных применялись граничные условия третьего рода. Результаты расчета температурных полей основных деталей ЦПГ ряда главных судовых МОД приведены на рис. 3.4-3.9. Рис. 3.4. Температурные поля цилиндровых втулок: а) двигатель 5RD68, РІ= 0,89 МПа; б) двигатель 6ДКРН45/12-7, Р,= 1,3 МПа Погрешность расчета температур по МКЭ зависит в основном от точности задания граничных условий. Для того, чтобы оценить правильность подхода к заданию граничных условий было выполнено сопоставление результатов расчета температурных полей цилиндровой втулки двигателя 5RD68 с результатами экспериментальных измерений выполненных на ГД т/х «Ленинская гвардия» и т/х «Тарасовск» при п = 144 мин"1 и JV,= 3980 кВт. Экспериментальные измерения с огневой стороны проводились с помощью хромель-копелевых термопар и прибора КСП-4. С наружной стороны втулки измерения выполнялись с помощью электротермометра ЭТП-М с поверхностной термопарой пленочного типа класса точности 2,5. При этом было установлено, что расхождение расчетных значений и экспериментально измеренных температур цилиндровой втулки в отдельных точках составляет не более 3,7 %. Это подтвердило правильность примененной схемы задания граничных условий.
Как явствует из исследований, на режиме номинальной мощности значения температур на огневой поверхности цилиндровых втулок могут превышать допустимые значения как по условию работоспособности чугуна (400 С), так и по условию нагаро- и лакообразования. Например, у цилиндровой втулки двигателя 5RD68 максимальная температура достигает 430 С, в районе верхней мертвой точки первого поршневого кольца температура составляет 250 С. У двигателя 6ДКРН 45/120-7 максимальная температура не превышает 325 С, а на значительной части огневой поверхности составляет 250-260 С. То есть втулка цилиндра двигателя 6ДКРН45/120-7, имеющего существенно более энергонапряженный рабочий процесс имеет максимальные температуры ниже допустимой. Одновременно цилиндровая втулка не обеспечивает нормальные условия для работы смазочного масла с точки зрения нагаро- и лакообразования.
В отличие от двигателя 5RD68 цилиндровые втулки двигателя 6ДКРН45/120-7 имеют специальные сверления в верхней утолщенной части для прохода охлаждающей жидкости. Эта конструктивная особенность позволила удержать максимальную температуру втулки в допустимых пределах, несмотря на значительное форсирование рабочего процесса.
Температурные поля поршней двигателя 6ДКРН45/120-7 и двигателя K9Z60/105E на режиме номинальной мощности приведены на рис. 3.5. Как видно из рис. 3.5 максимальная температура поршня двигателя 6ДКРН45/120-7 составила 464 С и не превышает значений, при которых образуется окалина и происходит его прогорание. Для района первого поршневого кольца температуры находятся на границе критического значения для смазочного масла без присадок. Это свидетельствует о вероятности интенсивного нагарообразования. На охлаждаемой поверхности в районе сопряжения днища и боковой части имеются места, где температура превышает критическое значение 210 С для охлаждающего масла. Таким образом, в эксплуатации возможно появление лаковой пленки и ухудшение теплоотвода от района над первым поршневым кольцом. Эти расчеты косвенно подтверждаются данными из эксплуатации. За весь период эксплуатации (более 13 лет) шести судов типа «Бухта Русская» практически не было случаев из строя поршней из-за прогорания. Одновременно имели место весьма частые случаи отказов поршней из-за повышенного износа кепа первого поршневого кольца. Рис. 3.5. Температурные поля поршней: а) двигатель 6ДКРН45/120-7, Рг=1,3 МПа; б) двигатель K9Z60/105E, Р(=1,07 МПа.
Максимальная температура поршня двигателя K9Z60/105E на режиме номинальной мощности достигает 625 С. Это превышает допустимое значение для материала поршня (500 С). Для района первого поршневого кольца температуры превышают критическое значение, то есть возможно интенсивное нагарообразование. Эти результаты косвенно подтверждаются данными из эксплуатации. За обследованный период эксплуатации (более 20 лет) десяти судов типа «Алмазный берег» одним из основных видов отказов поршней были прогорания. Наиболее часто встречающимся видом повреждений был повышенный износ кепа первого поршневого кольца. Как видно из рис. 3.6 максимальная температура крышки не превышает допустимого значения. В эксплуатации прогораний днищ крышек цилиндров не было ни одного случая. Для определения допустимой нагрузки двигателя изучено влияние среднего индикаторного давления на температуру в характерных точках деталей цилиндропоршневой группы. Результаты расчетно-экспериментальных точек представлены на рис. 3.7-3.9. Результаты
Приборы измерения колебаний и схема их подключения
Для замера колебаний цилиндровых втулок был изготовлен датчик емкостного типа. Конструкция датчика приведена на рис. 4.1. Корпус датчика (1) изготовлен из латуни. Он же одновременно выполняет функции экранирования от воздействия помех. Внутри корпуса размещается изолирующая эбонитовая втулочка (2), на которой установлена пластина (3), выполненная из латунной фольги, являющаяся чувствительным элементом. Для изоляции от влаги и повышения жесткости чувствительный элемент датчика покрыт тонким слоем эпоксидной смолы (4). Для съема сигнала к пластине (3) припаивается выводной кабель (5).
Для регистрации давления в цилиндре (индикаторной диаграммы) использовался емкостной датчик 9051 фирмы «Диза электроник». Усиление сигналов, поступающих с емкостных датчиков (давления, колебаний), осуществлялось усилителем 51В02 фирмы «Диза электроник». Для отметки верхней и нижней мертвых точек (ВМТ и НМТ) использовался датчик индуктивного типа конструкции МАИ. Запись сигналов осуществлялась светолучевым осциллографом Н041У4.2 или самописцем WX4402 фирмы «Ватанабе». Для проведения измерений датчики давления, колебаний и отметчик ВМТ и НМТ устанавливались на двигатель и подключались к аппаратуре. Схема установки и подключения датчиков показана на рис. 4.2.
Датчики колебаний (1, 2) устанавливались в верхней части блока цилиндров на расстоянии 346 мм от верхнего посадочного пояса и 392 мм от нижнего пояса, т.е. равноудалено от боковых опор.
Датчики крепились так, что были жестко связаны со станиной и блоком цилиндров двигателя. Расстояние от торцовой поверхности штуцера, жестко связанного с втулкой цилиндра, до датчика устанавливалось равным 0,5 мм. Положение датчика фиксировалось контргайкой. Сигнал с датчика подавался на усилитель, а затем на записывающий прибор.
Тарировка датчика давления осуществлялась при помощи устройства, состоящего из емкости, имеющей подвод и выпуск воздуха, а также штуцеры для подключения манометра и датчика давления. Тарировка осуществлялась следующим образом. В емкость подавался воздух давление которого контролировалось по манометру. Сигнал с датчика усиливался и подавался на записывающий прибор
Одним из основных вопросов при оценке амплитуды колебаний была тарировка датчиков колебаний. Возможно применение статической или динамической тарировки. При этом динамическая тарировка сложнее, но достовернее, чем статическая. В работе применялась динамическая тарировка. Для этого было изготовлено специальное устройство [123]. Проведенные записи при различных амплитудах, частотах и зазорах и на разных датчиках позволили установить зависимости между фактической амплитудой и графической записью и тем самым достоверно расшифровать осциллограммы.
Было установлено, что технология изготовления датчиков не обеспечивает стабильности их характеристик и поэтому необходима индивидуальная тарировка каждого датчика. По результатам тарировки были построены графики, с использованием которых определялись реальные амплитуды по графическим записям регистрирующего прибора. Погрешность возникала из-за неточности установки зазора или его изменением в процессе прогрева дизеля. Выполненная с использованием разработанных графиков оценка установила, что погрешность в определении реальной амплитуды при изменении зазора 8 на ±10 % находилась в пределах 3-7 Для записи колебаний усилитель балансировали перед записью, либо переключали на измерение только переменной составляющей для исключения дрейфа нуля. На рис. 4.3 приведены осциллограммы колебаний втулки цилиндра двигателя 5RD68, измеренных двумя датчиками, индикаторная диаграмма и отметки ВМТ и НМТ на режиме номинальной мощности. Представленные осциллограммы свидетельствуют о четко выраженном периодическом характере колебаний, жестко связанным с периодом рабочего цикла.
При движении поршня от НМТ втулка отклоняется влево (на левый борт), достигая смещения 0,05 мм при 30 п.к.в. за НМТ и затем движется вправо (на правый борт), переходя через нейтральное положение около 90 п.к.в. за НМТ. Максимальное отклонение вправо имеет место примерно около 45 п.к.в. до ВМТ и достигает 0,1 мм. Затем происходит резкое отклонение втулки влево вслед за ростом давления в цилиндре. Примерно за 6 п.к.в. до ВМТ достигается максимум равный 0,1 мм. Далее поршень движется от ВМТ к НМТ и втулка снова отклоняется вправо на амплитуду 0,02 мм примерно при 56 п.к.в. за ВМТ. При дальнейшем движении поршня к НМТ происходит отклонение втулки влево, нейтральное положение втулка проходит примерно при 90 п.к.в. за ВМТ. Таким образом, за период рабочего цикла втулка совершает два полных колебания с переменной амплитудой. Максимальное отклонение от нейтрального положения вправо и влево примерно одинаково.
Осциллограмма колебаний, записанная датчиком (2), показывает, что при работе двигателя имеют место колебания в плоскости качания шатуна. Например, если датчик правого борта фиксирует отрицательное отклонение (кривая идет вверх относительно нулевой отметки), то одновременно датчик левого борта фиксирует положительное отклонение (кривая «зеркально» идет вниз относительно нулевой отметки). Следовательно, датчики регистрируют не осесиметричную деформацию втулки под действие давления газов при вспышке, а ее поперечные колебания. Первый пик колебаний I после НМТ - отклонение на левый борт -происходит вследствие удара поршня о втулку при перекрытии им продувочных окон. Продувочные и выхлопные окна расположены со стороны правого борта.
