Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Состояние вопроса и задачи исследования 10
1.1 Эффективность работы двигателя внутреннего сгорания в зависимости от технического состояния 10
1.2 Методы оценки технического состояния ДВС 18
1.3 Оценка технического состояния ДВС по выходным параметрам 30
Выводы по главе 32
ГЛАВА 2 Интегральные показатели для оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания
2.1 Выбор оптимальных диагностических параметров 33
2.2 Определение информативной области для измерения мгновенных значений параметров рабочего процесса цилиндра 36
2.3 Влияние параметров рабочего цикла двигателя на выходные характеристики 38
2.4 Анализ характеристик вращательного движения коленчатого вала и создаваемого крутящего момента от каждого цилиндра 47
Выводы по главе 53
ГЛАВА 3 Методика экспериментальных исследований 54
3.1 Выбор датчиков для измерительного комплекса 54
3.2 Обработка сигнала 56
3.3 Выбор оборудования для изготовления устройства измерения углового ускорения 57
3.4 Разработка математического аппарата для измерения характеристик вращения коленчатого вала ДВС 59
3.5 Подготовка и обработка данных с помощью математического аппарата 62
3.6 Методика экспериментальных исследований 72
3.6.1 Получение априорных данных 72
3.6.2 Получение априорных данных на многоцилиндровом двигателе 76
3.6.3 Проведение экспериментов с ДВС 78
Выводы по главе 85
ГЛАВА 4 Результаты экспериментальных исследований .. 87
4.1 Применение измерительного комплекса с программным обеспечением для диагностики ДВС в сравнительных испытаниях 87
4.2 Сравнение результатов измерения эффективной мощности ДВС и величин углового ускорения коленчатого вала 89
4.3 Применение измерительного комплекса на многоцилиндровых ДВС в эксплуатационных условиях 98
4.3.1 Двигатели с принудительным воспламенением 98
4.3.2 Применение измерительного комплекса на восьмицилиндровом ДВС .
4.3.3 Применение измерительного комплекса на шестицилиндровом судовом ДВС
4.4 Оценка экономической эффективности внедрения диагностирования судовых двигателей во время эксплуатации 107
Выводы по главе 110
Заключение 112
Список литературы
- Оценка технического состояния ДВС по выходным параметрам
- Определение информативной области для измерения мгновенных значений параметров рабочего процесса цилиндра
- Разработка математического аппарата для измерения характеристик вращения коленчатого вала ДВС
- Применение измерительного комплекса на многоцилиндровых ДВС в эксплуатационных условиях
Введение к работе
Актуальность темы исследования. В настоящее время парк судов в
России достаточно многообразен по типам, производителям и срокам
эксплуатации. Эксплуатируемые судовые двигатели были разработаны в 50 –
70х гг. XX в. и в настоящий момент являются морально устаревшими и
физически изношенными. Согласно Транспортной стратегии развития до 2030
года предполагается строительство новых судов и реконструкция
эксплуатирующихся судов внутреннего сообщения, в том числе будет произведена модернизация энергетических установок.
Эффективность работы двигателей внутреннего сгорания судов зависит от технического состояния узлов и систем, а выходными показателями, описывающими частично или полностью его техническое состояние, являются: эффективная мощность, крутящий момент, часовой и удельный расход топлива в номинальном режиме, вибрационное ускорение и вибрационная скорость элементов судовых энергетических установок.
Проектирование и внедрение новых диагностических комплексов
позволяет повысить не только экономичность судовых дизелей, но и повысить
безотказность судов в целом за счет своевременного обнаружения выхода
рабочих параметров судовых энергетических установок за пределы
нормируемых значений. Поскольку двигатель внутреннего сгорания
обеспечивает надежную и безаварийную эксплуатацию судна в целом, то крайне важно определять его техническое состояние в процессе эксплуатации, тем более что доля отказов, приходящихся на двигатель, составляет от 25 до 40 %. На основании вышеизложенного, разработка метода оценки технического состояния судового двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях является актуальной задачей.
Степень разработанности. Разработке методов оценки технического состояния судовых энергетических установок и транспортных дизелей посвящен большой ряд исследований, которые провели: С.П. Глушков, С.В. Викулов, В.И. Бельских, И.П. Терских, В.М. Лившиц, И.П. Добролюбов, В.В. Альт, С.С. Куков, В.Н. Жеглов, Ю.В. Гармаш, А.А. Отставнов, А.С. Гребенников, С.А. Пальтов, А.Ю. Коньков и другие учные. Однако оценка общего технического состояния судового дизельного двигателя внутреннего сгорания в эксплуатационных условиях не получила в этих работах широкого освещения. Большая часть работ направлена на оценку технического состояния двигателя путем частичной разборки дизельного двигателя, которая зачастую требует выполнения тестовых воздействий.
Объектом исследования является судовой двигатель внутреннего сгорания, работающий на минимально устойчивой частоте вращения в эксплуатации.
Предметом исследования являются рабочие процессы судовых двигателей внутреннего сгорания.
Цель диссертационной работы – оценка общего технического состояния судового двигателя внутреннего сгорания безразборным методом.
Для достижения поставленной цели исследования необходимо решить следующие задачи:
-
Провести анализ основных факторов, влияющих на техническое состояние двигателя.
-
Выполнить обзор существующих методов оценки технического состояния дизельных двигателей.
-
Исследовать зависимость между протекающим рабочим процессом и характеристиками вращательного движения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
-
Определить информативную область характеристик вращательного движения коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
-
Разработать методику оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания для постановки технического диагноза.
-
Разработать диагностический комплекс для измерения значений углового ускорения коленчатого вала на минимально устойчивой частоте вращения.
7 Провести апробацию диагностического комплекса.
Научная новизна работы заключается в следующем:
-
Предложен критерий оценки технического состояния судовых двигателей внутреннего сгорания по амплитуде и среднему значению углового ускорения коленчатого вала.
-
Установлена взаимосвязь герметичности камеры сгорания, производительности топливной форсунки и величины углового ускорения коленчатого вала судового двигателя внутреннего сгорания.
-
Разработана методика для оценки технического состояния судового двигателя внутреннего сгорания по неравномерности вращения коленчатого вала в эксплуатационных условиях.
Методы исследования. При выполнении диссертационной работы
использованы классические подходы получения и обработки
экспериментальных данных с использованием программ для ЭВМ. Испытания разработанной методики проводились на различных двигателях внутреннего сгорания, в том числе применяемых на судах, с использованием поверенного и аттестованного измерительного оборудования.
Теоретическая и практическая значимость работы состоит в том, что результаты исследования позволяют:
– на основе разработанного комплекса определять общее техническое состояние судовых и транспортных дизелей;
– использовать разработанный программно-измерительный комплекс и методику при эксплуатации двигателей внутреннего сгорания, отличающихся способом воспламенения топливно–воздушной смеси, осуществления рабочего цикла, смесеобразования, расположением цилиндров и рядом других признаков.
– применять полученные при выполнении работы результаты в учебном процессе преподавания следующих дисциплин: «Техническая диагностика», «Энергетические установки», «Судовые двигатели внутреннего сгорания».
Личный вклад автора заключается в следующем: выполнен анализ
основных факторов, в наибольшей степени влияющих на эксплуатационные
характеристики дизелей; произведена сравнительная оценка способов
определения технического состояния дизелей; разработаны требования к программе для вычисления величин углового ускорения коленчатого вала (свидетельство на программы для ЭВМ № 2013618981 от 20.12.2013 г. и № 2015661686 от 20.12.2015 г.); в изготовлении диагностического комплекса (патент на полезную модель № № RU156202U1 от 10.11.2015 г.); выполнены экспериментальные исследования и проведена апробация измерительного комплекса в соответствии с разработанной методикой.
Положения, выносимые на защиту:
-
Результаты оценки технического состояния двигателя внутреннего сгорания по изменению углового ускорения коленчатого вала дизеля от величины крутящего момента.
-
Определение степени герметичности камеры сгорания, производительности топливной форсунки и величины углового ускорения коленчатого вала судового двигателя внутреннего сгорания.
-
Разработанная методика в составе алгоритма и измерительного оборудования для оценки общего технического состояния судового двигателя безразборным способом при измерении и математической обработке сигнала инкрементального энкодера.
Реализация работы. Основные результаты диссертационного
исследования используются:
– ООО «Технические решения» (г. Новосибирск) при техническом диагностировании дизельных двигателей;
– в учебном процессе, осуществляемом в ФГБОУ ВО «СГУПС»,
следующих специальностей и направлений: 23.05.01 «Наземные транспортно–
технологические средства» (специализация «Подъемно–транспортные,
строительные, дорожные средства и оборудование»); 23.03.03 «Эксплуатация
транспортно–технологических машин и комплексов» (профили – «Сервис
транспортных и транспортно–технологических машин и оборудования» и
«Автомобили и автомобильный сервис») при изучении дисциплин
«Техническая диагностика» (бакалавры); «Техническая эксплуатация
автомобилей» (бакалавры); «Энергетические установки Т и ТТМО» (магистры); «Современные и перспективные методы технической диагностики» (магистры).
Апробация работы. Основные результаты исследования доложены на
VII Всероссийской научно–технической конференции
«Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 2010 г.); XIV Международной
научно–практической конференции «Современные технологии в
машиностроении» (г. Пенза, 2010 г.); IX научно–технической конференции «Наука и молодежь ХХI века» (г. Новосибирск, 2011 г.); XI научно– технической конференции «Наука и молодежь ХХI века» (г. Новосибирск, 2012 г.); Международной научно–практической конференции «Инновационные факторы развития Транссиба на современном этапе» (г. Новосибирск, 2012 г.); II Всероссийской научно–практической конференции с международным
участием «Состояние и перспективы развития социально–культурного и технического сервиса» (г. Бийск, 2014 г.), XI Международной научно– технической конференции «Политранспортные системы» (г. Новосибирск, 2016 г.).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе три работы в изданиях, внесенных в перечень ВАК РФ, одна работа – в зарубежном издании.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, изложена на 129 страницах машинописного текста и содержит 71 рисунок, 17 таблиц, список литературы из 114 наименований.
Оценка технического состояния ДВС по выходным параметрам
Известно, что каждый узел машины имеет определенный ресурс работы, по достижении которого агрегат или узел подлежит замене или восстановлению работоспособности (рисунок 1.1). Для поддержания работоспособного состояния судна или машины применяются различные способы, такие как резервирование систем, заявочное диагностирование узлов и механизмов, плановое диагностирование и дальнейшее проведение технических воздействий [50,108]. 1 – кривая безотказной работы; 2 – кривая безотказной работы с резервированием; 3 – кривая безотказной работы при регулярной оценке ТС; – интервал времени между воздействиями на объект; P – уровень вероятности; t – время работы Рисунок 1.1 – Кривые безотказности оборудования Для современной машины незапланированный простой недопустим, поэтому применяются различные методики определения остаточного ресурса и различные способы восстановления работоспособности после проведенной диагностики [74]. Современная система проведения технических воздействий предполагает предварительную диагностику для определения фактического состояния объекта. Диагностирование ДВС часто оценивается в эксплуатационных условиях, и вести непрерывный мониторинг изменения технического состояния (ТС) ДВС нет возможности. В настоящее время такие системы технического обслуживания ДВС, как планово–предупредительная и контрольно–профилактическая, редко применяются к современной технике, чаще происходит заявочное определение ТС и его оценка при отказе [52]. При таком подходе снижение уровня (частоты) внезапных отказов невозможно. Предупреждение отказов, их оперативное устранение снижает простои судов по техническим причинам, увеличивает производительность работ, что влияет на сокращение сроков выполнения работ и способствует получению прибыли эксплуатирующими организациями [20,48]. Поэтому диагностирование применяется практически при всех видах технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) ДВС. Таким образом, оценка ТС ДВС позволяет предупреждать отказы, сокращать время простоев судов и, как следствие, влиять на производительность машин и качество работы. Для оценки ТС двигателей в эксплуатационных условиях применяются такие методы как [54]: – оценка компрессии в цилиндро–поршневой группе; – оценка температуры выхлопных газов; – оценка количества картерных газов; – измерение расхода топлива; – измерение давления в топливной системе; – измерение давления в системе смазки; – измерение зазора в сопряжении шатун–шейка КВ; – измерение разницы давления в камерах сгорания; – анализ моторного масла и другие методы.
Приведенные методы не позволяют проводить непрерывный мониторинг ТС, требуют остановки двигателя и не исключают прогрессирования неисправности, а значит возможного отказа. К наиболее часто встречающимся неисправностям, в наибольшей степени влияющим на техническое состояние ДВС, дизельных двигателей (как судовых, так и транспортных), относятся: нарушение герметичности камеры сгорания; износ топливной форсунки (наличие увеличенного количества перетечек, образование гидравлического замка и др.); износ и неправильная регулировка топливных насосов высокого давления и т.д. В первую очередь под влиянием этих неисправностей изменяется в состав топливно–воздушной смеси, и, как следствие, происходит нарушение рабочего цикла, сопровождаемое снижением эффективной мощности, нарушением температурного режима ДВС, наличием несгоревших углеводородов в выпускной системе, повышенной дымностью. Экспериментально установлено, что потеря мощности четырехцилиндрового четырехтактного двигателя с номинальной мощностью 89,7 кВт и крутящим моментом 94 Нм составляет 38 % при отказе одного цилиндра. Такие потери обусловлены нарушением рабочего цикла и отсутствием возможности компенсировать потери мощности в номинальном режиме в силу основных ограничений: отсутствия воспламеняемости топливно– воздушной смеси при недостаточном количестве воздуха, снижения производительности системы подачи воздуха и топливной системы. В соответствии с задачами диссертационного исследования проведен анализ отказов судовых дизелей (рисунки 1.2 и 1.3).
В результате анализа отказов установлено, что в наибольшей степени преобладают износовые отказы и механические повреждения, отнесенные к цилиндропоршневой группе (ЦПГ). Следствием подобного вида отказа чаще всего является отсутствие воспламенения в одном из цилиндров двигателя, что становится причиной нарушения рабочего цикла и существенной потери мощности в номинальном режиме. Установлено, что диагностическими параметрами, свидетельствующими о предотказном состоянии ДВС (или укрупненного узла), его неправильной работе, могут служить изменяющиеся в динамике интегральные параметры: мощность, крутящий момент ДВС, расход топлива, состав отработавших газов [94]. Некоторые из перечисленных параметров, например мощность, связаны с вращающим моментом и угловой скоростью коленчатого вала, вращение которого обеспечивается работой расширения газов в камере сгорания. 1.2 Методы оценки технического состояния ДВС
Исправное ТС двигателя обеспечивает высокий уровень эксплуатационной надежности судна в целом. Необходимость оценки ТС ДВС обусловлена, с одной стороны, стремлением к уменьшению материальных затрат при технической эксплуатации, а с другой — возможностью оперативного управления техническим состоянием [26,31,32,69]. Процессы диагностирования складываются из операций текущего определения технического состояния объекта и прогнозирования технического состояния, в котором объект находился в прошлом. Основной задачей диагностирования является текущее выявление исправности объекта. Прогнозирование технического состояния позволяет определять периодичность диагностирования и гарантировать исправность объекта в предстоящем периоде. Прогнозирование дает возможность определять остаточный ресурс. Диагностирование также позволяет выявить причины аварийных отказов и предотвратить их в будущем.
Существует достаточно много методов диагностирования систем ДВС и ДВС в целом. Основные, применяемые в настоящее время, проклассифицированные по типу средства диагностирования приведены [9,13,27,59,63] на рисунке 1.4.
Определение информативной области для измерения мгновенных значений параметров рабочего процесса цилиндра
Диагностический параметр должен отвечать следующим требованиям: – однозначность; – чувствительность; – стабильность; – информативность; – скорость проведения диагностирования; – удельная стоимость диагностирования; – полнота диагноза; – точность диагностирования. Перечисленные требования к диагностическим признакам являются критериями для их выбора[51,53,106]. При поддержании двигателя в технически исправном состоянии одной из главных проблем является неопределенность во времени диагностирования и выборе основных диагностических параметров. Определение технического состояния ДВС в целом с постановкой заключения «исправен» или «неисправен» возможно при оценке прямых или косвенных диагностических параметров. Наиболее часто используются прямые интегральные показатели диагностирования, такие как мощность, крутящий момент, удельный расход топлива.
Узлы и детали, которые требуют в процессе эксплуатации неоднократных регламентных воздействий, характеризуются неоптимальной периодичностью технического обслуживания. В этом случае отслеживание технического состояния машины является необходимым, в первую очередь, в целях устранения издержек от раннего и позднего обслуживаний [2,27]. При выборе диагностических параметров могут применяться две методики [8,39]. Первая методика основана на оценке эффективности непрерывного контроля и прогнозирования параметров изменения технического состояния путем анализа величины удельных вероятностных затрат, соответствующих реализации предлагаемых технических воздействий. Полученные значения параметров сравниваются с заданными нормативными величинами, после чего принимается решение о целесообразности применения средств дальнейшего (углубленного) диагностирования. Для предупреждения внезапных отказов элементов машин, учитывая несовершенство показателей достоверности существующих методов диагностирования, система контроля, по сути, должна обеспечить превентивное обслуживание с минимизацией издержек. В общем случае при любом значении параметра технического состояния Y, удовлетворяющем условию Y О Y Y П, (2.1) где Y0 и Yn - соответственно начальное и предельное значение параметра ТС Должно выполняться неравенство a c + Y, (2.2) где а издержки, связанные с устранением отказа; c - постоянная составляющая издержек обслуживания; - коэффициент пропорциональности, определяющий переменную составляющую издержек превентивного обслуживания.
Вторая методика выбора диагностических параметров основана на определении приоритетности контроля диагностических параметров. Для этого все обобщенные структурные параметры, характеризующие техническое состояние элементов машины, подразделяются на следующие группы: - параметры, изменение которых приводит к аварийной остановке или к интенсивному износу сопряжений; - параметры, обеспечивающие запуск машины в эксплуатацию; - параметры, влияющие на остаточный ресурс и качество рабочего процесса. При выборе диагностического параметра наиболее важно определить взаимосвязи между структурными и диагностическими параметрами (рисунок 2.1).
Связи между структурными S и диагностическими Д параметрами С точки зрения технического диагностирования ТС наиболее благоприятной связью является вариант А (см. рисунок 2.1), когда одному диагностическому параметру соответствует значения одного структурного параметра. Также можно использовать несколько диагностических параметров, определяющих значение одного структурного параметра (вариант Б на рисунок 2.1). В случае неопределенной связи (вариант В на рисунок 2.1) один диагностический параметр может выступить мерой оценки нескольких структурных параметров. Наиболее неинформативными являются комбинированные связи, при которых на один диагностический параметр имеют влияние несколько структурных (вариант Г на рисунок 2.1). В случае отсутствия или сложности построения изменений параметров технического состояния в процессе эксплуатации необходимость контроля того или иного параметра ранжируется методом экспертных оценок. На первом этапе ранжируется важность контроля отдельных элементов, на втором – конструктивные и неконструктивные параметры, контроль которых необходим для предупреждения аварийной остановки машины, учитывая однозначность, чувствительность, стабильность, информативность диагностического параметра, скорость и точность диагностирования, полноту диагноза. В качестве диагностического показателя для оценки технического состояния ДВС предлагается использовать величины мгновенных значений ускорения коленчатого вала двигателя [65,66,67], так как этот показатель выполняет требования перечисленных выше критериев и является комплексным согласно классификации, показанной на рисунке 2.1. При отклонении значений структурного параметра двигателя неизбежно произойдет изменение и диагностического показателя – значений величины углового ускорения коленчатого вала.
Ранее отмечалось, что двигатель внутреннего сгорания это сложная машина для преобразования одного вида энергии посредством передачи силы расширения газов Pг через КШМ и преобразования этой силы в крутящий момент Tкр (рисунок 2.2). N1 – нормальная сила, Pг – сила давления газов на поршень, Pj – сила инерции, T – тангенциальная сила, R – радиальная сила, Tкр – скручивающий момент, Pш – сила действующая вдоль оси шатуна. Рисунок 2.2 – Силы, передающиеся звеньям КШМ При работе двигателя движение его основных звеньев сопровождается циклическими ускорениями поршня и оси шатунной шейки вследствие расширения газов в камере сгорания, причем наибольшая величина давления на поршень будет зависеть от конструкции ДВС, вида применяемого топлива, атмосферных условий и др. Существует методика для расчета величин давлений на поршень, базирующаяся на известном значении величины pz, которая полученна при проведении теплового расчета и построения индикаторных диаграмм [79,86]. С точки зрения эксплуатации нет необходимости производить тепловой расчет для каждого двигателя учитывая, что величина pz с увеличением наработки ДВС будет снижаться, однако острая потребность в контроле технического состояния двигателя в режиме эксплуатации существует.
Для определения информативной области диагностического показателя Tкр проанализирован график зависимости относительной тангенциальной силы t1 от величины угла поворота коленчатого вала (рисунок 2.3)[91].
Разработка математического аппарата для измерения характеристик вращения коленчатого вала ДВС
Подавляющее число двигателей внутреннего сгорания, которые выполняют работу, является четырехтактными. Все цилиндры совершают рабочий цикл за два оборота коленчатого вала. В зависимости от количества цилиндров неравномерность работы будет меняться: чем меньше количество цилиндров, тем больше неравномерность работы двигателя [55], вызванная увеличением крутящего момента и углового ускорения коленчатого вала. Угловое ускорение будет меняться в течение всего рабочего цикла, так как рабочий цикл в одном цилиндре совершается за два полных оборота, что соответствует углу поворота 720. При этом коленчатый вал ДВС в режиме холостого хода, в среднем, совершает 600 оборотов за 1 мин. или же 10 оборотов за 1 с., т. е. частота колебаний равная 10 Гц. При увеличении скорости вращения коленчатого вала до максимальных оборотов холостого хода (в среднем, 5 000 об/мин или 83,3 об/с), частота колебаний 83,3 Гц.
Согласно теореме отсчетов [43] любой аналоговый сигнал может быть восстановлен с какой угодно точностью по своим дискретным отсчетам, взятым с частотой 2, (3.1) где — максимальная частота, которой ограничен спектр реального сигнала. Если максимальная частота в сигнале превышает половину частоты дискретизации, то способа восстановить сигнал из дискретного в аналоговый без искажений не существует. Соответственно частота дискретизации сигнала для аналого–цифрового преобразователя должна быть не меньше 166,6 Гц для оборотов коленчатого вала, 5 000 об\мин. В зависимости от типа применяемого датчика может потребоваться большая частота дискретизации. Если датчик угловых перемещений будет иметь 360 меток на один полный оборот, то для 5 000 об/мин будет 1 800 000 имп./мин или 30 000 имп./с, в данном случае частота составит 30 кГц. Величина 30 кГц будет применима для работы АЦП с двигателем по одному каналу. Так же необходимо учесть, что для системы измерений углового ускорения необходим датчик синхронизации по моменту начала впрыска для дизельных ДВС или управляющий сигнал индивидуальной катушкой зажигания ДВС с впрыскиванием легких топлив. Учитывая, что впрыск в первый цилиндр дизельного двигателя происходит один раз за два оборота коленчатого вала, несложно вычислить необходимую добавку к частоте дискретизации при частоте вращения 5 000 об\мин. За 5 000 об\мин коленчатого вала произойдет 2 500 циклов подачи топлива в течение одной минуты, или же 41,66 впрысков за 1 секунду, что соответствует частоте 41,66 Гц. Таким образом, частота дискретизации аналого-цифрового преобразователя (АЦП) должна быть не меньше 60 кГц с учетом добавки на каждый канал в зависимости от количества сигналов.
Исходя из требований к диагностическому комплексу и специфики работы двигателя внутреннего сгорания, были выбраны следующие компоненты для изготовления макетного образца [1,45].
В п. 3.1 были подобраны необходимые, обеспечивающие эксплуатацию измерительного комплекса на судовых ДВС с различными системами питания, а так же синхронизацию по первому цилиндру. Далее необходимо провести выбор средств обработки данных и рассмотреть методику преобразования данных с помощью математического аппарата [7,70,93]: – быстродействующий аналого–цифровой преобразователь L-Card E20-10, предназначенный для оцифровки сигналов аналоговых датчиков и программное обеспечение L-Graph, которое позволяет производить запись и сохранение сигналов с датчиков в цифровом виде; – высокопроизводительный портативный персональный компьютер; – радиотехнические компоненты: кабели BNC-BNC, разъемы BNC, разъемы DB9, резисторы, диоды, сигнальные светодиоды, блок питания 220 В переменного напряжения – 12 В постоянного напряжения RS-35-12, пластиковый короб 200х120х90 мм. Эскиз лицевой панели коммутационного оборудования, содержащей радиотехнические компоненты, показан на рисунке 3.1.
Эскиз лицевой панели коммутационного оборудования для измерения углового ускорения 3.4 Разработка математического аппарата для измерения характеристик вращения коленчатого вала ДВС
Измерительный комплекс, показанный на рисунке 3.2, состоит из переносного ПК с программным обеспечением, АЦП L–card Е20–10, энкрементального энкодера Autonics E30 S4–360, оптического датчика Autonics BR100–DDT, распределительной коробки, пьезоэлектрического датчика ПД–4, комплекта проводов для синхронизации. – ноутбук; 2 – аналого–цифровой преобразователь; 3 – энкрементальный энкодер; 4 – оптический датчик; 5 – провода для подключения 3 –го канала; 6 – распределительная коробка.
Основой измерительного комплекса является энкодер Autonics E30 S4–360, имеющий в своем составе оптический диск с количеством меток 360 на один полный оборот. С помощью программы L–Graph, входящей в состав АЦП, производится сбор данных с трех каналов:
Применение измерительного комплекса на многоцилиндровых ДВС в эксплуатационных условиях
Проводилась проверка разработанного программно–измерительного комплекса на двигателе 6ЧН 11/12.7 производства Caterpillar модель C7 marine power (главный дизель малоразмерного судна), который представляет собой двигатель внутреннего сгорания с воспламенением от сжатия, оснащенный системой управления топливоподачи с дифференциацией давления впрыска, гидравлически приводимой в действие и электронно–управляемой форсункой (HEUI ACERT). Выбор этого двигателя обоснован наличием электронной системы управления топливоподачей, включающей в себя наличие датчиков, исполнительных механизмов и электронную регулировку частоты вращения от нагрузки. Необходимость проверки измерительного комплекса на двигателях с электронным управлением топливоподачей обусловлена требованиями IMO, которые предусматривают переоснащение судовых энергетических установок с целью снижения токсичности отработавших газов [34]. Наиболее правильным подходом при выполнении требований IMO является замена двигателей с механической системой управления топливоподачей на двигатели с электронной системой топливоподачи.
Проведены измерения величин углового ускорения в исправном техническом состоянии, а так же при отключении управляющего импульса форсунки первого цилиндра, результаты измерений приведены на рисунках 4.16 и 4.17.
Для данного двигателя характерно высокое быстродействие работы топливной системы, а так же выполнение условия частоты вращения = , поэтому для оценки технического состояния целесообразно воспользоваться значениями амплитуд угловых ускорений коленчатого вала каждого из цилиндров в одном рабочем цикле в сравнении к имеющимся (записанным ранее с этого же двигателя) зависимостям углового ускорения коленчатого вала от времени.
Разработанный программно–измерительный комплекс для оценки технического состояния ДВС в эксплуатационных условиях позволяет определить цилиндр двигателя, который совершает наименьшую работу, а также имеется возможность контролировать техническое состояние двигателя по величине среднего углового ускорения коленчатого вала в одном рабочем цикле. Это дает возможность выявить наличие неисправности на ранней стадии. Принцип выявления неисправности основан на работе системы автоматического регулирования частоты вращения. Система автоматического регулирования частоты вращения любого двигателя выполняет задачу по поддержанию частоты вращения коленчатого вала двигателя: она будет увеличивать топливоподачу при наличии неисправностей, вызывающих нарушение рабочего цикла (например возникновения сопротивления вращению коленчатого вала в виде недостаточного объема смазочного масла). В случае равенства величин углового ускорения, но более высоких показателей амплитуд углового ускорения, чем у однотипных двигателей, существует сопротивление на проворачивание коленчатого вала ДВС, которое может быть вызвано отказом подшипниковых опор валовой линии, отсутствием смазки редукторов, ухудшением охлаждения дизеля (в следствие увеличение трения в камере сгорания) и др.
Обоснование эффективности внедрения различных технических систем определения состояния агрегатов и узлов судовых ДВС можно оценить суммарным эффектом от снижения затрат на эксплуатацию и дополнительных затрат на применение системы оценки технического состояния.
Расчет экономической эффективности необходимо производить для случая внедрения диагностического оборудования в сравнении с отсутствием данных систем на судне. Для корректного сравнения результатов внедрения автором проведен сравнительный анализ расходов существующего и предлагаемого оборудования по функционалу и затратам на его производство, (таблица 4.3). Произведено сравнение рассматриваемого оборудования в данной диссертации с прибором ИМД-Ц для применения на ДВС с классической топливной системой и оборудованием САТ DATA Link для ДВС с электронными системами управления топливоподачи (таблица 4.4). Для последующих серийных образцов диагностического комплекса можно не учитывать объем затрат на программное обеспечение заложив средства на его совершенствование в объеме 2%. При расчете экономической эффективности условно принята сумма затрат на диагностический комплекс 46820 руб.
Снижение затрат на эксплуатацию при внедрении системы оценки технического состояния дизеля достигается за счет снижения расхода топлива, затрат на проведение плановых воздействий ДВС, снижении затрат на расходные материалы и снижения потерь транспортной работы.
Наиболее емкими затратами в эксплуатации ДВС являются затраты на топливо (таблица 4.5). Снижение их доли достигается за счет улучшения технического состояния двигателя в результате применения постоянной оценки технического состояния. По разным источникам оценивается в размере 1% [].