Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Анализ систем технического обслуживания и состояния функциональной надежности элементов судового энергетического комплекса ... 19
1.1 Взаимосвязь процессов эксплуатации и изменения технического состояния , 19
1.2 Стратегии технического обслуживания и ремонта 26
1.3 Состояние функциональной надежности главных судовых дизелей 34
1.4 Состояние функциональной надежности элементов гребного вала 46
1.5 Цель и постановка задачи исследования 50
1.6 Выводы по главе 51
Глава 2. Модели, методы и методики оценивания эксплуатационных качеств 52
2.1 Математическая модель функционирования 52
2.2 Методы построения пропульси вных характеристик 55
2.3 Методика проведения испытаний и обработки статистической информации 60
2.4 Методы и методика оценки функциональной надежности 63
2.5 Методика измерения напряжений изгиба валопровода 70
2.6 Экспериментально-теоретический метод расчета системы гребного вала 72
2.7 Методика расчета технологических параметров валопровода 78
2.8 Выводы по главе 88
Глава 3. Оценивание функциональной надежности элементов судового энергетического комплекса ... 90
3.1 Экспертная оценка влияния работоспособности элементов систем на функциональную надежность главного судового дизеля с использованием метода ранговой корреляции 90
3.2 Оценка функциональной надежности элементов систем главного судового дизеля с использованием фактологической информации 93
3.3 Оценка функциональной надежности элементов главного и вспомогательного судовых дизелей на основе статистических исследований 112
3.4 Прогностические модели безотказной работы главного судового дизеля и его элементов 134
3.5 Выводы по главе 140
Глава 4. Пути повышения эффективности эксплуатации элементов судового энергетического комплекса 141
4.1 Комплекс мероприятий по мониторингу кавитационно-коррозионных разрушений деталей главного судового дизеля 141
4.2 Диагностический контроль, учет технического состояния и нормирование диагностических показателей элементов систем главного судового дизеля 149
4.3 Пути повышения функциональной надежности элементов систем главного судового дизеля 159
4.4 Диагностирование и прогнозирование технического состояния дейдвудных устройств системы гребного вала 165
4.5 Выводы по главе 167
Заключение
Список использованных источников 172
Список опубликованных работ автора по
Разделам диссертации 181
Приложение 184
- Стратегии технического обслуживания и ремонта
- Методы построения пропульси вных характеристик
- Оценка функциональной надежности элементов систем главного судового дизеля с использованием фактологической информации
- Диагностический контроль, учет технического состояния и нормирование диагностических показателей элементов систем главного судового дизеля
Введение к работе
Актуальность проблемы исследования.
В настоящее время для отечественного водного транспорта характерны две особенности. Первая связана с возрождением флота, а вторая с — переходом на новые формы хозяйствования, основанным на законах рыночной экономики. В этих условиях происходит жесткая конкуренция на фрахтовом рынке и, как следствие, обострение проблемы повышения рентабельности судов. Одним из основных направлений ее решения является повышение эффективности ТЭ СЭК с точки зрения рационального управления энергосбережением и топливоиспользованием.
Высокие цены энергоносителей и все более ужесточающиеся требования Международных конвенций по предотвращению загрязнения морской среды, заставляют судовладельцев и конструкторов искать новые решения проблемы повышения использования энергетических ресурсов СЭК в целом и его отдельных элементов. Одним из них является оптимизация использования теплоты за счет оценки располагаемых энергетических потоков и назначения оптимальных, с точки зрения экономичности, режимов работы судового машинно-движительного комплекса (МКД) с учетом реальных и изменяющихся условий плавания. Такой подход требует разработки математических моделей функционирования СЭК, которые в виде комплекса компьютерных программ, позволили бы в режиме реального времени получать величины, определяющие количество вторичных энергоресурсов (ВЭ) на судне с возможностью их глубокой утилизации. Для этой цели требуется решение ряда сложных задач, в частности: разработки методики и получения корреляционных зависимостей, отражающих взаимосвязь параметров работы СЭК с ГД различных типов в реальных условиях их функционирования с величинами располагаемых ВЭ; разработки математических моделей, позволяющих на основе минимального числа данных построить действительные винтовые характеристики, изменяющиеся в связи с условиями технической эксплуатации (ТЭ) и сроком службы судна; получение математических моделей и построение на их основе алгоритмов определения значений составляющих теплового баланса располагаемой теплоты СЭК, учитывающие особенности функционирования его отдельных элементов и параметров окружающей среды; разработки математических моделей, алгоритмов и рабочих программ, позволяющих на борту судна оперативно анализировать и на этой основе назначать наиболее эффективные режимы ТЭ элементам СЭК с целью глубокого использования располагаемой теплоты; получения методик, алгоритмов и прикладных компьютерных программ, позволяющих на отдельных стадиях «жизненного» цикла СЭК (проектировании, технологическом изготовлении, ТЭ, модернизации) провести количественный сравнительный анализ энергетической эффективности их различных вариантов; разработки математической модели, отражающей взаимосвязь степени использования потерь теплоты СЭК с особенностями его функционирования в целом, отдельными элементами и параметрами окружающей среды; проведения экспериментальных исследований работоспособности, адекватности и надежности комплекса компьютерных программ.
В системе мероприятий, направленных на повышение уровня ТЭ СЭК, важная роль отводится диагностированию ТС отдельных элементов СЭК. По оценкам отечественных и зарубежных специалистов, введение в практику их эксплуатации технических средств диагностирования (ТСД) позволяет снизить материальные затраты на ТО в среднем на 20-30%, а ожидаемое снижение расхода топлива при этом может составить 1-2%, вследствие обеспечения работы СЭК в целом в режиме более точного контроля отклонения параметров от расчетной рабочей точки при использовании дополнительной диагностической информации, что обеспечит минимально возможный удельный расход топлива при учете ТС элементов СЭК. Также следует отметить, что регламентные разборки элементов СЭК не дают желаемого результата, так как, например, в период работы между сопрягаемыми деталями и узлами устанавливается другое сочетание размеров и зазоров, определяемое эксплуатационными факторами. Кроме того, последующая сборка приводит к более интенсивному износу повторно в период приработки, что в соответствии с теорией надежности увеличивает интенсивность отказов деталей и узлов элементов СЭК.
К настоящему времени в области практики ТЭ элементов СЭК сложилась ситуация, характеризующаяся тем, что разработки, связанные с повышением надежности не полностью оправдывают себя, не достигнут требуемый уровень безотказности, а применяемые мероприятия не дают ожидаемого эффекта. Одна часть деталей и узлов СЭК отказывает до наступления плановых сроков ремонта, другая часть оказавшаяся в более благоприятных условиях и полностью работоспособная, направляется на ремонт преждевременно, в соответствии с планом. Все это приводит к дополнительным материальным затратам.
Альтернативой сложившейся ситуации и является использование ТСД. Вместе с тем, следует особо отметить, что техническое диагностирование (ТД) станет более эффективным, если оно будет способно заранее предсказать возникновение предотказного состояния элементов СЭК. Только тогда станет возможным так организовать процесс их ТЭ и спланировать ремонтно-профилактические работы, что функционированию судна будет в худшем случае нанесен возможно меньший ущерб. Отсюда следует, что проблема прогнозирования ТС элементов СЭК выходит на первое место.
Эффективность использования топливно-энергетических ресурсов на морском флоте, уровень безопасности плавания и экономические последствия во многом определяются качеством элементов и СЭК в целом.
Обзор тенденций развития ТЭ СЭК в исторической ретроспективе показывает, что эффективность их решения в большей мере определяется взаимным соответствием технологических и информационных процессов. Обеспечение такого соответствия представляется особо важным.
Анализ современного состояния этих проблем показывает, что они решаются на уровне отдельных технических вопросов (экономии топлива и масел, диагностирования ТС различных узлов элементов СЭК и обслуживающих их систем, сокращения трудоемкости ТО и ремонта). Несмотря на широкий уровень исследований, проводимых в этом направлении отечественными и зарубежными специалистами, полностью проблема не исчерпана.
Из многих причин, определяющих это положение, следует в первую очередь выделить противоречие между высокой сложностью и разнообразием элементов СЭК и обслуживающих их систем, многообразием информации об их функционировании и ТС, с одной стороны, и ограниченностью возможностей судовых специалистов для анализа этой информации. В результате, после значительного сокращения численности судовых экипажей и необходимости совмещения профессий палубной и машинной команды эти возможности постоянно уменьшаются.
Кроме того, сложившаяся в нашей стране система ТЭ морского флота и, в частности, СЭК не соответствует условиям работы судоходных компаний при переходе к рыночной экономике.
Одним из условий преодоления этих противоречий является комплексное развитие ТЭ СЭК на базе средств и методов прогрессивных информационных технологий.
В настоящее время накоплен богатый опыт по управлению одним из основных элементов СЭК (ГД — обслуживающие системы), разработаны методы и технические средства, позволяющие оптимизировать отдельные технологические процессы по различным категориям оптимальности. Созданы эффективные системы управления процессами горения. Рассмотрены процессы регулирования расхода воздуха, необходимого для горения, и получены оптимальные условия горения при обеспечении режимов безаварийной работы. Однако, на судах морского и речного флота остаются еще не использованными большие резервы, в частности, экономии топлива и энергии. Полностью не исчерпаны возможности решения проблемы, связанной с информационным и алгоритмическим обеспечением управления функциональной надежностью (ФН) СЭК и его отдельных элементов.
Одним из направлений в системе управления энергосбережением и топливоиспользованием является совершенствование ТЭ СЭК и их элементов на основе оценивания и повышения ФН путем разработки информационного и алгоритмического обеспечения по ее управлению.
Структура системного подхода к решению проблемных вопросов ТЭ СЭК и их элементов (ГД, валопровод, гребной винт) предполагают ряд иерархических уровней, один их которых объединяет большой класс эксплуатационных задач, связанных с эффективностью, качеством работы и обеспечением ФН. Управление ФН элементов СЭК, например ГД (дизель), позволяет не только получить максимальную прибыль, приносимую судном (как транспортной единицей), но и уменьшить потребление не возобновляемых энергетических ресурсов, существенно снизить объем выбрасываемых в атмосферу продуктов сгорания СОх и NOx, повысить качество ТЭ СЭК. Таким образом, необходимость оценки ФН элементов СЭК в процессе их ТЭ и управления ею обусловлена не только решением задач экономического характера, с точки зрения эффективного использования тошгавно-энергетических ресурсов, но и экологического, с точки зрения защиты воздушной среды и водного пространства. Следует отметить, что потеря ходового времени, например, из-за отказов одного из элементов СЭК (ГД-дизель) обходится дороже экономических выгод, которые могут быть получены от форсирования мощности и скорости хода судна.
Возрастающие требования к повышению экономичности перевозок на водном транспорте в период перехода к рыночным отношениям приводят к усложнению элементов СЭК и выдвигают вопросы их ФН на первый план. В связи с этим возникает проблема ее обеспечения, которая является одной из центральных на всех стадиях «жизненного» цикла (проектирование, технологическое изготовление, ТЭ, модернизация).
Важность проблемы оценки ФН и ее обеспечения в сегодняшних условиях обусловлена еще и тем, что СЭК эксплуатируется на сверхнормативной стадии и в значительной степени на большинстве эксплуатируемых судов морально и физически изношен. В этом случае особое значение приобретает ТД, являющееся основным элементом экспертизы состояния ФН. Его эффективность зависит от уровня подготовки обслуживающего персонала, в обязанности которого входит не только умение определять зоны контроля, с точки зрения потенциально опасных узлов и деталей элементов СЭК, но и выбирать методы, средства и объем работ по ТД.
В любом случае элементы СЭК, имеющие низкий уровень ФН, приносят существенный ущерб и, несмотря на это, в процессе их ТЭ существует риск возникновения отказа. Причины могут быть различные, включая и субъективные (конструктора, технолога, эксплуатационника), имеющие определенное количественное соотношение по долям вносимого риска отказа. Таким образом, возникает проблема управления ФН и оценки ее на всех этапах «жизненного» цикла СЭК.
Одним из путей решения задачи в такой постановке является получение достоверной информации, например, путем проведения экспертно-статистических исследований ФН элементов СЭК.
Одна из важнейших, но и трудных задач обеспечения управления ФН элементов СЭК заключается в прогнозировании их ТС в процессе эксплуатации. Ее основу составляет информация о развивающихся отказах, количественных значениях диагностических показателей и их динамики, позволяющая произвести расчет тренда. Его построение дает возможность выявить неисправность на ранней стадии ее развития, установить момент отказа, произвести оценку располагаемого потенциального ресурса, определить сроки профилактических мероприятий и, тем самым, существенно повысить экологическую безопасность.
В общем случае СЭК представляет собой сложную многоуровневую систему, состоящую из разнообразных по сложности и функциональному назначению элементов, но в совокупности выполняющих одну из основных целей - обеспечение безопасности плавания судна при любых эксплуатационных условиях. Поэтому не удается произвести его полное описание. Решение задачи в такой постановке может быть осуществлено с использованием теории иерархических многоуровневых систем (иерархический подход). При этом СЭК, как система, задается в виде семейства моделей, каждая из которых отражает функционирование ее с точки зрения различных уровней абстрагирования (модели стратифицированной системы). Выбор модели страты осуществляется исходя из обеспечения максимальной независимости с учетом принципов, характерных особенностей и законов. Такой подход позволяет изучать ее сравнительно обособленно.
Применительно к элементам СЭК страты могут быть классифицированы как по «вертикали» (главный двигатель, система гребного вала, гребной винт), так и по «горизонтали» в зависимости от ответственности выполняемых элементами СЭК функций. Во втором случае принимаются во внимание три категории: обеспечивающие безопасность плавания и сохранность человеческой жизни; выполнение системой (в частности, СЭК) основных функций; выполнение вспомогательных функций отдельными элементами СЭК.
Для учета физико-химических процессов, происходящих в узлах и деталях элементов СЭК, может быть использована «материальная» стратифицированная модель. В этом случае результаты их действия (например, износ, коррозия, деформация и т.п.), обусловленные внешними и внутренними факторами, являются «входом» для оценивания уровня ФН и, в соответствии, с этим назначения запасов прочности, а также определения потребности в работах поддерживающего и восстановительного характера. Необходимость разработки таких моделей связана с тенденцией углубленного изучения физики отказов. Они, в сочетании с логическими, математическими и другими видами моделей, дают возможность решать задачи обеспечения надежности отдельных элементов и СЭК в целом.
Для оценивания показателей ФН могут быть использованы два способа (по результатам специальных испытаний, при работе в реальных условиях). С точки зрения затратной технологии второй способ более предпочтителен, так как для получения отказной информации нет необходимости имитировать эксплуатационные условия.
Важнейший элемент СЭК — это система гребного вала, отказ которой при определенных обстоятельствах может привести к гибели судна. Поэтому решение задачи по оцениванию ФН ее элементов в процессе ТЭ и разработка на основе полученных результатов средств мониторинга отказов представляет как теоретический, так и практический интерес. Важная роль в этом вопросе отводится диагностированию ТС. Практическая значимость такого рода задач определяется еще и экономическими соображениями и, несмотря на их важность, в настоящее время они не имеют полного решения.
Одним из путей повышения эффективности ТЭ элементов и СЭК в целом является перевод их на систему ТО и ремонта по фактическому состоянию, а методом его практической реализации — обслуживание и ремонт с контролем уровня ФН, заключающийся в накоплении и анализе информации о повреждениях и отказах. Решение задачи в такой постановке связано с разработкой и исследованием моделей ТЭ, позволяющих производить прогнозирование безотказной работы в пределах межремонтного периода. Внедрение такой системы в эксплуатационную практику требует решения ряда организационных и технических задач по оцениванию ФН, связанных с оперативным сбором и обработкой фактологической информации, анализом последствий отказов и разработкой комплекса мероприятий по их мониторингу. Концептуальной основой оценивания ФН являются результаты, полученные в процессе проведения экспертно-статистических исследований» натурных испытаний, нормативная база ДП и их контроль, а также прогностические модели безотказной работы. Решению этих вопросов применительно к конкретным элементам СЭКи посвящается диссертационная работа.
Объект исследования — элементы судового энергетического комплекса (главный дизель, система гребного вала).
Предмет исследования — функциональная надежность элементов СЭК и информационно - статистический банк данных по ее управлению.
Цель диссертационной работы — повышение эффективности эксплуатации судового энергетического комплекса на основе оценивания функциональной надежности его элементов и разработки механизма по переводу их на систему технического обслуживания и ремонта по фактическому состоянию.
В соответствии с объектом, предметом, проблемой и целью исследования поставлены следующие задачи:
Проведение анализа взаимосвязи технологических процессов эксплуатации с изменением состояния и существующих систем технического обслуживания элементов судового энергетического комплекса,
Рассмотрение методов и методик построения пропульсивных характеристик, проведение натурных испытаний, обработка статистических данных и оценка функциональной надежности.
Проведение экспертно-статистических исследований функциональной надежности элементов главного судового дизеля и обслуживающих систем на основе использования метода ранговой корреляции и фактологической информации.
Разработка прогностических моделей безотказной работы главного судового дизеля и элементов его обслуживающих систем.
Оценка технического состояния системы гребного вала с использованием экспериментально-расчетного метода.
Рассмотрение комплекса мероприятий по мониторингу разрушений деталей главного судового дизеля и путей повышения функциональной надежности элементов его обслуживающих систем при эксплуатации.
Разработка нормативной базы диагностических показателей элементов систем главного судового дизеля для оценки их технического состояния при эксплуатации.
Рассмотрение алгоритма диагностирования и прогнозирования технического состояния дейдвудных устройств системы гребного вала и обоснование выбора определяющих параметров.
Формирование информационно-статистического банка данных по функциональной надежности элементов судового энергетического комплекса для осуществления перевода их на систему технического обслуживания и ремонта по фактическому состоянию.
Методы решения поставленных задач. В диссертационной работе использованы экспериментально-теоретические методы исследования. Основные научные результаты получены с применением методов экспертных оценок, математической статистики, регрессионного и корреляционного анализов.
Научная новизна результатов работы заключается в следующем:
Предложена концепция оценки функциональной надежности элементов СЭК на основе комплекса показателей, моделей и нормативной базы с получением параметров моделей методами идентификации и построении моделей группового прогнозирования технического состояния.
Получена на основе проведения экспертно-статистических исследований обобщающая качественная и количественная информация по влиянию работоспособности элементов обслуживающих систем на функциональную надежность главного судового дизеля, показателям их безотказности, нахождению границ приработки и основного периода эксплуатации, выявлению узлов и деталей с минимальным уровнем работоспособности и определению причин их отказов.
Осуществлено информационное и алгоритмическое обеспечение по управлению функциональной надежности элементов системы гребного вала, базирующееся на использовании экспериментально-теоретического метода и методики расчета технологических параметров позволяющих осуществлять оценку их технического состояния в процессе эксплуатации.
Разработаны и апробированы математические модели функциональной надежности цилиндро-поршневой группы главного судового дизеля и элементов обслуживающих систем, позволяющие в процессе их эксплуатации производить прогнозирование вероятности безотказной работы.
Произведено обоснование выбора определяющих параметров при формировании алгоритма диагностирования и прогнозирования технического состояния дейдвудных устройств системы гребного вала.
Создана нормативная база диагностических показателей элементов систем главного судового дизеля, разработано методическое обеспечение по их контролю и учету при эксплуатации.
Создан механизм перевода элементов СЭК на систему технического обслуживания и ремонта по фактическому состоянию, основывающийся на информационно-статистическом банке их функциональной надежности.
Теоретическое значение результатов заключается в получении обобщающих показателей и математических моделей, позволяющих производить оценивание технического состояния при работе элементов в составе судового энергетического комплекса и прогнозирования вероятности безотказной работы.
Практическая значимость работы состоит в создании: механизма обеспечения функциональной надежности элементов судового энергетического комплекса, позволяющего перевести их на техническое обслуживание и ремонт по фактическому состоянию и, таким образом, повысить эффективность его технической эксплуатации; информационно- статистического банка данных, включающего комплекс показателей функциональной надежности, нормативную базу диагностических показателей и математических моделей прогнозирования безотказной работы, позволяющего специалистам проектных организаций и эксплуатационного профиля на различных этапах «жизненного» цикла (проектирование, технологическое изготовление, эксплуатация, модернизация) решать задачи, связанные с формированием технической политики, разработкой средств повышения эффективности эксплуатации, назначением уровня функциональной надежности, обоснованием межремонтного периода и установлением периодичности контроля; внедрении результатов выполненных исследований в эксплуатационную практику судоходных компаний и судах ОАО «Новороссийское морское пароходство» и учебный процесс Новороссийской государственной морской академии и ее филиалах.
Достоверность научных результатов обеспечивается использованием комплекса методов и методик исследования, включающего: экспертные оценки; регрессионный и корреляционный анализ; теорию планирования многофакторных экспериментов; классическое построение математических моделей; натурные испытания с применением для регистрации и контроля параметров современных методов и средств измерения, отвечающих метрологическим требованиям; системный анализ взаимодействия элементов с обслуживаемым объектом; обработку статистической информации и оценку погрешностей; репрезентативностью опытных данных и их сходимостью при реализации математических моделей в допустимых для практики пределах (10-12 %).
На защиту выносится механизм перевода элементов судового энергетического комплекса на систему их обслуживания и ремонта по фактическому техническому состоянию, включающего комплекс: показателей функциональной надежности; математических моделей прогнозирования безотказной работы; нормативную базу диагностических показателей; мероприятий по контролю и учету технического сотояния и мониторингу развития процессов, приводящих к отказам.
Апробация и внедрение результатов исследования: содержание диссертации обсуждалось и получило одобрение в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций и Новороссийской государственной морской академии; основные положения и результаты опубликованы в виде докладов и тезисов в материалах Международных научно-технических конференций и симпозиумах, проводимых в ведущих университетах России (Москва, 2004 г., Орел, 2004 г., Ульяновск, 2005 г.). Основная часть материалов прошла рецензирование и опубликована в виде научных статей в научных изданиях, рекомендованных ВАК России («Двигателестроение», «Тяжелое машиностроение», «Известия вузов. Машиностроение», «Известия вузов, Северо-Кавказский регион. Технические науки. Спецвыпуск. «Проблемы водного транспорта»).
Результаты исследования используются при разработке учебных программ судовых специальностей эксплуатационной направленности в Новороссийской государственной морской академии и ее филиалах, курсов повышения квалификации специалистов морского, речного и рыбопромыслового флота, внедрены в практическую деятельность ряда судоходных компаний.
Структура диссертации. Диссертационная работа включает: оглавление; перечень сокращений; введение; четыре главы; заключение; списки использованных источников и опубликованных научных работ автора; приложение с актами внедрения результатов в эксплуатационную практику судоходных компаний и учебный процесс морских ВУЗов.
Стратегии технического обслуживания и ремонта
В общем понятии стратегия представляется как совокупность правил и управляющих воздействий, объединяющихся общей целью для решения эксплуатационных задач, т.е. она отражает идеологическую направленность действий со стороны обслуживающего персонала и принятую при этом концепцию. Применительно к элементам СЭК приемлемы два вида стратегий ТО и ремонта (Р): по наработке и фактическому состоянию. Их основным признаком является информация по ФН, разделяемая в зависимости от времени и источника получения на априорную (до ТЭ) и апостериорную (в процессе ТЭ), табл.1.1. Взаимосвязь стратегии ТИ, ТО и Р представлена в табл. 1.2.
Анализ зарубежных материалов и отечественной практики контроля уровня надежности технических средств показывает, что номенклатура исходной информации должна содержать комплекс сведений, включая: число изделий в системе; вид отказа; место проявления; последствия, число отказов, выявленных за контрольный период времени; стоимость замены изделий, профилактического обслуживания и ремонта.
Особое место при использовании стратегии ТО с контролем уровня ФН занимает выбор и назначение нормального (допустимого) ее уровня (#Г). Он устанавливается для каждого типа элемента СЭК, при этом должны быть учтены стоимостные затраты на ТО и Р, зависящие от объема выборки. При решении задачи определения Н%? необходимо исходить из обеспечения эффективности использования элементов по критерию минимальных материальных затрат, т.е. 3 = /(#Г). Фактический уровень определяется в соответствии с выбранным показателем. При использовании безотказной работы (параметр потока отказов w(f) , число отказов, приходящихся на 1000 часов наработки tomK) его контроль предпочтительно осуществлять по такой схеме. В качестве исходной информации для элемента принимаются: наблюдаемое количество отказов в процессе ТЭ (« „j; время работы t; число однотипных элементов и их оборудования (например, насосы в составе элементов СЭК).
Сущность контроля для совокупности однотипного оборудования заключается в сравнении величины « с ее верхней границей (п ), в качестве которой принимается допускаемое число отказов (« „). Учитывая, что наблюдаемое число отказов оборудования в определенные интервалы времени имеет случайный характер и может изменяться в пределах от нуля Д " .) Для определения верхней границы рекомендуется использовать распределение где Р - принятое значение вероятности (вероятность того, что случайное число отказов элемента и его оборудования не превышает верхнюю границу); тт- плановое значение параметра потока отказов (запланированный уровень ФН).
Величина Р устанавливается исходя из экономических соображений и может быть принята в пределах (/ =0,95-5-0,98) в зависимости от степени ответственности (выполняемых функций) элемента по обслуживанию СЭК. Это означает, что случайный выброс за пределы и произойдет с вероятностью соответственно в пределах (0,5-Ю,3). В том случае, когда число отказов (или замен) за контрольный период (месяц, квартал, год) превысит границу п , это будет свидетельствовать о снижении уровня ФН элемента. Для анализа полученной таким образом последовательности используется регрессионный анализ.
Структурно-логическая схема управления процессом ТЭ элементов СЭК при использовании стратегии ТО с контролем уровня ФН: I — управляющее устройство (БАИ — блок анализа поступающей информации; ОБ — оперативный блок; БОИ — блок обработки информации); II - объект управления (ПТЭ - процесс ТЭ; ОТЭ — объект ТЭ); БПИ — блок памяти информации (программный блок); БНИ - блок накопленной информации; X - поступающая информация; Y — информация о функциональной надежности ВО; Z — информация о наработке элемента (его оборудовании); т — отказная информация; т - накопленная информация за предшествующие периоды ТЭ.
Конечная цель заключается в нахождении фактического уровня (я ") в поле допуска. При этом возможны следующие варианты: Н , Н (ДЯ йО) - обеспечивается безаварийная дальнейшая ТЭ; Н Н (ДЯ Ї-О) — необходимо проведение дополнительных работ по ТО, изменения периодичности контроля ФН и условий ТЭ, выполнения конструкторских доработок, а также временного перехода на стратегию ТО и Р по наработке.
При применении стратегии ТО и Р по состоянию с контролем параметров элемент эксплуатируется до предотказного состояния. Для его выявления предпочтительно использовать принцип назначения упреждающих допусков на ДП, под которыми понимается совокупность их значений, находящихся в промежутке между предельным (ДПР) и предотказным (Дпо) уровнями. Выход ДП за предельный уровень будет свидетельствовать об отказе элемента, а при достижении предотказного значения — о необходимости выполнения профилактических работ (или его замены). Условием реализации такой стратегии является установление количественных связей между значениями упреждающих допусков (&Д = Дпр-Дпо) на каждый из контролируемых параметров элемента и периодичности их проверок (&t = t2 ). При этом каждому фиксированному значению АД должна соответствовать конкретная величина А/, исходя из такой зависимости: чем больше эти величины, тем меньше затраты на проверки и больше затраты на замену и ремонт, и наоборот. Оптимальный вариант выбирается из условия обеспечения минимальных суммарных удельных затрат (Зт/„) на проверку, замену и ремонт элемента.
Методы построения пропульси вных характеристик
Анализ отечественного и зарубежного опыта ТЭ СЭК и методов построения их характеристик, отличительных особенностей и принимаемых при реализации допущений свидетельствует о целесообразности использования результатов испытаний головных судов на судах последующих лет постройки и разных сроков ТЭ. Исходя из этого в работах [82-88] рассматривается новый методический подход, основывающийся на компьютерной обработке совместных результатов модельных испытаний гребных винтов в свободной воде и экспериментальных натурных исследований ПК ряда судов. Отличительной особенностью такого подхода является то, что в результате применения предлагаемых операций для построения реальных пропульсивных характеристик судна достаточно использования минимального количества измерений во время его испытаний на одном характерном режиме.
По полученным таким образом характеристикам важно получить реальную информацию о требуемой мощности и соответствующем расходе топлива ГД скорости движения судна, относительном шаге и оборотах винта для любых реальных изменяющихся условий плавания судна с учетом ТС ГД, корпуса судна и ГД.
Выбор экономически обоснованных режимов работы ПК связан в первую очередь с обработкой большого количества характеристик, представляющих функции мощности ЛГгди частоты вращения ГД (лгд) или
ГВ (л в), скорости судна (Fs), относительного шага ГВ (#/ ), крутящего момента на вале ГД (Л/ или на ГВ (М ,), удельного (в,)или часового расхода топлива (Вч), сопротивления судна (Д), упора ГВ (Р0)и коэффициента относительной поступи (ДР) и др. Они могут быть получены на основании результатов: модельных испытаний корпуса и ГВ в свободной воде; испытаний собственно судна; исследований, проведенных на судне с использованием результатов модельных испытаний ГВ в свободной воде.
Большой вклад в решение этих проблем внесли работы Папмеля, Тейлора, Трооста, Донквардта и др. Результаты исследований чаще всего представлены в виде гидродинамических характеристик в системе безразмерных коэффициентов упора и момента, а также КПД и относительной поступи. Наибольшее распространение получили характеристики Донквардта, однако их использование вносит некоторую погрешность, связанную с тем, что зависимости коэффициентов упора и момента от относительной поступи связаны между собой кривой КПД винта ЧР(ЛР). Кроме того, построение этих зависимостей требует использования значительного количества расчетных операций.
Анализ существующих методов построения пропульсивных характеристик на основании результатов экспериментальных исследований на судне показывает, что расчетные характеристики часто не совпадают с реальными, причем в большей мере это относится к судам с винтом регулируемого шага (ВРШ). Погрешности можно объяснить введением целого ряда упрощений, которые, например, в методиках Силовича — Фанцева линеаризируют аппроксимацию зависимостей упора и момента от относительной поступи в наиболее часто встречающемся диапазоне изменения коэффициента Хр. Поэтому эти методы позволяют получить удовлетворительные результаты только для эксплуатационных параметров, близких к параметрам измерений и, кроме того, их использование может быть рекомендовано для судов водоизмещением выше 10 тыс.тонн. Для судов с меньшим водоизмещением рекомендуется методика Силукова, которая требует использования дополнительных; испытаний судна на швартовах. Все существующие методы определения пропульсивных характеристик имеют различные погрешности, которые проявляются только на построенном и введенном в ТЭ судне, что приводит к серьезным последствиям. При этом действительная нагрузка ГД, отличающаяся от теоретической, может повлиять на скорость судна, расход топлива, величины мощностей, идущих на винт и ВГ, количество вторичных энергоресурсов, находящихся в отработавших газах, охлаждающей воде и наддувочном воздухе. Именно поэтому реальные пропульсивные характеристики, индивидуальные для каждого отдельно взятого судна даже одной серии, являются основой для оценки возможности повышения эффективности ТЭ СЭУ.
В основу построения действительных пропульсивных характеристик [82-88] положена методика использования совместных результатов экспериментальных исследований на судне и результатов модельных испытаний ГВ в свободной воде. В методиках, предлагаемых ранее, принималось допущение, что результаты испытаний ГВ в свободной воде могут быть использованы на стадии проектно-конструкторских работ при построении пропульсивных характеристик. При этом рассматривались стандартные винты, постоянное число Рейнольдса, не учитывались изменения КПД винта при изменении угла поворота лопастей и изменений величины коэффициента попутного потока. В методике [27-33] удалось исключить вышеперечисленные недостатки при помощи введения действительных значений величин, полученных на основании результатов экспериментальных исследований на судне в условиях работы винта в неравномерном потоке воды за корпусом. Доказано, что в диапазоне эксплуатационных нагрузок ГД (диапазоне переменных величин относительной поступи винта) действительную характеристику можно заменить мнимой, полученной при использовании результатов исследований винта в свободной воде. Такое решение позволяет использовать математический аппарат с использованием относительных величин, с последующим возвращением к действительным.
Анализ результатов выполненных исследований отечественными и зарубежными учеными свидетельствует о том, что по-прежнему существует проблема совершенствования методов математического моделирования динамики судовых ПК. Исследованием экстремальных режимов работы ПК, определения напряжений в гребном валопроводе статическими и динамическими методами и оценке их прочности посвящены работы В.Векслера, Е.Рейнберга, Н.Н.Кабачинского, В.А.Беляева, С.С.Соловьева, ЮА.Македона, Ф.М.Кацмана, С.В Яконовского, В.Я.Ягодкина, В.А.Беляшова, В.СЛІпакова, Н.Е.Жадобина, Г.М.Басалыгина и других.
Оценка функциональной надежности элементов систем главного судового дизеля с использованием фактологической информации
Системы судовой ДЭУ представляют собой сложные объекты, включающие самостоятельно — функциональные элементы (механизмы, устройства, ТА и т.п.). Для их исключительно важной задачей является оценка работоспособности в процессе ТЭ. При успешном ее решении снижается риск неожиданного выхода из строя и обслуживающего объекта, в частности, ГД. Наиболее важным с точки зрения обеспечения ФН ГД является система наддува, охлаждения и топливная система.
Основным элементом, определяющим уровень ФН системы наддува, является ТК. По данным [53] применительно к ГД типа SKL на долю ТК приходится более 6% общего количества отказов. В целом отказы ТК ГД связаны с интенсивным разрушением подшипников, низкой надежностью лабиринтовых уплотнений, повреждением проточных частей турбин вследствие попадания обломков после обрыва выпускных клапанов, а также повреждений деталей ЦПГ, отказами масляных насосов и фильтров. Анализ результатов статистических исследований применительно к ДЭУ сухогрузных и нефтеналивных судов показывает, что на каждые 1000 часов работы в среднем приходится до семи остановок ГД из-за отказов ТК, что составляет 3.5% общего числа остановок Г Д. Поэтому информация по их работоспособности представляет практический интерес как для обслуживающего персонала, так и эксплуатационных и проектных организаций. В течение последних десятилетий КПД ДЭУ возрастает, увеличивается термическая нагрузка на ГД и комплектующее оборудование, а надежность ТК снижается [54]. Это обусловлено тем, что принципы проектирования ТК частично определяются методом проб и ошибок при ТЭ. Основными факторами, определяющими уровень работоспособности, является использование морского воздуха, низкое качество топлива, развитие коррозионных процессов и загрязнение проточной части. Значительная доля отказов, связанных с разрушением лопаток компрессора и турбины, обусловлена человеческим фактором (по вине обслуживающего персонала, отступления от инструкции по ТЭ). Другая причина — это конструктивное несовершенство ТК и несоответствие используемого материала деталей реальным условиям ТЭ.
В настоящем разделе диссертации приводятся результаты статистических исследований ФН элементов систем наддува и охлаждения ГД судов типа «Маршал Буденный», «Борис Бутома», «Ашхабад», «Победа», «Художник Моор» (типы ГД: 8RND90, 9ДКРН84/180-3, 6ДКРН74/І60-3, 7ДКРН80/160-4; типы ТК: VTR631/1, T680G, Т540Е, Т680).
Объекты исследования рассматривались с позиций их восстановления при ТЭ, а совокупность отказов представлялась, как простейший поток, удовлетворяющий одновременно условиям стационарности, отсутствия последствия и ординарности. В качестве исходной использовалась информация об отказах, поступающая с судов в виде рекламационных актов, различного рода донесений, ремонтная документация, а также опыт ТЭ в составе судовой ДЭУ,
Для оценки ФН использовались параметр потока отказов »(/), наработка на отказ Тотк, вероятность безотказной работы P(t), среднее время TJ и трудоемкость восстановления yf после отказа, комплексные показатели в виде коэффициента готовности (действительный) кгд и критерия, характеризующего запас ФН Дкг. Их определение осуществлялось в соответствии с выражениями: «(О + ЛО-лСОУ Д м гДе "( І) - число отказов (восстановлений) элемента в интервале (0,0, Nt - число исследуемых элементов в промежутке д/.; p(t) = ехр(- » f) в соответствии с экспоненциальным законом распределения; Тв - Т /п (Т№- время восстановления после -го отказа, п — количество отказов); у = уу Ы (ту - суммарная трудоемкость устранения отказов; кт = 1 /(7 +Г,); Ькг=к-кщ (к =1 - теоретически достижимый коэффициент готовности).
Полученные данные свидетельствуют о том, что зависимость о(г) с течением ТЭ в пределах исследуемой наработки имеет неоднозначный характер. Наибольшее количество отказов наблюдается в процессе работы ТК при fsl0-l034 (ty(/)max). Стабилизация функции a (t) наступает при t = 15-104 и далее (в области f = (15-ь 40)-103ч) поток отказов практически не изменяется (е сгzconst). Таким образом, в исследованном диапазоне наработки ТК имеют два режима работы (с повышенным числом отказов и стабилизированный). Характеризуя эти периоды ТЭ количественной величиной (О, можно сказать, что в первом случае a (t) примерно в 2 раза выше по сравнению со вторым. Такое несоответствие можно объяснить количеством и природой отказов элементов ТК, причинами которых являются факторы технологического, монтажного и эксплуатационного характера (в частности, уровень технологии изготовления, качество монтажа узлов, нарушение режима приработки и т.п.).
Диагностический контроль, учет технического состояния и нормирование диагностических показателей элементов систем главного судового дизеля
В период проведения натурных испытаний элементов систем ГД СЭК подготовка переносных диагностических средств к работе, правильность их установки и порядок проведения измерений производились в соответствии с указаниями [43]. Измерение вибрации осуществлялось на горизонтальных механизмах в продольном направлении (по ходу судна) и траверзном (правый — левый борт); на горизонтальных механизмах — в вертикальном и горизонтальном направлениях. Для исключения ошибок в проведении измерений контроля вибрации, ударных импульсов подшипников и толщин корпуса осуществлялся в замаркированных точках. Перед замером уровня вибрации механизма производилось измерение ударных импульсов подшипников для установления их состояния и влияния на вибрационное состояние диагностируемого механизма. Осуществлялись тройные измерения с интервалом 5 — 10 с. При колебании стрелки прибора в момент измерения отсчет производился по среднему значению. При разбросе результатов измерений менее чем в 1.5 раза в качестве конечного результирующего принималось максимальное значение измерения. При большом разбросе результатов количество измерений удваивалось. В некоторых случаях принимались меры к его снижению путем изменения режима работы механизма. Для конкретного механизма использовались соответствующие средства диагностирования, имеющие индивидуальное назначение.
В качестве конечного результата измерений принималось[27]: х = х + 1.05S, где х = х, /6; S = V— ; xt - результат измерений. При установлении периодичности измерений использовалась скорость развития повреждения (неисправности), т.е. отсутствие между измерениями параметров предельного состояния. При условии, что они должны быть несколько меньше (на 10%) оставшегося ресурса: R0cr=C77np TJIAM)/S гДе Хост - оставшийся ресурс до ТО (ремонта); tj%!" и -ц - соответственно предельное и измеренное значение ДП; S — скорость изменения параметра, характеризующего развитие неисправности. В этом случае она принимается максимально возможной.
Важное значение при обработке результатов измерений ДП имеет приведение их к стандартным условиям, что позволяет исключить влияние внешних условий. При приведении измерений к стандартным условиям использовались формулы [27].
Для проведения диагностического контроля и учета турбокомпрессоров наддува ГД производились измерения: давления и температуры воздуха, газа, охлаждающей воды, смазочного масла подшипников; частоты вращения; вибрации корпуса и ротора; масляных зазоров в опорных подшипниках и осевого разбега ротора в упорном подшипнике; осмотр проточной части компрессора и турбины, стенок корпуса турбины и измерение их толщины. Необходимыми условиями при проведении измерений являлись: отрегулированность ТНВД и форсунок; установление эксплуатационной мощности и частоты вращения более 70% их номинальных значений и проработка ГД на этом режиме более двух часов.
Для определения ДП компрессоров воздуха производились измерения: давления воздуха, масла; величины тока и напряжения; температуры; виброскорости; уровня ударных импульсов; времени наполнения воздухоохладителя; сопротивления обмоток изоляции и ее увлажненность на установившемся режиме.
В процессе контроля ДП центробежных сепараторов измерялись величины: тока электродвигателя; уровня ударных импульсов; времени разгона барабана; увлажненности изоляции и сопротивление обмоток; температур подшипников и корпуса электродвигателя. При этом разгон барабана осуществлялся до спецификационной частоты вращения. Уровень ударных импульсов и виброскорость в точках измерения производились при работе сепаратора по прямому назначению. Максимальный рабочий ток электродвигателя измерялся перед автоматической очисткой барабана. Остальные показатели электродвигателя (сопротивление изоляции в нагретом состоянии, увлажненность изоляции, температура подшипников и корпуса) измерялись при тех же условиях, что и при диагностическом контроле электродвигателя компрессора.
При диагностическом контроле показателей насосов производились измерения: давления всасывания и нагнетания; нагрузки (тока) на электродвигателях привода; уровня вибрации (виброскорости); толщин корпусов в районе рабочих колес; температуры нагрева подшипников и корпусов электродвигателей, сопротивления и увлажненности изоляции по их прямому назначению на эксплуатационном режиме работы.
При определении ДП теплообменников производились измерения: температуры масла, пресной и забортной воды на входе и выходе из обслуживаемого ГД стенок трубопроводов; перепада температур жидкостей на входе — выходе ТА и ГД определение режима работы ГД осмотр состояния внутренних поверхностей ТА, трубок, перегородок; определение степени загрязнения (заноса) внутренних поверхностей трубок; определение толщины корпусов и крышек ТА на участках, омываемых забортной водой; осуществлялся контроль параметров работы ТА.
При измерении температур и давления воздуха на охладителе, а также давления наддувочного воздуха в коллекторе, ГД работал на нагрузках не менее 70% от номинальной. Температура воздуха после охладителя поддерживалась в пределах 40 - 45С.
На основании проведенных измерений ДП в процессе натурных испытаний и обработки их результатов разработаны нормы диагностических показателей. Их граничные условия определялись в соответствии с категориями ТС, приведенными в [43]. Информация по их нормированию, в частности ТК и воздухоохладителям приведена в (3.2).
