Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ существующих методов и средств контроля использования энергетического ресурса судового дизеля, параметров механической и тепловой напряженности его подвижных узлов 19
1.1 Методы и средства эксплуатационного контроля параметров механической напряженности деталей ЦПГ и использования энергетического ресурса двигателя 19
1.1.1 Контроль параметров рабочего процесса дизеля 19
1.1.2 Влияние индикаторного канала на результаты индицирования судовых дизелей 27
1.1.3 Методы настройки углов ВМТ в СКРП 33
1.2 Методы эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей судовых дизелей 42
1.3 Анализ методов и средств эксплуатационного контроля эффективной мощности в судовых дизель-редукторных установках 47
1.3.1 Метрологические характеристики судовых торсиометров 47
1.3.2 Контроль мощности двигателей в судовых дизель-редукторных установках 54
1.4 Выводы по главе 57
2. Методология контроля параметров рабочего процесса дизеля в условиях влияния индикаторного канала 60
2.1 Модель для исследования методов настройки СКРП, гармонического анализа и синтеза индикаторных диаграмм 60
2.2 Оценка информативности гармонических составляющих рабочего процесса дизеля 71
2.3 Диапазон применения СКРП с традиционными методами обработки сигнала в условиях влияния индикаторного канала.. 88
2.4 Методика восстановления индикаторной диаграммы по сигналу на выходе индикаторного канала 100
2.5 Определение собственной частоты канала 103
2.6 Определение добротности индикаторного канала и восстановление искаженного в нем сигнала 107
2.7 Диапазон применения СКРП, построенных на основе анализа спектра индикаторной диаграммы 113
3. Методологические основы эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей судовых дизелей 120
3.1 Принципы построения систем бесконтактной передачи информации с подвижных деталей дизеля 120
3.2 Методы и средства контроля температуры поршня в одноцилиндровом варианте 132
3.3 Методы и средства контроля температуры крейцкопфных подшипников 140
3.4 Централизованный контроль температуры подвижных деталей судового малооборотного двигателя 146
3.5 Многоканальный контроль параметров тепловой напряженности подвижных деталей дизеля 158
3.5.1 Принципы организации многоканального контроля 158
3.5.2 Опытный образец системы ТЕРМОКОНТ 169
3.5.3 Преобразование информации в ТЕРМОКОНТЕ 175
3.5.4 Программно-алгоритмическое обеспечение системы 185
4. Методика контроля эффективной мощности двигателей судовых дру с электромагнитными муфтами скольжения 190
4.1 Использование электромагнитных муфт для контроля мощности двигателей судовых ДРУ 190
4.2 Влияние режимных параметров на характеристики муфты 196
4.3 Влияние переменной нагрузки на точность контроля 201
4.4 Влияние нелинейности характеристики муфты на точность контроля 205
4.5 Оценка ошибки измерения мощности 208
4.6 Оценка ошибки контроля рассогласования мощностей двигателей 215
5. Системы контроля рабочего процесса судовых дизелей в экономичном исполнении 221
5.1 Основы технического решения СКРП 221
5.2 Датчик давления на основе преобразователя ЛХ-412 226
5.3 Программно-аппаратный комплекс для разработки СКРП 231
5.3.1 Аппаратные средства комплекса 231
5.3.2 Программное обеспечение комплекса 236
5.4 Алгоритмическое обеспечение СКРП 243
5.4.1 Общий алгоритм работы 243
5.4.2 Набор и нормализация массива давлений 246
5.4.3 Алгоритмы определения показателей рабочего процесса... 252
5.4.4 Получение развернутой индикаторной диаграммы, определение эффективной мощности и других показателей . 258
5.4.5 Алгоритмы настройки 264
6. Результаты реализации и перспективы применения разработанных методов и средств 269
6.1 Технические характеристики и результаты применения СКРП. 269
6.2 Результаты и перспективы применения средств контроля теплового состояния подвижных деталей дизеля 279
6.2.1 Устройства контроля в одноцилиндровом варианте 279
6.2.2 Конструктивное исполнение СЦКТ для двигателя SRND90 280
6.2.3 Результаты применения СЦКТ на главном двигателе т/х "Маршал Говоров" 285
6.2.4 Перспективы применения многоканальной системы
контроля теплового состояния ТЕРМОКОНТ 290
6.3 Реализация средств контроля эффективной мощности
двигателей ДРУ с электромагнитными муфтами 295
6.3.1 Статистическая обработка экспериментальных данных 295
6.3.2 Прибор ИОН-М и методика оценки параметров двигателей ДРУ 310
Заключение 314
Список использованной литературы 319
- Методы эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей судовых дизелей
- Оценка информативности гармонических составляющих рабочего процесса дизеля
- Методы и средства контроля температуры поршня в одноцилиндровом варианте
- Влияние переменной нагрузки на точность контроля
Введение к работе
Актуальность темы. Достигнутый к настоящему времени уровень автоматизации судовых энергетических установок (СЭУ) морских судов обеспечил почти двукратное сокращение численности экипажа судна при переходе на безвахтенное обслуживание энергетической установки. В этих условиях значительно возросла роль информационного обеспечения в принятии решений по управлению оборудованием СЭУ, в обеспечении его надежной работы при возможно более полном использовании энергетического ресурса оборудования. В определяющей степени это относится к судовым дизелям, как главным, так и вспомогательным.
Обширные исследования, проведенные И.В.Возницким, С.И.Горбом, А.А.Грином, Б.П.Башуровым, Г.А.Давыдовым, С.Н.Драницыным, Н.Е.Жадобиным, А.А.Иванченко, С.В.Камкиным, Ю.Н.Мясниковым, М.К.Овсянниковым, В.А.Петуховым, В.А.Шишкиным, В.П.Шмелевым и другими отечественными и зарубежными учеными решили многие задачи в области повышения эффективности технической эксплуатации судовых дизелей и дизельных установок. Однако проблема далеко не исчерпана.
Главный судовой двигатель характеризуется рядом значений мощности - максимальная, номинальная, эксплуатационная и др. Для обеспечения надежной длительной работы его эксплуатационная мощность преднамеренно занижается относительно номинальной, исходя из ожидаемого в эксплуатации неконтролируемого среднестатистического отклонения параметров его тепловой и механической напряженности в худшую сторону относительно номинальных значений. При этом энергетический ресурс двигателя не используется полностью. Применительно к конкретному двигателю эти отклонения всегда носят неопределенный, вероятностный характер, в связи с чем вероятность отказа сохраняется на достаточно высоком уровне. Исключить или снизить эту неопределенность для конкретного двигателя возможно только индивидуальной оценкой его режимных параметров, в частности -
используемых в качестве ограничительных. Для этого двигатель должен быть контролируемым по всем его основным узлам и на всех этапах преобразования энергии: цилиндр - поршень - кривошипно-шатунный механизм (в первую очередь - подшипники) - вал.
Ведущие дизелестроительные фирмы (MAN B&W и др.), фирмы, работающие в области автоматизации судов (Autronica, ASEA, Lingso Marine и др.), научно-исследовательские организации (ЦНИИМФ, ЦНИДИ и др.), классификационные общества (Регистр Ллойда и др.) проводят интенсивные исследования по совершенствованию существующих и разработке перспективных методов и средств оценки режимных и диагностических параметров дизелей [100], [ПО], [112]. В данной области сформировались такие направления их деятельности, как:
контроль температур рабочих сред и наиболее ответственных узлов двигателя на уровне отдельных цилиндров - выпускные газы, охлаждающая вода, крышка, втулка цилиндра;
оценка параметров рабочего процесса дизеля на уровне цилиндра и в среднем по двигателю;
оценка интегральных показателей работы двигателя - мощность, расход топлива и др.
В области контроля параметров тепловой напряженности дизелей существующие решения ограничиваются наиболее доступными деталями ци-линдро-поршневой группы (ЦПГ) - крышка, втулка [100]. Температурный режим весьма нагруженных в тепловом и механическом отношении деталей движения - поршень, подшипники, в эксплуатации прямо не контролируется. Измерение температуры поршня выполняется во время заводских испытаний двигателей и, по сравнению с эксплуатационным периодом, носит кратковременный характер. Вместе с тем, на подвижные детали (поршень, подшипники, кольца) приходится до 25% отказов деталей ЦПГ, в том числе до 40...60% наиболее опасных, внезапных отказов [7].
Разработкой систем контроля рабочего процесса (СКРП) дизеля занимаются многие фирмы (Autronica, Icon Research и др.). Получаемые от СКРП значения параметров рабочего процесса используются для оценки нагрузки двигателя (цилиндра), уровня его механической напряженности, для решения диагностических задач и др. Развитие таких систем идет в основном по пути совершенствования визуализации процесса контроля и процедуры диагностирования. Это почти автоматически вынуждает разработчиков использовать в качестве основы СКРП достаточно производительный (и дорогой) компьютер класса PC. Стоимость таких систем не опускается ниже 14 ... 15 тыс. долларов США. На фоне строительной стоимости супертанкера эта цифра не представляется значительной. Однако существует большое количество относительно малых судов, как транспортных (в том числе "река - море"), так и рыбопромысловых, судов вспомогательного флота, для которых эта цифра весьма значима. Таким образом, образовалась своеобразная ниша, не заполненная предложениями разработчиков СКРП - с одной ее стороны индикатор типа "Майгак", с другой - на порядок более дорогая и сложная в эксплуатации, требующая более высокой квалификации судового персонала система диагностики на основе РС-компьютера.
Помимо экономического аспекта, в области контроля рабочего процесса сохраняются серьезные методологические проблемы. В частности - негативное влияние индикаторного канала на результаты индицирования дизелей, особенно средне - (СОД) и высокооборотных двигателей (ВОД). Методика устранения этого влияния отсутствует. Кроме этого, отсутствует общепринятая методика настройки в СКРП углов верхних мертвых точек (ВМТ). Это затрудняет применение СКРП, обуславливает значительную погрешность и субъективность получаемых оценок.
Особое значение решение указанных проблем приобретает в связи с реализацией концепции судового малооборотного двигателя (МОД) с электронным управлением. Компьютерное управление топливоподачей в таком двигателе (например, двигатели серии МЕ-С фирмы MAN B&W) базируется
на непрерывном автоматическом контроле среднего индикаторного давления (pmi) и максимального давления процесса (ртах) [И2]. В этой связи актуальной является разработка устойчивых к дестабилизирующим факторам, информационно обоснованных алгоритмов получения параметров рабочего процесса.
Интегральным показателем, определяющим уровень тепловой и механической напряженности деталей ЦПГ и характеризующим степень использования энергетического ресурса двигателя, является задаваемая в эксплуатации эффективная мощность (Ne). Несмотря на многообразие существующих средств ее оценки [1], [24] (торсиометры), задача измерения iVeHe нашла окончательного решения в судовых дизель-редукторных установках (ДРУ), где она осложняется малой располагаемой базой измерения на участке от фланца вала двигателя до фланца вала редуктора, не позволяющей применить известные торсиометры. Кроме этого, торсиометры являются сравнительно дорогими устройствами (15 тыс. долларов США и более), что делает экономически нецелесообразным их применение на относительно малых судах.
Таким образом, в судовых дизельных установках отсутствует контроль
параметров тепловой напряженности подвижных деталей дизеля (поршень,
подшипники), наблюдается повышенная погрешность или невозможность
(затрудненность) контроля энергетических параметров (рт) и параметров
механической напряженности (ртах и др.) СОД и ВОД, а также степени ис
пользования энергетического ресурса как на уровне цилиндра, так и в це
лом по двигателю (Ne) и по двигательной установке. Это указывает на то, что
существует крупная научная проблема - неполное использование в эксплуа
тации располагаемого энергетического ресурса двигателя и повышенный
риск его отказа из-за несовершенства методов и средств эксплуатационного
контроля режимных параметров, характеризующих тепловую и механиче
скую напряженность деталей движения дизеля, а также степень использова
ния энергетического ресурса цилиндра, двигателя,^дизельной установки.
Проблема усугубляется относительно высокой стоимостью существующих средств контроля, что делает экономически нецелесообразным их применение на двигателях относительно малой мощности. Решение этой проблемы позволит повысить провозную способность морских судов и снизить издержки их эксплуатации, что имеет важное хозяйственное значение.
Учитывая комплексный характер процессов в дизеле, параметры механической и тепловой напряженности деталей ЦПГ должны рассматриваться совместно и в связи с задаваемой двигателю эффективной мощностью, от которых они непосредственно зависят.
Объектом исследования является процесс технической эксплуатации судовых дизелей, в частности - применение методов и технических средств для обеспечения эксплуатационного контроля высокоинформативных режимных параметров дизелей с целью достижения их надежной работы при возможно более полном использовании энергетического ресурса.
Предметом исследования являются методы и технические средства, обеспечивающие прямой эксплуатационный контроль температурного режима подвижных деталей дизеля, наряду с методологически и информационно обоснованным контролем параметров рабочего процесса и с учетом задаваемой в эксплуатации эффективной мощности.
Цели и задачи исследования. Целью исследования является повышение эффективности эксплуатации судовых дизелей за счет более полного использования их энергетического ресурса на основе разработки и применения методов и средств, обеспечивающих комплексное оперативное информационное отображение состояния двигателя по параметрам тепловой напряженности подвижных деталей дизеля (поршень, подшипники), рабочего процесса в цилиндре дизеля, независимо от частоты его вращения, и эффективной мощности в судовых дизель-редукторных установках.
Для достижения поставленной цели исследования необходимо было решить задачи по разработке:
методологии контроля параметров рабочего процесса дизеля в условиях влияния индикаторного канала, включая методику восстановления искаженного каналом сигнала и информационно обоснованные алгоритмы получения оценок основных параметров рабочего процесса;
методологических основ и способов прямого эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей дизеля - поршня, подшипников;
метода контроля эффективной мощности двигателей и равномерности ее распределения в судовых ДРУ с электромагнитными муфтами;
программно-алгоритмического обеспечения, технической реализации и апробации средств контроля рабочего процесса и эффективной мощности, экономически целесообразных для использования на двигателях относительно небольшой мощности;
средств постоянного эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей ЦПГ и подшипников, методики их применения;
технических средств контроля эффективной мощности двигателей в ДРУ по параметрам электромагнитных муфт.
Методы исследования. Основные научные результаты получены с использованием методов гармонического анализа и синтеза, статистического, корреляционного, регрессионного анализов, анализа динамических систем, методов дифференциального и интегрального исчисления, методов компьютерного моделирования, методов структурного синтеза и схемотехники электронных и микропроцессорных устройств информационного назначения, разработки и отладки программно-алгоритмического обеспечения микропроцессорных систем.
Информационной базой исследования являются: научные публикации по теме исследования; техническая документация на средства контроля параметров судового энергетического оборудования, разработанные отечествен-
ными и зарубежными фирмами; отчеты о научно-исследовательских работах, в том числе выполненные под руководством и при участии автора; результаты выполненных автором расчетов, проведенных им натурных и компьютерных экспериментов; результаты разработки и применения опытных образцов средств контроля параметров судовых дизелей, разработанных автором, включая статистические данные по их применению и результаты их обработки.
Научная новизна исследования определяется:
разработкой методологии контроля параметров рабочего процесса дизеля с учетом влияния характеристик индикаторного канала на параметры индицирования;
предложенным методом определения показателей рабочего процесса на основе гармонического анализа развернутой индикаторной диаграммы;
разработкой методологических основ постоянного эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей судового дизеля -поршня, подшипников;
разработкой метода использования электромагнитных муфт в составе дизель-редукторных установок для контроля эффективной мощности двигателей;
разработкой программно-алгоритмического обеспечения средств контроля рабочего процесса и эффективной мощности, экономически целесообразных для применения на двигателях относительно малой мощности;
разработкой методов структурного, параметрического и алгоритмического синтеза средств эксплуатационного контроля параметров тепловой напряженности подвижных деталей дизеля.
На защиту выносятся:
- методология контроля параметров рабочего процесса дизеля, бази
рующаяся на гармоническом анализе индикаторной диаграммы,
учитывающая и/или устраняющая влияние индикаторного канала дизеля на результаты его индицирования;
метод определения параметров рабочего процесса, базирующийся на гармоническом анализе индикаторной диаграммы;
методологические основы структурного и параметрического синтеза средств эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей двигателя, а также алгоритмы обработки получаемых сигналов;
алгоритмическое обеспечение средств контроля параметров рабочего процесса, экономически целесообразных для применения на двигателях относительно малой мощности;
метод применения электромагнитных муфт судовых ДРУ для контроля эффективной мощности двигателей и технические средства его реализации.
Практическая ценность и реализация работы. Разработанные методы и технические средства позволяют решать следующие практические задачи эксплуатации судовых дизелей:
прогнозировать постепенные и предотвращать внезапные отказы, обусловленные изменением технического состояния подвижных деталей ЦПГ, отражающемся на их температурном режиме;
оперативно оценивать режим нагружения подвижных деталей ЦПГ и располагаемые запасы по параметрам тепловой напряженности;
повысить точность определения параметров рабочего процесса, в частности - СОД и ВОД, на этой основе повысить точность оценки располагаемых запасов по параметрам механической напряженности цилиндра и степень использования его энергетического ресурса;
использовать средства контроля параметров рабочего процесса на судовых среднеоборотных и высокооборотных дизелях в полном объеме их функций, без ограничений, накладываемых влиянием индикаторного канала;
индивидуально оценивать режим нагружения каждого из двигателей ДРУ по эффективной мощности и распределять общую нагрузку между двигателями, обеспечивая, тем самым, минимальный удельный расход топлива [31] и более полное использование энергетического ресурса установки;
более обоснованно, с учетом параметров тепловой и механической напряженности подвижных деталей, задавать ограничительные характеристики дизеля;
использовать параметры тепловой и механической напряженности подвижных деталей дизеля в качестве диагностических.
Разработанные автором методики и технические средства ориентированы на применение в условиях эксплуатации судовых дизелей, разработаны по условию минимальной стоимости их реализации при достижении приемлемых в эксплуатации метрологических характеристик и уровня эксплуатационной надежности, технически реализованы в виде опытных образцов и серий.
Разработки автора нашли применение и внедрены:
бесконтактные устройства контроля температуры поршня в одноцилиндровом варианте БУКТ-1, БУКТ-1М - при проведении исследований по выбору основного эксплуатационного режима СЭУ нефте-рудовозов типа "Маршал Буденный" Новороссийского морского пароходства [116], [129], (приложение 1), а также главного двигателя рыбопромысловых судов типа БМРТ "Прометей" объединения "Новороссийскрыбпром" [115];
система централизованного контроля температуры поршней БУКТ 8-2 - на главном двигателе т/х "Маршал Говоров " в составе системы оценки технического состояния (СОТС) малооборотного дизеля [125], ее применение позволило предотвратить и локализовать ряд аварий главного двигателя [119], (приложение 2);
система централизованного контроля температуры крейцкопфных подшипников БУКТ-К - в составе СОТС на главном двигателе т/х "Маршал Говоров "[119];
системы контроля рабочего процесса на основе микроконтроллеров: в Институте проблем транспорта РАН (приложение 6) и в последующем - в АО "Балтийское морское пароходство"; в объединении "Новороссийскрыбпром", на судах типа БМРТ "Прометей" [65], (приложения 5, 7); в ряде других организаций;
методика и средства контроля эффективной мощности двигателей ДРУ с электромагнитными муфтами - на серии судов типа "Атлан-тик" объединения "Новороссийскрыбпром" [83], (приложения 8, 9).
Результаты выполненных исследований используются автором в курсах лекций для судовых механиков, проходящих дополнительную подготовку в Южном региональном центре дополнительной профессиональной подготовки при НГМА, в учебном процессе судомеханического факультета НГМА при подготовке судовых механиков и электромехаников (приложения 10,11). Апробация работы. Основные научные результаты работы докладывались на отечественных и международных конференциях и семинарах: на постоянно действующем семинаре "Двигатели внутреннего сгорания" при кафедре ДВС МВТУ им. Н.Э.Баумана (1988 г.); на научных конференциях в НГМА в период 1982...2000 гг.; на международной конференции "Информационные технологии в моделировании и управлении" (Санкт-Петербург, 2000 г.); на международной конференции "Компьютерное моделирование 2002" (Санкт-Петербург, 2002 г.); на международной конференции "Безопасность водного транспорта" (Санкт-Петербург, 2003 г.), на секции энергетики Дома ученых им М.Горького (Санкт-Петербург, 2003 г.), на научно-техническом совете судомеханического факультета Государственной морской академии имени адмирала С.О.Макарова (2003 г.). Результаты и перспективы применения разработанных методов и технических средств обсуждались со специалистами БМЗ (1984 г.), ЦНИДИ (1989 г.), Новороссийского
морского пароходства (1982... 1987 гг.), объединения "Новороссийскрыб-пром" (1982... 1987 гг.).
Публикации. Результаты проведенных автором исследований отражены в 40 научных публикациях, из которых основное содержание диссертации опубликовано в научной монографии, 24 научных статьях, в том числе 6 в центральной печати, и в учебном пособии с грифом учебно-методического объединения по образованию в области эксплуатации водного транспорта. Разработки защищены тремя авторскими свидетельствами на изобретения. Результаты исследований отражены также в 8 отчетах по хоздоговорным научно-исследовательским работам, выполненным под руководством или при участии автора в качестве ответственного исполнителя.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержание работы изложено на 332 страницах, включая 245 страниц текста, 114 рисунков, 21 таблицу и список литературы из 129 наименований на 14 страницах. Приложение включает акты испытаний и внедрения разработанных методов и технических средств на 39 листах.
Методы эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей судовых дизелей
Во второй половине 1970-х годов в состав отечественного флота стали поступать крупнотоннажные суда с мощными главными малооборотными дизелями. Одной из первых серий таких судов явились нефтерудовозы типа т/х "Маршал Буденный", оборудованные главными МОД типа SRND90 (8ДКРН 90/155), номинальной мощностью 17075 кВт при «=122 об/мин. С их появлением приобрела актуальность задача назначения основного эксплуатационного режима работы СЭУ этих судов, в частности - задания ограничительных характеристик двигателя по параметрам механической и тепловой напряженности [116], [129]. Являясь фундаментальной и непреходящей задачей эксплуатации любой СЭУ, на этих судах она осложнялась периодическими тяжелыми авариями главного двигателя (ГД) - задирами цилиндров (поршней). Учитывая большой тоннаж судов, каждая авария приносила значительные убытки, как технические, так и экономические. Уровень же оснащения СЭУ информационно-измерительным оборудованием не позволял эксплуатационному персоналу своевременно предотвратить аварию -штатные средства контроля оказались малоинформативными в этой ситуации. Сказывался также недостаточный опыт эксплуатации СЭУ таких судов.
Таким образом, особую актуальность приобрела задача предотвращения внезапных отказов ГД, проявляющихся в виде задиров цилиндров. Решение ее просматривалось в форме постоянного эксплуатационного контроля параметров тепловой напряженности деталей ЦПГ, в частности - абсолютных уровней температуры и их динамики.
Для этой цели рядом фирм, работающих в области диагностирования оборудования СЭУ (в частности "Аутроника", Норвегия), разработаны технические средства температурного контроля наиболее доступных деталей ЦПГ - крышки и втулки. Однако опыт их применения не дал однозначного положительного ответа в вопросе предотвращения задиров цилиндров [99], что вполне объяснимо. Из деталей ЦПГ поршень - наименее инерционный в тепловом отношении, относительно других хуже охлаждаемый элемент. И, как следствие - наиболее чувствительный к изменению режима, прямой температурный контроль которого, по сравнению с крышкой и втулкой, осуществить гораздо сложнее. Интегральная косвенная оценка температурного режима осуществляется по температуре охлаждающей среды на выходе из поршня. Вместе с тем, конструкция поршня двигателя SRND90 имеет особенность - длинный неохлаждаемый тронк, о тепловом состоянии которого судить по температуре охлаждающей воды не представляется возможным. Как показали дальнейшие исследования, а также результаты осмотров цилиндров после задиров, именно с тронка начинается развитие аварии, проявляющееся в локальном повышении его температуры [119].
Таким образом, в тепловом отношении тронк поршня является наиболее слабым элементом ЦПГ этого двигателя, а его температура - одним из основных ограничительных и диагностических параметров, который необходимо контролировать в эксплуатации. К моменту, когда эта задача сформировалась, технические средства прямого непрерывного эксплуатационного контроля температуры поршня отсутствовали.
Измерения температур деталей ЦПГ, в том числе поршня, выполняются в заводских условиях, во время испытаний и доводки головных образцов двигателей. Результаты таких измерений приводятся в справочной литературе и технической документации на двигатели [48], [103]. Однако, они характеризуют номинальный режим работы и не могут учесть всех эксплуатационных факторов, которые способны существенно изменить температурный режим. В заводских условиях измерение температуры поршня носит кратковременный характер, поэтому к средствам измерения не предъявляется высоких требований по надежности и техническому ресурсу.
Отсутствие прямого эксплуатационного контроля температурного режима поршней судовых дизелей побуждает их разработчиков закладывать повышенные запасы прочности при проектировании и использовать более качественные материалы при постройке двигателя, а эксплуатационников -снижать его эксплуатационную мощность. В конечном итоге, энергетический ресурс двигателя не используется в полной мере. Это утверждение справедливо по отношению и к другим, не контролируемым подвижным узлам дизеля, особенно к подшипникам. Целесообразность контроля теплового режима подшипников КШМ, особенно - крейцкопфных, вызвана ужесточением условий их работы в связи с наблюдаемой тенденцией увеличения ртах судовых дизелей. Повышение механических нагрузок на подшипники, а так-же связанных с этим потерь на трение ухуддшет тепловой режим баббито-вых вкладышей, который в определяющей степени влияет на их прочност-ные свойства [85]. Актуальность задачи эксплуатационного контроля температуры подшипников судовых МОД (в том числе рамовых и мотылевых) подтверждается и работами в этой области ряда зарубежных фирм.
Попытки создания средств эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей судовых дизелей предпринимались. Так, в работе [122] приведены результаты разработки и применения системы косвенного контроля температуры поршней главных двигателей 16ZF40/40 т/х "Скульптор Коненков". В качестве датчиков температуры использовались термопары, устанавливаемые в отверстия цилиндровой втулки и на несколько десятых миллиметра не доходящие до ее зеркала. Термопары реагировали на температуру поршневых колец, проходящих мимо датчика, косвенно связанную с температурой поршней. Как указывается в этой же работе, диапазон изменения температур, воспринимаемых термопарами, был весьма узок, при значительном разбросе по цилиндрам значений температуры. Результаты измерения зависели как от режима нагружения цилиндра, так и от вторичных факторов - температуры продувочного воздуха, длины проводов термопар и др. По этой причине, судить о тепловом режиме поршня можно было лишь при сопоставлении значений температур с другими контролируемыми параметрами, а также сравнивая их по поршням. Фирмой Аутроника предложены варианты установки датчиков, контролирующих температуру масла, вытекающего из зазоров подшипников. Термодатчики устанавливаются в картере дизеля, в специальных сборниках масла, вытекающего из подшипников. Одним из вариантов, предложенных фирмой, явилась система бесконтактной передачи информации о температуре подшипника (GS-system) .
В [118] предложен вариант бесконтактного устройства для контроля температуры крейцкопфных подшипников, с обеспечением его питания от встроенного инерционного преобразователя, однако результаты его применения неизвестны.
Чтобы снизить остроту проблемы задиров, ряд судов с ГД 8RND90 был оборудован простейшей системой контактного контроля температуры поршней [129]. Система состояла из датчиков - термопар и регистрирующего прибора. Торец датчика упирался в наружную поверхность поршня (тронка), что обеспечивало как механический, так и его тепловой контакт с поршнем. В своем движении поршень скользил по торцу датчика, который, таким образом, контролировал среднюю температуру тронка по линии его движения. Применение контактной системы показало перспективность температурного контроля тронка поршня, однако проблема не могла считаться решенной из-за относительно низкой надежности этой системы. Датчики периодически выходили из строя вследствие многоцикловых ударных нагрузок, возникающих при их входе в механический контакт с поршнем.
Аналогичная проблема - недостаточная для эксплуатационного применения надежность контактных средств контроля температуры поршня дизеля отмечается и в работе [108].
В качестве одного из вариантов косвенной оценки теплового состояния поршня могут рассматриваться устройства, базирующиеся на вибро Информация по этой системе поступила к автору без раскрытия сущности технического решения.
Оценка информативности гармонических составляющих рабочего процесса дизеля
Индикаторный канал искажает частотный спектр сигнала давления. В этой связи целесообразно рассмотреть рабочий процесс дизеля в частотной области и оценить информативность его гармонических составляющих с позиции получения оценок рабочего процесса. Такая оценка выполнена с использованием моделирующей программы, алгоритм которой представлен на рис.2.2. Анализ выполнялся с целью определения количества гармонических составляющих процесса, минимально достаточного для получения достоверных оценок тех или иных показателей рабочего процесса дизеля.
Чтобы исключить зависимость получаемых оценок от абсолютного уровня давлений, введено понятие относительного модуля спектральной плотности lOlgS = 20 lg(S/S\), где S\ - модуль спектральной плотности на частоте первой гармоники спектра, a S( - модуль спектральной плотности на частоте /-той гармоники. Частота повторения рабочего процесса (fap) нормирована на уровне 1 Гц, что для двухтактного двигателя соответствует частоте его вращения 60 об/мин. Кроме спектральной плотности, рассчитывались также коэффициенты ah bt ряда Фурье. По найденным коэффициентам вычислялись амплитуды Pt и фазы ср,- гармоник (косинусоид), суммой которых представлялся периодический процесс в цилиндре дизеля :
Амплитуды гармоник представлены как в размерных единицах - барах, так и в виде цифрового кода (вырабатываемого АЦП, см. рис.2.1), фаза гармо ник - в градусах. Коэффициенты ряда Фурье и модуль спектральной плотности Si вычислялись по алгоритму, приводимому в [23].
На рис.2.4 приведены характерные спектры рабочего процесса в цилиндре дизеля, полученные с помощью моделирующей установки (рис.2.1). В табл.2.1 приведены результаты гармонического и спектрального анализа, по которым построена кривая 3 рис.2.4
Рис. 2.4 Спектры процесса в цилиндре двигателя с є=16: 1 - ИТН=0; 2 - ИТН= 1, фнвс = 3 ПКВ до ВМТ; 3 -ИТН=1, ф„вс = 3ГЖВ после ВМТ В отсутствие топливоподачи (ИТН=0) спектр затухает практически по линейному закону, достигая уровня минус 60 дБ для гармоники с номером /=20. При наличии топливоподачи (ИТН=1) спектр процесса имеет три характерных участка. На начальном участке, при / 8, спектр затухает линейно до уровня примерно минус 24 дБ, практически совпадая со спектром в отсутствие топливоподачи. В средней части темп затухания спектра существенно
Высокочастотная часть спектра (z 32) имеет некоторый подъем с последующим затуханием до уровня минус 60 дБ при / 54. Данный характер спектра сохраняется при изменении таких параметров, как, степень сжатия є и угол начала видимого сгорания срнвс. Как показали расчеты, с уменьшением є спектр затухает быстрее. При смещении угла начала видимого сгорания на линию расширения (рис.2.4, кривая 3), уровень высокочастотных составляющих процесса увеличивается, что и следовало ожидать, поскольку индикаторная диаграмма получает больший "излом" с началом сгорания топлива. Аналогичные по характеру спектры имеют индикаторные диаграммы реальных судовых дизелей. На рис.2.5 представлена индикаторная диаграмма и спектр рабочего процесса главного судового малооборотного двигателя B&W7SS0MC-6, а на рис.2.6 - вспомогательного судового среднеоборотного двигателя Wartsila 8120 . Их качественное подобие спектрам рис.2.4 свидетельствует об адекватности модели рабочего процесса (в частотном представлении) реальным диаграммам.
Процесс с отключенной топливоподачей используется при настройке в СКРП углов ВМТ. В этой связи целесообразно более детальное исследование его спектра.
При ИТН=0 факторы, сопровождающие процесс сгорания в цилиндре, не действуют, процесс симметричен относительно ВМТ, а амплитуды высших гармоник спектра значительно меньше, чем при наличии топливопода-чи. В этих условиях параметрами, влияющими на давление в процессе и на его спектр, являются степень сжатия є и давление продувочного воздуха . В табл. 2.2 и табл. 2.3 приведены результаты численного спектрального анализа моделируемого процесса для двигателя с одинаковой степенью сжатия, но при двух значениях давления продувочного воздуха Диаграммы получены с помощью судовой СКРП Malin 3000, а их спектры - обработкой этих диаграмм в системе Matlab.
Из табл. 2.2 и табл. 2.3 следует, что с увеличением номера гармоники ее модуль относительной спектральной плотности 20 IgSf (и амплитуда)уменьшается практически по линейному закону, достигая уровня минус 40 дБ для /=12, и от давления ps продувочного воздуха не зависит. Следует также отметить, что все нечетные гармоники спектра имеют начальный фазовый сдвиг 180, а все четные - 0.
Параметром, сильно влияющим на спектр сигнала в цилиндре, является степень сжатия є. При сохранении общего характера изменения спектра (линейное снижение уровня спектральных составляющих с ростом номера гармоники), с увеличением степени сжатия темп уменьшения гармоник снижается. Так, для є=8 уровню минус 40 дБ соответствует гармоника /=10, а при є=18 - гармоника с номером /=15.
Для выявления закономерности изменения спектра, были рассчитаны спектры процесса в цилиндре для значений степени сжатия в диапазоне 8... 18. Зависимость модуля относительной спектральной плотности первых 10 гармоник, в функции номера гармоники, аппроксимировалась квадратичным полиномом вида: где a,b,c- коэффициенты полинома;/ - номер гармоники. Результаты вычислений коэффициентов аппроксимирующих полиномов приведены в табл.2.4. Ошибка аппроксимации для всех вариантов расчетов не превысила 0,2 дБ.
Таблица 2.4 С целью получения обобщенного выражения для спектра, зависимость коэффициентов а, Ь, с аппроксимирующих полиномов от степени сжатия в свою очередь была аппроксимирована полиномом такого же вида. Полученное обобщенное выражение для модуля относительной спектральной плотности сигнала в цилиндре, при ИТН=0 и в диапазоне изменения є=8... 18, имеет вид:
Данное выражение позволяет вычислить с погрешностью не более0,55 дБ модуль любой из первых 10 гармоник спектра при изменении степенисжатия в диапазоне є=8...18, при любом значении давления продувочноговоздуха. Последнее обстоятельство представляется важным, учитывая, чтосудовой дизель, как правило, имеет турбонаддув mps зависит от развиваемойим мощности. Как показывают результаты моделирования, на выходе индикаторного канала модуль относительной спектральной плотности сигнала от давления ps также не зависит.
Оценим информативность гармоник рабочего процесса с позиции определения среднего индикаторного давления. Для работы, совершаемой газами в цилиндре, можно записать:где/?расш(Ю давление газов на линии расширения; Рсж(У) - давление газов на линии сжатия; dV - изменение объема цилиндра;У ты-, У max соответственно минимальный и максимальный объем цилиндра. Вместе с тем, по определению среднего индикаторного давления:поршня.В свою очередь, перемещение поршня dS связано с изменением углаПКВ dq соотношением:
Последнее выражение может быть получено из анализа кинематики кривошипно-шатунного механизма, если за точку отсчета принять положение НМТ.
При использовании последнего выражения можно сделать допущение X sin ф«1, которое упрощает алгоритм определения pmi. Как показывает расчет, при А, 0,4 ошибка определения pmi из-за упрощения формулы для dS не превышает 0,9% и быстро снижается с уменьшением X. Для А,=0,25 ошибка составляет 0,25%, а при А,=0,2 близка к нулю.С учетом указанного допущения можно записать:
Методы и средства контроля температуры поршня в одноцилиндровом варианте
Синтез наиболее рациональной структуры ПБ и НБ является многоэтапным процессом, базируется на анализе известных аналогов, результатах разработки и применения опытных образцов. Для апробации предложенных принципов был разработан опытный образец системы в одноцилиндровом варианте, получившей наименование бесконтактного устройства контроля температуры (БУКТ) поршня (рис.3.3). Реализованное в нем техническое решение защищено авторским свидетельством.
В качестве датчика температуры (2) (рис.3.3,а) использован термистор, с учетом его высокой чувствительности и приемлемого рабочего диапазона температур в контролируемой точке поршня (1). Подвижный блок (3) закреплен на поршне и взаимодействует с НБ (4), когда поршень приходит в НМТ. Неподвижный блок установлен в подпорш-невом пространстве и кабелем (5) связан с центральным блоком (6).
Подвижный блок включает в себя преобразователь сопротивления в частоту (ПСЧ), стабилизатор напряжения, накопитель энергии (блок конденсаторов), выпрямитель, а также передающую часть ТИ и приемную часть ТП.Передающая катушка ТИ и приемная катушка ТП, расположенные в ПБ, конструктивно идентичны и выполнены в виде плоских катушек, входящих в пазы НБ. При положении поршня в НМТ между катушками токосъемников имеется воздушный зазор несколько миллиметров.
Преобразователь сопротивления в частоту вырабатывает сигнал, частота которого пропорциональна температуре нагрева термистора. Когда поршень приходит в НМТ, этот сигнал через ТИ поступает в НБ и далее - в ЦБ, где отрабатывается. Центральный блок построен по схеме цифрового частотомера. Одновременно, через ТП накопитель энергии подпитывается и, когда с уходом поршня из НМТ энергия от токосъемника питания не поступает, обеспечивает через стабилизатор нормальную работу преобразователя. В следующий приход поршня в НМТ накопитель подзаряжается.
Опытный образец БУКТ был установлен на одном из поршней двигателя 8RND90 т/х "Маршал Конев" и в течение нескольких месяцев находился в опытной эксплуатации, измеряя температуру тронка поршня в задироопас-ной зоне. В течение всего периода опытной эксплуатации устройство работало стабильно и надежно, не требуя технического обслуживания, при отсутствии признаков каких-либо износов или изменения характеристик. БУКТ реагировало на такие изменения теплового режима поршня, которые не могли зафиксировать штатные судовые средства измерения и были связаны с незначительными изменениями нагрузки двигателя, режима охлаждения и т.д. (см. [116], приложение 1).
Положительный опыт эксплуатации опытного образца БУКТ показал перспективность дальнейших исследований в области эксплуатационного контроля температуры подвижных деталей дизеля. В результате этих работ был разработан усовершенствованный вариант прибора, получивший наименование БУКТ-Ш (рис. 3.4).
В качестве ПСЧ в ПБ БУКТ-1М использована схема мультивибратора с коллекторно-базовыми связями и корректирующими диодами [21]. Зависимость у=1/(Д,) частоты/сигнала мультивибратора от сопротивления Я, тер-мистора и других времязадающих элементов (J?6 С,, С2) имеет вид
Однако при рациональном выборе параметров, ее нелинейность в значительной степени компенсируется нелинейностью характеристики термистора R,=f(f). В итоге, суммарная характеристика /=ц (ҐС) имеет участок t\...t2, на котором частота сигнала/изменяется пропорционально температуре термистора (рис.3.5). Диапазон t\...ti, на кото ром погрешность от нелинейности не превышает 1...2С может составлять 60...90С. При этом частота сигнала изменяется в диапазоне 10... 100 кГц.
Термистор R; включен в одно из плеч мультивибратора в качестве одного из времязадающих элементов. Это приводит к тому, что с изменением R, изменяется как частота, так и скважность генерируемых импульсов, а мультивибратор переходит в режим жесткого самовозбуждения. Для обеспечения работоспособности мультивибратора в широком диапазоне изменения скважности и его надежного запуска, в состав ПБ введена схема запуска мультивибратора (триггер Шмитта). При подходе ПБ к НБ мультивибратор получает питание и, когда оно достигает требуемого уровня, запускается в работу.
Как показали испытания, схема ПСЧ обладает весьма высокой стабильностью. Так, при изменении R, в диапазоне 1 кОм...ЗО кОм и температуры окружающей среды ПБ =20...80С, погрешность частоты сигнала, обусловленная изменением напряжения питания Un в пределах 7+12 В нахо
Влияние переменной нагрузки на точность контроля
В условиях хода судна на волнении на среднее значение крутящего момента накладывается переменная составляющая, величина которой зависит от силы волнения и ряда других факторов. Поскольку задачей контроля является определение средних по времени значений момента и мощности двигателя, то переменная составляющая рассматривается как помеха, приводящая к дополнительной ошибке измерения. Ниже выполнен анализ этой ошибки.
Для упрощения анализа все элементы ДРУ рассматриваются как линейные безинерционные звенья, морское волнение носит регулярный характер (зыбь), передаточное отношение редуктора равно единице. Крутящий момент может быть представлен выражением:где M(t) - мгновенное значение крутящего момента; Мср - среднее значение крутящего момента; М„ - амплитуда переменной составляющей крутящего момента;сок - круговая частота переменной составляющей момента;t - время,2л здесь Шк=у,где Т- период переменной составляющей крутящего момента.
С учетом сделанных допущений можно считать, что скольжение муфты описывается законом, аналогичным (4.12). Аналогичным законом описывается и разность частот вращения дц-ир, измеряемая прибором ИОН за время измерения tam. Учитывая, что двигатели работают по регуляторной характеристике и n const, можно считать, что прибор ИОН дает в виде измеряемой за tmM разности пд-пр, с некоторым коэффициентом пропорциональности, прямую оценку крутящего момента. Поэтому в дальнейшем можно оперировать непосредственно выражением (4.12).
По принципу действия прибор ИОН является интегрирующим устройством и дает среднюю за время измерения оценку крутящего момента, определяемую выражением: изм. .Дмср + М sinayjpiгде Мср изм - средняя за время измерения оценка крутящего момента.
Очевидно, в идеале Мср изм должно быть равно Мср, что достижимо только при равенстве нулю второго члена подынтегрального выражения. Это возможно при условии, что во временной интервал измерения укладывается целое число периодов переменной составляющей момента или при tmM»T. Реально эти условия не могут быть выполнены, что обусловливает относительную ошибку 8 в оценке крутящего момента, определяемую выражением:
Решив последние два уравнения относительно 5 получим: 5 = где 1тм - относительное время измерения,
График зависимости (4.14) представлен на рис.4.5. Огибающая кривой 5 =/(fH3M) на рис.4.5 является зависимостью максимального значения ошибки от времени измерения и определяется выражением:
Задачей дальнейшего анализа является нахождение такого минимального времени измерения, при котором 8 . не будет превышать допустимого значения. В первом приближении можно принять Ь тах = 0,005 (0,5%).
Из (4.15) следует, что при увеличении М_ для поддержания Ъ тах на заданном уровне необходимо увеличивать и їти. Для оценки погрешности примем М_=0,25-Мср. Считая, что M(t) не может быть больше номинального крутящего момента двигателя, условию М.=0,25-Мср соответствует диапазон изменения крутящего момента двигателя от номинального до половины номинального. Подстановкой 8 = 0,005 и М.=0,25-Л/ср в (4.15) получено
Для определения tmM необходимо оценить частоту переменной составляющей крутящего момента, которая зависит от частоты волнения, скорости Г и курсового угла судна относительно направления распространения волн. Данные параметры связаны выражением [92]:где сов - частота волнения;V- скорость судна;Ф - курсовой угол;g - ускорение силы тяжести. На волнении скорость судна (типа "Атлантик" ) может быть принята ориентировочно 5,2 м/с (10 узлов). Частоту шв зададим как частоту, соответствующую максимуму спектральной плотности ординат волнового профиля. При высоте волн 3% обеспеченности (3,5...6,0) м, что соответствует интенсивности волнения (5...6) баллов, максимум теоретического спектра волнения (спектр Неймана) находится в диапазоне частот сов=(0,6...0,7) рад 1 [92]. Подстановкой сов в выражение для сок, с учетом T=(oJ2n, можно найти, что в диапазоне изменения курсового угла судна (0...180)0 период переменной составляющей крутящего момента будет находиться в пределах 7=(6,4...15,0) с. Частота переменной составляющей момента, приведенная к муфте, будет выше, поскольку со стороны винта редуктор является повышающим, с передаточным числом /=2,2 (для судов типа "Атлантик"). С учетом Тизм = 15,9 получим, что время измерения должно быть не менее tmM=(46... 115)с.
Чтобы прибор ИОН давал прямой результат измерения частот вращения, время измерения должно быть кратно 100 с (если на валу установлено 6накладок). Для не превышения заданной 5 необходимо выбрать tmM=200 с. Это время измерения реализовано в модернизированном варианте прибора ИОН.При уменьшении волнения моря данная ошибка будет снижаться как вследствие уменьшения М., так и вследствие увеличения сов.
Влияние нелинейности муфты иллюстрирует рис.4.6. Пусть крутящий момент описывается выражением (4.12). Среднему истинному значению момента Мср соответствует среднее истинное скольжение scp. Мгновенные значения скольжения s(t) вследствие нелинейности характеристики муфты будут смещены относительно значения 5ср. Являясь по принципу действия интегрирующим, прибор ИОН за время измерения даст среднее измеренное значение скольжения ср.изм- Как видно из рис.4.6, Яср.изм % Поэтому найденное по Уср.изм среднее измеренное значение крутящего момента Мф.изм (например, по формуле (4.2)) будет завышено относительно Мср. Это приводит к дополнительной ошибке измерения, величина которой возрастает с увеличением переменной составляющей крутящего момента и нелинейности характеристики муфты. Ниже дана оценка величины этой погрешности.Решив (4.2) относительно скольжения и учитывая временной характер изменения s и Мд, получим:
