Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние и перспективы развития главных судовых дизелей и их технической эксплуатации 8
1.1. Анализ развития судовых дизельных энергетических установок 8
1.2. Основные тенденции развития технической эксплуатации главных двигателей 12
1.3. Анализ применимости информационных технологий для решения задач технической эксплуатации ГД 15
Задачи исследования 18
2. Компьютерная поддержка и анализ информационной базы решения задач технической эксплуатации ГД 20
2.1. Информационно-вычислительные комплексы, используемые при эксплуатации современного судна 20
2.1.1. Анализ современного состояния использования информационных технологий в судовых условиях 21
2.1.2. Оценка перспектив использования информационного взаимодействия
2.2. Анализ информационной базы для решения задач технической эксплуатации ГД 29
2.3. Особенности формирования информационной базы ГД 33
Выводы по главе 37
3. Моделирование режимов работы и эксплуатационных характеристик главного судового дизеля .39
3.1. Требования к моделям элементов ГД, используемых для решения эксплуатационных задач 39
3.2. Выбор типа модели и анализ возможных методов их получения в условиях эксплуатации 41
3.3. Программа расчёта статистических моделей 45
3.4. Определение структуры модели судового малооборотного дизеля 50
3.5. Определение структуры модели пропульсивного комплекса .55
3.6. Особенности моделирования ограничительных характеристик судовых дизелей 59
Выводы по главе 70
4. Выбор аппаратурных средств и методов контроля технического состояния основных элементов главного двигателя 71
4.1. Контроль индикаторного процесса и параметров топливоподачи 71
4.2. Обеспечение контроля температур деталей ЦПГ
в условиях эксплуатации 77
4.3. Обеспечение эксплуатационного контроля технического состояния крейцкопфных подшипников 83
4.4. Аппаратурные методы контроля технического состояния пропульсивного комплекса 94
4.5. Информационно-вычислительная система главного двигателя 96
Выводы по главе 103
5. Формирование информационной базы решения задач технической эксплуатации ГД в условиях эксплуатации 104
5.1. Выбор методики получения экспериментальных данных для формирования эталонных и текущих моделей 104
5.2. Основные характеристики контрольно-измерительной аппаратуры, использованной в эксперименте. Оценка погрешностей 111
5.3. Формирование базы данных отказов ЦПГ при термометрировании поршней 114
5.3.1. Анализ термограммы развития задира ЦПГ цилиндра № 3 114
5.3.2. Анализ термограмм предзадирных состояний ЦПГ цилиндров № 8 и 6 120
5.3.3. Анализ термограмм поршней, предшествующих обнаружению водотечных трещин цилиндров №5и7 127
5.4. Формирование базы данных ограничительных параметров для оценки режима работы двигателя 132
Выводы по главе 136
6. Разработка алгоритмов и программного обеспечения поддержки принятия решений в задачах технической эксплуатации ГД 138
6.1. Оценка технического состояния ГД и идентификация неисправностей 138
6.2. Формализация процедур принятия решения выбора допустимого режима главного двигателя 139
6.3. Формализация процедур по предотвращению внезапных и прогнозированию постепенных отказов 145
6.4. Формализация процедур по оценке сроков докования, технического обслуживания и ремонта ГД 164
Выводы по главе 172
Заключение 173
Использованная литература
- Анализ применимости информационных технологий для решения задач технической эксплуатации ГД
- Оценка перспектив использования информационного взаимодействия
- Определение структуры модели пропульсивного комплекса
- Обеспечение эксплуатационного контроля технического состояния крейцкопфных подшипников
Анализ применимости информационных технологий для решения задач технической эксплуатации ГД
В процессе технической эксплуатации ГД решается несколько различных по характеру задач, поэтому её принято разделять на техническое использование, техническое обслуживание и ремонт.
Техническое использование предусматривает обеспечение надёжной, эффективной и экономичной работы ГД при выполнении заданной скорости судна. Совершенство технического использования определяется технически обоснованным и правильным выбором режимов работы ГД, эффективностью контроля, поддержания и регулирования этих режимов, рациональным использованием горюче-смазочных материалов, запасных и сменных деталей и выполнением всего комплекса мероприятий по эксплуатации главного двигателя. От выбранного режима зависят экономичность, надёжность, ресурс и безаварийная работа судового дизеля и другого оборудования. Поэтому выбор оптимальных режимов эксплуатации является первостепенной задачей технического использования. В то же время задание режимов требует знаний закономерностей изменения энергетических, экономических показателей, понимания связей конструктивных, теплотехнических и режимных параметров с показателями определяющими уровни механических и тепловых нагрузок. Это особенно важно в связи с существующей тенденцией повышения тепловой и механической напряжённости судовых дизелей.
На основании исследований и опыта эксплуатации судовых дизелей разработаны общие принципы нормирования режимов работы главных двигателей /41, 50, 76/. Они предусматривают предупреждение перегрузки двигателя, для чего параметры регламентируются ограничительной характеристикой. Однако из-за недостаточности информации об уровнях тепловой и механической напряжённости двигателя в условиях эксплуатации выбор режима обычно производят с назначением обязательного запаса мощности на величину до 5 %, что явно не соответствует требованиям по улучшению использования флота и повышению эффективности перевозок.
Ошибки при назначении допустимой нагрузки ГД могут приводить или к недоиспользованию построечной мощности и снижению провозоспособности флота, или к перегрузке двигателя. Обе крайности связаны с финансовыми издержками судовладельцев и потерями прибыли.
Другой важной задачей технического использования является сокращение затрат на горюче-смазочные материалы за счёт тщательного регулирования дизеля, правильного назначения режимов его работы и постоянного поддержания его в надлежащем техническом состоянии, использования высоковязких остаточных топлив.
Главной задачей технического обслуживания и ремонта является поддержание и восстановление технико-эксплуатационных показателей судового оборудования в оптимальные сроки.
Таким образом в процессе эксплуатации ГД решаются две основные тесно взаимосвязанные задачи: использования и обслуживания. При техническом использовании ГД решающее значение имеет контроль его ТС, основой которого является получение и анализ информации об управляемом объекте. От качества и количества анализируемой при этом информации существенно зависит эффективность эксплуатации. Важной процедурой во время обслуживания является диагностирование технического состояния оборудования и поиск причин неисправностей и отказов. От успеха этой процедуры зависят сроки восстановительных работ. Информация, получаемая с помощью средств технической диагностики, позволяет оценивать техническое состояние системы (дизеля, отдельных его элементов) и на этой основе своевременно осуществлять необходимые регулировочные работы, что, в свою очередь, не только способствует повышению её надёжности, но и позволяет поддерживать на высоком уровне технико-экономические показатели её работы /4, 47, 54, 108, 111/.
Увеличение сложности современных СЭУ ведёт к значительному росту количества контролируемых параметров, повышению скорости энергетических процессов и сопровождается ростом точности измерительных устройств. В настоящее время контроль за состоянием энергооборудования осуществляется по сотням контрольно-измерительных приборов. Например, на т/х "Борис Бутома" контролируется 252 параметра, а на немецком пароме "Мекленбург-Форпле-мерн" микропроцессорная система контроля и сигнализации машинного отделения включает около 1300 точек измерений /72, 94/.
В современных СЭУ потоки информации могут достигать 250 бит/с, в то время как максимальный поток информации, который способен пропустить оператор, не превышает 10 бит/с /55/. Учитывая, что трудозатраты на контроль в сферах управления и обслуживания соотносятся приблизительно как 1/3, можно ожидать, что с внедрением систем технического диагностирования объём информации возрастёт ещё более значительно.
Конкуренция на современном фрахтовом рынке вынуждает судоходные компании искать пути сокращения эксплуатационных и непроизводительных расходов в том числе за счёт сокращения численности судовых экипажей и береговых служб. Поэтому наблюдается тенденция к тому, что сбор и анализ информации об условиях работы и эксплуатационной надёжности СТС сосредотачивается на заводах-изготовителях. Такое дробление информации об опыте эксплуатации СЭУ конкретных судов по заводам-изготовителям снижает эффективность её использования. Переход на обслуживание судов сокращёнными сменными экипажами (в отличие от закреплённых) также приводит к частичной потере информации об особенностях эксплуатации СЭУ.
В сложившихся условиях целесообразно функции судового экипажа ограничить задачами управления и диагностирования, а задачи технического обслуживания и ремонта передать береговым специалистам. Такая практика уже широко используется зарубежными судоходными компаниями.
Рост информационной нагрузки на судовых специалистов усугубляется большим разнообразием оборудования и сложностью его функциональных взаимосвязей. В результате, как показывает статистика, наибольшее число аварий происходит из-за ошибок судовых специалистов. В связи с этим одной из перспективных тенденций развития технической эксплуатации СЭУ следует считать расширение масштабов использования современных информационных технологий, которые уже сегодня позволяют усовершенствовать процессы сбора, обработки, накопления и анализа эксплуатационной информации о конкретных судах и их энергетических установках.
Оценка перспектив использования информационного взаимодействия
База данных ограничительных значений контролируемых параметров ГД формируется по данным нормативной документации или расчётом предельно-допустимых значений параметров с помощью эталонных моделей.
База данных текущих значений контролируемых параметров формируется расчётом по текущим моделям, а исходная информация поступает из базы данных режимных значений.
База данных прогнозируемых значений параметров формируется расчётом по математическим моделям трендов.
Программное обеспечение алгоритмов решения основных задач технической эксплуатации ГД образуется из пакетов прикладных программ, взаимосвязанных через базы данных параметров и системы моделей.
Пакет прикладных программ "Статистическая обработка". Организация обработки данных может осуществляться как в реальном времени, так и с предварительным их накоплением в памяти ЭВМ. Поэтому возникает необходимость весь процесс обработки информации разбивать на предварительную и полную. При предварительной обработке устраняются различные искажения исходного временного ряда, отсеиваются ошибочные значения и обеспечивается выбор исходных параметров для дальнейших расчётов. При полной обработке вычисляется большинство статистических характеристик случайных процессов. Эти процедуры выполняются для всех контролируемых параметров.
Программа "Определение параметров эталонных моделей" обеспечивает построение моделей разных элементов ГД и разными методами моделирования. Информация для построения моделей поступает из базы данных режимных значений или с пульта оператора. После определения параметров модели проверяется её адекватность объекту моделирования при его нормальном техническом состоянии. Если это условие выполняется, то данные о модели помещаются в базу данных эталонных моделей соответствующих элементов дви 32 гателя. Параметры текущих моделей рассчитываются по этой же программе и отражают техническое состояние элементов двигателя в данный конкретный период времени. Программа "Расчёт эталонных значений параметров" реализует процедуры идентификации контролируемых параметров по соответствующей эталонной модели на текущем режиме работы ГД. Рассогласование режимных и эталонных значений может использоваться как диагностический признак при оценке изменения технического состояния элементов двигателя.
Исследованиями /104, 106, 112/ установлено, что периодически через 200-300 часов нормальной работы (10-15 суток) должна выполняться корректировка эталонных моделей для восстановления их адекватности. Восстановленная эталонная модель становится текущей, которая в свою очередь также должна периодически восстанавливаться.
Программа "Расчёт ограничительных значений параметров" обеспечивает расчёт предельно-допустимых значений контролируемых параметров по эталонным моделям. Полученные ограничительные значения контролируемых параметров сохраняются в соответствующей базе данных.
Программа "Расчёт текущих значений параметров" реализует процедуры идентификации контролируемых параметров по соответствующей текущей модели на заданном режиме работы ГД.
Программа "Восстановление адекватности моделей ". Реализация процедур адаптации приводит к восстановлению адекватности текущей модели и объекта исследования за счёт корректировки её параметров без изменения вида и состава модели. Параметры каждой текущей модели должны сохраняться в базе данных с датами их получения для построения в последующем трендов контролируемых параметров.
Программа "Расчёт тренда КП" обеспечивает сравнение в процессе эксплуатации измеренного значения контролируемого параметра с расчётным по эталонной (текущей) модели. В результате использования методов регрессионного анализа производится построение модели тренда с помощью программы "Расчёт модели тренда ".
Пакет прикладных программ по реализация алгоритмов решения следующих основных задач технической эксплуатации главных судовых дизелей: - оценка технического состояния и идентификация неисправностей; - предотвращение внезапных и прогнозирование постепенных отказов; - назначение допустимого режима с учётом технического состояния и внешних условий плавания; - определение объёмов и очерёдности технического обслуживания, межремонтных и междоковых периодов. Автоматизировать обработку базы данных контролируемых параметров и обеспечить информационной поддержкой оператора при решении поставленных основных задач ТЭ ГД возможно только при наличии достаточно надёжных алгоритмов (раздел 6).
База данных системы моделей включает эталонные и текущие (локальных и интегральных) модели, модели трендов контролируемых параметров и предотказных (предзадирных) состояний.
Программное обеспечение и база данных системы моделей генерируют информацию нового качества, нужную для принятия правильных решений.
В связи с ужесточением международных требований к безопасной эксплуатации судов и предотвращению загрязнений окружающей среды, формирование информационной базы о технической эксплуатации ГД происходит на различных уровнях (рис. 2.3): межгосударственном (СОЛАС, МАРПОЛ, МКУБ, ПДМНВ 78/95), государственном, ведомственном (нормативные и руководящие документы), на уровне судовладельца (приказы, рекомендации) и завода-изготовителя ГД (инструкции) /107, 117/.
Определение структуры модели пропульсивного комплекса
Для получения статистических моделей непосредственно в условиях эксплуатации разработана программа Model (число факторов от одного до пяти). Программа реализована на языке Турбо Паскаль 6.0. Для написания интерфейса использованы элементы Turbo Vision. Системные требования для работы программы: процессор не ниже 80486 или полностью совместимый с ним, монитор VGA не менее 550 Kb «нижней» памяти, Windows 95 или DOS версии 3.0 и выше.
Программа Model в отличие от стандартных (Statgraf и др.) позволяет автоматизировать процедуры корректировки моделей и входит в интегрированный пакет прикладных программ "Дизель эксперт".
При реализации однофакторных моделей предусмотрена возможность задания максимальной степени регрессии от первой до девятой, для многофакторных - при необходимости можно добавлять до 18 дополнительных сочетаний факторов. В программе предусмотрена возможность сохранять вводимые выборки под указанным именем, при этом сохраняемые данные автоматически помещаются в соответствующий раздел базы данных и указывается текущее время и дата. После ввода данных их можно просмотреть и корректировать при необходимости. Далее указывается максимальная степень регрессии или задаются влияющие совокупности факторов. Когда данные введены и выбрана форма зависимости, выполняется расчёт коэффициентов регрессии и формируется файл отчета. Файл отчёта содержит следующие данные: уравнение зависимости, критерий Фишера, среднеквадратическое отклонение, исходную выборку, на основании которой производился расчёт и расчётный отклик для каждой строки матрицы.
Для расчёта однофакторных зависимостей был использован метод наименьших квадратов. Получение многофакторных зависимостей в программе базируется на алгоритмах регрессионного анализа. Вид функции Y выбирается в виде полинома (отрезка полинома), выбор которого зависит от предполагаемого характера зависимости и необходимой точности. Математическое ожидание функции представляют в виде: M(Y) = b0 +±ЬІХІ +ІЬ,Х +ьмХ,.2 +... , (3.1) i=l i j i=l где b - коэффициенты регрессии bj - df /Ж,; b2 = df /aX2; b12 = 32f/dXldX2... (3.2) По результатам опыта можно найти только выборочные значения X и Y, т.е., например, их точечные оценки - yib b b b . Тогда уравнение регрессии примет вид: У = Ь0 + 1Ь;х, +b. х;х +Ia,x,2 +... (3.3) i=l J 1=1
Выбор вида функции базируется на физических предпосылках, материалах решения аналогичных задач и т.д. Выбранный вид функции в процессе регрессионного анализа проверяется по соответствующим критериям и при необходимости может быть уточнён. Для упрощения способов нахождения коэффициентов регрессии важно принять следующие допущения /42/: - результаты наблюдений уь У2,..., уь... уп (где п - число наблюдений над величиной Y) представляют собой независимые, нормально распределенные случайные величины; - дисперсии D(y;) равны друг другу или пропорциональны какой-то известной функции Ф(У); - переменные Xi;.Х2, Хк являются независимыми и изменяются с пренебрежимо малой погрешностью по сравнению с величиной сг[у; ].
Методы вычисления коэффициентов регрессии базируются на аппарате матричного исчисления /5, 33/. Пусть мы имеем выборку из п опытов. При этом исследуемая величина зависит от к факторов. Тогда результаты эксперимента можно представить в виде матрицы наблюдаемых значений параметров: X =
При этом первый столбец матрицы эксперимента представляет собой значения свободного члена регрессии. Так как непосредственно в опыте его величина не может быть получена, столбец заполняется единицами.
По этим данным можно найти точечные оценки коэффициентов регрессии. Для этого, используя метод наименьших квадратов составляют п несовместных уравнений: b0x01 +b,xn +... + b,x„ +... + bkxkl =у,; b0x02+b,x12+... + bixi2+... + bkxk2 =у2; ) boxoj +bixij +- + Ьіхи +... + bkxkj = yjj boxo„+b.xi„+- + bix,n+- + bkxkn =yn_ (3.5) Из этой системы уравнений можно определить (к+1) коэффициентов регрессии. Характерной особенностью получаемой системы уравнений является отсутствие квадратной структуры (число уравнений превышает число искомых коэффициентов). Поэтому для решения такой системы использован матричный метод по следующему алгоритму /33/:
Обеспечение эксплуатационного контроля технического состояния крейцкопфных подшипников
Условия технической эксплуатации главных судовых дизелей определяет большое разнообразие нагрузочных режимов, которые в зависимости от на-вигационно-метеорологической обстановки могут меняться непредвиденно. Такие изменения даже при нормально действующей регулирующей аппаратуре могут приводить к более или менее длительной работе дизеля с перегрузкой по каким-либо из параметров тепловой и механической напряжённости деталей ЦПГ, подшипников.
К общим причинам возникновения перегрузки относятся следующие: увеличение шероховатости корпуса судна из-за износа после 3-5 лет эксплуатации; обрастание корпуса; "утяжеление" винта при плавании на мелководье, при встречных ветрах и течении; плавание во льдах и при волнении; изменение технического состояния самого двигателя; буксировка воза; повышение влажности и температуры воздуха; выключение из работы отдельных цилиндров; ухудшение работы воздухоохладителей и газотурбокомпрессоров.
Согласно существующей практике выбор режима эксплуатации ГД производится на основании поля допустимых режимов и ограничительных характеристик, традиционно представляемых заводом-изготовителем графически в виде зависимости допустимых значений среднего эффективного давления или другого параметра от частоты вращения. Обычно ограничения касаются таких показателей, как крутящий момент, среднее эффективное (индикаторное) давление, коэффициент избытка воздуха при сгорании, температура выпускных газов, тепловая и механическая напряжённость основных наиболее нагруженных деталей двигателя (втулка и крышка цилиндров, поршень, выпускной клапан, подшипники) /37, 62, 68, 84, 100/. Кроме этих основных могут быть выставлены и другие дополнительные ограничительные требования.
Современные судовые дизели всех типов отличаются высокой степенью форсирования рабочего процесса, что не может не проявиться в сближении эксплуатационной и предельной напряжённостей в элементах деталей ЦПГ, подшипников несмотря на постоянное совершенствование их конструкций и улучшение технологии изготовления.
На рис. 3.2 представлена диаграмма выбора режима работы дизелей типа МС фирмы МАН - Б и В. Если в первые годы эксплуатации этих дизелей фирма рекомендовала использовать поле допустимых режимов с ограничительными характеристиками СВ, BD, DF (рис. 3.3), то после 1991 г. рекомендации фирмы изменились: поле допустимых режимов ограничили характеристиками СВ, ВА, АК, KL. CBDF - поле допустимых режимов по рекомендациям фирмы до 1991 г. (PORF - для допустимой кратковременной работы); CBAKL - поле допустимых режимов по рекомендациям фирмы после 1991 г. (PNML - для допустимой кратковременной работы); СВ - ограничительная характеристика по крутящему моменту; BD - ограничительная характеристика pmeH = const.; АК - ограничительная характеристика допустимой максимальной мощности; RF и ML - ограничительные характеристики по частоте вращения соответственно до 1991 г. и после. чей большой экономической важности и позволяет обеспечить проектные показатели надёжности и ресурса двигателя в условиях эксплуатации с максимальным коэффициентом использования построечной мощности /58, 84/. Для каждого типа дизеля вид ограничительной характеристики определяется его конструктивными особенностями, характеристикой наддува, особенностями системы охлаждения и топливной аппаратуры; свойства ТНВД и форсунок в большой степени определяют организацию и динамику рабочего процесса, а следовательно, тепловую и механическую нагрузки на детали ЦПГ, подшипники. Однако ограничительные характеристики определяются на стенде завода-изготовителя без дифференцированного учёта эксплуатационных факторов и предназначены для использования при неизменном техническом состоянии для всех дизелей одной марки. При этом фирмы не приводят ни экспериментального, ни теоретического обоснования расположения ограничительных кривых. Известные способы назначения ограничительных характеристик базируются: - на расчёте /68, 100/ по статистическим данным работы дизеля по номинальной винтовой характеристике с использованием критерия ос/т],, = idem; - на данных специальных стендовых испытаний по оценке предельных значений температур отработавших газов и деталей ЦПГ /97, 98, 104/; - на результатах длительных теплотехнических испытаний по экспериментальному выбору коэффициентов наклона характеристик /50/.
Опыт эксплуатации показывает, что для одного и того же двигателя, установленного на судах разного назначения, абсолютные значения контрольных перегрузочных параметров могут быть различными. Поэтому ограничительные характеристики следует рассматривать индивидуально в соответствии с типом судна, режимом его эксплуатации, районом плавания, применяемым топливом и маслом, а также параметром, по которому оценивается предельный режим. Кроме того, ограничительные характеристики следует периодически проверять и корректировать в конкретных условиях эксплуатации (при существенном изменении режимов работы судна, увеличении календарного периода и других заметных изменениях условий эксплуатации).
Учитывая доминирующее влияние тепловых нагрузок на работоспособность деталей ЦПГ и то, что наиболее объективную информацию о теплона-пряжённости даёт прямое измерение температур в характерных зонах, лимитирующих надёжность данного элемента и дизеля в целом, необходимо особое внимание обращать на автоматизацию контроля за тепловым состоянием зоны камеры сгорания /37, 62/. Поскольку температурный уровень зависит не только от режима работы двигателя, но и от его технического состояния, сорта применяемого топлива и других факторов, температура детали ЦПГ может быть использована в качестве ограничительного критерия, определяющего предельный уровень мощности двигателя. В связи с этим возникает необходимость разработки аппаратурных средств прямого контроля температур деталей ЦПГ в характерных зонах в условиях эксплуатации. Решение этой задачи рассматривается в следующих главах.
В соответствии со своим назначением ограничительные характеристики определяют возможность длительной работы двигателя с приемлемой вероятностью отказов деталей ЦПГ и в общем случае могут задаваться уравнением pmi = f (п) при условии ограничения значения температуры в характерной диагностической зоне: tn [ tn ]; tBT [ tBT ]; t [ t ].
Самым достоверным способом определения величины предельно допустимого значения диагностического параметра ( [ tn ], [ tBT ], [ t ] ) - является вывод двигателя, находящегося в номинальном техническом состоянии, на режим предельной мощности (согласно инструкции завода-изготовителя). Замеренные на этом режиме значения диагностических параметров можно считать ограничительными. Однако такой способ практикуется лишь на заводских испытательных стендах. В реальных условиях эксплуатации такие эксперименты практически невозможны как по организационным, так и по психологическим причинам.
