Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Современные методы технического обслужива ния и ремонта судовых палубных механизмов, методы и средства технического диагности рования 11
1.1. Анализ современных методов технического обслуживания и ремонта судовых палубных механизмов. 11
1.2. Современные методы и средства технического диагностирования 19
1.3. Выводы по главе, постановка задач исследований.26
Глава 2. Исследование диагностических параметров, характеризую техническое состояние редуктора судового шубного механизма 28
2.1. Выбор диагностических параметров редуктора СПМ.28
2.2. Исследование информативности и контролепригодности диагностических параметров редуктора СПМ . 31
2.3. Выводы 45
Глава 3. Разработка дифференциального бесконтакного метода технического диагностирования редуктора судового палубного механизма 47
3.1. Основные положения электрического метода диагностирования узлов трения 47
3.2. Математическое моделирование зоны трения сопряженных поверхностей при трении 53
3.3. Разработка основных положений бесконтактного метода диагностирования узлов трения редуктора СПМ 61
Глава 4. Разработка интегрального метода технического диагностирования редуктора судового палубного механизм 68
4.1. Диагностирование редуктора по содержанию продуктов изнашивания в смазочном масле 68
4.2. Разработка основных элементов датчика 75
4.3. Выбор электрического измерительного контура датчика продуктов изнашивания 80
4.4. Экспериментальные исследования датчика продуктов изнашивания 84
4.5. Выводы 89
Глава 5. Натурнье исследования методов и средств технического диагностирования редуктора судового палубного механизма 90
5.1. Разработка экспериментального стенда и программы исследований 90
5.2. Результаты экспериментальных исследований дифференциального бесконтактного метода и средств технического диагностирования редуктора СПМ .96
5.3. Результаты экспериментальных исследований интегрального метода технического диагностирования редуктора СПМ и датчика износа 107
5.4. Рекомендации по использованию разработанных методов технического диагностирования редуктора СПМ 113
5.5. Выводы 115
Заключение 117
Литература 120
Приложение I,
- Современные методы и средства технического диагностирования
- Исследование информативности и контролепригодности диагностических параметров редуктора СПМ
- Математическое моделирование зоны трения сопряженных поверхностей при трении
- Выбор электрического измерительного контура датчика продуктов изнашивания
Введение к работе
В принятых на ХХУІ съезде КПСС основных направлениях экономического и социального развития СССР на I9BI-I985 годы и на период до 1990 года> большое внимание уделяется повышению эффективности и качества работы транспортной системы.
Наряду с общетранспортными задачами, выдвинутыми съездом, перед морским флотом были поставлены отраслевые: - улучшить использование флота, портов и судоремонтных заводов, организацию перевозок грузов и пассажиров, повысить эффективность экспорта транспортных услуг; - пополнить флот специализированными судами - контейнеровозами, лихтеровозами, железнодорожными паромами, судами арктического плавания и ледоколами.
Для решения этих задач Министерство морского флота ставит перед проектио-конструкторскими, научно-исследовательскими и учебными организациями ряд задач, основной из которых является совершенствование технической эксплуатации (ТЭ) флота, за счет снижения затрат на техническое обслуживание (ТОЇ и ремонт судов и повышения их эффективности.
Эта задача должна решаться с учетом особенностей развития и условий эксплуатации флота, связанных с ТО,
Основной особенностью развития флота в настоящее время является резкое увеличение в составе флота доли специализи* рованных судов, опыт эксплуатации которых лишь накапливает-* ся /36, НО/. За последние годы вступило в строй большое количество контейнеровозов, ролкеров, лихтеровозов и железнодорожных паромов, основное оборудование этих судов, как пра-
- б -
вило является принципиально новым и его ТО связано с определенными трудностями.
Характерной особенностью этих судов является насыщенность сложными вспомогательными механизмами и высокий уровень автоматизации судовых энергетических установок. Это привело к значительному увеличении объема работ по ТО с одной стороны и сокращению численности судового экипажа с другой. В результате чего, например, на судах типа "Юлиус Фучик" экипаж в состоянии выполнить лишь 39,9% работ по ТО /103/, аналогичная картина на судах типа "Герои Шипки" и других специализированных судах.
В то же время при всем многообразии форм ТО применяемых в мировой практике, четко выделяется магистральный принцип: максимально возможный объем работ, должен выполняться в эксплуатации /36/, т.к. резко увеличились экономические потери при выводе судов из эксплуатации.
Для решения этой проблемы необходима кардинальная перестройка самих принципов ТО (включая ремонт) с учетом последних достижений науки и техники /28, 103/.
На судах ЧЧФ в настоящее время принята планово-предупредительная система обслуживания технических средств. По своему содержанию этот вид обслуживания основывается на регламенте, т.е. объем и периодичность обслуживания механизмов назначается по среднему опыту эксплуатации однотипных групп оборудования в расчете на обеспечение минимума средних эксплуатационных расходов, а контроль их технического состояния проводится путем разборки, замеров и визуальных осмотров. Наиболее слабым местом этого метода ТО является большой объем работ по периодическому вскрытию механизмов, с целью контроля их технического состояния.
В настоящее время считается перспективным переход на другую систему ТО, по фактическому состоянию, которая по многочисленным данным позволит сократить объем работ по ремонту на 40%, а по ТО на 30$ и предполагает широкое применение средств технического диагностирования (ТД) /18/.
Важную роль в успешной производственной ДЄЯїЄЛЬНОСТИ современных судов играет надежная работа судовых палубных механизмов (СПМ)» которые обеспечивают своевременный процесс погрузки и выгрузки судна, постановки его к причалу или на якорь, обеспечивает живучесть судна и безопасность мореплавания.
Изменения в технической эксплуатации СПМ, связанные с повылением ингенсивности их использования, появлений СПМ новых типов, повылений их сложности, требуют изменения подхода к их ТО и ремонту /28/,
Проведенный анализ применяемых в настоящее время методов ТО СПМ на судах Ч1Ї и ремонта на Одесских СРЗ, позволил выявить ряд недостатков. Основным из которых является большой объем работ связанных с ревизией вполне исправных механизмов, однако требующих проведения этих мероприятий в соответствии go сроками указанными в документах по ТО и план-графикам. Предварительные расчеты показали, что применение методов ТД для контроля технического состояния этих механизмов без разборки, позволит значительно (на 50 - 60%) сократить объем и стоимость работ по ТО и ремонту этих механизмов /27/. Кроме того, использование средств ТД позволит повысить надежность СПМ, устанавливать оптимальные сроки вы* полнения ТО и ремонта и создаст предпосылки для перевода ТЭ этих механизмов от ТО по расписанию, на ТО по фактическому состоянию, учитывающему индивидуальные особенности каждого
механизма.
Поэтому одной из важных задач является разработка и создание методов и средств ТД основных элементов СПМ. Целью данной работы является разработка и исследование методов и средств технического диагностирования редукторов СПМ.
В первой главе приведен анализ отказов СПМ, трудоемкости работ по их устранению, а так же работ по ТО этих механизмов /II, 12, 55, 93/, который показал, что наиболее ответственным узлом СПМ, требующим разработки средств ТД, является редуктор. Приведен обзор литературных данных по вопросам исследования и разработки методов и средств ТД, который показал, что применительно к СПМ, такие разработки отсутствуют. В то же время проведенный обзор позволил выявить основные тенденции в развитии методов и средств ТД для судовых палубных механизмов. Таким образом, проведенный анализ позволил выбрать основные направления исследований в области создания методов и средств ТД элементов СПМ.
Во второй главе проводится анализ процесса формирования диагностических параметров в редукторе СПМ. Приводится описание методики и стенда для экспериментальных исследований информативности и контролепригодности диагностических параметров редуктора СПМ, результаты экспериментальных исследований, на основе которых делается выбор диагностических параметров и направления разработки методов технического диагностирования.
В третьей главе проведена разработка теоретических основ нового дифференциального бесконтактного метода контроля скорости изнашивания основных узлов редуктора СПМ без разборки. Приводится описание экспериментальной установки, позволяющей моделировать основные процессы трения и изнашивания
основных узлов редуктора СПИ и результаты экспериментальных исследований дифференциального бесконтактного метода на лабораторной установке. Полученные результаты позволили выбрать основные элементы системы ТД и дать рекомендации для проведения испытаний разработанного метода на редукторе
СПИ.
В четвертой главе проведена разработка интегрального метода диагностирования редуктора СПМ по интенсивности поступления продуктов изнашивания в смазочное масло редуктора. Разработан датчик для контроля интенсивности поступления продуктов изнашивания в смазочное масло редуктора.
Проведены экспериментальные исследования датчика на специально разработанной установке моделирующей процесс поступления продуктов изнашивания в смазочное масло редуктора. Результаты экспериментальных исследований датчика, позволили выбрать основные элементы системы ТД и дать рекомендации для проведения испытаний интегрального метода ТД и датчика на редукторе СПМ.
В пятой главе приводится описание методики экспериментальных исследований дифференциального и интегрального методов ТД, разработанных приборов и устройств для реализации этих методов на редукторе лебедки ЛГ-10. Полученные, в процессе исследований, экспериментальные зависимости позволили сделать вывод об эффективности разработанных методов, приборов и устройств ТД редуктора СПМ.
Разработанные методы и средства ТД были использованы при испытаниях опытных образов редукторов на предприятии ПКБ "Прогресс" и позволили за счет сокращения трудозатрат и стоимости проведения ресурсных испытаний головных образцов новой техники получить экономический
- іи -
эффект 119 тыс.рублей,
Работа выполнялась на кафедрах "Судовые вспомогательные механизмы и системы" и "Физика" Одесского высшего инженерного морского училища имени Ленинского комсомола.
I. Глава. СОВРЕМЕННЫЕ МЕТОДЫ ТЕХНИЧЕСКОГО ОВСЛУЇИВАНИЯ И РЕМОНТА СУДОВЫХ ПАЛУБНЫХ МЕХАНИЗМОВ. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ
I.I. Анализ современных методов технического обслуживания и ремонта судовых палубных механизмов
Надежность СПМ в эксплуатации определяется рядом факторов, одним из которых является характер принятой системы технической эксплуатации, которая включает: готовность механизмов к работе и использованию; обслуживание, обеспечивающее исправное техническое состояние; ремонт, в останавливающий технико-экономические характеристики механизма.
Расположение СПМ на открытых палубах оудна ставит их в особо жесткие условия эксплуатации. К числу основных факторов обуславливающих, специфику эксплуатации СПМ относятся: влияние повшенной влажности, морской воды и солнечной радиации на долговечность элементов и узлов СПМ; нестационарное нагружение, связанное с частыми пусками, остановами и изменениями режимов; дополнительные нагрузки обусловленные вибрацией корпуса и качкой судна; отсутствие постоянного контроля за работой СПМ обслуживающего персонала. Проведение 150 СПМ также имеет ряд особенностей в соответствии с ПТЭ, ТО можно проводить в рейсе (по разрешению капитана судна); при кратковременных стоянках; плановом ремонте судна,
что ставит периодичность ТО в зависимость от погодных уело-* вий, специфики перевозимого груза и т.д.
Анализ судовых документов по ТЭ СПИ и опрос механиков показал, что наработка СПМ фиксируется ориентировочно, это влечет за собой большие расхождения реальной наработки с учтенным временем работы механизма. В то же время, изучение эксплуатационных документов показало, что виды, периодичность и объем ТО не всегда назначаются с учетом условий эксплуатации и режимов использования СПМ /її/ . В результате этого имеются случаи направления в ремонт исправных меха-» низмав /103/ .
Изменения, прошедшие за последние годы в конструкциях СПМ применение закрытых планетарных и цилиндрических передач, усложнение конструкций, привели к тому, что существую-* щие методы проведения ТО не обеспечивают должной эффективности. Анализ инструкций по ТО и ПТЗ показал, что использование многих методов применительно к современным конструкциям СПМ вообще не возможно, т.к. основными методами контроля технического состояния, являются разборка, визуальный осмотр и проверка в работе. Проведенные исследования опыта по разборке СПМ в судовых условиях показывают, что при этих операциях имеют место случаи повреждения деталей и узлов этих механизмов, выхода из строя элементов крепежа, прокладок, сальниковых уплотнений и т.д., существует вероятность попадания грязи в механизм. Кроме того, зачастую недостаточен опыт и квалификация судовых специалистов, а также условия для выполнения данных работ.
Анализ ремонтных ведомостей и исполнительных калькуляції ций СРЗ /18, 44/ показывает, что существует большой разброс в объемах и составе работ заводского ремонта, в пределах од-
- ІЗ -
'ной серии судов. Проведенный нами анализ ведомостей и калькуляций текущих ремонтов палубных механизмов судов серий "Чапаев" и "Капитан ІСушнаренко" на Одесском Пт>з Е5 I показал, что значительная часть всего объема ремонтных работ (65-80$) приходится на демонтаж механизмов, доставку в цех, разборку и т.д. /27/.
В качестве примера, в приложении I показаны основные этапы текущего ремонта грузовых лебедок (типа ЛЭ-58), проводимого с целью контроля технического состояния редукторов и предварительный расчет экономической эффективности использования средств технического диагностирования при текущем ремонте грузовых лебедок, которая составляет более 1,2 тыс.рублей на одно судно.
Проведенный анализ потока отказов СПМ показал, что основной причиной отказов является эксплуатационный износ узлов трения (80-85$). К остальным причинам отказов относятся: поломки и срезы деталей, выкрашивание, разрегулировка и т.д. Полученные данные хорошо согласуются с данными литературных источников /10, 12, 55/, что позволяет сделать вывод о целесообразности разработки средств безразборного контроля износа основных узлов редукторов СПМ. Поэтому, одним из важных путей в повышении эффективности ТЭ СПМ является совершенствование методов и форм технического обслуживания и ремонта на основе использования методов и средств технического диагностирования. Это позволит осуществить перевод ТО и ремонта СПМ на систему по фактическому состоянию, учитывающую индивидуальные особенности каждого механизма.
Большое различие в условиях ТЭ судовых механизмов, требованиях к их надежности, особенности их расположения потребуют различного подхода, при их переводе на систему ТО по
фактическому состоянию.
В общем случае, задачей ТО является поддержание в заданных пределах и в течении требуемого времени, утрачиваемой в процессе технического использования, работоспособности механизма при минимальных затратах времени и средств. При этом ТО включает следующие мероприятия: I - контроль технического состояния механизма; 2 - определение потребности в ТО и ремонте; 3 - проведение профилактических и восстановительных работ; 4 * организацию ТО и ремонта.
Перевод СПМ на ТО по фактическому состоянию, по нашему мнению должен предусматривать следующее: - проведение контроля технического состояния СПМ и определение потребности в ТО и ремонте без разборки с использованием средств технического диагностирования, в соответствии со сроками рекомендованными заводами-изготовит елями. Проведение профилактических, восстановительных и ремонтных работ по результатам ди-агностирования^т.е. не по расписанию, а по фактическому состоянию. На рис. I.I приведена схема, иллюстрирующая принципы выбора периодичности проведения планово- предупредительных осмотров при существующей системе ТО и при системе ТО по фактическому состоянию. На схеме кривая I характеризует плотность вероятности распределения времени безотказной работы механизма, кривые Ui ~^~ Ui характеризуют изменение степени повреждения механизма в процессе эксплуатации, линия (//пах характеризует максимальную степень повреждения при которой наступает отказ.
В настоящее время оптимальная периодичность проведения ТО /Тн/ выбирается исходя из рационального соотношения следующих факторов: средней наработки на отказ; времени восстановления после отказа; трудоемкости проведения работ по ТО;
Рис. I.I. Выбор периодичности проведения работ по ТО.
кратности резервирования и т.д. /18/ . При этом Тн устанавливается больше Тб (где Тб - безотказный период эксплуатации), что связано с рядом факторов, основным из которых яв-* ляется высокая трудоемкость работ по проведению ТО, связанная с разборкой СПМ, В этом заключается основной недостаток существующих методов ТО, так как ко времени Тн либо уже существует некоторая вероятность отказа, либо возможно значительное недоиспользование потенциала долговечности СПМ. Кроме того следующий период времени Tft+І, который устанавливается обычно равным Тн, дает еще большее расхождение между фактической потребностью СПМ в ТО и сроками его проведения, т.к. даже при частично восстановленной работоспособности, после первой разборки (Тн), характер изменения степени повреждения будет существенно отличаться от этой характеристики для нового механизма.
Это в конце концов приводит к снижению надежности СПМ, перерасходу запасных частей и большим трудозатратам на проведение работ по ТО. В то же время при использовании методов технического диагностирования, за счет значительного сокращения трудоемкости работ по контролю технического состояния СПМ, рациональная периодичность проведения этих работ (Тн) будет меньше Тн и может быть установлена равной или меньшей Тб.
В этом случае отсутствует вероятность отказа СПМ за период Тн и имеется возможность, путем уточнения характера изменения степени повреждения (точки 2 и 3), планировать рациональные сроки проведения следующих профилактических, восстановительных и ремонтных работ. Например, результаты диагностирования через время Тн (см. рис. І.І.) показали, что характер изменения степени повреждения одного механизма Ui.
(точка 2), а другого Ш (точка 3), это означает, что необходимо планировать ревизию первого механизма на ближайшее время, а второй можно оставить в работе до следующего срока контроля т'н+1.
В этом случае перевод ТО СПМ на систему по фактическому состоянию не означает отказ от планово-предупредительной системы, а есть путь совершенствования ее технологических элементов, при этом используются положительные стороны планово - предупредительной системы и устраняются ее недостатки.
Очевидно, что применение средств технической диагностики, позволит значительно сократить расходы по ТО и ремонту и повысить уровень технической эксплуатации СПМ. Принципиальная схема технического обслуживания и ремонта СПМ с применением средств технического диагностирования (рис. 1.2.) наглядно показывает преимущества технической эксплуатации при использовании средств технического диагностирования.
Проведенный анализ современных методов ТО и ремонта СПМ убедительно доказывает необходимость разработки методов и средств технического диагностирования, для индивидуального контроля технического состояния СПМ.
НОРМАЛЬНАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ СПМ
вывод из эксплуатации
-І^_
Аварийная» остановка, разборка, ТО.
Остановка, разборка, предъявление Регистру СССР
Z^l
Определение технического состояния
Контроль с помощью средств технического диагностиро-вания, определение J сроков проведения *-* ТО и ремонта, прогнозирование остаточного ресурса
Формирование объема работ предремонтного периода !
Определение материально-технического обеспечения
Подготовка и организация производственного процесса ремонта
Ремонт
Агрегатная замена
Профилактические работы
Контроль отремонтированных механизмов в работе, предъявление Регистру СССР
Рис. 1.2. Принципиальная схема технического обслуживания и ремонта СПМ с применением средств технического
диагностирования
1.2. Современные методы и средства
технического диагностирования
Несмотря на то, что первые публикации за рубежом о сие-темах технического диагностирования относятся к середине 60-х годов, в настоящее время уже выполнен определенный объем научных исследований по разработке методов и средств технического диагностирования, охватывающий широкий круг объектов, к которым относятся силовые установки, насосы, отдельные средства автоматики, различные конструкции. Следует отметить, что большое количество работ выполнено по диагностированию технического состояния авиационной техники, автомобилей, тракторов, комбайнов, тепловозов.
В настоящее время уже накоплен определенный теоретический и практический материал в этих областях.
Основные направления в разработке методов технического диагностирования нашли свое отражение в трудах В.М.Михина, С.И.Костенко /104/, П.Л.Пархоменко /70/, А.В.Мозгалевского, Д.В.Гаскарова /66/, Т.В.Крамаренко /90/, Н.СЛдановского, А.В.Николаенко /41/, Р.В.Кузьмина /54, 55/ и многих других ученых.
На международных конференциях, проходивших в Праге в 1976 г. /106/ и в Западном Берлине в 1982 г. /107/ были освещены работы в области технической диагностики, как основного средства существенного повышения надежности судового оборудования, выполненные в ФРГ, Японии, Венгрии, ЧССР, Польши, Бельгии и СССР.
Доклады охватывали как круг вопросов, связанных с ком-
плексной оценкой технического состояния различных энергетических систем, так и проблемы локализации неисправностей по анализу параметров сопутствующих физических полей.
Анализ литературных данных,, в которых освещены разработки методов технического диагностирования судовых технических средствг показывает,что основное количество разработок, направлено на создание средств технического диагностирования судовых энергетических установок. В то же время исследования по созданию средств технического диагностирования судовых палубных механизмов практически отсутствуют.
Тем не менее, анализ существующих методов технического диагностирования и средств обработки диагностической информации позволит выбрать те методы, которые могут быть положены в основу разработки таких методов и средств применительно к судовым палубным механизмам.
Значительное количество работ выполнено по разработке методов технического диагностирования двигателей внутреннего сгорания, которые можно разделить на следующие основные направления: метод эталонных параметров, симплекс - метод, методы основанные на анализах состава отработанных газов, анализах смазочного масла, контроль технического состояния по развертке крутящего момента, метод информационного теста и т.д. В работе /14/ установлена корреляционная связь между износом ЦПГ и такими параметрами, как качественный состав отработанных газов, давление газов, утечка воздуха, подавав емого в цилиндр, параметрами рабочего процесса и т.д.
Исследования выполненные в работе /31/ и фирмой JNFСМ/1 /32/ позволяют контролировать техническое состояние двигателей путем проведения спектрального анализа смазочного масла.
Учитывая высокую стоимость и сложность диагностической аппаратуры, некоторые исследования направлены на использование штатной контрольно-измерительной аппаратуры объекта, с целью оценки его технического состояния по косвенным показателям, таким как мощность, производительность, частота вращения, температура, давление и т.д.
В работе /79/ предлагается по изменению начальных значений основных показателей работы, фиксируемых штатной контрольно-измерительной аппаратурой, оценивать характер изменения технического состояния объекта. В работе /26/ посвященной применению систем автоматической диагностики, авторы на базе исследований индикаторных показателей двигателя дают рекомендации по применению метода "Симплекс".
В ЦНИИМФе разработан метод информационного теста/13/ для определения неисправностей судового дизеля и его узлов.
Методы контроля технического состояния форсунок и топливных насосов дизеля, путем измерения давления и частоты импульсов в топливной системе приведены в работе /80/.
Для упрощения процедуры анализа информации о техническом состоянии объекта в диагностический комплекс включается вычислительная техника.
В работе /90/ рассматривается система автоматизированного контроля технического состояния газотурбинных двигателей как по теплотехническим, так и по виброакустическим характеристикам с применением ЭЦВМ.
Применение вычислительной техники на морских судах позволило фирме "Норконтрол" разработать комплекс "Дата Чиф" /68/, который осуществляет диагностический контроль за рабочими параметрами силовой дизельной установки с использованием ряда функций управления.
Вибрационные методы нашли практическое применение при техническом диагностировании судовых дизелей, газотурбинных, тракторных, автомобильных двигателей /IV, насосов, подшипниковых узлов различных механических систем и т.д.
Некоторые работы посвящены разработке методов диагностирования одного или нескольких узлов, по работоспособности которых можно оценить техническое состояние всего механизма.
В работе /8/ представлен индуктивный метод оценки положения коленчатого вала в подшипниках в динамическом режиме,
Комплексный подход применен при разработке метода оцен-ки величины зазора в сопряжении втулка -поршень /41/. В ка--честве диагностических параметров выбраны: полоса частот, амплитуда и фаза виброимпульсов. Установлен частотный диапазон, наиболее чувствительный к изменению зазоров. Интересным является вывод о достижении амплитудой виброимпульсов максимума в конце разгона двигателя, что позволяет производить диагностирование при максимальном отношении "сигнал - помеха".
В настоящее время ведутся исследовательские работы по разработке методов ТД, основанных на исследовании динамических характеристик объекта во время переходных процессов его работы.
Ряд зарубежных фирм важную роль отводят оптическим дефектоскопам (бороскопам) /68/ как современному средству не-разрушающего контроля.
В исследованиях /113/ рассмотрен один из перспективных методов - топографический, позволяющий получать информацию о параметрах вибрации с помощью световых волн (источники -
квантовые генераторы) и регистрировать ее на голограмме.
В работе /73/ обосновывается соотношение между амплитудами гармоник и характеристиками колебательной системы (параметрами маслинного слоя, жесткостью конструкции, площадью контакта и т.д.). При нелинейных связях корреляцион** ный анализ может привести к ошибочным выводам. В данном случае, автор рекомендует применить регрессионный анализ, оперирующий с условными вероятностными характеристиками. Такой анализ открывает новую возможность при расшифровке спектров вибрации и установлении связи между различными частотными составляющими.
Для контроля технического состояния различных шарико* вых и роликовых подшипников фирма СКФ (Швеция) /115/ разработала приборы типа ШЛА, МША-10, ИША-ЗІ. предназначенные для регистрации виброимпульсов в ультразвуковых полосах частот.
В работе /73/содержатся сведения о датчиках и измерительной аппаратуре фирмы "Брюль и Кьер" (Дания) предназначенной для виброакустических исследований.
Норвежской фирмой "Аутроника" выпускается комплект аппаратуры для контроля технического состояния цилиндро - поршневой группы дизеля/116/. Этот комплект состоит из анализатора тепловой нагрузки и индикатора состояния поршневых колец.
Компания "Биастон" (Англия) для контроля технического
состояния дизелей создала систему "ЕМ - 270" /117/. Сис-
л тема позволяет представлять на экране осцилоскопа характеристики двигателя в виде кривых, которые оператор сравнивает с эталонными.
Проведенный анализ существующих методов технического
диагностирования показал, что наибольшее распространение получили виброакустический, термометрический и электромагнитный методы технического диагностирования. В качестве первичных преобразователей используются в первом случае акселерометры, во втором - малоинерционные термопары и термо-резисторы, в третьем - индуктивные датчики. Находит применение метод акустической эмиссии, для обнаружения и оценки дефектов конструкционного материала энергетического оборудования.
Анализ развития средств технического диагностирования показывает, что в последние годы обозначилась явная тенденция разработки и применения принципиально новых средств диагностирования, использующих как датчики и сигнализаторы теплотехнических параметров традиционного типа, так и специально разработанные средства для измерения зазоров в трущихся парах, смещения и прогиба валов, вибрационных и акустических характеристик и других признаков, определяющих техническое состояние объектов.
По способу обработки информации наиболее перспективными следует считать методы временной избирательной корреляции, регрессионный анализ, избирательный анализ амплитудного распределения, оценка распределения расхождения спектрограмм по Стюденту.
Анализ существующих методов и средств технического диагностирования судовых технических средств показал, что основное количество исследований и разработок направлено на создание систем технического диагностирования главных судовых энергетических установок и их элементов, а разработки средств технического диагностирования судовых палубных механизмов практически отсутствуют.
В то же время некоторые из существующих методов технического диагностирования по нашему мнению смогут быть ис-* пользованы для контроля технического состояния редуктора судового палубного механизма, к таким методам относятся: виброакустический метод, метод контроля продуктов изнашивания в смазочном масле, термометрический метод, метод контроля механического КПД.
Так, как достаточного опыта использования этих методов дляконгроля технического состояния редуктора СПМ в настоящее время нет, то необходимо выбрать наиболее перспективные методы технического диагностирования. Для решения этой задачи необходимо провести анализ процесса формирования диагностических параметров редуктора СПМ, а так же исследования информативности и однозначности, доступности и технологичности контроля диагностических параметров.
1.3. Выводы по главе, постановка задач исследований
В результате проведенного анализа существующих методов
технического обслуживания и ремонта СПМ, направления их со**
совершенствования, литературных данных в области раз-»
работок методов и средств технического диагностирования можно сделать следующие выводы:
Существующие методы технического обслуживания и ре-монта СПИ имеют существенные недостатки,основным из которых являются большие трудозатраты на разборку редуктора с целью контроля его технического состояния.
Основным направлением совершенствования методов технического обслуживания и ремонта СПМ является переход от технического обслуживания по регламенту на техническое обслуживание по фактическому состоянию, который возможен на основе использования методов и средств технического диагност тирования СПМ.
Анализ литературных данных в области разработок и исследований методов технического диагностирования показал, что исследования и разработки методов технического диагностирования СПМ отсутствуют.
Наибольшее распространение в настоящее время получили следующие методы, которые по нашему мнению могут быть использованы для технического диагностирования СПМ: виброакустический, термометрический, метод контроля концентрации продуктов изнашивания в смазочном масле, метод контроля механического КПД.
В связи с этим целью настоящей работы является разра-ботка и исследование методов и средств технического диагностирования редуктора CIIM. Как вытекает из поставленной цели и анализа ранее выполненных исследований по рассматриваемой проблеме, основные задачи настоящей работы состоят в следующем:
1. Провести анализ процесса формирования диагностичес
ких параметров редуктора СПИ.
Исследовать информативность и контролепригодность диагностических параметров, с целью выбора параметров наиболее полно удовлетворяющих этим требованиям.
Разработать и исследовать методы и средства технического диагностирования на основе выбранных диагностических параметров.
4. Провести практическую проверку и опытную реализацию
разработанных методов и средств технического диагностирова
ния.
Современные методы и средства технического диагностирования
Несмотря на то, что первые публикации за рубежом о сие-темах технического диагностирования относятся к середине 60-х годов, в настоящее время уже выполнен определенный объем научных исследований по разработке методов и средств технического диагностирования, охватывающий широкий круг объектов, к которым относятся силовые установки, насосы, отдельные средства автоматики, различные конструкции. Следует отметить, что большое количество работ выполнено по диагностированию технического состояния авиационной техники, автомобилей, тракторов, комбайнов, тепловозов.
В настоящее время уже накоплен определенный теоретический и практический материал в этих областях.
Основные направления в разработке методов технического диагностирования нашли свое отражение в трудах В.М.Михина, С.И.Костенко /104/, П.Л.Пархоменко /70/, А.В.Мозгалевского, Д.В.Гаскарова /66/, Т.В.Крамаренко /90/, Н.СЛдановского, А.В.Николаенко /41/, Р.В.Кузьмина /54, 55/ и многих других ученых.
На международных конференциях, проходивших в Праге в 1976 г. /106/ и в Западном Берлине в 1982 г. /107/ были освещены работы в области технической диагностики, как основного средства существенного повышения надежности судового оборудования, выполненные в ФРГ, Японии, Венгрии, ЧССР, Польши, Бельгии и СССР.
Доклады охватывали как круг вопросов, связанных с ком плексной оценкой технического состояния различных энергетических систем, так и проблемы локализации неисправностей по анализу параметров сопутствующих физических полей.
Анализ литературных данных,, в которых освещены разработки методов технического диагностирования судовых технических средствг показывает,что основное количество разработок, направлено на создание средств технического диагностирования судовых энергетических установок. В то же время исследования по созданию средств технического диагностирования судовых палубных механизмов практически отсутствуют.
Тем не менее, анализ существующих методов технического диагностирования и средств обработки диагностической информации позволит выбрать те методы, которые могут быть положены в основу разработки таких методов и средств применительно к судовым палубным механизмам.
Значительное количество работ выполнено по разработке методов технического диагностирования двигателей внутреннего сгорания, которые можно разделить на следующие основные направления: метод эталонных параметров, симплекс - метод, методы основанные на анализах состава отработанных газов, анализах смазочного масла, контроль технического состояния по развертке крутящего момента, метод информационного теста и т.д. В работе /14/ установлена корреляционная связь между износом ЦПГ и такими параметрами, как качественный состав отработанных газов, давление газов, утечка воздуха, подавав емого в цилиндр, параметрами рабочего процесса и т.д.
Исследования выполненные в работе /31/ и фирмой JNFСМ/1 /32/ позволяют контролировать техническое состояние двигателей путем проведения спектрального анализа смазочного масла.
Учитывая высокую стоимость и сложность диагностической аппаратуры, некоторые исследования направлены на использование штатной контрольно-измерительной аппаратуры объекта, с целью оценки его технического состояния по косвенным показателям, таким как мощность, производительность, частота вращения, температура, давление и т.д.
В работе /79/ предлагается по изменению начальных значений основных показателей работы, фиксируемых штатной контрольно-измерительной аппаратурой, оценивать характер изменения технического состояния объекта. В работе /26/ посвященной применению систем автоматической диагностики, авторы на базе исследований индикаторных показателей двигателя дают рекомендации по применению метода "Симплекс".
В ЦНИИМФе разработан метод информационного теста/13/ для определения неисправностей судового дизеля и его узлов.
Методы контроля технического состояния форсунок и топливных насосов дизеля, путем измерения давления и частоты импульсов в топливной системе приведены в работе /80/.
Для упрощения процедуры анализа информации о техническом состоянии объекта в диагностический комплекс включается вычислительная техника.
В работе /90/ рассматривается система автоматизированного контроля технического состояния газотурбинных двигателей как по теплотехническим, так и по виброакустическим характеристикам с применением ЭЦВМ.
Применение вычислительной техники на морских судах позволило фирме "Норконтрол" разработать комплекс "Дата Чиф" /68/, который осуществляет диагностический контроль за рабочими параметрами силовой дизельной установки с использованием ряда функций управления.
Вибрационные методы нашли практическое применение при техническом диагностировании судовых дизелей, газотурбинных, тракторных, автомобильных двигателей /IV, насосов, подшипниковых узлов различных механических систем и т.д.
Некоторые работы посвящены разработке методов диагностирования одного или нескольких узлов, по работоспособности которых можно оценить техническое состояние всего механизма.
В работе /8/ представлен индуктивный метод оценки положения коленчатого вала в подшипниках в динамическом режиме,
Комплексный подход применен при разработке метода оцен-ки величины зазора в сопряжении втулка -поршень /41/. В ка--честве диагностических параметров выбраны: полоса частот, амплитуда и фаза виброимпульсов. Установлен частотный диапазон, наиболее чувствительный к изменению зазоров. Интересным является вывод о достижении амплитудой виброимпульсов максимума в конце разгона двигателя, что позволяет производить диагностирование при максимальном отношении "сигнал - помеха".
В настоящее время ведутся исследовательские работы по разработке методов ТД, основанных на исследовании динамических характеристик объекта во время переходных процессов его работы.
Ряд зарубежных фирм важную роль отводят оптическим дефектоскопам (бороскопам) /68/ как современному средству не-разрушающего контроля.
В исследованиях /113/ рассмотрен один из перспективных методов - топографический, позволяющий получать информацию о параметрах вибрации с помощью световых волн (источники квантовые генераторы) и регистрировать ее на голограмме..
Исследование информативности и контролепригодности диагностических параметров редуктора СПМ
Для выбора наиболее информативных и контролепригодных диагностических параметров редуктора СПМ необходимо провести сравнительные испытания выбранных параметров и методов их контроля в одинаковых условиях. При проведении испытаний необходимо было учесть, что диагностические параметры неоднозначно связаны с изменением входных параметров, таких как частота вращения ведущего вала, нагрузка на редуктор, температура деталей и т.д. Для однозначной интерпретации результатов испытаний, было принято решение провести однофак-торный эксперимент, со стабилизацией в технически возможных пределах основных входных параметров.
Для проведения исследований был разработан стенд в состав которого входил объект диагностирования, представляющий из себя двухступенчатый редуктор СІШ. Принципиальная схема испытательного стенда приведена на рис. 2.2.
В состав испытательного стенда входили: - приводной электродвигатель (I), управление и стабили зация частоты вращения которого осуществлялись с пульта управления (4); - редуктор (2), соединенный муфтами с приводыьм электродвигателем и нагружателем (з); - блок контрольно-измерительной аппаратуры (5) для измерения диагностических параметров и параметров характеризующих работу стенда в целом; - пульт управления (б) для контроля и управления работой нагружателя.
Основные характеристики испытательного стенда, контрольно-измерительных приборов и оценка погрешности измерений приведены в приложении П.
Объект диагностирования представляет собой двухступенчатый редуктор (передаточное число -33, номинальный момент на выходном валу - 1440 Нм, частота вращения выходного вала- о,б I/O.
Первая ступень редуктора - червячная передача (червячное колесо выполнено из ЯрОФ т0-1, червяк - сталь 40X, угол подъема витка чепвяка - 1402 ).
Вторая ступень редуктора - цилиндрическая передача передаточное число - 2, модуль зацепления - 4 мм).
Расчет редуктора проведен согласно методики, принятой на предприятиях Минсудпрома с учетом оснащения редуктора средствами ТД.
Программой испытаний предусматривался контроль изменения диагностических параметров при работе редуктора в диапазоне нагрузок от 20 до I20/S ном. с длительностью 150 час. на каждом режиме. Кроме того, контролировалось изменение диагностических параметров при установке искусственно изношенного подшипника с радиальным зазором, превышающим предельно допустимое значение. Структурная схема исследо
ваний приведена на рис. 2.3. В процессе исследований были испытаны методы и средства ТД, которые могут быть рекомендованы к использованию на предприятиях и судах ММФ.
В результате проведенных исследований были получены следующие результаты: I. Механический КПД редуктора. Механический КПД редуктора определялся по следующей формуле где: ті - механический КПД редуктора; 3,11 - ток и напряжение потребляемые электродвигателем; 1 3 - КЦД электродвигателя; ( - угловая скорость вращения вала нагружателя; Мт - тормозной момент на нагружателе.
Тормозной момент на нагружателе устанавливался в соответствии с режимом испытаний, величины 3 и U определялись по контрольно-измерительным приборам, со - поддерживалась постоянной.
Зависимость изменения механического КПД редуктора от нагрузки в процессе исследований приведена на Рис. 2.4.
Как видно из рисунка 2.4. зависимость КПД редуктора от нагрузки носит сложный характер и имеет максимум примерно при 25% нагрузки.
Отклонение величины КПД редуктора, при установке искусственно изношенного подшипника промежуточного вала не превышало величины погрешности измерений (точка "А" рис. 2.4 ) .
Результаты исследований позволяют сделать следующие выводы: - характер изменения механического КПД неоднозначно свя Изменение механического КПД редуктора от нагрузки. зан с нагрузкой; - механический КПД редуктора нестабилен во времени и зависит О ТЕПДОВОГО режима, вязкости смазочного масла и других факторов; - существующие методы измерения механического КПД не обеспечивают достаточной точности, что не позволяет использовать его как диагностический параметр.
Таким образом механический КПД редуктора не обладает достаточной информативностью и не является перспективным, по нашему мнению, как диагностический параметр (ЯШ. 2. Тепловой режим основных узлов редуктора. В конструкции испытуемого редуктора был: предусмотрен ряд приспособлений для контроля температуры основных узлов редуктора. В процессе испытаний контролировались температуры подшипников опор валов с помощью ртутных термометров и температура картерного масла с помощью дистанционного датчика температуры, установленного в картере редуктора. На рис. 2.5. приведены результаты измерений температур узлов редуктора в процессе испытаний при нагрузке Мт = 10,5 »10 Нм и температуре окружающей среды Т = 21С. температур узлов редуктора. І, 2, З -подшипники грузового, промежуточного и приводного валов соответственно; Ч - картерное масло.мт = 60%.
Как видно из рис. 2. 5. зависимость температуры от времени работы редуктора носит экспоненциальный характер и стабилизируется через 2 - 3 часа после пуска редуктора.
По мере возрастания нагрузки на редуктор наблюдается увеличение температуры картерного масла, которое влияет на изменение температуры подшипников редуктора. В то же время
Математическое моделирование зоны трения сопряженных поверхностей при трении
Исследования по микрогеометрии поверхностей трения показывают, что число контактов в зоне трения является статистической характеристикой процесса трения /51/. Микрогеометрию границы раздела двух шероховатых поверхностей можно представить набором конусов с одинаковым углом между образующей и основанием /52/. Вершины конусов обеих поверхностей имеют различные ординаты Z . , подчиняющиеся нормальному закону распределения.
Расположим оси неподвижной системы координат так, чтобы ось X проходила через самые глубокие впадины поверхности, в направлении скольжения контртела, а ось Y находилась в той же плоскости, но перпендикулярно ей (рис. 3.4.)
Введем вспомогательную плоскость параллельную УОХ, так чтобы она проходила через самые глубокие впадины контртела. Тогда расстояние между двумя плоскостями h будет равно
Начало координат совместим с началом прямоугольного участка длиной I . Пусть на отрезке I имеется NJ шероховатостей со средней высотой RQ , тогда среднее число контактов гребней шероховатостей, находящихся на единице площади составит где: 8 - угол между образующей конуса и основанием.Среднее число контактов на единицу поверхности при смещении ОДНОЙ поверхности относительно другой на величину равную шагу неровностей составит где: р - вероятность контакта пары гребней шероховатостей.
Таким образом для определения числа контактов необходимо определить вероятность контакта пары гребней шероховатостей.
Координаты вершин гребней шероховатостей случайные величины, тогда координаты единичного контакта гребней ше роховатостей можно записать следующим уравнением функция невырожденного двухмерного нормального закона распределения. где: Ас - контурная площадь контакта пары трения.
Для полученного выражения была составлена программа вычисления количества контактов гребней шероховатостей на ЭВМ для различных значений 0 . Программа расчета составленная на языке Фортран - ІУ и пример расчета на ЭВМ СМ- 4 числа контактов для стальной пары трения диск-палец приведена в приложении Ш.
Экспериментальная проверка результатов расчета проводилась следующим образом. На поверхности трения пары диск -палец изготовленных ид стали 1UX-I5 при шлифовании алмазной пастой наносился заданный микрорельеф. Шероховатость поверхности контролировалАсь с помощью профиллографа. Параметры шероховатости определялись согласно ГОСТ 9504-60. Для исходной поверхности определялись средний угол наклона шероховат тостей,высоты гребней шероховатостей, строились кривые рас пределения высот шероховатостей и определялась дисперсия этой зависимости. Затем при заданной величине нормальной нагрузки в диапазоне 0,3 - 50 Н определялась величина сближения поверхностей. Пара трения приводилась в движение с относительной скоростью 0,7 М/С и с помощью разработанной методики производилось определение числа контактов гребней шероховатостей при трении. Исследования проводились для 2-х стальных поверхностей со средними углами наклона конусов гребней шероховатостей 01 = 2 и 6Z= 8.
Результаты измерений числа контактов гребней шероховатостей и их расчетные значения согласно полученной формуле (3.22) приведены в таблице 3.1.
Как видно из таблицы 3.1. результаты расчета числа контактов согласно предложенной вероятностной модели и экспериментальные значения имеют удовлетворительную сходимость (относительная погрешность Д» 13%).
Таким образом в результате проведенных исследований показана возможность непосредственного измерения числа контактов гребней шероховатостей в зоне трения двух сопряженных поверхностей. В тоже время информация о числе контактов гребней шероховатостей в зоне трения не является исчерпывающей характеристикой процесса изнашивания сопряженных поверхностей. Поэтому следующей задачей требующей решения яв--? ляется определение характера деформации при взаимодейотвии гребней шероховатостей.
Основными величинами, характеризующими процесс изнаши-1 вания сопряженных поверхностей узла трения, являются прочностные характеристики материалов, величина фактической площади контакта и напряжения, которые на ней развиваются. Определение изменений фактической площади контакта и напряжений возникающих в зонах контакта позволяет контролировать характер процесса изнашивания сопряженных деталей. В работе /52/ приведен ряд методов определения фактической площади контакта и напряжений в зоне контакта, однако их использование в реальном узле трения не представляется возможным.
Нами была разработана методика определения величины нормального и тангенциального напряжений, возникающих при взаимодействии гребней шероховатостей металлических поверхностей, разделенных слоем смазки, на основеошшаннш в параграфе 3.1. электрической измерительной схемы.
Выбор электрического измерительного контура датчика продуктов изнашивания
Электрический измерительный контур датчика включал в се бя следующие элементы: - чувствительный элемент, расположенный на корпусе датчика; - регистрирующий прибор, подсоединяемый к датчику с помощью электрического разъема.
Для выбора электрического метода измерения количества продуктов изнашивания, был проведен анализ современных методов контроля металлических частиц в различных средах, который показал, что к таким методам относятся: кондуктометри-ческий, емкостной, полной проводимости, диэлектрических потерь, сверхвысоких частот, ядерно-магнитного резонанса. Наибольшее распространение для количественного анализа продуктов изнашивания в смазочном масле в последнее время получил метод сверхвысоких частот. Принцип действия этого метода основан на взаимодействии электромагнитного поля первичного преобразователя и пробы масла помещенной в этом поле /8/. Основними; отличительными особенностями этого метода является высокая чувствительность (10 г/л), незначительное влияние свойств масла и его температуры на точность измерений, невысокая стоимость.
Для реализации этого метода на данной конструкции датчика были разработаны принципиальная блок-схема измерительного комплекса (рис. 4.6.) и электрическая схема прибора,
Принцип работы измерительного комплекса заключается в следующем. Стабилизированный высокочастотный сигнал вырабатывается кварцевым генератором стабилизированной частоты I и подается на смеситель 3 с которого поступает через электрический разъем 8 на чувствительный элемент датчика 9, который представляет собой конденсатор.
Продукты изнашивания расположенные на поверхности датчика изменяют емкость конденсатора, что приводит к изменению частоты выходного сигнала на величину пропорциональную массе продуктов изнашивания. На смесителе 3 образуется сигнал, величина которого зависит от степени изменения входного сигнала. Этот сигнал поступает на у си лит ель-селектор Ч и усилитель-ограничитель 5, где он усиливается, затем на фор мирователь 6 и стрелочный индикатор 7, Количество продуктов изнашивания в масле редуктора определяется по показаниям стрелочного индикатора.
Чувствительный элемент, расположенный на датчике,пред-ставляет собой электрический конденсатор, к которому предъявлялись следующие требования: - высокая чувствительность и точность измерений; - простота и технологичность изготовления; - сопрягаемость с корпусом датчика.
С этой целью было разработано несколько вариантов конструкций чувствительного элемента, основные из которых в развернутом виде показаны на рис. 4.7.
Наиболее полно требования предъявляемые к чувствительному элементу удовлетяорял вариант "в", т.к. продукты изнашивания, располагаясь на нем параллельно действию силовых линий, оказывали максимальное возмущающее воздействие на измерительный контур.
В связи с тем, что основные конструктивные элементы датчика и характеристики измерительного контура выбирались впервые, была поставлена задача провести экспериментальные исследования характеристик датчика в лабораторных условиях, перед установкой его в редуктор СИМ,
Целью экспериментальных исследований являлось исследование рабочих характеристик разработанной конструкции датчика и выбранной измерительной схемы, выбор оптимальных параметров измерительного электрического сигнала, тарировка датчика, исследование влияния внешних возмущений, таких как температура масла, вибрация, уровень электромагнитных помех и т.д., на работу датчика.
Для проведения исследований, была разработана экспериментальная установка и программа исследований. Принципиальная схема экспериментальной установки для испытаний датчика приведена на рис. 4.8.
В состав экспериментальной установки входили следующие элементы: - корпус I, представляющий собой металлическую емкость, имитирующую картер редуктора, в который заливалось смазочное масло ТЛП-І5, объемом 10 литров, в корпусе был установлен датчик 2 ниже уровня масла 3.
Заданный температурный режим в основном объеме смазочного масла поддерживался с помощью электронагревательного элемента 5 и водяного холодильника 4. Электрическая мешалка б и циркуляционный насос 7 осуществляли циркуляцию масла в емкости. Поступление продуктов изнашивания в картер редуктора имитировалось с помощью смесителя 8, в который поступало масло от циркуляционного насоса 7 и подавались порции продуктов изнашивания. Смесь масла с продуктами изнашивания сливалась через патрубок 9 и установленный на нем клапан в емкость I, где происходило их вторичное перемешивание в ос новном объеме масла.
Исследования проводились в соответствии с разработанной программой, которая предусматривала: - изменение концентрации продуктов изнашивания в смазочном масле в пределах от 0mQ5#; - изменение свойств смазочного масла; путем добавления масла с другими физико-химическими свойствами; - воздействие вибрации и переменных электромагнитных полей на экспериментальную установку.
