Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ режима работы судов в акватории порта, на внутригородских и пригородных линиях. выбор направления исследования. постановка задачи . 13
1.1. Анализ режима работы судов в акватории порта, на внутригородских и приго-родных линиях, анализ по выполненным исследованиям. 13
1.2. Выбор направления исследования и постановка задачи по экспериментальномуметоду и совершенствованию расчетного метода 26
Глава 2. Управление силовой установкой судовмощностью от 60 до 300 квт на эксплуатационных режимах . 29
2.1. Факторы, влияющие на надежность ЦПГ. Выбор способа управления судовым дизелем на переходных режимах с целью увеличения ресурса дизеля. 29
2.1.1. Общий алгоритм расчетного метода 30
2.1.2. Основные факторы, определяющие надежность и долговечность ЦПГ. Влия- ние характера эксплуатации главных двигателей на ресурс 46
2 1 .З.Выбор способа управления судовым дизелем на переходных режимах с цельюувеличения ресурса и затрат на перевозку. 52
2.2. Выбор критерия оптимального регулирования двигателя на переходном режиме работы. Улучшения качества переходного процесса с целью увеличения ресурса . 55
2.2.1. Расчетный способ определения оптимального режима разгона двигателя. 59
2.2.2. Экспериментальный способ определения оптимального режима разгона дви- гателя. 64
2.3. Способы реализации оптимального темпа разгона. 65
2.3.1. Описание регулятора. 66
2.3.2. Описание стенда. 67
2.3.3. Возможности разработанного стенда. 72
Выводы по второй главе 73
Глава 3. Влияние закона управления силовой установкой судов пригородных и внутригородских линий на экономичность СЭУ . 76
3.1. Метод расчета приведенных затрат, 76
3.1.1. Сравнение приведенных затрат на установку и эксплуатацию двигателей ЯМЗ 79
3.2. Влияние затрат на эксплуатацию двигателя на общую экономичность судна. 84
3.3. Влияние закона регулирования двигателя на экономичность. 85
3.3.1. Расчет годовой экономичности за счет увеличения надежности СЭУ.85
3.3.2. Расчет годовой экономичности за счет снижения расхода топлива на переход-ном процессе, 88
3.3.3. Расчет годовой потери прибыли за счет снижения оборота судна. 90
3.3.4. Расчет годовых затрат при установке нового оборудования на судна. 91
3.4. Суммарный эффект от внедрения системы управления переходным процессом двигателя . 91
3.4.1. Сравнение суммарного эффект от внедрения системы управления переходнымпроцессом двигателя, при работе на коротком плече. 94
3.4.2. Сравнение суммарного эффект от внедрения системы управления переходнымпроцессом двигателя, при работе на длинном плече. 94
Выводы по третей главе 95
Глава 4. Разработка програмного тренажера дляподготовки инженеров - судомехаников при пуске и разгоне судового двигателя . 97
4.1. Описание и общие характеристики разработанного тренажера 97
4.2. Последовательность проведения предпусковых операций , 98
4.3. Проведение пуска дизеля 6418/22 и характеристики пускового режима 104
4.3.1. Проведение пускадизеля 104
4.3.2. Характеристики пускового режима в зависимости от технического состояниядизеля. 107
Выводы по четвертой главе 117
Выводы по работе 118
Список литературы 120
Приложение 1
- Выбор направления исследования и постановка задачи по экспериментальномуметоду и совершенствованию расчетного метода
- Выбор критерия оптимального регулирования двигателя на переходном режиме работы. Улучшения качества переходного процесса с целью увеличения ресурса
- Суммарный эффект от внедрения системы управления переходным процессом двигателя
- Последовательность проведения предпусковых операций
Введение к работе
Методика исследования. Реализация работы. Структура и объем работы ГЛАВА 1. АНАЛИЗ РЕЖИМА РАБОТЫ СУДОВ В АКВАТОРИИ ПОРТА, НА 13 ВНУТРИГОРОДСКИХ И ПРИГОРОДНЫХ ЛИНИЯХ. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ.
Анализ режима работы судов в акватории порта, на внутригородских и приго- 13 родных линиях, анализ по выполненным исследованиям.
Выбор направления исследования и постановка задачи по экспериментальному 26 методу и совершенствованию расчетного метода
Выбор направления исследования и постановка задачи по экспериментальномуметоду и совершенствованию расчетного метода
В настоящей работе, в качестве направления исследования, выбраны вопросы повышения надежности СЭУ, снижения затрат на эксплуатацию СЭУ, улучшение экологических показателей СЭУ. Надежность СЭУ определяется такими параметрами как безотказность, долговечность и ремонтопригодность. При ухудшении показателей надежности СЭУ снижается безопасность плавания судна, увеличивается вероятность возникновения аварийных ситуаций, увеличиваются затраты на ремонт. Улучшение показателей надежности возможно за счет использования комплексных мер. С одной стороны, обеспечение более качественной эксплуатации СЭУ и выбора оптимальных, с точки зрения надежности, режимов работы. С другой стороны, за счет выбора и эксплуатации более конструктивно надежных элементов СЭУ, В монографии П. С. Суворова [102] рассматривался вопрос оптимизации режимов работы при управлении нагружением дизеля. Преложены две системы, включающие в себя лаг, датчик расхода топлива, компьютер с дисплеем, а так же комплект программ. Компьютерное управление позволяет успешно решать задачи оптимизации режимов работы. Однако, соответственно, повышается стоимость перевозок. Поэтому, задачи совершенствования режимов работы судов следует решать с учетом экономической целесообразности с тем, что бы рекомендованные средства заметно не увеличивали стоимость перевозок. Приведенный анализ режимов работы судов с мощностью СЭУ 100 - 300 кВт, работающих на внутригородских и пригородных линиях, а так же научно исследовательских работ по совершенствованию показателей дизелей данных СЭУ, позволяет выявить главные вопросы по совершенствованию управлением работы двигателей на переходных режимах: 1. повышение надежности 2. снижение токсичных выбросов 3. повышение экономичности Необходимо совершенствование комплексных экономических оценок перечисленных показателей этих судов, применительно к конкретным условиям, которые позволили бы выявить важнейшие направления: выбор режимов их работы средства управления этими режимами, применительно к условиям мегаполиса Проведенный обзор состояния вопроса позволяет делать следующие выводы. В настоящее время для судов, работающих на городских и пригородных линиях, применяют дизели различных типов: двигатели ЗД6 и ЗД6Н Барнаульского завода, двигатели 6ЧСП 18/22 Хабаровского дизелестроительного завода, используются созданные ранее для автотракторных машин двигатели ЯМЗ 238, а так же двигатель 6L160 устаревшего тип. Режимы работы судов на внутригородских и пригородных линиях отличается в зависимости от назначения, а для пассажирских судов в зависимости от маршрута. Учет режима эксплуатации может позволить выбрать тот или иной тип судовой силовой установки, оптимизировать управление главным двигателем, повысить надежность и сократить расходы на эксплуатацию и, таким образом, уменьшить стоимость перевозок. Такой выбор позволяет рассматривать как новые, для эксплуатации на судне двигатели, так и хорошо зарекомендовавшие себя старые двигатели с учетом условий и режимов эксплуатации. На основании проведенного анализа в работе поставлены следующие задачи: 1. Разработать математическую модель пуска, разгона и прогрева четырехтактного дизеля для расчетной оценки влияния различных режимов работы дизелей, судов внутригородских и пригородных линий, мощностью 60 - 130кВт, на токсичность, надежность и экономичность. 2. Для выявления влияния закона регулирования частоты вращения и подачи топлива, разработать эксперимент&чьный стенд на базе двигателя ЗД6Н с электронной системой управления (электронным регулятором ЭРУС - А), позволяющий исследовать возможность снижения токсичности двигателя, увеличения его экономичности и надежности работы на переходных режимах. 3. Разработать общие рекомендации по оптимизации режимов работы быстроходных дизелей пассажирских судов (с экономической оценкой целесообразности данных рекомендаций), работающих на внутригородских и пригородных линиях мега полисов, с точки зрения снижения токсичности, повышения надежности и экономичности. Кроме того, возникает задача использовать созданную математическую модель для обучения навыкам обслуживания дизеля при работе в переходных режимах. метода. Выбор способа управления судовым дизелем на переходных режимах с целью увеличения ресурса дизеля. Ресурс двигателя, характеризующий срок эксплуатации, определяется его долговечностью и надежностью. Надежность - это величина, характеризующая число отказов за определенный промежуток времени. Обеспечение высокой долговечности и надежности деталей и узлов дизеля является основным требованием при эксплуатации. Показатели надежности учитываются наравне с основными эксплуатационно - экономическими показателями, а в некоторых случаях являются определяющими. Долговечность это время от начала эксплуатации до момента наступления технической или экономической нецелесообразности дальнейшего их использования или ремонта. Долговечность двигателя внутреннего сгорания определяется величиной износа основных деталей двигателя, а именно износа поршневых колец, цилиндровых втулок, рамовых подшипников и т. д. При определении ресурса производят выбор детали двигателя, имеющей минимальный срок службы (совокупность частоты выхода элемента из строя и (или) времени на устранение отказа). Срок службы данного узла будет определяющим фактором (показателем ресурса). В качестве определяющих элементов двигателя могут быть использованы различные детали, например мотылевые или коренные подшипники, цилиндровые втулки, шатунные болты и т. д. Как известно, основными факторами, влияющими на ресурс двигателя является: - Качество изготовления и характеристики материала определяющей детали. - Технологические дефекты сборки и установки детали. - Качество эксплуатации и обслуживания двигателя. Современный уровень развития машиностроения позволяет снизить до минимума первые два фактора, поэтому основным направлением увеличения ресурса является улучшение качества эксплуатации и обслуживания двигателя. Качественная эксплуатация позволит увеличить надежность двигателя (за счет уменьшения поломок) и, соответственно, позволит соизмерять время безотказной работы с долговечностью. В результате ресурс двигателя будет, в основном, оценивается степенью износа деталей. Многочисленные исследования, проведенные рядом авторов, в частности Н. X. Дьяченко [38], выделили в качестве определяющей детали такие элементы двигателя как втулку цилиндров и поршневые кольца (табл 2.1.). Данные элементы двигателя имеют наименьшую надежность, и соответственно срок службы. Таблица 2.1. Срок службы деталей быстроходных дизелей [38]
Выбор критерия оптимального регулирования двигателя на переходном режиме работы. Улучшения качества переходного процесса с целью увеличения ресурса
Основными факторами, влияющими на характер и величину изменения касательных тепловых напряжений во втулке цилиндров, является изменение теплового потока от газов в стенку и изменение температуры воды системы охлаждения. Причем, характер изменения теплового потока является определяющим для внутренней (огневой) поверхности втулки цилиндров, а температуры воды - для внешней поверхности.
При пуске, разгоне и прогреве двигателя наибольшая амплитуда касательных тепловых напряжений возникает во втулке цилиндров со стороны газов. Поэтому, касательные тепловые напряжения со стороны газов являются определяющим фактором повреждения втулки цилиндра при пуске, разгоне и прогреве двигателя. В условиях эксплуатации, для определения тепловых напряжений нужно определить характер распределения тепловых полей в термонагруженных деталях двигателя. Эта задача достаточно сложна. Поэтому, в эксплуатации, чаще всего используют косвенный метод определения тепловой напряженности. Следует отметить, что результаты, полученные по выбранным характеристикам тепловой напряженности, не должны входить в противоречие с характеристиками завода - изготовителя [ 102]. Эксплуатационные критерии позволяют обеспечить работу дизеля без перегрузок. В качестве параметров, по которым можно косвенно определить степень перегрузки двигателя, могут использоваться такие параметры как: температура выпускных газов, максимальное давление сгорания, цикловая подача топлива, коэффициент избытка воздуха, максимальная величина движущего момента.
Кроме перечисленных выше параметров, в эксплуатации используют специальные критерии тепловой напряженности. Наибольшее распространение получили критерии Камкина, Овсянникова, Костина [48,61, 76,79, 80,102]. В качестве обобщенного критерия может выступить критерий напряженности Овсянникова М. К, где bo - постоянный коэффициент; Фс — коэффициент наполнения; Рші — соответственно давление воздуха перед цилиндром, кПа; а ] - коэффициент избытка воздуха; п - частота вращения двигателя, мин"1; Чем выше критерий qo, тем более нагружен двигатель. Значение коэффициента наполнения Фс определяется расчетным путем: Часовой расход воздуха двигателя равен: где Vh - объем, описываемый поршнем, м3; п - частота вращения двигателя, мин"1; z - число цилиндров двигателя; іт - коэффициент характеризующий тактность двигателя (1 - для двухтактных, 0,5 -для четырехтактных); р1П( - плотность воздуха перед цилиндром кг/ м ; Уменьшение темпа разгона двигателя, снижает величину амплитуды тепловых напряжений, но при этом происходит затягивание процесса разгона судна, что отрицательно влияет на управляемость судна и безопасность судовождения, а так же к увеличению продолжительности работы двигателя на переходном режиме. В случае, если наложено ограничение на время перехода судна от одного причала до другого по маршруту движения, то основной задачей при выборе оптимального темпа изменения частоты вращения двигателя, является выбор такого темпа, что бы с одной стороны получить наименьшую тепловую напряженность и снизить дымность двигателя на переходном режиме, а с Другой стороны сократить время переходного процесса до минимума [76]. То есть, требуется получить минимум функционала вида: где о - величина максимального касательного напряжения во втулке цилиндров. Данная зависимость позволяет определить минимум площади, ограниченной величиной тепловых напряжений во втулке цилиндров и длительностью переходного процесса при разгоне двигателя (рис. 2.21). Рис. 2.22 Зависимость изменения максимального теплового напряжения от длительности переходного процесса при разгоне двигателя до режима 1500 об/мин. На рис, 2.22 представлена зависимость изменения максимального теплового напряжения от длительности переходного процесса при разгоне двигателя до режима 1500 об/мин. В связи с тем, что определить тепловые напряжения в условиях эксплуатации достаточно затруднительно. Целесообразно в функционале использовать вместо величины максимальных тепловых напряжений, критерий теплонапряженности [76, 102]. Как видно по рис 2.19 и 2.20, критерий Овсянникова достаточно хорошо коррелируется с графиком изменения тепловой напряженности. Поэтому функционал оптимального темпа разгона будет следующим: г S= [Оа-сіт-їтіп г-0 Данная зависимость позволяет определить минимум площади, ограниченной величиной характеристики теплового потока во втулку и длительностью переходного процесса при разгоне. 2.2.1. Расчетный способ определения оптимального режима разгона двигателя. Данный способ удобен при прогнозировании результата установки систем оптимального регулирования. Для определения оптимального темпа разгона двигателя расчетным способом воспользуемся методом градиентного спуска (метод Коши) [94] рис. 2.23. Для этих целей в предложенную выше программу вводятся данные по двигателю и судну, а после, рассчитывается функция Т = [а dx для различных значений темпа г-0 разгон. Используя метод Коши определяется темп, при котором функция
Суммарный эффект от внедрения системы управления переходным процессом двигателя
При изменении темпа разгона двигателя, помимо снижения затрат на эксплуатацию, возникает отрицательный эффект снижения оборота судна. Основной причиной этого является увеличение времени переходного процесса при уменьшении величины темпа разгона. Для расчета потерь прибыли воспользуемся зависимостью: ПО = \Ткшое старое) ІОД У где №од - количество циклов работы по заданному темпу за навигацию Q - средняя прибыль судна в час Тновое- длительность переходного процесса при установке нового оборудования. Trope - длительность переходного процесса при работе на старом оборудовании. На рисунке 3.7. представлены зависимость изменения длительности переходного процесса для двигателя ЗД6, при различном темпе разгона на переходном режиме, полученные расчетным путем. На рисунке 3.8 показана зависимость снижения прибыли за счет уменьшения времени оборота судна. Как видно, по графикам в случае снижения темпа разгона ниже 100 (об/мин)/сек. увеличиваются затраты от снижения времени на оборот судна. Так, при темпе 30 (об/мин)/сек. потери времени в навигацию могут составлять около 30 часов. Данные затраты относятся к капитальным затратам, поэтому при расчете затрат на капитальные вложения нужно исходить из расчета срока окупаемости нового оборудования. Показатель капитальных затрат на установку нового оборудования выражен следующей зависимостью: Ек = Ен К где: К - капитальные вложения на приобретение, установку и наладку нового оборудования., руб; Ен = нормативный коэффициент эффективности капитальных вложений; Ток - Срок окупаемости двигателя, навигаций Срок окупаемости двигателя зависит от ресурса и равен количеству навигаций до капитального ремонта. Расчеты экономического эффекта для двигателей ЗД6 и ЯМЗ 238 представлены в таблице 3.9. и 3.10. соответственно. Расчет выполнен для режима 1500 об/мин. Двигатель ЯШ 233 29Ш}-г і г і t і т і 6687308395 Т Пр»ГОН»,(о6/ НнУС ( Рис. 3.10. Экономический эффект для двигателя ЯМЗ 238 от внедрения электронного регулятора, по сравнению с механическим регулятором при быстром изменении положения рейки. 3.4.1. Сравнение суммарного эффект от внедрения системы управления переходным процессом двигателя, при работе на коротком плече. Рис. 3.11. Сравнительный график экономического эффекта для двигателя ЯМЗ 238 и ЗД6, на режиме 1500 об/мин, от внедрения электронного регулятора, по сравнению с механическим регулятором при быстром изменении положения рейки. На рисунке 3.10. показан сравнительный график экономического эффекта для двигателя ЯМЗ 238 и ЗД6, на режиме 1500 об/мин, от внедрения электронного регулятора, при работе судна на коротком плече. Расчеты показали, что при эксплуатации двигателя ЯМЗ 238 экономический эффект от внедрения электронного регулятора составит 130000 руб по сравнению с двигателем ЗД6. При работе на коротком плече, для двигателя ЗД6 238 экономический эффект составит около 90 000 руб. в год, а для ЯМЗ 238 - 220 000 руб, в год. 3.4.2. Сравнение суммарного эффект от внедрения системы управления переходным процессом двигателя, при работе на длинном плече. Рис. 3.12. Сравнительный график экономического эффекта для двигателя ЯМЗ 238 и ЗД6, на режиме 1500 об/мин, от внедрения электронного регулятора, по сравнению с механическим регулятором при быстром изменении положения рейки. На рисунке 3.11. показан сравнительный график экономического эффекта для двигателя ЯМЗ 238 и ЗД6, на режиме 1500 об/мин, от внедрения электронного регулятора, при работе судна на длинном плече. Расчеты показали, что при эксплуатации двигателя ЯМЗ 238 экономический эффект от внедрения электронного регулятора составит 8000 руб по сравнению с двигателем ЗД6. При работе на коротком плече, для двигателя ЗД6 238 экономический эффект составит около 1000 руб, в год, а для ЯМЗ 238 -9000 руб. в год. 1. Расчет приведенных затрат, с учетом характера и режима работы на маршруте, показал, что для двигателя ЗД6 затраты составляют 2,88 руб/кВт-час, а для двигателя ЯМЗ 238 - 2,72 руб/кВт-час. Анализируя полученные данные, как наиболее приемлемы, с точки зрения экологических и экономических показателей выбран двигатель ЯМЗ 238. Этот выбор связан с тем, что хотя срок службы деталей двигателя ЯМ3238 в 2 раза меньше чем у двигателя ЗД6, из всех рассмотренных выше двигателей он наиболее дешевый, имеет меньший удельный расход топлива и стоимость доставки и установки на судне. 2. Использована и дополнена методика, предложенная Н, И. Дацюком, расчета экономического эффекта от внедрения новых систем управления. Результаты расчета по данной методике показали, что при внедрении электронного регулятора, максимальный экономический эффект для
Последовательность проведения предпусковых операций
Тренажер Судомеханика ч.1 , версия 0.82 В курс обучения на данном тренажера входит отработка действии по подготовке к писк» главного сапового дизеля, его запаска и поиска неисправностей в его системах. Краткая справка по работе с программой: Для перехода между системами дизеля используются клавиши F1-FS Для передвижения по меню - стрелки. ДЛЯ использования выбранного пункта - пробел На системах зеленым цветом показаны ОТКРЫТЫЕ клапаны н ВКЛЮЧЕННЫЕ, органы управления, красным - соответственна закрытые и выключенные. Желтым кружком обводится элемент, в данный момент выделенный в меню. Для работы с программой необходимо ввести свое имя Сфамилию Длина строки — не более 25 символов. Здесь пользователь может включить питание АПС и автоматики, а также непосредственно осуществить запуск дизеля. Переход между системами ГД осуществляется с помощью функциональных клавиш F1-F5: F1 - система сжатого воздуха F2 - топливная система F3 - система смазки F4 - система охлаждения F5 - местный пост управления Отличительной чертой программы является установление краевых условий (степени прогрева двигателя, давления воздуха в пусковых баллонах, состояние атмосферного воздуха и. т.д.) для исследования надежности и качества пуска, контроль времени и скорости проведения предпусковых операций, Экран схемы воздушного пуска СНЕМЯ ласкового ВОЗДУХА элементы схемы: Главный пусковой клапан Расходный клапан 1 Клапан 1-го манометра Продувочный клапан 1 Наполнительный клапан 1 Выключатель компрессора Расходный клапан 2 Продувочный клапан 2 Клапан 2-го манометра Наполнительный клапан 2 Индикаторные краны При нажатии клавиши F1 пользователь попадает в экран системы сжатого воздуха, где он может: Открыть клапаны манометров пусковых баллонов, чтобы узнать давление (по умолчанию они закрыты). Открыть / закрыть расходные клапана на пусковых баллонах Продуть пусковые баллоны, чтобы убедиться в отсутствии конденсата Пополнить баллоны, включив компрессор. При расчете количества воздуха, поступающего в баллон, используется дифференциальное уравнение: dP6=i -yGhawtpeuop-dz (4.1) где G компрессора - производительность компрессора, V6 - объем пусковых баллонов, Та - температура воздуха из компрессора. Результаты предпусковой подготовки заносятся в программу моделирования. В качестве информации о качестве предпусковой операции служит давление воздуха. Экран схемы топливной системы При нажатии клавиши F2 пользователь попадает в экран топливной системы, в которой необходимо прокачать топливные насосы высокого давления, произвести очистку фильтров и пополнение расходной цистерны. Следует отметить, что дизель можно запустить и при уровне топлива 10%, но при этом обучаемый заработает штрафной балл за невыполнение одной из подготовительных операций. В качестве информации для программы моделирования пуска дизеля из этого блока вводятся данные о наличие топлива в напорной магистрали ТНВД. где М-масса воды в двигателе, Ср - теплоемкость воды, Т - температура воды в двигателе (средняя), Q - количество теплоты, подведенная подогревателем, Qom =f(J i« ob,iTmaoj,) - - количество теплоты, затраченная на подогрев двигателя. Зависит от температуры окружающей среды, начшіьной температуры двигателя и температуры подогреваемой воды. Экран схемы системы охлаждения При нажатии клавиши F4 пользователь попадает в экран системы охлаждения. В этой системе нужно открыть клинкеты забортной воды и пополнить уровень воды внутреннего контура. Также предусмотрена возможность прогрева главного дизеля горячей водой из внутренних контуров дизель - генераторов или от автономного котла. Необходимо отметить, что процесс прогрева достаточно длительный, и начинать подготовку следует именно с него.
