Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Постановка задач
1.1 Цели и задачи диагностики судовых дизелей 10
1.2 Современное состояние диагностики судовых дизелей 23
1.3 Виброакустическая диагностика судовых дизелей 27
1.3.1 Методы ВАД судовых дизелей 27
1.3.2 Технические средства для ВАД судовых дизелей 35
1.4 Методология ВАД судовых дизелей 43
1.4.1 Особенности методологии ВАД судовых дизелей 43
1.4.2 Моделирование ВАД судовых дизелей 37
1.5 Цели и задачи 51
Глава 2. Математическое моделирование диагностики судовьк дизелей по крутильным колебаниям валопровода
2.1 Моделирование сил и моментов для диагностики судовых ДВС по крутильным колебаниям валопровода- 53
2.1.1 Моделирование показателей состояния работы цилиндра 54
2.1.2 Моделирование сил и моментов судовых дизелей 64
2.2 Математические модели крутильных колебаний вало- провода судовых дизелей 74
2.2.1 Построение математических моделей крутильных колебаний валопровода для диагностики главных судовых дизелей 74
2.2.2 Расчет свободных крутильных колебаний валопровода СДВС 80
2.2.3 Расчет вынужденных крутильных колебаний валопровода 83
2.3 Аналитическая диагностика судовых дизелей по крутильным колебаниям валопровода 92
2.3.1 Моделирование вибродиагностики по текущему моменту 92
2.3.2 ВАД по мгновенной частоте вращения коленчатого вала 105
2.3.3 ВАД судовых дизелей по крутильным колебаниям, описы- вающимся линейной системой дифференциальных уравнений с малым параметром107
Глава 3 Численные и натурные исследования динамики и диагностирования судовых дизелей по вас
3.1 Численные эксперименты исследований динамики и диагностирования судовых дизелей по крутильным колеба ниям валопровода 114
3.1.1 Методы повышения точности численных решений крутильных колебаний валопровода судовых дизелей - 114
3.1.2 Методы и алгоритмы численных решений крутильных коле- баний валопровода СДВС
3.1.3 Обстановка численных экспериментов диагностирования 126 СДВС по крутильным колебаниям валопровода 118
3.1.4 Построение регрессионных моделей обработкой характери- стик крутильных колебаний при численных экспериментах 135
3.1.5 Построение моделей прогнозирования состояния СДВС 138
3.1.6 Примеры численных исследований динамики и диагностиро- вания судовых дизелей по крутильным колебаниям 145
3.2 Натурные исследования динамики и диагностирования ДВС по виброакустическим сигналам 149
3.2.1 Эксперименты исследований ВАС дизеля SKL-3NVD 24/34 149
3.2.2 Натурные исследования крутильных колебаний валопровода 155 т/х. «VINASHINSKY»
Глава 4 Математическое обеспечение диагностирования и прогнозирования сдвс по крутильным колебаниям
4.1 Оптимальность - основа математического обеспечения ВАД судовых двигателей с применением теории распознавания образов166
4.1.1 Методология диагностирования путем применения методов теории распознавания образов 166
4.1.2 Построение оптимальных критериев в диагностировании 174
4.2 ВАД судовых дизелей с применением методов теории рас- познавания образов 180
4.2.1 Построение вектора диагностических признаков 186
4.2.2 Построение эталонных характеристик 193
4.2.3 Принятие решения состояния диагностического СДВС 199
4.3 Прогнозирование состояния судовых дизелей путем при- менения теории распознавания образов 204
4.3.1 Построение моделей прогнозирования состояния дизелей 205
4.3.2 Прогнозирование состояния судовых дизелей 210
Глава 5. Повышение эффективности технической эксплуатация судовых дизелей путем применения методов и системы диагностирования по вас
5.1 Построения систем автоматического контроля и диагно- стики судовых дизелей по виброакустическим сигналам 223
5.1.1 Блок - схемы системы автоматического контроля и диагно- стирования СДВС 223
5.1.2 Расширение возможности диагностирования САКД судовых дизелей 233
5.1.3 Новые аспекты с применением САКД, компьютеризации и интернета в управлении технической эксплуатацией судовых силовых дизельных комплексов 241
5.2 Усовершенствование метода расчета крутильных колебаний валопровода судовых силовых комплексов 246
5.2.1 Концептуальность расчета крутильных колебаний валопро- вода судовых силовых комплексов 246
5.2.2 Методика расчета крутильных колебаний валопровода судо- вых силовых комплексов248
5.3 Выбор оптимального режима работы судовых пропуль- сивных дизельных комплексов 259
5.3.1 Модели режима работы судового пропульсивного комплекса 264
5.3.2 Выбор режима работы пропульсивного комплекса 273
Заключение 279
Список литературы 283
- Виброакустическая диагностика судовых дизелей
- Математические модели крутильных колебаний вало- провода судовых дизелей
- Натурные исследования динамики и диагностирования ДВС по виброакустическим сигналам
- ВАД судовых дизелей с применением методов теории рас- познавания образов
Введение к работе
Главное назначение современного диагностирования состоит в непрерывном автоматическом контроле технического состояния объекта, своевременном обнаружении отклонений контролируемых параметров от нормативных значений, идентификации и локализации дефектов, выработке стратегии последующих действий и прогнозировании ресурса. Система автоматического контроля и диагностирования (САКД) создается на базе новейших информационно-вычислительных средств, а программная часть которых опирается на фундаментальные и прикладные математические методы.
Важная роль в обеспечении безопасности объекта принадлежит диагностированию текущего состояния и прогнозированию остаточного ресурса до предельного состояния. Отказы, связанные с риском для здоровья и жизни экипажа, опасностью для судна или окружающей среды, а также с серьезным экономическим и моральным ущербом должны быть исключены, либо иметь малую вероятность их появления в процессе эксплуатации. САКД позволяет непрерывно следить за техническим состоянием объекта и давать рекомендации о дальнейшей эксплуатации. В частности, если результаты диагностирования показывают, что объект приближается к аварийной ситуации, то должно быть принято решение о прекращении его эксплуатации или о переходе на облеченный режим с одновременным принятием мер, обеспечивающих безопасность.
Ресурс - продолжительность эксплуатации от данного момента до достижения предельного состояния. Ресурс судовых объектов является важной технической и экономической характеристикой. Прогнозирование ресурса открывает дополнительные пути повышения экономической эффективности (предупреждение возможных аварий, правильное планирование рабочих режимов, обоснованный выбор срока эксплуатации и т.д.).
-7-Прогнозирование ресурса - составная часть теории надежности. Под надежностью понимают способность технического объекта выполнять заданные функции (правильно функционировать) в течение заданного интервала времени. Надежность учитывает свойства объекта: безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.
Первые работы по технической диагностике проявились в печати в средине 60-х гг. Ранее использовались термины «контроль состояния», «автоматический контроль», «поиск неисправностей» или «определение работоспособности». К началу 70-х гг. были обозначены основные проблемы технической диагностики: моделирование объектов, методы диагностирования, прогнозирования, обнаружения отказов.
В 80-х гг. техническая диагностика приблизилась к решению вопроса оптимизации алгоритмов и аппаратурных средств диагностирования. Были разработаны методы проектирования систем диагностирования.
На судах используют системы и средства контроля и диагностирования технического состояния дизелей, в которых измеряются следующие параметры: индикаторная диаграмма отдельного цилиндра; средняя частота вращения коленчатого вала; закон подачи топлива в цилиндр. Измерения осуществляются многократным переносом приборов от цилиндра к цилиндру механиком судна. Объем работ оказывается неоправданно большим. Кроме того, измерения выполняются при неидентичных текущих условиях. Из этого следует, что полученные данные носят усредненный характер.
Современные направления в технической диагностике судовых дизелей следующие:
- интеллектуализация методов и средств диагностирования. Метод диагностирования должен быть определен физическим явлением, которое дает наиболее объективную информацию о техническом состоянии объекта. Важнейшей проблемой являются исследование и регистрация физических и других эффектов, предшествующих времени перехода с нормального состояния
-8-в «дефектное» состояние. Интеллектуализация методов диагностирования
связана с интенсивной компьютеризацией;
- совершенствование диагностических технологий. Технические средства диагностирования включают аппаратную часть, программное обеспечение и техническо-диагностическую документацию. Аппаратурная часть создается на основе современных технологий электроники и информатики для получения достоверной диагностической информации по выбранным интеллектуальным методам. Программное обеспечение включает оптимальные алгоритмы диагностирования, которые используют методы теории распознавания образов. Технология диагностирования должна минимизировать количество диагностических признаков, методов и средств диагностирования, но должна быть достаточной для обеспечения максимальной гарантии достоверности.
Для повышения уровня автоматизации контроля и диагностирования неравномерности работы судовых дизелей предложена новая методология, в которой общее свойство «неравномерность» оценивается обобщенными информативными диагностическими характеристиками крутильных колебаний. Автором введены новые понятия - коэффициенты качества сгорания и утечек из цилиндров.
В морской практике количество аварий на судах остается значительным. Основные причины - критический уровень износа технического оборудования, нарушения операционной и технологической дисциплины, ослабление роли надзорных органов контроля и управления. Например, во вьетнамской морской истории судоходства никогда не было больших аварий и катастроф, подобных случившейся в январе 2004 года. Весь вьетнамский экипаж т/х "Dury" погиб у берегов Южной Кореи. Причиной гибели судна в условиях штормовой и холодной погоды (-15 С) была неправильная оценка технического состояния главного двигателя, приведшая к аварии.
Практическое использование ДВС приводит к необходимости исследования сложных динамических процессов в связи с крутильными колебаниями валов. Имеются сведения о серьезных авариях, причиной которых являлись
-9-крутильные колебания. Например, поломка промежуточного вала валопрово-
да т/х "HaTien" Вьетнамской судоходной компании в 2003 году. Этот случай подробно исследован в пятой главе диссертации.
Практическая значимость предлагаемой диссертационной работы, направленной на повышение безопасности и эффективности технической эксплуатации судов морского флота, состоит в том, что на основе разработанного математического аппарата предложена к реализации новая автоматизированная система мониторинга и диагностирования судовых двигателей внутреннего сгорания.
Виброакустическая диагностика судовых дизелей
Виброакустическая диагностика (ВАД) машин и механизмов - это самостоятельное научное направление технической диагностики, которое базируется на виброакустической динамике машин, теорий сигналов и распознавания образов. Особенность ВАД судовых дизелей - изучение закономерностей вибрационных и акустических процессов в узлах или на поверхности ОД при нормальном рабочем режиме и при неисправных режимах с целью диагностики состояния ОД по характеристикам виброакустических сигналов (ВАС) (разработка методов диагностики; разработка принципов построения и использования средств технического диагностирования). --В литературе существуют понятия акустической, вибрационной и ВАД машин и механизмов [3, 5, 23, 52, 47, 61]. Следовательно, необходимо анализировать сущность этих методов диагностики. Целью ВАД является определение состояния ОД с помощью вибрационных или шумовых сигналов. В этом случае, определение состояния ОД выполняют на базе измерения и обработки ВАС. Различия методов (акустической или вибрационной) диагностики могут быть тонкой границей понятий акустика (шум, звук) и вибрации (колебания).
По традиции, колебательные процессы, распространяющиеся по конструкциям машин и механизмов, принято называть вибрационными процессами. Однако по акустическому подходу колебательные явления в механических конструкциях рассматриваются как волновые процессы [3, 61]. Этот подход более универсален и плодотворен, так как он базируется на общих закономерностях для упругих волн в среде твердой, жидкой или газообразной.
По этой концепции, принимая колебательные процессы как волновые, ВАД имеет цель - определение состояния ОД с помощью измеренных сигналов колебательных (динамических) процессов, происходящих при его функционировании по назначению.
ВАД выполнена по динамическими сигналами с разной природой: по температуре, давлению, механическим или звуковым вибрациям и др.
Сущность проблемы ВАД состоит в разработке и практической реализации алгоритмов определения состояния ОД в рабочих условиях по характеристикам ВАС, сопровождающих его функционирование.
Рабочие процессы судовых дизелей протекают и сопровождаются динамическими изменениями температуры узлов, давления газов в цилиндрах, вибрациями, шумами. Неисправности отдельных узлов или дизеля в целом можно определить по виброакустическим характеристикам. В зависимости от информативности выбранных ВАС и от возможности их измерения диагностика СДВС имеет различную эффективность. Необходимо анализировать полноту и глубину диагностики СДВС с помощью вектора признаков ВАД. --Выбор ВАС для диагностики судовых дизелей Цели ВАД: непрерывный контроль (мониторинг) состояния ОД в целом; поэлементное диагностирование состояний основных узлов, агрегатов и прогноз состояния на базе данных непрерывного наблюдения.
Для получения достаточно полной информации для ОД по отношению источника вибрации и причин их вызывающих необходимо комплексно исследовать различные параметры: энергетические, вибрационные, конструктивно-технологические, инерционно-жесткостные, демпфированные и эксплуатационные режимные. Эти параметры включаются в общую модель, записывающую вибрационные процессы ОД: коэффициентов масс или моментов инерции, демпфирования и жесткости; X - вектор вибрационных состояний ОД, и F -вектор вынужденных сил (моментов). На основе анализа функциональных обобщенных моделей, блок-схем, показанных на рис. 1.3 и рис. 1.5, построены причинно-следственные модели ВАД судовых дизелей, записанные в таблице 1.1. В таблице 1.1. показаны возможные динамические (колебательные) сигналы для комплексной диагностики судовых дизелей.
Анализируемую информацию об использовании вибрационных сигналов для диагностики поршневых машин в источниках [6, 13, 23, 25, 37, 39, 47, 53, 76, 83, 84, 87, 88, 90, 91] можно сгруппировать в следующие направления: - динамические процессы в камере сгорания: давление и подача топлива высокого давления в цилиндр вместе с синхронным сигналом положения коленчатого вала (обычно этим занимаются фирмы-производители судовых дизелей, многие институты и фирмы). - ударные вибрации, характеризирующие процессы сгорания топлива в цилиндре или фазы газораспределения [37, 47]; ударные импульсы пары «поршень-втулка» цилиндра, характеризирующие повышенный зазор этой сопряженной пары [23,47]; импульсные сигналы иглы форсунки [53]; - вибрационные сигналы турбокомпрессорного агрегата [53,23, 88]; - вибрационные сигналы корпуса дизеля (общие вибрации дизеля) [47]. --- мгновенная частота вращения коленчатого вала (ЧВКВ) [25,47].
Отсюда следует, что по физической природе существует сравнительно большой перечень вибрационных сигналов, которые могут использоваться для комплексной или поэлементной диагностики. В настоящее время отсутствуют глубинные исследования ВАС судовых дизелей, и нешироко используются диагностические системы ВАД, кроме систем измерения давления газов в камере сгорания и подачи топлива в цилиндр [53, 77]. Обработка ВАС для получения признаков диагностики. Измеренные ВАС содержат полезные сигналы и шумы и представляются случайными и аддитивными с шумами, являются полигармоническими вибрационными сигналами. Эти сигналы подвергаются следующим структурным преобразованиям: нормализации, дискретизации, декомпозиции (разложению в ряд), обобщению (анализу - факторному или дискриминантному) [5, 7,23, 47].
Формы выходных сигналов современных датчиков вибраций - непрерывные (аналоговые), цифровые или кодовые, которые вводят в анализатор или компьютер для дальнейшей их обработки. В современных анализаторах вибраций и шума и компьютерах они находятся в цифровой форме.
Измеренные сигналы подвергаются фильтрации аппаратурным устройством или программой в компьютере. В зависимости от частотных диапазонов полезного сигнала используют различные фильтры: низкочастотный; высокочастотный и полосовой. В совокупности обработанных сигналов должны преобразовать их структуры с целью получения характеристик вибрационных процессов (в частотной или во временной области). На последнем этапе выполняют обобщение множества характеристик вибрационных процессов (сигналов) с помощью специальных алгоритмов, например факторный или дискриминантный анализ.
ВАС наблюдаемых процессов в судовых дизелях могут быть детерминированными и случайными. Детерминированные сигналы. Детерминированные ВАС преобразуются --элементарными аналитическими функциями, и методами функционального анализа [23, 47]. В математике существуют различные элементарные функции, например, функции Лагеря, Чебышева, Фурье и др. Самыми используемыми в вибродиагностике являются элементарные функции Фурье.
ВАС представляются в частотной или во временной области. В частотной области обычно представляются в ряду Фурье. Математический аппарат Фурье в настоящее время выполняется быстрым преобразованием Фурье (БПФ).
Математические модели крутильных колебаний вало- провода судовых дизелей
Для построения математической модели крутильных колебаний валопро-вода судовых дизелей с целью диагностирования необходимо моделировать возбужденные моменты главного двигателя и рабочей машины (гребного винта). Кроме того, необходимо построить адекватную динамическую и математическую модель этого комплекса. Моделирование функций моментов каждого цилиндра уже рассмотрено раньше в разделе 2.1. Момент гребного винта может определяться по формуле Бремса [48]. Амплитуды гармоник зависят от усредненного момента дизеля. Момент гребного винта содержит гармоники с порядками z, 2z, 3z, здесь z - число лопастей винта. Динамические системы главных силовых установок включают главный судовой дизель, валопровод и рабочую машину (гребной винт). Для получения адекватных диагностических моделей необходимо учитывать конструктивные и режимные особенности пропульсивного комплекса. Конструктивные особенности включают динамическое расположение элементов комплекса. Современные силовые дизельные установки судов по предназначению могут быть системами с одним или двумя дизелями, валопроводом (с муфтой или без муфты), и гребным винтом. Динамические модели силовых комплексов современных коммерческих судов показаны на рис. 2.6. В соответствии с рис.2.6.а моделируются: - концентрирующие массы - инерционными моментами Ji, J2,..., J„; - коэффициенты крутильных жесткостей Сус+ь к= 0,1,2,...,п+1; - коэффициенты демпфирования bk,k+1; - вынужденные моменты крутильных колебаний Мь М2,..., Mm. Рис.2.6.б - моделируется дополнительно нелинейный коэффициент жесткости d м эластической муфты. Для рис.2.6.в. дополнительно моделируются инерционные моменты JjJ[+2, Jm+3- Jm+P и коэффициенты жесткостей С+ии1+2 С для раз ветвленной линии валопровода. Математическое моделирование, соответствующее рис.2.6., осуществляется известными методами, например, методом Лагранжа второго рода. Первый вариант (рис.2.6.а) записывается математической моделью:Ji Ф«+СІ-І,І (Фі - Фн) bn) - матрица коэффициентов демпфирования; С -матрица коэффициентов статической жесткости системы; Ф = [ф,Ф2,...,Фп] - вектор текущих значений углов поворота вала; Эластическая муфта имеет нелинейную эластическую жесткость при кручении. В математическом моделировании гладкая нелинейная функция момента, полученная экспериментальным способом, заменяется эквивалентной математической функцией третьей степени: где: С и dM - коэффициенты, определенные методом наименьших квадратов. Полагая: где J- расширенная диагональная матрица коэффициентов моментов инерции масс; С- расширенная симметричная матрица жесткостей; В- расширенная диагональная матрица коэффициентов демпфирования, размерностью Уравнения (2.37) и (2.42) внешне одинаковы, их различия состоят в размерах и виде матриц С. Поэтому динамические разветвленные системы можно исследовать общими методами, которые используются для колебаний систем без разветвлений (2.37). Момент і-го цилиндра представляет собой функциюМ.(ф.), зависящую от положения коленчатого вала (п.к.в.). По существу, ф; является функцией крутильных колебаний: ф;= cot+8j +Афі. Момент і-го цилиндра в первом приближении определяется: at где фі0 = art + 8j - п.к.в. при отсутствии колебания, ф = Дф; = 0. Вектор моментов цилиндра двигателя записывается следующим образом: На практике нелинейные части моментов обычно представляют малую компоненту, т.к. тах(Афі) 3 = 0.05 рад. До сих пор исследователи не включают малые компоненты Н.(Аф,.) при расчете вынужденных крутильных колебаний валопровода. Для диагностики судовых дизелей по крутильным колебаниям может быть необходимым учет этих компонентов моментов. Функция нелинейной части моментов получена анализом уравнений для определения сил инерции и инерционных моментов каждого цилиндра и принимается видом: Представляем нелинейные функции моментов с малым параметром ц: Отсюда следует, что в зависимости от конструктивных особенностей математические модели крутильных колебаний валопровода судовых дизелей описываются следующим образом: Расчет свободных крутильных колебаний валопровода СДВС осуществляют с целью решения двух задач: - определение собственных частот свободной системы; - определение форм свободных колебаний соответствующих первых мод (обычно первых двух собственных частот). Из (2.Д) получается уравнение свободных крутильных колебаний судовых силовых установок с ДВС как динамической многомерной системы в следующем матричном виде: Обычно при расчете свободных колебаний коэффициенты демпфирования равны нулю. Таким образом, используется уравнение: В вибродиагностике СДВС по крутильным колебаниям необходимо сравнить решения уравнений (2.45) и (2.46) и оценить допускаемую погрешность. Известно, что решение системы (2.46) находится в следующем виде: где Ф- вектор амплитуд свободных колебаний; со - собственная частота, которую также необходимо определить; t - время. После подстановки этого решения в уравнение (2.46), получаем необходимое и достаточное условие существования ненулевых решений Ф: --К традиционным методам решения подобных уравнений относятся: метод Ф.А. Толле и метод В.П. Терских [48, 72]. Современными являются численные методы решения задач на собственные значения [72]. Различают два варианта решений. В первом случае сначала задается полином детерминанта характеристической матрицы (2.47). Затем находятся корни этого полинома. Во втором случае осуществляется прямое определение собственных значений и вектора характеристической матрицы. Для решения прикладных задач подобного класса, в том числе и задачи на собственные значения, успешно используют специальные вычислительные программы, например, MATLAB, MathCAD и др. [36]. Для работы в пакете программ MATLAB введем параметр А,н = со2 (квадрат частоты свободных колебаний системы без демпфирования) и преобразуем уравнение (2.47) в полином степени п:
Натурные исследования динамики и диагностирования ДВС по виброакустическим сигналам
В этой разработке представлены установка и эксперименты исследований виброакустических сигналов для дизеля, установленного стационарно в учебном центре Высшего Народного Военно-Морского училища имени Н. Вапцарова (ВНВМУ-Н.Вапцаров), Республика Болгария (г. Варна), выполненные автором в 1991 г. Двигатель SKL -3NVD 24/34, сделан на заводе «Карл Либлех» (бывшая ГДР). Дизель 4-тактный с неразделенной камеры сгорания. Топливная система дизеля - один насос топлива высокого давления для одного цилиндра. Общая характеристика дизеля. Дизель: SKL -3NVD 24/34 175/240; число цилиндров z =3; диаметр цилиндра du = 175 мм; ход поршня s =2R = 240 мм; номинальная мощность при частоте п=600 об/мин. NH = 44.1 кВ (60 л.с); ра-бочий объем цилиндра 5.75 сім ; частота: максимальная -600 об/мин., минимальная -300 об/мин. ; среднее эффективное давление 0.52 МПа; степень сжатия є = 11.85; усредненная скорость поршня 4.8 м/сек. Крутящий момент дизеля 3NVD 24 измерен электрическим тормозом, работающий как асинхронная электрическая машина (АЭД), регулируемая с помощью водного реостата. АЭМ переходит к тормозному режиму при частоте ротора п 1440 об/мин. Тормоз имеет рабочий диапазон птор = [1500 - 3000] об/мин. Между дизелем и тормозом используется передача с повышенным отношением 1:5. Максимальный груз - 210 кВ при частоте 600 мин"1. Точность измерения 3 %. На установке использовали четыре сенсора ВАС: сенсор частоты вращения коленчатого вала (Ді); сенсор индикаторной диаграммы цилиндра, электронный типа (Дг); сенсор перемещений цилиндровой шпильки (тензодатчик Дз) и сенсор ускорений цилиндровой главы (Дд). Использовали усилители фирмы KISLER (У2), Brule & Kjar (У3) и блока типа 4Б1002 (У4) - для усилители сигналов из тензорезистров. Плата многоканального АЦП проектирована и построена доцентом канд. техн. наук Григоровым В. (ВНВМУ им. Н. Вапцаров, Болгария). На рис. 3.4 показана аппаратура эксперимента. Натурные исследования были проведены следующими опытами: 1, При нормальной работе цилиндров Двигатель вращался с постоянной частотой, п =315 об/ мин. Грузы были подключены с тремя уровнями: 30 %, 70 % и 0 %. Измерены сигналы: - крутильные колебания - мгновенная частота вращения коленчатого вала (ЧВКВ), измеренная в сечении переднего конца дизеля (VI); индикаторные диаграммы (ИД) цилиндра (V2); вибрационные перемещения шпильки крепления крышки второго цилиндра (V3); вибрационные ускорения цилиндровой главе второго цилиндра от стороны третьего цилиндра (V4); Результаты экспрессной обработки сигналов (V2, V3) показали, что ИД и кривая вибрационных перемещений цилиндровой шпильки крепления второго цилиндра идентичны, различие - масштабные коэффициенты. Эти опыты поведены с целью оценки текущего состояния цилиндров. 2. При исключении подачи топлива одного из цилиндров Двигатель вращался со сравнительно постоянной частотой (усредненной). 3. При неравномерности подач топлива в цилиндры Уровни неравномерностей подач топлива в цилиндры искусственно заданы изменениями зазоров кулачков насоса топлива, с помощью которых изменены начальные моменты подачи топлива в цилиндр. В каждом эксперименте записывались данные с 8 повторными наблюдениями VI, V2 и V4. 4. Влияние утечки камеры сгорания одного цилиндра на поведение мгновенной ЧВКВ через продувание исследованного цилиндра. В каждом опыте (2) - (4) записывались данные с 8 повторными наблюдениями сигналов VI, V2 и V4. б- Обработки данных эксперимента. Данные экспериментов обработаны во временной и частотной области для получения ДП (группы признаков уже показаны в третьей главе) программными файлами, построенными автором, используя MATLAB m.file. Данные крутильных колебаний подвергались обработке во временной и частотной области с помощью MATLAB. Для повышения точности обработки данных автором написан файл FLTR.m (для фильтрации).
Полученные характеристики ЧВКВ - спектры и максимальные или минимальные значения в зависимости от фаз работ цилиндров. Вибрационные ускорения крышки цилиндра (на торе цилиндровой шпильки) обработаны временным, спектральным и кептральным анализами. Данные ИД - фильтрованы для удаления высоких частотных гармоник. в - Результаты эксперимента На рис. 3.5. показаны результаты измеренных ВАС при нормальной рабо --те дизеля (линии 1) и при выключении сгорания в 3-го цилиндра (линии 2). Линии на рис. 3.5,а - ИД трех цилиндров, по очереди фаз сгорания цилиндров: 1-3-2, соответствующие линии на рис. 3.5,6 - мгновенные ЧВКВ, и на рис.3.5,6 - вибрации (ускорения) цилиндровой шпильки, расположенной на втором цилиндре от страны с 3-го цилиндра. Результаты эксперимента записаны на жестком диске. Основные результаты эксперимента были показаны в кандидатской диссертации автора. Главные выводы натурного эксперимента показываются следующим образом: - текущие состояния цилиндров 3 NVD 24/34 в момент эксперимента - исправные, состояние 2-го цилиндра хуже всех (Ргз Pzi Рй , Рсз Реї Рсг); - при повышении груза (0%, 30% , 70%), линии крутильных колебаний ва-лопровода перемещали снизу. Главные гармоники (третья и шестая) повышены, а второстепенные гармоники имели тенденции снижения; - формы ИД и перемещений цилиндровой шпильки крепления цилиндра идентичны, различие в которых - масштабные коэффициенты и уровни шумов этих сигналов. Эти результаты похожи с результатами исследований Малышев B.C. и flp.(www.mstu.edu.ru/science). - при исключении подач топлива в цилиндр хорошо распознается цилиндр, в котором отсутствует сгорание, экстремальными значениями ЧВКВ; - АЧХ (спектры) мгновенной ЧВКВ вала не различаются в случаях по одному цилиндру выключения сгорания, но различают спектры при нормальной работе цилиндров. Фазово-частотные характеристики (ФЧХ) ЧВКВ различаются в трех случаях по одному цилиндру выключения сгорания. Следовательно, по спектрам ЧВКВ можно распознать ненормальную работу дизеля и ФЧХ - для локализации цилиндра с некачественным сгоранием; - по вибрациям - ускорениям можно определить цилиндры с отсутствием сгорания методом энергического или комплексного кепстрального анализа; - характеристики ЧВКВ и ускорений крышки цилиндра чувствительно изменяются не только при неравномерностях подачи топлива в цилиндр, но и при не герметичностях цилиндров. -155-3.2.2. Натурные исследования крутильных колебаний валопровода т/х. «VINASHINSKY» а - Постановка и план эксперимента Т/х. «VINASHINSKY» с дедвейтом 1500 Т, построенное в BACH DANG shipyard (VIETNAM), использует главный двигатель - дизель 7s 35 МС (МАН Б-В). В 14-15, юли, в 2006 г. проведены сдаточные и ходовые испытания, в которых участвовали представители судовладельца, судостроительного завода, инспекторы Регистра мореходства Вьетнама (VIRES), специалисты МАН B-W, и исследователи вьетнамского морского технологического института (ВМТИ). Автор участвовал в этих испытаниях как исследователь.
ВАД судовых дизелей с применением методов теории рас- познавания образов
Решение задачи связывается с априорной информацией о результате решения первой задачи - определении количества и качества классов состояний ОД. В известной степени, выполняются одновременно задачи определения вектора ДП и усовершенствования кластера состояния объекта, так как они участвуют в проверке полноты и глубины диагностики. Однако, с помощью построения и анализа структурно-функциональной модели нам известно обобщенное множество классов состояний ОД, судовых дизелей.
В комплексном диагностировании состояния судовых дизелей обобщенные показатели классов - показатели неравномерности работы цилиндров 5РС, 5PZ, біта,..., или показатель неравномерности сгорания двигателя 5 С .
На первом уровне поэлементного диагностирования СДВС множество возможных основных состояний цилиндров состоит из класса D\ состояния нормальной работы всех цилиндров и из классов D2,..., Dm- состояний с исключением одного или группы цилиндров. Обычно предполагается, что если отсутствует процесс сгорания, то это происходит только в одном цилиндре. В этом случае обобщенные показатели состояний цилиндров определяются коэффициентами качества сгорания в цилиндрах.
Если имеется априорная информация об объекте, что состояния ОД разделяются на множество от R классов состояний: D = {Db D2,..., DR}, то еле --дующей задачей диагностирования является построение вектора с минимальным размером для диагностирования наблюдаемого класса (задача № 2).
В этом разделе исследуется задача № 2.
Общая методика построения вектора ДП используется для детерминированных и случайных признаков.
Множество классов, D = {Db D2,..., DR}, образуют вектор с начальным числом размера q признаков: V 0)={VbV2,...,Vq}. Каждый параметр является характеристикой ВАС, полученного в результате обработки этих сигналов соответственными методами, например, методом спектрального, кептрально-го анализа или методом обработки во временной области.
Предполагаем, что выполнена проверка информативности диагностирования вектора с числом размера q признаков: V = {Vi, V2,..., Vq}. Существуют три возможности для вектора V: - с помощью вектора V не достаточно различаются разные классы Dj и D (проблема 1); - с помощью вектора V различаются разные классы Dj и D , но вектор признаков не оптимальный, (проблема 2); - с помощью вектора V различаются разные классы Dj и Dk, и вектор признаков оптимальный, (проблема 0).
Проблем 0. В случае, если результаты проверок полноты и глубины диагностирования - удовлетворены с помощью вектора ДП, и их затраты реализации диагностирования - минимальны (или его размер - минимален), то вектор этих ДП является оптимальным.
Проблем 1. Если имеет место некоторой пары Dr и Ds, что они не достаточно различаются, то прибавляется в векторе признаков необходимых признаков, с помощью которых различаются каждой пары состояний Dr и Ds. Переходим к решению второй проблемы.
Проблем 2. Вектор ДП V(u) является избыточным и необходимо подвергаться процедура оптимизации размера или затраты для диагностирования.
Решение задачи построения вектора ДП выполнено с помощью математи --ческих аппаратов для определения информативности диагностирования и
различений каждой пары состояний Dr и Ds, которые разработаются в детерминированных и случайных признаках, в одномерном и многомерном пространстве признаков. (а) В случае детерминированных признаков.
С помощью вектора V, образующегося из q признаков условие отдельности пары Dj и Dk представляется достаточно большим расстоянием djk, которое определяется по одной из формул: где s - индекс шага; і - номер признака; j, k - индексы классов. (б) Определение вектора случайных диагностических признаков.
Общий подход аналогичной меры сходств между каждой парой классов состояний Dj и Dk- аналогичное расстояние между двумя центрами этих классов с сочетанием их дисперсий. --Расстояние между двумя классами представляется мерой - расстоянием Махаланобиса. - В одномерном пространстве
Параметр в k-м классе для каждого і-го признака характеризуется парой Vj, і = 1,2,...,q, можно проверять значимости всех признаков (F-отношение по (4.53) сравняется с некоторым заданным значением) или осуществлять сортировку по снижению информативности.
Информативности (4.53) проверяются следующей гипотезой по критерию Фишера F CVpVj): Но:ц,= і2=... = цт; Нр отрицание гипотеза Но, где a - уровень значимости; Vj= R-1 и v2= N-R;N=ni+.. .+nR. то гипотеза Hi принимается, т.е. і-й признак имеет диагностическую значимость с вероятностью Р 1-а. Оценка (4.52) используется для сравнения информативности пр знаков.
Для проверки достаточной глубины диагностики необходимо осуществлять процедуру проверок различий каждой пары классов Dj и Dk с помощью выбранного вектора признаков. В этом случае используем критерий Jb функционал (4.24), которые не сочетают корреляции признаков. - вычисление межклассового расстояния и внутри классового рассеивания (от уравнения (4.53)):
В пространстве вектора ДП, каждый класс записан характеристиками Условие dk 0 не гарантирует отдельности двух классов. Поэтому критерием отдельности пары классов Dj и Dkявляется: где d0 - заданное положительное число. Используем традиционный подход проверки отдельности Dj и Dk статистикой Fisher, которая осуществляется по следующим уравнениям [4]: - определение Т2-статистики Хотеллинга: - определение аппроксимации F-распределения:
