Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние проблемы и задачи исследования 9
1.1. Характеристика отказов, возникающих в элементах газовоздушного тракта (ГВТ) дизеля 9
1.2. Влияние неисправностей ГВТ на эффективность, экономичность и надежность двигателя . 12
1.3. Существующие методы параметрического диагности~ рования элементов ГВТ. 17
1.4. Постановка задачи и предмет исследования . 27
2. Принципы формирования диагностических моделей элементов ГВТ 31
2.1. Особенности диагностических моделей в параметрической диагностике и методы их построения . 31
2.2. ГВТ дизеля как объект функциональной параметрической диагностики 34
2.3. Разработка исходной концепции для формирования диагностической модели ГВТ дизеля 38
2.4. Исходные базовые зависимости для формирования поэлементных диагностических моделей ГВТ . 41
3. Построение эталонных моделей конкретных элементов ГВТ дизеля 53
3.1. Воздушный фильтр 53
3.2. Компрессор 56
3.3. Воздухоохладитель 66
3.4. Турбина 75
3.5. Выхлопной трубопровод 87
4. Построение эталонной модели дизеля как элемента ГВТ 89
4.1. Поршневая часть двигателя как объект диагностирования в составе элементов ГВТ 89
4.2. Построение модели проточной части дизеля как эквивалентного цилиндра . 91
4.3. Построение модели поршневой части как эквивалентной камеры сгорания в ГВТ . 96
5. Формирование алгоритмов автоматической системы диагностики . 105
5.1. Алгоритм обучения автоматической системы 106
5.2. Алгоритм идентификации построенных моделей адаптивной системы диагностирования элементов ГВТ 112
5.3. Логика постановки диагноза. Возможности прогнозирования 125
5.4. диагностирование элементов ГВТ без измерения расхода воздуха 130
5.5. Статистическая обработка результатов процесса обучения и выбор допустимых отклонений диагностических параметров 131
6. Экспериментальные исследования 148
6.1. Макетный образец системы диагностики элементов ГВТ и экспериментальное оборудование 148
6.2. Методика проведения предварительных экспериментальных исследований 160
6.3. Экспериментальные исследования с реальными неисправностями в элементах ГВТ 163
Заключение 177
Список использованной литературы
- Характеристика отказов, возникающих в элементах газовоздушного тракта (ГВТ) дизеля
- Особенности диагностических моделей в параметрической диагностике и методы их построения
- Поршневая часть двигателя как объект диагностирования в составе элементов ГВТ
- Макетный образец системы диагностики элементов ГВТ и экспериментальное оборудование
Введение к работе
Научно-технический прогресс, характеризующийся широким использованием в народном хозяйстве двигателей, существенную часть из которых составляют дизели, выдвигает перед исследователем значительный круг проблем. Важнейшей из них является повышение таких качественных показателей ДВС как надежность и экономичность, а также рациональная организация технического обслуживания на базе комплексной автоматизации, сокращение затрат на ремонт и др.
Для успешного решения этих задач необходимо уметь определять техническое состояние двигателя и его важнейших узлов в любой момент времени. Поэтому у нас в стране и за рубежом уделяется большое внимание разработке и внедрению в эксплуатацию эффективных методов и средств технической диагностики энергетического оборудования, в частности дизелей. Оборудование дизельных двигателей автоматическими системами безразборной диагностики, создание специализированных диагностических станций, оснащение испытательных стендов - все это раскрывает широкие перспективы как для повышения эффективности производства новых двигателей, так и для поддержания высоких эксплуатационных качеств дизелей уже используемых в различных областях народного хозяйства.
Уже первый опыт показывает, что комплексное использование средств диагностирования технического состояния дизелей позволит снизить расходы топлива и смазочного масла на 5-8 %, запасных частей на 10-15 %, затраты на техническое обслуживание и ремонт -на 10-20 %. Кроме того, безотказность дизелей повышается на 5-20 % и увеличиваются их межремонтные периоды на 20-30 % [i] .
Следует отметить, что опыт практического использования технической диагностики весьма мал и накоплен, в основном, для автотракторных двигателей [2] . Но ни в автотракторной технике, ни, тем более, в дизелестроительной промышленности еще не решены до конца вопросы автоматизации процесса диагностирования и особенно в применении к функциональной диагностике. Работы в этом направлении находятся в стадии становления, поиска методологии и технических решений [ 3] . При этом дизель (или даже всю энергетическую установку) рассматривают как совокупность объектов диагностирования, представляющих собой отдельные узлы и системы двигателя, отличающихся своим назначением, сущностью физических процессов, в них происходящих, и выполняющих функции в организации рабочего цикла. Каждый из таких объектов в зависимости от его важности должен быть охвачен своей подсистемой диагностирования, разработанной с учетом специфических свойств объекта. На базе подобных подсистем или локальных систем строится уже общая комплексная система автоматической безразборной диагностики всего двигателя.
Одним из важнейших объектов локальных систем диагностирования наряду с топливной аппаратурой и цилиндро-поршневой группой является газовоздушный тракт дизеля (ГВТ).
Система воздухоснабжения принимает активное участие в формировании воздушного заряда и организации рабочего процесса. При этом, появление различного рода неисправностей в элементах ГВТ, как правило, носит постепенный характер и не может быть обнаружено с помощью средств штатного контроля. Возникшие неисправности ухудшают экономичность дизеля, способствуют снижению работоспособности узлов и могут явиться причиной не только выхода из строя самих элементов тракта, но и вызвать тяжелые отказы непосредственно поршневой части (задиры, трещины цилиндровых втулок, прогар выпускных клапанов и т.д.) [4] . Развивающаяся тенденция форсировки дизелей по наддуву определяет все более жесткие требования к качеству воздухоснабжения и газообмена. При этом должна удовлетворяться объективная необходимость повышения надежности двигателя в целом [ 5 ] .
Учитывая вышесказанное, можно отметить, что разработка эффективных средств и методов автоматической функциональной диагностики элементов ГВТ дизеля является весьма актуальной проблемой и ей уделяется достаточно внимания [б,7] . Анализ некоторых существующих методов параметрической диагностики технического состояния агрегатов наддува показывает, что большинство из них обладает такими существенными недостатками, как необходимость более или менее жесткой привязки к узкой области рабочих режимов дизеля и низкая достоверность диагноза при возникновении неисправностей одновременно в нескольких элементах тракта. При этом в качестве объектов диагностирования рассматриваются, как правило, не все элементы тракта и не учитывается его специфика как составной части комбинированного двигателя. Не наблюдается единого подхода к выбору диагностических параметров и построению эталонных моделей объектов.
Целью данного диссертационного исследования является разработка методологии построения математических моделей параметрического диагностирования элементов ГВТ дизеля на основе универсального подхода ко всем элементам тракта как к объектам автоматической безразборной диагностики и выработки методики формирования алгоритмов диагностирования, работоспособных в широком поле эксплуатационных режимов двигателя и обеспечивающих распознавание неисправностей при различном их сочетании.
Конкретным содержанием диссертационной работы должно явиться:
анализ статистических данных по отказам, возникающим в ГВТ дизеля и выявление неисправностей, которые могут быть обнаружены методами параметрической диагностики;
разработка общей концепции выбора диагностических признаков и определения круга измеряемых параметров на основании теоретического исследования физических процессов, происходящих в элементах ГВТ; выявление характера связей между структурными и диагностическими параметрами каждого элемента тракта и, на основании принятой концепции, разработка методики построения математических моделей объектов для широкого поля их рабочих характеристик с использованием экспериментальных данных;
построение алгоритмов формирования диагностической версии;
разработка блок-схем полученных алгоритмов диагностирования и алгоритмов обучения и адаптации системы автоматической диагностики;
создание макетного образца системы автоматической диагностики технического состояния элементов ГВТ дизеля для отладки разработанных алгоритмов и опытной проверки их работоспособности при различных комбинациях неисправностей.
Настоящее диссертационное исследование является составной частью работ ЦНВДИ в области автоматической безразборной диагностики дизелей, выполняемых в соответствии с постановлением ЦК КПСС и СМ СССР от 24.12.80 її 1199, постановлением ГКВТ СССР от 15.06.82 її ЗОЕ по решению проблемы 0.13.05 и приказом минтяжмаша от II. 05.81 163.
Характеристика отказов, возникающих в элементах газовоздушного тракта (ГВТ) дизеля
Анализ статистических данных по отказам в элементах газовоздушного тракта дизеля позволяет выделить наиболее существенные и часто встречающиеся из них в условиях эксплуатации, а также обобщить имеющуюся в литературе информацию о негативном влиянии этих отказов на качественные показатели дизельной установки. Наиболее полно на основе данных эксплуатации представлен материал по отказам деталей судовых малооборотных и среднеоборотных дизелей 4, 8,9] . Так, доля вынужденных остановок в море из-за отказов турбокомпрессоров судов серии "Выборг" достигает 13,2 % общего времени простоев.
Средняя доля простоев отечественных судов из-за отказов в воздухоохладителях и коллекторах составляет 2 % от их общего числа.
Нормативные трудозатраты на техническое обслуживание турбокомпрессоров и систем турбонаддува составляют 32,2-34,6 % (двигатели 7ДКРН74/І60 фирмы Зурмейстер и Вайн и K8Z70/I20E фирмы МАЮ. А у двигателей 5 SAD -72 фирмы Зульцер при заводских ремонтах на турбонагнетатели приходится наибольшая трудоемкость - 52 % от трудозатрат на весь двигатель [4] .
Из опыта эксплуатации известно, что перечень отказов, возникающих в элементах газовоздушного тракта, достаточно широк. При этом они проявляются по-разному и, соответственно, могут быть выявлены по различным признакам, т.е. различными методами. Так, например, информацию о появлении некоторых неисправностей несут в себе признаки изменения некоторых физических явлений (параметры вибросигналов, содержание масла в металле, температура рабочих лопаток турбины и т.д. К таким неисправностям можно отнести отказы в подшипниках, дисбаланс ротора ТК, прогар лопаток и т.д. Для их своевременного обнаружения разрабатываются специальные, так называемые, физические методы диагностики, которые, как правило, реализуют в виде конкретных приборов, (йода можно отнести методы виброакустический [і, 10,її] , термометрический (по тепловому состоянию деталей), контроль продуктов изнашивания трущихся деталей в смазочном масле [l2] , контроль химического состава отработавших газов [із] , инструментальный [i] , применение волоконной оптики, тепловизоров [ю] , голографии [14] и др.
Наиболее часто встречающиеся в эксплуатации неисправности ГВТ характеризуются тем, что их появление вызывает изменения структурных параметров (конфигурация, шероховатость обтекаемых тел, проходные сечения, зазоры, поверхности теплообмена и т.д.) неисправных элементов, определенным образом воздействуя на поток рабочего тела, вызывая изменения его теплотехнических (термогазодинамических) параметров. И уже по изменению теплотехнических параметров (давлений, температур, расходов, скорости вращения ротора ТК и т.д.) можно косвенно судить о появлении той или иной неисправности. Сюда можно отнести засорение воздушного фильтра, занос проточной части компрессора частицами пыли и продуктами смазочного масла, появление отложений в воздухоохладителе (в обеих полостях теплоносителей), закоксовывание органов газообмена дизеля, загрязнение защитных решеток турбины продуктами сгорания, отложение нагара и сажи в проточной части турбины, сопловом аппарате и в выхлопных элементах (глушителе, искрогасителе, утилизационном котле). Такого рода неисправности имеют место практически во всех двигателях и их развитие носит в основном постепенный характер, вызывая и постепенные, незаметные для обслуживающего пер сонала изменения соответствующих теплотехнических параметров, поэтому, своевременное обнаружение данной группы неисправностей с помощью штатных средств контроля крайне затруднительно.
Следует отметить, что неисправности в элементах ГВТ могут возникнуть вследствие внезапных отказов в других узлах двигателя. Например, появление в защитных решетках турбины обломков поршневых колец, клапанов газораспределения или попадание их в турбину, в результате чего возможны поломки, обрывы, загибы сопловых и рабочих лопаток. Могут иметь место и внезапные отказы, возникающие внутри тракта незаметно для обслуживающего персонала - обрыв направляющих щитков, отслаивание войлока в шумоглушителях турбокомпрессора и т.п. [в] . Однако известно, что постепенные отказы (в частности и элементов ГВТ), например, для судовых дизелей составляют основную долю отказов. Так, для судов серии "Красноград" (дизель 6 RD-76 фирмы Зульцер) на долю постепенных приходится 90 % всех отказов [в] . Механизм образования отложений достаточно подробно описан в работах [8,15,1б] как для двухтактных, так и для четырехтактных двигателей. Так, например, в элементах ГВТ главных и вспомогательных четырехтактных судовых дизелей толщина отложений достигает 2-3 мм (с воздушной стороны) через 400-500 ч их непрерывной работы, а максимальный темп изменения параметров наблюдается уже в первые 100 ч работы [іб] . Такая же картина характерна и для малооборотных судовых дизелей уже через 300-500 ч работы после очистки турбокомпрессора [8,17] , в то время, как нормативные документы предусматривают периодические осмотры через 3000-6000 ч работы.
Особенности диагностических моделей в параметрической диагностике и методы их построения
Особенности диагностических моделей в параметрической диагностике определяются их назначением. Они отличаются от расчетных моделей тем, что призваны определить не абсолютные точные значения каких-то конструктивных параметров, а их отклонения от исходных.
Важным преимуществом при построении диагностических моделей является возможность принятия тех или иных допущений, использование которых в расчетных моделях может привести к неверным результатам.
Так, например, при проектировании импульсной турбины или профилировании выпускных каналов дизеля в расчетах необходимо учитывать пульсирующий и пространственный характер потока газов, влияние массовых сил и т.п. ( 24,49,50,51J . Получение такой информации в условиях эксплуатации крайне затруднено и требует использования дорогостоящей измерительной аппаратуры. Однако, если можно обнаружить неисправность по изменению средних статических параметров потока, то использование их в диагностических моделях гораздо предпочтительнее, так как их измерение может быть обеспечено уже штатными средствами контроля, а в случае автоматической диагностики - серийными преобразователями давлений, температур и т.д.
Из всех видов моделей в технической функциональной диагностике получили широкое распространение логико-математические модели и предметно-математические модели (.48 J .
При построении математических моделей широко используются метод статистических испытаний и его модификации и метод коррелированных процессов, позволяющий объединять результаты экспериментов на моделях различной точности [52] .
Трудоемкость построения модели и объем вычислительных операций в значительной мере зависят от количества априорной информации об объекте. Например, накопленный опыт позволяет строить универсальные характеристики компрессоров в координатах, приведенных к нормальным условиям окружающей среды из условий подобия (по числу Маха на входе Mc( = ic(em и условному числу Маха Мц= idem [53] ). При этом уже нет необходимости отдельно учитывать параметры окружающей среды, т.е. уменьшается размерность характеристик, хотя переменные становятся сложнее. Очевидно, что дальнейшие преобразования переменных по определенным законам (при наличии априорной информации) может привести к дальнейшему упрощению моделирования. Например, в работах [54,5б] показан метод аппроксимации характеристик турбин и компрессоров газотурбинных двигателей путем установления связей между переменными: где ш 1ГТ - степень понижения давления газа в турбине по полным параметрам; !т « ВДЦ турбины по полным параметрам потока; б - расход газа.
Проверка данной методики применительно к турбокомпрессору (TKP-II) дизеля с использованием статических параметров показала, что в этом случае, например, характеристики турбины вырождаются в двумерные (т.е. упрощаются), однако, при этом погрешности опре деления 7ГТ и 6г0 только для исходного массива данных достигают 7-8 % ввиду отличия характеристик от линейных, а также существенных погрешностей измерения температуры газов. Однако данный пример ясно показывает, что использование сложных, составных переменных упрощает процесс построения модели.
В работе [бб] показано, что только сгруппировав независимые переменные по определенным законам в комплексы, можно получить адекватную математическую модель объекта. При переходе от простых физических величин к комплексам уменьшается число переменных, более отчетливо выступают внутренние связи, характеризующие объект. Такой метод решения задачи не только для одного конкретного явления, но и для группы подобных явлений носит название метода обобщенных переменных [ 57J . При этом основная трудность сводится к правильному составлению комплексов, для чего могут быть использованы методы теории подобия и анализа размерностей. Здесь важную роль играет наличие априорной информации об объекте. Причем, методы приближенного моделирования предусматривают исключение из условий задачи отдельных критериев, слабо влияющих на протекание натурных процессов.
Для успешного применения метода обобщенных переменных при построении диагностических моделей ГВТ и его элементов, необходимо рассмотреть процессы, происходящие в ГВТ дизеля и выявить наиболее существенные из них.
Поршневая часть двигателя как объект диагностирования в составе элементов ГВТ
В связи с тем, что по своему функциональному назначению, а также по характеру воздействия на поток рабочего тела поршневая часть комбинированного двигателя занимает особое место среди элементов ГВТ, то для построения эталонной модели дизеля требуется и особый подход.
Условно можно выделить две основные функции дизеля как элемента ГВТ: во-первых, поршневую часть можно рассматривать как рядовой проточный элемент ГВТ, техническое состояние которого определяется изменением его гидравлического совершенства или пропускной способности; во-вторых, поршневая часть, являясь основным потребителем воздушного заряда, параметры которого должны обеспечиваться элементами воздушного тракта, в то же время представляет собой генератор рабочего тела для газового тракта и, выполняя функции источника энергии для турбины ТК в системе турбонаддува, является элементом, определяющим расход рабочего тела в ГВТ (имеется в виду КДВС со свободным турбокомпрессором).
При этом, сложность протекания газообмена в условиях как положительного ( Pc t/Pn )» так и отрицательного ( D../pQ і ) перепадов средних давлений на входе и выходе (в зависимости от конструкции двигателя), интенсивные процессы превращения энергии, цикличный характер работы поршневой части - все это не позволяет рассматривать дизель на основе принятой концепции как участок эк вивалентнои трубы, а заставляет искать другой подход, более приемлемый для поршневого двигателя и отражающий вышеупомянутую двойственную сущность объекта как элемента ГВТ. При этом преследуется цель построения модели с использованием наиболее доступных для измерения в эксплуатации диагностических параметров, т.е. осреднениях параметров потока на входе и выходе объекта (как и для других элементов ГВТ).
Рассматривая поршневую часть как проточный элемент в эквивалентной системе, состояние которого в основном определяется состоянием органов газораспределения, условно представим его в виде эквивалентного цилиндра, "перекачивающего" рабочее тело из одной полости в другую. Для определения качества такого "перекачивания" или пропускной способности должна быть построена модель, описывающая этот процесс.
С другой стороны, систему турбонаддува со свободным турбокомпрессором можно рассматривать как самонастраивающуюся систему, где дизель определяет расход рабочего тела через все элементы тракта. Очевидно, что для исправного двигателя существует определенное соотношение между величинами расхода воздуха и энергии выпускных газов, посредством использования которой в турбокомпрессоре этот расход обеспечивается.
При возникновении неисправностей в элементах ГВТ, вызывающих уменьшение расхода воздуха, происходит изменение вышеуказанного соотношения, и по величине этого изменения можно судить о влиянии возникшей совокупности неисправностей на работу двигателя в целом, т.е. о "тяжести" возникших отказов. Для этого и необходимо построить вторую диагностическую модель дизеля, устанавливающую связь (j-gfr. и энергии выпускных газов при нормальном состоянии ГВТ в целом. В этом случае в эквивалентной газодинамической системе предлагается рассматривать поршневую часть как эквивалентную каме ру сгорания.
При этом переменная /]Tfut опускается по следующим соображениям: изменение и/VTtot определяется в основном изменением ҐІ . Так, при П- ши изменение ТиЛ от 303 К до 333 К (т.е. от 30 С до 60 С) вызывает уменьшение л/уТ . всего на 4,6 %; изменение 1ил вызывает также и изменение р и Pmt/Pni » т«е« косвенно может быть учтено в зависимости (4.7). Так, для рассматриваемого двигателя было получено, что на режиме, близком к номинальному, при всех прочих равных условиях изменение І иЛ от 336,6 К до 361,2 К (т.е. от 63,6 С до 88,6 С) вызвало уменьшение G-bif. на 2,6 %, отношение Риа/рд, возросло всего на 1,6 %, давление наддува р. . возросло на I %, при этом практически осталось неизменным, хотя значение П-/уТ1# снизилось при этом на 3,5 %.
Таким образом, принятая зависимость (4.7), полученная экспериментально для рассматриваемого дизеля, представлена на рис. 4.1 и может быть аппроксимирована простым выражением. Из графика видно, что при Purt/Pgi-carvit связь r\i = jr(nl достаточно близко приближается к линейной, причем смещение этих линий зависит от
Pirt/Pg, » а связь Г \Рм/Рді) ПРИ Л = СЛМ получена в виде плавных кривых, которые могут быть аппроксимированы кривой второго порядка. Т.е. зависимость (4.7) может быть представлена в виде:
Макетный образец системы диагностики элементов ГВТ и экспериментальное оборудование
Процесс обучения автоматической системы диагностики элементов ГВТ может представиться последовательностью следующих операций: вывод двигать на задана j н установившийся режи» ра-боты; измерение и сбор первичной информации; предварительная обработка первичной информации; формирование для каждого объекта диагностирования функций отклика и варьируемых факторов в виде заданных комплексов в соответствии с общим видом полученных модельных уравнений (3.1), (3.14), (3.15), (3.21), (3.28), (4.8), (4.17), (3.34), (3.37), (3.38) и размещение их значений в памяти ЭВМ; вывод двигателя на новый режим работы, повторение процесса и так до тех пор, пока не будут охвачены все заданные режимы работы двигателя и получен заданный массив данных (функций отклика и варьируемых факторов); последовательное решение систем нормальных уравнений для каждого объекта методом наименьших квадратов, где число уравнений (число наблюдений J ) равно числу обследованных режимов работы двигателя; запись полученных коэффициентов в память ЭВМ и проверка точности решения с помощью построенных моделей и с использованием исходного массива данных; ввод полученных коэффициентов влияния в соответствующие модели рабочей программы диагностирования. Рассмотрим вышеизложенные операции более подробно.
При наличии автоматической системы управления двигателем посредством ЭВМ вывод дизеля на заданные режимы работы в определенной последовательности может осуществляться автоматически. При этом в программе должны быть заданы значения /г и нагрузки Д (или положения рейки топливных насосов).
Для минимизации возможных ошибок при постановке диагноза необходимо обучение (а также последующее диагностирование в эксплуатации) производить на установившихся режимах работы двигателя, т.к. измеренные значения термогазодинамических параметров должны соответствовать друг другу. Контроль за стабилизацией режима может быть осуществлен автоматически при условии стационарности средних значений параметров потока и nJK. Начало переходного процесса в ГВТ в первую очередь характеризуется изменением энергии выпускных газов, что может быть зафиксировано сразу же по изменению, например, р или птк , измеряемых через заданные промежутки времени, т.к. инерционность средств измерений этих параметров пренебрежимо мала. Конец переходного процесса может быть установлен в момент, когда стабилизируются параметры, измеряемые с помощью наиболее инерционных средств измерений, например, температур. В качестве такого параметра может быть использована температура Tg , т.к. ее изменение при изменении режима отражает изменение Пгк , что следует из (3.8). Так, процесс сбора первичной информации может быть реализован при условии, что в течение 3 секунд р изменилось не более, чем на I кПа, Я-тк - не более, чем на 100 мин"а (т.е. фиксируется, что переходный процесс не начался), a Tg изменилась не более, чем на I С (что свидетельст вует об окончании переходного процесса).
Коснувшись вопроса о задании рабочих режимов в процессе обучения, необходимо рассмотреть также последовательность их задания, возможные границы поля характеристик и количество рабочих режимов для получения исходных данных. Известно, что степень доверия к определяемым оценкам, как правило, растет с увеличением объема материала, используемого для обучения 189J .
В указанной работе показано, что относительно стабильный процент правильной классификации (95-100 %) для рассматриваемой диагностической задачи (контроль состояния ДОГ) получается после проведения 40-60 обучающих шагов. Такой, довольно большой объем обучающей выборки объясняется случайным ее характером, а также особенностью построенной модели. Применение данной методики для обучения системы диагностирования элементов ГВТ может не дать положительного эффекта, т.к. при работе двигателя на определенный потребитель, например, по винтовой или по нагрузочной характеристике гидравлические характеристики работы каждого элемента будут представлены совокупностью точек, лежащих на линии рабочих режимов, т.е. примут вид двумерных зависимостей. В то же время, как было показано в главе I, модели должны описывать широкое поле характеристик.
Таким образом, для обеспечения возможности правильного распознавания обучающая выборка должна быть получена по заданному плану, охватывающему определенное поле рабочих режимов двигателя. Задание границ поля и выбор интервалов варьирования представляют неформализованный этап планирования и зависят от назначения двигателя, условий его работы и характера потребителя.
