Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Проблемы технического диагностирования судового малооборотного дизеля. постановка целей и задач исследования
1.1. Методы, технические средства и алгоритмы диагностирования судового малооборотного дизеля (обзор) 15
1.1.1. Методы диагностирования дизельных двигателей 17
1.1.2. Системы диагностирования дизельных двигателей 30
1.1.3. Алгоритмы диагностирования судовых МОД 43
1.2. Постановка целей и задач исследования 57
ГЛАВА 2. Исследование методов многомерной статистики, статистической теории распознавания образов, теории информации в прикладном аспекте для алгоритмизации стд судовых мод
2.1. Представление судового мало оборотного дизеля как объекта технического диагностирования, имеющего вероятностно-статистическую природу 62
2.2. Корреляционный и регрессионный анализ параметров (процессов функционирования) судового малооборотного дизеля 69
2.2.1 .Корреляционный анализ данных 70
2.2.2. Прикладные аспекты регрессионного анализа данных 72
2.3. Применение методологии статистической теории распознавания образов и теории информации при создании алгоритмов диагностирования судовых МОД 75
2.4. Построение решающих правил классификации вида «свой-чужой» в условиях недостатка информации 8^
2.5. Разработка концепции «обучающейся» СТД МОД как системы высокой степени автоматизации обработки информации (на основе использования методологии СТРО) 88
Выводы по главе 2 101
ГЛАВА 3. Разработка алгоритмического обеспечения систем технической диагностики для судовых мод
3.1. Аналоговый и цифровой методы компенсации температурного дрейфа нуля тензометрического датчика для измерения давления газов в цилиндрах ДВС 102
3.2. Алгоритм поиска корректного положения отметки ВМТ для систем диагностирования судовыхМОД 109
3.3. Алгоритмы скользящего нелинейного сглаживания и цифровой фильтрации процессов для систем диагностики судовых МОД 114
3.4. Алгоритм поиска фаз открытия и закрытия выпускного клапана цилиндра судового МОД 121
3.5. Алгоритм оценки герметичности камеры сгорания цилиндра судового МОД (функциональный метод) 126
3.6. Алгоритмы оценки герметичности камеры сгорания цилиндра судового МОД (тестовые методы) 133
3.6.1. Тестовый метод 1 133
3.6.2. Тестовый метод 2 140
3.7. Алгоритм автоматического определения характерных точек на характеристике топливоподачи судового МОД 149
3.8. Алгоритм оценки эффективности турбонаддувочных агрегатов судового МОД. Номографический метод оценки 157
3.9. Алгоритм оценки технического состояния подшипников турбоком прессоров судового МОД на основе анализа характеристик выбегаротора 165
Выводы по главе 3 172
ГЛАВА 4. Инструментальная реализация систем диагностики для судовых мод. программное обеспечение систем диагностирования
4.1. Многофункциональная система технического диагностирования судового МОД 176
4.2. Система технического диагностирования топливной аппаратуры судового МОД 186
4.3. Опция СТД для регистрации и диагностического анализа длительных (переходных) процессов в системах судового МОД 195
Выводы по главе 4 199
ГЛАВА 5. Экспериментальное получение эдх судовых. мод с применением методов многомерного статистического анализа. алгоритмы диагностирования судовых мод на основе таблиц функций неисправностей и ЭДХ
5.1. Стендовые испытания судовых МОД производства ЗАО УК БМЗ, проводимые с целью получения описания зависимостей функциональных параметров двигателей от режимных факторов 202
5.2. Корреляционный анализ статистических выборок данных, полученных при стендовых испытаниях судовых МОД в широком диапазоне нагрузочных режимов 207
5.3. Построение эталонных диагностических характеристик МОД производства ЗАО УК БМЗ на основе регрессионного анализа данных, полученных в результате стендовых испытаний
5.4. Алгоритм диагностирования МОД в форме таблицы функций неисправностей с использованием ЭДХ 226
5.5. Регрессионные ЭДХ процесса топливоподачи судового МОД.
Алгоритм диагностирования топливной аппаратуры МОД в форме таблицы функций неисправностей 243
5:6. Реализация технологии частичного «обучения» СТД в процедуре построения алгоритма диагностирования ТА судового МОД 252
5.7. Методы визуализации процессов судового МОД при решении задач технического диагностирования 257
Выводы.по главе 5 262
ГЛАВА 6. STRONG Экспериментальная апробация разработанного подхода алгоритмизации стд судовых мод на основе методологии
Применение методологии STRONG СТРО при распознавании нарушений функционирования топливной аппаратуры судового МОД (иллюстрация на основе выборок данных, полученных
математическим моделированием рабочего процесса на ЭВМ) 264
6:2. Применение методологии СТРО при формировании алгоритмов диагностирования топливной аппаратуры судового МОД на основе . анализа импульса давления топлива, создаваемого ТНВД 276
6:3''.ҐПрименение методологии СТРО при формировании алгоритма распознавания нарушений регулировок фаз газораспределения
Алгоритмтемпературный мониторинга цилиндров судового МОД на основе применения статистического критерия Махаланобиса 306
Выводы
- Методы диагностирования дизельных двигателей
- Корреляционный и регрессионный анализ параметров (процессов функционирования) судового малооборотного дизеля
- Алгоритм поиска корректного положения отметки ВМТ для систем диагностирования судовыхМОД
- Опция СТД для регистрации и диагностического анализа длительных (переходных) процессов в системах судового МОД
Введение к работе
Актуальность проблемы. В Морской доктрине на период до 2020 г. и
Концепции судоходной политики Российской Федерации предусматривается
развитие морского флота, увеличение его эффективности и
конкурентоспособности. Помимо продовольственной и транспортной
безопасности морской флот обеспечивает защиту национальных интересов страны на морских рубежах.
Это имеет прямое отношение к созданию и внедрению систем технического диагностирования (СТД) судовых малооборотных дизелей (МОД) большой мощности, устанавливаемых в качестве главных двигателей (ГД) на судах различного назначения. Применение СТД при эксплуатации значительно увеличивает ресурс и надёжность главных судовых двигателей, уменьшает расходы на обслуживание и ремонт, а также затраты на топливо. Все это определяет значительный интерес к СТД судовых МОД. В России и за рубежом в исследовательских организациях и компаниях, эксплуатирующих морской флот, проводятся интенсивные исследования, связанные с разработкой и внедрением СТД для ГД судов. Разрабатываемые в настоящее время СТД основаны на применении компьютерных технологий, при этом большое внимание уделяется разработке эффективного алгоритмического обеспечения СТД. Внедрение технического диагностирования при эксплуатации судовых МОД представляет собой сложную комплексную проблему, решение которой требует проведения исследований, направленных на изучение МОД как объекта технической диагностирования, разработку эффективных алгоритмов диагностирования, создание инструментальных средств диагностирования.
Цель исследования. Целью диссертационной работы является развитие методологии обработки информации и построения алгоритмов диагностирования отклонений технического состояния МОД на основе современных представлений в области многомерной статистики, теории информации и статистической теории распознавания образов (СТРО), создание систем диагностирования, в которых реализованы разработанные новые методологические принципы.
Объект исследования. Объектом исследования являются мощные двухтактные
судовые МОД (типа ДКРН), выпускаемые ЗАО УК «Брянский
машиностроительный завод» по лицензии компании «MAN Diesel» (Германия -Дания). Дизели используются в качестве главных двигателей на судах и имеют прямую передачу крутящего момента на винт.
Методы исследований. Исследования базируются на методологии многомерного статистического анализа (корреляционный и регрессионный анализ), методах теории информации (информационной меры по Шеннону) и методах статистической теории распознавания образов (подходы, в основе которых лежит теорема Байеса, оценивающая апостериорную вероятность появления статистического объекта). Необходимый статистический материал получен методом статистического моделирования рабочего процесса МОД на ЭВМ (на начальном этапе исследований) и на основе натурных экспериментов, проведенных на испытательном стенде ЗАО УК «Брянский машиностроительный завод».
Научная новизна. Научная новизна результатов исследования заключается в следующем:
-
Разработана методика получения эталонных диагностических характеристик (ЭДХ) судовых МОД по результатам стендовых испытаний на основе методов многомерного статистического анализа (корреляционный и регрессионный анализ данных) для включения в алгоритмическое обеспечения СТД. Получены ЭДХ судовых МОД производства ЗАО УК БМЗ и построены алгоритмы диагностирования двигателей на основе таблиц функций неисправностей (ТФН).
-
Разработана методология построения оптимальных в статистическом смысле алгоритмов диагностирования технического состояния МОД на основе методов статистической теории распознавания образов (используются методы, производные от теоремы Байеса). С позиций СТРО разработаны методы оценки информативности диагностических признаков на основе статистических критериев. Разработан алгоритм автоматического поиска эффективной совокупности диагностических признаков для включения его в СТД с высокой степенью автоматизации обработки информации (СТД с «обучением»).
-
На основе выборок данных, полученных в результате численного моделирования рабочего процесса МОД на ЭВМ и натурных экспериментов, доказана целесообразность и эффективность применения методологии СТРО для решения задач алгоритмизации СТД МОД.
-
Сформулированы функциональные требования и построены СТД, с помощью которых регистрируется и анализируется индикаторный процесс и импульс давления топлива, образующийся после топливного насоса высокого давления, а также проводится диагностирование техническое состояние важнейших систем судового МОД.
Практическая ценность и реализация работы. Разработан подход, основанный на методах многомерной статистики и методах СТРО, позволяющий строить эффективные алгоритмы диагностирования судовых МОД, с помощью которых можно получать обоснованные в вероятностно-статистическом аспекте диагнозы. Данный подход позволяет сократить сроки внедрения эффективных СТД в эксплуатацию благодаря значительному улучшению качества и уменьшению продолжительности процедуры алгоритмизации СТД.
Получены эталонные диагностические характеристики МОД, отражающие связь диагностических параметров (параметров индикаторного процесса и функциональных параметров ТА) с режимом работы двигателя, ориентированные на применение в компьютеризированных СТД.
Разработанные автором СТД (в том числе алгоритмическое обеспечение) позволяют контролировать работу важнейших систем судовых МОД при сдаточных стендовых испытаниях двигателей на ЗАО УК БМЗ, а также при сервисных работах в судовых условиях. Сервисные работы диагностической направленности с использованием разработанных СТД неоднократно выполнялись автором (ГД: 8L60MC т/х «Corona Fortune» греческой компании «N.G.Livanos Maritime Co.Ltd.», декабрь 2001 г. - январь 2002г.; 7K80GF т/х «Sorokaletie Pobedy» компании «Novoship(UK).Ltd.», Великобритания, май 2002 г.; 8L60MC т/х «Thia Marina» греческой компании «Efshipping Co., Ltd», март 2005 г.; 8L60MC т/х «Thia Crissoula» греческой компании «Efshipping Co.,Ltd»,
апрель 2005 г., октябрь 2005 г.; 8L60MC т/х «Mastro Giorgis II» греческой компании «Efhav Company., Ltd» , август 2007 г.).
Результаты исследования внедрены в учебный процесс подготовки специалистов на кафедре «Тепловые двигатели» Брянского государственного технического университета (БГТУ). На основе переданного экземпляра СТД на кафедральном стенде испытаний дизеля Э10 (ДГ8,5/8) осуществляется процесс автоматизированного индицирования цилиндров и решается ряд диагностических задач. Акт внедрения СТД прилагается.
В течение 2003-2009 гг. автор вёл занятия со студентами БГТУ по дисциплине «Эксплуатация и сервисное обслуживание ДВС» (раздел «Техническое диагностирование ДВС»), в которых рассматривались теоретические положения выполненных исследований.
На защиту выносятся:
-
Методика стендовых испытаний судовых МОД и обработки данных с целью получения ЭДХ судовых МОД на основе методов многомерной статистики (корреляционный и регрессионный анализ данных).
-
Полученные ЭДХ судовых МОД и алгоритмы диагностирования МОД с использованием ЭДХ, в основе которых лежит использование таблиц функций неисправностей (ТФН).
-
Подходы к решению задач алгоритмизации СТД судовых МОД, основанные на методологии статистической теории распознавания образов (СТРО).
-
Алгоритмы обработки информации и программное обеспечение, закладываемые в СТД МОД.
-
Разработка СТД судовых МОД, в которых реализованы функции регистрации и диагностического анализа важнейших процессов двигателя.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались на XXI научно-технической конференции молодых ученых и специалистов ЦНИИ им. акад.А.Н.Крылова (г. Ленинград, 1981 г.), научно-технической конференции молодых специалистов ПО БМЗ им. В.И.Ленина (г. Брянск,1985 г.), 45-й научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава Брянского института транспортного машиностроения (г.Брянск, 1986 г.), ежегодных заседаниях НТС отдела автоматизации ЦНИДИ (г. Ленинград, 1982-1987 гг.), заседании секции «Двигателестроение» НТО МАШПРОМ ПО БМЗ (г. Брянск, 1986 г.), Всесоюзном научно-техническом семинаре по автоматическому управлению и регулированию теплоэнергетических установок в МВТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 1986г.), Международной научной конференции МГТУ им. Н.Э.Баумана (Москва, 2005 г.), 57-й научной конференции профессорско-преподавательского состава, посвященной 75-летию БГТУ (г.Брянск, 2005 г.), Международной научной конференции МГТУ им. Н.Э.Баумана, посвященной 100-летию специальности «Поршневые двигатели» (Москва, 2007 г.), Международном научно-техническом конгрессе по двигателестроению «НТКД-2008» (Москва, 2008 г.), Межотраслевой научно-технической конференции «Актуальные вопросы развития поршневых ДВС», посвященной 100-летию заслуженного, деятеля науки и техники РСФСР, д-ра техн. наук, проф. П.А.Истомина (СбМГТУ, С-Петербург, 2008 г.), Международной научно-практической конференции «Наука и производство-2009» (Брянск, БГТУ, 2009 г.),
Всероссийской научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России», посвященной 30-летию журнала «Двигателестроение» (С-Петербург, 2009 г), расширенном заседании кафедры «ЛВС и автоматика СЭУ» ГМА им. адм. С.О.Макарова (С-Петербург, 2009 г.),
Публикации. По теме диссертации опубликовано 37 работ, из них 35 научные статьи и 2 тезисов докладов. В изданиях по списку ВАК опубликовано 28 научных статей.
Структура и объём диссертации. Диссертация состоит из введения, шести глав, выводов, списка использованной литературы и приложения. Объем диссертационной работы 345 страниц машинописного текста, включающего 116 рисунков, 23 таблицы и список использованной литературы из 257 наименований. Объём приложения 78 страниц.
Методы диагностирования дизельных двигателей
Начиная с 80-х годов прошлого столетия проблема технического диагностирования дизельных двигателей рассматривалась в ряде публикаций, имеющих постановочный характер [1-17]. Ведущие учёные и специалисты отечественных научно-исследовательских и образовательных учреждений - Б.М.Левин, Л.Н.Карпов, П.П.Федорко, Е.А.Титов, М.Л.Винницкий (ЦНИИМФ, Санкт-Петербург), М.И.Левин (ЦНИДИ, Санкт-Петербург), Л.Г.Соболев, В.А.Залитис (СПб ГМТУ), Ю.Н.Мясников, В.Е.Вольский (ЦНИИ им. А.Н. Крылова, Санкт-Петербург), С.В.Камкин, М.К.Овсянников, Л.А.Самсонов, И.В.Возницкий, А.А.Грин (СПб ГМА им. адм. С.О.Макарова), Р.М.Васильев-Южин (ЛВВМИУ им. В.И.Ленина, г.Пушкин), А.В.Шишкин (СПб ГУВК) впервые обозначили необходимость внедрения СТД на судах отечественного флота, дали анализ в целом проблеме технического диагностирования судовых МОД и наметили пути её решения.
Уже в ранних работах по проблеме диагностирования устанавливается однозначность в понимании проблемы диагностирования и раскрывается понятие системы технического диагностирования: система технического диагностирования (СТД) представляет собой совокупность объекта диагностирования и информационно-измерительной системы, решающей задачи автоматического (или автоматизированного) сбора и оперативной обработки информации с целью определения технического состояния (ТС) объекта диагностирования [7-9,15,16]. Фактор объективной обработки информации по заранее разработанным алгоритмам (такая обработка может осуществляться автоматически или с участием оператора) является обязательным признаком СТД. Если СТД автоматически обрабатывает поступающую от датчиков информацию и ставит диагноз, то такая СТД относится к классу, так называемых экспертных диагностических систем (система заменяет собой эксперта).
Судовой МОД представляет собой сложную техническую систему, многие элементы которой имеют сложную конструкцию, требуют сложной регулировки, работают в условиях больших механических и тепловых нагрузок и в условиях агрессивных сред, вибраций и т.п. Процессы, происходящие в различных элементах судового МОД, имеют взаимосвязанный характер, в связи с чем идентификация технического состояния такого объекта диагностики, каким является судовой МОД, достаточно сложная задача, а её решение требует проведения целого комплекса работ исследовательского характера.
Появление проблемы технического диагностирования МОД не было случайным, а было определено потребностью снижения материальных издержек грузоперевозок и обеспечения более высокой степени безопасности мореплавания. Возникновение СТД можно рассматривать и как дальнейшее развитие систем автоматизации (систем контроля текущих параметров МОД и систем аварийно-предупредительной сигнализации) [10,11,14,15]. Однако СТД отличаются от названных выше систем автоматики качественным образом, так как должны выполнять отличные от них функции. Основными задачами, которые должна решать СТД судовых МОД, являются: -оценка качества протекания процессов в дизеле с целью обеспечения его оптимального функционирования; определение ТС наиболее ответственных элементов дизеля, от которых зависит надежность его функционирования; -прогнозирование изменения ТС дизеля и его функциональных характеристик с целью предупреждения отказов и осуществления оптимального планирования ремонтно-профилактических мероприятий. В целом проблема диагностирования дизельных двигателей включает три аспекта: - поиск эффективных методов диагностирования и решение задач контролепригодности объекта диагностики; - разработку аппаратурных средств диагностирования; - создание эффективных алгоритмов, обеспечивающих необходимую глубину и достоверность диагноза ТС дизеля, а также прогнозирование изменения его ТС.
Ниже последовательно рассмотрим текущее состояние проблемы диагностирования дизельных двигателей в названных аспектах.
Методы диагностирования дизельных двигателей Рассматривая методы диагностирования дизельных двигателей, следует отметить их большое многообразие, которое обусловлено рядом причин. Во первых, функционированию двигателя сопутствует многообразие физических процессов, которые могут быть выбраны в качестве источника информации о техническом состоянии диагностируемых элементов; во вторых - различие направленности и глубины диагноза и, в-третьих — различия в функциональном назначении двигателей и связанные с этим специфические условия их эксплуатации. Так методы тестового диагностирования широко применяются- при диагностировании автотракторных двигателей. Методы функционального диагностирования — при диагностировании судовых дизельных установок большой и средней мощности. При диагностировании тепловозных дизелей применяются методы как функционального, так и тестового диагностирования [18-20].
Корреляционный и регрессионный анализ параметров (процессов функционирования) судового малооборотного дизеля
Отмечается, что группа основных параметров рабочего процесса, таких как среднее индикаторное давление цикла, удельный индикаторный расход топлива, частота вращения коленчатого вала двигателя, максимальное давление сгорания, коэффициент избытка воздуха и т.п. имеют сравнительно высокую информативность и достаточно доступна для измерения. Её недостатком является низкая степень локализации неисправностей, однако, используя параметры в сочетании, можно, тем не менее, успешно идентифицировать неисправности, сопоставляя измеренные значения параметров с их эталонными значениями (полученными в период стендовых испытаний дизеля или же в период его ходовых испытаний). Для оценки общего уровня ТС судового МОД предлагалось использовать диагностический симплекс, представляющий собой отношение давления сжатия в цилиндре к температуре отработавших газов Си = рСОтР /tg Как утверждают авторы публикации, данный симплекс инвариантен по отношению к нагрузке двигателя и отражает состояние основных элементов и узлов двигателя: деталей ЦПГ, турбонаддувочных агрегатов, топливной аппаратуры, системы газораспределения, воздухоохладителей, воздушного и газовыпускного трактов. Однако, характеризуя общее ТС двигателя, симплекс Си не определяет ТС отдельных элементов двигателя и его узлов. Авторы приводят алгоритм диагностирования систем двигателя, согласно которому производится поиск неисправностей на основе анализа пяти диагностических параметров: давления воздуха в продувочном ресивере pscav, частоты вращения ротора турбонагнетателя ntc, перепада давления воздуха на воздухоохладителе tspcoo\air, разности температур продувочного воздуха и охлаждающей воды на входе в воздухоохладитель tscav - tcoo\ w и давления в конце процесса сжатия рсотр.
Алгоритм диагностирования строится в традиционной форме на основе таблиц функций неисправностей (ТФН) с использование априори полученных для диагностических параметров эталонных математических моделей. К числу публикаций, освещающих вопросы алгоритмизации СТД судовых МОД, относятся работы, выполненные Л.Г.Соболевым, В.А.Залитисом, В.Г.Агафоновым, А.А.Галаниным, А.А.Финогеновым, С.А.Порталимовым [100-103]. В них излагаются результаты исследований, выполненных в условиях эксплуатации на теплоходе «Новогрудок» и танкере «Джон Рид», оснащенных главными двигателями фирмы «Sulzer» типа 6RND-90 и 6RD-76. Основной объём исследований был направлен на поиск эффективных эталонных диагностических моделей и формирование на их основе алгоритмов диагностирования в форме ТФН. Работы проводились с использованием диагностической аппаратуры фирмы «Autronica AS». Были проанализированы различные эталонные зависимости индивидуально для каждого цилиндра и выбраны из них наиболее информативные. Использовались только линейные эталонные зависимости между диагностическими параметрами и комплексами, составленными из этих параметров, описывающие поведение исправного дизеля в диапазоне нагрузок от 75 до 100% номинальной мощности. В ТФН авторами были включены наиболее типичные виды неисправностей: зависание иглы форсунки; поломка или ослабление затяжки иглы форсунки (форсунка «льёт»); износ иглы форсунки; утечка топлива в систему охлаждения форсунок; образование трещины в цилиндровой втулке; поломка пластинчатых клапанов; недостаток подачи воздуха в цилиндры; загрязнение выхлопных и продувочных окон цилиндра; загрязнение охладителей продувочного воздуха; попадание воды в цилиндр; обводнение топлива; поломка поршневых колец; износ цилиндровой втулки и ряд других. Однако, как отметили авторы, полученная совокупность эталонных характеристик может обладать информационной избыточностью, в связи с этим, предполагалось продолжить исследования для отбора из общего числа характеристик наиболее информативных. В 1992 году разработанный алгоритм диагностирования судового МОД был запатентован [104]. Авторы патента для различения неисправностей использовали 22 эталонные характеристики, включающие как отдельные диагностические параметры, так и образованные от них комплексы.
Работу исследователей - А.Н. Атанасова , A.M. Павлюченко и др. [105] можно отнести к одной из немногих работ в области диагностики ДВС, в которых для решения проблемы алгоритмизации СТД использовался кибернетический подход. Исследование было посвящено наиболее сложному классу задач технической диагностики — распознаванию неисправностей в условиях недостатка поступающей диагностической информации. В таких случаях при диагностировании существует вероятность принятия ошибочного решения. В рассматриваемой работе авторы предлагают строить линейное решающее правило постановки диагноза, используя математический аппарат статистической теории принятия решений. Был построен и исследован алгоритм диагностирования, построенный на экспериментальном материале стендовых испытаний и материале, полученном при испытаниях в судовых условиях. Алгоритм диагностирования строился для распознавания двух классов ТС: первый класс - новая цилиндровая втулка; второй класс - цилиндровая втулка с износом 0,8 мм. Для построения решающего правила были использованы следующие диагностические параметры: максимальное давление сгорания в температура отработавших газов за цилиндрами tg, коэффициент избытка воздуха асг, температура масла в картере /м, утечка газов в картер G . Распознавание названных классов ТС производилось после проведения по разработанному итеративному алгоритму 90 обучающих шагов, в результате которых и формировался алгоритм диагностирования. Проверка алгоритма диагностирования показала его достаточно высокую эффективность.
Алгоритм поиска корректного положения отметки ВМТ для систем диагностирования судовыхМОД
В разработанной СТД судового МОД применяется датчик давления газов тензометрического типа GT-21 фирмы «Autronica AS». В процессе индицирования цилиндров дизеля датчиком тензометрического типа вследствие изменения его температуры наблюдается так называемый «дрейф нуля». Чтобы избежать данного негативного явления, чувствительный элемент датчика обычно изготовляют по мостовой схеме с включением в плечи моста термокомпенсирующих тензорезисторов. Тем не менее, как показывает практика, применение и этой меры полностью не устраняет температурный дрейф датчика. Так как при индицировании цилиндров исследователей чаще интересует только динамическая составляющая сигнала, а нулевой уровень сигнала, как правило, известен (для дизелей это давление продувочного воздуха), то для компенсации дрейфа нуля применяют искусственные методы привязки сигнала к нулевому уровню. Описание одного из таких методов приводится ниже.
На рис.3.1 приведена схема тензометрического усилителя со встроенными в неё элементами привязки сигнала к нулевому уровню. Данный метод компенсации относится к аналоговым методам и работает следующим образом.
В схему включены четыре операционных усилителя, из них усилители А1 и А2 выполняют функцию масштабирующего усилителя тензометрического сигнала, а операционные усилители A3 и А4 образуют схему привязки к нулевому уровню.
При подключении усилителя к электропитанию электролитический конденсатор С1 начинает заряжаться (через сопротивление R1), при этом напряжение на нем плавно повышается. Это приводит к тому, что через диод D1 и сопротивление R2 происходит заряд конденсатора С2. Вследствие достаточно больших номиналов сопротивлений R1 и R2 процесс повышения напряжений на конденсаторах С1 и С2 происходит достаточно медленно. Операционный усилитель A3 работает как повторитель напряжения, то есть напряжение на выходе микросхемы всегда равно напряжению, поданному на положительный вход микросхемы. Таким образом, в результате работы этой цепи будет наблюдаться плавное повышение напряжения на инверсном входе операционного усилителя А1. Это, в свою очередь, будет приводить к плавному понижению выходных уровней напряжений на микросхемах А1 и А2 (то есть на выходе тензометрического усилителя будет наблюдаться плавное понижение напряжения).
В схему привязки нулевого уровня включена микросхема А4, инверсный вход которой подсоединен к делителю напряжения, образованному сопротивлениями R3 и R4. Величина сопротивления R4 цепи делителя напряжения подобрана таким образом, что на инверсном входе микросхемы А4 напряжение всегда равно 1 В. Положительный вход микросхемы А4 связан с выходом микросхемы А2 (с выходом тензометрического усилителя). Микросхема А4 работает в режиме компаратора напряжений.
До тех пор пока напряжение на положительном входе микросхемы А4 превышает напряжение, приложенное к инверсному входу (1 В), на выходе микросхемы А4 будет наблюдаться высокое напряжение (в таком состоянии диод D2 будет заперт, конденсатор С1 будет заряжаться, а через диод D1 будет происходить заряд конденсатора С2, что будет приводить (как было описано выше) к плавному падению уровня сигнала на выходе микросхемы А2 (на выходе усилителя). Далее наступает момент, когда уровень напряжения на выходе микросхемы А2 падает до 1В (или становится несколько меньше 1 В). В этом случае напряжение на выходе компаратора напряжений А4 резко падает и происходит частичный разряд конденсатора С1 через диоды D1 и D2 и сопротивление R5. Наблюдавшийся до этого процесс заряда конденсатора С2 прекращается, напряжение на нем стабилизируется, а это приводит, в свою очередь, к тому, что напряжение на выходе микросхемы А2 (и усилителя в целом) стабилизируется и становится равным 1 В. Любой дисбаланс микросхемы А1, вызываемый воздействием температур на активный тензорезистор датчика, таким образом, будет компенсироваться и сигнал будет привязан к нулевому уровню (к уровню напряжения на выходе усилителя 1 В). Следует отметить, что номинальные величины элементов схемы привязки к нулевому уровню (ёмкость и сопротивление) подобраны так, что она не вносит (или практически не вносит) искажений в динамическую составляющую сигнала.
При выполнении калибровки датчика совместно с усилителем сигнала, включающего аналоговую схему привязки нулевого уровня, появляется ряд неудобств. Калибровку такой системы следует выполнять в динамическом режиме, то есть следует последовательно достаточно «резко» нагружать датчик до калибровочного уровня давления и тут же сбрасывать нагрузку до нуля, выдерживая паузу на нулевом уровне с целью стабилизации сигнала на нулевом уровне.
Применение компьютерных технологий при построении измерительных систем и систем технической диагностики даёт возможность осуществить цифровой метод компенсации (ЦМК) температурного дрейфа нуля тензометрического датчика. Главным его преимуществом является абсолютное отсутствие дополнительной погрешности при измерении динамической составляющей сигнала, вызываемой описанной аналоговой компенсационной схемой. Процедура калибровки канала измерения при использовании ЦМК температурного дрейфа нуля значительно проще и удобнее, так как калибровка может производиться в статическом режиме.
Суть ЦМК температурного дрейфа проста. Компьютеризированная система измерения должна иметь аналоговый выход сигнала по напряжению (СЛОВ), создаваемый встроенным в систему ПАП. Данное напряжение (напряжение компенсации дрейфа нуля) подводится к точке «ик0Мпенс» (рис.3.1). Микросхемы A3, А4 и все связанные с ними элементы из схемы тензометрического усилителя за ненадобностью исключаются. Блок схема измерительной системы с ЦМК дрейфа нуля датчика приведена на рис.3.2. При использовании ЦМК дрейфа нуля в СТД необходимо заложить алгоритм компенсации (алгоритм, в соответствии с которым будет вычисляться, подаваемое компенсационное напряжение UK0MneHC. и прижатие сигнала к задаваемому нулевому уровню).
Опция СТД для регистрации и диагностического анализа длительных (переходных) процессов в системах судового МОД
Турбокомпрессоры, обеспечивающие наддув судовых МОД, являются важнейшими агрегатами от надёжности, функционирования которых зависит надёжность дизеля в целом [191]. Отказ турбокомпрессора приводит, как правило, к остановке судна, что отражается на факторе безопасности мореплавания, а также приводит к значительным материальным издержкам для судовладельца. В связи с этим функциональному диагностированию ТК уделяется значительное внимание. Одним из методов диагностирования состояния подшипников и лабиринтных уплотнений ТК является метод, основанный на анализе характеристик выбега ротора ТК.
Изложению теоретических аспектов метода, основанного на анализе характеристик выбега ротора ТК, и результатов разработки алгоритмов диагностики малоразмерного ТК (ТКР11) посвящена вышедшая публикация [201]. В настоящем параграфе приводятся результаты исследований, проведенных автором в ЗАО УК БМЗ для ТК сравнительно большой размерности, предназначенного для наддува судового МОД типа 6S50MC-C.
Ниже в краткой форме приведены теоретические положения метода диагностирования по результатам анализа выбега ротора ТК.
Уравнение баланса моментов, воздействующих на ротор турбокомпрессора, имеет вид момент инерции ротора ТК; - угловое ускорение ротора dt (величина отрицательная, так как при регистрации выбега происходит замедление скорости вращения ротора); М и Мг — момент сил трения подшипников ТК и момент газодинамического сопротивления вращению, оказываемый на ротор ТК воздухом (компрессорная часть) и газом (турбинная часть). Если принять, что сумма моментов трения подшипников и аэродинамического сопротивления ротора ТК пропорциональна частоте вращения ротора ТК (введём коэффициент пропорциональности к), то уравнение (3.13) можно представить в виде
Принимая во внимание приведенные математические Jp преобразования, можно сделать предположение о том, что функция изменения частоты вращения ротора ТК в логарифмических координатах должна иметь вид, близкий к линейному.
Для исследования процесса выбега ротора ТК на испытательном стенде ЗАО УК БМЗ были проведены испытания судового малооборотного дизеля фирмы «MAN B&W» 6S50MC-C (номинальной мощностью 9480 кВт при частоте вращения 127 мин"1), оборудованного турбокомпрессором типа ТСА66 (MAN). При проведении испытаний двигатель выводился на режим 25%-й мощности (винтовой характеристики) и после стабилизации режима осуществлялось резкое отключение подачи топлива в цилиндры. При данной операции происходила остановка двигателя, после чего наблюдалось плавное уменьшение частоты вращения ротора исследуемого ТК, которое регистрировалось с помощью компьютеризированной системы. На рис.3.36 представлена запись данного процесса (длительность процесса составила около 4 мин). Как видно из рисунка, в течение этого промежутка времени частота вращения ТК уменьшалась с 6500 мин"1 до 100 мин"1 (и ниже).
Из рис.3.37 видно, что процесс (отображённый в логарифмических координатах) в целом от начала до окончания не является линейным. Процесс можно условно разбить на три характерных участка: А-В, В-С и C-D. Участок А—В является начальным и охватывает частоты вращения ротора от 6500 мин"1 до 2000 мин"1, участок В-С - охватывает частоты от 2000 мин"1 до 100 мин _1 и участок C-D соответствует частотам менее 100 мин"1. Из приведенного рисунка также видно, что продолжительность участка А—В составляет приблизительно 30 с, участка В С - 150 с (2,5 мин) и участка C-D -Л0 с. Наличие характерных, отличающихся друг от друга участков, свидетельствует о том, что физические условия протекания процесса на этих участках отличаются друг от друга. Так можно предположить, что на участке А—В происходит более резкое уменьшение частоты вращения ротора вследствие повышенного газодинамического сопротивления, оказываемого на ротор ТК. В свою очередь, наблюдаемое более резкое уменьшение данного параметра на участке C—D происходит в результате исчезновения масляного клина и перехода подшипника в режим полусухого трения (на данном участке происходит плавное увеличение коэффициента к). Следует обратить внимание на то, что участок В-С является наиболее продолжительным участком и, как видно из рисунка, - он имеет достаточно линейный вид. Аппроксимация этого участка полиномом первой степени даёт уравнение 1п(«/с)= -0,018363/ +7,990 и соответственно описание функции для частоты вращения ротора принимает вид и/с = 2951,3e 018363t (данная функция для приведенного примера имеет адекватное описание только для частот вращения ротора ТК в диапазоне от 2000 до 100 мин"1, причем за начальную точку отсчета ( =0) выбрана точка отключения топливоподачи на режиме 25%МДМ / рис.3.37, точка А/).
С помощью эталонного описания характеристики выбега ротора ТК вида ntc = еЛ1+в становится возможным проведение диагностики подшипников ТК. Чем больше абсолютное значение коэффициента А (напомним, что коэффициент А меньше нуля), тем быстрее уменьшается частота вращения ротора ТК и тем вероятнее тот факт, что техническое состояние подшипников ТК неудовлетворительное. Процедура диагностирования состоит в следующем. Двигатель выводится на установившийся режим 25% мощности. Рукоятка поста управления переводится в положение «Стоп» и одновременно запускается система регистрации частоты вращения ТК. Далее осуществляется сравнение результатов записи выбега эталонного и диагностируемого ТК по описанной методике. При совпадении участков В-С можно сделать вывод о том, что подшипники находятся в удовлетворительном состоянии. Если кривая диагностируемого ТК пролегает значительно ниже эталонной кривой и имеет более крутой характер, есть основание считать, что ТС подшипников неудовлетворительное.
Формализованный алгоритм оценки состояния подшипников ТК может быть построен на основе методологии линейного дискриминантного анализа. В соответствии с таким подходом следует проанализировать положение точек, соответствующих коэффициентам А и В (идентифицирующих процесс выбега ротора) на фазовой плоскости {Л,і?}. На рис.3.38 схематично показано построение решающего правила (на основе дискриминантной функции) для автоматического распознавания нарушений в работе подшипников ТК.
