Контроль рабочих процессов судовых двигателей с использованием электронных систем индицирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.05, кандидат технических наук Пальтов, Сергей Алексеевич

• Пальтов, Сергей Алексеевич
• кандидат технических наук
• 2010

Оглавление диссертации кандидат технических наук Пальтов, Сергей Алексеевич

Введение.

Глава 1. Электронные системы индицирования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания.

1.1 Обзор электронных систем индицирования и рекомендации по их применению.

1.2 Аналитический обзор методов контроля и диагностики рабочих процессов судовых двигателей.

1.3. Постановка задач исследования.

Глава 2. Исследование влияния внешних факторов на точность замеров при использовании электронных систем индицирования рабочего процесса.

2.1 Краткий анализ работ по исследованию влияния внешних факторов на точность замеров.

2.2 Погрешность и методы корректировки положения ВМТ.

2.3 Погрешность из-за искажения сигнала в индикаторном канале.

2.4 Влияние неравномерности вращения коленчатого вала на точность измерения среднего индикаторного давления в судовых ДВС

2.5 Выводы по главе.

Глава 3. Контроль показателей рабочего процесса судовых двигателей внутреннего сгорания.

3.1 Оценка качества рабочего процесса в целом по двигателю (I этап).

3.2 Оценка качества рабочего процесса по отдельным цилиндрам (II этап).

3.3 Адаптированный для обслуживающего персонала вариант методики контроля показателей рабочего судового двигателя.

3.4 Выводы по главе.

Глава 4. Экспериментальное исследование влияния различных видов неисправностей на значение показателей рабочего процесса.

4.1 Экспериментальное подтверждение результатов имитации неисправностей полученных с помощью математической модели

4.1.1 Имитация протечек в топливной аппаратуре.

4.1.2 Имитация влияния угла опережения подачи топлива на показатели рабочего процесса.

4.1.3 Имитация неисправности форсунки на показатели рабочего процесса.

4.2 Экспериментальное подтверждение методики контроля рабочего процесса при имитации неисправностей на среднеоборотном двигателе.

4.2.1 Экспериментальное исследование влияния повышенной цикловой подачи на протекание рабочего процесса в цилиндре.

4.2.2 Экспериментальное исследование влияния пониженной цикловой подачи на протекание рабочего процесса в цилиндре.

4.2.3 Имитация загрязнения фильтра турбокомпрессора.

4.3 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Контроль рабочих процессов судовых двигателей с использованием электронных систем индицирования»

Техническое состояние судового двигателя — это качество его узлов и деталей в данный момент времени или совокупность косвенных показателей, качественное значение которых определяют его технические характеристики.

Состояние эксплуатирующегося двигателя оценивается мерой утраты им работоспособности и экономичности в связи с износами деталей и узлов, загрязнением и закоксовыванием зазоров между подвижными деталями и в проходных сечениях, нагарообразование на рабочих поверхностях деталей и газовоздушных трактов. Обычно оценка технического состояния производится в результате разборки двигателя, очистки и обмеров его деталей и различных сопряжений. Такие операции трудоемки и не всегда целесообразны из-за нарушения прирабатываемости трущихся поверхностей при их переборке.

Сложность конструкции двигателя, большое количество узлов и агрегатов, подлежащих контролю приводит к тому, что в настоящее время расходы на поддержание технической готовности двигателя в 5-10 раз превосходят затраты на его производство, а поиск неисправностей в двигателе занимает 50-80 % общего простоя в ремонте [28]. Устранить преждевременные остановки, а также ненужные переборки двигателя позволяет оптимально спроектированная система технической диагностики (СТД) двигателя. При наличии грамотно построенной системы технической диагностики время поиска неисправностей двигателя может быть сокращено в десятки раз. Так внедрение СТД в практику эксплуатации судовых двигателей внутреннего сгорания способствует росту экономичности 2-3%, увеличению ресурса 20-50%, снижению расхода запасных частей на 10-15% [38].

Использование систем технического диагностирования в практике эксплуатации двигателей дает возможность решать задачи: повышения эксплуатационного к.п.д. и ресурса за счет поддержания высокого технического уровня ДВС; понижения затрат эксплуатации и уменьшения потребности в запасных частях; сокращение времени поиска неисправностей; сокращению ремонтных и регулировочных работ.

Структура систем технической диагностики содержит следующие элементы: оборудование предназначенное для измерения, обработки результатов измерения и сбора диагностической информации и диагностические методики (алгоритмы) обработки результатов измерений.

В качестве оборудования для измерения диагностических параметров в настоящее время все больше привлекаются портативные электронные системы индицирования. Эффективность использования этих систем зависит от качества их настройки. В настоящее время до сих пор остается открытым вопрос оценки погрешностей данных приборов при использовании их для индицирования судовых двигателей. Зачастую, даже грамотно настроенный прибор выдает искаженные результаты. Поэтому оценка погрешности прибора, а в особенности выявление ее степени влияния является важной задачей. Следует отметить, что как таковых четко выработанных рекомендаций по вводу этих приборов в эксплуатацию не имеется. Инструкции по эксплуатации, поставляемые вместе с приборами, дают только общие рекомендации по настройке и установке.

Вышеупомянутые электронные системы индицирования являются всего лишь обычными измерительными приборами, в то время как анализ результатов измерения и выводы, вытекающие из этого анализа, должен выполнять обслуживающий персонал. Отсюда вытекает необходимость создания эффективного алгоритма обработки результатов измерений по которому можно судить о текущем техническом состоянии двигателя. Другими словами нужна эффективная методика диагностирования. Разработка эффективной диагностической методики обработки результатов измерений с использованием электронных систем индицирования является одним из основных вопросов при создании СТД, определяющим элементом которой служит наиболее оптимальный набор контролируемых параметров, позволяющий достаточной полно охарактеризовать технического состояние и работоспособность двигателя. Наконец, методика должна быть достаточно простой и оперативной с минимальными затратами труда, времени и средств.

В настоящее время существует больше количество методик оценки технического состояния двигателя. Применительно к судовым двигателям проблемы диагностирования исследованы ЦНИДИ, ВВМИУ, ЛИВТ, ЛВИМУ, ЦНИМФ и другими НИИ и учебными заведениями и помещены в трудах А. М. Александрова, Л. В. Станиславского, Е. В. Дмитриевского, Ю. А. Магнитского, Р. М. Васильева-Южина, Б. М. Левина, И. В. Возницкого, Петухова В. А., Овсянникова М. К., А. А. Обозова, А. Ю. Конькова, В. А. Лашко и др. Главный недостаток этих методик заключается в том, что стремление авторов придать методике наибольшую информативность и полноту делает ее громоздкой и сложной для понимания обслуживающим персоналом. Зачастую методики разработаны и апробирована на стендовых двигателях, что делает их неприменимыми для судовых условий эксплуатации двигателя. Чтобы учесть влияние внешних факторов на двигатель в судовых условиях эксплуатации, авторы прибегаю к выводу уравнений учитывающих зависимость между диагностическим параметрами и параметрами определяющими режим работы двигатель, что приводит так же к усложнению методики, а так как уравнения зависимости выводятся по статистическому материалу собранному по определенному типу двигателей, то возникает вопрос, а применима ли данная методика к другому типу двигателю и при других условиях эксплуатации? Выше приведенные положения определяют важность и актуальность вопросов решаемых автором диссертационной работы.

Основной целью диссертационной работы, является создание понятной для обслуживающего судовую энергетическую установку персонала методики оценки технического состояния двигателя на основе контроля параметров рабочего процесса с использованием электронных систем индицирования. При этом разработанная методика должна не терять своей информативности, быть достаточно полной и универсальной.

Для достижения этой цели были поставлены следующие задачи:

1. Определить минимально необходимую совокупность диагностических параметров, отображающих состояние рабочего процесса и позволяющих выявлять часто встречающиеся при эксплуатации судовых двигателей неисправности;

2. Установить причинно-следственную .связь между выбранной совокупностью диагностических параметров и проявлением той или иной неисправности и на этой основе составить алгоритм диагностирования.

Наряду с основными задачами автор в диссертационной работе ставит дополнительные задачи:

1. Рассмотреть существующие на современном рынке электронные системы индицирования, а так же дать описание их принципа работы;

2. Исследовать и оценить влияние разных факторов на достоверность измеренных параметров при использовании данного класса приборов.

Объектом исследований являются судовые двигатели, главные и вспомогательные.

Личный вклад автора. Автором сформулированы цель и задачи исследований, на основе методов численного моделирования проведено исследование влияние различных неисправностей на характер изменения показателей рабочего процесса и предложена двухуровневая методика контроля рабочего процесса с оценкой отклонения параметров рабочего процесса относительно средних по двигателю, спланирован и проведен натурный эксперимент подтверждающий разработанный автором алгоритм оценки технического состояния двигателя.

Достоверность научных положений, рекомендаций и выводов, содержащихся в диссертации, подтверждено результатами натурного эксперимента, актами вне/фения, результатами численного эксперимента. В работе использовались аналитические методы. Экспериментальные исследования выполнялись на основе современных ГОСТов и методов, рекомендуемых при проведении стендовых и эксплуатационных испытаний двигателей. Для анализа влияния различных видов неисправностей на показатели рабочего процесса в работе применялись методы численного моделирования. Оценка погрешностей определения экспериментальных величин была осуществлена с помощью методов теории погрешностей. В работе использовалась современная анализирующее-регистрирующая аппаратура.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Выполнена оценка основных факторов вносящих погрешность в результаты измерений при использовании электронных систем индицирова-ния;

2. Разработана двухуровневая методика контроля показателей рабочего процесса для судовых двигателей внутреннего сгорания основанная на анализе отклонения диагностических параметров от их средней величины;

3. Исследовано влияние величины и характера разброса диагностических параметров по цилиндрам на погрешность в определении их среднего значения;

4. Разработан метод, позволяющий значительно сократить погрешность в определении среднего значения параметров;

5. Впервые в качестве диагностического параметра предложено использовать экстремумы дифференциальной составляющей индикаторной диаграммы.

Практическая ценность. Результаты исследований, разработанная двухуровневая методика контроля показателей рабочего процесса использованы отделом ледокольного и пассажирского флота Санкт-Петербургского филиала ФГУП «Росморпорт» для оценки технического состояния среднеоборотных двигателей и внедрены в учебный процесс на курсах повышения квалификации судовых механиков при Государственной морской академии им. адм. С. О. Макарова. Результаты исследований имеют практическую ценность, а именно позволяют:

1. Оптимизировать процесс поиска неисправности за счет эффективной структуры алгоритма поиска неисправностей;

2. Сократить материальные затраты на ремонт двигателя за счет предотвращения неисправностей еще до того как они достигнут катастрофического размера;

3. Повысить эффективность использования обслуживающим персоналом современных электронных систем индицирования;

4. Оптимизировать время между регламентными сроками технического обслуживания.

Апробация работы.

Публикации. Основные положения диссертационной работы публикованы в 4 работах автора, все работы опубликованы в рекомендованных ВАК изданиях. Итоги диссертационной работы докладывались на научной профессорско-преподавательской конференции Государственной Морской Академии имени адмирала С. О. Макарова (март 2009 г.) и Всероссийской научно-технической конференции «Развитие двигателестроения в России» (апрель 2009 г.).

Объем работы - диссертация состоит из введения, 4-х глав, заключения, перечня литературы из 41 источника, 7 - приложений, содержит 30 таблиц, 25 рисунков — на 131 страницах. В первой главе приводится краткий анализ электронных систем индицирования, их устройство и принцип работы, приведены основные положения по их эксплуатации, а также приведен краткий анализ основных методов и алгоритмов оценки технического стояния судовых двигателей внутреннего сгорания.

Заключение диссертации по теме «Судовые энергетические установки и их элементы (главные и вспомогательные)», Пальтов, Сергей Алексеевич

Основные выводы и результаты работы.

1. Проведен обзор исследований по технической диагностике судовых двигателей, который позволил выработать рациональные методологические решения задачи диагностирования судовых двигателей.

2. Разработана эффективная двухуровневая методика контроля показателей рабочего процесса основанная на анализе отклонения диагностических параметров от их средней величины. Методика основана на тех диагностических параметрах, которые позволяют зарегистрировать портативные электронные системы индицирования и которые наиболее полно отражают неисправности и являются наиболее чувствительными к изменению рабочего процесса двигателя. Сопоставление результатов численного моделирования с результатами натурного эксперимента подтвердило достоверность предложенной методики.

3. Разработан и доказан метод определения средней величины при значительном разбросе диагностических параметров по цилиндрам двигателя. Сущность метода заключается в последовательном нахождении среднего значения между двумя рядом стоящими точками до тех пор, пока не будет вычислена средняя величина параметра близкая к истинному значению. Автором предложены формулы для расчета среднего значения для пяти-, шести-, семи- и восьмицилиндрового двигателя. Предложенный метод применяется в случае, если разница между максимальным значением диагностического параметра и его минимальным значением более 20 % и числе цилиндром менее шести.

4. Впервые проведено исследование отклонения экстремумом производной Р индикаторнои диаграммы — при возникновении различных неисправностей неплотность ЦПГ, поздний/ранний впрыск топлива, повышенная/пониженная цикловая подача, неисправность форсунки). .

5. Проведено исследование влияния неравномерности вращения коленчатого вала на значение среднего индикаторного давления с целью выявить значение вносимой погрешности и обоснованности решения установки фирмами производящими электронные системы индицирования двух датчиков оборотов на двигатель.

6. Результаты диссертационной работы использованы отделом ледокольного и пассажирского флота Санкт-Петербургского филиала ФГУП «Росморпорт» в виде методических рекомендаций по контролю технического состояния среднеоборотных двигателей и внедрены в учебный процесс на курсах повышения квалификации судовых механиков при Государственной морской академии им. адм. С. О. Макарова. Внедрения подтверждены актами внедрения и использования которые находятся в приложении

Изложенные в диссертации рекомендации и методы позволяют повысить эффективность использования электронных систем индицирования, надежность и экономичность судовой энергетической установки за счет своевременного предупреждения неисправностей, повысить эксплуатационный к.п.д. и ресурс за счет поддержания высокого технического уровня ДВС, понизить затраты в эксплуатации и уменьшить потребности в запасных частях, сократить время поиска неисправностей.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Пальтов, Сергей Алексеевич, 2010 год

1. А. С. Пунда. Расчет индикаторной диаграммы судового дизеля и эмиссии окислов азота с отработавшими газами. Учебное пособие. Изд. ГМА, 2000 — 36 с.

2. А. С. Пунда. Численное моделирование рабочих процессов судовых дизелей: Учеб. пособие. — М.: Мортехинформеклама, 1995. — 64 .с.

3. Биргер И. А. Техническая диагностика. — М.: «Машиностроение», 1978. — 240 с.

4. Белоконъ В. П. Из опыта эксплуатации системы технической диагностики судовых дизелей. Реферат слушателя курсов повышения квалификации судовых механиков ЛВИМУ им. адм. С. О. Макарова , 1985. 35с.

5. В. А. Лашко, А. Ю. Коньков. Расчетный метод коррекции действительно положения ВМТ при индицировании ДВС // Двигателестроение. — 2007. №3. — С. 34-38.

6. Возницкий И. В., Грин А. А., Орехов Ю. А. Диагностирование рабочего процесса дизеля по теплотехническим показателям. Экспресс-информация «Морской транспорт», серия «Техническая эксплуатация флота», №18, М. ; В/О «Мортехинформреклама» , 1984. с. 16.

7. Возницкий И. В., Бедай А. С. Метод построения таблицы неисправностей для диагностирования рабочего процесса дизелей: Сборник научных статей «Автоматизация энергетических установок судов». — М.: В/О Мотехин-формреклама, 1983. с. 8-15.

8. Возницкий И. В. Контроль и диагностика технического состояния судовых дизелей. Тексты лекций. М.; В/О «Мортехинформреклама», 1984 — 36 с.

9. Возницкий И. В., Орехов Ю. А. , Пунда А. С. Диагностирование рабочего процесса судового дизеля: Сб. научных трудов «Судовые силовые установки». -М.; ЦРИА «Морфлот», 1980.

10. Гаврилов В. С., Камкин С. В., Шмелев В. П. Техническая эксплуатация судовых дизельных установок. Учебное пособие. М.: Транспорт, 1985. — 288 с.

11. Двигатели внутреннего сгорания: Теория поршневых и комбинированных двигателей./ Под ред. А. С. Орлина. — М.: Машиностроение, 1983. 372с.

12. ГОСТ 10150-88 "Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия"

13. ГОСТ 10448-80 "Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Приемка. Методы испытания."

14. А. Дмитриевский Е. В., Левин М. И., Обозов А. А., Шелков С. М. построение .алгоритма диагностирования малооборотного дизеля на основе регрессионных моделей (для использования с устройством К- 748). Двигателестроение, 1984, №1 с. 46-49.

15. Зажигаев Л. С., Кишъян А. А., Романиков Ю. И. Методы планирования и обработки результатов физического эксперимента. —М.; Атомиздат, 1978.-232 с.

16. Камкин С. В., Лемещенко А. Л., Пунда А. С. Повышение экономичности судовых дизелей. СПб.: Судостроение, 1992. - 176 с.

17. Методы исследований и организации экспериментов/ под. ред. проф. К. П. Власова —X.: Издательство «Гуманитарный центр», 2002. 256 с.

18. Моек Е., Штрикерт X Техническая диагностика судовых машин и механизмов: Пер. с нем. — Л.; Судостроение, 1986. — 232 с.

19. Монтгомери Д. К. Планирование эксперимента и анализ данных: Пер. с англ. — Л.: Судостроение, 1980—384 с.

20. Нейман К. Кинетический анализ процесса сгорания в дизеле // Двигателестроение. 1938, № 4 с. 242-257.

21. Обозов А. А. Алгоритм поиска корректного положения отметки ВМТ в системах диагностики судовых дизелей II Двигателестроение, 2006, №1. — С. 27 -30.

22. Палътов С. А. Системы электронного индицирования рабочего процесса двигателя внутреннего сгорания. — Эксплуатация морского транспорта, 2008, №2 (52) с. 63-66.

23. Палътов С. А. Влияние неравномерности вращения коленчатого вала на точность измерения среднего индикаторного давления в судовых двигателяхвнутреннего сгорания. — Эксплуатация морского транспорта, 2008, №4 (54) — с. 59-62.

24. Палътов С. А. Использование диаграммы скорости изменения давления в качестве дополнительного диагностического источника информации. Эксплуатация морского транспорта, 2009, №2 (56) — с. 60-65.

25. Палътов С. А. Методика контроля показателей рабочего процесса малооборотных ДВС. Двигателестроение, 2009, № 2 (236) — с.56-57.

26. Лахомов Ю. А., Красовский О. Г. Дмитриевский Е. В., Рогалев В. В. Эталонные модели параметров рабочего процесса малооборотного дизеля для эксплуатационного контроля. Двигателестроение, 1983, № 10 — с.41-44.

27. Правила технической эксплуатации судовых технических средств и конструкций. РД.31.21.30-97 СПб; ЗАО ЦНИИМФ, 1997. - 344 с.

28. Петухов В. А., Овсянников М. К. Эксплуатационные качества судовых-дизелей. — Л.: Судостроение, 1982. — 208 с.

29. Райков И. Я. Испытания двигателей внутреннего сгорания. Учебник для вузов. М., «Высш. школа», 1975. — 320 с.

30. Разлейцев Н. Ф. Анализ условий сгорания в дизелях на основе обобщенного уравнения динамики горения.// Двигатели внутреннего сгорания, 1969, Вып. 8-е. 47-52.

31. Руководство по теплотехническому контролю серийных теплохо-дов/Минречфлот. 3-е изд., перераб. и доп. М.: «Транспорт», 1896г. — 207 с.

32. Свиридов Ю. Б. Смесеобразование и сгорание в дизелях. — Л.: Машиностроение, 1972. 224 с.

33. Средства и методы диагностирования дизелей по индикаторной диаграмме рабочего процесса: моногр. / А. Ю. Коньков, В. А. Лашко — Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2007 147 с.

34. Самойленко А. Ю. Электронные системы контроля параметров рабочего процесса судовых средне- и высокооборотных дизелей: Монография — СПб.: Судостроение, 2004. — 132 с.35. . Сегаль В.Ф. Динамические расчеты двигателей внутреннего сгорания.

35. JL; Машиностроение, 1974. —248с.

36. Соловьев Б. И. Теплотехнические испытания и эксплуатация судовых дизелей. -М.; «Транспорт», 1973.-240 с.

37. Соболев Л. Г., Галанин А. А., Финоченов А. А., Блинов Э. К., Комаров И. В. Диагностические испытания ЦПГ главного двигателя теплохода «Новогру-док» в эксплуатационных условиях. — Двигателестроение, 1981, №12 с.36-38

38. Станиславский Л. В. Техническое диагностирование. — Донецк: Вища школа, 1983,— 136 с.

39. Теория двигателей внутреннего сгорания. Под ред. проф. д-ра техн. наук Н. X. Дьяченко. JL, «Машиностроение», 1974. — 552 с.

40. Петриченко Р. М., Батурин С. А., Исаков Ю. Н. и др. Элементы систем автоматизированного проектирования ДВС: Алгоритмы прикладных программ. — JL: Машиностроение, 1990. — 328 с.

41. User's Manual Digital Pressure Indicator DPI 2, version 2.02 LEUTERT GmbH.