3.10. Диагностирование дизелей методом эндоскопии

3.10.1. Общие сведения

Идея создания эндоскопов для осмотра внутренних полостей возникла не случайно. Эндоскопия развивалось и развивается как перспективное направление в науке технике, как закономерное требование технического прогресса, как результат тех качественных изменений, которые наблюдаются в процессе развития науки и техники.

Создание дорогостоящих, во многих случаях уникальных сооружений, объектов, механизмов – атомных реакторов, сверхмощных турбогенераторов, газотурбинных установок, дизелей и тому подобное – может быть оправданно только в случае, если все жизненно важные узлы и их детали будут бесперебойно работать в течение всего эксплуатационного периода времени. Ибо экономическая эффективность любого нового усовершенствования, любой новой машины, агрегата или конструкции определяется не только и не столько превосходством достигнутых при этом отдельных технических параметров, сколько долговечностью и надёжностью всего устройства.

Поддержание устройств в технически исправном состоянии, необходимом для нормальной эксплуатации, достигается путем технического обслуживания и ремонта. Техническое обслуживание и ремонт производят с предварительным контролем или без него.

Основным методом проведения контрольных работ является диагностика, которая служит для определения технического состояния агрегатов без разборки.

      Цель диагностики при техническом обслуживании заключается в определении действительной потребности в производстве работ, выполняемых при каждом обслуживании, и прогнозировании момента возникновения отказа или неисправности.

      Цель диагностики при ремонте заключается в выявлении причин отказа или неисправности и установлении наиболее эффективного способа их устранения.

По результатам диагностирования и при известной закономерности изменения параметров в зависимости от времени эксплуатации агрегата, узла, можно прогнозировать изменение его технического состояния, тем самым, определяя количество времени эксплуатации до ремонта или замены.

Использование средств технической диагностики дизелей направлено на увеличение ресурсных характеристик дизелей и продление межремонтного периода их эксплуатации.

Технико-экономическая эффективность СТД дизелей обуславливается:

–        снижением затрат на техническое обслуживание, благодаря уменьшению числа разборок и вскрытий дизелей при переходе от планово-технических норм обслуживания и ремонта к обслуживанию и ремонту по их фактическому состоянию;

–        снижением затрат на ремонт за счет выявления потенциальных отказов на ранней стадии их возникновения;

–        сокращением расхода топлива путем своевременного обнаружения разрегулировки топливной аппаратуры.

Анализ эксплуатационных качеств элементов судовых энергетических установок судов показывает, что наибольшие эксплуатационные потери связаны с отказами дизель-редукторных агрегатов и дизелей. При этом 70–90% всех отказов приходится на главные дизели и 3–18% – на вспомогательные дизели. Отказы главных редукторов и разобщительных муфт составляют до 5% полного числа отказов элементов СЭУ.

Наиболее частые отказы дизелей связаны с системой топливоподачи (форсунки и ТНВД), клапанами газораспределения, рамовыми и мотылевыми подшипниками, нарушением уплотнений цилиндровой втулки с блоком и крышкой цилиндра, кавитационно-коррозионными разрушениями и трещинами опорных буртов втулок.

Усложнение устройства современных машин и механизмов и возложение на них более ответственных функций делает задачу исследования их внутренних полостей, не доступных для обычного осмотра из-за наличия перегородок, кожухов и других конструктивно непрозрачных элементов, все более актуальной.

      Одним из методов технической диагностики таких элементов является эндоскопическая диагностика, использующая оптоволоконные приборы, с помощью которых быстро и высококачественно производят визуальные исследования.

Усовершенствование подлежащих исследованию объектов неизбежно привело к совершенствованию средств для их контроля и в настоящее время разработано множество эндоскопов различных конструкций, позволяющих решить практически любую диагностическую задачу не прибегая к дорогостоящим операциям разборки и демонтажа.

3.10.2. Классификация эндоскопов

      С конструкторской точки зрения, эндоскоп представляет собой двухканальную оптическую систему.

      Первый канал – осветительный (как правило, световолоконный) – передает свет от вспомогательного блока – осветителя – на исследуемый объект. Отраженный исследуемым объектом свет поступает во второй канал – информационный, который строит изображение исследуемого объекта на сетчатке глаза оператора или на электронном приемнике изображения другого вспомогательного блока – телевизионной системы.

В зависимости от используемых в информационном канале оптических сред и конструкции рабочей (погружаемой внутрь объекта) части, эндоскопы можно разделить на следующие основные группы:

1.      жесткие эндоскопы на основе линзовой оптики (рис. 3.4);

2.      жесткие эндоскопы на основе градиентной оптики (рис. 3.4);

3.      гибкие эндоскопы на основе волоконных жгутов (рис 3.5).

Гибкие в свою очередь бывают с управляемым и неуправляемым изгибом дистального конца.

Для каждой из этих групп можно выделить основные особенности оптических и конструкционных характеристик, руководствуясь которыми можно определить целесообразность применения той или иной системы.

3.10.3. Жёсткие эндоскопы

      Информационный канал жестких эндоскопов на основе линзовой оптики состоит из линзового объектива, линзовых оборачивающих систем и окуляра. Диаметр рабочей части не менее 4 мм, длина рабочей части до 100 ее диаметров, поле зрения от 108 до 1008.

      По сравнению с другими типами эндоскопов, линзовые системы позволяют получить наивысшее разрешение, светосилу и позволяют наиболее широко комбинировать оптические параметры (увеличение, поле зрения, направление наблюдения, и т. д.) для решения конкретных задач диагностики.

      Информационный канал жестких эндоскопов на основе градиентной оптики состоит из градиентного объектива, градиентных оборачивающих систем и линзового окуляра. Диаметр рабочей части от 1 мм до 5 мм, длина рабочей части до 100 ее диаметров, поле зрения от 40° до 60°. Эндоскопы этой группы имеют более низкие, чем у линзовых эндоскопов, разрешающую способность, контраст изображения. Возможности комбинирования оптических параметров ограничены.

      Жесткие эндоскопы характеризуются четырьмя основными параметрами:

–        диаметром рабочей части (наиболее распространённые диаметры рабочей части 1,5; 2; 2,5; 4; 6; 8 и 10 мм);

–        длиной рабочей части (длина жестких эндоскопов обычно находится в пределах от 100 до 1000 мм и изменяется с шагом 200–300 мм);

–        углом направления наблюдения (основные углы направления наблюдения 08; 308; 458; 758; 908 и 1108. Угол направления наблюдения может быть и плавно изменяемым в эндоскопах с качающейся призмой – от 308 до 1108);

–        углом поля зрения (угол поля зрения, как правило, варьируется от 508 до 908. При этом необходимо учитывать, что увеличение поля зрения приводит к уменьшению детализации, то есть можно видеть много и мелко или мало и крупно).

      Основное преимущество жестких эндоскопов – высокая разрешающая способность.

3.10.4. Гибкие эндоскопы

      Информационный канал гибких эндоскопов на основе волоконно-оптических жгутов состоит из линзового (реже градиентного) объектива, регулярного волоконно-оптического жгута, представляющего собой пучок моноволоконных световодов диаметром 5–15 мкм с полированными торцами, и линзового окуляра.

      При этом изображение строится объективом на входном торце жгута и рассматривается через окуляр на выходном торце жгута. Эндоскопы этой группы наиболее разнообразны по конструкции и по своим возможностям, однако, разрешающая способность ограничена диаметром моноволокна в жгуте. Диаметр рабочей части от 4 мм до 10 мм, длина рабочей части до 2 м и более.

Принцип передачи света по волокну – световоду диаметром в несколько десятков микрон заключается в его полном внутреннем отражении: луч света, попавший на конец длинного волокна, последовательно отражается от его внутренних стенок и полностью выходит на противоположном конце (рис. 3.7). Светоотдача осуществляется при любом изгибе.

Для того чтобы исключить потери света и улучшить его отражение от стенок, каждое волокно покрывают слоем стекла с низким показателем преломления. Отдельное волокно передает изображение одной точки объекта. Волокна складывают в жгуты, из них формируют волоконно-оптическую систему эндоскопа, которую покрывают защитной оболочкой и размещают внутри гибкого тубуса. Расположение торцов волокон на входе кабеля точно должно соответствовать их расположению на входе, то есть должна быть регулярная укладка (рис. 3.8).

Изображение, полученное на конце кабеля, рассматривается через окуляр, имеющий диоптрийную подвижку для подстройки под глаза.

Канал для передачи света представляет собой, как правило, светорассеивающую линзу, вклеенную в головку прибора, световолоконный жгут с нерегулярно уложенными волокнами толщиной 25 мкм. Конец световолоконного жгута вмонтирован в специальный наконечник, подключающийся к осветителю.

Эндоскопы этой группы должны быть гибкими, подвижными, с управляемым дистальным концом, хорошо передавать свет (яркое освещение объекта) и давать цветное изображение, иметь инструментальный канал, для гибкого инструмента при необходимости осуществления манипуляций, например:

–        захвата предметов;

–        взятия пробы.

Управляемый дистальный конец, может изгибаться в одной или двух плоскостях. Как правило, это определяется диаметром рабочей части. Обычно в эндоскопах малого диаметра (6 мм и менее) изгиб осуществляется в одной плоскости, а в более крупных эндоскопах – в двух.

В эндоскопах угол изгиба бывает от 908 до 1808. К тому же эндоскопы могут комплектоваться насадками или объективами бокового наблюдения. Это важно, если есть необходимость осматривать, например, стенки труб малого диаметра, где изгиб дистального конца невозможен.

Основным недостатком гибких эндоскопов по сравнению с жесткими эндоскопами является более низкая разрешающая способность.

При выборе гибкого эндоскопа руководствуются двумя основными параметрами:

–        диаметром;

–        длиной рабочей части.

Наиболее распространенные диаметры 0,5; 2; 4; 6; 8 и 10 мм. Длины рабочей части изменяются от 500 до 3000 мм с шагом, как правило, 500 мм. Угол поля зрения составляет 508 – 608. При необходимости он может быть увеличен до 908 – 1008.

Гибкие эндоскопы имеют герметичную маслобензостойкую рабочую часть с покрытием из нержавеющей стали.

3.10.5. Осветители

      Наиболее часто применяются осветители с галогенной лампой мощностью 100 -150 Вт в качестве источника света.

      Основное преимущество – дешевизна.

      Недостатки – высокое энергопотребление при относительно невысоком световом потоке, малый срок службы лампы, порядка 50 часов, и смещенный в желтую область спектр.

      Металлогалоидные осветители имеют 24 Вт лампу. Они значительно дороже галогенных, однако обладают рядом достоинств:

–        низкое энергопотребление при световом потоке, сравнимом с 200 Вт галогенной лампой;

–        длительный срок службы лампы – 600–800 часов;

–        спектр, приближенный к естественному белому свету;

      В отдельных случаях:

–        большие расстояния до исследуемого объекта;

–        освещение большого поля зрения;

–        низкая отражающая способность исследуемой поверхности,

целесообразно применять более мощные осветители.

      Ксеноновые осветители – наиболее мощные осветительные системы, но и самые дорогие.

      Для повышения контраста изображения и для ряда специальных задач в осветителях могут применяться лампы со специальными спектральными характеристиками или светофильтры для выделения необходимого спектрального диапазона.

3.10.6. Видеоскопы

      Значительно снижается трудоемкость исследований при использовании телевизионных систем.

      Прекрасная оптика, малые искажения и высокая четкость изображения – основные качества видеоскопов. Для максимального удобства осмотра имеются различные функции: полная герметичность, маслостойкость и переменная гибкость рабочей части эндоскопа, увеличивают эффективность диагностики в целом.

Изображение через объектив передается на ПЗС матрицу, которая преобразует оптический сигнал в сигнал электрический. Этот сигнал поступает в блок преобразования, и далее, на ТВ монитор.

      Отличительной чертой этой группы приборов является высокое качество изображения, которое достигается благодаря использованию ПЗС-матрицы и разнообразных оптических адаптеров, а наличие встроенного микрофона позволяет записывать текстовые комментарии.

      Особенности видеоскопов:

–        наличие адаптеров одновременно с прямым и боковым обзором;

–        универсальность применения благодаря широкому выбору оптических адаптеров;

–        возможность записи;

–        круговой обзор благодаря изгибу в четырех направлениях;

–        дистанционное управление;

–        высокая надежность и долговечность;

–        легкая вводимость и хорошая устойчивость.

Однако прогресс не стоит на месте, и сейчас, разработаны и разрабатываются цифровые измерительные системы визуальной диагностики, работающие совместно с видеоскопами, которые меняют ранее принятые подходы эндоскопического контроля.

3.10.7. Цифровые измерительные системы

Помимо эндоскопического осмотра и записи изображений, цифровая измерительная система позволяет, путем несложных процедур, проводить точные измерения дефектов в широком диапазоне ракурсов их наблюдения через эндоскоп.

Система позволяет находить и квалифицировать все виды дефектов внутренних полостей конструкции.

Намного увеличена эффективность и удобство работы контролера – эндоскописта.

Измерительный блок позволяет сохранять результаты осмотра на внутреннем или внешнем диске и далее переносить их на персональный компьютер – в базу данных или для пересылки по электронной почте.

Легкость проведения измерений и надежная сохранность результатов дают возможность контролеру уделить больше внимания анализу дефекта и принять безошибочное решение.

      Цифровая измерительная система использует принцип бинокулярного зрения высших животных и человека. Расстояние до объекта и его размеры определяются по смещению изображений, проецируемых правым и левым объективами на матрицу ПЗС видеоскопа – аналог сетчатки глаза.

      Анализируя взаимное расположение проекций, процессор решает тригонометрическую задачу и определяет координаты объекта относительно эндоскопа, а затем и размеры дефекта – его протяженность, глубину или высоту со средней погрешностью около 3%. Минимально определяемые размеры дефектов – от 0,15 мм, по любой оси.

Цифровая измерительная система не имеет ограничений по расположению эндоскопа относительно осматриваемого объекта. В отличие от обычных методов эндоскопических измерений, в которых необходимо стремиться к перпендикулярному наблюдению плоскости дефекта, данная система работает практически в любом ракурсе, под любым углом к объекту.

Другой особенностью известных методов измерений является необходимость наложения различных шкал, сеток или штрихов вдоль изображения дефекта. Эта процедура, требующая длительного времени, исключена при работе с цифровой измерительной системой.

Система имеет программное обеспечение, созданное специально для обработки и анализа эндоскопических изображений.

      Установив его на персональный компьютер, можно хранить, архивировать, обрабатывать полученные снимки, производить повторные замеры, а также передавать результаты измерений или отдельные снимки по электронной почте, что позволяет быстро обмениваться результатами диагностики на больших расстояниях и ускоряет принятие решений в спорных случаях.

3.10.8. Использование эндоскопов

      Эндоскопическая диагностика – один из наиболее универсальных и эффективных средств неразрушающего контроля. Метод широко применяется для контроля состояния различных типов машин и механизмов, в том числе и для контроля судовых ДВС. Например, при осмотре цилиндра через форсуночное отверстие хорошо просматриваются стенки, днище поршня, клапаны (рис. 3.10).

      На рис. 3.11 показаны фрагменты изображений, полученных с помощью эндоскопа.

Возможность обнаружения дефекта зависит от качества и количества передаваемой эндоскопом информации, что, в свою очередь, прежде всего, зависит от типа применяемого эндоскопа.

Учет приведенных выше характеристик различных групп эндоскопов, а так же общих принципов подхода к выбору диагностической системы, таких как:

–        применение эндоскопов максимально возможного диаметра;

–        применение эндоскопов минимально возможной длины;

–        применение по возможности, жестких эндоскопов,

приводит к повышению производительности труда оператора, повышению вероятности обнаружения дефекта и снижению вероятности поломки эндоскопа.

Оптимальное сочетание оптических характеристик эндоскопа с характеристиками исследуемого объекта и условиями диагностики так же скажется в повышении производительности и качества труда оператора.

      При этом необходимо учитывать в комплексе:

1.      технические характеристики эндоскопа:

–        поле зрения;

–        увеличение;

–        разрешающую способность;

–        светосилу;

–        цветопередачу;

2.      условия осмотра:

–        коэффициент рассеяния исследуемой поверхности;

–        расстояние до нее;

–        минимальные размеры и форму исследуемого дефекта, и другие параметры исследуемого объекта.