Техническая диагностика СЭУ

ЛЕКЦИИ по курсу:

«Техническая диагностика СЭУ», для специальности
180403 «Эксплуатация судовых дизельных энергетических установок»

РАЗДЕЛ 1. ПОНЯТИЕ О ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКЕ СЭУ

Тема 1.1. Предпосылки применения технической диагностики

С научно-техническим прогрессом неразрывно связаны как рост сложности и разнообразия технических объектов, так и повышение требований к эффективности их функционирования. Эти требования удовлетворяются в той или иной мере на всех этапах существования объекта диагностирования (ОД) (проектирование, производство, использование по назначению). Одним из определяющих показателей эффективности работы ОД считается его надежность. Это свойство обеспечивается на этапах проектирования и производства и поддерживается в период его эксплуатации. Наряду с усовершенствованием структурных схем отдельных устройств и систем в целом, применением высоконадежных элементов и структурного резервирования, снижением нагрузки и стабилизацией условий эксплуатации ОД мощным средством поддержания необходимого уровня надежности является научная организация процесса эксплуатации ОД. В ней особая роль принадлежит диагностированию, по результатам которого определяется действительное техническое состояние ОД и характер его изменения с течением времени.

В самом общем случае процесс технического диагностирования технического объекта предусматривает решение задач:

1) определения его действительного технического состояния;

2) поиска дефектов;

3) прогнозирования изменения технического состояния.

В частных случаях в процессе диагностирования могут решаться отдельные из этих задач или их сочетания, поскольку каждая из них относительно самостоятельна.

На рис. 1 приведен один из возможных вариантов схемы, иллюстрирующей место задачи поиска дефектов в теории технического диагностирования и место последней в решении общей проблемы обеспечения надежности технических объектов.

Несмотря на наличие большого числа теоретических работ, эффективность методов технического диагностирования в повышении качества эксплуатации изделий еще остается крайне низкой, особенно при поиске дефектов. Известно, что ежегодные затраты на ремонт машин и оборудования в России и странах СНГ достигают очень больших значений, до 30% всех эксплуатируемых машин находится в неработоспособном состоянии в связи с их ремонтом, а число рабочих; занятых ремонтными работами, в 3—10 раз превышает число рабочих, занятых производством новых изделий.

Эффективность восстановления технического состояния тем выше, чем меньше время восстановления при удовлетворении заданным показателям его качества. Опыт эксплуатации сложных технических систем показывает, что при отсутствии специальных средств диагностирования основную долю времени восстановления составляет время, затрачиваемое на поиск дефекта(ов). Эта доля часто составляет 70—80% от общего времени восстановления.

Рисунок 1 – Схема, обуславливающая появление ТД и ее задачи

Задача поиска дефектов или некоторые вопросы, связанные с ней, возникают на всех этапах жизненного цикла ОД, а именно:

разработка и изготовление ОД с элементами приспособленности к решению задачи поиска дефектов;

сборка и обкатка (испытания) ОД в целях оценки их качества и
в том числе надежности;

приемочные испытания ОД;

техническое обслуживание, определение объема планируемых
профилактических операций по фактическому техническому состоянию;

предремонтное диагностирование с целью поиска дефектов;

приемочные испытания и контроль отремонтированных объектов;

своевременное переключение на резерв, т.е. оперативное управление техническим состоянием.

Эволюционность информационных технологий их новый этап развития, начавшийся в конце XX века, позволяет осуществить разработку и исследование целого ряда автоматизированных методов поиска дефектов из заданного их множества в объектах диагностирования непрерывного типа с разработкой алгоритмического и программного обеспечения на основе динамических моделей ОД.

Диагностика состояния того или иного объекта служит целям контроля, управления, включая регулировочные и наладочные процедуры. В широком плане эти вопросы позволяет решать прогнозирование, которое в данном контексте выступает составной частью диагностики.

Тема 1.2. Применение средств технической диагностики для судовых дизелей

Использование средств технической диагностики (СТД) дизелей направлено на увеличение ресурсных характеристик дизелей и продление межремонтного периода их эксплуатации, вплоть до перехода от системы плановых обслуживаний и ремонта к системе обслуживания по фактическому техническому состоянию.

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 их по 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;

- и т.д.

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:

  1. системой топливоподачи (форсунки и ТНВД);
  2. клапанами газораспределения;
  3. рамовыми и мотылевыми подшипниками;
  4. нарушением уплотнений цилиндровой втулки с блоком и крышкой цилиндра;
  5. кавитационно-коррозионными разрушениями и трещинами опорных буртов втулок.

Тема 1.3. Основные определения технической диагностики
(по ГОСТ 20911-89 Техническая диагностика Термины и определения)

Объект технического диагностирования (контроля технического состояния или ОД) – изделие и (или) его составные части, подлежащие (подвергаемые) диагностированию (контролю).

В качестве ОД понимаются судовые технические средства и конструкции, состояние которых подлежит определению. В понятие судовые технические средства включаются главные и вспомогательные двигатели, вспомогательные механизмы, части главных и вспомогательных систем, общесудовых системы и устройства, их части и т.д.

Техническое состояние объекта – состояние, которое характеризуется в определенный момент времени, при определенных условиях внешней среды, значениями параметров, установленных технической документацией на объект.

Техническая диагностика – Область знаний, охватывающая теорию, методы и средства определения технического состояния объектов.

Контроль функционирования – контроль выполнения объектом части-всех свойственных ему функций.

Контроль технического состояния – проверка соответствия значений параметра объекта требованиям технической документации и определение на этой основе одного из заданных видов технического состояния в данный момент времени.

Техническое диагностирование – определение технического состояния объекта.

Задачами технического диагностирования являются:

  • контроль технического состояния;
  • поиск места и определение причин отказа (неисправности);
  • прогнозирование технического состояния.

Термин «Техническое диагностирование» применяют в наименованиях и определениях понятий, когда решаемые основной задачей является поиск места и определение причин отказа (неисправности).

Термин «Контроль технического состояния» применяется, когда основной задачей технического диагностирования является определение вида технического состояния.

Техническое диагностирование ОД представляет собой процесс определения его технического состояния, включающего в себя совокупность свойств ОД, подверженных изменению при производстве или эксплуатации и характеризуемых в определенный момент времени признаками (параметрами), установленными технической документацией на ОД.

Результатом диагностирования является заключение о техническом состоянии объекта с указанием при необходимости места, вида и причин дефекта. Характерными примерами результатов диагностирования являются исправность или неисправность, работоспособность или неработоспособность, правильное или неправильное функционирование отдельных элементов, каскадов или всего ОД в целом.

Тема 1.4. Виды результатов диагностирования

Исправность – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Если хотя бы одно из требований нормативно-технической документации на объект не выполняется — объект неисправен. Диагностирование при контроле исправности объекта — есть проверка исправности объекта.

Работоспособность — состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров в пределах установленных нормативно-технической документации. Понятие «работоспособность» уже, чем понятие «исправность». Работоспособный объект может быть неисправным, однако его повреждения при этом не настолько существенны, чтобы препятствовать нормальному его функционированию. Например, резервированный объект может быть работоспособным, несмотря на наличие неисправности в резервных компонентах или связях. Диагностирование при контроле работоспособности объекта — есть проверка работоспособности.

К основным заданным функциям, характеризующим работоспособность, дизелей, относятся: мощность, ресурс и расход топлива.

Судовое техническое средство может быть неисправным, но работоспособным. Например, дизель может развивать мощность и обеспечивать ресурс при плохой приемистости или повышенном уровне шума и дымности. С другой стороны, отдельные параметры, характеризующие работоспособность, могут иметь отклонения в пределах, определяющих, что судовое техническое средство неисправно, но частично работоспособно (например, дизель развивает только частичную мощность).

Правильное функционирование — состояние объекта, при котором он способен выполнять в текущий момент времени предписанные ему алгоритмы функционирования со значениями параметров, соответствующими установленным требованиям. В правильно функционирующем объекте могут быть неисправности, которые не позволят ему правильно работать в других режимах. Так, неисправность в регуляторе частоты вращения дизеля не изменит правильность функционирования дизеля на номинальном режиме, но вызовет его неисправность на частичном режиме. Диагностирование при контроле правильного функционирования объекта — есть проверка функционирования.

Примеры неправильного функционирования дизелей – необеспечение заданных динамических характеристик: приемистости, пусковых и реверсивных качеств.

Неисправность, неработоспособность и неправильное функционирование вызваны появлением каких-либо дефектов в техническом объекте. Диагностирование, целью которого является определение места и при необходимости причины и вида дефекта объекта — есть поиск дефекта.

Поиск дефекта осуществляется при помощи тех или иных средств технического диагностирования путем различного рода экспериментов над объектом диагностирования.

Некоторый минимальный (не подлежащий расчленению в данных конкретных условиях) эксперимент над объектом диагностирования, характеризующийся определенным рабочим (пассивный эксперимент) или тестовым (активный эксперимент) воздействием, поступающим или подаваемым на объект, а также составом признаков (параметров), образующих ответ объекта на соответствующее воздействие, представляет собой элементарную проверку. Конкретные значения признаков (параметров), получаемые при диагностировании, являются результатами элементарных проверок или значениями ответов объекта.

Совокупность элементарных проверок, последовательность
(или последовательности) их реализации и правила анализа полученных результатов реализуемых элементарных проверок представляют собой алгоритм диагностирования.

Таблица 1 – Характеристика ТС

Категория (класс) ТС

Вид повре- ждения

Характери-зующий параметр

Вид ТС

Номер класса

по РД

31.20.50-87

по Регистру

по ИСО 2372

по исправ-ности

по работоспо-собности

по функци-онирова-нию

I

Хорошее

Годное

Хорошее

---

Номина-льное

Исправное

Работоспо-собное

правильное

II

Удовлетво-рительное

Годное

Приемлемое

Несу- щест-венное

От ном. до предельно-допусти-мого

Исправное

Работоспо-собное

правильное

III

Неудовле- творитель-ное

Ограни-ченно годное

Допусти-мое (ограни-ченно)

Суще- ствен-ное

От предельно-допусти-мого до предельно-возможного

Неисправ-ное

Частичная утрата работоспо-собности

Ограни-ченное функции-онирова-ние

IV

Аварийное

Негодное

Недопус-тимое

Отказ

От предельно-возможного до аварийного

Неисправ-ное

Неработо-способное

Неправи-льное

Тема 1.5. Основные определения, связанные со средствами и системами технической диагностики (по ГОСТ 20911-89)

Контролепригодность (диагностируемость) – приспособленность объекта диагностирования к измерению диагностических признаков (параметров) средствами диагностирования.

Технический диагноз (результат контроля) – Результат диагностирования.

В зависимости от типа воздействий на ОД различают:

Рабочее техническое диагностирование – Диагностирование, при котором на объект подаются рабочие воздействия (в процессе обычного функционирования).

Тестовое техническое диагностирование – диагностирование, при котором на объект подаются тестовые (специальные) воздействия.

Экспресс-диагностирование – диагностирование по ограниченному числу параметров за заранее установленное время.

Приспособленность объекта к диагностированию (контролепригодность) – свойство ОД, характеризующее его пригодность к проведению диагностирования (контроля) заданными средствами диагностирования (контроля).

Алгоритм технического диагностирования (контроля технического состояния) – совокупность предписаний, определяющих последовательность действий при проведении диагностирования (контроля).

Диагностическое обеспечение – комплекс взаимоувязанных правил, методов, алгоритмов и средств, необходимых для осуществления диагностирования на всех этапах жизненного цикла объекта.

Диагностическая модель – формализованное описание ОД, необходимое для решения задач диагностирования.

Диагностический (контролируемый) параметр – параметр ОД, используемый при его диагностировании (контроле).

Тема 1.6. Системы и средства технического диагностирования

(контроля технического состояния, по ГОСТ 20911-89)

Средство технического диагностирования (контроля технического состояния) – аппаратура и программы, с помощью которых осуществляется диагностирование (контроль).

Система технического диагностирования (контроля технического состояния) – совокупность средств, объекта и исполнителей, необходимая для проведения диагностирования (контроля) по правилам, установленным в технической документации.

Автоматизированная система технического диагностирования (контроля технического состояния) – система диагностирования (контроля), обеспечивающая проведение диагностирования (контроля) с применением средств автоматизации и участием человека.

Автоматическая система технического диагностирования (контроля технического состояния) – система диагностирования (контроля), обеспечивающая проведение диагностирования (контроля) без участия человека.

Встроенное средство технического диагностирования (контроля технического состояния) – средство диагностирования (контроля), являющееся составной частью ОД.

Внешнее средство технического диагностирования (контроля технического состояния) – средство диагностирования (контроля), выполненное конструктивно отдельно от ОД.

Специализированное средство технического диагностирования (контроля технического состояния) – средство, предназначенное для диагностирования (контроля) одного ОД или группы однотипных ОД.

Универсальное средство технического диагностирования (контроля технического состояния) – средство, предназначенное для диагностирования (контроля) ОД различных типов.

Тема 1.7. Показатели и характеристики технического диагностирования (контроля технического состояния, по ГОСТ 20911-89)

Продолжительность технического диагностирования (контроля технического состояния) – интервал времени, необходимый для проведения диагностирования (контроля) ОД.

Достоверность технического диагностирования (контроля технического состояния) – степень объективного соответствия результатов диагностирования (контроля) действительному техническому достоянию объекта.

Полнота технического диагностирования (контроля технического состояния) – характеристика, определяющая возможность выявления отказов (неисправностей) в ОД при выбранном методе его диагностирования (контроля).

Глубина поиска места отказа (неисправности) – характеристика, задаваемая указанием составной части ОД с точностью, до которой определяется место отказа (неисправности).

Условная вероятность необнаруженного отказа (неисправности) при диагностировании (контроле) – вероятность того, что неисправный (неработоспособный) ОД в результате диагностирования (контроля) признается исправным (работоспособным).

Условная вероятность ложного отказа (неисправности) при диагностировании (контроле) – вероятность того, что исправный (работоспособный) ОД в результате диагностирования (контроля) признается неисправным (неработоспособным).

Условная вероятность необнаруженного отказа (неисправности) в данном элементе (группе) – вероятность того, что при наличии отказа (неисправности) в результате диагностирования принимается решение об отсутствии отказа (неисправности) в данном элементе (группе).

Условная вероятность ложного отказа (неисправности) в данном элементе (группе) – вероятность того, что при отсутствии отказа (неисправности) в результате диагностирование принимается решение о наличии отказа (неисправности) в данном, элементе (группе).

Тема 1.8. Основные задачи диагностирования ТС ОД

Диагностирование ОД как процесс определения его ТС включает решение трех задач:

  1. изучение ОД и его рабочего процесса (либо его узлов, элементов, подпроцессов и т.д.);
  2. построение алгоритмов диагностирования;
  3. разработка средств диагностирования.

Задача изучения, например, судового дизеля как ОД связана с исследованием функционирования исправного состояния дизеля, выделением основных его элементов и связей между ними, анализом возможных их ТС, определением параметров, характеризующих ТС дизеля и (или) его элементов, пределов, характера изменения и технической возможности их контроля, оценкой степени детализации возможных мест, видов, причин и частоты появления дефектов (глубины диагностирования), сбором данных о затратах, связанных с осуществлением элементарных проверок.

Для решения перечисленных задач обязательно требуются экспериментальные исследования и анализ процедур диагностирования конкретных судовых дизелей на практике. Указанный фактор является наиболее уязвимым в области диагностирования. Несмотря на то, что ответ на часть вопросов можно найти в специальной технической литературе, все равно для проверки алгоритма диагностирования требуется проведение натурного эксперимента (активного и (или) пассивного).

Стремление к теоретическому обобщению процесса диагностирования дизеля при ограниченной информации о его ТС предопределяет широкое использование формального описания, т.е. математического моделирования.

Модель физического или технического объекта, процесса или системы – это упрощенное их представление в форме отличной от формы их реального существования, сохраняющее с некоторой точностью те их свойства, характеристики и параметры, которые интересуют исследователя.

Математическая модель – модель ОД, использующая для моделирования математический аппарат, в том числе и логический.

Наиболее распространенные способы математического описания, используемые при разработке и исследовании дизелей (дифференциальные и разностные уравнения, структурные схемы), оказываются недостаточными для диагностирования, поскольку в явной форме не отражают процесс появления дефектов и их влияния на ТС дизелей. Необходимы такие математические модели, которые наилучшим образом учитывали бы все стороны явлений, характерных для рабочего процесса дизеля. При этом в первую очередь требуются модели диагностирования отдельных элементов дизеля,
без которых глубина диагностирования будет явно недостаточной – процесса впуска воздушного заряда, процесса его сжатия, процесса впрыска топлива и его горения, процессов выпуска отработавших газов и продувки, рабочего процесса плунжерной пары, движения топлива по трубопроводу высокого давления, форсунки, динамики движения вращающихся и поступательно движущихся масс дизеля (коленвал, шатун, поршень, палец), рабочего процесса агрегатов наддува
и т.д.

Такую задачу обеспечивают в достаточно полном объеме имитационные модели, которые не только обеспечивают точность повторения реакции ОД на входные воздействия, но и практически полностью (с учетом заданной точности) повторяют его внутреннюю структуру.

Представление математической модели дизеля и его отдельных элементов диагностирования в сочетании с его экспериментальными исследованиями является наиболее ответственным этапом в процессе диагностирования дизеля.

Задача построения алгоритмов диагностирования ОД связана с разработкой методов определения и оптимизации алгоритмов поиска в них дефектов с учетом показателей надежности его элементов, временных, материальных и других затрат на реализацию алгоритмов.

Проблемы, возникающие при математическом описании ОД и разработке на его основе алгоритмов диагностирования, тесно взаимосвязаны, поскольку модель должна обеспечивать достаточно простое получение необходимой информации о эталонном (идеальном) рабочем процессе дизеля и его элементов.

Многообразие функций, которые должны выполнять устройства диагностирования (измерение контрольных сигналов, анализ их допустимых уровней, вынесение решений о техническом состоянии объекта, выдача информации о результатах диагностирования и т.п.), в совокупности с широким классом совместно работающих ОД технической системы создают большие трудности при разработке и технической реализации средств диагностирования. Указанная проблема усугубляется и тем, что конструктивные решения, принятые для систем управления техническими системами, как правило, мало учитывают потребности их диагностирования, часто затрудняя доступ к наиболее информативным сигналам управления.

В этих условиях остро стоит вопрос о степени унификации, аппаратном или программном способе реализации средств диагностирования, а также путях их сочленения с ОД.

РАЗДЕЛ 2. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И СРЕДСТВ ТЕХНИЧЕСКОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ

Тема 2.1. Классификация систем технического диагностирования

Системы технического диагностирования (СиТД) могут быть различны по своему составу, назначению, структуре, конструкции, схемотехническим решениям, месту установки. Они, как правило, классифицируются по ряду признаков, определяющих их назначение, задачи, структуру, состав технических средств: по степени охвата ОД; по принципу взаимодействия между ОД и СТД; по используемым средствам технического диагностирования и контроля; по степени автоматизации ОД.

По степени охвата СиТД разделяются на локальные и общие. Под локальными понимают СиТД, решающие одну или несколько задач диагностирования – определения ТС, дефекта или прогнозирования. Общими называют СиТД, решающие все задачи диагностирования.

По принципу взаимодействия ОД и СТД СиТД подразделяют на системы с функциональным диагнозом и системы с тестовым диагнозом. В первых решение задач диагностики осуществляется в процессе функционирования ОД, во вторых решение задач диагностики осуществляется в специальном режиме работы ОД путем подачи на него тестовых сигналов.

По используемым СТД СиТД можно разделить: на системы с универсальными СТД (например универсальные информационно-измерительные комплексы в комбинации со специальным ПО); системы со специализированными средствами (стенды, имитаторы, специализированные СТД); системы с внешними средствами, в которых СТД и ОД конструктивно отделены друг от друга; системы со встроенными средствами, в которых ОД и СТД конструктивно представляют одно изделие.

По степени автоматизации СТД делятся на: автоматические, в которых процесс получения информации о техническом состоянии ОД осуществляется без участия человека; автоматизированные, в которых получение и обработка информации осуществляется с частичным участием человека; неавтоматизированные (ручные), в которых получение и обработка информации осуществляется человеком-оператором.

Аналогичным образом могут классифицироваться также СТД: автоматические, автоматизированные, ручные.

СиТД применительно к ОД прежде должны: предупреждать постепенные отказы; выявлять неявные отказы; осуществлять поиск неисправных узлов, блоков, сборочных единиц и локализовать место отказа.

В системе управления качеством диагностико-прогнозирующие процессы подразделяют на три основные временные составляющие:

  1. прогноз – процесс определения ТС ОД в будущем на конечном временном интервале с заданной достоверностью;
  2. диагноз – процесс определения технического состояния объекта в данный момент;
  3. генезис – процесс определения ТС ОД с определенной точностью на заданном в прошлом временном интервале;

Согласно приведенной выше классификации, техническая диагностика может быть соответственно представлена: как непосредственно техническая диагностика; техническая прогностика; техническая генетика (прогнозирование назад или ретропрогноз).

Такое деление имеет место тогда, когда процесс прогнозирования осуществляется как бы раздельно. Но на практике все три процесса представляют собой неразрывное единство, ибо они выражаются в динамике изменения состояния функционирующей системы или объекта.

Тема 2.2. Последовательность этапов развития систем технического диагностирования

Практическая потребность в решении задач ТД возникла одновременно с появлением объектов, дефекты в которых нужно было находить и устранять. Эти функции стихийно были возложены на оператора (О). Промышленные изделия на заре развития техники отличались несложной конструкцией и выполняли относительно простые функции. Поэтому О мог без особых усилий решать задачу поиска и устранения дефектов. Взаимодействие О и ОД можно рассмотреть с позиции системного подхода и считать их элементами системы диагностирования (СД).

Первую ступень исторического развития СД можно иллюстрировать информационной схемой, приведенной на рис.2, а.

Согласно этой схеме, процесс поиска и устранения дефектов является кибернетическим процессом (кибернетика – наука, определяющая связь живого и искусственного (машины) при осуществлении процесса управления). При этом, имеется некоторая неопределенность относительно текущего технического состояния ОД. В этой ситуации О должен принять решение о состоянии ОД, для чего ему необходимо организовать процесс получения диагностической информации. Приняв решение, О организует воздействие на ОД по устранению дефекта. Таким образом, имеют место все остальные части процесса управления: цель – найти и устранить дефект: получение и обработка информации; принятие решения; управляющие воздействия; устранение дефекта, если принято решение о его наличии.

Согласно рассмотренной схеме, объектом управления является ОД, а все управляющие функции сосредоточены у О. Оператор реализует принятие решения о ТС ОД в виде диагноза (Д).

Рисунок 2 – Этапы развития систем диагностирования

Вторая ступень в развитии СД связана с разделением функций О по принятию решения о техническом состоянии (ТС) (О1) и по реализации управляющего воздействия (О2). Схема такой СД приведена на рис.2, б, при этом один узкий специалист – О1 выявлял диагнозы, а другой узкий специалист устранял выявленные дефекты – О2.

Третья ступень появилась с усложнением ОД, при котором органолептические методы поиска дефектов (с использованием человеческих органов чувств) стали плохо работать. Ограниченность возможностей органов чувств О считается одним из существенных факторов, обусловивших появление и развитие специфической отрасли приборостроения, занимающейся разработкой СТД. На начальном этапе развития на СТД возлагалась одна функция — усиление и расширение возможностей органов чувств О1. Один из возможных вариантов СД с третьим ее элементом приведен на рис.2, в. Часть информации получают и обрабатывают СТД, а другую часть – О1.

В дальнейшем развитии СД (Четвертая ступень) происходит постепенное перераспределение нагрузки по получении обработке информации в сторону СТД. Этот факт и дальнейшее усложнение ОД привели к усложнению задачи о получении диагноза (принятии решения). О1 не стал обеспечивать требуемого уровня эффективности. В результате решения этой проблемы были разработаны СТД нового поколения, которым были переданы функции по принятию решения, т.е. функции О1, рис.2, г.

Дальнейший процесс в развитии некоторых отраслей техники (Пятая ступень – настоящее время) поставил задачу оперативного (непосредственного) управления техническими средствами сложных ОД путем своевременного переключения на резерв, или перехода на новые рабочие режимы. Эта задача возлагается на автоматические СТД, структура которых не включает О2 (рис.2 ,д).

Автоматизированные и автоматические СТД предполагают широкое использование вычислительной техники, которая входит в них составным элементом. Это, в свою очередь, выдвигает проблему формализации процессов получения и обработки информации, принятия решения, реализации управляющего воздействия. Такая комплексная проблема известна как проблема разработки диагностического обеспечения. Наиболее трудной задачей этой проблемы считается задача построения диагностической модели (ДМ), которая предназначена для формального отражения процесса изменения ТС ОД. В неявной форме такая ДМ присутствует на всех вышеперечисленных этапах развития СД (рис.2). Особенностью первых трех этапов является то, что ДМ неявно присутствует в сознании О1 и ее качество определяется квалификацией О1. Следующие два этапа требуют разработки явных формальных ДМ.

Тема 2.3. Структура типовой СиТД

На рис.3 представлена развернутая структура типовой СиТД.

Рисунок 3 – Структура типовой СиТД:

1 – датчики сигналов; 2 – линии связи с усилительными устройствами; 3 – коммутаторы; 4 – преобразователи; 5 – измерительный прибор; 6 – индикатор; 7 – дискриминатор; (устройство сравнения), 8 – поле допусков, вычисленные коэффициенты модели ОД;
9 – индикатор вида ТС (документирующее или запоминающее устройство);
10 – управляющее устройство, 11 – стимулирующее (воздействующее на ОД) устройство; 12 – прогнозирующее устройство.

Первичной подсистемой СТД является измерительное устройство, обеспечивающее заданную точность диагностирования. Так как измерительное устройство, как правило, не может прямо измерять все виды параметров сигналов технической системы или ОД, составными элементами СТД являются такие устройства как коммутаторы и преобразователи.

На выходе измерительного устройства формируется информация позволяющая определить техническое состояние объекта. Эта информация путем различных способов отображения может быть представлена оператору или может быть автоматически обработана для дальнейшего использования.

Важным элементом такой обработки является сравнение представленной информации с полем допусков для вынесения решения о виде ТС ОД.

После принятия решения о ТС ОД осуществляются еще две операции: операция управления качеством изделия и операция стимулирования – изменения структуры ОД.

Прогнозирующее устройство способно определять состояние объекта в будущем посредством обработки информации о текущем и прошлом состояниях системы.

В результате работы функциональных подсистем СиТД, за каждой из которых стоит конкретная схемотехническая реализация, и воздействия на тракт помех и шумов, решения о виде ТС всегда выносятся с определенной ошибкой. Из опыта известно, что ошибки диагностирования могут быть допущены в основном из-за неисправности средства диагностирования и больших погрешностях измерений в процессе диагностирования. Этого можно попытаться избежать применением средств контроля и самодиагностики самих СТД.

Исходя из этого, правильное диагностирование ТС ОД будет определяться совокупным состоянием ОД и СТД, характеристиками измерительных устройств и устройства сравнения, а также правильности применяемых методов диагностирования.

Поэтому количественные характеристики показателей диагностирования должны быть представлены вероятностями состояний ОД и СТД, и вероятностями принятия решений о их ТС.

На количественное значение этих вероятностей в той или иной степени оказывают влияние все элементы структурной схемы технического диагностирования. На погрешность точности измерения параметров сигналов в большей степени влияют:

  1. выбор допусков на диапазон изменения диагностируемых параметров;
  2. погрешности преобразования и измерительных приборов;
  3. аддитивные (ступенчатые одиночные) и мультипликативные (повторяющиеся – шум) помехи, возникающие в самом ОД;
  4. шумы в каналах связи и в цепях коммутации;
  5. погрешности сравнения;
  6. ошибки при принятии решения о ТС;
  7. быстродействие системы;
  8. ошибки, возникающие в наборе управляющих и стимулирующих сигналов.

Тема 2.4. Классификация технических средств диагностирования

Техническое диагностирование, как правило, осуществляется путем измерения и контроля количественных значений параметров энергосистемы и, возможно, качественных значений диагностических признаков, анализа и обработки результатов их измерения и контроля, а также путем управления объектами в соответствии с алгоритмом диагностирования.

Диагностический признак – параметр ОД, используемый в установленном порядке (алгоритмом диагностирования) для определения технического состояния ОД.

Большое разнообразие ОД и задач ТД привело к тому, что в настоящее время используются СТД самых различных принципов построения и назначения. Все эти средства отличаются способами технической реализации, конструктивным исполнением и расположением относительно объекта диагностирования, степенью автоматизации и универсальности, принципами воздействия на объект диагностирования, формой обработки и представления информации о состоянии объекта, режимами работы и рядом других признаков. Основные из них указаны на рисунке 4.

Рисунок 4 – Классификация СТД

К аппаратурным СТД относят различные устройства: приборы, пульты, стенды, специальные вычислительные машины.

Аппаратурные средства, составляющие с объектом диагностирования конструктивно и, возможно, функционально единое целое, являются встроенными аппаратурными средствами диагностирования.

Примерами подобных средств могут быть измерительные приборы (частоты вращения, давления, температуры и т.п.), устройства индикации технического состояния элементов (реле, светоизлучающие диоды, неоновые лампы и т.п.), устройства контроля изоляции и другие, выстроенные в схемы управления дизелями, судовыми электрораспределительными щитами и т.д., часто с целью воздействия результатов диагностирования на работу схем управления.

Если в схемах управления дизелями не предусмотрены встроенные средства диагностирования либо их оказывается недостаточно для диагностирования с требуемой глубиной, то применяют внешние аппаратурные средства диагностирования, выполненные отдельно от конструкции объекта и подключаемые к нему лишь в процессе диагностирования.

Простейшими примерами внешних аппаратурных средств могут быть приборы, присоединяемые к индикаторному крану, моментоскопы, приборы для измерения компрессии и т.п.

Аппаратурные средства диагностирования могут быть специализированными, если они предназначены только для однотипных объектов, или универсальными, если предназначены для объектов различного конструктивного выполнения и функционального назначения.

Программные СТД представляют собой программы, записанные на носителе и применяемые в составе специальных измерительных комплексов, выполненных, как правило, на базе переносных персональных компьютеров.

По степени автоматизации СТД могут быть ручными, автоматизированными и автоматическими.

Применение ручных средств, например, тестеров аналоговых или логических сигналов, требует участия человека-оператора как в подключении СТД к ОД, так и в принятии решений о его ТС. Использование ручных средств дает низкую производительность и недостаточную объективность диагностирования. Как правило, ручные средства выполняются специализированными.

Автоматизированные средства, требуют частичного участия оператора для их подключения к ОД и выбора режимов диагностирования. Основная же процедура диагностирования, включая выдачу информации о ТС ОД, осуществляется автоматически.

Автоматические средства (микропроцессорные комплекты, микро- и мини-ЭВМ) решают задачи диагностирования без вмешательства человека.

Автоматизированные и автоматические средства могут быть как специализированными, так и универсальными Они обладают высоким быстродействием и достоверностью диагностирования.

В зависимости от форм обработки и представления информации СТД могут быть разделены на аналоговые, цифровые, цифро-аналоговые.

По степени воздействия на ОД СТД могут быть активными и пассивными. Активные воздействуют на ОД, посылая в него сигнал, вызывающий реакцию, которая затем и анализируется. Возмущающие сигналы могут быть импульсными, ступенчатыми, гармоническими и др. Пассивные средства выполняют лишь измерения, обработку и оценку сигналов, характеризующих ТС ОД в процессе его эксплуатации, чаще всего на номинальном режиме.

Из всего многообразия средств диагностирования в промышленных ОД наибольшее применение в настоящее время находят аппаратурные средства для определения работоспособности и неисправности отдельных элементов или локальных систем управления ОД. Программные и программно-аппаратурные средства диагностирования получают широкое внедрение по мере распространения микропроцессорных систем управления.

РАЗДЕЛ 3. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ОБОРУДОВАНИЯ СЭУ

Тема 3.1. Распределение отказов на судне

При построении судовых систем диагностирования необходимо учитывать следующее:

  1. Большое разнообразие судового оборудования по используемым физическим принципам (механические, электромеханические, гидравлические, электронные, радиотехнические и др.) затрудняет получение универсальных решений (методов и ТСД).
  2. Большое разнообразие конструкций судового оборудования требует построения программы диагностирования с учетом конструкций приборов и устройств. Это усложняет получение универсальных решений и усложняет алгоритмы диагностирования.
  3. Наличие на судах как дискретных, так и непрерывных объектов определяет различные подходы при решении задач диагностирования. В оборудовании, построенном по дискретному принципу, информация обрабатывается в соответствии с правилами арифметики или формальной логики, что требует использования подобных же принципов при построении алгоритмов диагностирования. Оборудование непрерывного принципа действия преобразует физические величины в соответствии с заложенными отношениями (непрерывными), поэтому диагностирование подобного оборудования должно предусматривать имитацию в той или иной степени этих отношений.
  4. Различия в структуре судового оборудования. Так на судах имеются как одноканальные, так и многоканальные объекты. К многоканальным относят объекты с функциональным резервированием, избыточного выполнения функций или несколькими независимыми трактами. Возникновение дефектов в многоканальных объектах приводит только к снижению надежности функционирования таких объектов (кроме дефектов в последнем работоспособном резервном контуре).
  5. Различный уровень надежности судового оборудования затрудняет организацию процесса диагностирования. Трудность сбора статистических данных о надежности судового оборудования, объясняемая ограниченным числом объектов и высокой стоимостью испытаний на надежность, также усложняет принятие решений при определении состояния оборудования на судах.
  6. Различные режимы использования оборудования на судах. Судовое оборудование можно использовать в длительном режиме: элементы энергетической и электроэнергетической систем, движительная система, насосы постоянной производительности и др.) и кратковременном режиме: агрегаты выдвижения рулей успокоителей качки, управление ВРШ и др. Диагностирование оборудования с длительным режимом использования связано со сложностями исключения влияния на параметры его функционирования режимных факторов. Диагностировать кратковременно используемое оборудование можно в то время, когда оно простаивает (не выполняет свои рабочие функции) или непосредственно перед использованием. Диагностирование оборудования повторно-кратковременного использования необходимо согласовать с режимом его использования.
  7. Высокая степень автоматизации производственных процессов на судах: А1, А2, А3. Необходимо одновременное автоматизированное диагностирование судовых объектов и диагностирование средств автоматики.
  8. Ограниченные возможности восстановления судового оборудования из-за недостаточного количества и, зачастую, невысокой квалификации обслуживающего персонала и ограниченного объема запасных деталей. Поэтому при плавании судна в программу диагностирования включают только задачу определения работоспособности. Задачу поиска возникшего дефекта включают в программу диагностирования при нахождении судна на базе (при ремонте). В ряде случаев перед выходом судна в море целесообразно решить задачу прогнозирования, что позволит принять обоснованное решение об использовании оборудования при плавании судна.
  9. Большое разнообразие условий диагностирования оборудования во многом определяет место расположения средств технического диагностирования (не всегда идеальное).

Можно выделить следующие группы оборудования: энергетическое (дизеля, ГТЗА, АЭУ, гребная электрическая установка, котлы); электрооборудование (генераторы, электродвигатели, распределительные щиты, преобразователи, аккумуляторы); навигационное (гирокомпас, эхолот, авторулевой, автопрокладчик, курсограф, измеритель ветра, качки, эхоледомер, пеленгаторы); радиооборудование (радиолокационные средства, телевидение, радиосредства связи и др.); средства автоматизации, палубные механизмы (швартовные и буксировочные лебедки, якорные и швартовные шпили, грузовые лебедки, стрелы, краны), внутритрюмные механизмы (грузовые устройства, элеваторы); рефрижераторное (холодильные системы, кондиционеры) и др.

Расходы на контроль и ремонт энергетической установки и электрооборудования судна составляют около 80 % общих затрат на контроль и ремонт судна. О распределении отказов в судовых машинах и механизмах свидетельствуют результаты многочисленных анализов, которые, однако, весьма противоречивы. Имеющиеся данные указывают, что на ГД приходится 30-50 % всех дефектов. Из них - 84,9% от всех отказов, составляют отказы главного двигателя. Для более точной оценки важности (а не частоты) отказов энергетической установки можно рассмотреть такой показатель, как время простоя в результате появления отказа (табл. 2).

Таблица 2 - Распределение отказов подсистем главных двигателей KZ70/120,
установленных на судах разных типов

Наименование

Средняя продолжительность простоя, мин

Время простоя, %

Блок цилиндров, поршневая группа

211

33,5

Насос подачи топлива

65,1

14,7

Форсунка

33,6

23,5

Турбокомпрессор

97,2

13,2

Отчетливо проявляется максимальная концентрация отказов в подсистемах ЦПГ – топливо – наддув. Причины отказов судовых ДВС (крейцкопфных): износ 44,7%, поломка 11%, загрязнение 8,5 %, эрозия, кавитация, коррозия 6,6 %, негерметичность 5,7 %, старение материала 3,7 %, заклинивание 3,7 %.

Износ, поломка и загрязнение вызывают > 60 % всех отказов.

Тема 3.2. Структура СЭУ, подсистемы СЭУ

Рисунок 5 - Пример части структуры главного двигателя

Рисунок 6 – Структура систем главного двигателя СЭУ

Главной подсистемой является цилиндропоршневая группа, в которой вырабатывается энергия для осуществления основных функций двигателя.

Тема 3.3. Основные неисправности и их признаки в подсистемах СЭУ

Тема 3.3.1. Топливная система и система «ЦПГ»

Нормальная работа дизеля характеризуется определенным изменением давления и температуры. График процесса изменения давления в цилиндре в зависимости от угла поворота коленчатого вала (развернутая индикаторная диаграмма) содержит информацию о работе ЦПГ. График процесса изменения давления (в зависимости от того же параметра) в системе впрыскивания дает информацию о работе топливной аппаратуры (топливной системы).

Часто, в практике диагностирования, эти графики объединяют и дополняют графиком хода иглы форсунки (если его можно получить).

По виду этих объединенных графиков можно судить о состоянии ЦПГ и топливной системы дизеля (т.е. об основных системах дизеля).

Для рабочего процесса важны следующие моменты: давление впрыскивания; ход иглы форсунки; давление в цилиндре; НФ – начало работы форсунки; НВ – начало впрыскивания; КВ – конец впрыскивания;
НГ – начало горения; в – угол впрыска; нв – угол опережения впрыска;
з – угол задержки воспламенения.

Распределение температур в поршне, цилиндре, по крышке цилиндра, при стационарном режиме работы, является характерным для каждого двигателя. Поэтому также может рассматриваться в качестве диагностического параметра.

Рисунок 7 – Объединенные индикаторная и топливная диаграммы:

1 – давление в цилиндре; 2 ход иглы форсунки; 3 – давление впрыска.

Типичные неисправности и их определение.

Для ЦПГ и подсистемы «топливо» типичные неисправности следующие:

  1. Износ поршневого кольца, поломка кольца, заклинивание кольца, разбивание паза кольца, трещины в поршне.
  2. Для втулки цилиндра – трещины или негерметичность уплотнения, засорение смазочных пазов или отверстий, загрязнение продувочных окон, износ пары «поршень – цилиндр», кавитация.
  3. Для головки цилиндра – трещины, слишком большой люфт клапана, расстройка клапанного механизма.
  4. Для форсунки – коксование сопел, изменение давления срабатывания (пружина), эрозия сопла, ухудшения качества смеси.

Неисправности поршневого кольца.

Дефекты поршневого кольца ухудшают герметичность камеры сгорания, что приводит к снижению мощности, увеличению удельного эффективного расхода топлива be, г/(кВтч).

Зависимость bе от поломки первого поршневого кольца дана на рисунке 8.

Несвоевременное определение дефектов поршневого кольца может вызвать и другие неисправности, от повреждения втулки цилиндра до образования задиров на поршне.

Рисунок 8 - Зависимость be от поломки первого поршневого кольца.

Изменения давления в цилиндре.

Ухудшение герметичности камеры сгорания является существенным фактором, определяющим изменение давления в цилиндре, так как вызывает снижение давления сжатия и, следовательно, температуры в конце сжатия. Это приводит к ухудшению распыла топлива и падению давления вспышки. Сгорание задерживается, температура выхлопных газов повышается. Зависимость давления в цилиндре от износа первого поршневого кольца приведена на рисунке 9.

Изменения температуры втулки цилиндра.

Из-за выработки поршневого кольца возрастает утечка продуктов сгорания. Из-за разрушения масляной пленки происходит увеличение трения между поршневым кольцом и втулкой цилиндра. Поршневое кольцо даже при нормальной работе имеет температуру на 8-10 К выше, чем окружающие детали.

Рисунок 9 - Зависимость давления в цилиндре от износа первого поршневого кольца.

Вследствие роста трения температура поршневого кольца может увеличиваться на сотни градусов, поэтому специальным температурным зондом можно фиксировать температуру кольца и его перемещения. Зависимость температуры поверхности стенок втулки цилиндра от дефекта поршневого кольца дана на рисунке 10.

Из-за увеличения тепловой нагрузки на втулку цилиндра возникают искажения поля температур, которые особенно существенны на уровне ВМТ первого поршневого кольца.

Изменения температуры втулки примерно в 1 мм под её поверхностью на уровне первого кольца в положении ВМТ или между первым и вторым кольцами позволяют обнаружить эти повреждения. Для исключения погрешностей вызванных ударами кольца о стенки, разными зазорами между кольцом, поршнем, втулкой устанавливают как минимум два зонда в одной плоскости по возможности друг против друга. Зависимость температуры стенок и головки цилиндра Тв, Тг от поломки первого поршневого кольца приведена на рисунке 11.

Измерение давления. Измеряя давление между поршневыми кольцами, можно построить график изменения давления, которое достигает наибольшего значения над первым кольцом, а ниже последнего кольца давление становится равным давлению в картере. Характер изменения давления зависит от cостояния колец и может использоваться для целей диагностики. Устройство для измерения давления в точке под вторым поршневым кольцом показано на рисунке 12. На рисунке 13 приведены графики изменения давления под первым кольцом.

Рисунок 10 - Зависимость температуры поверхности стенок втулки цилиндра от дефекта поршневого кольца

Рисунок 11 - Зависимость температуры стенок цилиндра Тв, и головки цилиндра Тг

от поломки первого поршневого кольца:

- исправное кольцо, --- неисправное кольцо

Измерение утечки. Повреждения поршневых колец приводят к росту утечек газов из полости цилиндра. Непосредственное измерение утечки можно осуществить на неработающем двигателе.

Для этого в камеру сгорания подают под давлением снаружи любой достаточно пластичный материал (воздух, масло и т.п.).

Рисунок 12 – Устройство для измерения давления в точке
под вторым поршневым кольцом (ВМТ):

1– поршень; 2 – втулка; 3 – датчик давления; 4 – кольцо

Рисунок 13 – Характер изменения давления при поломке первого поршневого кольца:

1 – давление в камере сгорания; 2 – неисправное кольцо; 3 – исправное кольцо

Определить герметичность камеры можно по скорости падения давления или путём определения количества проникающего внутрь газа, помеченного химическим или радиоактивным способом (при этом одновременно производится измерение концентрации газа в картере двигателя).

Виброакустические методы измерений. Сломанное или изношенное поршневое кольцо изменяет спектр звука, излучаемого корпусом.

Виброакустические измерения дают пригодную для диагностики зависимость спектра вибраций (корпуса дизеля или воздуха вокруг корпуса дизеля) от состояния кольца. Место измерения на блоке цилиндров уровень ВМТ. Выбор других точек измерения (вблизи выпускного клапана, на нижней кромке втулки цилиндра) для рассматриваемой неисправности мало-информативен.

Неисправности форсунки.

Зависимость удельного расхода топлива от состояния распылителя форсунки (сопел) приведена на рисунке 15, рассмотрены наиболее часто встречающиеся неисправности: закоксовывание и износ.

Изменения температуры головки цилиндра.

Нарушение нормальной работы двигателя, особенно процесса горения, оказывает большое влияние на распределение температур в деталях, окружающих камеру сгорания. Измерение температуры поверхности поршня затруднено сложностью связи между датчиком на движущемся поршне и измерительным прибором. Удобнее измерять температуру головки цилиндра.

Рисунок 14 – Зависимость спектра частот вибрации от неисправности первого

поршневого кольца: 1 нормальное состояние; 2 неисправное кольцо

Эрозия и коксование сопел распылителя форсунки заметно влияют на температуру головки цилиндра. Зависимость температуры головки цилиндра от неисправностей показана на рисунке 16.

Рисунок 15 – Зависимость удельного расхода топлива от состояния сопла.

Изменение плотности выхлопных газов.

Неполное сгорание топлива приводит к повышению плотности выхлопных газов. Сильное влияние оказывает коксование сопла. Зависимость плотности выхлопных газов от неисправностей приведена на рисунке 17.

Рисунок 16 – Зависимость температуры головки цилиндра от неисправностей:

1 эрозия сопла, 2 нормальное состояние, 3 сопло закрывается неплотно,

4 коксование сопла

Рисунок 17 – Зависимость плотности выхлопных газов от неисправностей:

1 нормальная работа; 2 область неисправностей: сопло закрывается неплотно, увеличен ход впускного клапана, снизилось давление открывания сопла;

3 – сопло закоксовалось

При измерении плотности выхлопных газов для диагностирования нужно обращать внимание на имеющуюся зависимость плотности газов от мощности двигателя, так как при частичной нагрузке не происходит оптимального сгорания топлива. Анализировать необходимо отдельно каждый цилиндр.

Начало и угол впрыскивания.

Часто в качестве диагностического параметра используется давление впрыскивания. Датчик давления подсоединяется либо к топливному трубопроводу, либо к клапану подачи топлива. Иногда давление определяют по деформации топливного трубопровода. Почти все неисправности в системе подачи топлива влияют на начало впрыска нв и на угол впрыскивания в, т.е. на продолжительность впрыска (табл. 3. и рис. 18).

Таблица 3 - Степень влияния неисправностей на нв и в

Деталь

Неисправность

Влияние

нв

в

Кулачок

Износ

Слабое

Слабое

Установка с упреждением

Сильное

Отсутствует

Установка с запаздыванием

Слабое

Отсутствует

Напорный клапан насоса

Неплотность седла

Слабое

Слабое

Плунжер-вкладыш

Люфт, неплотность

Слабое

Слабое

Игольчатый клапан

Постоянно открыт

Очень сильное

Очень сильное

Пружина клапана

Поломка

Очень сильное

Очень сильное

Ослабление

Сильное

Сильное

Пережатие

Слабое

Слабое

Полость под давле-нием

Негерметичность

Слабое

Слабое

Напорный трубо-провод

Негерметичность

Слабое

Слабое

Рисунок 18 – Зависимость угла начала впрыскивания от различных неисправностей:

1 давление открывания сопла понизилось; 2 направляющая иглы форсунки

разбита; 3 нормальная работа сопла; 4 давление открывания сопла повысилось

Виброакустические методы измерений.

Неисправности, которые, влияя на процесс горения, изменяют вибрацию двигателя, можно выявить виброакустическими методами измерений. При этом необходимо учитывать зависимость сигнала от частоты вращения. На рисунке 19 показано влияние состояния кольца на вид характеристики вибросигнала.

Рисунок 19 – Влияние состояния кольца на вид характеристики вибросигнала:

а) нормальная работа; б) неисправное кольцо (сигнал смещается к ВМТ)

Степень влияния различных неисправностей на интенсивность шума в камере сгорания приведена в таблице 4.

Таблица 4 - Степень влияния различных неисправностей на интенсивность

шума в камере сгорания

Состояния системы подачи топлива

Начало шума в градусах до ВМТ

Конец шума в градусах п. КВ после ВМТ

Нормальная работа

12

3,5

Коксование сопла

17

6

Давление открывания сопла понизилось

13

2,2

Ход впускного клапана увеличился

13

3,5

Значительное влияние на характеристики процесса сгорания оказывает цетановое число топлива. На рисунке 20 приведена эта характеристика.

Рисунок 20 – Зависимость изменения давления в цилиндре от цетанового числа воспламеняемости топлива

Тема 3.3.2. Система наддува

Уменьшения количества поступающего воздуха, давления наддува и повышение температуры воздуха отрицательно влияют на be и Ne и вызывают повышение температуры головки цилиндра, что показано на рисунке 21.

Рисунок 21 – Зависимость температуры Tг головки цилиндра от температуры

вдуваемого воздуха

Система охлаждения компрессора и турбины.

Изменения в системе охлаждения воздействует главным образом на температуру деталей двигателя. Проводимые в целях диагностики измерения температуры головки и стенок цилиндра могут быть использованы лишь при соблюдении заданных параметров системы охлаждения. Особенно это касается температуры охлаждающей воды и возможного ухудшения коэффициента теплопроводности из-за появления отложений на стенках цилиндра.

Система наддува.

Увеличение среднего эффективного давления достигают за счет повышения наддува. При этом термическая нагрузка на двигатель, прежде всего на ЦПГ, возрастает с увеличением давления наддува, как показано на рисунке 22.

Система наддува имеет наибольшее количество отказов, оказывает значительное влияние на be, стоимость ремонта и обслуживания, готовность двигателя к работе. Эти факты определяют важность диагностики данной системы.

Типичные неисправности.

Для турбины: механическое повреждение лопаток посторонними предметами, например обломками поршневых колец; вибрация лопаток; загрязнение, особенно при использовании тяжелых топлив; коррозия корпуса турбины на интенсивно охлаждаемых поверхностях из-за перехода точки росы при работе на тяжелом топливе, загрязнение корпуса.

Рисунок 22 – Увеличение среднего эффективного давления МОД за счет наддува:

1 наддув отсутствует, 2 одноступенчатый наддув, 3 двухступенчатый

наддув

Для подшипников качения: износ и усталость материала.

Для системы «компрессор– входной фильтр»: загрязнение продуктами сгорания и другими посторонними включениями, приносимыми воздухом.

Для воздухоохладителя: загрязнение продуктами сгорания и другими посторонними включениями, приносимыми воздухом и водой, коррозия и утечки воздуха.

В общем числе отказов турбокомпрессора первое место занимают отказы подшипников.

Рисунок 23 – Схема неисправностей подшипников качения

Повреждения подшипников могут определяться с помощью измерения параметров, характеризующих вибрацию деталей и узлов. Изнашивание вызывает сильное изменение траектории смещений центра вала и появление ударных импульсов вследствие нарушений процесса движения роликов по кольцу
(рис. 24).

На рисунке 25 показана зависимость спектра вибраций от неисправности “питтинг” на дорожке внешнего кольца. Траекторию центра тяжести вала (линию) определить в условиях судна затруднительно. Вибрацию подшипника замерить проще.

Рисунок 24 – Траектории центра масс вала:
а) новый подшипник, радиальное биение 23 мкм; б) внутреннее кольцо с питтинговым участком длиной 10 мкм; в) – общее поражение питтингом элементов подшипника

Рисунок 25 – Зависимость спектра вибраций от неисправности “питтинг”

на дорожке внешнего кольца:
1 - питтинговый участок длиной 10 мкм; 2 – общее поражение питтингом элементов подшипника

Но в реальных условиях судна спектры будут подвержены влиянию других многочисленных источников вибрации. Указанное на рисунке повреждение (линия на дорожке внешнего кольца) можно оценить количественно.

Частота последовательности импульсов при перекатывании роликов через лунку:

Fb = z n / (1 + rв / rвн),

где Z – число роликов (шариков); n – частота вращения внутреннего кольца;
rв – радиус дорожки внешнего кольца; rвн – радиус дорожки внутреннего кольца.

Характеристики радиально упорного шарикоподшипника 6206 по стандарту TGL2981(ГДР) приведены в таблице 5.

Таблица 6 – Характеристики радиально - упорного шарикоподшипника 6206
по стандарту TGL2981(ГДР)

Частота вращения, мин-1

Частота, Гц

Погрешность

расчет

эксперимент

1000

52,2

50

4,1

2000

104,4

106

4,2

3000

156,6

143

8,6

Применение виброакустических методов измерения позволяет определить наряду с повреждениями подшипников следующие неисправности турбокомпрессоров: дисбаланс статический и динамический роторов, повреждения лопаток (трещины, износ), наличие внутри турбокомпрессора инородных тел.

Определение состояния двигателя с помощью бесконтактных акустических измерений ненадежно вследствие высокого уровня помех. Следует учитывать и такие причины появления шума, как уровень посадки подшипника, вид смазки, монтажа.

Лучшие результаты при диагностировании получаются с помощью ультразвука. Диапазон частот > 20 кГц, это значительно выше, чем диапазон возмущающих сил. Из-за высокого коэффициента демпфирования колебаний на таких частотах, помехи, вызванные воздействием окружающих условий на ультразвук, практически не влияют.

Радиоактивные методы измерений.

Можно этим способом определить состояние подшипников. После активизации исследуемых деталей, которые подвержены износу, в смазочном масле выявляются и оцениваются количественно продукты изнашивания деталей. В судовых условиях применение этого способа характеризуется достаточно большими затратами.

Эндоскопия.

Позволяет осуществить наблюдение и распознавание неисправностей турбокомпрессора: повреждения лопаток, коррозию корпуса, поломку подшипников (сепараторов, колец уплотнения). Проникновение в корпус производится через специальные (перекрываемые лючками, крышками и т.п.) отверстия.

Термодинамический метод.

Оценивать состояние можно с помощью измерения тепловых параметров: температуры, давления. Степень засорения воздушного фильтра можно ценить по перепаду давления:

ф = f (S, Ра, Та, Mв),

где S проходное сечение фильтра; Ра, Та давление и температура окружающего воздуха; Mв – массовый расход воздуха.

Состояние компрессора характеризуется такими параметрами как: степень повышения давления к, КПД компрессора к, массовый расход воздуха Mв, частотой вращения компрессора nк.

Для оценки работоспособности компрессора необходимо определить следующие параметры: Ра, Та, Тнк, Mв, nк, Рн.к, где Тнк = Твых.к – температура на выходе из компрессора, равная температуре на входе в воздухоохладитель;
Рн.к давление воздуха на выходе их компрессора.

Состояние воздухоохладителя характеризуется соотношением давлений:

охл = Рхол / Рн.к,

где Рхол давление воздуха на выходе из охладителя.

А также показателем работы воздухоохладителя:

Ф = (Твх – Тв) / (Твх – Тв.вх),

где Тв – температура воздуха на выходе из охладителя, Тв.вх – температура охлаждающей воды на входе в воздухоохладитель.

Для оценки состояния воздухоохладителя требуется определить следующие параметры: Mв, Рхол, Рм.в, Тв, Тм.в, где Рхол – разность давлений воздуха в охладителе; Рм.в. – разность давлений воды; Тв – разность температуры воздуха.

Состояние газовой турбины характеризуется коэффициентом падения давления в турбине т; КПД турбины т. Параметры для оценки её состояния: Рв.т, Тв.т, Рн.т, nк, где Рв.т, Рн.т – давление на входе и выходе турбины;
Тв.т, Тн.т – температура газа на входе и выходе турбины.

Не все эти параметры измеряются на современных автоматизированных судах. Применение этого метода связано с широким внедрением новой измерительной и вычислительной техники (например для определения расходов).

Измерение частоты вращения двух компрессоров.

Загрязнение, поломка вращающихся колес и подшипников, а также изменение параметров взаимодействующих систем (например температуры и давления выхлопных газов) воздействуют на частоту вращения компрессора. Поэтому для обнаружения неисправностей в обоих турбокомпрессорах, как правило, на главной машине, весьма пригоден метод измерения разности частоты их вращения. Равенство частоты вращения свидетельствует об исправности, а появление разности частот – о поломке агрегата. Одновременно надо измерить и абсолютную частоту вращения, так как неисправности могут появиться в обоих турбокомпрессорах. Определение конкретной неисправности при данном методе невозможно.

Тема 3.3.3. Подсистемы передачи мощности и смазки

Механические передачи всех судовых ДВС имеют принудительную систему смазки. Как правило, в системе смазки главного двигателя требуется наличие независимого привода, для обычно используемого шестеренчатого или поршневого насоса, чтобы гарантировать необходимую смазку трущихся смазываемых пар, даже при застопоренном двигателе. У автоматизированных судов это положение распространяется также и на вспомогательные двигатели.

Для улучшения смазки на этапе запуска используются автоматизированные системы предварительной смазки.

Как правило (для морских судов и речных судов с ВОД), масляный насос качает масло из цистерны, обычно расположенной в междудонном пространстве судна. Масло, прошедшее двигатель, вновь поступает в эту цистерну. После очистки в масляном фильтре и охлаждении масла в масляном охладителе смазочное масло через главный напорный трубопровод подводится к упорным подшипникам, подшипникам коленчатого вала, поршневого кольца, крейцкопфа и далее на менее нагруженные детали (чаще всего уже самотеком или за счет сил от движущихся деталей двигателя).

Затем смазывается кулачковый вал, регулятор коробки передач и т.д. Большое влияние на техническое состояние узлов оказывает качество смазочного масла. Наиболее важные объекты диагностирования – масляный насос, подшипники, масло (его свойства), масляный охладитель, масляный фильтр.

Типичные неисправности.

Масляный насос.

Состояние насоса (шестеренчатого) определяется: радиальным зазором между окружностью выступов зубчатого колеса и стенкой корпуса S, зазором в подшипнике между цапфой и вкладышем подшипника качения, уплотнением вала.

Главной причиной неисправностей насоса является изнашивание. Характерные зависимости показаны на рисунках 26 и 27.

Подшипник скольжения.

Подшипники в механической передаче подвержены высоким механическим и термическим нагрузкам. Износ ведет к росту биения в подшипнике.

Недостаточная смазка и загрязнение масла (в том числе водой) усиливают износ до образования царапин на поверхностях скольжения, ведут к скалыванию материала и в итоге к повреждению подшипника. Распределение неисправностей подшипников скольжения, в процентах: загрязнение 43-47%, эксцентриситет и смещение 10-14%, ошибки монтажа 12-14%, перегрузка 8-10%, недостаточная смазка 8-15%, коррозия 4-5%.

Качество смазки.

В результате изменения вязкости и температуры масла, появляются загрязнения. Появление воды в смазке вызывает ускоренную коррозию. Относительная влажность воздуха > 70 % из-за конденсации влаги уже создает предпосылки для образования водяной пленки на стальных поверхностях.

Рисунок 26 – Зависимость производительности шестеренчатого насоса Q от давления Р

и радиального зазора S

Рисунок 27 – Зависимость производительности шестеренчатого насоса от давления Р

и зазора в подшипнике С

Обнаружение неисправностей.

Насос.

Неисправности в системе смазки ведут к повреждениям в передаче и особенно в подшипниках скольжения.

Температура – Т, давление – Р, требуемый расход масла и его качество – главные показатели системы смазки. На автоматизированных судах эти величины определяются штатными приборами. Увеличение радиального биения подшипников вследствие их износа можно обнаружить виброакустическим методом, а неисправности уплотнений установить визуально.

Подшипник скольжения.

Своевременное выявление неисправностей подшипников требует дополнительного контроля с помощью измерения концентрации масляного тумана в картере или температуры подшипников, а также температуры смазочного масла на выходе из крейцкопфного подшипника. Концентрацию тумана, зависящую от температуры подшипника, можно измерить с помощью оптико-электронного устройства. Оптическая плотность определяется в специальном измерительном канале, в который через всасывающее устройство постоянно подводится масляный туман. При превышении граничного значения концентрации тумана подается сигнал тревоги. Данный метод не даёт количественного описания технического состояния подшипников и конкретного указания места повреждения. Этот недостаток отсутствует при измерении температуры подшипников. Температуру определяет энергетический баланс в подшипнике, т.е. равновесие между тепловой энергией, вырабатывающейся в подшипнике из-за трения, и энергией, отводимой смазочным маслом. Дополнительный подвод тепла от других источников на двигателе составляет 10 – 15 % всего вырабатываемого в единицу времени тепла (тепловая мощность).

Измерение температуры.

Температуру металла в подшипнике измеряют термисторами, причем в отдельных случаях необходима телеметрическая передача сигнала.

Обусловленное износом увеличение зазора в подшипнике ведет к снижению его температуры из-за одновременного роста расхода масла. Если в том же случае подвод масла станет ограничен или не возможен, то температура напротив вырастет.

Для точного определения зазора в подшипнике необходимо знать зависимости температуры подшипника от нагрузки и давления масла на входе в двигатель или расхода масла при постоянной частоте вращения. Зависимость температуры подшипника от мощности двигателя показана на рисунке 28.

Имеются приборы для измерения температуры масла, вытекающего из каждого отдельного подшипника. Эти измерения выполняются в маслосборнике с помощью термометров сопротивления или термисторов. Результаты измерения выводятся на средства диагностирования или сигнализации.

Измерение расхода масла.

Состояние подшипников возможно оценивать путем измерения расхода масла через подшипник. Зная расход масла, можно определить зазор в подшипнике. По изменению расхода, через определенный период времени, можно судить об изнашивании подшипника.

Рисунок 28 – Зависимость температуры подшипника от мощности двигателя:

1 – нормальное состояние подшипника; 2 – биение подшипника увеличилось до 0,1 мм

Известен метод, основанный на определении характера трения в подшипнике путем пробоя масляной пленки между цапфой и вкладышем подшипника. При этом измеряется электрическое сопротивление масляной пленки. Диагностическим параметром является отношение суммарного времени пробоя масляной пленки и продолжительности измерений (Т), причем Т = 0 при жидкостном трении, Т = 1 при сухом трении, 0 < Т < 1 при смешанном (граничном) трении.

Виброакустические методы.

Увеличение зазора в подшипниках обычно приводит к возбуждению колебаний, поэтому его можно обнаружить с помощью виброакустических методов.

Более высокая частота вращения пары трения позволяет выполнять диагностирование более точно. Но при этом имеются многочисленные проблемы, например, выбор оптимального расположения точек измерения с учетом внешних воздействий от других подсистем двигателя, а также специфические условия работы на судне.

Качество смазочного масла.

Измерение параметров смазочного масла позволяет уменьшить вероятность аварии, обеспечить точное определение сроков его замены.

В некоторых случаях стремятся к автоматизированному контролю основных свойств смазочного масла с помощью используемого в условиях судна метода экспресс-анализа.

Главные факторы, определяющие пригодность смазочного масла для СЭУ:

Увеличение водосодержания в масле оказывает сильное влияние на износ подшипников. Воду в масле можно обнаружить разными способами.

При добавлении соответствующих химикатов эта неисправность появляется либо через тепловыделение, т.е. через переход химической энергии в тепловую, либо через газовыделение. Удобно введение химикатов, реагирующих с водой с образованием газа, у которого измеряют объем и давление. Такими химикатами могут быть карбид кальция, щелочные и щелочноземельные металлы, солеподобные гидриды. Опробованным в условиях судна является введение в масло гидрида кальция. Используется хорошо измельченный гидрид кальция, нерастворимый в воде. Растворимость гидрида в масле ведёт к его реагированию с водой, находящейся в масле, и образованию вследствие этого газов. Возникшее дополнительное давление измеряется манометром. Можно использовать автоматически работающую установку для контроля диэлектрических свойств масла.

Диэлектрическая постоянная воды близка к 80, а для масла 3-5. Недостаток – точность измерений сильно зависит от наличия в масле загрязнений.

Для определения вязкости масла в условиях судна применяют много относительно простых методов, таких, как стекание масла со стеклянной палочки; с помощью шарикового сравнительного вискозиметра и т.д. Шариковый вискозиметр в судовых условиях – две параллельно установленные мензурки. В одной исследуемое масло, в другой жидкость с известной вязкостью. Объём и температура масла и жидкости равны.

Способ измерения состоит в сравнении высот падения шарика в масле и жидкости за одно и то же время. Другой способ, с использованием секундомера измерением времени при равных высотах столбов падения в измеряемой среде и жидкости с известной вязкостью.

Для определения загрязнённости смазочного масла используют метод масляного пятна.

Зависимость характера пятна масла от вида загрязнения.

  1. Сажа и другие твердые продукты сгорания – отдельные участки пятна разной степени черноты.
  2. Вода в масле – краевая зона пятна с зазубринами, лучеподобные образования.
  3. Дизельное топливо – увеличенная скорость растекания пятна по сравнению с чистым маслом.
  4. Продукты сгорания – желтая и коричневая окраска пятна.
  5. Твердые частицы в масле – через лупу видны частицы, например, блестящие, металлические.

Возможно фотометрическое определение помутнения исследуемого масляного слоя.

Тема 3.3.4. Система охлаждения

Примерно 10-15 % энергии топлива определится системой охлаждения.

Отвод тепла производится и в водяных охладителях (7,5-11 %), в устройстве подачи смазочного масла (0,5-1 %) и в подсистеме наддува (2-3 %) – подшипники ТКР.

Системы охлаждения включают: цистерны, трубопроводы, арматуру, теплообменники. Поломки трубопроводов, арматуры, насосов распределяются на судах таким образом: насосы – 70 %, арматура – 25 %, трубопроводы – 5 %. Повреждений теплообменников, работающих на морской воде, существенно больше. Распределение их отказов: 40 % – система охлаждения смазочного масла; 45 % – система охлаждения цилиндра, поршня и форсунки; 15 % – рефрижераторные камеры.

Типичные неисправности. Распределение отказов: заслонка – терморегулятор – 51 %, трубки – 17 %, входная заслонка – 20 %, корпус – 12 %.

Эти неисправности обусловлены: засорением трубок с морской водой, вплоть до закупорки отдельных трубок и даже всего комплекта; загрязнением или засаливанием трубок с пресной водой, кавитацией и эрозией, образование трещин, разгерметизация и быстрый износ заслонок.

Обнаружение неисправностей. Эндоскопия – для диагностирования дефектов, обнаруживаемых визуально. Для доступа к агрегатам должны быть предусмотрены соответствующие конструктивные меры, для детального исследования трубок – демонтаж заслонок.

Определение разности давлений. По перепаду можно судить о степени загрязнения, коррозии, механических повреждениях. Для достоверности требуется знание расхода воды. Обычно при загрязнении перепад давления меняется на 5 – 10 %.

Определение коэффициента теплопередачи. Определить коэффициент можно с помощью входной и выходной температур и расхода.

Изменение параметров рабочего вещества. При образовании течи в теплообменнике изменяются параметры жидкостей. Из-за проникновения морской воды увеличивается жёсткость и содержание хлоридов в пресной воде, водосодержание в масле. Периодический контроль этих параметров позволяет предупредить вредные последствия.


Главный двигатель

СЭУ

Парогенератор/
утилизатор тепла

Система охлаждения

Топливная система

Цилиндропоршневая группа

Топливный насос

Форсунка

Пружина

Распылитель

ЦПГ

Топливная система

Система передачи мощности

Система смазки

Система охлаждения

Система наддува

be, г/(кВтч)

Техническая диагностика СЭУ