Библиографическое описание:

Данилян А. Г., Чимшир В. И., Разинкин Р. А., Найденов А. И. Совершенствование систем технического диагностирования малооборотных судовых дизелей // Молодой ученый. — 2015. — №2. — С. 138-142.

В статье исследован вопрос влияния аберрации определения верхней мертвой точки малооборотного судового двигателя на нагарообразование выхлопного тракта. Предложенные усовершенствования методики диагностирования индикаторного процесса в малооборотном дизеле, позволяют значительно улучшить качество диагностики двигателя, предотвратить нежелательные последствия связанные с длительной эксплуатацией главного двигателя на низких мощностях, снизить погрешность в нахождении верхней мертвой точки.

Ключевые слова:судовые малооборотные дизеля, верхняя мертвая точка, индикаторный процесс.

 

Создание и внедрение различных систем технического диагностирования судовых дизелей, а также алгоритмов расчета оптимальных параметров функционирования повышающих эффективность эксплуатации остается актуальной задачей современного научного мира. Применение таких систем при эксплуатации значительно увеличивает ресурс и надёжность главных судовых двигателей, уменьшает расходы на обслуживание и ремонт, а также затраты на энергоресурсы. Все это определяет значительный интерес к современным системам технического диагностирования судовых дизельных установок.

Разрабатываемые в настоящее время системы диагностирования основаны на применении компьютерных технологий. При их разработке особое внимание уделяется вопросам эффективности алгоритма заложенного в их основу. Одним из ярких тому примером является исследование Обозова А. А. [1], результаты которого способны дать целостную картину многим процессам протекающих в судовых механизмах, главных энергетических установках. Особое внимание заслуживает методология получения информации и построения алгоритмов диагностирования технического состояния малооборотных дизелей (МОД) с использованием статической теории распознавания образов, а также использование методологии сопоставления эталонных диагностических характеристик в индикаторных процессах малооборотных дизелей (МОД). Большое разнообразие программных средств, применяемых в современных системах диагностирования, позволяет на практике получить более точные результаты прогнозирования технического состояния и показателей надежности судовых технических средств (СТС) и судовых двигателей внутреннего сгорания (СДВС).

Важным вкладом в исследование причин отказов современных, малооборотных судовых двигателей являются публикации И. В. Возницкого, оформленные в виде учебного пособия по эксплуатации и техническому обслуживанию судовых двигателей модельного ряда MAN B&W МС 50–98 [2].

В основу данного научного исследования были положены экспериментальные данные результатов эксплуатации современных двигателей, которые были получены в результате обмена опытом судовых механиков, проходящих переподготовку на международных курсах повышения квалификации и проверки знаний. Обобщенный опыт, полученный от специалистов, обсуждается, конкретизируется и используется при эксплуатации современных СДВС и СТС. Конкретика опыта состоит в том, что в процессе обсуждения, судовые механики находят лучшие, рациональные решения устранения неполадок в работе СДВС. Таким образом, один из обсуждаемых вопросов, стал темой исследования настоящей статьи, где мы рассматриваем предлагаемый метод комплексного исследования индикаторной диаграммы, причиной которого является возникающее противодавление в выхлопном тракте главного двигателя. Определение противодавления обычным методом, как правило, включает в себя неточности и искажения на величину дополнительных факторов технического состояния установки: нарушение сопряжения (плотности) компрессионных колец — зеркала цилиндровой втулки; пропуски в выпускном клапане; изменение «Время — сечения» двигателя; аберрация в определении верхней мертвой точки (ВМТ) и др. Комплексное исследование, позволяет определить по отдельности каждую составляющую технического состояния установки, используя метод распознавания образов и статистического анализа в едином программном обеспечении диагностирования. В данной статье, нами будет предложено устранение аберрации в нахождении и установке ВМТ, диагностирование и исследование причин появления противодавления в выпускном тракте главного двигателя. Каждый из этих аспектов требует разработки индивидуальной методики диагностирования СДВС с целью повышения точности прогнозирования его технического состояния.

Раскрывая проблематику данного вопроса, становится очевидным, что есть необходимость разбить данную задачу на подзадачи, решение которых предлагается в данной статье.

Целью исследования является усовершенствование методики диагностирования индикаторного процесса в малооборотном дизеле, связанные со снижением аберрации в нахождении верхней мертвой точки и поиском причинно-следственной связи появления противодавления в его выпускном тракте.

Как показывает практика, даже при использовании современных технических средств и устройств, программного обеспечения, новой методологии в совершенствовании системы диагностирования СТС существенного снижения уровня аварийности в работе машинной команды, повышения надежности и долговечности работы судовых механизмов и главной энергетической установки пока не удается.

Авторы большинства научных трудов, в частности [3–6], в своих исследованиях обращают внимание на проблемы ошибок в самом процессе изучения технического состояния СТС, связанных с ошибочным диагностированием. Например, возьмем диагностирование цилиндропоршневой группы главного двигателя с использованием средств технического диагностирования (СТД) производимые компанией «Autronica», для МОД. Как известно, одним из важнейших показателей работы главного двигателя является нахождение среднего индикаторного давления цилиндра по анализу индикаторной диаграммы

Pc=f(φ),

где Pc — давление в цилиндре дизеля,

φ — угол поворота кривошипа цилиндра.

Начальной задачей в данном процессе является нахождение верхней мертвой точки (ВМТ) с высокой степенью точности (0,10–0,30 п.к.в.). На практике ошибка может составлять 10 п.к.в. и более, это касается не только электронных средств диагностирования, но и при использовании механических средств, таких как «Майгак М-50» при подключении его к приводу распредвала двигателя. Хорошей практикой в работе старшего механика считается систематическая проверка положения ВМТ. При обнаруженном несоответствии им наносятся новые реперные точки на индикаторном приводе. В процессе работы с приборами: НК-5А, 1-К 100, 2-К 200 фирмы «Autronica» мы сталкиваемся с проблемой правильного определения ВМТ. Происходит «скольжение» ВМТ под воздействием блуждающих токов Фуко, изменением электро-магнитного поля в машинно-котельном отделении (МКО) и др.

В исследованиях Обозова А. А. [1] предложен алгоритм анализа кривой Pc.(φ) для нахождения истинного положения ВМТ. На основе данного алгоритма, рассмотрим особенности нахождения ВМТ малооборотного двигателя MAN B&W 98- MC. Сам процесс нахождения проходит с отключенной подачей топлива в цилиндр.

Рис. 1. Нахождение ВМТ с использованием метода сглаживания высокочастотных помех (двигатель MAN B&W 98- MC): Pr(φ) — исходная запись процесса; Ps(φ) — результат сглаживания; Pa(φ) — результат аппроксимации.

 

На рис. 1 показана исходная запись процесса с воздействием высокочастотных помех. Для осуществления аппроксимации произведем сглаживание методом скользящей средней

Где: Pr(φ) — фактическое значение исходной записи процесса;

n — количество значений для расчёта скользящего среднего;

φi — угол поворота коленчатого вала согласно выбранного процесса;

i=1.2… — порядковый номер выбранного процесса.

На следующем этапе производим аппроксимацию участка кривой, прилежащей к области ВМТ полиномом второй степени P=Aφ2+Bφ+C, причем коэффициенты А, В и С могут быть определены из системы уравнений:

где n-число точек, по которым производится аппроксимация.

Далее определяем первую производную от функции y по углу поворота коленчатого вала .

Значение аргумента φ, соответствующее экстремуму функции (φ = -B/2), будет определять действительное положение ВМТ поршня.

Как было сказано выше, нам необходимо сверять положение ВМТ с полученной информации системы «Autronica» с положением точки ВМТ на индикаторном приводе во избежание ошибки более 0,50 угла п. к.в. Экранизация данного процесса с помощью электронной системы позволяет снизить в значительной степени вредное воздействие высокочастотных помех на достоверность показаний. Хорошо зарекомендовали себя на судах морского флота система «Computer Aided Performance Analysis» фирмы MAN B&W, норвежская система «Autronica»-НК-5А, HK-100, НК-200. Последняя из перечисленных систем хорошо работает с программами «Дизель-проф», и дает практически ответы на предстоящие изменения индикаторного процесса СДВС [2].

В последние годы в связи с повышением цен на углеводородное топливо, основная масса судовладельцев перешла к жесткой экономии топлива. Метод экономии топлива сводится к простому снижению оборотов двигателя ниже 50 % от номинала, т. е. многие кампании сегодня работают у порога перехода на электрические вспомогательные турбины наддува (Blower). Последствия такой работы приводят к интенсивному нагарообрастанию всего выпускного тракта, ГТН, увеличению противодавления на выпуске отработанных газов.

Определенный интерес представляет изучение процесса в конце расширения, т. е. определение точного положения точки Рb. Сопоставляя значение точки полученной расчетным путем с паспортной диаграммой стендовых испытаний главного двигателя можно наблюдать ряд изменений приводящих к нежелательным последствиям. Например, такие изменения могут быть связанны с обрастанием нагарообразующими элементами выхлопного тракта, и продувочных окон цилиндровой втулки, что в целом негативно сказывается на техническом состоянии главного двигателя. Получение своевременной информации по предложенной методике, позволят рационально проводить техническое обслуживание узлов и агрегатов двигателя, изменяя порядок общепринятого алгоритма. Таким образом, со временем, формируя новый алгоритм обслуживания подкрепленный статистикой и хорошей практикой, позволяющей проводить эксплуатацию главной энергетической установки в условиях с не типичными режимами, а также своевременно предотвращать поломки и аварии в ее работе.

Рис. 2. Индикаторная диаграмма MAN B&W 98-MC снятая с двигателя системой «Autronica-NK-5A».

 

C целью практического нахождения значения Рb выбираем участок соответствующий полному расширению в диапазоне от φ=1450 до φ=1750. Аналитически это значение можно получить используя следующую математическую зависимость

,

где Pz — максимальное давление сгорания;

ε — степень сжатия;

ρ — степень предварительного расширения;

n1 — политропа расширения.

Используя метод наименьших квадратов, производим сглаживание участка a-b.

,

где а0, а1…- коэффициенты подлежащие определению.

Не рекомендуется принимать полиномы степени выше третьей, что делает аппроксимацию слишком «жесткой», лучше уменьшить длину участка a-b. Х(φ) — кривая будет заменена полигональной кривой из образов прямых или парабол (метод сплайнов).

Аппроксимирующая функция будет проходит через центр экспериментальных точек, которая в свою очередь и определит наше искомое значение Pb [4]. По такой же методике мы можем определить и Рa.

Используя современное оборудование и программное обеспечение диагностирования индикаторного процесса мы получаем возможность определять на развернутой индикаторной диаграмме двигателя любую искомую точку давления — Рх.

   b

 

 а

 
На Рис.3 показан монитор виртуального стенда, где произведено аналитико-графическое исследование линии расширения индикаторной диаграммы главного двигателя MAN B&W 98- MC. Предложенный метод позволяет вводить в базу данных различные параметры работы двигателей, накапливать данные индикаторных диаграмм по наработке двигателя, делать сравнительный анализ всех индикаторных процессов по образу и подобию установленному оператором, находить параметры любой точки на индикаторной диаграмме и многое другое [7].

а) б)

Рис. 3.Индикаторная диаграмма главного двигателя MAN B&W 98-MC снятая на виртуальном стенде под управлением программы «Lab Master версии V.1.12».: а — при, Ne=85 % на исправном двигателе; б — при, Ne=30 % на рабочем двигателе с нагарообразующими отложениями на линии выхлопного тракта

 

Изменения в работе двигателя показанные на индикаторной диаграмме (рис.3.а,б.) могут быть вызваны рядом факторов, например такими как, не квалифицированной диагностикой работы цилиндропоршневой группы двигателя в течении длительного периода времени, низким качеством топливоподготовки и сепарирования топлива, некачественной очисткой выхлопного тракта, включая утилькотлы, муфлеры и др. Создающееся по этим причинам противодавление ухудшает работу двигателя, и как правило в автоматическом режиме управления срабатывает защита двигателя по параметрам снижения нагрузки «SLOW DOWN». Регулятор оборотов двигателя, получив сигнал по снижению давления надувочного воздуха, воздействует на изодромную обратную связь регулятора, и через свою кинематическую схему с помощью ограничителя топливоподачи, снижает обороты. Работа двигателя с повышенным противодавлением в точке Pb без снижения оборотов, лишь усугубит состояние выхлопного тракта главного двигателя и его ГТН. Применение на главных МОД регуляторов фирмы Вудвард модели PGA, электронных регуляторов STL-900 и др. позволяет нам избежать нежелательные последствия. Оснащение новостроящихся судов новым продуктом Auto Chief С20 фирмы Kongsberg Maritime Ltd. дает новые возможности в улучшении автоматизированного контроля и управления главными двигателями. В своих отдельных опциях она позволяет получать полную информацию о состоянии двигателя на всех режимах эксплуатации [3].

Кроме того, на всех МОД MAN Diesel серии MC предусмотрена коррекция угла опережения впрыска топлива в зависимости от нагрузки с помощью системы VIT [8]. Но как показали практические наблюдения, система VIT эффективно работает на режиме 65 % — 90 % номинальной нагрузки. В этой связи, на наш взгляд, было бы полезным, увеличить угол опережения до 3 градусов на режимах работы главного двигателя при 40 % от номинального. Что значительно позволило бы снизить вредные выбросы, уменьшить процесс нагарообразования и удельный расход топлива.

Выводы.

Как показано в данном исследовании, вопросы диагностирования работы малооборотных судовых дизелей являются актуальными и с практической точки зрения достаточно значимыми для повышения надежности его эксплуатации.

Предложенные усовершенствования методики диагностирования индикаторного процесса в малооборотном дизеле, позволяют значительно улучшить качество диагностики двигателя, предотвратить нежелательные последствия связанные с длительной эксплуатацией главного двигателя на низких мощностях, снизить погрешность в нахождении ВМТ. Данные предложения отличаются от существующего контроля индицирования, который производится по факту заданной наработки двигателя, представляемый в ежемесячном отчете индицирования.

Проведенное исследование процесса расширения и определение истинного положения ВМТ рабочего процесса МОД, позволило раскрыть новые возможности своевременного устранения причин ведущих к ухудшению работы судового дизеля, в данном случае нагарообразованию в выхлопном тракте. Учитывая специфику работы морского флота, его главных энергетических установок на предельно низкой эксплуатационной мощности, предлагаемый метод диагностирования в данной статье, может быть успешно использован на современных судах с МОД.

В перспективе, необходимо более детальное и углубленное исследование индикаторного процесса современных МОД при его длительной эксплуатации на малых нагрузках, которые позволили бы улучшить топливоподготовку и контроль за выхлопными газами с целью снижения преждевременного износа деталей СДВС и вредных выбросов в атмосферу.

 

Литература:

 

1.         Обозов А. А. Разработка теоретических основ и средств повышения эффективности систем технического диагностирования малооборотных дизелей [Текст]: автореф. дис.- на соиск. уч. ст. д.т.н./А. А. Обозов; [МГТУ им. Н. Э. Баумана]. — М., 2010. — 32c.

2.         Возницкий И. В. MAN B&W. Двигатели модельного ряда МС 50–98. Конструкция, эксплуатация и техническое обслуживание [Текст] / И. В. Возницкий. — М.: Моркнига, 2008. — 260 с.

3.         Миюсов М. В. Системы управления современным главным двигателем [Текст]/ М. В. Миюсов, В. И. Ланчуковский/ Научно-технический сборник ОНМА Судовые энергетические установки. — 2012. № 30. С.84–91.

4.         Гусаков С. В. Планирование, проведение и обработка данных экспериментальных исследований двигателей внутреннего сгорания [Текст]/ С. В. Гусаков, Н. Н. Патрахальцев// из-во Российского университета дружбы народов. — М., 2004. С.6–15.

5.         Кончаков Е. И. Техническая диагностика судовых энергетических установок [Текст] / Е. И. Кончаков// Владивосток: изд-во ДВГТУ, 2007.-112с.

6.         Биргер И. А. Техническая диагностика [Текст]/ И. А. Биргер // Москва: изд-во Машиностроение, 1978.- С.113–115.

7.         UNITEST MARINE TRAINING [Электронный ресурс]: интеракт. пос. // Инструкция Autronica НК-5А, НК-100,НК-200, — 2000. — 1 электрон, опт. диск (CD-ROM). — Систем, требования: ПК от 1 МГц; RАМ 1 ГБ; Windows XP; зв. плата. — Загл. с этикетки диска.

8.         Варбанец Р. А. Экспериментальная проверка системы vit малооборотного дизеля MAN 6L80MCE [Текст] / Р. А. Варбанец, Н. И. Александровская, А. И. Головань, Ю. Н. Кучеренко // Вестник АГТУ. Серия: Морская техника и технология. 2013. № 2. С.85–92.

Основные термины (генерируются автоматически): главного двигателя, диагностирования индикаторного процесса, технического диагностирования, методики диагностирования индикаторного, систем технического диагностирования, верхней мертвой точки, технического диагностирования судовых, технического состояния, диагностирования технического состояния, технического диагностирования малооборотных, тракте главного двигателя, эксплуатацией главного двигателя, усовершенствования методики диагностирования, работы главного двигателя, индикаторного процесса в малооборотном, системы диагностирования, диагностирования судовых дизелей, диагностирования малооборотных судовых, качество диагностики двигателя, выхлопного тракта.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle
Задать вопрос