CC BY
426
ТЕХНИЧЕСКАЯ ЭКСПЛУАТАЦИЯ ФЛОТА
О. К. Безюков,
д-р техн. наук, проф., СПГУВК;
И. В. Ивашин,
ФГУП «Внешнеэкономическое
предприятие «СУДОЭКСПОРТ»
МЕТОДИКА ФОРМИРОВАНИЯ КАРТЫ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ И КАЧЕСТВА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
METHOD OF FORMING THE SHEET OF TECHNICAL LEVEL AND QUALITY
OF MARINE DIESELS
Предлагается методика формирования карты технического уровня и качества судовых дизелей с помощью критериев, полученных с использованием теории подобия и анализа размерностей. Проведена оценка степени совершенства ряда судовых среднеоборотных дизелей отечественного и зарубежного производства.
There is offered a method offorming the sheet of technical level and quality of marine diesels with the help of criteria, received by use of the theory of similarity and dimensional analysis. There was made assessment of degree of sophistication of number of middle speed ship diesel engines of domestic and foreign production.
Ключевые слова: судовой дизель, технический уровень, качество, квалиметрия
Key words: marine diesel, technical level, quality, qualimetrics
АСПОРЯЖЕНИЕМ Правительс-
тва РФ от 7 ноября 2007 г. № 1571-р утверждена Федеральная целевая
ботанных 25-35 лет тому назад, еще в период плановой экономики, в значительной мере устарели. Поэтому существует необходимость обновления нормативной базы, прежде всего создание новой карты технического уровня и качества судовых дизелей, базирующейся на использовании современных показателей их совершенства.
программа «Развитие гражданской морской техники на 2009-2016 годы», основной целью которой является совершенствование отечественного научно-технического и проектного потенциала, разработка техники и технологий мирового уровня, в том числе судовых дизельных энергетических установок, на долю которых приходится 10-35% стоимости судов и до 50-60% их эксплуатационных расходов [7].
До сих пор для оценки дизелей чаще всего предлагается использование сравнительно несложных по структуре показателей, каждый из которых увязывает несколько технических параметров. Некоторые из них находят широкое применение: мощность, частота вращения, диаметр цилиндра, рабочий объем цилиндра, среднее эффективное давление, средняя скорость поршня, масса двигателя, удельная поршневая мощность, удельная литровая мощность и т. д. [10]. Например, в монографии [9] технический уровень дизелей ряда ЧН 18/22 определен с помощью удельных расходов топлива и масла, ресурсов до переборки и капитального ремонта, удельных материалоемкости и энергонасыщенности.
Очевидно, что качество дизелей — ос-
X
U
5^
новных элементов судовых энергетических установок — может быть обеспечено только в том случае, когда ГОСТы [4-6] и отраслевой стандарт [8], регламентирующие технический уровень и качество судовых дизелей, будут соответствовать современному уровню развития как мирового дизелестроения [7], так и квалиметрии [1].
Однако как методические подходы, так
и числовые значения показателей, приведенные в этих нормативных документах, разра-
Общим недостатком предложенных параметров оценки качества является их размерный характер и ограниченное число учитываемых характеристик.
Для обеспечения необходимой полноты, надежности и удобства описания технического уровня и качества судовых двигателей желательно, чтобы используемые параметры выбирались с учетом следующих требований [10]:
• возможность учета всех показателей свойств, характеризующих качество ДВС;
• чувствительность общей оценки к изменению любого из единичных показателей качества;
• монотонность — без скачков или разрывов — изменения общей оценки при плавном изменении значения любого из единичных показателей;
• независимость оценки от субъективных факторов;
• минимальная вероятность выбора не лучшего варианта;
• строгая обоснованность методологии и результатов оценки (на всех этапах ее получения);
• невысокая трудоемкость использования метода оценки качества ДВС;
• учет неравнозначности отдельных свойств, составляющих качество двигателя;
• принципиальная возможность оценки качества не только ДВС, но и его отдельных свойств, узлов и агрегатов.
ГОСТ 4.367-85 устанавливает номенклатуру основных показателей судовых, тепловозных и промышленных дизелей, которые служат основой для формирования карты их технического уровня и качества в соответствии с ГОСТом 2.116-84. В их число входят показатели: назначения, надежности, использования различных видов ресурсов, экологии, безопасности, технологичности, транспортабельности, эргономики, эстетики, стандартизации и унификации, патентно-правовые.
Таким образом, ГОСТ 4.367-85 обеспечивает декомпозицию показателей качества, но не устанавливает в настоящее время их иерархию, что затрудняет получение строго научного и однозначного (количественного) определения степени совершенства судовых дизелей.
Применительно к решаемой задаче усовершенствования карты технического уровня и качества можно установить два иерархических уровня, разделив показатели, перечисленные в ГОСТе, на две группы. В первый, более высокий уровень будут входить технические показатели (1-7), определяемые аналитически и характеризующие технический (научно-технический) уровень дизеля, а второй уровень — показатели (8-11), определяемые путем экспертизы. При этом обе группы совместно будут давать комплексную оценку качества ДВС.
На первом этапе попытаемся, не претендуя на универсальность, дать свое определение технического уровня: «Технический уровень это часть характеристики качества судового дизеля, которая может быть определена количественно, путем использования его основных технических параметров без привлечения экспертных оценок».
Анализ способов оценки технического уровня двигателей показывает, что наиболее обоснованным и часто применяемым является метод, основанный на анализе так называемых функциональных моделей, в математической форме описывающих взаимосвязь нескольких параметров объекта оценки с качеством его функционирования.
Одним из примеров применения такого подхода может служить критерий, предложенный О. Штайгенбергером, который выражает степень совершенства двигателя как отношение его удельной поршневой мощности к удельной массе [10].
Подобную структуру имеет и формула комплексного показателя для оценки перспективности конструкций дизелей, предложенная В. И. Балакиным и А. Ф. Косяком, представляющая собой отношение литровой массы к произведению удельной поршневой мощности на ресурс до капитального ремонта [10].
В работе, выполненной в ФГОУ ВПО СПГУВК [2], предложен безразмерный параметр (критерии) технического уровня, полученный с использованием методов теории подобия и анализа размерностей.
Технический уровень такого сложного объекта, как судовой дизель может быть определен только в случае использования боль-
Выпуск 1
шинства основных характеристик двигателя. Поэтому в табл. 1 формы 2 карты технического уровня и качества судовых дизелей включены: номинальная эффективная мощность, номинальная частота вращения коленчатого вала, число цилиндров, диаметр цилиндра и ход поршня, габариты двигателя, сухая мас-
са двигателя, удельный эффективный расход топлива и масла, удельные средневзвешенные выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами на режиме номинальной мощности, назначенные ресурсы (непрерывной работы, до 1-й переборки, капитального ремонта).
Таблица 1
Технические характеристики судовых дизелей
В
№
№ п/п Наименование показателя Ед. изме- рения Сравниваемые двигатели
Перспектив. дизель Заменяемый дизель Лучшие аналоги
ОАО «РУМО» 8022Д1 6ЧН 22/28 ОАО «РУМО» Г74 6ЧРН 36/45 ОАО «КЗ» 8ЧН 26/26 МаК М20С 6ЧН 20/30
1 2 3 4 5 6 7
1 Номинальная мощность, Ке кВт 940 1150 1250 1140
2 Номинальная частота вращения коленчатого вала, п мин-1 1000 500 1000 1000
3 Число цилиндров, 1 6 6 8 6
4 Диаметр цилиндра, Б мм 220 360 260 200
5 Ход поршня, 8 мм 280 450 260 300
6 Габариты:
7 длина, Ь мм 3465 4558 2220 3150
8 ширина, В 1100 1465 1565 1558
9 высота, Н 1985 3121 2420 2040
10 Сухая масса двигателя с маховиком, Мдв кг 13 000 28 900 10 500 10 700
11 Удельный расход топлива, ge г/кВт-ч 195 202 190 190
12 Удельный расход масла, g m г/кВт-ч 1,22 1,22 1,05 0,6
Удельные средневзвешенные выбросы токсичных компонентов с отработавшими газами на режиме номинальной мощности г/кВт-ч
13 оксиды азота, 6,2 12,5 13 11,2
14 оксид углерода, 0,5 2,5 0,4 0,6
15 углеводороды 0,2 0,2 1 0,3
16 Назначенный ресурс тыс. ч
17 непрерывной работы, Т1 6,2 12,5 13 11,2
18 до 1-й переборки, Т2 0,5 2,5 0,4 0,6
19 до капитального ремонта, Т3 6,2 12,5 13 11,2
Эти данные служат основой для расчета удельных показателей, которые вносятся в табл. 2 формы 2: отношения S/D, среднего эффективного давления, средней скорости поршня, показателя форсированности двигателя (Ре*См), цилиндровой мощности, поршневой
мощности, стандартной удельной массы, литровой массы, габаритной мощности. Указанные параметры послужат основой для расчета отдельных критериев и формирования критериального уравнения технического уровня судового дизеля.
Таблица 2
Удельные характеристики судовых дизелей
№ п/п Наименование показателя Ед. изме- рения Сравниваемые двигатели
Перспектив. дизель Заменяемый дизель Лучшие аналоги
ОАО «РУМО» 8022Д1 6ЧН 22/28 ОАО «РУМО» Г74 6ЧРН 36/45 ОАО «КЗ» 8ЧН 26/26 MaK M20C 6ЧН 20/30
i 2 3 4 5 6 7
1 Отношение S/D — 1,27 1,25 1,00 1,50
2 Среднее эффективное давление Ре МПа 1,76 1,00 1,36 2,42
3 Средняя скорость поршня Ст м/с 9,33 7,50 8,67 10,00
4 Форсированность двигателя Ре Ст МПа м/с 16,47 7,53 11,76 24,17
5 Цилиндровая мощность Кц кВт/ц 156,67 191,67 156,25 190,00
6 Поршневая мощность, кВт/см2 0,412 0,188 0,294 0,605
7 Стандартная удельная масса (с маховиком) кг/кВт 13,83 25,13 8,4 9,39
8 Литровая масса кг/л 20,37 10,52 9,51 18,93
9 Габаритная мощность кВт/м3 124,24 55,18 148,67 113,87
10 Удельная материалоемкость, 10-3 кг/кВт-ч 0,17 0,42 0,11 0,12
11 Удельная энергонасыщенность кВт-ч/кг 5785 2388 8929 8523
Очевидно, что в состав критериального уравнения, характеризующего технический уровень судовых дизелей, должен входить эффективный КПД — безразмерный комплекс, характеризующий тепловое и механическое совершенство двигателя:
KTL0 - V е -
3600
Q ■ g
¿--нт о e
где О — низшая теплота сгорания топ-
*~'нт
лива;
— удельный эффективный расход
топлива.
Разумеется, что при всей важности этого параметра только он не может дать исчерпывающую характеристику двигателя.
Известно, что в цилиндре двигателя неизбежно сгорает масло, удельный эффективный расход которого у современных двигателей составляет gм = 0,5...2,5 г/(кВт ч).
Коэффициент технического уровня, ^ 79 формируемый с учетом суммарного теплового эффекта от сгорания топлива и масла, может быть определен по формуле:
3600
KTLomM =
Q ■ g + Q g
z-swm о e -Si-нм & л
Выпуск 1
где Онм — низшая теплота сгорания масла;
§ м — удельный расход моторного масла на угар.
Однако расчет показывает, что влияние расхода масла на угар весьма незначительно влияет на технический уровень двигателя.
Более полно влияние топливной и масляной экономичности на степень совершенства двигателя может быть учтено с помощью параметра.
КТЦ =
3600
где
О • я + с • О • я
¿—■нт с>в 1 нм о.
Ц
С1 =
Ц
— безразмерный коэффици-
ент, равный отношению цен масла и топлива, применяемых в двигателе.
Таким образом, получен критерий, ха-растеризующий топливную и масляную экономичность двигателя.
Степень совершенства двигателя наряду с экономичностью характеризуют параметры, отражающие выброс токсичных компонентов с его отработавшими газами, что в свою очередь определяется физико-химическими свойствами топлива, масла и качеством рабочего процесса.
Влияние токсичности отработавших газов на технический уровень может быть определено с помощью безразмерного параметра, представляющего отношение удельного расхода токсичных компонентов к удельному эффективному расходу топлива и масла:
К7Ъ = 1 --
ПДК
ЫОх
ПДК
§е + §
м
Р
где ег- — удельный средневзвешенный выброс токсичного компонента г с отработавшими газами на режиме номинальной мощности;
п — число компонентов, учитываемых при анализе токсичности.
В этом показателе токсичность оксида углерода, углеводородов приводится к токсичности оксидов азота с использованием
значений их предельно допустимых концентраций (ПДК).
В результате получим безразмерный параметр, характеризующий топливную, масляную экономичность и учитывающий влияние токсичности отработавших газов на энергоэкологический уровень совершенства дизеля:
КТЬ3 =
1 --
ПДК
МОх • £р
ЩК1 Яе + я,
__________3600___________
О • я + с • О • я
нт е 1 нм м
Традиционно для оценки эффективности принятых при проектировании ДВС конструктивных решений используется плотность компоновки — безразмерный параметр, равный отношению суммарного рабочего объема двигателя к его габаритному объему:
КТЬ4 = 6 = ° ^'1,
4 4 • Ь • В • Н
где В и S — соответственно диаметр цилиндра и ход поршня;
г — число цилиндров;
Ь, В и Н — соответственно длина, ширина и высота остова двигателя с маховиком, но без учета навешенных агрегатов.
Наряду с энергоэкологическим показателем эффективности и плотностью компоновки в состав критериального уравнения должны входить параметры, характеризующие его степень форсированности, безотказности и долговечности.
К числу наиболее употребительных параметров форсированности относится произведение средней скорости поршня на среднее
С • Р
эффективное давление
к
деленное на
коэффициент тактности (к =1 или 2 соответственно для 2- и 4-тактных дизелей).
Важнейшим показателем двигателя является его масса Мдв, значение которой в значительной степени определяет трудоемкость изготовления и монтажа двигателя, его ресурсные показатели.
Безотказность и долговечность двигателя определяется следующими показа-
е
телями: величиной установленной безотказной наработки Т1, назначенными ресурсами до капитального ремонта Т2 и списания Т3.
Таким образом, мы получили безразмерный комплекс, характеризующий степень форсированности, массу, безотказность и долговечность двигателя:
С • Р
КТЬ5 = п е • Т1 • т2 • т3.
Мдв
В связи с тем, что сопоставительный анализ технического уровня целесообразно проводить для однотипных дизелей, в безразмерном комплексе не будем учитывать показатель тактности.
Показатель транспортабельности дизеля отдельно учитывать нецелесообразно, так как он косвенно учитывается с помощью плотности компоновки и массы двигателя, входящих в критерий КТЬ5.
Технологичность (трудоемкость технической эксплуатации, обслуживания и ремонта) двигателя может быть оценена с помощью безразмерного параметра — коэффициента готовности, представляющего собой отношение:
К
Т
где ТВ — среднее время восстановления работоспособности ДВС (после возникновения отказа).
В связи с тем, что данные о ТВ, чаще всего, отсутствуют в заводской документации, целесообразно показатель технологичности двигателя определять путем экспертизы в рамках оценки его качества в целом.
В результате критериальное уравнение технического уровня примет вид:
китц = КТЬа2 • КЩ • КЩ • КТЦ =
1 --
ПДК
ПДК;
ИОх • ер
3600
О • я + с • О • я
нт е 1 нм м
С • Р
п е
МА„
где коэффициенты а, в ,5, у отражают нелинейную связь технического уровня дизеля (неравнозначности отдельных свойств) с перечисленными выше критериями.
Очевидно, что значение этих коэффициентов в настоящее время может быть определено только путем научно-технической экспертизы, поэтому на стадии отработки методики оценки примем значения этих коэффициентов равными 1.
Для более удобного анализа технического уровня прологарифмированные значения полученного критерия:
кить2 = 1п[ Китц]
или его упрощенные варианты, не учитывающие соответственно расход масла на угар, токсичность отработавших газов, а также плотность компоновки:
КитЬ = 1п
Че-8-
Сп • Ре • т • т • т3
м
дв
и
КитЬА = 1п
Че
Сп • Ре • т • т • т
м
дв
Таким образом, с помощью важнейших показателей получены критерии и критериальное уравнение, характеризующее технический уровень ДВС. Их значения приведены в табл. 3.
Выпуск 1
Таблица 3
Критерии и критериальное уравнение технического уровня
№ п/п Наименование показателя Ед. изме- рения Сравниваемые двигатели
Перспетив. дизель Заменяемый дизель Лучшие аналоги
ОАО «РУМО» 8022Д1 6ЧН 22/28 ОАО «РУМО» Г74 6ЧРН 36/45 ОАО «КЗ» 8ЧН 26/26 МаК М20С 6ЧН 20/30
1 Критерий КТЬ0 = Ще — 0,4324 0,4174 0,4437 0,4437
2 Критерий КТь1 — 0,4320 0,4170 0,4434 0,4435
3 Критерий КТь2 — 0,968 0,937 0,932 0,941
4 Критерий КТь3 — 0,418 0,391 0,413 0,417
5 Критерий КТь4 — 0,008 0,013 0,013 0,006
6 Критерий КТь5 — 273 703 33 751 161 318 433 759
7 Критериальное уравнение КиТЬ1 — 966 174 875 1022
8 Критериальное уравнение в логарифмической форме КиТЬ1 — 6,87 5,16 6,77 6,93
9 Упрощенное критериальное уравнение в логарифмической форме КиТЬ4 — 11,68 9,55 11,18 12,17
На втором этапе рассмотрим методику комплексной оценки качества судового дизеля.
Для оценки технического уровня и качества судового дизеля QSD можно использовать выражение, представляющее собой произведение коэффициента технического уровня на сумму показателей, характеризующих их дополнительные свойства (свойства 2 спку уровня):
*8» ^SD = КиТь•Ът, П,,
где КиТЬ — критериальное уравнение для оценки технического уровня судового дизеля в логарифмическом виде;
П — показатель 1-го свойства оценива-
г
емого дизеля, баллов;
т. — коэффициент весомости показателя П,;
п — число учитываемых свойств.
В число качественных свойств оцениваемого судового дизеля входят те параметры, которые могут быть оценены только путем экспертизы.
При этом используется 10-балльная шкала оценки (от 1 до 10 баллов, при отсутствии оцениваемого свойства у дизеля — 0).
Весовые коэффициенты были рассчита-
п
ны с учетом выражения I т. = 1.
1
Их перечень, числовые значения и величина весовых коэффициентов были определены в результате экспертизы, выполненной профессорско-преподавательским составом
кафедры теории и конструкции судовых ДВС ФГУ ВПО «СПГУВК».
В число показателей качества в первом приближении были включены:
— технологичность (ремонтопригодность) П1, весовой коэффициент т1 — 0,3;
— степень автоматизации П2, весовой коэффициент т2 — 0,25;
— контролепригодность П3, весовой коэффициент т3 — 0,2;
— эргономичность П4, весовой коэффициент т4 — 0,1;
— степень стандартизации и унификации П5, весовой коэффициент т5 — 0.1;
— эстетические качества П6, весовой коэффициент т6 — 0,05.
Патентно-правовые показатели ДВС целесообразно учитывать при анализе кон-
курентноспособности на том или ином рынке.
Результаты комплексной оценки технического уровня и качества судовых дизелей приведены в табл. 4.
Остальные формы ГОСТа 2.116-84 могут остаться без изменений.
Таким образом, данная методика формирования карты технического уровня и качества, учитывающая 24 различных параметра, позволяет более точно характеризовать совершенство судовых дизелей, а уменьшение объема экспертных оценок повышает их объективность.
Очевидно, что само по себе определение технического уровня и качества судового дизеля будет обладать необходимой полнотой после его сравнения ДВС аналогичного назначения, выпускаемых в России и за рубежом.
Таблица 4
Комплексная оценка технического уровня и качества судовых дизелей
№ п/п Наименование показателя Ед. изме- рения Сравниваемые двигатели
Перспек- тив. дизель Заменяе- мый дизель Лучшие аналоги
ОАО «РУМО» 8022Д1 6ЧН 22/28 ОАО «РУМО» Г74 6ЧРН 36/45 ОАО «КЗ» 8ЧН 26/26 МаК М20С 6ЧН 20/30
1 2 3 4 5 6 7
1 Технологичность балл 6 6 7 6
2 Степень автоматизации балл 8 6 7 8
3 Контролепригодность балл 7 4 7 8
4 Эргономичность балл 6 6 6 6
5 Степень стандартизации и унификации балл 6 2 4 6
6 Эстетические качества балл 4 2 3 4
7 Сумма дополнительных показателей качества с учетом их весовых коэффициентов балл 6,6 5 6,4 6,8
8 Критериальное уравнение НТУ и качества балл 45,36 25,79 43,35 47,12
9 Упрощенное критериальное уравнение НТУ и качества балл 73,59 47,76 69,31 79,09
а
Выпуск 1
В идеальном случае оцениваемые судовые дизели должны иметь одинаковое функциональное назначение, классификационные параметры и признаки, однако подобрать абсолютно точный аналог оцениваемого изделия, как правило, не удается, его приходится выбирать с некоторыми отступлениями. Кроме того, их сравнение будет достоверным в том случае, когда будут использоваться стандартизованные технические характеристики как отечественных, так и зарубежных дизелей [3].
В качестве примера оценим технический уровень и качество перспективного и серийно выпускаемого судовых среднеоборотных дизелей производства ОАО «РУМО» (соответственно 6С22Д1 — 6ЧН 22/28 и Г74 — 6ЧН 36/45), их лучших отечественного и зарубежного аналогов (продукция фирм ОАО «Коломенский завод» — 8ЧН 26/26 и МаК — М20С 6ЧН 20/30).
При этом мы преследуем цель показать работоспособность методики, не претендуя на однозначное определение качества самих
дизелей (для полноценной экспертизы необходима длительная апробация методики и более широкий круг независимых экспертов).
Карта технического уровня и качества с учетом предложенных изменений должна стать неотъемлемой частью комплекта технической документации на судовые дизели, а также использоваться на стадии техникоэкономического обоснования проектов новых судов.
Анализ результатов оценки судовых среднеоборотных дизелей, приведенных в табл. 3 и 4, не противоречит мнению специалистов, оценивающих дизели 6ЧН 22/28, 8ЧН 26/26 и 6ЧН 20/30 как имеющие примерно равный уровень технического уровня и качества.
Дальнейшее совершенствование показателей рабочего процесса, улучшение конструкции отечественных двигателей, повышение качества их производства, более низкая цена, безусловно, повысит их конкурентоспособность на российском и зарубежных рынках.
Список литературы
1. Азгальдов Г. Г. Практическая квалиметрия в системе качества: ошибки и заблуждения [Электронный ресурс]. Электрон. дан. Режим доступа: http://quality.eup.ru/aterialy5/kvalimetria.html.
2. Безюков О. К. Критерий для оценки научно-технического уровня судовых дизелей // Исследования, проектирование и эксплуатация судовых ДВС: тр. международного научно-технического семинара. — СПб., Изд-во «ПаркКом», 2006. — С. 16-19.
3. Бордуков В. Т., Федышин В. И., Михайлов Л. И. Проблемы сопоставимости параметров при сравнительной оценке отечественных и зарубежных дизелей // Двигателестроение. — 1998.
— № 7. — С. 37-41.
4. ГОСТ 10150-88. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия. — М.: Изд-во стандартов, 1988.
5. ГОСТ 2.116-84. Карта технического уровня и качества продукции. — М.: Изд-во стандартов, 1985.
6. ГОСТ 4.367-85. Система показателей качества продукции. Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Номенклатура показателей. — М.: Изд-во стандартов, 1986.
7. Конкс Г. А., Лашко В. А. Мировое судовое дизелестроение. Концепции конструирования, анализ международного опыта. — М., Машиностроение, 2005. — 512 с.
8. ГОСТ 24.060.38-83 Отраслевая система управления качеством продукции. Методика оценки технического уровня и качества продукции дизелестроения. — М.: Изд-во стандартов, 1984.
9. Повышение технического уровня дизелей ряда ЧН 18/22 // А. И. Каминский, Г. А. Конкс, В. Ф. Мельников, Е. И. Поляков. — М.: Машиностроение, 1984. — 200 с.
10. Федышин В. И., Бордуков В. Т., Азгальдов Г. Г. Критерии оценки качества современных дизелей. Двигатели внутреннего сгорания // ЦНИИТЭИтяжмаш, 4-80-31 (6001). — М., 1980. — 41 с.
