CC BY
14УДК 621.431.74
К.Д. Тимохин, А.А. Марченко
Камчатский государственный технический университет, Петропавловск-Камчатский, 683003 e-mail: [email protected]
РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ ДИАГНОСТИКИ СУДОВОГО МАЛООБОРОТНОГО ДИЗЕЛЯ
В условиях устаревания флота актуальной становится проблема продления максимального срока эксплуатации судовых дизелей. Это приводит к постоянному увеличению отказов судового оборудования. Существующие системы диагностирования технического состояния судового оборудования не позволяют решить данную проблему. Авторами данной статьи предложен способ компьютерной диагностики судовых дизелей. Для этого были рассмотрены и актуализированы существующие неисправности и разработаны методы их своевременной диагностики.
Ключевые слова: судовой дизель, диагностика, неисправности, турбонаддув.
K.D. Timohin, A.A. Marchenko
Kamchatka State Technical University, Petropavlovsk-Kamchatsky, 683003 e-mail: [email protected]
DEVELOPMENT OF METHODS FOR FUNCTIONAL DIAGNOSTICS OF A MARINE
LOW-SPEED DIESEL
In the conditions of fleet obsolescence, the problem of extending the maximum service life of marine diesel engines becomes urgent. This leads to a constant increase in ship equipment failures. Existing systems for diagnosing the technical condition of ship equipment do not solve this problem. The author of this article offers a method for computer diagnostics of marine diesel engines. For this purpose, existing malfunctions were reviewed and updated and methods for their timely diagnosis were developed.
Key words: marine diesel, diagnostics, malfunctions, turbocharging.
На сегодняшний день ввиду морального и физического устаревания морского флота проблема своевременного диагностирования технического состояния судовых дизелей становится актуальной. Средний возраст судов по дальневосточному региону составляет не менее 25 лет, что является крайне низким показателем в мире.
Подавляющая масса судовых устройств имеет высокую наработку и требует полной замены или увеличения срока эксплуатации. Увеличение срока эксплуатации на сегодня привело к тому, что большинство судовых дизелей подвергалось ремонту, причем необходимо отметить, что ремонт этот проводился не заводом-изготовителем, а на частных судоремонтных предприятиях. После проведения ремонта часто установленные сроки безаварийной работы не соответствуют действительности. В условиях промысла выход из строя основного оборудования может привести к остановке промысла, что может крайне негативно сказаться на экономических показателях рейса. Финансовые потери ввиду простоя на промысле могут оказаться в итоге многократно больше, чем затраты на ремонт.
Все это делает применение систем диагностирования необходимым требованием на судах морского флота.
Система технического диагностирования позволяет постоянно определять техническое состояние систем и показывать рекомендации о дальнейшем безаварийном использовании оборудования. Таким образом, в случае приближения объекта к аварийному состоянию становится возможным своевременное принятие решения о его выводе из эксплуатации или о переводе
системы в частично разгруженное состояние со своевременным принятием необходимых мер, позволяющих избежать аварийной ситуации.
Разработка автоматизированной системы технического диагностирования состояния судового оборудования, способной осуществить своевременное обнаружение неисправности, является важной задачей (своевременное обнаружение неисправностей, локализация неисправностей основных узлов и агрегатов, а также прогнозирование ресурса состояния) [1].
Для определения точки режима нагружения двигателя необходимо в первую очередь произвести измерение скорости вращения коленчатого вала. Также необходимо определить значение среднего давления Рт в каждом цилиндре и произвести регулировку индикаторного давления между различными цилиндрами двигателя.
Для учета межцикловой нестабильности при индицирован ии цилиндров необходимо производить обработку около десяти циклов, выполняемых последовательно. Далее нужно рассчитать индикаторную и эффективную мощности, затем по точкам составить диаграмму нагрузок двигателя (рис. 1). Определение соответствия давления наддува Р$ст> и эффективной мощности двигателя Ре осуществляется с использованием эталонной кривой, приведенной ниже (рис. 2).
Рис. 1. Частота вращения коленчатого вала
5000 10000 15000 20000
Э(|5фективная мощность двигателя Ре, (л.с.)
Рис. 2. Зависимость давления наддува и эффективной мощности двигателя
Опыт показывает, что зависимость между параметрами РХст> и Ре носит линейный (или очень близкий к линейному) характер в широком диапазоне режимов нагружения двигателя. Если проверка показывает, что измеренное в эксплуатации значение Р$ст> на 0,2-0,3 бара (и более) ниже эталонного значения параметра, то это свидетельствует о снижении эффективности системы воздухоснабжения двигателя (причины могут быть различными: снижение КПД компрессорной или турбинной ступени турбокомпрессора, снижение энергии выпускных газов подводимой к турбинной ступени ТК, загрязнение соплового аппарата турбокомпрессора, воздухофильтра или охладителя наддувочного воздуха, повышенное противодавление за турбиной).
Оценка соответствия давления конца процесса сжатия в цилиндрах Рсотр и давления наддува Pscav осуществляется для диагностирования неплотности камеры сгорания двигателя. Взаимосвязь параметров Рсотр и Р^ж описывается линейной зависимостью (рис. 3).
Рис.
0.5 1.0 1.5 2.0 2.5
Давление продувочного воздуха в ресивере Ргсау. бар
3. Зависимость давления в цилиндре в конце такта сжатия от давления продувочного воздуха
При получении данных о Pcomp (рис. 4), не соответствующих эталонным значениям, можно сделать выводы о неудовлетворительном состоянии поршневых колец. В данной ситуации необходимо провести внешний обзор колец через продувочные окна цилиндровой втулки. Также данная информация может свидетельствовать о прогорании шпинделя клапана.
Рис. 4. Вид дисплея компьютера СТД, отображающего индикаторную диаграмму дизеля с представлением величин Pmax, Роотр и Pmi
Кроме того, причиной отклонения от заданного значения может быть неплотность пускового клапана [2]. В данном случае необходима немедленная диагностика. Для этого достаточно произвести замер температуры патрубка подвода пускового воздуха к крышке цилиндра. В таком случае будет зафиксировано сильное увеличение температуры.
Также нарушения взаимосвязи Роотр и Pscav могут быть связаны с нарушением фазы закрытия выпускного клапана. В свою очередь, это может привести к изменению сжатия заряда в цилиндре. Поэтому необходимо до проведения диагностики судового дизеля контролировать натяжение главной приводной цепи. Для исключения рассмотренной неисправности необходимо осуществлять контроль правильности установки газовыпускных кулачных шайб на распределительном валу двигателя.
Определение соответствия максимального давления сгорания Ртах эффективной мощности двигателя Ре осуществляется регулированием Ртах таким образом, чтобы оно соответствовало эталонному значению, полученному в ходе стендовых испытаний на заводе-изготовителе дизеля. Желательно на неработающем двигателе заранее выполнить проверку правильности установки топливных кулачных шайб. Регулировка уровня Ртах осуществляется изменением опережения подачи топлива (в зависимости от конструкции насоса регулировка выполняется установкой или выемкой регулировочных прокладок топливного насоса, либо регулированием системы).
Заметное снижение уровня Pmax при нормальных значениях Pcomp и угла опережения подачи топлива свидетельствует об износах плунжерной пары насоса и/или о неплотности всасывающего клапана, установленного в крышке топливного насоса. В этом случае требуется повторно осуществить при помощи СТД контроль процесса впрыска топлива в цилиндр.
Оценка эффективности системы турбонаддува осуществляется на основе оценок адиабатического КПД компрессорной ступени.
Результаты оценки эффективности турбокомпрессоров приведены на графике (рис. 5).
s
о.
О и
ф D.9D EL. Г 5
2 D.7D О U3 ■Q.
D.5D
ч
л D.-50 —■—■—■—■——■—■—■—■——■—■—■—■——■—■—■—■——■—■—■—■—
— на D.S 1.D ".Е; 2.D 2£
Давление продувочного воздуха Р scav, (бар)
Рис. 5. Оценка эффективности турбокомпрессоров
К системам турбонаддува достаточно высокой эффективности можно отнести те системы, у которых на эксплуатационных режимах КПДсотр = 0,80-0,83.
Оценка эффективности воздухоохладителей осуществляется на основе параметра, представляющего разность dt = tscav - tsea water, где tscav - температура продувочного воздуха в ресивере, tSea water - температура охлаждающей воды на входе в охладитель (рис. 6).
25 20
: о
S °
í Í 15 Т Í
а
- I 10
II i
■f ы
а
5 0
0.0 0.5 1.0 1.5 20 2.5
Давление продувочного воздуха (Pscav), бар (избыт.)
Рис. 6. Оценка эффективности воздухоохладителей
Для нового (чистого) охладителя, как показывают стендовые испытания двигателей, данн ая разность температур, как правило, не превышает 12-15°C.
Результаты диагностирования охладителей воздуха в эксплуатации показали, что они находятся в плохом техническом состоянии. Как видно из рис. 6, на долевых нагрузочных режимах (Pscav = 1, 11, 4 бар) величина dt достигала уровня 17-19°C. На режимах, близких к номинальной мощности двигателя, следует ожидать, что величин а dt приблизится к 25°C, что значительно превышает предельно допустимый уровень.
Как показала в последующем ревизия охладителей, они действительно были в очень плохом состоянии (массовое выпадение пластин, практически полное отсутствие фиксации оставшихся пластин на охлаждаемых водой трубках).
После проведения исследований можно сделать следующие выводы. Проведение диагностики судовых дизелей на судах является необходимой мерой снижения количества аварийных случаев и соответствующих случаев простоя судна. Разработка новых методов технического диагностирования судового оборудования является актуальной, так как существующие методы не охватывают весь спектр задач, ставящихся перед системами технического диагностирования.
Сравнительный анализ нескольких методов диагностирования позволил оценить их эффективность и сформулировать требования к уменьшению отказов оборудования на судах. Проведенные исследования позволили отделить каждый рассмотренный метод в отдельные подсистемы с целью их дальнейшего применения в той или иной области, а также позволили выявить преимущества и недостатки различных методов. Приведение рассмотренных диагностируемых параметров в единую систему позволит уменьшить затраты на плановые, а также внеплановые ремонты судовых дизелей в будущем.
Литература
1. Труднев С.Ю. Разработка компьютерной модели параллельной работы генераторного агрегата и трехфазного безынерционного источника питания // Вестник государственного университета морского и речного флота имени адмирала С.О. Макарова. - 2015. - Т. 30. - № 2. -С.191-197.
2. Труднев С.Ю. Компьютерное моделирование полупроводниковых преобразователей // Вестник Камчатского государственного технического университета. - 2020. - № 52. - С. 18-26.
