Оценка технического состояния высокооборотных двигателей морских судов на основе контроля и обобщения теплофизических параметров в эксплуатации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Лисаченко Алексей Витальевич

• Лисаченко Алексей Витальевич
• кандидат наук
• 2024

Оглавление диссертации кандидат наук Лисаченко Алексей Витальевич

Введение

ГЛАВА 1. Анализ условий технической эксплуатации современных высокооборотных двигателей. Постановка задачи исследования

1.1 Особенности эксплуатации современных высокооборотных двигателей

1.2 Примеры отказов и повреждений элементов современных высокооборотных двигателей в эксплуатации

1.3 Анализ литературных источников, посвященных контролю и оценке технического состояния главных высокооборотных двигателей

1.4 Постановка задачи исследования

Глава 2. Объекты и методика исследования теплофизических параметров современных высокооборотных двигателей в условиях эксплуата- 39 ции

2.1 Объекты исследования

2.2 Система электронного управления высокооборотных двигателей Caterpillar

2.3 Методика экспериментального исследования теплофизических параметров современных высокооборотных двигателей в эксплуатации.... 52 Глава 3. Исследование теплофизических параметров современных главных высокооборотных двигателей фирмы Caterpillar морских судов

в условиях эксплуатации

3.1 Режимы эксплуатации двигателей Caterpillar морских судов

3.2 Сравнение результатов контроля расхода топлива судовых главных высокооборотных двигателей фирмы Caterpillar различных моделей

3.3 Результаты экспериментального исследования теплофизических параметров главных двигателей Caterpillar серии САТ 3516В

3.4 Результаты экспериментального исследования теплофизических па-

раметров главных двигателей Caterpillar серии САТ 3512В

3.5 Результаты экспериментального исследования теплофизических параметров главных двигателей Caterpillar серии САТ С32

Глава 4. Обобщение и разработка рекомендаций по нормированию теплофизических параметров главных высокооборотных двигателей Caterpillar в широком диапазоне изменения режимов работы

4.1 Обобщение эксплуатационных теплофизических параметров высокооборотных двигателей Caterpillar с использованием пакета Microsoft Excel

4.2 Обобщение эксплуатационных теплофизических параметров ВОД Caterpillar при использовании статистических библиотек современных

баз данных пакета Python

4.3 Применение разработанного метода контроля и обобщения тепло-физических параметров двигателей Caterpillar для оценки необходимости регламентного ремонта

4.4. Применение полученных регрессионных зависимостей и предложений по нормированию теплофизических параметров на примере двигателей Caterpillar модели 3512В

4.5 Модернизация и применение системы контроля теплофизических

параметров, согласно разработанной методики в эксплуатации

Заключение

Список литературы

Приложение

Приложение

Приложение

Приложение

Акты внедрения

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АПС и З - аварийно-предупредительная сигнализация и защита; АЧБ - Азово-Черноморский бассейн;

ACERT - технология системы очистки двигателя Caterpillar;

БЭУ - блок электронного управления;

ВОД - высокооборотный двигатель;

ВТК- высокотемпературный контур;

ГД - главный двигатель;

ГПУ - газопоршневая установка;

ЗВ - забортная вода;

РМРС - Российский Морской Регистр судоходства; ЛБ - левый борт;

МАНС - морские автономные надводные суда;

МАКО - международная ассоциация классификационных обществ;

МБ - морской буксир;

НИР - научно-исследовательская работа;

ОГ - отработавшие газы;

ОЖ -охлаждающая жидкость

ОНВ - охладитель наддувочного воздуха;

ПБ - правый борт;

САТ ЕТ - система контроля теплофизических параметров фирмы Caterpillar;

САТ - двигатель фирмы Caterpillar;

ССН- судно специального назначения;

СОД - среднеоборотные двигатели;

СТС - судовые технические средства;

ТК - турбокомпрессор;

ТО - техническое обслуживание;

ТС - техническое состояние;

ЦПГ - цилиндропоршневая группа.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Оценка технического состояния высокооборотных двигателей морских судов на основе контроля и обобщения теплофизических параметров в эксплуатации»

Введение

Актуальность темы исследования. В Российской Федерации в 21 веке стремительными темпами развивается морской флот, включая суда обеспечения, буксиры, суда типа река-море. Такие суда оснащаются современными высокооборотными двигателями (ВОД), имеющие в своей системе блок электронного управления. Выполненный анализ, построенных морских судов портового флота в РФ, показал, что (рисунок 1.2): большинство двигателей импортного производства; 69% доли ВОД -это двигатели фирмы Caterpillar; значительную часть времени эксплуатации ВОД работают на частичных нагрузках (менее 50% от номинальной); наработка ВОД составляет до 2500 часов в год; такие ВОД предполагают регулярные регламентные работы, которые в настоящее время затруднены; в процессе эксплуатации ВОД зарождаются отказы и повреждения на частичных нагрузках, а существующая система предупреждения и защиты двигателей, например, Caterpillar, ориентирована на режимы работы двигателей близким к номинальным.

Отсутствие сервисного обслуживания электронноуправляемых ВОД, возникающие отказы на частичных нагрузках и повреждения элементов ВОД и т.д., приводят к снижению безопасности мореплавания, простою судов, значительным затратам судовладельцев на ремонт. В связи с этим, актуальны задачи, связанные с комплексом мер по контролю, обобщению и разработке предложений по нормированию параметров работы ВОД на частичных нагрузках.

Степень разработанности. Конструктивными особенностями и рассмотрением вопросов связанных с протеканием процессов тепловыделения в цилиндре судового дизеля, диагностикой судового оборудования занимаются такие ведущие организации и ВУЗы, как: МГТУ им. Н.Э. Баумана, ФГУП Крыловский Государственный Научный Центр, ЦНИИМФ, ФГБОУ ВО «ГУМРФ имени адмирала С. О. Макарова», ФГБОУ ВО «ГМУ им. адмирала Ф.Ф. Ушакова» и т.д. В работах современных ученых: Иващенко Н.А., Жукова В.А., Возницкого В.Н., Соловьёва А.В., Равина А.А., Иванченко А.А., Кулешова А.С. - рассматриваются задачи, связанные с проектированием и совершенствованием двигателей. Но все эти работы не затрагивают вопро-

сы контроля и обобщения теплофизических параметров ВОД в широком диапазоне изменения нагрузки в период эксплуатации судов.

В настоящее время фирмы-изготовители, например "Caterpillar", стали уделять внимание контролю технического состояния механизмов средствами диагностических комплексов. Однако, система предупреждения ВОД по теплофизическим параметрам работает только на номинальных режимах, применение и обработка данных полученных с диагностических комплексов, рекомендованных заводом изготовителем, не проводится и не учитывается как судовладельцами, так и РМРС для снижения эксплуатационных затрат, повышения безопасности эксплуатации.

Диссертация посвящена решению важной научно-технической задачи по обоснованию метода оценки технического состояния ВОД морских судов на основе контроля, обобщения и разработки предложений по нормированию теплофизиче-ских параметров в широком диапазоне изменения режимов эксплуатации.

Объект исследования- современные судовые главные ВОД различных моделей САТ.

Предмет исследования. Теплофизические параметры главных ВОД различных моделей САТ в широком диапазоне изменения режимов работы.

База исследования. Работа выполнена в ФГБОУ ВО «Государственный морской университет имени адмирала Ф.Ф.Ушакова». Экспериментальные исследования по теме диссертации проводились на морских судах Азово-Черноморского бассейна.

Цель и задачи работы.

Целью работы является - формирование комплекса научно-обоснованных технических решений оценки технического состояния высокооборотных двигателей Caterpillar (САТ) морских судов на основе контроля, обобщения и разработки рекомендаций по нормированию теплофизических параметров в широком диапазоне изменения режимов работы.

Достижение поставленной цели осуществляется на основе решения следующих задач:

- анализ условий и проблем технической эксплуатации современных главных высокооборотных двигателей САТ морских судов;

- разработка методики контроля и оценки технического состояния по основным теплофизическим параметрам главных ВОД в эксплуатации;

- проведение экспериментальных исследований по контролю теплофизических параметров двигателей CAT морских судов различного назначения в широком диапазоне изменения режимов работы;

- обобщение теплофизических параметров высокооборотных двигателей CAT различной модификации в широком диапазоне изменения режимов работы;

- разработка рекомендаций по нормированию теплофизических параметров и системы контроля в широком диапазоне изменения режимов работы.

Научная новизна диссертации заключается в решении сформулированной проблемы и полученных научных результатов:

- обобщении теплофизических параметров главных ВОД Caterpillar различных моделей морских судов в виде аппроксимационных зависимостей температуры отработавших газов, давления наддува, расхода топлива, относительной мощности от частоты вращения коленчатого вала двигателя в широком диапазоне изменения режимов эксплуатации;

- в получении регрессионной математической модели теплофизических параметров в широком диапазоне изменения режимов работы двигателя, которая позволяет оценить отклонения от нормального технического состояния ВОД CAT различных моделей в эксплуатации;

- в предложении рекомендаций по нормированию теплофизических параметров главных ВОД САТ различных моделей морских судов в широком диапазоне изменения режимов работы.

Теоретическая и практическая значимость работы состоит в:

- выполненном обобщении экспериментальных данных контроля теплофизиче-ских параметров главных ВОД САТ и полученных регрессионных уравнениях теп-

лофизических параметров в широком диапазоне изменения режимов работы, которые использованы при оценке технического состояния двигателей в эксплуатации;

- рекомендациях по нормированию теплофизических параметров главных ВОД САТ различных моделей;

- внедрение разработанной методики и предложений по нормированию тепло-физических параметров ВОД САТ при контроле технического состояния двигателей на морских судах. Которая применена на морских судах: проекта Р-01003 постройки ССЗ «Astilleros Armon», г. Навиа, Испания ( мб «Бравый»,мб «Бойкий», мб «Булатный», мб «Бурный», мб «Бодрый»), проекта TSHD 100 постройки ССЗ «Красное Сормово» (т/х «Соммерс», т/х «Кадош»);

- образцы модернизированной системе оценки технического состояния высокооборотного двигателя на основе предложенной методики, которая установлена на морском судне БТ «Феникс 1» проекта 193 ССВ «Краншип».

Методология и методы исследования основываются на использовании экспериментальных методов, проведения натурных измерений и испытаний с использованием штатных измерительных приборов. Для решения поставленной цели и задачи использован достаточный объем выборок, их статистический анализ и обработка данных на ЭВМ с использованием средств Microsoft Excel и пакета библиотек Pay-ton. Экспериментальные исследования ВОД проводились на морских судах различного назначения в Азово-Черноморском бассейне.

Положения, выносимые на защиту:

- результаты экспериментальных данных по контролю теплофизических параметров главных ВОД фирмы САТ и их статистическая обработка пакетом библиотек Payton и Microsoft Excel;

- математическая модель изменения теплофизических параметров в зависимости от режима работы двигателей;

-предложения по нормированию значений теплофизических параметров главных ВОД САТ в эксплуатации на основе статистической обработки результатов их контроля;

- экспериментальные образцы контролера аварийно-предупредительной сигнализации контролируемых теплофизических параметров в широком диапазоне режимов работы ВОД морского судна.

Степень достоверности и апробации

- использовались апробированные и признанные методы и методики экспериментальных натурных исследований;

- применялись измерительные комплексы и датчики, прошедшие метрологическую поверку в соответствии с ГОСТ 8.326-89;

- при обработке результатов использовались известные статистические и

математические методы;

- рекомендации, разработанные в результате исследований, внедрены в практику эксплуатации ВОД морских судов портового и вспомогательного флота.

Материалы диссертации докладывались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава государственного морского университета им. адм. Ф.Ф.Ушакова (г. Новороссийск 2011-2023г.); Международной научно-технической конференции «Двигатели - 2013» (г. Хабаровск 2013 г.); Третьей Всероссийской научно-технической конференции «Актуальные проблемы морской энергетики» (г. Санкт-Петербург2014 г.); «Морские технологии: проблемы и решения- 2023» (г. Керчь 2023 г.).

Публикации. По результатам исследования опубликовано 15 работ, в которых отражены основные положения диссертационной работы, включая 10 публикаций в рецензируемых научных журналах из списка ВАК России, 2 патента на изобретение. Публикации выполнены в соавторстве, авторская доля более 70%.

Достоверность научных результатов обеспечивается комплексным использованием системы диагностики в соответствии с разработанной программой испытаний.

Структура и объем диссертационной работы. Диссертация объемом 142 страницы, состоит из титульного листа, оглавления, введения, четырех глав текста диссертации, списка литературы из 112 наименований, 18 таблиц, заключения, 5 приложений объемом 51 страницы, актов внедрения объемов 5 страниц.

ГЛАВА 1. АНАЛИЗ УСЛОВИЙ ТЕХНИЧЕСКОЙ ЭКСПЛУАТАЦИИ СОВРЕМЕННЫХ ВЫСОКООБОРОТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ. ПОСТАНОВКА

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1 Особенности эксплуатации современных высокооборотных

двигателей

ВОД нашли свое применение и широко используются как на морском транспорте, так и в промышленности (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 - Классификация высокооборотных двигателей по назначению и роду

топлива

На современных морских судах (рисунок 1.2) находят широкое применение высокооборотные двигатели (рисунок 1.3), которые входят в состав судовой энергетической установки и используются в качестве главных и вспомогательных двигателей. В связи с ростом, с начала 2000 года, внешнеторгового оборота в морских портах РФ эксплуатируются новые морские суда: буксиры, буровые платформы, земснаряды, суда снабжения и т.д., дедвейтом от 20 т до 800 т. На таких судах устанав-

Рисунок 1.2 - Пример расположения высокооборотных двигателей САТ на

современном судне

ливаются ВОД различных фирм: «Caterpillar», «Cummins», «MTU», «MАN» и др. мощностью от 200 кВт до 2500 кВт (рисунок 1.3) [7, 44, 45, 74].

Рисунок 1.3 - Диаграмма распределения по производителям судовых высокооборотных двигателей, устанавливаемых в качестве главных [7]

По данным проведенного анализа, за период 2000 - 2021 г.69% судов в РФ под наблюдением РМРС используют ВОД фирмы «Caterpillar» [63]. Из них, наиболее распространенными являются модели САТ С32, САТ 3512, САТ3516 (рисунок 1.4). Современное, электронное управление двигателем позволяет ограничить уча-

Рисунок 1.4- Диаграмма моделей исследуемых двигателей Caterpillar стие в его работе обслуживающего персонала и выполнить визуализацию ограниченного количества теплофизических параметров на монитор панели управления. Блок электронного управления, входящий в систему электронного управления двигателем «Caterpillar», расположен в панели управления и аккумулирует в себя входящие сигналы от датчиков контроля и выполняет сравнение с предельными, заложенными в программное обеспечение, критическими параметрами в соответствии с данными завода-изготовителя (приложение 2, табл. П2-1 - П2-5). После обработки этих данных, БЭУ выполняет заданную команду и подает управление на электронные насос-форсунки. Такая система электронного управления позволяет минимизировать количество обслуживающего персонала до одного-двух человек в машинном отделении судна.

В таблице 1.1 приведены основные характеристики исследуемых двигателей различных фирм производителей и их моделей, эксплуатирующихся на морских судах Азово-Черноморского бассейна.

САТ3508 6%

С18 ^ 10*

нш ^жи

Таблица 1.1 - Технические характеристики современных главных ВОД морских су-

дов [43-45]

Модель Количество цилиндров Номинальная частота вращения (пгд), мин-1 н I s <и £ SS X л 4 CÖ 5 s о И cö S Л H о о X В о s Б/а Цилиндровый рабочий объем (У^ Суммарный рабочий объем Частота вращения ТК, мин-1 Система впрыска топлива Турбонаддув, максимальное значение давления наддувочного воздуха, Рн маХг кПа Температура отработавших газов (о), 0С максимальное значение

MTU Friedrichshafen GmbH (Германия)

«MTU» 10 2450 1120 13,5/1 2,23 22,3 до «Common регист- 700

10V2000 5,6 80000 Rail» ровый,

М93 400

Caterpillar (США)

12 1800 1230 17/19 4,3 51,8 до Насос- Простой 650 -

CAT 3512B 80000 форсунки газотурбинный, 300 728

CAT 3516B 16 1800 1491, 17/19 4,3 69,1 до 650 -

5 80000 728

CAT 3516С- 16 1600 2110 17/21, 4,87 78 до 650 -

HD 5 5 65000 728

CAT C32 12 1890 746 14,5/1 6,2 2,7 32 до 80000 650 -728

MA^

«МА№> 12 2300 1324 12,8/ 24,2 до «Common Простой 500

У12-1800 15,7 80000 Rail» газотурбинный, 300

«Cummins»

KTA 16 1500 1205 3,12 50 Насос- Простой

50G3 5 форсунки газотурбинный 300

KTA 38G2A 12 1500 915 3,16 7 38

Из таблицы 1. 1 видно, что все рассматриваемые двигатели примерно одинаковы по массогабаритным показателям,У-образные с наддувом. Отличительной особенностью технической характеристики ВОД различных фирм является система подачи топлива и организация системы наддува [32, 43-45, 53-55].

За весь период времени работы судна нагрузка на главные двигатели морских буксиров минимальная и лежит в пределах 5 - 50% N ен 0 м. Это связано с особенностью работы флота в акватории порта, где прохождение буксира на малых оборотах коленчатого вала двигателя до места проведения швартовных операций занимает больше времени, чем сама операция [7, 44 ]. На рисунке 1.5 приведена, в качестве примера, зависимость времени работы ВОД на различных нагрузках. Такое распределение нагрузок характерно для всех буксиров.

Рисунок 1.5 - Гистограмма относительных нагрузок главных двигателей САТ 3512В морских буксиров за весь период эксплуатации с 2002г.

В процессе эксплуатации морских судов на дизелях с разными системами наддува (рисунок 1.6) были проведены натурные исследования с использованием компьютерной программы САТ ЕТ для определения и сравнения теплофизиче-ских параметров на различных режимах работы в условиях, при которых определены номинальные характеристики согласно таблицы 1.3.

Таблица 1.3 - Условия, предъявляемые к ВОД в эксплуатации [103]

Условия, при которых определены номинальные характеристики (SAEJ1349, ISO 3046/1, ГОСТ Р 52517-2005, DIN 6271, BS 5514)

Атмосферное давление, кПа 100

Температура воздуха перед ТК, °С 25

Относительная влажность, % 60

Температура воздуха на выходе из воздухоохладителя, °С 50

Температура забортной воды на входе в двигатель, °С 42

Низшая теплотворная способность дизельного топлива, кДж/кг 42780

Плотность по API при 15 °С , ° 35

Удельный вес при 15 °С 0,849

Плотность, кг/м 850

В качестве параметров, как пример [45], характеризующих работу системы наддува на исследуемых разных двигателях приняты: температура отработавших газов (tOT), давление наддува (рн) и относительная мощность двигателя (Nе) в зависимости от оборотов коленчатого вала (пгд). Зависимость tw от пгд для ГД «MTU» 10V2000 M93 и «Caterpillar» CAT 3512B представлена на рисунке 1.6.

Из рисунка 1.6 видно, что температура отработавших газов двигателя «MTU» (линия 1) при пгд = 600 мин-1 составляет 200 °С. При увеличении пгд в диапазоне частот вращения 1100^1700 мин-1, в момент подключения к работе второго ТК, температура отработавших газов увеличивается и находится в пределах от 450...520 °С.

При увеличении частоты вращения двигателя свыше 1900^2000 мин-1 в ра-

боте находятся два ТК. При пгд =2400 мин-1, температура отработавших газов увеличивается до 680 °С. Температура отработавших газов двигателя «Caterpillar» (линия 2), при пгд=700 мин-1, составляет 240 °С, а затем, при увеличении пгд= 1200 мин-1 достигает 440 °С и, далее, при пгд =1500 мин-1 ее значения составляют 470 °С.

S00

■ 700

с

£ 600 I

- 500

I и 400

71 Ч

0 300

р 200

1 100

о

500 700 300 1100 1300 1500 1700 19Q0 2100 2300 2500 Частота Еращенняколенчатого вала ГД7пГД7 мнн-1

Рисунок 1.6 - Зависимость температуры отработавших газов ГД

от частоты вращения [45]:

1 - ГД «MTU» 10V2000 M93; 2 - ГД «Caterpillar» CAT 3512

Предельное значение температуры двигателей MTU и САТсогласно инструкции завода-изготовителя устанавливается соответственно 750 °С и 650 °С.

Анализ, приведенных рисунков 1.5 и 1.6, показывает, что, даже, на относительно малых нагрузках (30 - 50%N vho м, при этом обороты коленчатого вала двигателя составляют более 1100 мин-1) температура отработавших газов лежит в пределах 450 - 500°С и, далее при увеличении нагрузки на двигатель, может достигать 700 °С.

ВОД устанавливаются в большинстве случаев, как в морской отрасли, так ив различных отраслях промышленности, добывающего комплекса, жилищно-коммунального хозяйства, газопоршневых мини-теплоэлектростанций. В качестве

1 2 : _ | —1 --*

/ I ---# —4 -■ .

J'

1 • Y

примера, на рисунке 1.7, представлена география применения ВОД в Краснодарском крае.

В составе ГПУ, в качестве двигателей, применяются ВОД с наддувом мощностью от 0,22 до 2 МВт, фирмыMWM DeutzEnergy(Германия), Caterpillar (США), Perkins (Великобритания) и т.д.

Рисунок 1.7 - География исследуемых высокооборотных двигателей в промышленности

ВОД этих установок используют современную систему наддува, V-образные, оснащены БЭУ, топливная система работает на природном газе. В качестве агрегата наддува применяются ТК с РОС турбиной различных производителей, например, фирмы АВВ Turbo System Ltd, типа TPS с максимальной частотой вращения до 60х103 мин -1 (1000 Гц).

Таким образом, анализ эксплуатации современных ВОД показывает:

- ВОД фирмы «Caterpillar» находят широкое применение на морских судах вспомогательного флота Азово-Черноморского бассейна РФ;

- Контроль работы ВОД осуществляет электронная система управления;

- Электронная система управления позволяет выполнять контроль теплофизи-ческих параметров в эксплуатации по предельным параметрам, запрограммированным заводом-изготовителем;

- Электронная система управления не может накапливать данные за весь период эксплуатации ВОД

- Более 80% времени за весь период эксплуатации ВОД приходится работа на режимах малых и частичных нагрузках;

- Рабочая температура отработавших газов двигателей при таких различных нагрузках более 450 °С, при максимально допустимой уставке завода-изготовителя равной 650-728 °С.

- В таком диапазоне температур и на таких нагрузках случаются отказы и аварии ВОД и их элементов.

Поэтому необходимо на таких малых режимах работы ВОД вводить ограничительные значения теплофизических параметров, которые давали бы экипажу сигнал о каком-либо изменении в работе системы двигателя.

Применение электронной системы управления в эксплуатации пренебрегается Судовладельцами, и не используется ими для оценки технического состояния. Как показывает практика, периодический контроль теплофизических параметров в эксплуатации необходим для выполнения анализа о техническом состоянии ВОД. Расширенный анализ контроля с помощью программы САТ ЕТ дает возможность накапливать данные по теплофизическим параметрам, что позволит:

-Выполнить анализ эксплуатации на различных режимах работы ВОД;

-Выявить и устранить возможные причины возникновения отказов;

- Увеличить эксплуатационное время и сократить продолжительность ремонта;

- снизить трудозатраты на ремонт, техническое обслуживание и т.д.

1.2 Примеры отказов и повреждений элементов современных высокооборотных

двигателей в эксплуатации

Анализ литературных источников показывает, что сегодня большое количество трудов посвящены изучению конструктивных особенностей ВОД [3, 8, 9, 12, 26, 33, 34, 41,56, 72, 74, 83]. Однако нет публикаций, посвященных анализу технической эксплуатации современных главных ВОД и их отказам.

На рисунке 1.8 показаны статистические данные по отказам элементов ВОД фирмы "Caterpillar" в течение 10 лет эксплуатации (таблица П.1, рисунок П.1-П.5). Отказы, представленные в таблице П1, были выявлены в ходе проведения контроля параметров с помощью системы САТ ЕТ ВОД, выделены по группам и указаны ориентировочные затраты на ремонт, которые составляют несколько десятков миллионов Рублей

ВОД фирмы ATbRPILL AR_\

Г 1 1

вадувь L J 1

Ejioe снлвнпрог

Цнлинзр o-лор НИИ группа

Ыазннстш гаюраспр^-

Т^Т-ТПТП

"iaip im на жрпрвдш хде лхш рзаоЕГ =x.=tozbq

'Г

ПрИ1ЕрИО Прнызрэо

10-12 нш.

кли. руб. руе;

Прнигаг

Id Б. руз

Рисунок 1.8- Статистические данные по отказам элементов ВОД фирмы "Caterpillar"

Из рисунка 1.8 видно, что большинство отказов приходятся на систему наддува и механизм газораспределения двигателя. В качестве примеров, рассмотрим некоторые отказы по системам двигателя САТ.

Пример 1. ВОД фирмы Caterpillar, установленный в качестве одного из главных двигателей на буксире 2014 года постройки [6].

Главные двигатели модели САТ С32, работающие на ВФШ; наработка двигателя составляет 6500 часов. В период проведения контроля теплофизических параметров, был выявлен отказ охладителя наддувочного воздуха, вследствие чего судно выведено из эксплуатации (рисунок 1.9).

Рисунок 1.9 -Фото элементов главного высокооборотного двигателя САТ С 32 фирмы Caterpillar

Анализ осмотра деталей двигателя после его частичной разборки специалистами сервисной компании, одобренной фирмойCaterpillar и РМРС, показал:

1. Выявлено нарушение плотности охладителя наддувочного воздуха. Обнаружена протечка воды в охладителе при испытании под давлением полости охладителя наддувочного воздуха (рисунок 1.9,а).

2. Отсутствие легкости вращения ротора турбокомпрессора (ТК) двигателя. Обнаружено подклинивание ротора ТК в некотором положении, рабочие лопатки турбины ТК имеют следы коррозии (рисунок 1.9, б).

3. Значительное коррозионное отложение на стенках коллектора отработавших газов (рисунок 1.9,в).

4. Коррозионное отложение на деталях цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателя: выхлопные клапана и тарелки клапанов цилиндров двигателя №6,8,10,12 (рисунок 1.9,г).

5. На остальных деталях двигателя, таких как, штоки впускных клапанов, кулачков распределительного вала, шестерен, валов коромысел цилиндров, насос-форсунок цилиндров, распылителей насос-форсунок, поверхности огневой части поршней и зеркал цилиндров отсутствуют или имеются незначительные следы коррозии.

На рисунке 1.10 приведена принципиальная схема системы охлаждения двигателя САТ С32. В качестве рабочей среды системы охлаждения антифриза высокотемпературного контура двигателя является забортная морская вода (ЗВ), проходящая через охладитель наддувочного воздуха (ОНВ) (9). Давление, создаваемое насосом ЗВ (11), позволяет пропустить забортную воду через все полости сот ОНВ и качественно выполнить теплообмен в охладителе высокотемпературного контура (1 и 2). Важным элементом в системе охлаждения является термостат (4), который регулирует скорость нагрева антифриза при прогреве двигателя (10 и 12) и поддержание его температуры в заданном заводом -изготовителем рабочем режиме. Когда температура антифриза ниже нормальной рабочей температуры, термостат закрывается и антифриз, проходящий через турбокомпрессор (8) и выхлопной коллектор(6), дви-

жется через байпасный канал на всасывание насоса охлаждения(7), и поступает обратно в зарубашечное пространство двигателя (12) через масляный охладитель (13).

Рисунок 1.10 - Схема системы охлаждения охладителя наддувочного воздуха

двигателя САТ С32 морской водой 1 - топливный охладитель; 2 - водоводяной охладитель; 3 -масляный охладитель редуктора; 4 - регулятор температуры пресной воды; 5 - выхлопной трубопровод;

6 - коллектор отработавших газов; 7 - насос охлаждения зарубашечного пространства блока цилиндра; 8 - турбокомпрессор; 9 - охладитель наддувочного воздуха; 10 - головки цилиндров двигателя; 11 - насос забортной воды; 12 - блок цилиндров двигателя; 13 - масляный охладитель; 14 - вход забортной воды; 15 -

выход забортной воды

Когда температура охлаждающей жидкости достигает нормальной рабочей температуры, термостат открывается и пропускает антифриз через теплообменный аппарат.

Присутствие забортной воды в качестве охладителя в системе наддувочного воздуха подразумевает исполнение экипажем своих должностных обязанностей. В частности, строгое выполнение рекомендаций завода-изготовителя касательно проверки и обслуживания такой системы. Так, работы по проверке ОНВ при использова-

нии забортной морской воды в сердцевине ОНВ должны выполняться в соответствии с наработкой по часам.

Особое внимание уделяется замене цинковых анодов. Ввиду того, что трубопроводы и ОНВ системы охлаждения забортной водой выполняются из латуниевого сплава, то большая вероятность образования электрохимической (гальванической) коррозии на их поверхности. Поэтому время работы двигателя между заменами цинковых анодов не должно превышать 50 часов. А каждые 1000 часов работы двигателя, необходимо выполнять проверку дренажного клапана в корпусе ОНВ (рисунок, 1.11).

Рисунок 1.11 - Схема охладителя наддувочного воздуха с указанием дренажного клапана

1 - адаптер; 2 - дренажный клапан; 3 - плунжер; 4 - седло дренажного клапана

Назначение дренажного клапана заключается в своевременном обнаружении неисправности ОНВ. При достижении давления воздуха в ОНВ более 27,5 кПа клапан закрывается и препятствует потери давления наддувочного воздуха. При остановке двигателя при помощи обратной пружины, клапан открывается и становится в рабочее положение. При неисправности сердцевины охладителя по наклонным срезам корпуса, вода вытекает наружу через дренажный клапан. Это позволяет обслуживающему персоналу выполнить визуальный контроль технического состояния ОНВ и выявить дефект в кратчайшие сроки и не допустить аварийных ситуаций. Также, каждые 1000 часов работы двигателя, необходимо выполнять демонтаж, очистку и опрессовку сердцевины ОНВ, а каждые 6000 часов его замену. Причем, данное условие должно соблюдаться только при работе сердцевины ОНВ на забортной воде.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Лисаченко Алексей Витальевич, 2024 год

- R

- 1

-

- i ->

■ * Т7

■ L i i

—i—i—i—ж In—i—i— i i i i i i i i i i i i | i i i i ¡¡¡i ■ ■■i iiii lili lili iiii lili

500 600 700 300 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1300

Частота вращения двигателя п. мин"1

Рисунок 3.23 - Зависимость давления наддувочного воздуха от частоты вращения двигателей САТ С32морских судов серии «ССН» Поскольку регламент выполнения таких работ требует использование новых запасных частей, было принято решение выполнить осмотр уже использованных деталей, подлежащих замене. С целью определения их пригодности по браковочным показателям завода-изготовителя, выполнена полная дефектация деталей ЦПГ, ГБЦ, клапанов впуска и выпуска, насос-форсунок. Все детали находятся в удовлетворительном состоянии и не были заменены на новые. Сборка и ходовые испытания двигателей выполнены в присутствии ОТК и инспектора морского регистра. Такие испытания легли в основу методики контроля технического состояния ВОД фирмы

САТ. За основу контроля технического состояния ВОД модели С32 фирмы САТ в процессе испытаний взяты аналогичные зависимости моделей САТ 3512В и САТ 3516В согласно проверенной методики испытаний. На рисунках 3.23 -3.27 показан пример ходовых испытаний морских судов специального назначения "Соммерс" и "Кадош" с главными двигателями модели САТ С32 с реверс-редукторной передачей мощности на линию вала с ВФШ.

Давление наддувочного воздуха двигателей САТ С32 растет равномерно с увеличением нагрузки на двигатель, как показано на рисунке 3.23, и не выходит за пределы значения уставки завода-изготовителя.

800

700

600

500

S 40D

300

3. 200

г.

100

Пре дельн эезна чение CAT

ар

1 I TJ

« 1 Л 1

1 I

■ 5

500 600 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1800

Частота вращения двигателя п, мин"'

Рисунок 3.24 - Зависимость температуры отработавших газов от частоты вращения двигателей САТ С32морских судов серии «ССН» Значение температуры отработавших газов (рисунок 3.24) исследуемых двигателей САТ С32 лежат в пределах 500 °С на режимах, близких к эксплуатационным, и не выходят за пределы значений (650 °С),установленных заводом изготовителем. Точки расхода топлива двигателей САТ С32, приведенные на рисунке 3.25,лежат друг от друга в минимальных пределах значений расхода топлива и частоты вращения двигателя.

220 200 180 < 160 « 140

I 120 100 so 60 40 20

P

M

u

г

-

- ■

- . i

- ■

- i 1

-

- 1 ш

-

- i i t l

-

i i i i i i i i i i i i lili iiii IIII IIII IIII iiii IIII IIII

500 600 700 800 900

1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600 1700 1S00 Частота вращения двигателя ib мин'1

Рисунок 3.25 - Зависимость расхода топлива от частоты вращения двигателей

САТ С32морских судов серии «ССН» Выполняя анализ расхода топлива на во всем диапазоне режимов работы двигателей, используя полученные в процессе исследований зависимости нагрузки от частоты вращения двигателя (рисунок 3.26), можно определить наиболее благоприятный ходовой режим морского судна «ССН».

Рисунок 3.26 - Зависимость нагрузки от частоты вращения двигателей САТ

С32морских судов серии «ССН» С учетом специфики работы таких судов серии «ССН», Рисунок 3.26 показывает зависимость нагрузки от частоты вращения двигателей САТ С32 на ходовых режимах

а)

б)

I вращения

Рисунок 3.27 - Зависимость удельного расхода топлива от нагрузки (а) и частоты вращения коленчатого вала (б) двигателяСАТС32

Соммерс ПБ Соммерс ПБ5 ♦ ■Соммерс ЛБ2

Соммерс ПБ1 Соммерс ПБ6 ■ Соммерс ЛБЗ-

Соммерс ЛБ среднее 4- Кадош ПБ ■ Кадош ЛБ1 Кадош ЛБ2

"I Соммерс ПБ2 Соммерс ПБЗ Соммерс ПБ4

Соммерс ПБ среднее Смомерс ЛБ Соммерс ЛБ1

А Соммерс ЛБ4 ХСоммерсЛББ X Соммерс ЛБ6

-Кадош ПБ2 —Кадош ПБЗ ♦ Кадош ПБ4 Кадош ЛБЗ

Так, выполняя анализ работы двигателей САТ С32, при частоте вращения 1000-1100 мин -1 ходового режима, при нагрузке 40-50 % N ен0 м виден наиболее оптимальный режим 120-130 гкВт/ч (рисунок 3.27)

Из рисунка 3.27а и 3.27б видно, что удельный расход топлива на двигатель САТ С32 достаточно высокий при нагрузке на двигатель до 20% N ен 0 м. При увеличении числа оборотов двигателя от 1000 - 1100 мин-1 изменяется нагрузка от 40-50% N е н 0 м, а удельный расход топлива уменьшается на 20%. Характеристики двигателей ССН «Соммерс» и «Кадош» показывают низкий удельный расход топлива при нагрузке 40-50% N ен0 м (1000-1100 мин-1). Такой анализ характеристик позволяет выбирать наиболее оптимальные режимы работы главных двигателей и давать рекомендации по расходу и экономии топлива во время перехода судна.

Обобщение теплофизических параметров позволит систематизировать полученные эксплуатационные данные, оценить погрешность обобщения и предложить рекомендации по нормированию теплофизических параметров работы двигателей в эксплуатации. Раннее обнаружение начала развития дефекта и оценка технического состояния в период эксплуатации, показывают положительный экономический эффект, позволяя подготовится к предстоящему ремонту двигателей или увеличить срок наработки регламентного ремонта [35, 37, 47]. Все это приводит к ограничению времени вывода судна из эксплуатации, и уменьшению ожидания доставки сменно-запасных частей.

Глава 4. Обобщение и разработка рекомендаций по нормированию тепло-физических параметров главных высокооборотных двигателей Caterpillar в широком диапазоне изменения режимов работы.

4.1 Обобщение эксплуатационных теплофизических параметров высокооборотных двигателей Caterpillar с использованием пакета Microsoft Excel

Разработка математических моделей зависимости количественных и качественных теплофизических параметров от технического состояния, косвенно влияющих на механическое состояние деталей ВОД, дает объективную оценку экспериментальных исследований. При определении границ нормативных состояний по тепло-физическим параметрам из вероятностных представлений статистик измерений, контролируемых теплофизических параметров, оценка совпадения принадлежности экспериментальных контролируемых параметров к их расчетным доверительным интервалам должна служить показателем точности математической модели и её разработанной методики [91, 100]. Экспериментальные исследования ВОД морских судов в широком диапазоне изменения режимов работы позволили собрать и обобщить достаточную базу данных, в период с 2010 г. по 2023 г., теплофизических параметров и выполнить их обработку статистическими и вероятностными математическими методами стандартного пакета данных Microsoft Excel.

Анализ начала развития дефекта ВОД при отклонении контролируемых параметров от определенных значений доверительных интервалов, позволил осуществить введение нового опорного значения для создания метода определения технического состояния двигателя в эксплуатации на частичных режимах работы ВОД.

Проанализированы следующие результаты экспериментальных исследований по определению изменения значений теплофизических параметров, влияющих на техническое состояние двигателя в эксплуатации:

1. Давление наддувочного воздуха рн, кПа.

2. Температура отработавших газовО, °С.

3. Относительная мощность двигателя Nе, %.

4. Часовой расход топлива В, л/ч.

5. Удельный расход топлива гкВт/ч.

6. Частота вращения коленчатого вала двигателя п, мин-1.

Для большинства исследуемых ВОД серий САТ С32 и САТ 3500,разброс значений теплофизических параметров не велик (см. главу 3).Это дает возможность математически описать характеристики в зависимости от нагрузки и частоты вращения двигателей [94, 95, 96].

Из опыта эксплуатации ВОД морских судов (режим перехода - стационарный режим, и режим кратковременный- нестационарный) следует считать режимы эксплуатации морских буксиров повторно-кратковременными [22]. Поскольку переход судна от места стоянки до выполнения швартовных операций занимает большее время, чем сама швартовная операция на всех режимах. Анализ результатов контроля теплофизических параметров ВОД показывает, что основная часть эксплуатационного времени приходится на малые и частичные нагрузки (см. глава 3) [44]. Именно такие режимы пониженных и частичных нагрузок являются причиной отказов элементов ВОД в эксплуатации (см. главу 1). В связи с этим, было принято решение проводить контроль теплофизических параметров ВОД в эксплуатации согласно разработанной методике (см. главу 2).

При обработке результатов экспериментальных исследований были учтены погрешности измерений теплофизических параметров, такие как, систематические, случайные и грубые ошибки или промахи. Все измерительные приборы поверены и замеры постоянно производились лично автором для снижения систематических ошибок при выполнении эксперимента. Для определения случайных ошибок применен метод математической статистики, основанный на теории вероятностей попадания случайной величины в доверительный интервал точности измерения.

В качестве исходных данных допускалось использование практически неограниченного количества точек, но эксперимент в режиме реального времени удавалось проводить с замерами не менее 30 точек на каждом режиме, и не менее 150 точек за

каждое испытание. Поэтому разброс полученных данных был тщательным образом проанализирован с последующей математической обработкой и проверкой полученных коэффициентов с учетом случайных погрешностей. Все результаты обработки данных заносятся в таблицу. На примере двигателя САТ 3512В приведена таблица 4.1, на примере САТ 3516В и С32 таблицы П4.1- 4.2.

Таблица 4.1- Расчет средних значений и погрешности теплофизических параметров двигателя САТ 3512.

Хср, значение I' Лх "-^случ ^хприб АХ Проверка на крайние члены

V t Хср S' Х'в Х'н

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

Рн, кПа

2,8 1,6 0,42 0,95 0,01 0,95 0,15 2,78 0,44 3,11 2,45

4,4 4,4 0,70 1,58 0,02 1,58 0,16 4,22 0,44 4,55 3,89

8,9 6,9 0,88 1,98 0,04 1,98 0,10 8,78 0,83 9,41 8,15

11,6 6,4 0,84 1,91 0,06 1,91 0,07 11,56 0,88 12,22 10,89

21,2 25,6 1,69 3,81 0,11 3,81 0,08 21,11 1,76 22,44 19,78

33,4 18,4 1,43 3,23 0,17 3,24 0,04 33,33 1,50 34,46 32,20

50,1 22,9 1,60 3,60 0,25 3,61 0,03 49,89 1,54 51,05 48,73

77,1 28,9 1,79 4,05 0,39 4,07 0,02 77,33 1,73 78,64 76,03

107,4 56,4 2,50 5,66 0,54 5,68 0,02 107,67 2,50 109,55 105,7 8

t °С

202,00 4832,00 15,95 33,38 1,010 33,4 0,08 201,89 16,38 209,76 194,0 3

227,40 2028,80 10,33 21,63 1,137 21,7 0,05 227,58 10,62 232,68 222,4 8

259,75 415,75 4,68 9,79 1,299 9,9 0,02 259,95 4,81 262,26 257,6 4

307,70 3650,20 13,86 29,01 1,539 29,1 0,05 307,16 14,25 314,00 300,3 1

353,15 4370,55 15,17 31,74 1,766 31,8 0,04 353,11 15,58 360,59 345,6 2

Продолжение ^ таблицы 4.1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

390,35 6450,55 18,43 38,56 1,952 38,6 0,05 389,84 18,94 398,94 380,7 5

412,65 4804,55 15,90 33,28 2,063 33,3 0,04 412,53 16,34 420,37 404,6 8

430,05 6780,95 18,89 39,54 2,150 39,6 0,04 430,32 19,41 439,64 421,0 0

440,60 7360,80 19,68 41,20 2,203 41,3 0,04 440,58 20,22 450,29 430,8 7

В, л/ч

21,07 13,12 1,21 2,73 0,11 2,7 0,06 21,13 1,26 22,08 20,18

27,73 40,52 2,12 4,80 0,14 4,8 0,08 27,81 2,23 29,49 26,13

42,88 38,62 2,07 4,68 0,21 4,7 0,05 43,18 1,96 44,65 41,70

55,81 50,61 2,37 5,36 0,28 5,4 0,04 55,94 2,47 57,81 54,08

69,72 92,24 3,20 7,23 0,35 7,2 0,05 69,74 3,39 72,30 67,19

91,69 134,11 3,86 8,72 0,46 8,7 0,04 91,88 4,05 94,93 88,83

111,49 106,05 3,43 7,76 0,56 7,8 0,03 111,62 3,61 114,34 108,9 0

134,67 68,40 2,76 6,23 0,67 6,3 0,02 134,66 2,92 136,86 132,4 5

176,91 52,89 2,42 5,48 0,88 5,5 0,01 177,17 2,42 178,99 175,3 4

ЛТе,%

2,50 2,50 0,53 1,19 0,01 1,1 0,21 2,56 0,53 2,98 2,13

10,20 1,60 0,42 0,95 0,05 0,95 0,04 10,22 0,44 10,57 9,87

17,80 1,60 0,42 0,95 0,09 0,96 0,02 17,78 0,44 18,13 17,43

22,80 1,60 0,42 0,95 0,11 0,96 0,02 22,89 0,33 23,16 22,62

27,90 2,90 0,57 1,28 0,14 1,29 0,02 27,89 0,60 28,37 27,41

31,70 4,10 0,67 1,53 0,16 1,53 0,02 31,67 0,71 32,23 31,10

35,20 3,60 0,63 1,43 0,18 1,44 0,02 35,22 0,67 35,75 34,69

40,20 1,60 0,42 0,95 0,20 0,97 0,01 40,22 0,44 40,57 39,87

49,90 2,90 0,57 1,28 0,25 1,31 0,01 49,89 0,60 50,37 49,41

& гкВт/ч

600,48 110409, 34 110,7 6 250,3 2 3,00 250,3 3 0,18 2716,1 6 110,79 672,29 505,3 7

187,10 1355,33 12,27 27,73 0,94 27,75 0,07 257,78 13,01 197,04 177,4 5

165,75 408,92 6,74 15,23 0,83 15,26 0,04 9,09 5,55 171,28 162,9 1

Продолжение ^ таблицы 4.1

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

168,44 406,93 6,72 15,20 0,84 15,22 0,04 171,93 7,08 173,52 162,8 5

171,93 351,26 6,25 14,12 0,86 14,15 0,04 94,11 6,61 177,03 167,0 7

199,02 437,15 6,97 15,75 1,00 15,78 0,04 237,17 7,10 204,98 194,2 8

217,98 423,36 6,86 15,50 1,09 15,54 0,03 67,27 7,26 223,58 212,6 3

230,52 195,99 4,67 10,55 1,15 10,61 0,02 33,21 4,92 234,08 226,6 6

243,97 118,24 3,62 8,19 1,22 8,28 0,01 0,33 3,59 247,08 241,6 7

п, мин-1

702,70 94,10 3,23 7,31 3,51 8,11 - - - - -

807,20 433,60 6,94 15,69 4,04 16,20 - - - - -

902,80 241,60 5,18 11,71 4,51 12,55 - - - - -

1002,60 266,40 5,44 12,30 5,01 13,28 - - - - -

1106,00 358,00 6,31 14,25 5,53 15,29 - - - - -

1211,20 355,60 6,29 14,21 6,06 15,44 - - - - -

1306,00 766,00 9,23 20,85 6,53 21,85 - - - - -

1409,00 398,00 6,65 15,03 7,05 16,60 - - - - -

1502,80 643,60 8,46 19,11 7,51 20,54 - - - - -

Из таблицы 4.1 видно, что выполненная проверка крайних членов на принадлежность к выборке отвергает гипотезу, что последний член не принадлежит выборке, соблюдается условие: Х'в>Хср>Х'н согласно расчету, приведенному в главе 2, т.е. гипотеза отвергается и последний член остается [84, 85, 87, 88].

На основании такой проверки, полученные значения теплофизических параметров, в результате произведенных испытаний (см. главу 3), не отклоняются и позволяют получить аналитические зависимости давления наддувочного воздуха рн, температуры отработавших газов 1ог, часового расхода топлива В, относительной мощности е е, удельного расхода топлива §е от частоты вращения двигателяп. Для получения достоверности полученных результатов количество точек по каждому параметру на всех режимах достигает не менее 150 значений. Тесноту связи между

случайными величинами характеризуют корреляционным отношением Тху. Определив уравнение регрессии, можно определить количественную оценку тесноты связи между двумя рядами наблюдений. При корреляционном анализе предполагается, что факторы и отклики носят случайный характер и подчиняются нормальному закону распределения. Поэтому правильность выбора аппроксимирующих зависимостей полиномов различной степени можно определить по коэффициенту детерминации R (квадрат коэффициента корреляции гху), который должен быть ближе к 1 [94, 97]. В таблице 4.2 представлены результаты расчета аппроксимирующих зависимостей теплофизических параметров двигателя САТ3512 и С32 (в приложении 4 таблица П4.3 представлены результаты расчета двигателей САТ3516В) .

Таблица 4.2 - Регрессионные зависимости, контролируемых параметров двигателей модели САТ3512 и С32.

№ п/п Кол- во точек Функция Полином R2

1. 90 САТ3512 Рн = /О) С32 У = 2е-07x3 - 0,0005x2 + 0,386x - 104,23 0,996

2. 84 у = -2,88е-08x3 + 0,0002x2 - 0,325x + 107,9 0,999

3. 180 САТ3512 *ог = / (П) С32 у = -0,0003x3 + 0,0014^ - 1,107х+424,75 0,998

4. 168 у = -0,0003x2 + 1,0065x - 400,9 0,998

5. 90 САТ3512 В = /(п) С32 у = 2,037е-07x3 - 0,0005x4 0^ - 174,36 0,997

6. 84 у = 0,000^2 + 0,077x+14,31 0,999

7. 90 САТ3512 Ые = /(п) С32 у = 1,24е-07x3 - 0,0004x2 + 0,5^ - 193,0 0,996

8. 84 у = 1,33E-07x3 - 0,00045x2 + 0,57^ - 204,305 0,97

9. 90 САТ3512 9 = Г(п) С32 у = -8,7е-07x3 + 0,0032x2 - 3,85х+1634,96 0,991

10. 84 у = -0,000^2 + 0,63x - 341,86 0,97

Проведенный анализ полученных данных для всех зависимостей показывает высокие значения коэффициента детерминации R , характеризующий качество построенной модели, величина которого более 0,99 [81]. Зависимости хорошо описываются полиномом второй и третьей степени, их значения среднеквадратичных отклонений и доверительных интервалов при аппроксимации наименее расходятся. Полученные регрессионные зависимости (см. таблицу 4.2) хорошо согласуются с физическими представлениями зависимостей параметров давления наддувочного воздуха рн, температуры отработавших газов to;;, часового расхода топлива В, относительной мощности , удельного расхода топлива ge от частоты вращения двигателяи.

Поскольку теплотехнические исследования проводились после проведения классификационного ремонта главных ВОД, признанных инспектором РС и сервисной службой САТ как "технически годен"; и полученный интервал значений, в который попадает нормальная случайная величина X, симметричен относительно математического ожидания

то используя свойство нечетности функции Лапласа, получим

- если предположить, что/=о, то P(|Х-m|<a)=2Ф(1)=0,6826, т.е. в 68,26%случаях нормальная случайная величина X отличается от своего математического ожидания на величину равную среднему квадратичному отклонению;

- если /=2о, то вероятность отклонения равна P(|Х-m|<2a)=2Ф(2)=0,9544;

- если /=3о, то P(|X-m|<3 а)=2Ф(3)= 2*0,4987=0,9974, считается, что величина контролируемого параметра от своего математического ожидания не превосходит утроенного средне квадратического отклонения (3а). Это свойство нормальной случайной величины X называется правилом "трех сигм" [5, 11, 12, 23]. Т.е. вероятность того, что истинные значения теплофизических параметров, технически годных исследуемых двигателей, превысят интервал три сигма, очень мала. В

таблице 4.3 представлен расчет доверительных интервалов 36 исследуемых теплофизических параметров на каждом режиме работы двигателя САТ 3512, в таблице П4.4 и П.4.5 приложения 4, представлен расчет доверительных интервалов 36 исследуемых теплофизических параметров на каждом режиме работы двигателя САТ 3516, САТ С32

Таблица 4.3 - Результаты расчета доверительных интервалов исследуемых теп-

лофизических параметров двигателей модели САТ 3512

Рн, кПа t °С 1ог С В, л/ч Ne,% g, гкВт/ч

3б 3бв 3бн 3б 3бв 3бн 3б 3бв 3бн 3б 3бв 3бн 3б 3бв 3бн

1,26 4,06 1,54 47,8 4 249, 84 154, 16 3,62 24,6 9 17,4 5 1,58 4,08 0,92 332, 28 932, 76 268, 20

2,10 6,50 2,30 31,0 0 258, 40 196, 40 6,37 34,1 0 21,3 6 1,26 11,4 6 8,94 36,8 1 223, 91 150, 28

2,63 11,5 3 6,27 38,0 0 297, 75 221, 75 6,21 49,0 9 36,6 7 1,26 19,0 6 16,5 4 20,2 2 185, 98 145, 53

2,53 14,1 3 9,07 41,5 8 349, 28 266, 12 7,11 62,9 2 48,7 0 1,26 24,0 6 21,5 4 20,1 7 188, 62 148, 27

5,06 26,2 6 16,1 4 45,5 0 398, 65 307, 65 9,60 79,3 2 60,1 2 1,70 29,6 0 26,2 0 18,7 4 190, 67 153, 18

4,29 37,6 9 29,1 1 55,2 8 445, 63 335, 07 11,5 8 103, 27 80,1 1 2,02 33,7 2 29,6 8 20,9 1 219, 93 178, 11

4,79 54,8 9 45,3 1 47,7 1 460, 36 364, 94 10,3 0 121, 79 101, 19 1,90 37,1 0 33,3 0 20,5 8 238, 55 197, 40

5,38 82,4 8 71,7 2 56,6 7 486, 72 373, 38 8,27 142, 94 126, 40 1,26 41,4 6 38,9 4 14,0 0 244, 52 216, 52

7,51 114, 91 99,8 9 59,0 5 499, 65 381, 55 7,27 184, 18 169, 64 1,70 51,6 0 48,2 0 10,8 7 254, 84 233, 09

Доверительные интервалы, рассчитанные на основе аппроксимационных зависимостей экспериментальных теплофизических характеристик ВОД в широком диапазоне изменении режимов работы (рисунок 4.1-4.2), могут быть использованы при прогнозировании технического состояния двигателя, контроле теплофизических параметров техническими службами судовладельца. Статистика контроля технического состояния элементов исследуемых двигателей САТ С3512 показывает, что их отказы происходят в процессе эксплуатации, и блок электронного управления ВОД не в состоянии определить начало развития дефекта на частичных нагрузках, т.к. он

способен выдавать запрограммированный изготовителем сигнал об ошибке, согласно установленного предельного значения заводом-изготовителем.

зоо

% 250

¿С р.

й 200

б 150 а

Щ юо

в в

I 50

5

] 1редельна -допустим ые значен ЕЯ САТ

V = 0 000>х ;-0_38<5х - 104

я=о 996

_ _ - - - г д - - 1« ш - ~ ~ •.....

3 аоо

ь

а

; ■00

-

| 600

1-

а 1 500

© •л 400

ь

п г 300

1 200

100

0

600 700 ВОО 900 1000 1100 1200 1300 1400 1500 1600

Пр< цель но-лс ггу'споше ястяпд САТ

- ^ ^ _ » - - ---»•„

"- —

. - у = -0.00 03х5-*-0,( т» Ю14х:- ,107х+4: :4,75

'в •" к

600 "00 £00 900 1000 ПОО 1200 1300 1400 1500 1600

Частот! ерашеавя лентнтсля в ш"1

Рисунок 4.1 - Построение доверительного интервала зависимости теплофизиче-ских параметров двигателей САТ 3512В от частоты вращения На графиках рисунков 4.1 и 4.2 показаны предельно-допустимые значения завода-изготовителя, которые регламентируют ограничения работы двигателя при нагрузках близких к

'НОМ-

Предал! »но-лопуст чгуп-;- гндг гння CAT

у= U4 '-07Х3 - 0 i 0004х:+ ОСА 0.512х- 193,0

J

Г1''

U**

600

?оо

SCO

900 1000 1100 1200

1300 1400

1500

ISOü

у— 2,0: 7е-07х- - одах1 R=0.997 ь 0,52х - 174,36

9»

* *

600

700

SOO

300

1000

1100

1200 1300

1400

1500

1600

600

*

у=-а, 7е-0"х- + 0.0032х: R=0,991 - 3,S5x- 634,96

- —

; С I" Г I Г "-гт-г"*

40

800

900

1000

1100

1200

1300 1400 1500 1600 Hieren Epimeaai леягвтш п. эшн-1

Рисунок 4.2 - Построение доверительного интервала зависимости теплофизиче-ских параметров двигателей САТ 3512В от частоты вращения

Полученные регрессионные зависимости с учетом построенного доверительного интервала предлагается, как будет показано в параграфе 4.3, применять для случаев отклонения значений теплофизических параметров на частичных нагрузках.

Поскольку судовладельца интересует не только контроль технического состояния двигателя, но и определение объема предстоящего ремонта. Проведенные исследования ВОД на морских судах показали удовлетворительный результат контроля теплофизических параметров с применением разработанного метода.

Поэтому, актуальными являются предложенные методы по:

- определению и использованию доверительного интервала при контроле технического состояния ВОД в эксплуатации;

- оценке совпадения принадлежности экспериментальных контролируемых параметров к их расчетным доверительным интервалам [5, 11], что должно служить показателем точности математической модели и её разработанной методики.

- составлению методики по определению технического состояния ВОД в эксплуатации;

- контролю судовым экипажем и техническими службами теплофизических параметров в широком диапазоне изменении режимов работы двигателя, в том числе и на кратковременных режимах;

- сокращению издержек судовладельца, связанных с планированием и проведением ремонта;

4.2 Обобщение эксплуатационных теплофизических параметров высокооборотных двигателей Caterpillar при использовании статистических библиотек современных баз данных пакета Python.

Математическая обработка результатов эксперимента проводилась на базе стандартного пакета функций, входящих в состав Microsoft Excel [95, 96], предназначенного для решения сложных статистических задач. Для этого необходимо указать совокупность входных данных из таблиц и выбрать необходимые теплофизиче-ские параметры; расчет проведен с помощью подходящей статистической функции, а результат представлен графической зависимостью с полиномиальной регрессионной моделью n-ой степени.

Для построения зон доверительного интервала во всем диапазоне изменения частоты вращения, необходимо объединить полученные данные для выявления средних значений параметров, статистических ошибок, стандартного отклонения, коэффициентов, определяющих правильность выбора регрессионных зависимостей, и т.д. Для удобства оптимизации комплексного статистического анализа данных и его графического вывода применен высокоуровневый язык программирования Пай-тон [110], позволяющий с помощью библиотек статистики быстро и удобно, наилучшим образом, обрабатывать значения параметров, чем пакет Microsoft Excel (таблица 4.4). В таблице определены эмпирические зависимости путем аппроксимации данных полиномами второй и третьей степени при степени доверия 0,95.

В качестве примера рассмотрим реализацию расчета одного из теплофизических параметров, такого как давление наддува рн двигателей САТ 3512В (таблица 4.4).

Таблица 4.4- Алгоритм расчета и обработки экспериментальных данных давления наддувочного воздуха ВОД серии САТ3512Вморских буксиров

№

Примечание

Задаваемые значения для расчета (выборка 117 значений)

1

х, n,

-1

мин

706, 801, 908, 1007, 1107, 1206, 1305, 1408, 1502 | 705, 804, 905, 1001, 1108 1216, 1301, 1401, 1498 | 705, 804, 905, 1001, 1108, 1216, 1301, 1401, 1498 705, 804, 905, 1001, 1108, 1216, 1301, 1401, 1498 | 705, 804, 905, 1001, 1108

1216, 1301, 1401, 1498 | 697, 798, 895, 1003, 1119, 1214, 1324, 1420, 1512 697, 800, 900, 1013, 1101, 1213, 1318, 1416, 1510 | 703, 816, 901, 994, 1106 1214, 1305, 1410, 1499 | 704, 817, 910, 1001, 1099, 1213, 1302, 1405, 1503 705, 814, 901, 1006, 1109, 1217, 1303, 1400, 1515 | 705, 810, 910, 1005, 1110

1217, 1311, 1405, 1503 | 702, 809, 898, 998, 1097, 1203, 1296, 1409, 1485 | 703 803, 900, 998, 1104, 1199, 1295, 1416, 1501

2

Рн,

кПа

3, 5, 10, 12, 24, 36, 52, 78, 112 | 3, 4, 10, 12, 23, 35, 50, 76, 111 | 2, 4, 9, 10, 20, 34, 50, 78, 107 | 2, 4, 9, 12, 20, 34, 52, 80, 108 | 3, 4, 8, 12, 19, 32, 48, 78, 106 | 3

4, 8, 12, 22, 32, 49, 78, 108 | 3, 5, 8, 12, 22, 32, 48, 76, 106 | 3, 4, 8, 10, 21, 32, 49, 78, 107 | 3, 4, 9, 12, 19, 33, 51, 74, 104 | 3, 6, 10, 12, 22, 34, 52, 75, 105

Расчет

Регрессионный анализ

model = np.poly1d(np.polyfit(x, y, degree)

Полином

Вывод

Y=0,00022x2+0,357x+150

2

Y=2e-07x3-0,00048x2+0,384x-104

3

Коэффициент детерминации R2

corr_matrix = numpy.corrcoef(x, y); corr corr_matrix[0,1]; R_sq = corr**2_

Вывод

0,990 /0,996

2 / 3

4

Стандартное ние (q)_

отклоне-

np.std( my_list, ddof= 1 )

Вывод

3,3 / 1,97

2 / 3

5

Доверительный интер-

вал

mean_normalized=y_series-np.polyval(polynom,x_series); cofdence_interval=stats.t.interval(alpha=confidence_level, df=len(mean_normalized) 1 ,loc=np.mean(mean_normalized ), scale=stats.sem(mean normalized))_

Ширина доверительного интервала для среднего

0,8289

Ширина доверительного интервала в 1 (q) /2 (q)/3 (q)

1,968 /2,936 / 3,941

6

Вывод графика с результатами расчетов (рисунок 4.1)

plt.plot(core.approximated_x_series,core.approximated_y_s eries,);

plt.plot(core.approximated_x_series,core.confidence_botto

m_line,)plt.plot(core.approximated_x_series,core.confidenc

e_top_line,);

plt.plot(core.approximated_x_series,core.sigma_top_line);

plt.plot(core.approximated_x_series,

core.sigma bottom line,)_

3

Из таблицы 4.4 видно, что:

1. Выборка экспериментальных данных составила 90 значений.

2. Регрессионный анализ, показывает, что более подходящий является полином 3 степени, который имеет значения коэффициента детерминации R больше и стандартное отклонение (а) меньше, что характеризует тесноту связи случайных определяющих величин.

3. Ширина доверительного интервала для среднего рассчитано с учетом степени вероятности 0,95.

4. Ширина доверительного интервала в сигмах (а), равная 3, включает большинство точек эксперимента, с вероятностью равной 0,997.

Использовались такие библиотеки как pandas, numpy, SciPy, matplotlib. Библиотека pandas позволяет обрабатывать большие данные, переданные от библиотеки numpy и далее обрабатывать их уже непосредственно в библиотеку SciPy, которая рассчитывает усредненную и регрессию с полиномом, находит доверительный интервал и выводит на графике при помощи библиотеки matplotlib (рисунок 4.3).

tilcvllt*.ii(i|iraiiiiUen(

, К) I У П9И * Wfl И1» У* и» t »ffUl

И .y.ltfií«

. |n\vtiM.lt|nt i

**prnttiMrt»cL».««rt*» i .».»»гJtt vinl) i .t_)«r!«•.*••( |

. »«ri*» • *«P.IN>Ívv«W INIV^I* HHimlHtitf I.II^IPI)

, of 1умм1.%тг гпч

'•Cllti pnlynon trrtn^l)

Hfn,fl(irsil Uld - f.wriit np.|ia) ;iqlynn» i Jirtfl)

Tontinenre.irttfyji t vtitt t tntaPiaH (imftUMci.lviii

П«ИЯ_Г>ВГШв1 lJÍfl|-!

пц.ишищ пвяг.гхпгмНгас) rtlltl ■ tmi.PHy—11Ы)

. r«ntttí®nci.batto». Llr<» ▼ .ipnrstlutie.v.M«'Xii . ttB0.UM * .ilKyoiiRatk^t.scclil •

* i o** = ittíí jtuii wraallifd)

• fot Un ▼ .9$i/rvtl>tti4,i.»>rl»t * и ll|M •

.lifM.bnttM.Um ♦ 'itMiflilMliA v iitl»« ilgm •

: Otl f li NQCK . 1П t V V4

conHdtttce.iM*'*»U '

. il|iu.*aUlil

Рисунок 4.3 - Фото кода на Python для реализации процесса расчета экспериментальных данных

а)

б)

в)

Рисунок 4.4 - Зависимость давления наддува от частоты вращения двигателя с указанием доверительного интервала 0,95 для среднего и в сигмах

а) 1 а; б) 2а; в) 3а

Обработка результатов экспериментального исследования одного из теплофи-зических параметров ( рн, кПа), как пример, показывает хорошую сходимость с результатами ручной обработки данных в программе Microsoft Excel ( см. параграф 4.1, таблицы 4.1 и 4.2, рисунки 4.1 и 4.2). Полиномиальная регрессия удовлетворяет всем требованиям и хорошо проходит по точкам, ширина доверительного интервала 3 g, со степенью вероятности 0,997, вмещает все данные значений параметра (рисунок 4.4).

Несмотря на то, что статистический анализ данных и его графический вывод высокоуровневым языком программирования Пайтон применяется для ускорения обработки полученных результатов теплофизических параметров, в данной работе воспользуемся наиболее информативными и простыми в управлении графиками и таблицами программы Microsoft Excel.

4.3 Применение разработанного метода контроля и обобщения теплофизи-ческих параметров двигателей caterpillar для оценки необходимости регламентного ремонта.

Двигатели фирмы CATERPILLAR модельного ряда САТ 3500 и С32, имеющие широкий диапазон мощностей до 2100 кВт заняли нишу коммерческого флота портовых и вспомогательных судов, преобладая над ВОД других производителей (о чем говорилось в главе 1).

Компания CATERPILLAR уделяет особое внимание регулированию выбросов отработавших газов в атмосферу, является лидером в решении экологических проблем, позволяя судовладельцам сосредоточиться на развитии качества, оказываемых услуг. Чтобы судовые двигатели соответствовали мировым требованиям по качеству таких выбросов, используются современные методы контроля и управления рабочим процессом ВОД. Проведение такой методики позволяет определить техническое состояние двигателей в эксплуатации. Производится анализ основных тепло-физических параметров, характеризующих работу ВОД, а также расход топлива и

расход масла. Сравнивая полученные результаты испытаний с паспортными данными, можно наиболее точно определить техническое состояние двигателя, что позволит продлить или сократить межремонтный интервал, а также поддерживать технико-экономическое состояние судовой энергетической установки (СЭУ), в соответствии с заложенными в нее характеристиками при сдаче двигателя в эксплуатацию [1, 12, 13,20]. Таким образом, на всех режимах работы ГД (на одном судне) можно получить достаточное количество параметрических данных и выполнить их дальнейшую обработку. Возможность контролировать техническое состояние ВОД в эксплуатации, кроме приборов САТ ЕТ, нет. В связи с этим, контроль вспомогательных и основных рабочих параметров является единственной возможностью параметрического контроля технического состояния ГВОД в эксплуатации.

Адекватность математической модели подтверждается результатами экспериментальных исследований в узком диапазоне измерений параметров, влияющих на техническое состояние двигателей. Способ построения структурно-функциональной математической модели является эмпирической в виде зависимостей (функций), контролируемых параметров, косвенно характеризующих рабочее состояние деталей и агрегатов в процессе эксплуатации ВОД, применяя правило 3 а.

Следует отметить, что измерения параметров выполнялись в идентичных условиях, т.е. одним и тем же методом, диагностическим комплексом и приборами измерения, на одинаковых морских буксирах и одинаковых двигателях модели САТ 3512. Другими словами, проведенные замеры выполнялись с одинаковой точностью, что означает, с точки зрения математической статистики, распределение вероятностей результатов измерений может характеризоваться одинаковым среднеквадратичным отклонением. Причем, на каждом режиме выполнялось не менее 30 раз количество фиксаций данных с интервалом около 2-5 мин.

Таким образом, контроль теплофизических (диагностических) параметров на различных нагрузках дает возможность косвенно характеризовать рабочее состояние деталей, элементов и систем двигателя (таблица 4.5). Например, давление наддува и температура отработавших газов контролируют процессы газораспределения,

косвенно характеризуют рабочее состояние таких деталей и агрегатов как ТК, впускные и выпускные клапаны двигателя [8].

Таблица 4.5 - Контроле пригодность теплофизических параметров ВОДе фирмы Caterpillar серии С32, САТ 3512,САТ 3516

№ Контролируемый теплотехнических параметр Поведение при увеличении нагрузки уставка значения БЭУ Детали и элементы Система

1 Температура отработавших газов + ОС 1ог С Увеличивается 650°С Поршневые кольца, клапана, форсунка, ТК Топливная, Газораспределение

2 Давление надувочного воздуха Рн, кПа Увеличивается 300 кПа ТК Газообмена

3 Относительная мощность двигателя N е, % Увеличивается 100%]VV Форсунка, ТК Топливная, газообмена

4 Часовой расход топлива В, л/ч Увеличивается Форсунка, ТК Топливная, газообмена

5 Удельный расход топлива гкВт/ч Увеличивается Форсунка, ТК Топливная, газообмена

6 Частота вращения коленчатого вала двигателя Увеличивается/ уменьшается 118% Форсунка, ТК Топливная, газообмена

Практическое применение метода контроля технического состояния ВОД по теп-лофизическим параметрам в эксплуатации стало предъявление одного из исследуемых двигателей модели САТ 3512инспектору РМРС при классификационном осви-

детельствовании двух судов (2 двигателей). Двигатели ко времени второго освидетельствования отработали по 22000-24000 часов. Согласно инструкции по эксплуатации первый капитальный ремонт двигателя необходимо проводить при наработке каждые 12 000 часов и выполнить замену тех деталей, эксплуатационные параметры которых выходят за пределы установленных заводом-изготовителем норм. Т.е. проведение капитального ремонта и выполнение дефектации двигателя не требуется, если эксплуатационные параметры находятся в пределах допустимых норм заводом изготовителем. Считается, что при достижении наработки 12000 должны быть выполнены условия для определения вида ремонта и условия о необходимости проведения капитального ремонта двигателя [103]: