Kamkin_-_Expluatatsia_sudovykh_dizeley_-_1990

верстий и пр. В данном случае структурными параметрами, опреде­ ляющими техническое состояние распылителя, являются геометрия посадочного конуса иглы и диаметр сопловых отверстий. Совершен­ но очевидно, что их измерение невозможно без остановки двигателя

и демонтажа	форсунки, более того, необходимы специальные из-
мер ител ьные	приборы.

Более простое решение состоит в отказе от использования струк­ турных параметров и их замене диагностическими параметрами, которые косвенным путем характеризуют состояние диагностируе­ мого элемента, несут в себе определенную диагностическую ин­ формацию и могут быть относительно легко измерены непосредствен­ но на работающем двигателе. Применительно к распылителю фор­ сунки диагностическими параметрами могут быть максимальное давление впрыскивания Рфтгху продолжительность подачи топли­ ва фф и скорость нарастания давления топлива до начала подачи (Д /?ф /Д ф )н п ; могут быть также привлечены параметры рабочего цикла. Все указанные параметры по мере изнашивания или загряз­ нения распылителя принимают новые значения, отличные от зна­ чений, характеризующих работу технически исправного распылите­ ля. По аналогии с методом диагностирования по структурным пара­ метрам состояние механизма оценивают по отклонению AzTi = zri —

— 2 ЭТг диагностических параметров zTi от их эталонных значений ^эть отражающих его техническое состояние в данных конкрет­ ных условиях работы и в дальнейшем называемых внешними усло­ виями.

За эталонное значение диагностического параметра принимают его значение, измеренное или найденное аналитическим путем для технически исправного состояния механизма (двигателя) или от­ дельного его элемента и внешних условий работы механизма (двига­ теля), существующих на момент диагностирования и отражающих режим работы и воздействие на происходящие в механизме про­ цессы в данной окружающей среде.

Скоростной и нагрузочный режимы работы двигателя, обычно задаваемые частотой вращения п и средним индикаторным давле­ нием pi, определяются скоростью, осадкой и дифферентом судна, ветровым и волновым сопротивлением, шероховатостью корпуса и пр.

На параметры рабочего процесса двигателя влияют также баро­ метрическое давление, температура и влажность воздуха в машин­ ном отделении, температура забортной воды. Эти факторы также включают в общий комплекс внешних условий работы двигателя и наряду с факторами режима учитывают при нахождении эталон­ ных значений диагностических параметров.

Поскольку текущее значение диагностического параметра zTi от­ ражает как внешние условия работы двигателя или его элементов, так и их техническое состояние, а значения эталонных параметров

2 ЭТ1*— лишь	влияние внешних условий, то	их разность	AzTi —
= zTi — гэтг-	позволяет оценивать изменение	технического	состоя­

211

ния в чистом виде. Если AzTi = 0, это означает, что диагностируе­ мый компонент двигателя находится в технически исправном состоя­ нии, а ДzTi > 0 или zri < 0 свидетельствует о неисправности, кото­ рая может проявляться в виде потери работоспособности отдель­ ных элементов двигателя, часто влекущих за собой потерю работо­ способности двигателя в делом либо снижение эффективности его работы (понижение мощности, увеличение удельного расхода топлива, масла и пр.). Попытки оценивать техническое состояние двигателя в целом практически неосуществимы. Современный су­ довой дизель настолько сложен, что никаким самым сложным кри­ терием, параметром или их комплексом невозможно охарактеризо­ вать состояние не только всех, но и отдельных, наиболее важных его компонентов. Этим объясняется, что разрабатываемые средства диагностики направлены на решение локальных задач по оценке состояния лишь тех компонентов двигателя, от которых в наиболь­ шей степени зависит эффективность его функционирования, надеж­ ность и ресурс которых являются наиболее низкими, а потери вре­ мени и средств на их восстановление или замену наиболее высокими. Исходя из этого существующие системы контроля и диагностики в первую очередь должны быть распространены на элементы Ц П Г , работоспособность которых в значительной мере определяется ис­ пытываемыми ими тепловыми и механическими нагрузками, за­ висящими от качества протекания процессов впрыска и сгорания топлива, эффективности воздухоснабжения. Поэтому в диагно­ стический комплекс желательно включать средства контроля и диагностики систем впрыска топлива и снабжения двигателя возду­ хом, процесса сгорания топлива. При этом, учитывая высокий уро­ вень форсировки рабочего процесса современных двигателей и обу­ словленный этим высокий уровень теплонапряженности деталей ЦПГ, а также доминирующее влияние тепловых нагрузок на их работоспособность, необходимо особое внимание обращать на авто­ матизацию контроля за тепловым состоянием цилиндров, особенно в зоне камеры сгорания.

Перечень объектов диагностики следует рассматривать как мини­ мально необходимый, который может быть реализован с учетом со­ временного состояния измерительных средств, теоретических разра­ боток и математического обеспечения диагностических задач.

Состав и число диагностических параметров определяются со­ ставом подлежащих распознаванию состояний, возможностью и от­ носительной простотой измерений. Одним из важнейших требований, предъявляемых к диагностическим параметрам, является их ин­ формативность. В общем случае ее можно оценивать путем вычис­ ления энтропии системы, характеризующей степень ее неопределен­ ности. Чем большей информацией о принадлежности системы к оп­ ределенному состоянию мы располагаем, тем меньше степень не­ определенности нахождения системы в этом состоянии, тем меньше энтропия системы.

212

При оценке информативности диагностических параметров не­ маловажное значение имеет их чувствительность — реакция на изменение структурного параметра, представляющая собой отно­ шение относительных изменений диагностического и структурного параметров (AD/D)/(AC/C). Иными словами, чем больше реагирует на изменение структурного параметра (изменение технического со­ стояния системы) диагностический параметр, тем выше его чувстви­ тельность, тем на более ранней стадии возможно распознавать не­ исправность.

Методы нахождения эталонных значений диагностических пара­ метров. Как отмечалось, эталонные значения параметров должны от­ ражать технически исправное состояние двигателя и его элемен­ тов при всех возможных вариантах внешних условий в эксплуата­ ции на всех режимах. Отсюда возникает необходимость распола­ гать зависимостями, которые позволили бы находить значения всех эталонных параметров в функции режима и внешних условий работы компонента. Эти зависимости могут быть получены как на основе математического моделирования, так и с помощью эксперимента.

Метод математического моделирования для получения эталон­ ных параметров удобен тем, что при наличии отлаженной матема­ тической модели может быть реализован без проведения трудоем­ ких натурных экспериментов. При этом могут моделироваться такие условия, которые для реального двигателя могли бы оказаться опасными.

В общем случае форма искомых математических связей может быть полиномиальной, степенной, логарифмической, экспоненци­ альной и т.д. Для целей технической диагностики полиномиальная связь наиболее удобна, так как оценивать влияние каждого входя­ щего в них фактора проще сравнением коэффициентов полученных уравнений.

Примером зависимостей для эталонных значений параметров могут служить уравнения, полученные на основе модели рабочего процесса малооборотного дизеля:

рг = 1,6 6 9 + 0 ,0088л +0,381£ц—0.0016/в + 33,75рв—0,0053/0 —25,6рРп

P/ = 0,156+0,006rt + 0,0766g4 —0,00062^+2,01р0 —0,00026*0—	(6.1)
■ I,55рг .	j

Экспериментальным методом предусматривается нахождение математических зависимостей эталонных параметров на основе дан­ ных активного эксперимента на реальном двигателе в достаточно широком диапазоне изменения режимных факторов. В целях со­ кращения числа режимов рекомендуется выбирать их путем пла­ нирования в области, ограниченной диапазоном частоты вращения (от среднего до полного хода) и нагрузок (от плавания в балласте до плавания в грузу при встречном ветре не более 4—5 баллов).

На практике не всегда возможно воспроизвести все необходи­ мые согласно плану эксперимента режимы, так как трудно воспро­

213

извести все сочетания факторов. Так, невозможно во время экспе­

римента изменить	барометрическое давление и температуру возду­
ха, осадку судна,	силу встречного ветра и волнения. В этом слу­

чае недостающие данные могут быть дополнены статистическим ма­ териалом, накопленным при предыдущих испытаниях, но при ус­ ловии, что двигатель находился в технически исправном состоя­ нии. Другая трудность заключается в том, что в искомую матема­ тическую зависимость должны быть включены факторы, сущест­ венно влияющие на выбранный диагностический параметр, но в то же время мало зависящие друг от друга. В то же время в экспери­ менте, проводимом непосредственно в судовых условиях, разорвать существующую корреляцию и существенно изменить отдельно взя­ тый фактор независимо от других довольно сложно и не всегда воз­ можно. Этим экспериментальный метод проигрывает методу активного эксперимента на математической модели. Он, однако, обеспе­ чивает значительно большую достоверность.

В общем виде уравнение, связывающее диагностический пара­

метр	(критерий у х) с переменными факторами режима х г = (УН) и
х2 =	/г, может быть представлено в виде полинома второго порядка:
	Ух = «о + «1 *1 + а2 х2+ а и х \ + а 22 *2 + а 12 Х1 х 2 •	(6.2)

Однако если сузить диапазон диагностируемых режимов, то, как показывает опыт, с достаточной для практики точностью можно ог­ раничиться линейной связью

Ух — йо+ a i х^-а* х 2.

(6 . 3 )

Коэффициенты рассчитывают различными методами в зависи­ мости от требований к аппроксимирующей функции. Наиболее распространен метод наименьших квадратов, при котором обеспе­ чивается минимум сумм квадратов отклонений аппроксимирующей функции от опытных точек.

Полученные уравнения регрессии первой степени (с индексом «[») и второй степени (с индексом «II»), являющиеся эталонными уравнениями для давлений pt и р2 двигателя 5ДКРН62/140, вы­ глядят следующим образом:

Р п = о,2084 ( УН) — 0 ,004л — 0,0044;

P i \ ! = ( УН) —0 ,00054л —0,001 (УН)2 — 0,000003л2 +
+ 0,00055л (УН) — 1,15;	(б
р гХ =.0,4795 (УН) + 0 ,02658/1 + 0,014;
Рг11 = 0,874 (УН) —0,0033л+ 0,0000014л2—
—0,038 (УН)2+ 0,0018 (УН) л + 1,373.

Вид связи (линейная или квадратная) определяют на основе сопо­ ставления погрешностей вычисленных значений параметров.

Иногда целесообразнее за эталонное значение параметра при­ нимать его среднее по двигателю значение zcp, вычисленное на ос­

214

нове измерений в одном сечении времени или по возможности с ма­ лым интервалом времени между ними. При использовании среднего значения параметра нет необходимости учитывать влияние режима двигателя, сорта топлива, внешних условий; вся задача нахождения эталонного значения сводится к подсчету среднего арифметического значения соответствующего параметра:

Z ср

(6.5)

где i — число цилиндров; z* — параметр i-го цилиндра.

Алгоритмы диагностирования» Алгоритмы диагностирования представляют собой содержание и совокупность последовательных действий по распознаванию возникшей неисправности. Классиче­ ское решение задачи нахождения алгоритмов распознавания осно­ вано на использовании диагностических моделей, устанавливаю­ щих связь между состояниями системы и их отображениями в про­ странстве диагностических сигналов. Получение диагностических моделей представляет собой наиболее сложную часть всего комплек­ са задач построения диагностического комплекса. Главная труд­ ность заключается в установлении математических связей между изменением структурного параметра и его диагностическими при­ знаками (параметрами). Для этого приходится прибегать к доволь­ но сложным активным экспериментам непосредственно на объек­ те, дополняя их более просто реализуемыми активными экспери­ ментами на математических моделях с использованием ЭВМ.

Задача может быть упрощена, если ограничиться нахождением качественных связей структурного и диагностических параметров. Подобные связи могут быть представлены в виде таблицы, именуе­ мой матрицей неисправностей, в которой столбцы отражают набор ти­ пичных для рассматриваемого объекта (двигателя) неисправно­ стей, а строки отражают присущие им отклонения диагностических параметров (табл. 6 .1 ).

Т а б л и ц а 6.1

		У вели ­	Плохое		Пропуск	Потеря	Загряз­
	Неис­	ченная	распили­	Ранняя	выпуск­	плотности
							нение
	правность	подача	вание	подача	ного	поршневых
							ГТК
		топлива	топлива		клапана	колец

Исправ­ ное со­ стояние

A p i	+	0	0 или +	0	0	0 и л и —	0
A Ps	0 и л и 4 -		0	0	0	-------	0
Л р с	0 и л и +	0	0	-------	—	-------	0
Др г	0	—	+	-------	0 и л и —	-------	0
Л Р е х р	+	+		0	0	0	0
Дфг	0	+	—	0	0	0	0
А Т Г	4 -	+	■	+	0		0

215

Отклонения считаются значимыми, если они выходят за коридор ошибок измерения, который для каждого параметра имеет свое значение. Если измеренное значение диагностического параметра превышает эталонное, то отклонению присваивается знак «+», если она меньше — то знак «—»; знак «О» принадлежит тем отклонени­ ям, которые не выходят за пределы коридора ошибок. Каждой не­ исправности присуща своя комбинация знаков отклонений диаг­ ностических параметров, и это служит основанием для постановки диагноза. Исправному состоянию соответствуют нулевые откло­ нения диагностических параметров. Если двум или более неис­ правностям характерна одинаковая комбинация знаков отклонений, то в этом случае необходимо прибегнуть к методу последователь­ ного перебора, выстроив неисправности в порядке убывания ве­ роятности их возникновения. Здесь важное значение имеют знания

и опыт	осуществляющего диагностирование судового	механика,
так как	только таким путем можно избежать присущих	ЭВМ фор­

мальных решений. Вне зависимости от полноты и достоверности поставляемой диагностической аппаратурой информации оконча­ тельное решение равно как и юридическая ответственность долж­ ны оставаться за человеком.

Реализация изложенных принципов диагностирования техниче­ ского состояния двигателя в общем случае требует выполнения сле­ дующих операций: измерения действительных значений диагност и- ческих рабочих параметров, характеризующих режим и внешние условия; определения эталонных значений параметров; нахождения отклонения действительных (текущих) значений параметров от эталонных; запоминания отклонений и нахождения по их сочета­ ниям с цомощью матрицы неисправностей места и причин возник­ шей неисправности (диагностирование).

6.2. Встроенные диагностические приборы и комплексы

Общие сведения. Применительно к судовым дизелям мировая практика ориентируется на создание и использование бортовых встроенных приборов, компонуемых в развитые диагностические комплексы либо в отдельные измерительные модули. В функции комплексов входят сбор и обработка информации от многочислен­ ных установленных на дизеле датчиков (см. рис. 6 .1 ), запоминание информации и решение алгоритмов диагностирования и прогнози­ рования. Все эти функции возлагаются на ЭВМ, что в сопоставле­ нии с локальными диагностическими системами позволяет избе­ жать дублирования однородных электронных схем, увеличивает функциональные возможности системы, но одновременно система становится более громоздкой и сложной, что отрицательно ска­ зывается на ее надежности. Последнее обстоятельство привело к

216

А-А

Рис. 6.2. Установка отметок ВМТ и углов поворота вала прибора К-748

тому, что фирмы-разработчики стали отказываться от продолжения работ по подобным комплексам. Примерами могут служить: СС-10 фирмы CTJI, «Дата Тренд» фирмы «Норконтрол» и др. Наибольшее применение получили локальные относительно простые и дешевые измерительные и диагностические каналы, выполненные в виде от­ дельных независимых модулей: измерения давления в рабочих ци­ линдрах, измерения давлений впрыскивания топлива, оценки со­ стояния поршневых колец и пр. К их числу в первую очередь отно­

сятся приборы	фирм:		«Аутроника» НК-5, МП-1		и МИ-1 ; АСЕА-
Цилдет МИП;	СТЛ — СПС 360 и др. К			числу отечественных при­
боров подобного типа относятся К-748,				«Прогноз-2 » (К-763).
Прибор К-748.		Для измерения параметров рабочего процесса
в цилиндрах двух-		и	четырехтактных	дизелей,	которые могут

быть использованы как для контроля качества регулирования ди­

зеля, так и в	целях диагностирования, применяют прибор К-748.
В его состав	входят:

устройство, состоящее из блока питания, преобразования и об­ работки сигналов, и вычислительный блок;

датчик 2 угла поворота вала, формирующий последовательность биполярных импульсов угловых меток при перемещении относи­ тельно него стальных сигнальных штифтов, установленных через 12° ПКВ на маховике 1 (рис. 6.2) или на специальном бандаже, за­ крепляемом на валу; дополнительный штифт служит для фиксации ВМТ цилиндра № 1;

217

датчик давления газа в цилиндре, формирующий в зависимости от воздействующего на него давления сигнал периодического на­ пряжения постоянного тока в диапазоне 0—5 В. В качестве та­ кого датчика на судах Минморфлота используют тензодатчики GT-20E, выпускаемые фирмой «Аутроника» (Норвегия);

датчик давления воздуха в ресивере, формирующий входной сигнал постоянного тока в диапазоне 0 —5 мА.

Устройство К-748 рассчитано на подключение к двум однотип­ ным двигателям с числом цилиндров в каждом до 20. Результаты измерений представляются в виде цифровой индикации на табло, при этом могут выводиться как мгновенные значения, так и усред­ ненные за 10 или 100 циклов. Устройством обеспечиваются по­ грешности измерений, не выходящие за пределы ± 1 -f- 4 %.

Измерению подлежат следующие параметры: среднее индика­ торное давление /?*; максимальное давление сгорания рг\ давле­ ние за 1 2 ° ПКВ до ВМТ р12 (близкое к давлению конца сжатия р с)\ давление на линии расширения через 36° ПКВ после ВМТ рехр; максимальная скорость нарастания давления (A/?/A<p)max, харак­ теризующая жесткость процесса сгорания; давление воздуха р3 в продувочном ресивере; угол действия фг максимального давления сгорания относительно ВМТ; частота вращения п коленчатого вала.

Комплекс НК-5 фирмы «Аутроника». С помощью комплекса (рис. 6.3) можно получить наиболее полную информацию о протека­ нии рабочего процесса во всех цилиндрах двигателя и распознать возникающие в нем нарушения, в том числе в работе топливовпры­ скивающей аппаратуры. С этой целью предусмотрен датчик 6 вы-

Рис. 6.3. Диагностический комплекс фирмы «Аутроника» НК-5

218

сокого давления, устанавливаемый на топливопроводе высокого давления у форсунки, а также датчики: 4 — давления наддува; 5 — ВМТ и угла поворота вала; 7 — давления газов (3 — промежу­ точные усилители сигналов датчиков). Результаты измерений в ви­ де кривых давлений и цифровых значений измеренных параметров выводятся на цветной дисплей 1 и печатающее устройство 2 . Встро­ енный в систему микропроцессор позволяет данные измерений со­ хранять в памяти и в дальнейшем сопоставлять новые данные с прежними или эталонными.

В качестве примера кривые давлений газов в цилиндре и в топ­ ливопроводе у форсунки (рис. 6.4) иллюстрируют типичные нару­ шения в протекании процессов. Эталонная кривая 1 отражает ха­ рактер изменения давлений на рассматриваемом режиме работы двигателя при технически исправном состоянии, кривая 2 характе­ ризует действительный процесс с теми или иными искажениями, вызванными неисправностями.

Подтекание иглы форсунки (рис. 6.4, а) в связи с ухудшением распыливания топлива приводит к небольшому увеличению угла <Рз, снижению давления рг и значительному догоранию топлива на линии расширения. Кривая расширения идет более полого и

выше эталонной. Увеличиваются температура выпускных	газов
t T и давление рехр на линии расширения на координате 36°	пос­
ле ВМТ.

При запаздывании вспрыскивания топлива (рис. 6.4, б) сме­ щаются вправо начало видимого сгорания и весь процесс сгорания топлива. Одновременно снижается давление р21 растет температура

t г и давление	р ехр.	Аналогичная картина наблюдается при изно­
се плунжерной	пары	топливного насоса и потере плотности его

всасывающего клапана. В последнем случае уменьшается цикловая подача топлива и соответственно несколько снижается давление p im

Вследствие ранней подачи топлива (рис. 6.4, в) весь процесс сгорания смещается влево в сторону опережения, уменьшается угол фг и растет давление рг. Поскольку процесс становится более

экономичным,		несколько	увеличивается		p t. Раннюю	подачу под­
тверждает	и	кривая давлений		топлива	у форсунки	(рис. 6.4, г).
Изменения в кривой давления топлива вследствие увеличения
цикловой	подачи (рис.		6.4, д)	сопровождаются ростом величин
Рф max И	продолжительности ПОДаЧИ фф.
Падение		скорости нарастания давления топлива				Д/>Ф/Аф на

участке от начала его подъема до момента открытия иглы, а также общее падение давления впрыскивания (рис. 6.4, ё) вызывает уменьшение угла опережения подачи фнп и максимального давле­ ния рф тах . Причина заключается в увеличении протечек топлива через плунжерную пару, пару игла— направляющая форсунки вследствие их износа или в потере плотности клапанов насоса, шту­ церных соединений топливопровода.

219

Закоксовывание сопловых отверстий или чрезмерное увеличе­ ние вязкости топлива (рис. 6.4, ж) приводит к росту давления

впрыскивания вследствие роста сопротивления истечения	топлива
из отверстий.	СДВС
Комплекс «Прогноз-2» (К-763) (разработан кафедрой

ЛВИМУ совместно с ЛЦПКБ и ВНИИЭП). В отличие от устройст­ ва К-748, помимо электроизмерительных средств, в комплекс вхо­ дит микропроцессор, что позволило ввести в него ряд вычислитель­ ных и логических операций, облегчающих и упрощающих ре-

д) р

- 120-80 - И1 ВМТ ifО 80

(р;пкв

-15 ~W - J ВМТ 5 10 15 (pfflKB

д) р а

-1 2 0 -8 0 -W ВМТ ЬО 80 120	$ ПКВ	-15 4 0 - 5 ВМТ 5 10 15 tfflK B
	Ж) р и

120 -80 ~k0 ВМТ W 80 120 tfflK B

'15 -10 - 5 ВМТ 5 10 15 <р;ПКВ

4 5 -10 - 5 ВМТ 5 10 15 (р,°ПКВ

Рис. 6.4. Давление газов в цилиндре и топлива в топливопроводе у форсунки

220