книги из ГПНТБ / Балякин, О. К. Технология и организация судоремонта учеб. пособие

му состоянию определить и выполнить необходимый объем про­ филактических мероприятий для сохранения надежности и увели­ чения срока эксплуатации.

Техническое диагностирование с методической точки зрения можно разбить на два вида: поэлементное и комплексное.

Поэлементное диагностирование включает методы и средства оценки технического состояния отдельных узлов и систем механиз­ ма, для чего максимально используют данные приборов, уста­ новленных на механизме, и приборов, монтируемых на механизм на время диагностирования.

Комплексное диагностирование оценивает техническое состоя­ ние механизма в целом по группе наиболее существенных показа­ телей.

К особой группе у двигателей внутреннего сгорания относят показатели, связанные с протеканием рабочего цикла и регулиро­ вок. Наиболее полную информацию по этой группе можно полу­ чить путем обработки результатов индикаторных диаграмм и оп­ ределения цикловой подачи топлива, а некоторую информацию — путем измерения эффективной мощности и расхода топлива. На основании показателей этой группы в первую очередь намечают мероприятия по устранению неисправностей, а также по регулиро­ ванию без большой разборки двигателя.

В следующую группу выделяют показатели, связанные с со­ стоянием зазоров и износа основных сопряжений подшипниковых узлов цилиндро-поршневой группы. Для определения показателей этой группы применяют виброакустические методы, которые позво­ ляют по изменению выходных параметров вибрации двигателя су­ дить о степени изношенности проверяемых узлов. В этом случае по данным диагностирования прогнозируют остаточный ресурс со­ пряжений или решают вопрос о необходимости ремонта двигателя.

Общее техническое состояние двигателя можно определить также методом, основанным на спектральном анализе проб масла, отбираемых из картера, и по симплексу Си. Концентрация того или иного элемента в масле выше допустимой нормы свидетельст­ вует о наступлении форсированного износа и о необходимости ос­ мотра или ремонта.

Перспективным методом безразборной диагностики отдельных деталей двигателя является метод, основанный на применении во­ локнистой оптики, позволяющей обследовать детали в закрытых полостях. Например, с помощью устройства с гибким волокнистым светопроводом через форсуночное отверстие можно оценить техни­ ческое состояние днища поршня, тарелки клапана, рабочей по­ верхности втулки цилиндра и т. д.

Как показывает опыт применения методов технического диаг­ ностирования, эффективность его возрастает по мере повышения приспособленности механизмов к его проведению и по мере раз­ работки новых более совершенных методов и средств технического диагностирования, основанных на современных достижениях нау­ ки и техники.

120

В настоящее время как в нашей стране, так и за рубежом раз­ работана методика и создана специальная аппаратура для диаг­ ностирования в основном двигателей внутреннего сгорания. Техни­ ческому диагностированию по вибрационным параметрам подвер­ гают также зубчатые редукторы турбомеханизмов, центробежные насосы, турбины и др.

При диагностировании используют следующие приборы:

датчики быстропротекающих процессов (емкостные, индуктив­ ные, пьезокварцевые, тензометрические и др.) — для измерения из­ носа подшипников и поршневых колец, давления в цилиндре и др.; инфракрасные бесконтактные датчики — для бесконтактного из­

мерения температуры деталей; торсиометры — для измерения выходной мощности механизма

на валу; штатные приборы механизмов.

Техническое диагностирование широко применяют в авиа- и автопромышленности, при производстве и ремонте двигателей внут­ реннего сгорания сельскохозяйственной техники и в других обла­ стях машиностроения.

Активно развертываются работы по разработке и внедрению методов технического диагностирования при ремонте судовых дви­ гателей внутреннего сгорания. Такие работы ведут специалисты ЦНИИМФа, БЦПКБ, Одесского, Дальневосточного и Ленинград­ ского высших инженерных морских училищ и других организаций.

§ 38. ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ДИЗЕЛЕЙ

Работающий двигатель внутреннего сгорания, взаимодействуя с внешней средой, порождает множество процессов, именуемых выходными. Эти процессы могут быть рабочими, определяющими рабочие функции двигателя (развиваемая мощность на валу, вы­ работка энергии, потребление топлива, воздуха и т. д.), и сопут­ ствующими ^шум, вибрация, тепловыделение и т. д.).

Параметры выходных процессов характеризуют свойства этих процессов, которые, в свою очередь, зависят от характера взаимо­ действия структурных элементов. Вместе с тем характер взаимо­ действия зависит от значений структурных параметров элементов сопряжения.

Таким образом, выходные параметры существенно зависят от состояния структуры двигателя и меняются с изменением его структурных параметров. Например, увеличение зазора в сопря­ жении вал — подшипник снижает давление в замкнутой системе подачи смазки к этому сопряжению, увеличивает шум, вызывает стуки.

121

Взаимосвязь структурных и выходных параметров двигателя позволяет при определенных условиях принимать выходные па­ раметры за косвенные показатели (симптомы) неисправного тех­ нического состояния узла, системы или навешенного агрегата дви­ гателя без его разборки, так как выходные параметры можно наблюдать и замерять извне.

Для того чтобы выходной параметр мог стать диагностическим показателем, он должен обладать:

однозначностью, т. е. каждому значению структурного пара­ метра должно соответствовать только одно, вполне определенное значение выходного параметра;

широтой поля изменения, т. е. выходной параметр должен иметь возможно большее относительное изменение при заданном абсолютном изменении структурного параметра;

доступностью и удобством измерения.

Кроме того, каждый показатель (или их группа) должен об­ ладать возможно большей информационной емкостью. Чем больше информационная емкость, тем показатель (или группа показате­ лей) точнее и определенней укажет на неисправность.

Например, информационная емкость таких показателей, как снижение мощности двигателя или повышение им расхода топ­ лива, относительно невелика, так как не указывает на определен­ ную неисправность. Действительно, оба эти симптома могут по­ явиться и при износе ЦПГ, и при нарушении установки угла опе­ режения впрыска топлива, и при разрегулировании топливоподаю­ щей системы.

Такой же показатель, как стук подшипника, точно локализо­ ванный по месту возникновения, указывает на конкретную не­ исправность (увеличенный зазор) и поэтому имеет максимальную информационную емкость.

Диагностирование является важным элементом системы ТО двигателя. Поэтому одним из основных вопросов рациональной организации технического диагностирования является обоснование и выбор оптимальной периодичности его проведения. При этом следует исходить из условий обеспечения наибольшей надежно­ сти и технической готовности двигателя.

Различают две системы диагностирования двигателей:

с постоянной периодичностью, не изменяющейся в течение всего срока эксплуатации двигателя; если произошли отказы между диагностированиями, то проводят необходимый текущий ремонт; профилактическое обслуживание в объеме, выявленном при диагностировании (после некоторого безотказного периода рабо.- ты двигателя, величина которого зависит от интенсивности отка­ зов, с выполнением необходимого текущего ремонта между диаг­

ностированиями).

Наиболее перспективна вторая система, которая позволяет учи­ тывать возраст механизма и уровень его надежности.

Диагностирование двигателя внутреннего сгорания представля­ ет собой определенную сложность из-за разнообразия выходных

122

процессов (физических и химических) при взаимодействии двига­ теля с внешней средой. Например, техническое состояние ЦПГ ха­ рактеризуется уровнем шума и вибрации, изменением температу­ ры отработавших газов, угаром масла и т. д.

Между системами и механизмами двигателя существует взаи­ мосвязь, заключающаяся в том, что на параметры диагностируе­ мой системы, помимо ее технического состояния, прямо или кос­ венно влияют многие элементы других систем и механизмов, так­ же взаимодействующих между собой в процессе работы. Поэтому для объективной оценки технического состояния любой системы или механизма диагностирование необходимо проводить в опре­ деленной последовательности, применяя метод исключения.

Когда неисправность не является очевидной и ее поиск связан со сравнительно большой потерей времени, рекомендуется следую­ щий порядок проведения диагностических работ:

ЦПГ (зазор между поршнем и цилиндром); механизм поршневого движения (зазоры в подшипниках);

механизм газораспределения (зазор между клапаном и коро­ мыслом) ;

топливная аппаратура (давление впрыска топлива); газотурбонагнетатель (зазоры в подшипниках).

Для определения технического состояния двигателя и его ос­ новных систем и механизмов используют методы диагностирова­ ния, основанные на: индицировании двигателя, определении его мощности и расхода топлива; методе симплекса Си; виброакустических методах; спектральном анализе масла.

Диагностирование, основанное на индицировании двигателя, определении его мощности и расхода топлива. Этот метод позво­ ляет своевременно выявить и устранить нарушение регулирования системы топливоподачи, которое приводит к существенным нару­ шениям протекания рабочего цикла в цилиндре двигателя. В ре­ зультате понижаются не только мощностные показатели, но зна­ чительно возрастает износ основных деталей.

Установлено, что при увеличенной цикловой подаче топлива и нарушении установочного значения угла опережения начала пода­ чи топлива износ деталей ЦПГ может возрасти в 1,5—1,7 раза против его нормальной величины. Это подтверждает необходимость периодического контроля за рабочим процессом двигателя.

На основе индицирования двигателя и измерения расхода топ­ лива одновременно с мощностными показателями определяют и оценивают показатели, влияющие на долговечность двигателя (максимальное давление сгорания, скорость нарастания давления, температурные характеристики цикла и др.).

Характер индикаторной диаграммы позволяет сделать оператив­ ное заключение о характере протекания и отклонениях рабочего процесса в цилиндрах двигателя.

По определенным показателям оценивают техническое состоя­ ние двигателя и намечают мероприятия по устранению его неис­ правностей и регулированию.

123

Диагностирование по симплексу Си. Для приближенной оценки общего технического состояния тихоходных судовых двигателей (6ДКРН 74/160-2, 6ИД76 и др.) специалисты Одесского высшего инженерного морского училища (руководитель канд. техн. наук Л. Л. Грицай) предложили использовать наряду с комплексом по­ казателей, характеризующих протекание рабочего процесса, симплекс Си.

Симплекс Си определяют по выражению

—_____Е±_____

где рс— давление сжатия, кгс/см2;

tBSvit's — замеренные температуры выпускных газов и продувоч­ ного воздуха, °С;

ts — температура продувочного воздуха при стендовых испы­ таниях, принятая за номинальную, °С.

Врезультате износа деталей и отложения продуктов сгорания

впроцессе эксплуатации величина Си имеет тенденцию к посте­ пенному снижению.

Определив текущее значение Си и зная его номинальное зна­ чение, подсчитывают коэффициент технического состояния двига­ теля по формуле

где ДСи— отклонение симплекса Си от его номинального значения; 8— максимально допустимое отклонение Си (поле допуска).

Номинальное значение Си для каждого двигателя устанавли­ вают по результатам стендовых, ходовых или теплотехнических испытаний. Предельно допустимое значение Си устанавливают по каждому типу двигателя на основе анализа двигателей, требую­ щих капитального ремонта.

По имеющимся неполным данным предельно допустимое от­ клонение Си составляет ориентировочно 25—30% номинального значения.

Диагностирование, основанное на виброакустических методах.

До сих пор в практике эксплуатации и судоремонта используют метод оценки технического состояния судовых механизмов, в част­ ности двигателей внутреннего сгорания, по шуму, на слух. Для этой цели применяют несложные приспособления и приборы (сте­ тоскопы, виброметры и т. д.). По оттенкам и уровню шума раз­ личной частоты, вызываемым вибрацией узлов и деталей, опыт­ ный механик может определить правильность регулирования топ­ ливного насоса, форсунок, газораспределительного механизма, не­ исправности в кривошипно-шатунном механизме и т. д.

Однако, оценка технического состояния механизма на слух но­ сит субъективный характер и часто приводит к ошибкам.

В последнее время применяют виброакустическую диагности­ ку с использованием специальной аппаратуры и приборов.

124

Дело в том, что все физические процессы, протекающие в ме­ ханизмах, сопровождаются колебаниями, вибрациями. В двигателе внутреннего сгорания вибрации возникают в кривошипно-шатун­ ном механизме, топливовпрыскивающей системе, клапаннораспре­ делительном механизме (в процессе сгорания, впуска и выпуска), а также навешенных механизмах и приводах.

Наиболее важными с точки зрения виброакустической диагно­ стики являются упругие колебания от ударов сопряженных дета­ лей. Переменные нагрузки при наличии между сопряжениями за­ зоров приводят к ударам деталей друг о друга, что вызывает вибрацию деталей, узлов и всего двигателя. Интенсивность вибра­ ции зависит прежде всего от динамики сил, приложенных к де­ талям, и величины импульсов, способствующих образованию ме­ ханических ударов.

Уровень и характер вибрации работающего двигателя являет­ ся важным показателем состояния его узлов и деталей и служит обобщающей характеристикой их динамических свойств.

Исследованиями установлено, что энергия вибрации, вызван­ ная ударами сопряженных деталей, примерно равна кинетической энергии в момент удара.

Энергия вибрации, вызванная, например, перекладкой поршня цилиндра бескрейцкопфного двигателя около в. м. т., может быть выражена уравнением

т — масса ударяющей детали, кг; 5 — зазор между поршнем и втулкой цилиндра, мм;

PTj— сила, действующая на поршень по оси цилиндра, кгс; X— отношение радиуса мотыля к длине шатуна.

Для одного типоразмера двигателя и определенного установив­ шегося режима работы уравнение можно представить в виде

o ( w ) t = B S 'u,

Аналогичными уравнениями можно выразить энергию вибра­ ции и других узлов двигателя (узлов газораспределительного ме­ ханизма, подшипниковых узлов и т. д.).

Теоретический анализ показывает, что при работе двигателя с увеличением зазоров в сопряжениях деталей возрастает интен­ сивность ударов и соответственно энергия вибрации. На рис. 30 показаны энергетические спектры ускорения вибрации блока дви­ гателя внутреннего сгорания с предельным 1 (0,61 мм) и нормаль­ ным 2 (0,19 мм) зазорами между поршнем и втулкой.

Таким образом, выделяя спектр колебания соответствующей де­ тали исследуемого узла и замеряя энергию вибрации, по ее вели­ чине можно определить величину зазора в сопряжении (например, между поршнем и втулкой цилиндра, подшипниках шатуна и ко­

125

может быть также использован для диагностики топливоподающей системы высокого давления.

Рис. 31. Блок-схема прибора для диагностирования двигателя по вибрационным показателям

В соответствии с проверяемым сопряжением включается один из трех фильтров и выделяется активная полоса частот, несущая основную информацию о техническом состоянии сопряжения. Пос­ ле фильтрации сигнал усиливается вторичным каскадом усиле­ ния 7 и поступает на вход интегрирующего устройства 8, которое усредняет процесс за время Т. По шкале индикатора 9, градуиро­ ванной в милливаттах, определяют мощность сигнала, характери­ зующего величину энергии вибрации блока в районе установки датчика 1.

Имея переходную таблицу или тарировочный график, можно по показаниям шкалы индикатора определить величину зазора в проверяемом сопряжении.

126

При определении энергии вибрации, формируемой исследуемым сопряжением, большое значение имеет правильная установка дат­ чика на поверхности детали (блока) двигателя. Датчик должен быть установлен в таком месте, которое обеспечивало бы макси­ мальную информацию от проверяемого узла при минимальном влиянии помех за счет вибрации других сопряжений. Например, при проверке сопряжения поршень — гильза цилиндра датчик уста­ навливают на боковой поверхности блока цилиндров на неболь­ шом расстоянии от верхней кромки гильзы цилиндра.

Выше был рассмотрен способ виброакустической диагностики при использовании одноканальных схем, который в основном при­ меняют в данное время.

Но есть уже некоторый опыт использования многоканальных схем с применением электронно-вычислительных машин (ЭВМ), в блоках памяти которых записана информация, характеризующая первоначальное (построечное) техническое состояние двигателя данной марки.

При использовании такой системы информация о работе каж­ дой кинематической пары диагностируемого двигателя от вибро­ преобразователей через специальное кодирующее устройство вво­ дится в ЭВМ, ЭВМ, сопоставляя полученную информацию с той, которая хранится в блоках памяти, автоматически в короткий срок ставит диагноз (дает оценку техническому состоянию) каждой ра­ ботающей кинематической паре двигателя. Результаты оценки вы­ даются на перфоленту или пишущее устройство.

Диагностирование, основанное на спектральном анализе масла. Общее техническое состояние двигателя можно оценить путем спектрального анализа масла, взятого из картера.

При работе двигателя продукты износа его деталей накапли­ ваются в масле, причем концентрация их увеличивается по мере возрастания скорости изнашивания деталей и ухудшения про­ цесса фильтрации масла. Однако при достаточно длительной ра­ боте двигателя уровень концентрации продуктов износа в масле стабилизируется, так как наступает равновесие между поступле­ нием их в масло и удалением из него (если, конечно, фильтрую­ щие элементы масляной системы находятся в исправном состоя­ нии) .

Уровень концентрации примесей в масле зависит от интенсив­ ности поступления и удаления продуктов износа деталей двигателя.

Таким образом, при длительной работе масла, постоянном его расходе и постоянной интенсивности очистки темп изнашивания деталей двигателя характеризуется количеством в масле продук­ тов износа.

Практически при использовании спектрального анализа для оценки технического состояния двигателя необходимо предвари­ тельно определить концентрацию продуктов износа в пробах мас­ ла, взятых у большого количества двигателей одной модели. За­ тем на основе результатов спектрального анализа проб установить предельное содержание определенных элементов в масле (железа,

127

хрома, меди, свинца и т. д.), т. е. установить эталонное значение. После этого периодически в процессе эксплуатации, беря пробы масла из картера двигателя и подвергая их спектральному анали­ зу, можно оценивать техническое состояние двигателя. Концентра­ ция того или иного элемента в масле выше допустимой величины свидетельствует о наступлении повышенного износа и необходимо­ сти осмотра или ремонта.

§ 39. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ОСТАТОЧНОГО МОТОРЕСУРСА

Важнейшей задачей, решаемой на основе комплексного техни­ ческого диагностирования, является прогнозирование остаточного моторесурса (срока службы до ремонта) сопряжения, узла и дви­ гателя в целом.

Рис. 32. Зависимость зазора сопряжения деталей двигателя от времени работы

Исходя из принятого представления о характере кривой износа сопряжения (рис. 32) можно выделить три ее участка:

начальный 1—2, соответствующий процессу приработки; промежуточный 2—3, прямолинейный, соответствующий про­

цессу изнашивания при нормальной работе сопряжения; конечный 3—4, соответствующий аварийному износу. Межремонтный срок службы сопряжения определяют по пря­

молинейному промежуточному участку кривой износа по формуле

128

Для текущего момента работы сопряжения в пределах прямо­ линейного участка кривой износа можно написать:

L *-Н . tgot >

где t и 5 — текущие значения продолжительности работы и вели­ чины зазора сопряжения;

tH— продолжительность приработки сопряжения до дости­

Данная формула позволяет приближенно определить остаточ­ ный моторесурс, так как условно принимается, что для данного со­ пряжения величина tg a сохраняет свое постоянное значение на всем прямолинейном участке кривой износа. На самом деле эта величина не остается строго постоянной и изменяется в некоторых пределах в зависимости от ряда условий. На практике этими из­ менениями пренебрегают, так как учесть их сравнительно трудно.

Предельное значение зазора 5 пр, по достижении которого не­ обходим ремонт, устанавливают технические условия, а величину текущего зазора S определяют путем, например, виброакустического метода диагностирования. Время t работы сопряжения оп­ ределяют по записям формуляра двигателя. Начальный зазор при­ работанного сопряжения SH и продолжительность приработки /н можно получить статистическим анализом данных обкатки двига­ теля. Причем, эти величины необходимо вписывать в формуляр.

Величину tg a можно определить по формуле

tg а— S - S H

Прогнозирование остаточного моторесурса двигателя возмож­ но и по данным диагностирования, основанного на спектральном анализе картерного масла. Прогнозирование в данном случае мо­ жет быть произведено на основе следующего уравнения:

&д —концентрация характерного элемента в масле по дан­ ным диагностирования;

— срок службы до ремонта.

Отсюда

Тогда остаточный моторесурс двигателя определится как