Литература по Механике и для Механиков / Для 3-го курса / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

ле влияет большое число факторов, которые практически невозможно учесть, дальнесрочное прогнозирование ряда параметров может ока­ заться весьма неточным. Поэтому для них рекомендуется ограничи­ ваться среднесрочным, а лучше - краткосрочным прогнозированием (до 500 часов).

При оценке экономичности работы двигателя принято исхо­ дить из сопоставления измеренного удельного расхода топлива на за­ данном режиме с расходами, полученными при ходовых испытаниях судна на аналогичном режиме работы двигателя.

Удельный расход топлива подсчитывается по результатам из­ мерения:

►объема израсходованного топлива F м3/ч, отнесенного к часу работы двигателя;

►эффективной мощности Ne в кВт, ge = Vj) INекг/кВтч,

где рт - плотность топлива при температуре в месте установки расхо­ домера.

Поправка на удельный расход топлива сводится к пересчету полу­ ченного расхода исходя из соотношения теплоты сгорания фактичес­ кой Q к стандартной Qn= 42707 кДж/кг:

Фактическая теплота сгорания используемого топлива может быть подсчитана по следующему выражению:

= (46,7 - 8,8 • 1 0 X 5 + 3 ,1 7 • Ю-Зр 15) [1 - (х + у + S)] Дж/кг.

где р 15 —плотность топлива при 15° С, кг/м3; х, у, S —массовые доли содержания в топливе воды, золы и серы, выраженные в процентах, деленных на 100.

§ 10.2* Основы технического обслуживания двигателей, повышение эффективности их эксплуатации и предотвращ ение отказов

§10.2.1. Системы технического обслуживания

Впоследнее десятилетие ряд ведущих дизелестроительных фирм стали использовать методы и средства технической диагностики для совершенствования программ технического обслуживания, призванного

повысить работоспособность и ресурс двигателей, исключить непред­ виденные поломки и повреждения.

Интересна кривая рис. 10.1. Наибольшее число поломок отмеча­ ется в период стендовых испытаний в процессе доработки конструк­ ции. Этот участок кривой на рисунке обозначен как «болезни роста». Серьезные фирмы стремятся устранить болезни роста до выпуска двигателей на рынок, но, к сожалению, известны случаи, когда при­ чины поломок, носящие конструктивный или технологический ха­ рактер, устраняются в гарантийный и даже послегарантийный пери­ од. В хорошо отработанном двигателе по прошествии гарантийного периода число поломок достигает минимума и дальше, по мере его работы и старения, медленно увеличивается. Редкие поломки чаще всего происходят из-за нарушения правил эксплуатации и норм рег­ ламентного обслуживания. При низком уровне обслуживания потеря двигателем работоспособности по мере выработки ресурса происхо­ дит все чаще, и наступает момент, .когда экономическая эффектив­ ность его дальнейшего использования сводится к нулю. Это связано с увеличением расходов топлива и масла, потерей времени на восста­ новление рабочего состояния двигателя, особенно чувствительной для главных двигателей, так как это приводит к простоям судна и выводу его из эксплуатации.

Под техническим обслуживанием (service and maintenance) под­ разумевается квалифицированное регламентное обслуживание двига­ теля и поддержание его в технически исправном состоянии путем периодически осуществляемых проверок состояния, регулировок, за­ мены износившихся деталей, включая и текущий ремонт.

При этом немаловажное значение имеют грамотное использова­ ние двигателя, эксплуатация его в пределах рекомендованных режи­ мов, осуществление надлежащего топливоиспользования, контроль за состоянием масла и его своевременная замена.

К сожалению, многие судовладельцы для поддержания пропульсивных установок в технически исправном состоянии не используют необходимые материальные и временные ресурсы. Эксплуатируют дви­ гатели до момента потери ими работоспособности и только тогда тра­ тят значительно более существенные средства на восстановление или замену двигателя.

Ничего не бывает вечным, и любое оборудование, включая двига­ тели и их компоненты, имеет определенный срок службы, и если со­ блюдаются рекомендации производителя, то двигатели вырабатывают свой полный ресурс без преждевременных поломок и отказов.

Гл. 10. Контроль техсостояния, диагностика, основы техобслуживания______ 233

Рис. 10.1. Статистика поломок дизелей на протяжении их срока службы

Как видно из рис. 10.1, большинство (55%) судоходных компаний, по данным фирмы «Вяртсиля» в своей технической политике исходят из реализации системы технического обслуживания по минимуму (Reactive maintenance) - до появления отказа. В этом случае, чтобы поддерживать судовое оборудование в состоянии, которое бы обеспе­ чило сохранение заданного моторесурса, никаких действий или уси­ лий не предпринимается. Положительный эффект такой эксплуатации заметен в основном на отрезке гарантийной эксплуатации, когда по­ вреждения двигателя оплачиваются изготовителем, и позже, пока дви­ гатель новый и затраты времени и средств в этот период минимальны.

Однако поломка, которая, будучи сама по себе небольшой, может спровоцировать появление более серьезных отказов, и тогда затраты времени и затрачиваемых средств возрастают в несколько раз. Надо также учитывать, что работа двигателя в предаварийный период от­ рицательно сказывается на состоянии остальных компонентов, что со­ кращает их моторесурс и ресурс двигателя в целом. В итоге частота отказов увеличивается, и соответственно растут капитальные затраты.

Метод организации технического обслуживания по принципу - «до отказа» только на первый взгляд кажется заманчивым. В дей­ ствительности он несет в себе ряд существенных недостатков. Пос­ ледние в известной мере могут быть устранены, если, не отказываясь от этого метода, совместить его с частью метода обслуживания «по состоянию» с использованием диагностических комплексов, кото­ рые позволили бы предотвратить ожидаемые повреждения.

прилагаются к инструкциям по обслуживанию. По представленной на рис. 10.2 статистике, превентивный метод используется на судах в 31% случаев. Дальнейшее изучение показало, что в среднем экономится 12-18% средств. Так, многие судовладельцы, полностью заменив сис­ тему обслуживания «до отказа» на систему планируемого обслужива­ ния, получили 15% экономии. Переход на эту систему обеспечивает увеличение срока службы до конструктивной, заданной двигателестроителем. Одновременно благодаря своевременно проводимым регули­ ровкам на всем протяжении срока службы достигается высокая эко­ номичность работы двигателя, что также существенно. Естественно, что поломки и повреждения катастрофического характера ни одной из рассматриваемых систем обслуживания не могут быть предотвращены, но число поломок эксплуатационного характера сводится к минимуму.

§ 10.2.2. Техническое обслуж ивание «по состоянию » (P redictive m aintenance)

Метод основывается на систематическом измерении параметров, позволяющих проследить техническое состояние двигателя, его изме­ нение во времени и деградацию его компонентов и систем. На базе полученных данных, в первом приближении, оценивается тенденция его изменения. Это, в свою очередь, заблаговременно предупреждает обслуживающий персонал о необходимости проведения соответству­ ющего обслуживания и принятия мер по продлению ресурса и предот­

Гл. 10. Контроль техсостояния, диагностика, основы техобслуживания______ 235

вращению возможного отказа. Судовой механик на базе данных диаг­ ностики может внести соответствующие коррективы в график техни­ ческого обслуживания, продлевая сроки проведения того или иного мероприятия, продлевая работу того или иного компонента. Это поз­ воляет минимизировать средства на приобретение запасных частей, заказывать запчасти по мере необходимости и отказаться от заказа «в запас».

Техническое обслуживание двигателей «по состоянию» пока еще осуществляется на 12% судов, что, видимо, объясняется стоимостью диагностического оборудования и не всегда достаточной информатив­ ностью. Нужно отметить, что идея перехода технического обслужива­ ния с «обслуживания по графику» на «обслуживание по состоянию» в 70-е годы прошлого столетия активно развивалась в исследователь­ ских и учебных организациях ММФ, включая и морские академии. Однако эти работы в связи с недостатком средств и относительно низ­ ким в те годы уровнем вычислительной и электронной техники, к со­ жалению, ограничились исследовательским уровнем, без выхода в прак­ тику эксплуатации.

В настоящее время многие дизелестроительные фирмы, включая «Вяртсиля - система RCOM», «МАН-Б. и В. - система COCOS», «Ка­ терпиллар МАК - система DICARE» и другие, оборудуют выпускае­ мые двигатели измерительными приборами и микропроцессорами, на которые возлагается задача контроля и мониторинга наиболее важных параметров, сигнализации об их выходе за установленные пределы и накапливание информации для отслеживания развития параметров во времени. При этом вся работа осуществляется в автоматическом режи­ ме. В ряде конструкций на микропроцессор также возложена функция управления процессами подачи топлива в целях оптимизации работы двигателя применительно к режимам его работы.

Системы технического обслуживания «по состоянию» двига­ телей «Вяртсиля».

Фирма «Вяртсиля» разработала новую программу управления сис­ темой технического обслуживания для двухтактных двигателей «Зуль­ цер» (RCOM-CBM - Condition Based Maintenance). При разработке ста­ вилась задача оптимизировать баланс между увеличенными сроками моточисток, сокращением расходов на запасные части и высокой на­ дежностью двигателя в эксплуатации. Накопленный опыт эксплуата­ ции практически одинаковых двигателей показал, что стоимость их технического обслуживания и надежность работы различны. Это есте­ ственно и объясняется различием факторов, влияющих на состояние

каждого двигателя. При эксплуатации двигателей используются раз­ ные по качеству топлива и смазочные масла, запасные части разных производителей, а также имеет место различие в нагрузках, уровне повседневного технического обслуживания и моточисток.

Анализ случаев серьезных аварийных повреждений компонентов двигателя показал, что задолго до поломки была возможность по меня­ ющемуся состоянию двигателя (компонента) предупредить деграда­ цию состояния двигателя и его компонентов и тем самым предупре­ дить следующую поломку. Чтобы решить эту задачу, фирма прибегла к использованию знаний привлеченных экспертов (специалистов) для систематического анализа доступной информации. Это открыло воз­ можность предугадывать возникающие проблемы и предупреждать резкое ухудшение технического состояния. К настоящему моменту изу­ чение опыта эксплуатации большого числа судовых силовых устано­ вок позволило специалистам сервисного отдела фирмы приобрести необходимые знания и идеальную возможность предугадывать состоя­ ние двигателей.

В целях дальнейшего совершенствования системы обслуживания фирма организовала сбор знаний экспертов, работающих во всех пред­ ставительствах мира, и на этой основе создала единую базу данных. Часть этих данных относится непосредственно к конкретному судну, к числу которых относятся результаты стендовых и ходовых испытаний, данные, записанные в электронной форме и взятые из отчетов сервис­ ных инженеров фирмы, и данные рабочих характеристик двигателя, фиксируемые на протяжении всей его эксплуатации (data log). Совме­ стная обработка материалов экспертной системы и системы сбора ин­ формации позволяет в автоматическом режиме выработать заключе­ ния по состоянию конкретного двигателя.

Система сбора информации автоматически пополняется данны­ ми, фиксируемыми системой автоматического контроля за работой дви­ гателя, и вручную судовыми механиками путем занесения данных в персональный компьютер. В целях систематизации и повышения эф­ фективности сбора данных разработаны соответствующие шаблоны.

Предлагается производить измерения и оценку состояния следую­ щих элементов:

-поршни;

-сальники поршневых штоков;

-воздухоснабжение, продувка;

-сгорание;

-топливные насосы высокого давления и форсунки;

-распределительный вал и клапаны;

-приводы;

-коленчатый вал;

-система управления;

-демпферы.

Система сбора включает также данные о состоянии таких важных компонентов, как поршневые кольца, втулки цилиндров, подшипники и т.п. Небезынтересно отметить, что использование шаблонов и компь­ ютера существенно сокращает бумажные отчеты, зачастую перегру­ жающие судовых механиков.

Процесс компьютеризированной обработки включает три этапа: ►подсчет собранных данных и построение тренда; ► состояние двигателя оценивается путем сопоставления взве­

шенных известных случаев, имеющихся в экспертной базе данных фирмы;

►результат оценки состояния двигателя и его элементов, а также рекомендации по организации технического обслуживания сообщают­ ся старшему механику судна и в техническую службу судоходной компании.

Рекомендации выдаются в виде графиков, картинок и сопровож­ дающего их текста.

В четырехтактных двигателях фирма «Вяртсиля» давно исполь­ зует автоматизированные комплексы контроля состояния - WECS

(Wartsila Engine Control System). Сегодня по желанию заказчика они дополняются новой системой FAKS (Fault Avoidance Knowledge System), программное обеспечение которой служит целям предупреждения по­ ломок, отслеживания тренда изменения состояния и рекомендациями по внесению изменений в организацию технического обслуживания. Главным образом система осуществляет диагностирование ситуации, когда поломка (отказ) еще не произошли, но измерения показывают, что двигатель работает не оптимальным образом и надвигается крити­ ческая ситуация. По своей идеологии внедренные системы техничес­ кого обслуживания по состоянию на 4- и 2-тактных двигателях иден­ тичны. Блок-схема системы представлена ниже.

Система обслуживания «по состоянию» собирает и обрабатывает все ежедневно поступающие данные, осуществляя их «нормализацию» - приведение к стандартным внешним условиям и заданной нагрузке. Затем, как это уже объяснялось ранее, нормализованные данные сопо­ ставляются с эталонными - определяются значения отклонений и по ним оценивается состояние двигателя и обслуживающих его систем.

Рис. 10.3. Блок-схема системы технического обслуживания двигателей «Вяртсиля»

Если отклонения укладываются в заданные пределы - окно на мониторе окрашивается в черный цвет. Если отклонения слегка выхо­ дят за эти пределы - окно желтое. Если отклонения существенно выше - окно красное и поступает тревожный сигнал.

Центром технического обслуживания в судоходную компанию и на судно ежемесячно направляется отчет с комментариями и рекомен­ дациями, отражающими состояние установки на текущий момент, про­ гноз на будущее и исторический обзор изменений состояния с момен­ та начала работы системы.

§ 10.3* Контроль и регулирование рабочего процесса дизелей

§ 10.3*1. И ндицирование двигателя

Под индицированием понимается снятие с последующей обра­ боткой индикаторных диаграмм, представляющих собой графическую зависимость развиваемого в рабочем цилиндре давления в функции хода поршня S или пропорционального ему объема цилиндра (см. рис. 10.4 и 10.5).

М еханические индикаторы «М айгак». Диаграммы снимаются с каждого рабочего цилиндра с помощью специального прибора - ин­

дикатора поршневого типа «Майгак». Наличие диаграммы позволяет ; определить важные для анализа рабочего процесса параметры р., р с и

Р-V диаграмма

Рис. 10.4. Индикаторная диаграмма двигателя МАН-Б и В KL-MC

Ртах (Р )- Диаграмма на рис. 10.4 типична для двигателей, при эксплуа­ тации которых главная задача состояла в снижении уровня механичес­ кой напряженности и содержания в выхлопе окислов азота. Для этого, как уже ранее отмечалось, осуществляется более поздний впрыск топ­ лива и сгорание происходит с меньшим ростом давления и температур в камере сгорания.

Развернутая индикаторная диаграмма. Если же главная цель состоит в повышении экономичности двигателя, то сгорание организу­ ется с более ранней подачей топлива и, соответственно, большим рос­ том давлений. При наличии электронной системы управления подачей топлива такая перестройка легко осуществляется.

На диаграмме рис. 10.5 четко видны два горба - сжатие и затем сгорание. Такой характер достигнут за счет еще более поздней подачи топлива. На рисунках приведены два вида диаграмм - свернутая, по которой определяется среднее индикаторное давление, и развернутая, позволяющая визуально оценить характер развития процессов.

Гребенка

Г QPt1U\/TQ СГ

Рис. 10.5. Индикаторная диаграмма двигателя МАН-Б.В. SMC