Литература по Механике и для Механиков / Литература / Voznitskiy_-_Sudovye_dvigateli_vnutrennego_sgora (2)

длительной работы на холостом ходу так как этот режим из-за низко­ го теплового состояния, плохого распиливания и сгорания топлива характеризуется сильным нагарообразованием, способствующим ин­ тенсивному изнашиванию цилиндров.

Разница между максимальными уровнями температуры деталей ЦПГ, как и темп ее увеличения, во многом зависят от начального теп­ лового состояния двигателя. Предварительный прогрев перед пуском обязателен для всех двигателей и в первую очередь для мощных МОД, которые из-за больших размеров и значительной тепловой инерции во время пуска-разгона испытывают высокие тепловые нагрузки.

После длительной стоянки судна в порту или на рейде двигатель нагружают ступенями, т.е. после пуска он в течение некоторого време­ ни работает на холостом ходу или на малой нагрузке, которую затем постепенно доводят да полной. Продолжительность работы на отдель­ ных ступенях нагрузки зависит от типа,'размеров, мощности и степени форсировки двигателя. Мощным МОД, имеющим большие массы ме­ талла, требуется для прогрева больше времени, чем меньшим средне­ оборотным. Для последних, согласно исследованиям фирмы SEMT, оптимальное время прогрева ЗСМЮ мин, из которых 8 мин составляют прогрев на холостом ходу, 2 мин - с медленным повышением нагрузки до 30% и 20-30 мин - с повышением нагрузки до полной.

При наличии систем дистанционного автоматического управле­ ния в них обычно заложены программы прогревания:

-экстренный вывод под нагрузку (60-90 с);

-ускоренный вывод под 100%-ную нагрузку (12-20 мин);

-нормальный вывод под нагрузку (1,5-2 ч).

Остановка двигателя.

Наряду с режимом прогрева не менее опасен и переходный режим резкого снижения нагрузки или внезапной остановки двигателя. При рез­ ком сбросе нагрузки и особенно при остановке двигателя, до этого рабо­ тавшего в режиме полного хода, в нем, как и при прогреве, появляются высокие тепловые напряжения вследствие неравномерного остывания деталей ЦПГ. Наибольшие напряжения наблюдаются в первый период остановки двигателя, так как именно для этого периода характерна наибольшая скорость падения температуры нагретых поверхностей.

Для уменьшения напряжений, возникающих при остывании горя­ чего двигателя, необходимо заблаговременно, до полной остановки двигателя, снижать развиваемую им мощность. Мощные МОД ре­

комендуется переводить на режим среднего, затем малого хода за 30-60 мин до начала маневров.

§ 9*7* Режим реверсирования главного двигателя и гребного винта

Перемена хода судна с переднего на задний ход, или наоборот, при наличии ВФШ требует реверсирования вращения гребного винта и двигателя. При реверсировании 4-тактного двигателя требуется из­ менение фаз топливоподачи, газо- и воздухораспределения. Для этого на распределительном валу устанавливается по два комплекта распре­ делительных шайб, обеспечивающих работу на передний и задний ход. При реверсе под ролики толкателей ТНВД, клапанов и воздухораспре­ делителя подводится соответствующий комплект шайб. В 2-тактных двигателях с контурной продувкой изменяются только фазы топливо­ подачи и распределения пускового воздуха (воздухораспределители). В двигателях с прямоточно-клапанной продувкой, в дополнение к от­ меченному, требуется реверсировать фазы выпускного клапана. На рас­ пределительном валу привода клапанов имеется один комплект кулач­ ков, и при реверсировании для изменения фаз при повороте коленчато­ го вала распределительный вал затормаживается, и это обеспечивает его смещение на заданный угол.

В зависимости от обстоятельств реверсирование двигателя при­ ходится совершать в диапазоне от нулевой скорости (судно неподвиж­ но) до скорости полного хода. Если реверсирование в период манев­ ров, осуществляемое при относительно небольших скоростях, особых проблем не вызывает, то реверсирование на полном ходу хоть и воз­ можно, но может привести к серьезным механическим нагрузкам в элементах движения двигателя.

Реверсирование начинается с того, что с двигателя снимают на­ грузку, выключая подачу топлива. При этом двигатель продолжает вра­ щаться под действием потока воды, вращающей гребной винт в пре­ жнем направлении, и момента инерции его движущихся масс. Время вращения двигателя после выключения подачи топлива до полной ос­ тановки в зависимости от массы судна и его скорости занимает не­ сколько минут. В ситуациях, когда необходимо быстрое реверсирова­ ние, для сокращения времени остановки двигателя с целью возможно­ го его пуска на задний ход применяют торможение вращения вала, стопоря двигатель контрвоздухом посредством подачи сжатого возду­

ждать, что и выбег корпуса судна при торможении двигателя контрвоз­ духом будет намного меньше, чем при пассивном торможении, что очень важно для обеспечения безопасности.

Кривые изменения момента винта при реверсировании (рис. 9.6) показывают, что момент винта М в изменяет свой знак при любой ско­ рости движения судна.

Рассмотрим процесс реверсирования со скорости полного хода вперед, принимаемой за единицу (v = 1). Режим работы двигателя, соответствующий полному ходу судна, будет определяться точкой а. Процесс реверсирования можно разбить на три условных периода.

Первый период ~ при выключении подачи топлива на двигатель его частота вращения и частота вращения винта быстро падают до 6070% частоты вращения полного хода п (точка Ъ). В точке Ъ винт начинает тормозить движение судна, момент винта М = 0.

Второй условный период работы винта соответствует участку кри­ вой bed. На этом участке винт приводится в движение набегающим по­ током воды и работает как ротор гидротурбины, создавая отрицатель­ ный момент, который достигает максимального значения при снижении частоты вращения винта до пд = (30-40%)иягж переднего хода (точка с).

Отрицательное значение Мвпри этом может достигнуть величины 0,8-1,0 М полного переднего хода. При дальнейшем снижении часто­ ты вращения (участок cd) отрицательный момент заметно уменьшается до значения момента - Mdпри частоте вращения, равной нулю (пв= 0).

На участке bed быстрая остановка винта от п = (0,60-0,70) п до п = 0 достигается подачей контрвоздуха в цилиндры двигателя.

На этом участке двигатель создает крутящий момент, достаточный для преодоления наибольшего отрицательного момента винта, но, как видно из графика, наиболее эффективное и безболезненное для двига­

Глава ю

КОНТРОЛЬ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ, ДИАГНОСТИКА, о сн о в ы

ТЕХНИЧЕСКОГО ОБСЛУЖИВАНИЯ

§ 10.1. Принципиальные основы

организации контроля и диагностики

Контроль, осуществляемый в период работы двигателя, включает наружные осмотры, периодически проводимые вахтенным персоналом, и оценку его состояния и состояния обслуживающих его систем на основе измерения и анализа ряда параметров, прямым или косвенным образом характеризующих их работу. Выбор параметров контроля оп­ ределяется необходимостью иметь наиболее полную информацию о состоянии объекта с помощью относительно простых, надежных и доступных измерительных средств, к числу которых относятся термо­ метры, термопары, манометры, расходомеры, счетчики оборотов и дру­ гие приборы, штатно устанавливаемые на двигатель и обслуживаю­ щие его системы. Помимо этого, применяются дополнительные при­ боры, такие как индикаторы, пиметры, максиметры, газовые анализа­ торы и др.

На судах ранней постройки контроль осуществлялся путем пери­ одического обхода вахтенным персоналом всех работающих механиз­ мов, осмотра и ежечасной записи показаний штатных приборов в ма­ шинный журнал. В задачу персонала входило следить за тем, чтобы измеряемые параметры не выходили за верхний или нижний пределы или находились внутри допустимой области отклонений, ограничен­ ной этими пределами. Рекомендуемые значения параметров и их допус­ тимые отклонения задаются в инструкциях по эксплуатации двигателя.

226 Судовые двигатели внутреннего сгорания

ной диагностики, с помощью которых можно было бы оценивать тех­ ническое состояние двигателей непосредственно в период их функци­ онирования, определять отклонения от нормальной работы и устанав­ ливать причины этих отклонений.

В современных системах диагностики СДВС применяется метод функционального диагноза, направленный на решение задач проверки правильности функционирования и поиска неисправностей двигателя непосредственно в условиях его эксплуатации.

Современный дизель представляет собой сложный комплекс аг­ регатов, узлов, деталей, составляющих единое целое и в то же время участвующих в подчас независимых друг от друга процессах. Оцени­ вать техническое состояние дизеля в целом посредством нескольких параметров - задача в силу сложности объекта практически неразре­ шимая, и поэтому из всего многообразия элементов и процессов выби­ раются те, от состояния которых в наибольшей степени зависят эффек­ тивность работы дизеля, его надежность и ресурс. С целью определе­ ния объектов диагностирования нами были проанализированы мате­ риалы статистического анализа надежности ряда двигателей, находив­ шихся в эксплуатации на судах различных серий. Анализ показал, что наибольшее число повреждений приходится на крышки цилиндров (вставки), поршни, поршневые кольца, втулки цилиндров, крейцкопфные и мотылевые подшипники, топливную аппаратуру. Наименьшая наработка на отказ приходится на форсунки, поршневые кольца, крейцкопфные подшипники, крышки цилиндров, клапаны и т.д.

Характерно, что к числу наиболее трудоемких работ относятся операции по замене деталей цилиндро-поршневой группы (ЦПГ), от­ носительная трудоемкость которых составляет 23,8% от затрат време­ ни по всему двигателю. Отсюда следует, что в подобных двигателях в первую очередь автоматизации контроля и диагностики следует под­ вергнуть элементы ЦПГ, работоспособность которых в значительной мере определяется организацией, качеством протекания рабочего про­ цесса в цилиндрах, в свою очередь зависящего от работы системы воздухоснабжения и топливоподачи. В дополнение к ЦПГ процессы в ра­ бочих цилиндрах также должны быть отнесены к объекту диагности­ рования № 1. На второе место выходят системы впрыска топлива и воздухоснабжения и процессы, в них происходящие.

Контроль за перечисленными процессами, обнаружение и своев­ ременное устранение повреждений позволит не только повысить на­ дежность, но и даст возможность поддерживать на заданном уровне энергетические и экономические показатели двигателя.

сложную часть всего комплекса задач построения диагностического комплекса. Главная трудность заключается в установлении математи­ ческих связей между изменениями структурного параметра и его диаг­ ностическими признаками (параметрами). Для этого приходится при­ бегать к довольно сложным активным экспериментам непосредствен­ но на объекте, дополняя их более просто реализуемыми активными экспериментами на математических моделях с использованием ЭВМ.

Метод параметрической диагностики обычно основывается на анализе отклонений диагностических параметров от их эталонных значений.

Эталонные значения параметров должны отражать технически исправное состояние двигателя и его компонентов при всех возмож­ ных вариантах внешних условий в практике его эксплуатации на судне и при всех вариациях режимов. Отсюда возникает необходимость рас­ полагать 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 ма­ тематического моделирования, так и с помощью эксперимента.

Метод математического (численного) моделирования для полу­ чения эталонных параметров удобен тем, что при наличии отлаженной математической модели может быть реализован без проведения трудо­ емких натурных экспериментов. При этом могут моделироваться та­ кие условия, которые для реального двигателя могли бы оказаться опас­ ными. Подробное изложение метода численного моделирования при­ менительно к решению задач диагностирования изложено в главе 6.

Экспериментальный метод предусматривает нахождение матема­ тических зависимостей эталонных параметров на основе данных ак­ тивного эксперимента на технически исправном двигателе, получен­ ных в достаточно широком диапазоне изменения режимных факторов. При этом в целях сокращения числа режимов рекомендуется выбирать их путем планирования эксперимента в области, ограниченной диапа­ зоном оборотов (от среднего до полного хода) и нагрузок (от плавания в балласте до плавания в грузу при встречном ветре не более 4-5 бал­ лов). На практике не всегда возможно воспроизвести все необходимые режимы, так как не всегда возможно воспроизвести все сочетания фак­ торов. Так, например, невозможно во время эксперимента изменить барометрическое давление и температуру воздуха, осадку судна, силу встречного ветра и волнения. В этом случае недостающие данные мо­ гут быть дополнены статистическим материалом, накопленным при предыдущих испытаниях, но при условии, что двигатель находился в

Гл. 10. Контроль техсостояния, диагностика, основы техобслуживания______ 229

технически исправном состоянии. В этом состоит сложность реализа­ ции рассматриваемого метода в сравнении с методом активного экспе­ римента на математической модели.

В общем виде уравнение, связывающее диагностический пара­ метр (критерий Y ) с переменными факторами режима х 1= УН (указа­ тель нагрузки) и х2= п, может быть представлено в виде полинома второго порядка: У = а0+ а ; х; + а2х2+ ац х12+ а22х2 + а12х1х2.

Однако если сузить диапазон диагностируемых режимов, то, как показывает опыт, с достаточной для практики точностью можно огра­

Расчет коэффициентов выполняется различными методами в за­ висимости от требований к аппроксимирующей функции. Наибольшее распространение нашел метод наименьших квадратов, при котором обеспечивается минимум сумм квадратов отклонений аппроксими­ рующей функции от опытных точек.

Значения эталонных параметров, полученные с помощью уравне­ ний, используются для вычисления отклонений измеренных значений параметров от эталонных АР = Ршм~ Рэтал• По величине отклонеий и определяется состояние исследуемого элемента.

Прежде чем приступить к сопоставлению измеренных парамет­ ров с эталонными, необходимо первые привести к стандартным усло­ виям внешней среды. К числу внешних условий, оказывающих влияние на рабочие параметры двигателя, относятся меняющиеся с изменени­ ем района плавания и погодных условий значения барометрического давления и температуры окружающего воздуха, температуры заборт­ ной воды.

Рекомендации фирм и данные стендовых испытаний, как прави­ ло, приводятся к следующим стандартным условиям, рекомендован­ ным Международной организацией стандартов (ISO):

р 0= 0,1 МПа = 750 мм рт. ст.; Т0= 27° С;

t , =27° С;

зао. в.

% = 60%;

Qh= 42,7 МДж/кг.

Выход отклонений диагностических параметров от эталонных за рекомендуемые пределы свидетельствует о появлении неисправности и должны приниматься меры к ее выявлению и устранению. Для уп­ рощения задачи выявления неисправности рекомендуется использо­ вать заранее составленную матрицу неисправностей, пример которой показан в нижеприведенной таблице.