CC BY
59
УДК 629.424.3 : 621.436 : 004.58
Б. е. БОДНАР, О. Б. ОЧКАСОВ, О. Я. ДЕЦЮРА, Д. В. ЧЕРНЯСВ (ДПТ)
МЕТОДИ НЕРОЗБ1РНОГО Д1АГНОСТУВАННЯ ДИЗЕЛ1В ПРИ ЕКСПЛУАТАЦИ РУХОМОГО СКЛАДУ
Проводиться огляд методiв безрозбiрного дiагностування тепловозного дизеля та ан^з методу дiагнос-тування за нерiвномiрнiстю частоти обертання колiнчатого валу.
Ключовi слова: дизель, методи дiагностування дизеля, нерiвномiрнiсть обертання колiнчатого валу, дiаг-ностичнi параметри
Одним з важливих заход1в забезпечення { шдтримки надшност техшчних об'екпв е по-ступовий перехщ вщ планово-попереджу-вально! системи ремонту рухомого складу до техшчного обслуговування за фактичним тех-шчним станом. Система утримання за фактичним станом передбачае виконання ремонта по м1р1 необхщносп, а не через регламентоваш термши яю школи не вщповщають реальнш потреб1 у ремонт { призводять або до непотр1б-ного передчасного розбирання мехашзм1в, або до масштабних ремонтних робщ яю можна бу-ло б попередити лшвщащею несправност ще до появи аваршно небезпечного пошкодження. За даними Фленнсбурського дослщного шсти-туту, 56 % роз1браних за плановим ремонтним строкам судових дизел1в МАН були передчас-ними [1]. Кр1м того, кожне розбирання та скла-дання вузл1в викликае штучний процес припра-цювання, шд час якого шдвищуеться штенсив-шсть зносу деталей 1, як наслщок, зменшуе за-гальний ресурс дизеля.
Перехщ до експлуатаци рухомого складу за фактичним техшчним станом можливий лише за наявносп ефективних автоматизованих систем нерозб1рного техшчного д1агностування, призначених для ощнки стану техшчних об'екта, пошуку несправностей { визначення !х причин, прогнозування залишкового ресурсу мехашзм1в { визначення термшв профшактич-ного ремонту без зайвого розбирання. Визначення техшчного стану вузл1в дизеля без його розбирання дозволить значно скоротити витра-ти на його ремонт, тому що вартють ремонту приблизно на 50 % складаеться з витрат на розбирання та складання.
Дизель тепловоза е складною термодинам> чною, пдравл1чною та мехашчною системою, що виконуе функщю силово! установки { вщ його техшчного стану багато в чому залежить своечасне виконання плану перевезень та без-пека руху. Тому особливу увагу необхщно при-дшити дизелю, як одному з головних об'екпв д1агностування на тепловоза
Метою нерозб1рного д1агностування е визначення розрегулювання систем дизеля у про-цес експлуатаци та виявлення початкових оз-нак несправностей конструктивного та функщ-онального характеру.
1снуюч1 методи нерозб1рного д1агностуван-ня дизеля можна подшити на дв1 групи [2]:
Функцюнальний - передбачае контроль об-ладнання без виведення його з експлуатаци. В якост контрольних режим1в призначають екс-плуатацшш режими роботи обладнання.
Тестовий - передбачае виведення об' екта д1агностування з експлуатаци та контроль па-раметр1в при подач1 на нього спещального зов-шшнього впливу (спостер1гають за реакщею).
У процес експлуатаци дизеля на певних режимах роботи вим1рюють заздалепдь визна-чений наб1р найбшьш шформативних парамет-р1в. Функцюнальш методи д1агностування пе-редбачають 1ндивщуальну ощнку стану конкретного дизеля вщ початку функцюнування { до кшця експлуатаци. При цьому через певш, об-грунтовано вибраш пром1жки часу проводять необхщш вим1ри. Вс вим1рювання д1агностич-них параметр1в повинш вщбуватися за одних { тих же умов роботи. Як правило, це фшсоваш ефективна потужшсть { частота обертання ко-лшчастого валу.
Для систем, що реал1зують методи функщо-нального д1агностування можлив1 два вар1анти виконання:
- зб1р шформаци на тепловоз1 з подальшою обробкою на ЕОМ, розташовано! у депо;
- зб1р та обробка шформаци безпосередньо на тепловоз1 (бортова система). Така система здатна визначати невщкладш несправ-ност та шформувати про них локомотивну бригаду.
Д1агностичш параметри можна подшити на прям1, яю безпосередньо характеризують стан об'екта та непрям^ що зв'язаш функцюнальни-ми залежностями з прямими. 1м вщповщають прям1 та непрям1 методи д1агностування.
© Б. е. Боднар, О. Б. Очкасов, О. Я. Децюра, Д. В. Черняев, 2012
Найбшьш ефективними з точки зору визна-чення кореляцшних залежностей е прямi мето-ди дiагностування, серед яких наприклад, вди-цiювання робочого процесу у цилiндрi дизеля. Але використання бiльшостi з прямих методiв як правило потребуе повного або часткового розбирання дизеля або його вузлiв для прове-дення необхщних вимiрювань. Непрямi методи бiльш складнi для побудови кореляцшних зв'язюв у порiвняннi з прямими методами. Прикладами непрямих методiв можуть слугу-вати вiбрацiйний, акустичний, непряме iндицi-ювання за допомогою визначення напруження у шпильках кришки цилiндрiв, оцiнка величини зносу деталей за вмютом металу у моторнш оливi, а також дiагностування за нерiвномiрнiс-тю частоти обертання колiнчастого валу. Переваги непрямих методiв: вiдносна простота ор-гашзацп вимiрювання та охоплення сигналiв з декшькох елементiв дiагностування одночасно, тобто шформащя з одного каналу вимiрювання здатна комплексно охарактеризувати техшчний стан декшькох елеменпв або систем дизеля.
При порiвняннi iндицiювання та вимiрю-вання нерiвномiрностi обертання колiнчастого
Л£
Нм
Мер
валу дизеля очевидно, що останнiй метод мае суттевi переваги за iнформативнiстю. 1ндищю-вання характеризуе яюсть робочого процесу в окремому цилiндрi, а вимiрювання нерiвномiр-ност колiнчастого валу являе собою комплекс-ний показник, який характеризуе роботу вшх систем, що забезпечують виконання робочого процесу всiма цилiндрами дизеля.
Аналiз силових зв'язкiв у кривошипно-шатунному механiзмi дизеля показуе наявшсть впливу якостi робочого процесу на девiацiю колiнчастого валу, тобто кореляцшну залеж-нiсть з iндикаторним тиском. 1ндикаторний тиск дiе на поверхню поршня, який передае бi-льшу його частину через поршневий палець до шатуна. Останнiй передае зусилля на шийку колiнчастого валу, де i виконуеться завершення перетворення поступового руху поршня у обер-тальне. Таким чином характер змши шдикато-рного тиску можна прослiдити у характерi зм> ни обертового моменту колiнчастого валу. Обертовий момент фiзично зв'язаний з його кутовою швидкiстю (рис. 1) та прискоренням.
раЫс
СО
ер
Г\ / N
ч \У V
V 74 V г
Ф, Р^Д
Рис. 1. Змша обертаючого моменту М и кутово!' швидкосп т кол1нчастого валу за кутом обертання ф при р1вном1рнш робот цилшдр1в
Фiзичний зв'язок нерiвномiрностi кутово! швидкостi дозволяе вiдслiдковувати вплив не-справностей на iндикаторний тиск через форму графша нерiвномiрностi кутово! швидкосп обертання колiнчастого валу. На форму шдика-торно! дiаграми впливають несправностi пали-вно! апаратури, цилвдро-поршньово! групи, газорозподiльного механiзму, системи надду-вання та випуску вiдпрацьованих газiв. Одним з
суттевих факторiв, який визначае змiну тиску в цилшдр^ е погiршення герметичностi камери згоряння, що викликае зниження тиску стис-кання i, як наслiдок, температури в кшщ процесу стискання. Це е причиною попршення роз-пилювання палива i зниження тиску спалаху. На рис. 2 приведена графiчна iнтерпретацiя впливу зносу верхнього компресшного кiльця на форму графiка шдикаторного тиску [2].
Нормальне ■ Р, МПа
киъце \ \\/ Зношене
\ киъце
/ \ \
7/ V \
// \
,/У
\1 "ч Ч "х
-40
: 0
-20
10
Ю 20 30 40 50 60 Кут повороту. град
Рис. 2. Залежнють iндикаторного тиску ввд зносу верхнього компресшного к1льця
Найбшьший вплив на шдикаторний тиск надають несправносп паливно! апаратури, тому що саме паливна апаратура забезпечуе своечас-шсть { яюсть подач1 палива у камеру згоряння. При несправност форсунки, наприклад при закоксуванш розпилюючих отвор1в, спостер1га-
Р, МЦа
В 000
еться зниження циклово1 подач1 палива 1, як наслщок, зменшення середнього шдикаторного тиску. Пор1вняння шдикаторних д1аграм при нормальнш робот форсунки та при зменшенш циклово! подач1 наведено на рис. 3.
7.000
5.000
3 000
■2.000
1.000
0 000
"л
1 1
\
1 1 1
)
/ \ \
\ \ \
* ч ' X _ ——__
180
270
360
450
р . град
540
Рис. 3. Порiвняння iндикаторних дiаграм при нормальнiй роботi форсунки (1) та при и несправносп (2)
На основ1 наведених вище 1ндикаторних д1а- спостер1гаеться характерне збшьшення нер1в-грам змодельовано граф1чш залежност частоти ном1рност1 при несправност форсунки [3]. обертання кол1нчастого валу (рис. 4), на яких
Рис. 4. Залежнють частоти обертання колшчастого валу моделi дизеля вiд часу на режимi холостого ходу: 1 - нормальна робота вих цилшдрш, 2 - всi цилшдри справш окрiм першого правого, максимальный тиск згоряння якого знижено на 1 МПа внаслiдок несправностi форсунки
Отже дев!ащя кутово! швидкост! обертання колшчатого валу надае змогу непрямим методом вщслщкувати яюсть роботи кожного з ци-лшдр!в без вим1рювання шдикаторного тиску, а також визначити стан кривошипно-шатунного мехашзму без його розбирання.
У сучасних умовах розвиток ЕОМ дозволяе створювати бортов! системи мошторингу, а також портативш системи експрес-д!агносту-вання, основою для яких може слугувати метод д1агностування за нер!вном!рнютю обертання колшчастого валу.
Анал1з наукових робгг показав, що станом на тепершнш час було зроблено достатню ю-льюсть спроб використовувати нер!вном!ршсть кутово! швидкост! колшчастого валу для оцш-ки техшчного стану дизеля, але единого тдхо-ду в техн!чних та теоретичних ршеннях не спостер!гаеться.
У робот! [4] для вим!рювання частоти обер-тання за цим методом використовували два оп-тичних дискових датчика для урахування ком-пенсацй крутильних коливань довгого колшчастого валу дизеля 10Д100. У бшьш шзнш зако-рдоннш прац! [5] для цього вим!рювання використовують один ультразвуковий датчик швидкост!, а крутильн! коливання 20-цилш-дрового судового дизеля компенсують за допо-могою б!льш досконало! математично! модель Таким чином, за допомогою лише одного дат-
чика та ЕОМ система здатна адекватно вщслщ-ковувати впливи на дев!ащю частоти обертання валу. Кр!м того доцшьно використати у розро-бц! системи д!агностування елементи штучного !нтелекту на основ! нейронних мереж. Така система здатна автоматично визначати наявшсть, стутнь та причину несправност!. У робот! [6] на дизель-генератор! з електронним керуванням подач! палива встановлено два датчики кутово! швидкост! колшчастого валу: бшя маховика та з торцево! частини генератора. Датчики забез-печують зворотнш зв'язок системи керування подачею палива для компенсування крутильних коливань колшчастого валу та зменшення нер> вном!рносп частоти обертання. У робот! [7] представлена методика непрямого визначення потужност механ!чних витрат автомоб!льного двигуна шляхом вим!рювання миттевих куто-вих швидкостей кол!нчастого валу. Описана методика використовуеться для д!агностування несправностей двигуна та для адаптивного керування мшмальною частотою обертання колшчастого вала на холостому ход! за параметром потужносп мехашчних витрат. До недол> юв цього методу слщ в!днести неоднозначн!сть визначення ступеня зносу кор!нних тдшипни-к!в кол!нчастого валу. У робот! [8] розроблено метод д!агностування дизельних двигун!в ван-тажних автомоб!л!в за нер!вном!рн!стю кутово! швидкост! кол!нчастого валу, а також методику
регулювання циклово! подач1 палива на основ! розробленого методу д1агностування.
Анал1з метод1в та способ1в д1агностування ДВЗ дозволив дшти висновку, що метод д1аг-ностування за нер1вном1ршстю частоти обер-тання колшчастого валу дизеля являе собою перспективний напрям в розвитку метод1в не-розб1рного д1агностування ДВЗ, використання якого дозволить виконувати оцшку техшчного стану дизеля, виявляти { локал1зувати несправ-носп, прогнозувати залишковий ресурс та виконувати мошторинг техшчного стану дизеля. Огляд наукових робгг з д1агностування показав необхщшсть створення бшьш досконалих ма-тематичних моделей, вдосконалення розробле-них методик та використання систем штучного штелекту для шдвищення достов1рносп д1а-гноз1в.
Б1БЛ1ОГРАФ1ЧНИЙ СПИСОК
1. Шишкин, В. А. Анализ неисправностей и предотвращение повреждений судовых дизелей [Текст] / В. А. Шишкин. - М.: Транспорт, 1986. - 192 с.
2. Кончаков, Е. И. Техническая диагностика судовых энергетических установок [Текст] : учеб. пособие / Е. И. Кончаков. - Владивосток: Изд-во ДВГТУ, 2007. - 112 с.
3. Боднар, Б. £. Моделювання нерiвномiрностi обертання колшчатого валу дизеля [Текст] / Б. £. Боднар, О. Б. Очкасов, Д. В. Черняев, О. Я. Децюра // Вюник Дшпропетр. нац. ун-ту
залiзн. трансп. iM. акад. В. Лазаряна. - 2010. -Вип. 31. - Д.: Вид-во ДНУЗТ, 2010. - С. 18-25.
4. Марченко, Б. Г. Теория диагностики энергоагрегатов по девиации вращающихся узлов и ее практическая реализация на дизель-электрических генераторах. Часть 1. Модели динамики цилиндровых мощностей на валу дизель-электрического генератора [Текст] / Б. Г. Марченко, М. В. Мыслович // Техн. электродинамика. - 1998. - № 5. - С. 36-40.
5. Model-based diagnosis of large diesel engines based on angular speed variations of the crankshaft [Text] / M. Desbazeille [et al.] // Mechanical Systems and Signal Processing. - 2010. - Vol. 24. -P. 1529-1541.
6. Ostman, F. Active control of torsional vibrations of reciprocating engines [Text] / F. Ostman, H. T. Toivonen // Control Engineering Practice. -2008. - Vol. 16. - Р. 78-88.
7. Иванов, Р. В. Диагностирование ДВС по параметру мощности механических потер [Текст] : автореф. дис. ... канд. техн. наук : 05.22.10 / Иванов Роман Валерьевич; [Гос. образовательное учреждение высшего профессионального образования «Саратовский гос. техн. ун-т»]. -Волгоград, 2010. - 15 с.
8. Борщенко, Я. А. Разработка метода диагностирования автомобильных дизелей по неравномерности вращения коленчатого вала [Текст] : дис. ... канд. техн. наук : 05.22.10 / Борщенко Ярослав Анатольевич. - Тюмень, 2003. - 175 c.
Надшшла до редколегп 05.12.2011.
Прийнята до друку 14.12.2011.
Б. Е. БОДНАРЬ, О. Б. ОЧКАСОВ, О. Я. ДЕЦЮРА, Д. В. ЧЕРНЯЕВ
МЕТОДЫ БЕЗРАЗБОРНОГО ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ДИЗЕЛЕЙ ПРИ ЭКСПЛУАТАЦИИ ПОДВИЖНОГО СОСТАВА
Проводится обзор методов неразборного диагностирования тепловозного дизеля и анализ метода диагностирования по неравномерности частоты вращения коленчатого вала.
Ключевые слова: дизель, методы диагностирования дизеля, неравномерность вращения коленчатого вала, диагностические параметры
B. Ye. BODNAR, O. B. OCHKASOV, O. Ya. DETSYURA, D. V. CHERNYAYEV
METHODS OF NONSEPARABLE DIAGNOSTICS OF DIESEL ENGINES IN OPERATION OF ROLLING STOCK
Methods of nonseparable diagnostics of diesel engine and an analysis of method for diagnostics on uneven angular speed of the crankshaft are reviewed.
Keywords: diesel, diesel diagnostic methods, uneven rotation of crankshaft, diagnostic parameters
