CC BY
34
<кВЕСТНИК
ш-г-............государственного университета
VjyiOPCKOrO И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОМАТИЗАЦИЯ НА ТРАНСПОРТЕ
DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-1-238-251
THE PRINCIPLES OF FORMING A COMPUTER MODEL OF DIAGNOSING THE TECHNICAL CONDITION OF MARINE POWER PLANTS
A. V. Soloviev
The Federal Autonomous Institute Russian River Register Upper Volga Branch-Office,
Nizhniy Novgorod, Russian Federation
In the present work using a systematic analysis of the proposed structural diagram of ship power plants (SPP) with the ranking of the objects in the levels to create a computer model of diagnosing the technical condition of SPP. The proposed numerical assessment of the SPP obtained by the system synthesis. Method is implemented by "convolution" at each hierarchical level the numerical values of estimates of technical condition of structural parts of the subsystem of lower level. To solve this problem we used a multiplicative strategy convolution of partial indicators. This method allowed the objective function to represent as a product of partial indices. The weight of each criterion is ranked with weighting factors, are presented as indicators of the degree of individual criteria. According to the results of a survey of experts determined the ranked indicators of the technical state of all selected (recorded) objects of SPP. This paper has presented a mathematical model for estimating the technical condition of the SPP implemented in the form of a computer program. Developed a computer model of diagnosis allows us to obtain a numerical estimate of the technical condition of objects of SPP and SPP in general, to install suitable or unsuitable technical condition of the appropriate object of SPP, and to analyze the dynamics of state changes of those objects over time to identify the prerequisites and conditions, the consequence of which potential failure. It is shown that knowledge of the patterns of change in the technical condition is of great practical importance because it allows to determine not only the optimal timing of maintenance and repair, but use them in organizations for the classification of ships.
Keywords: computer model, technical diagnostics, indicators of technical condition, ship power plants, systematic analysis.
For citation:
Soloviev, Alexey V. "The principles of forming a computer model of diagnosing the technical condition of
marine power plants." Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala
S. O. Makarova 10.1 (2018): 238-251. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-1-238-251.
УДК 621.431.74:004.94
ПРИНЦИПЫ ФОРМИРОВАНИЯ КОМПЬЮТЕРНОЙ МОДЕЛИ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ СУДОВОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ УСТАНОВКИ
А. В. Соловьев
ФАУ «Российский Речной Регистр» Верхне-Волжский филиал
Российского Речного Регистра, Нижний Новгород, Российская Федерация
В настоящей работе с использованием системного анализа предложена структурная схема судовой энергетической установки (СЭУ) с ранжированием ее элементов по уровням, позволяющая составить компьютерную модель диагностирования технического состояния СЭУ. Предлагаемая в статье численная оценка состояния СЭУ получена методом системного синтеза. Данный метод реализован путем «свертки» на каждом иерархическом уровне численных значений оценок технического состояния структурных частей подсистемы более низкого уровня. Для решения данной задачи применена мультипликативная стратегия свертки частных показателей. Рассматриваемый метод позволил представить целевую функ-
ВЕСТНИК«)
государственного университета ^^
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
цию в виде произведения частных показателей. Вес каждого критерия ранжирован с помощью весовых коэффициентов, представленных в виде показателей степени частных критериев. По результатам опроса экспертов определялись ранжированные показатели технического состояния всех выделенных (учитываемых) элементов СЭУ. В работе получена математическая модель оценки показателя технического состояния СЭУ, реализованная в виде компьютерной программы. Разработанная компьютерная модель диагностирования позволяет получить численную оценку технического состояния элементов СЭУ и СЭУ в целом, установить годное или негодное техническое состояние соответствующего элемента СЭУ, а также проанализировать динамику изменения состояния этих элементов во времени для выявления предпосылок и условий, следствием которых может быть потенциальный отказ. Показано, что знание закономерностей изменения технического состояния имеет большое практическое значение, поскольку позволяет определять не только оптимальные сроки технического обслуживания и ремонта, но и использовать их в деятельности организаций по классификации судов.
Ключевые слова: компьютерная модель, техническая диагностика, показатели технического состояния, судовая энергетическая установка, системный анализ.
Для цитирования:
Соловьев А. В. Принципы формирования компьютерной модели диагностирования технического состояния судовой энергетической установки / А. В. Соловьев // Вестник Государственного университета морского и речного флота имени адмирала С. О. Макарова. — 2018. — Т. 10. — № 1. — С. 238251. DOI: 10.21821/2309-5180-2018-10-1-238-251.
Введение (Introduction)
В настоящее время изготовитель снабжает каждый ответственный элемент СЭУ автоматической системой параметрического диагностирования. Основной целью разработки и внедрения таких систем является повышение эксплуатационной надежности контролируемого оборудования, в связи с чем одним из важных компонентов теоретической базы разработчиков диагностического обеспечения являются сведения из теории надежности, теории вероятностей, математической статистики и, разумеется, теории рабочих процессов конкретного оборудования. Вместе с тем основной задачей, которую необходимо решать для достижения поставленной цели, является распознавание состояния технической системы, на это указывает и гносеология самого термина «диагностика» (от греч. — diagnosis — распознавание, определение). Непосредственно процесс оценки состояния технического объекта предполагает измерение параметров как в процессе эксплуатации, так и при выполнении экспериментальных исследований объектов и диагностических приборов, проведение которых не может быть организовано без учета теории измерений, метрологии, планирования экспериментов и обработки числовых данных.
Методы и материалы (Methods and materials)
Одной из важных предпосылок обеспечения технической безопасности плавания является техническая диагностика судовых дизелей (главных и вспомогательных) и других элементов СЭУ в процессе их эксплуатации. Анализ литературных источников [1] - [3] позволяет сделать вывод о том, что установка специализированных диагностических комплексов осуществлялась только для двигателей внутреннего сгорания (ДВС) достаточно высокой мощности, применяемых на морских судах, в то время как на речных и смешанных судах (река - море) такие системы не были использованы. Техническая диагностика на судах с классом Речного Регистра сводится к снятию индикаторных диаграмм, теплотехническому контролю и затем ручной обработке полученных результатов судовыми механиками или теплотехническими партиями. Однако современное положение дел на внутреннем водном транспорте требует пересмотра подходов в области безразборной технической диагностики, а именно в ее автоматизации.
Решение задачи технической диагностики судовых двигателей, а следовательно, и других, менее сложных элементов СЭУ речных судов становится возможным, поскольку современные электронные системы управления [4] - [6] позволяют осуществлять непрерывный мониторинг технических параметров, т. е. сбор и обработку информации, полученной от датчиков регулируемых величин и процессов. В этой связи задача установки специализированных диагностических
комплексов становится неактуальной, так как информация, полученная от электронных систем управления двигателем и другими элементами СЭУ, может обрабатываться центральным компью -тером управления или компьютером машинного отделения в целях управления и диагностирования всей СЭУ [7] - [8], а не только ее отдельных элементов. При этом основной задачей технической диагностики становится разработка компьютерной модели диагностирования технического состояния СЭУ.
Любой элемент СЭУ можно рассматривать как техническую систему, представляющую упорядоченную совокупность некоторого количества совместно действующих элементов (агрегатов, узлов, деталей) и предназначенную для выполнения заданных функций [9], [10]. Каждая техническая система характеризуется вполне определенными структурой и способом функционирования. Под структурой системы подразумевают характер взаимосвязи и взаимодействия элементов системы, который определяется их геометрическими размерами, механическими, тепловыми, электрическими и другими параметрами. Числовые значения этих величин Хр Х2, ..., X достаточно полно характеризуют техническое состояние, работоспособность и качество функционирования любого технического средства, механизма в данный момент времени.
В процессе эксплуатации параметры технического состояния изменяются от паспортных значений Хн1, Хн2, Хнп до предельных Хп1, Хп2, Хпп, которые, как правило, обоснованы технико-экономической целесообразностью дальнейшей эксплуатации объекта. Разность между текущими и паспортными значениями параметров АХЙ = Хн/ - Х(. характеризует степень отклонения значений параметров технического состояния объекта от норматива. Техническое состояние и работоспособность сложных объектов, каким, например, является ДВС, характеризуется набором параметров. Далее под техническим состоянием любого элемента СЭУ будем понимать уровень его работоспособности, исправности и соответствия требованиям, установленным нормативно-технической документацией.
Техническое состояние ТС() /-го элемента СЭУ в момент некоторой наработки ^ является функцией следующих параметров:
- начального технического состояния Х , обусловленного особенностями конструкции, качеством материалов и изготовления объекта;
- условий эксплуатации, характеризуемых параметрами 2;
- закономерности изменения технического состояния Р, которая формируется в зависимости от характера протекания процессов изнашивания и разрушения основных деталей, узлов и зависит от сложности конструкции, условий эксплуатации и качества сборки.
Тогда техническое состояние элемента СЭУ можно описать функционалом
ТС,.(0 = ЛХ*, ^ Р 4
Характер изменения параметров технического состояния элементов СЭУ должен быть учтен при организации их эксплуатации. Знание закономерностей изменения этих параметров имеет большое практическое значение, поскольку позволяет определять не только оптимальные сроки технического обслуживания и ремонта, но и возможность их использования в классификационной деятельности организации для определения годного или негодного технического состояния элементов СЭУ.
В соответствии с требованиями системного анализа с целью наиболее достоверного описания системы (в данном случае — СЭУ с точки зрения её технического состояния) система условно «расчленяется» на подсистемы (составные части) различных иерархических уровней, причем чем ниже иерархический уровень подсистемы, тем проще входящие в него структурные части, и наоборот. Принятое в работе разбиение на подсистемы представлено на на схеме рис. 1, которая не включает отдельные элементы СЭУ (например, теплообменные аппараты и сосуды под давлением, холодильные установки, бытовые нагревательные установки, системы автоматизации и др.). Судовые системы (СС) и электроэнергетическая установка (ЭЭУ) формально не являются элементами СЭУ, однако автор посчитал необходимым включить в структурную схему основные элементы СС и ЭЭУ, техническое состояние которых, как показывает опыт, представляется важным для анализа техниче-
ского состояния СЭУ. Этим, в частности, объясняется отсутствие в числе анализируемых объектов электрических машин и приводов, аккумуляторов и других важных элементов ЭЭУ.
Рис. 1. Структурная схема СЭУ с ранжированием ее элементов по уровням I - IV
2 О
те
Техническое состояние СЭУ (численная оценка рассматриваемого свойства СЭУ) устанав- В
ливается методом системного синтеза, который в данном случае может быть реализован путем у
«свертки» на каждом иерархическом уровне численных значений оценок технического состояния, 0
называемых в дальнейшем уровнями оценок, структурных частей подсистемы более низкого ие- ^^ рархического уровня.
Компьютерная модель диагностирования элементов СЭУ должна включать в себя построения, конечной целью которых является формирование следующих показателей (критериев) технического состояния:
ТС , ТС ,
ДВС РРП'
ТС , ТС , ТС , ТС , ТС , ТС , ТС ,
М' ПВ ДВЖ' ЭЭУ СС АК' УК'
ПВ
где ТСДВС — показатель технического состояния ДВС; ТСРРП — показатель технического состоя-
ев о
ния реверс-редукторной передачи (РРП); ТСМ — показатель технического состояния муфт между двигателем и редуктором и муфт валопровода (М); ТСПВ — показатель технического состояния валопровода (для целей настоящей работы техническое состояние валопровода оценивается по техническому состоянию его подшипников (ПВ)); ТСДВЖ — показатель технического состояния движителей (ДВЖ); ТСЭЭУ — показатель технического состояния электроэнергетической установки (ЭЭУ); ТСсс — показатель технического состояния судовых систем (СС); ТСАК — показатель технического состояния автономных котлов (АК); ТСУК — показатель технического состояния утилизаторов теплоты выпускных газов (УК).
Каждый показатель представляется в виде функции частных показателей технического состояния подсистем элемента. В соответствии с требованиями Речного Регистра — организации по классификации судов внутреннего и смешанного плавания — негодное техническое состояние любого элемента СЭУ означает негодное состояние всей СЭУ. Однако для прогнозирования технического состояния важна количественная оценка технического состояния СЭУ в целом.
Каждый частный показатель технического состояния зависит от группы параметров, т. е. от определенного числа критериев. В этой связи в статье рассматривается задача многокритериального анализа, одним из способов решения которой является сведение множества критериев к одному (свертка критериев). Поскольку все параметры, от которых зависят частные показатели технического состояния, имеют определенную важность (вес), целесообразно воспользоваться сверткой, учитывающей эту важность. Для решения данной задачи воспользуемся мультипликативной стратегией свертки частных показателей, в результате использования которой целевая функция представляется произведением частных критериев, вес каждого из которых ранжирован с помощью весовых коэффициентов, представляемых в виде показателей степени частных критериев. Ясно, что чем больше весовой показатель, тем большая важность придается критерию. Использование мультипликативной свертки объясняется ее высокой чувствительностью к значениям частных показателей (низкие значения хотя бы одного частного критерия влекут резкое снижение целевой функции). Это обстоятельство признано экспертным сообществом чрезвычайно важным для системного описания технического состояния элементов СЭУ. Так, обобщенный показатель технического состояния ДВС представлен в виде
тЬ
ТСдвс — ЧПэд • ЧПр2п • ЧП^Т • ЧПЛ^ • ЧП^ • ЧПС6С0 • ЧП^у • 414 ' ^п^
(1)
где Ь1... Ь9 — весовые коэффициенты, учитывающие влияние частных показателей ЧП на обобщенный показатель ТСДВС (их весомость); ЧП — частные показатели технического состояния ДВС по эффективным показателям (ЭП), рабочему процессу (РП), системе топливоподачи (СТ), цилин-дро-поршневой группе (ЦПГ), коленчатому валу (КВ), системам смазывания и охлаждения (ССО), системе управления (СУ), турбонагнетателю (ТН), экологическим характеристикам (ЭК).
Шкалирование контролируемых параметров осуществлялось по результатам обработки данных, полученных в результате опроса экспертов. На оси абсцисс всех графиков шкалирования откладывалось отношение значения параметра к его нормированному значению, которое выбиралось либо в соответствии с нормами, указанными в нормативных документах (например, в Правилах Российского Речного Регистра) либо согласно указаниям технической документации на элементы СЭУ.
По оси ординат всех графиков шкалирования откладывались шкалированные значения параметров в диапазоне от нуля до значений больше единицы. Значению 1,0 на оси абсцисс на всех графиках соответствует шкалированное значение 1,0 — требуемое значение шкалированного показателя на номинальном режиме работы элемента СЭУ, соответствующее годному техническому состоянию. Шкалированное значение параметра больше единицы соответствует благоприятным для элемента СЭУ условиям работы при годном его состоянии, шкалированное значение параметра меньше единицы соответствует ухудшению условий работы элемента, что и отражает шкалированное значение данного показателя технического состояния. Стремление шкалированного
ВЕСТНИК«)
государственного университета ^^
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
значения показателя к нулю символизирует ухудшение технического состояния элемента СЭУ вплоть до негодного технического состояния и отказа.
По результатам опроса экспертов определялись ранжированные показатели технического состояния всех выделенных (учитываемых) элементов СЭУ. В качестве примера приведем описание показателя ТС технического состояния ЭЭУ, представленного в виде функции
ТГ -ЧП^3 ЧП^4 ЧТТ^5
где ЧПГ ЧПК, ЧПРщ — частные показатели технического состояния ЭЭУ, соответственно, генера-торов/валогенераторов (Г), кабельных трасс (К), распределительных щитов (РЩ); Ь13...Ь15 — весовые коэффициенты, учитывающие влияние ЧП на обобщенный показатель ТСЭЭУ.
Частные показатели представлены в виде функций:
Г 52 53 Л5А Л55 Л56 Л57 Л58 »
чпк=хз-
ТТТТ — уа60 . уа61 РЩ 60 Л61 »
где Х52 ... Х61 — шкалированные значения показателей технического состояния ЭЭУ, являющихся функцией контролируемых параметров соответственно; а52 ... а61 — весовые коэффициенты, учитывающие влияние контролируемых параметров на частные показатели технического состояния ЭЭУ.
Шкалирование контролируемых параметров осуществлялось по результатам обработки данных опроса экспертов. Результаты опросов экспертов с ранжированием показателей технического состояния сведены в табл. 1.
Графики шкалирования аппроксимированы следующими уравнениями для определения показателей технического состояния Х.„ ... Х,л:
52 61
Х=1 - 100 (7. - 1)2; Х = Z-16; X = 1 - 100 (7. - 1)2;
[ X55 =-0,5 • г3 +1,5[0;1];
IX55 = 2 "2 (1; ю).
Таблица 1
Ранжированные показатели технического состояния ЭЭУ
ЧП Контролируемый параметр Обозначение Шкалированный показатель ТС в порядке важности для каждого ЧП Отношение Х/Х+1 а. Отношение ЧП по уровням Ъг
1. чпг Напряжение и,, В х52 х52 Х5/Х53=1,00 а5= 0,163820
Ток I., А х53 Х53/Х54=1,00 а53 = 0,163820
Частота тока V,, Гц х54 х54 х54/х55 = 1,00 а54= 0,163820
Сопротивление изоляции шг,, МОм х55 х55 х55/х56 = 1,30 а55= 0,163820
Температура ?стш. статорной обмотки, °С х56 х56 х56/х57=1,10 а= 0,126015 56 ' ЧПГ/ ЧПК= 1,20 Ь13=0,395605
Температура подшипников, °С х57 х57 х5/х58 = 1,10 а57= 0,114560
Вибрация (виброскорость vгенг, мм/с) генератора х58 х58 а58= 0,104145
2. чпк Сопротивление изоляции юкт., МОм х59 х59 а59= 1,000000 чпк/прщ=1,20 Ъ = 0,329670 14
ЛВЕСТНИК
............ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
Таблица 1 (Окончание)
3 чпрщ Равномерность распределения активной и реактивной нагрузки параллельно работающих генераторов •*60 ^60 ^61=1,26 а= 0,557522 60 b15= 0,274725
Правильное функционирование автоматики *61 *61 а= 0,442478 61
Y — 7-16. V — 7-16. V — 7-4•
57
58
Х59 = -0,5 • Z3 +1,5[0;1]; Гхм = 0 при Z = [0;1]; X59 = Z"2 (1;ю); 1X60 = 1 при Z = (1;«);
\Х61 = 0 при г = [0;1]; [X 61 = 1 при г = (1; <ю),
где 2 — отношение соответствующего контролируемого параметра к номинальному значению, а для Х55, Х59 — к установленным Правилами Российского Речного Регистра нормам.
г
оо о
СЧ1
Результаты (Results)
Полученные зависимости ориентированы на использование в компьютерной модели диагностирования технического состояния СЭУ, которая должна включать в себя количественные модели определения технического состояния всех принятых к рассмотрению в настоящем исследовании элементов СЭУ. Таким образом, компьютерная модель диагностирования технического состояния СЭУ должна включать в себя модели для определения частных показателей технического состояния ТСДВС, ТСРРП, ТСМ, ТСПВ, ТСДВЖ, ТСЭЭУ, ТССС, ТСАК, ТСУК. Тогда численная оценка технического состояния СЭУ может быть определена с помощью следующей модели:
TP — ТГС1 . ТГС2 . ТГ^з . ТГ^ . ТРС5 . тгс« . ТГ"? . ТГС8 . ТГ^ (2)
А^СЭУ — А^ДВС А^РРП А^М А^ПВ АЧдВЖ А^ЭЭУ AV>CC 1 АК А^УК'
где ТССЭУ — обобщенный количественный показатель технического состояния СЭУ; с1 ... с9 — весовые коэффициенты, учитывающие влияние технического состояния элементов СЭУ на обобщенный показатель. Эти коэффициенты получены по методике, аналогичной описанной выше.
Ранжирование выполнено с учетом принятой в работе структурной схемы СЭУ с разбиением на подсистемы. Обработанные результаты опросов экспертов с ранжированием показателей технического состояния после их стандартной обработки сведены в табл. 2.
Подставляя в уравнение (2) весовые коэффициенты из табл. 2, получим количественную модель определения технического состояния СЭУ в следующем виде:
тг1 — ТГ0'157795ТГ0'143451ТГ,0'136606ТГ0'136606ТГ0'136606ТГ0'10449ТГ°'089273ТГ0'0551071 П7ТГ0'055107 (3)
сэу две ррп м пв двж ээу АК iu/и^ук . (3)
Таблица 2
Ранжированные показатели технического состояния элементов СЭУ
Обобщенный показатель технического состояния СЭУ Показатели технического состояния элементов СЭУ Отношение показателей ТС по уровням с. t
ТС СЭУ ТС ДВС ТСдв/ГСррп = М° с1 = 0,157795
ТС РРП ТСррп/ТСм = 1,09 с2 = 0,143451
ТСМ ТСм/ТСпв = 1,00 с3 = 0,136606
Таблица 2 (оОкончание)
ТС СЭУ тспв ТСПВ/ТСДВЖ = 1,00 с4 = 0,136606
ТС ДВЖ ТСдвЛСЭЭУ = 1,26 с5 = 0,136606
ТС ЭЭУ ТСЭЭУ^ССС = 1,17 с„ = 0,104449 6 J
тссс ТССС/ТСАК = 1,62 с7 = 0,089273
ТСАК тсаЛсук = 1,00 с8 = 0,055107
ТСУК с9 = 0,055107
Все уравнения для расчета частных показателей, необходимых для определения показателей технического состояния элементов СЭУ: ТСДВС, ТСРРП, ТСМ, ТСПВ, ТСДВЖ, ТСЭЭУ, ТССС, ТСАК, ТСУК, сами модели элементов СЭУ («свертки» частных показателей) и модель определения технического состояния СЭУ (3) образовали математическую модель определения показателя технического состояния СЭУ, реализованную в виде компьютерной программы для MS Excel.
Выбор платформы объясняется тем, что записанные в MS Excel программные коды на языке Visual Basic вместе с возможностями самой среды позволяют получить программный продукт, весьма удобный для проведения численных исследований тем, что он позволяет мгновенно получать результат (значения частных показателей, показателей технического состояния элементов СЭУ и СЭУ в целом) при изменении значения любого из контролируемых параметров без дополнительного управления программой. Это свойство электронных таблиц MS Excel дает возможность считать разработанную компьютерную модель калькулятором технического состояния элементов СЭУ и СЭУ в целом (далее — калькулятор). Выходные формы результатов вычисления ТСДВС и ТССЭУ с помощью калькулятора в виде электронных таблиц представлены на рис. 2 и 3.
Cj 0,157796 ТСдвс 0,794569
С2 0,143451 ТСррп
С3 ОД 31606 ТСм
Сй 0,131606 ТСПВ
0,131606 ТСдвж
0,104449 ТСээу
С7 0,089273 ТСсс
0,055107 ТСак
с9 0,055107 ТСук
Рис. 2. Пример выходной формы результатов расчета ТС с помощью разработанного калькулятора
Необходимо отметить, что в соответствии с требованиями Правил Российского Речного Регистра негодное техническое состояние любого элемента СЭУ означает негодное техническое состояние всей СЭУ. Это позволяет разделить процедуру определения технического состояния элементов СЭУ и СЭУ в целом на две независимые части. Одна часть рассматриваемой процедуры имеет целью определение состояния «годен - не годен» с указанием негодного элемента и его параметров. Эта часть является важным инструментом эксперта Речного Регистра при освидетельствовании судов, так как позволяет на несколько порядков сократить время, затрачиваемое на освидетельствование, при значительном увеличении качества проверок. Для правильного функционирования этой части процедуры определения технического состояния элементов СЭУ и СЭУ в целом необходимо установить «браковочные» значения ТС каждого элемента СЭУ, т. е. значения ТС, соответствующие выходу хотя бы одного параметра за границы диапазона допускаемых значений. «Браковочные» значения показателей «зашиваются» в компьютерную модель диагностирования СЭУ (калькулятор является только частью этой модели), благодаря чему эта модель устанавливает годное или негодное техническое состояние соответствующего элемента СЭУ.
Г245 I
ЛВЕСТНИК
............государственного университета
Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
Д1 Д2 ДЗ Дд О 5 Дб
о?
Де Де Дю
о 11
Д 12 Д13
Д ц Д 15
Д16
Д 17 Д1В Д 19 Д;о Д 21 Д22 _ Д :з Дм Д 25 Д 26 Д 27 Д 2В Д 29 Д 30 о 31 Д 32 Дзз Д 34 Д 35
азе
0,333333 0,333333 0,333333 0,20539б|. 0,206596 . 0,206396 , 0,206396 0,172414 -0,221476 0,221476 , 0,221476 0,201342 0Д3422В 0,423076 , 0,334615 0,192308 0,5 0,5
XI
Х7
X*
Хи
*13
*15
0,16129 0,16129 0,16129 . 0,16129 . 0,16129 -_03
_оз
0,2 02
0,230769 0,192307 0,192307 0,192307 0,192307 0,393939 0,30303 0,30303
0,75933 0,72845 0,91 0,94652 0,94652
0,80103 '--
0,72845 0,80103 0,94652
¿1
X1Е
х 20
х 26
*27
*29 X зо
X 32
*зз
*35
Хзе
0,84 . 0,9216 0,8976 0,8236 0.29139 0,73503 0.88849 0,72845
0,8704 . 0,95991 0,83205 0,99976 088314 0,77793 0,8227 0.98025 0.88849 0,71365 0,77798 0,78941 0,71103 0,75933 0,7834 0,92991 0,82645 0,81162
¿13
г 15
га
0,989 1,02 1,015 0,99 0,99 0,98 1,02 0,98 0,99
1,02 1,014 1,016 1,021 1,08 1,08 1,03 1,02
0,96 1,05 0,99 0,93 0,99 1,05 1,005 1,03 1,088 0,99 1,03 1,089 0989 1,023 1,037 1,1 1,11
чпс
ЧПсу
ЧПтн
0,79547
0,8416
0,92152
0,54069
0,88341
0,35586
0,76517
0,86102
Рис. 3. Пример выходной формы расчета ТСДВС с помощью разработанного калькулятора
Цель другой части процедуры определения технического состояния рассматриваемых элементов состоит в получении значений показателей ТС элементов СЭУ для проведения анализа динамики изменения технического состояния этих элементов во времени и выявления предпосылок и условий, следствием которых может быть потенциальный отказ. Это и компьютерное моделирование всевозможных эксплуатационных ситуаций, и прогнозирование развития неисправностей элементов СЭУ во времени вплоть до отказа в границах установленных «браковочных» значений. Последнее возможно по мере накопления данных обследований во времени.
Для определения «браковочного» значения технического состояния ДВС проводилось моделирование с помощью калькулятора путем последовательного изменения значений контролируемых параметров на границах диапазона допускаемых значений, при этом значение одного из параметров принималось на границе указанного диапазона, а остальные принимались с номинальными (паспортными) годными значениями. Результаты моделирования ситуаций изменения контролируемых параметров до своих предельных значений для определения «браковочного» значения технического состояния ДВС сведены в табл. 3. Границы диапазона допускаемых значений приняты с учетом установленных производителями ДВС и правилами Правилами Российского Речного Регистра норм. В таблицу внесены наибольшие из рассчитанных «браковочных» значений ЧП и соответствующее им значение ТС .
Таблица 3
Результаты моделирования «браковочных» значений технического состояния ДВС
Значение «браковочного» ЧП чпэп 0,558716 1 1 1 1 1 1 1 1
ЧПРП 1 0,578837 1 1 1 1 1 1
ЧПСТ 1 1 0,556959 1 1 1 1 1
ЧПЦПГ 1 1 1 0,423131 1 1 1 1
ЧПКВ 1 1 1 1 0,466507 1 1 1
ЧПССО 1 1 1 1 1 0,418357 1 1
ЧПСУ 1 1 1 1 1 1 0,435275 1 1
ЧПтн 1 1 1 1 1 1 1 0,418479 1
ЧПЭК 1 1 1 1 1 1 1 1 0,420811
Значение «браковочного» ТСДВС 0,919036 0,935006 0,930588 0,89968 0,910537 0,909565 0,924968 0,921561 0,943673
Наибольшее значение «браковочного» ТСДВС 0,943673
Моделирование показало, что частные показатели, входящие в ТСДВС, имеют высокую чувствительность к отклонению контролируемых параметров. Например, при снижении максимального давления цикла р на 10 % (предельное значение) шкалированное значение контролируемого параметра снижается до 0,071179, а значение ЧПРП становится равным 0,578837 (данное значение получено при отклонении только одного из контролируемых показателей до своего предельного значения). При этом ТСДВС = 0,935006, т. е. произошло его снижение на 7 %. Необходимо учитывать, что моделирование проведено при отклонении от номинального значения всего лишь одного из 36 контролируемых параметров, а поскольку многие параметры взаимосвязаны (например, давление наддува и частота вращения ротора турбонагнетателя, давление впрыскивания топлива
и максимальное давление цикла и т. п.), обобщенный показатель технического состояния ТС^
двс
будет еще более чувствителен к возникающим отклонениям в работе. Разработанная компьютерная модель определения технического состояния позволяет осуществлять контроль протекающих процессов в подсистемах ДВС с целью получения упреждающей информации о возможном отклонении показателей процессов от заданных значений в связи с появлением неисправности в какой-либо подсистеме ДВС.
В соответствии с алгоритмом моделирования компьютерная модель диагностирования СЭУ (эта модель включает в себя и калькулятор) производит сравнение текущего значения ТСДВС с «браковочным» значением, «зашитым» в модель. При достижении ТСдВС «браковочного» значения ана- 5 лизируются ЧП и в случае, если любой из текущих ЧП становится меньше соответствующего о «браковочного» значения из табл. 3 или равным ему, компьютерной моделью устанавливается не- 0 годное техническое состояние соответствующего ДВС и, соответственно, всей СЭУ. В
На рис. 4 представлены функции ТСДВС =/(ЧПЭП, ЧПрП, ЧПСТ, ЧПЦПГ, ЧПКВ, ЧПССО, ЧПСУ, ЧПТН, у
ЧПЭК) для «браковочных», паспортных (номинальных) и текущих значений ЧП. Обобщенный технический показатель ТСДВС будет пропорционален площади под кривой, полученной путем соединения точек, характеризующих значения ЧП. Данное свойство можно использовать для отслеживания динамики изменения ТСДВС и прогнозирования приближения предельного технического состояния ДВС, при котором для ДВС устанавливается негодное техническое состояние. При достижении всех ЧП «браковочных» значений ТСдВС = 0,479287, т. е. ДВС имеет годное техническое состояние при значении каждого ЧП выше «браковочного» и ТСДВС > 0,479287.
ЛВЕСТНИК
............ГОСУДАРСТВЕННОГО УНИВЕРСИТЕТА
Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
г
оо о
СЧ1
ЦПГ'
, ЧПсу, ЧПтн, ЧПэк)
Отметим, что значение ТСдВС рассчитывается компьютерной моделью диагностирования для каждого ДВС, при этом в расчет включаются (учитываются) наиболее «худшие» значения контролируемых параметров. Так, например, если двигатель имеет шесть цилиндров, то в расчет ТСДВС попадут наиболее низкие шкалированные значения контролируемых параметров, полученные для любого из шести цилиндров.
С помощью калькулятора технического состояния элементов СЭУ определены «браковочные» значения технического состояния всех выделенных элементов СЭУ, а также СЭУ в целом, что показано на рис. 5.
1,1
'-две ТСррП ТСМ ТСПв ТСДВЖ ТСЭЭУ ТС^ ТСДК ТСУК
Рис. 5. Функции ТСсэу = ЛTCдвc, ТСppп, ТСм, ТСпв> ТСдвж, ТСээу ТСсс ТСлк ТСук) для «браковочных», паспортных (номинальных) и текущих значений элементов СЭУ
На основании результатов проведенных предварительных исследований был разработан алгоритм функционирования компьютерной модели диагностирования технического состояния элементов СЭУ. Укороченная блок-схема алгоритма представлена на рис. 6. При функционировании блока анализа текущего технического состояния элементов СЭУ производится сравнение рассчитанных с помощью калькулятора значений ТС элементов СЭУ с «браковочными» и определяется состояние «годен - не годен» с указанием негодного элемента и его параметров.
Целью функционирования блока прогнозирования технического состояния элементов СЭУ является определение времени до достижения ТС /-го элемента СЭУ «браковочного» значения, т. е. прогнозирование продолжительности периода «годного» состояния.
Рис. 6. Блок-схема алгоритма функционирования компьютерной модели диагностирования технического состояния элементов СЭУ
2 О
те
При невыполнении условия ТС > ТС. Л (ТС — значение технического состояния
* •> /_п /_брак 4 /_п
/-го элемента СЭУ при текущем измерении, ТС. брак — значение «браковочного» ТС /-го элемента) компьютерная модель диагностирования выведет информацию о достижении ТС «браковочного» значения, и активируется подпрограмма анализа скорости изменения частных показателей /-го элемента СЭУ. Необходимо отметить, что анализ скорости изменения частных показателей является важным элементом процедуры прогнозирования, поскольку позволяет, во-первых, настроить модель прогнозирования или при более развитом алгоритме выбрать модель прогнозирования из заранее предусмотренного набора (экспоненциальное сглаживание, регрессионное оценивание, цепи Маркова, передаточные функции и т. д.), а во-вторых оценить, по какому из ЧП возможен отказ в границах установленных «браковочных» значений.
[2491
ЛВЕСТНИК
............государственного университета
Х^ОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
Заключение (Conclusion)
Разработанная компьютерная модель диагностирования позволяет получить численную оценку ТС элементов СЭУ и СЭУ в целом, установить годное или негодное техническое состояние соответствующего элемента СЭУ, а также проанализировать динамику изменения технического состояния этих элементов во времени для выявления предпосылок и условий, следствием которых может быть потенциальный отказ. Как отмечалось ранее, знание закономерностей изменения ТС имеет большое практическое значение, поскольку позволяет рассчитывать не только оптимальные сроки технического обслуживания и ремонта, но и возможность их использования в классификационной деятельности организации для определения годного или негодного технического состояния элементов СЭУ.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Ивановский В. Г. Мониторинг рабочего процесса судовых дизелей в эксплуатации / В. Г. Ивановский, Р. А. Варбанец // Всеукраинский научно-технический журнал. — 2004. — № 2. — С. 138-141.
2. Епихин А. И. Модуль диагностики двигателя внутреннего сгорания в системе поддержки принятия решений экипажем танкера-газовоза / А. И. Епихин // Вестник Астраханского государственного технического университета. Серия: Морская техника и технология. — 2017. — № 4. — С. 31-39. DOI: 10.24143/20731574-2017-4-31-39.
3. Характеристики систем диагностики судовой дизельной установки [Электронный ресурс]. — Режим доступа: http://vdvizhke.ru/sudovye-dizelnye-ustanovki/puskoreversivnye-sistemy-dvigatelja/harakteristika-sistem-diagnostiki-sudovoj-dizelnoj-ustanovki-v-sudovyh-dizeljah.html (дата обращения: 15.12.2017).
4. Лашко В. А. Перспективы развития интеллектуальных поршневых ДВС / В. А. Лашко // Ученые заметки ТОГУ. — 2014. — Т. 5. — № 1. — С. 260-287.
5. Елизаров И. А. Технические средства автоматизации. Программно-технические комплексы и контроллеры: учеб. пособие / И. А. Елизаров, Ю. Ф. Мартемьянов, А. Г. Схиртладзе, С. В. Фролов. — М.: Машиностроение, 2004. — 180 с.
6. Грошева Л. С. Разработка комплексной системы контроля и управления на базе промышленных контроллеров FASTWEL / Л. С. Грошева, В. И. Мерзляков, С. И. Перевезенцев, В. И. Плющаев // Современные технологии автоматизации. — 2015. — № 3. — С. 46-50.
7. Соловьёв А. В. Концепция единого целеориентированного управления судовой энергетической установкой / А. В. Соловьёв // Вестник Государственного университета морского и речного транспорта имени адмирала С. О. Макарова. — 2017. — Т. 9. — № 5. — С. 1027-1039. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-51027-1039.
8. Соловьёв А. В. Принципы взаимодействия судоводителя с единой целеориентированной системой управления судовой энергетической установкой / А. В. Соловьёв // Вестник Волжской государственной академии водного транспорта. — 2017. — № 53. — С. 42-47.
9. Васильев Б. В. Диагностирование технического состояния судовых дизелей / Б. В. Васильев, Д. И. Кофман, С. Г. Эренбург; под ред. Б. В. Васильева. — М.: Транспорт, 1982. — 144 с.
10. Моек Е. Техническая диагностика судовых машин и механизмов / Е. Моек, Х. Штрикерт; пер. с нем. Э. Б. Кублановой. — Л.: Судостроение, 1986. — 231 с.
REFERENCES
1. Ivanovskii, V.G., and R.A. Varbanets. "Monitoring rabochego protsessa sudovykh dizelei v ekspluatatsii." Vseukrainskii nauchno-tekhnicheskii zhurnal 2 (2004): 138-141.
2. Epikhin, Alexey Ivanovich. "Module for diagnosis of the internal combustion engine in the decision support system by the crew of the tanker-gas carrier." Vestnik of Astrakhan State Technical University. Series: Marine Engineering and Technologies 4 (2017): 31-39. DOI: 10.24143/2073-1574-2017-4-31-39.
3. Kharakteristiki sistem diagnostiki sudovoi dizel'noi ustanovki. Web. 15 Dec. 2017 <http://vdvizhke.ru/ sudovye-dizelnye-ustanovki/puskoreversivnye-sistemy-dvigatelja/harakteristika-sistem-diagnostiki-sudovoj-di-zelnoj-ustanovki-v- sudovyh-dizelj ah.html>.
ВЕСТНИК«)
государственного университета ^^
МОРСКОГО И РЕЧНОГО ФЛОТА ИМЕНИ АДМИРАЛА С. О. МАКАРОВА
4. Lashko, V.A. "Prospects of development of intellectual of the piston internal combustion engine." Uchenye zametki TOGU 5.1 (2014): 260-287.
5. Elizarov, I.A., Yu.F. Martem'yanov, A.G. Skhirtladze, and S.V. Frolov. Tekhnicheskie sredstva avtomati-zatsii. Programmno-tekhnicheskie kompleksy i kontrollery: ucheb. posobie. M.: Mashinostroenie, 2004.
6. Grosheva, L.S., V.I. Merzlyakov, S.I. Perevezentsev, and V.I. Plyushchaev. "Razrabotka kompleksnoi siste-my kontrolya i upravleniya na baze promyshlennykh kontrollerov FASTWEL." Sovremennye tekhnologii avtomati-zatsii 3 (2015): 46-50.
7. Soloviev, Alexey V. "The concept of a unified goal directed management of marine power plant." Vestnik Gosudarstvennogo universiteta morskogo i rechnogo flota imeni admirala S.O. Makarova 9.5 (2017): 1027-1039. DOI: 10.21821/2309-5180-2017-9-5-1027-1039.
8. Solovyov, A.V. "Principles of interaction of the navigator with a unified target-oriented management system of marine power plant." Vestnik Volzhskoi gosudarstvennoi akademii vodnogo transporta 53 (2017): 42-47.
9. Vasil'ev, B.V., D.I. Kofman, and S. G. Erenburg. Diagnostirovanie tekhnicheskogo sostoyaniya sudovykh dizelei. Edited by B.V. Vasil'ev. M.: Transport, 1982.
10. Moek, E., and Kh. Shtrikert. Tekhnicheskaya diagnostika sudovykh mashin i mekhanizmov. L.: Su-dostroenie, 1986.
ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ
INFORMATION ABOUT THE AUTHOR
Соловьёв Алексей Валерьевич —
кандидат технических наук,
заместитель директора
ФАУ «Российский Речной Регистр»
Верхне-Волжский филиал Российского Речного
Регистра
603001, Российская Федерация,
г. Нижний Новгород, ул. Рождественская, 38в
e-mail: [email protected]
Soloviev, Alexey V. —
PhD, deputy director The Federal Autonomous Institute Russian River Register Upper Volga Branch-Office 38v Rozhdestvenskaya Str., Nizhniy Novgorod, 603001, Russian Federation e-mail: [email protected]
Статья поступила в редакцию 15 января 2018 г.
Received: January 15, 2018.
2 О
8
Г2511
