Состояние проблемы Системы автоматического регулирования частоты вращения (САРЧ) - это необходимый и обязательный элемент различных типов судовых энергетических установок. Но наиболее актуальным поддержание работоспособности САРЧ является для энергетических установок с дизельными двигателями внутреннего сгорания (ДВС), поскольку такие двигатели часто имеют достаточно большую величину наработки и оснащены механическими центробежными регуляторами. Неисправности регуляторов частоты вращения оказывают существенное влияние на качество работы САРЧ и, как следствие, на параметры неравномерности вращения и качество переходных процессов. Можно выделить следующие основные группы неисправностей широко распространенных механических центробежных, гидравлических, электромеханических и электрогидравлических регуляторов судовых энергетических установок: - износы деталей регулятора, приводящие к изменению свободного хода рейки топ-ливного насоса; - износы деталей регулятора, не изменяющие свободного хода рейки топливного насоса; - изменение жесткости упругих элементов (рабочих пружин, пружин корректора, упругого привода); - повышенное сухое трение в приводе регулятора и механизмах перемещения рейки топливного насоса, заедание и перекосы в сопряжениях; - повышенное гидравлическое трение в регуляторе; - механические повреждения и усталостные разрушения деталей; - изменение параметров работоспособности гидравлических систем управления; - избыток, недостаток или загрязнение масла; - неисправности электрических элементов и цепей управления. Наличие в кинематической цепи центробежных регуляторов большого количества подвижных сопряжений, имеющих малые опорные поверхности и при этом воспринимающих значительные удельные давления переменной величины, приводит к достаточно быстрому изнашиванию деталей, что, безусловно, отражается на процессе регулирования. Износы деталей регулятора бывают следующих видов [1]: - механический износ деталей шарнирных соединений в виде диспергирования; - коррозионно-механический износ валиков и торцов шестерен; - задиры, приводящие к заеданию или заклиниванию муфты регулятора. Известно, что от технического состояния регуляторов частоты вращения зависят мощность и экономичность энергетических установок. Эксплуатация технологического оборудования или транспортных средств, оснащенных ДВС с неисправными системами регулирования частоты вращения, в условиях неустановившихся нагрузок приводит к потере мощности, снижению производительности и увеличению расхода топлива [2-9]. Кроме того, работоспособность САРЧ важна для судовых двигателей с точки зрения снижения динамических нагрузок на привод гребного винта. Современные дизельгенераторные установки с генераторами переменного тока также требуют точности поддержания частоты вращения коленчатого вала двигателя и частоты переменного тока в электрических цепях в заданных пределах. Методы исследования Для транспортных средств, эксплуатирующихся на значительном расстоянии от сервисных центров или пунктов обслуживания (без возможности выполнения операций технического обслуживания и ремонта в стационарных условиях), к которым относится большинство морских и речных судов, организация предупреждения, своевременного реагирования и устранения последствий отказов приобретает особенное значение [10]. Из результатов исследования причин отказов современных транспортно-технологических машин следует, что доля выхода из строя сложного оборудования и механизмов по причине некачественного обслуживания составляет примерно 60 %, при этом существенное влияние на количество отказов по причине неквалифицированного обслуживания и ремонта оказывает человеческий фактор [11]. Проблема организации системы ремонтно-обслуживающих воздействий является актуальной, в том числе применительно к регуляторам частоты вращения судовых энергетических установок. При формировании системы технического обслуживания (ТО), помимо необходимости обеспечения качественного выполнения необходимого комплекса мероприятий, предупреждающих преждевременные отказы энергетических установок в условиях эксплуатации, следует учитывать следующее [12]: - даже обязательное выполнение работ по ТО в строгом соответствии с руководством по эксплуатации может оказаться неэффективным, например, когда затраты на обслуживание или потери основного продукта вследствие снижения коэффициента использования транспортного средства из-за простоев на профилактику неоправданно велики; - профилактические мероприятия должны быть экономически целесообразны и выполняться с минимально необходимыми затратами труда и материальных средств; - организационные и технологические приемы, применяемые в процессе технического обслуживания, должны исключать издержки, связанные с невыполнением основных задач функционирования энергетической установки. Любые неисправности регулятора требуют своевременного обнаружения и устранения посредством регулировки или ремонта. Вопрос о целесообразности дальнейшей эксплуатации регулятора может быть решен методами технического диагностирования с помощью технического, технологического либо экономического критериев. При обосновании периодичности диагностирования технического состояния элементов САРЧ не вполне корректно использовать значения наработки до предельного состояния, т. к. отказ регулятора частоты вращения можно отнести к категории скрытых отказов, для которых момент наступления отказов не совпадает с моментом устранения его последствий. В этом случае количественной характеристикой целесообразности контроля может служить вероятность обнаружения отказа (отношение числа восстановленных в межконтрольный период элементов к общему количеству фактически отказавших элементов). Например, известно, что для степени неравномерности регулятора этот показатель равняется 0,27 [13]. При определении целесообразности контроля технического состояния регуляторов частоты вращения и энергетических установок в целом следует учитывать различие в стратегиях поддержания работоспособности для различных элементов машин. Элементы, требующие в процессе эксплуатации неоднократных регламентных воздействий, характеризуются неоптимальностью периодичности технического обслуживания. В этом случае непрерывный мониторинг технического состояния (ТС) необходим, в первую очередь, в целях устранения издержек от раннего и позднего обслуживания. Если же для данного элемента машины выбран второй вид стратегии обеспечения работоспособности - ремонт, непрерывность мониторинга предполагает прогнозирование момента превышения параметрами технического состояния предельных состояний [14, 15]. При выборе диагностических параметров для непрерывного или дискретного, но близкого к непрерывному, мониторинга ТС могут применяться две методики. Первая основана на оценке эффективности непрерывного контроля и прогнозирования параметров изменения ТС путем анализа величины удельных вероятностных затрат, соответствующих реализации предлагаемых технических мероприятий. Полученные значения эффективности сравниваются с заданными нормативными величинами, и принимается решение о целесообразности применения средств непрерывной диагностики. Для предупреждения внезапных отказов элементов машин, с учетом несовершенства показателей достоверности существующих методов диагностирования, система контроля, по сути, должна обеспечить превентивное обслуживание с минимизацией издержек. В общем случае, при любом значении параметра технического состояния Y, удовлетворяющем условию Y0 ≤ Y ≤ Yп, где Y0 и Yп - начальное и предельное значение параметра ТС соответственно, должно выполняться неравенство a > c + β · Y, где a - издержки, связанные с устранением отказа; c - постоянная составляющая издержек обслуживания; β - коэффициент пропорциональности, определяющий переменную составляющую издержек превентивного обслуживания. Преимуществом данной методики является учет экономических последствий принимаемых решений, недостатком - потребность в наличии закономерностей изменения удельных вероятностных издержек. Второй метод выбора диагностических параметров основан на определении приоритетности контроля структурных параметров при непрерывном контроле. Для этого все обобщенные структурные параметры, характеризующие техническое состояние элементов энергетической установки, подразделяются на следующие группы: - параметры, изменение которых приводит к аварийной остановке или к интенсивному износу сопряжений; - параметры, обеспечивающие запуск энергетической установки в работу; - параметры, влияющие на остаточный ресурс и качество рабочего процесса. Результаты исследований Формирование исходного перечня контролируемых параметров технического состояния конструктивных и неконструктивных элементов ДВС проводилось на основе данных о надежности двигателей семейства Ч (ЧН) 15/18 производства завода «Барнаултрансмаш», эксплуатируемых на судах Западно-Сибирского, Восточно-Сибирского и других речных пароходств, Черноморского пароходства, а также на подвижных составах железнодорожного и автомобильного транспорта и на нефтебуровых установках. Исходные данные для анализа получены из отчетов о надежности дизелей ПО «Барнаульский завод «Трансмаш», Центрального научно-исследовательского дизельного института ЦНИДИ и исследований Сибирского НИИ механизации и электрификации сельского хозяйства (СибИМЭ) в рамках выполнения научно-исследовательских работ на тему «Разработка комплекса средств технической диагностики дизелей Ч (ЧН) 15/18» при непосредственном участии автора данной работы [16]. К процедуре проведения экспертной оценки номенклатуры контролируемых параметров и их ранжирования было привлечено 124 эксперта из числа работников, занимающихся испытаниями, проектированием и диагностикой технического состояния дизельных ДВС. В качестве экспертов принимали участие специалисты в области технической эксплуатации из числа сотрудников речных пароходств и различных научно-исследовательских учреждений. На первом этапе производилось ранжирование важности контроля систем двигателя. Результаты ранжирования приведены в табл. 1. Таблица 1 Приоритеты контроля систем двигателя Система двигателя Средний ранг Приоритет контроля Вероятность совпадения мнений экспертов при ранжировании Система охлаждения 2,75 2 0,99 Система смазки 1,16 1 0,999 Система питания 4,0 3 0,99 Система пуска 5,9 4 - Эксплуатационные показатели 6,25 5 0,99 Вероятность совпадения мнений экспертов при ранжировании всех систем 0,95 На втором этапе ранжировались конструктивные и неконструктивные параметры, контроль которых необходим для предупреждения аварийной остановки двигателя. Здесь предоставлялась возможность добавления неучтенных параметров и ранжирования каждого параметра (табл. 2). Таблица 2 Приоритеты контроля параметров технического состояния дизельных ДВС Параметр Величина ранга Приоритет контроля Давление масла в нагнетательной магистрали 1,28 1 Уровень масла 1,46 2 Температура масла 1,49 3 Температура охлаждающей жидкости 3,73 4 Засоренность фильтра тонкой очистки топлива 4,28 5 Засоренность воздухоочистителя 4,28 6 Давление масла в турбокомпрессоре 4,52 7 Наличие водных примесей в топливе 4,62 8 Частота вращения коленчатого вала ДВС 7,1 9 Уровень топлива 7,73 10 Из полученных данных следует, что система питания топливом, к которой принято относить и систему автоматического регулирования частоты вращения, и, в частности, частота вращения коленчатого вала входят, по мнению экспертов, в число наиболее приоритетных параметров контроля технического состояния ДВС. При анализе необходимости и приоритетности контроля использовались полученные опытным путем реализации изменения величины степени неравномерности в процессе эксплуатации двигателей серии Ч (ЧН) 15/18. Для обоснования режимов эксплуатационного контроля технического состояния САРЧ использовался экономический критерий периодичности обслуживания посредством определения зависимости удельных вероятностей издержек контроля степени неравномерности регулятора от периодичности контроля [12, 16]. В процессе расчета использовались экстраполированные на современный уровень цен ориентировочные величины стоимостных показателей, полученные по данным бюро надежности завода «Барнаултрансмаш», ЦНИДИ и СибИМЭ [16]. В результате расчетов с использованием специальных программных средств [17] было установлено, что при увеличении периодичности обслуживания регулятора частоты вращения и контроля величины степени неравномерности регулятора суммарные издержки контроля растут с последующей относительной стабилизацией (рис.). Влияние периодичности контроля степени неравномерности регулятора частоты вращения на удельные издержки Рекомендуемый режим обслуживания регулятора частоты вращения (выбор между регламентным обслуживанием и периодическим контролем с использованием средств диагностирования) - контроль с периодичностью не более 300 часов. Выводы 1. Неисправности регуляторов частоты вращения оказывают существенное влияние на показатели функционирования САРЧ и энергетических установок в целом. 2. В условиях эксплуатации контроль технического состояния регуляторов частоты вращения выполняется не в полной мере, в первую очередь в связи с отсутствием достоверных и оперативных диагностических средств. 3. Из результатов исследования надежности двигателей семейства Ч (ЧН) 15/18 следует, что параметры технического состояния систем автоматического регулирования частоты вращения, в частности степень неравномерности регулятора, относятся к приоритетным параметрам контроля. Рекомендуемая периодичность контроля на основе анализа эксплуатационных издержек составляет 300 часов.
