ВИБРОДИАГНОСТИКА судовых дизелей по крутильным колебаниям валопровода

ГОСУДАРСТВЕННАЯ МОРСКАЯ АКАДЕМИЯ
ИМЕНИ АДМИРАЛА С.О. МАКАРОВА
На правах рукописи

ДО ДЫК ЛЫУ

ВИБРОДИАГНОСТИКА СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
ПО КРУТИЛЬНЫМ КОЛЕБАНИЯМ
ВАЛОПРОВОДА

Специальность: 05.08.05
Судовые энергетические установки и их элементы
(главные и вспомогательные)

Диссертация на соискание
ученой степени доктора технических наук

Санкт-Петербург –2006


-3-

СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1.

6
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

1.1

Цели и задачи диагностики судовых дизелей

10

1.2

Современное состояние диагностики судовых дизелей

23

1.3

Виброакустическая диагностика судовых дизелей

27

1.3.1

Методы ВАД судовых дизелей

27

1.3.2

Технические средства для ВАД судовых дизелей

35

1.4

Методология ВАД судовых дизелей

43

1.4.1

Особенности методологии ВАД судовых дизелей

43

1.4.2

Моделирование ВАД судовых дизелей

37

1.5

Цели и задачи

51

ГЛАВА 2.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИАГНОСТИКИ
СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО КРУТИЛЬНЫМ КОЛЕБАНИЯМ
ВАЛОПРОВОДА
2.1

Моделирование сил и моментов для диагностики
судовых ДВС по крутильным колебаниям валопровода

53

2.1.1

Моделирование показателей состояния работы цилиндра

54

2.1.2

Моделирование сил и моментов судовых дизелей

64

2.2

Математические
модели
крутильных
валопровода судовых дизелей

колебаний

74

2.2.1

Построение математических моделей крутильных колебаний
валопровода для диагностики главных судовых дизелей

74

2.2.2

Расчет свободных крутильных колебаний валопровода СДВС

80

2.2.3

Расчет вынужденных крутильных колебаний валопровода

83

2.3

Аналитическая диагностика судовых
крутильным колебаниям валопровода

2.3.1

Моделирование вибродиагностики по текущему моменту

92

2.3.2

ВАД по мгновенной частоте вращения коленчатого вала

105

2.3.3

ВАД судовых дизелей по крутильным колебаниям, 107
описывающимся линейной системой дифференциальных
уравнений с малым параметром

дизелей

по

92


-4ГЛАВА 3
ЧИСЛЕННЫЕ И НАТУРНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ДИНАМИКИ И
ДИАГНОСТИРОВАНИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПО ВАС
3.1

Численные эксперименты исследований динамики и 114
диагностирования судовых дизелей по крутильным
колебаниям валопровода

3.1.1

Методы повышения точности численных решений 114
крутильных колебаний валопровода судовых дизелей

3.1.2

Методы и алгоритмы численных решений крутильных 118
колебаний валопровода СДВС

3.1.3

Обстановка численных экспериментов диагностирования 126
СДВС по крутильным колебаниям валопровода

3.1.4

Построение
регрессионных
моделей
обработкой 135
характеристик крутильных колебаний при численных
экспериментах

3.1.5

Построение моделей прогнозирования состояния СДВС

3.1.6

Примеры
численных
исследований
динамики
и 145
диагностирования судовых дизелей по крутильным

колебаниям

3.2

Натурные исследования динамики и диагностирования 149
ДВС по виброакустическим сигналам

3.2.1

Эксперименты исследований ВАС дизеля SKL -3NVD 24/34

3.2.2

Натурные исследования крутильных колебаний валопровода 155
т/х. «VINASHINSKY»

138

149

ГЛАВА 4.
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ И
ПРОГНОЗИРОВАНИЯ СДВС ПО КРУТИЛЬНЫМ КОЛЕБАНИЯМ
4.1

Оптимальность - основа математического обеспечения 166
ВАД судовых двигателей с применением теории
распознавания образов

4.1.1

Методология диагностирования путем применения методов 166
теории распознавания образов

4.1.2

Построение оптимальных критериев в диагностировании

4.2

ВАД судовых дизелей с применением методов теории 180
распознавания образов
Построение вектора диагностических признаков
186

4.2.1

174


4.2.2

-5Построение эталонных характеристик

193

4.2.3

Принятие решения состояния диагностического СДВС

199

4.3

Прогнозирование состояния судовых дизелей путем 204
применения теории распознавания образов

4.3.1

Построение моделей прогнозирования состояния дизелей

205

4.3.2

Прогнозирование состояния судовых дизелей

210

ГЛАВА 5.
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ
ЭКСПЛУАТАЦИЯ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ ПУТЕМ ПРИМЕНЕНИЯ
МЕТОДОВ И СИСТЕМЫ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ПО ВАС
5.1

Построения систем автоматического контроля и 223
диагностики судовых дизелей по виброакустическим
сигналам

5.1.1

Блок – схемы системы
диагностирования СДВС

5.1.2

Расширение возможности диагностирования САКД судовых 233
дизелей

5.1.3

Новые аспекты с применением САКД, компьютеризации и 241
интернета в управлении технической эксплуатацией судовых
силовых дизельных комплексов

5.2

Усовершенствование
метода
расчета
крутильных 246
колебаний валопровода судовых силовых комплексов

5.2.1

Концептуальность
расчета
крутильных
валопровода судовых силовых комплексов

5.2.2

Методика расчета крутильных
судовых силовых комплексов

5.3

Выбор
оптимального
режима
работы
пропульсивных дизельных комплексов

5.3.1

Модели режима работы судового пропульсивного комплекса

264

5.3.2

Выбор режима работы пропульсивного комплекса

273

автоматического

контроля

колебаний

и 223

колебаний 246
валопровода 248
судовых 259

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

279

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

283


-6-

ВВЕДЕНИЕ
Главное

назначение

современного

диагностирования

состоит

в

непрерывном автоматическом контроле технического состояния объекта,
своевременном обнаружении отклонений контролируемых параметров от
нормативных значений, идентификации и локализации дефектов, выработке
стратегии последующих действий и прогнозировании ресурса. Система
автоматического контроля и диагностирования (САКД) создается на базе
новейших информационно-вычислительных средств, а программная часть
которых опирается на фундаментальные и прикладные математические
методы.
Важная роль в обеспечении безопасности объекта принадлежит
диагностированию текущего состояния и прогнозированию остаточного
ресурса до предельного состояния. Отказы, связанные с риском для здоровья
и жизни экипажа, опасностью для судна или окружающей среды, а также с
серьезным экономическим и моральным ущербом должны быть исключены,
либо иметь малую вероятность их появления в процессе эксплуатации.
САКД позволяет непрерывно следить за техническим состоянием объекта и
давать рекомендации о дальнейшей эксплуатации. В частности, если
результаты диагностирования показывают, что объект приближается к
аварийной ситуации, то должно быть принято решение о прекращении его
эксплуатации или о переходе на облеченный режим с одновременным
принятием мер, обеспечивающих безопасность.
Ресурс – продолжительность эксплуатации от данного момента до
достижения предельного состояния. Ресурс судовых объектов является
важной технической и экономической характеристикой. Прогнозирование
ресурса открывает дополнительные пути повышения экономической
эффективности

(предупреждение

возможных

аварий,

правильное


-7-

планирование рабочих режимов, обоснованный выбор срока эксплуатации и
т.д.).
Прогнозирование ресурса – составная часть теории надежности. Под
надежностью понимают способность технического объекта выполнять
заданные функции (правильно функционировать) в течение заданного
интервала времени. Надежность учитывает свойства объекта: безотказность,
долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость.
Первые работы по технической диагностике проявились в печати в
средине 60-х гг. Ранее использовались термины «контроль состояния»,
«автоматический контроль», «поиск неисправностей» или «определение
работоспособности». К началу 70-х гг. были обозначены основные проблемы
технической

диагностики:

моделирование

объектов,

методы

диагностирования, прогнозирования, обнаружения отказов.

В 80-х гг. техническая диагностика приблизилась к решению вопроса
оптимизации алгоритмов и аппаратурных средств диагностирования. Были
разработаны методы проектирования систем диагностирования.
На судах используют системы и средства контроля и диагностирования
технического состояния дизелей, в которых измеряются следующие
параметры: индикаторная диаграмма отдельного цилиндра; средняя частота
вращения коленчатого вала; закон подачи топлива в цилиндр. Измерения
осуществляются

многократным переносом приборов от цилиндра к

цилиндру механиком судна. Объем работ оказывается неоправданно
большим. Кроме того, измерения выполняются при неидентичных текущих
условиях. Из этого следует, что полученные данные носят усредненный
характер.
Современные направления в технической диагностике судовых дизелей
следующие:
- интеллектуализация методов и средств диагностирования. Метод
диагностирования должен быть определен физическим явлением, которое
дает наиболее объективную информацию о техническом состоянии объекта.


-8-

Важнейшей проблемой являются исследование и регистрация физических и
других эффектов, предшествующих времени перехода с нормального
состояния

в

«дефектное»

состояние.

Интеллектуализация

методов

диагностирования связана с интенсивной компьютеризацией;
- совершенствование диагностических технологий. Технические средства
диагностирования включают аппаратную часть, программное обеспечение и
техническо-диагностическую документацию. Аппаратурная часть создается
на основе современных технологий электроники и информатики для
получения достоверной диагностической информации по выбранным
интеллектуальным

методам.

Программное

обеспечение

включает

оптимальные алгоритмы диагностирования, которые используют методы
теории распознавания образов. Технология диагностирования должна
минимизировать количество диагностических признаков, методов и средств
диагностирования, но должна быть

достаточной для обеспечения

максимальной гарантии достоверности.
Для повышения уровня автоматизации контроля и диагностирования
неравномерности работы судовых дизелей предложена новая методология, в
которой общее свойство «неравномерность» оценивается обобщенными
информативными

диагностическими

характеристиками

крутильных

колебаний. Автором введены новые понятия - коэффициенты качества
сгорания и утечек из цилиндров.
В морской практике количество аварий на судах остается значительным.
Основные

причины

–

критический

уровень

износа

технического

оборудования, нарушения операционной и технологической дисциплины,
ослабление роли надзорных органов контроля и управления. Например, во
вьетнамской морской истории судоходства никогда не было больших аварий
и катастроф, подобных случившейся в январе 2004 года. Весь вьетнамский
экипаж т/х "Dury" погиб у берегов Южной Кореи.
Практическое

использование

ДВС

приводит

к

необходимости

исследования сложных динамических процессов в связи с крутильными


-9-

колебаниями валов. Имеются сведения о серьезных авариях, причиной
которых

являлись

крутильные

колебания.

Например,

поломка

промежуточного вала валопровода т/х "НaTien" в 2003 году. Этот случай
подробно исследован в пятой главе диссертации.
Практическая

значимость

предлагаемой

диссертационной

работы,

направленной на повышение безопасности и эффективности технической
эксплуатации судов морского флота, состоит в том, что на основе
разработанного математического аппарата предложена к реализации новая
автоматизированная система мониторинга и диагностирования судовых
двигателей внутреннего сгорания.


- 10 -

ГЛАВА 1
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

1.1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИАГНОСТИКИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Техническая диагностика – область знаний, исследующая техническое
состояние объекта и его проявление, и разрабатывающая методы и средства
их определения и прогнозирования [13, 63].
Техническое диагностирование – это процесс определения технического
состояния объекта диагностики с определенной точностью и указания, при
необходимости, места, вида и причин дефектов по ГОСТ 20911-75[71].
Различают понятия состояния объекта диагностики (ОД): исправность и
неисправность, работоспособность и

неработоспособность, правильное

функционирование и неправильное функционирование.
В технической диагностике, термин «неисправность» используется как
название модели дефекта, а также для обозначения неисправного состояния
объекта или его составной части. Объект является исправным, если в нем нет
ни одной неисправности, в противном случае, он будет неисправным.
Состояние судовых дизелей в процессе технического использования
непрерывно изменяется. В диагностике мы различаем только граничные
состояния – исправное / неисправное (дефектное), в которых объект:
- имеет хотя бы одну неисправность S0 / Sд ;
- имеет работоспособность или возможность ее потерять S1 / S2 ;
- правильно функционирует или нет Sф ( t ) / Sнф ( t ) .
Режимом диагностики ОД – совокупность входных воздействий при всех
возможных

функциональных

режимах

с

предвиденными

условиями


- 11 -

окружающей среды.
Полнота проверок дефектов – важная характеристика процедуры проверок
исправности, работоспособности и правильного функционирования с целью
гарантии

обнаружения

неисправности

относительно

всех

заданных

неисправностей объекта.
Диагностирование с целью определения мест, причин и видов дефектов
объекта называют поиском дефектов.

Глубина поиска дефектов –

характеристика процесса диагностирования части ОД или его участка, с

определенной точностью устанавливающая место дефекта.
Диагностирование судовых дизелей должно определить необходимую
полноту проверки дефектов в конкретной задаче. При проектировании,
производстве или при сдаточных испытаниях после ремонта каждый
компонент объекта диагностики должен быть проверен. Полнота диагностики
целесообразна

самая

высокая

(100%).

При

диагностировании

работоспособности или функционирования ОД обычно концентрируют
внимание

на

проверке

основных

и

важных

узлов.

Следовательно,

диагностирование имеет полноту проверки дефектов меньшую, чем проверка
неисправностей.
По способу воздействия на объект диагностики разделят тестовый и
функциональный методы диагностики.
Система технического диагностирования – совокупность средств и ОД и,
при необходимости, исполнителей, подготовленных к диагностированию по
правилам, установленным соответствующей документацией.
Системы функционального диагностирования используются для проверки
правильности

функционирования

объекта

и

поиска

неисправностей,

нарушающих нормальное функционирование. Обычно выполняется имитация
условий функционирования ОД. В современных системах технического
диагностирования судовых дизелей в эксплуатации чаще применяется
функциональное диагностирование.
Комплексным диагностированием определяется состояние ОД в целом, а

- 12 -

поэлементным – определяется состояние основных узлов и агрегатов.
Следовательно, с точки зрения полноты диагностики методы диагностики
разделяются на комплексную и поэлементную (углубленную) диагностику.
С точки зрения целей диагностики различают: в данный момент
(собственно диагностика), в прошлом (рестоспекция) или в будущем времени
(прогноз). Для повышения надежности и эффективности технической
эксплуатации ОД на базе использования методов и систем диагностирования
ставится дополнительная задача прогноза и управления состоянием ОД.
Диагностирование

судовых

дизелей

или

их

комплексов

обычно

выполняют по принципу от целого к частному. Например, диагностирование
судового силового дизельного комплекса, состоящего из главного дизеля,
валопровода, гребного винта и корпуса судна, начинается с оценки состояния
комплекса

в

целом:

работоспособный

он

или

нет.

Если

получен

отрицательный ответ, то выполняют диагностирование части комплекса,
которая

будет

объектом

поэлементного

диагностирования

(отдельно

двигатель, винт или валопровод). Если ОД – главной дизель, тогда первым

шагом диагностирования должна быть проверка его работоспособность в
целом. После этого можно искать неисправности в основных узлах или
агрегатах.
Средства диагностирования разделяются на аппаратурные, программные
и аппаратурно-программные системы диагностирования.
Диагностические параметры (признаки) могут быть разделены на два, три
уровня, непрерывный уровень или их комбинации. В зависимости от
особенностей

диагностических

признаков

диагностические

модели

и

алгоритмы разрабатываются по диагностическим таблицам или другими
методами.
По физической основе диагностических параметров судовых дизелей
различают:

диагностирование

по

теплотехническим

параметрам;

по

продуктам обработанных газов; по составу обработанного масла; по
выделенной температуре объекта диагностики; по вибрации и шуму


- 13 -

(виброакустическое диагностирование) и др.
Основные задачи диагностики судовых дизелей [47]:
- построение диагностических моделей ОД;
- разработка алгоритмов диагностики;
- разработка средств диагностики;
- исследование системы диагностики в целом.
Создание моделей диагностики является начальным этапом диагностики,
который охватывает задачи эмпирического характера: описание перечня
узлов

и

деталей

работоспособности;
неисправностей

и

ОД

и

структурно-следственных

надежность

характеристик;

диагностических

параметров,

связей

изучение
анализ

области
типовых

технической

возможности для их контроля.
В литературе предлагается множество разнообразных диагностических
моделей ОД, которые можно обобщить в следующие группы [47]:
аналитические; структурно-следственные; регрессионные; вероятностные и
дискриминантные.
В результате исследования ОД необходимо указать перечень или классы
возможных (наиболее вероятных) дефектов объекта, условия и признаки их

проявления, передача признаков в контрольные точки и обнаружение
дефектов в этих точках.
Обучение ОД

выполняется

анализом не только

структурных и

конструкционных особенностей, но и особенностей рабочих процессов при
функционировании ОД в сочетании с воздействием окружающей среды. Один
от примеров связей ОД и

внешних факторов, который используется в

диагностике главного судового дизеля, показан на рис. 1.1. ОД – судовой
дизель, состояние которого определяется структурными параметрами
(техническим состоянием) или косвенно его рабочим процессом. Диагностика
по рабочим процессам дизеля – обычный применяемый метод в практике. Для
идентификации рабочих процессов судовых дизелей необходимо определить
режим эксплуатации, включая указатель нагрузки дизеля, осадки судна и


- 14 -

шероховатости

(обрастание)

корпуса

и

винта,

и

оценить

влияние

окружающей среды на его процессы.

внутрирежимные
параметры (hp ,
входные параметры
топлива и масла)

шероховатость
показатель
корпуса и
окружающ
осадки судна
гребного винта
ая среда
(нагрузки)
Режим
эксплуатации
Судовой показатель

многоцилиндровый дизель
осадки
Техническое состояние
Рабочие процессы
(нагрузки судна)
Рис. 1.1. Судовой дизель – объект диагностики.

Формальная модель судовых дизелей – «черный ящик», на котором
имеется входной, выходной векторы и вектор шума (рис. 1.2). Внутри
«черного ящика» – неизвестный вектор структурных параметров, который
определяется измеренными выходными параметрами при заданных входных
параметрах.
Вектор шума
W = [W1,…, Wq]
Выходной вектор
Входной вектор
X = [X1,…, Xr] Структурные параметры У = [У1,…, Уp]
S = [S1,…, Sn]
Рис.1.2. Объект диагностики – «черный ящик».
На рис.1.2. структурные параметры S  [S1 , S2 ,...,Sn ] характеризуют
техническое состояние объекта. Множество структурных параметров обычно
определяется производителем и включает: геометрические размеры деталей;
геометрические параметры, определяющие взаиморасположения – зазоры,


- 15 -

несоосности и др.; параметры, определяющие изменения состояния деталей в
рабочих процессах – загрязнения, отложение нагара, деформации и др.
Первой основной задачей является задача построения модели для

диагностики. Диагностические модели – это определенные связи между
контрольными параметрами (признаками) и показателями состояния ОД. Для
создания

моделей необходимо решить задачи построения множества

состояний ОД, вектора признаков и самих моделей. В этом разделе будут
рассмотрены задачи построения множества состояний и моделей ОД, задачи
же построения вектора признаков – в разделе 1.1.2.
Разделим множество возможных состояний ОД на несколько с малым
количеством ограниченных классов состояний ( Di , i = 1,2,…,m). В каждом
классе должны быть объединены состояния, имеющие одинаковые свойства
по

отношению

предварительного

выбора

совокупности

структурных

параметров. Основная трудность при формировании классов состояний
объясняется тем, что не всегда можно указать строгую границу между
классами. Наиболее распространенной является «дихотомия» (бинарная
классификация). При этой классификации ОД имеет два класса исправного и
неисправного состояния. Класс неисправного состояния может быть разделен
на подклассы в зависимости от места неисправности (какой узел или

механизм

объекта

диагностики

неисправен)

или

зависит

от

вида

неисправностей (структурный характеризующий параметр). Класс исправных
состояний

может

быть

разделен

на

подклассы

в

зависимости

от

прогнозированного времени, при котором ОД – исправен.
В дизельной установке применяются роторные машины, например,
топливные насосы высокого давления, турбокомпрессоры и др. Задачу
диагностики роторных машин и механизмов решают многие авторы в РФ и в
других странах.

Обычно роторные машины имеют следующие виды

неисправностей: нарушение балансировки ротора; несоосность водимого и
водящего валов; неисправности подшипникового узла и неисправности
контактного зацепления редуктора, шестерней и др.


- 16 -

Разные фирмы и институты судового дизелестроения разрабатывают
различные системы для диагностирования и контроля состояния главного
дизеля судна. Основные узлы и агрегаты судовых дизелей первоочередные: –
цилиндропоршневая группа (ЦПГ), топливная аппаратура, на втором месте –
агрегаты воздушного снабжения, на третьем – подшипники.
Вторая возможность построения множества состояний судового дизеля
определяется по обобщенным параметрам рабочих процессов каждого
цилиндра. Диагностирование дизеля с целью обнаружения и поиска
качественных основных дефектов каждого цилиндра выполняется сравнением
с состоянием основных узлов и агрегатов каждого цилиндра, которые

функционируют нормально. Различают:
- обеспечение герметичности камеры сгорания S i ,1 ;
- обеспечение подачи топлива S i , 2 топливной аппаратурой;
- обеспечения воздушного снабжения S i ,3 .
Значение обобщенных параметров рабочего процесса каждого цилиндра
имеет два варианта в зависимости от нормального или ненормального
функционирования ОД. Если дизель имеет z цилиндров, то это соответствует
z обобщенным параметрам рабочих процессов:

D(i1,K)  Di ,K (S1, j1 , S2, j 2 ,...,Sz , j z ) ;

(1.1)

K  ( j1 , j2 ,..., jz ) j i = 1,2,3; i = 1,2,…,z.
Аналогичным образом можно построить модель множеств возможных
состояний судового дизеля до более высокой степени глубины поиска
дефектов. Практический интерес может представлять построение множеств
возможных состояний судового дизеля, которые показывают каждый
цилиндр в нормальном или ненормальном состоянии. Если дизель в
нормальном состоянии, то продолжится прогнозирование до допустимого
значения, а если в ненормальном – делается поиск дефектов основных узлов и
механизмов.


- 17 -

Для комплексной диагностики судовых дизелей необходимо построить
соответствующую модель диагностики. Предполагая, что ОД по комплексной
диагностике имеет общий рабочий процесс, обозначенный Π o (t) , который
представляет

собой

суммирование

по

z

цилиндрам.

Тогда

Π i (t)

z

трансформирует

свою

энергию

Π o ( t )   TFi ( t )Π i (t) ,

где

i 1

TFi (t) -

трансформируемая функция.
В комплексной диагностике ОД необходимо проверить работоспособность
и равномерность работы каждого из частных процессов.
При конструировании и производстве судовых дизелей неравномерность
работы  должна находиться в требуемых границах. Интегральной критерий
проверки неравномерности работы ОД показывается следующим образом:
 min   

max Π 0 ( t )  min Π 0 ( t )
.100 %   max ,
meanΠ 0 ( t )

(1.2)

где max, min, mean - максимальная, минимальная и осредненная стойкости.
Частные критерии для проверки неравномерности работы:

 min



1 z
max Π j ( t*)   Π i ( t*)
j1z
z i1

 .100 %  
 
max ,

z
1
 Π ( t*)
z i1 i

(1.3)

где t* – время, соответствующее значению диагностического параметра (t*).
Для судовых дизелей, контроль частоты вращения коленчатого вала
дизеля подчиняется интегральному критерию, а контроль давления сжатия
или максимальных давлений сгорания в цилиндрах – частным критериям.
На рис. 1.3. представлена структурно-функциональная диагностическая
модель для комплексной диагностики судовых дизелей.
Формальная модель парциальных процессов ОД записывается:

Πi ( t )  Ωi (Si1 , Si 2 ,...,Sir , X1 ,..., Xm , t ) ,
а формальная модель общего его процесса:

(1.4)


- 18 z

Π o ( t )  Ωo (S i1 , S i 2 ,..., S ir , X1 ,..., X m , t )   TFi .Π i ( t ) .

(1.5)

i 1

где r – число обобщенных состояний одного цилиндра судового дизеля.

У-1.1
…
У-1.r

PП-1

S 11
S 1r

PП-2

П 1(t)

TF2

…

…
У-z.1

PП-z
S z1

TF1

П 2(t)

П z (t)
TFZ

…
S zr
У-z.r
X1 Xm
C-1

…

Показатель качества
работы объекта
-работоспособность
- уровень разбаланса

С-m

П o(t)

Рис. 1.3. Структурно-функциональная диагностическая модель
для комплексной диагностики судовых дизелей
(диагностирование по рабочим процессам).
У-k.1,…, У-k.r – узлы, обеспечивающие k-й процесс (k =1,2,…,z).
C-1, C-2,…,C-m – системы, обеспечивающие процессы;
S-k.1,…, S-k.r – вектор структурных параметров узлов k.1, …, k.r;
Xi – вектор диагностических параметров систем i=1 m;
П 1(t),…, П z (t) – диагностические сигналы частных процессов;
П o(t) – диагностические сигналы общего объекта диагностики;
TFk (t)– трансформируемые функции.
Второй основной задачей диагностики является разработка алгоритмов
диагностики

ОД.

Пакет

алгоритмов

диагностики

обычно

включает


- 19 -

следующие модули:
- проверка согласованности и достоверности измерительных данных;
- выбор вектора диагностических признаков;
- построение эталонных диагностических характеристик;
- построение решающего правила диагностирования;
- построение прогнозирующих моделей на базе данных диагностики;
- прогнозирование технического состояния.
Эти алгоритмы могут быть одномерными или многомерными в
зависимости от подходов и методов диагностирования.
Принципы

диагностики

в

традиционных

методах

являются

сравнительными операциями между текущими диагностическими признаками
и соответствующими эталонными. В результате этих операций объект может
находиться

в

конкретном

текущем

состоянии.

Кроме

того,

по

дискриминантному подходу результат диагностики получается на основе
критерия

близости

образов

диагностических

состояний

(по

теории

распознавания образов).
Объект диагностики – это «черный ящик», показанной на рис. 1.2.,
записывается следующей моделью:

Y( t )  F(S, X( t ), W( t )) .

(1.6)

Вариация выходного вектора: изменения состояния ОД ( S  S 0  ΔS ),
изменения входных ( X  X0  ΔX ) и шумовых воздействий. Для оценки
вектора состояния ОД (1.6) записывается в следующем виде:

ΔY  Fs ΔS  Fx ΔX ,

(1.7)

где Y  Y( t )  Y(S 0 , U 0 , W) - вариация выходного вектора;

Fs , Fx -

чувствительные

функции

по

отношению

к

изменениям

соответственно S и X, являются частными производными функции F.
Для оценки технического состояния объекта кроме разделения возможных
классов состояний S необходимо изучать ОД с целью определения вектора
признаков Y и чувствительных функции Fs , Fx . Из этого получаем оценку


- 20 -

изменения технического состояния:

ΔYs  ΔY  Fx ΔX .

(1.8)

Уравнение (1.8) имеет практическое значение при диагностировании
судовых дизелей. Для различения действительного изменения технического
состояния ОД необходимо также оценить степень влияния входных
воздействий на выходные параметры.

Третьей основной задачей диагностирования является разработка
средств диагностики ОД. Основные диагностические параметры должны
быть доступны для измерения соответствующими средствами. Обычно это –
температура,

давление,

крутящий

момент,

расход

топлива,

состав

отработанного масла, параметры виброакустических процессов и др. .
Средствами

технического

диагностирования

являются

системы

(комплексы) связывающие компоненты алгоритмами и программами. С их
помощью

выполняют

операции

измерений,

обработки

данных

и

диагностирования. Средства технического диагностирования могут быть
ручными, полуавтоматическими и автоматическими. В состав этих средств
также входят: датчики, преобразователи (аналого-цифровые и цифроаналоговые), индикаторы, блоки оценки текущего состояния объекта, блоки
прогнозирования состояния и др..
Современные

средства

технического

диагностирования

(рис.

1.4.)

разработаны на основе электронных и компьютерно-информационных

технологий.

Д1
….

Дn

БСД

АЦП

БФДП

ИР

ПТХ

БРД

ПЭХ

БП

ИП

Программное обеспечение
Рис. 1.4. Блок-схема современных средств технического диагностирования.


- 21 -

На рисунке 1.4 обозначены: Д1-Дn – датчики; БСД - блок согласованности
данных; АЦП – многоканальный АЦП; БФДП- блок формирования
диагностических

признаков;

БРД-

блок

решения

диагностирования

(работоспособности, поиска дефектов); БП- блок прогнозирования; ПЭХ –
память эталонных характеристик; ПТХ- память текущих характеристик; ИД и
ИП – индикатор результатов диагностирования и прогнозирования.
Средства технического диагностирования могут быть переносными,
передвижными и стационарными. Стационарные средства чаще всего
используются на диагностических станциях, в испытательных и контрольных
центрах. Эти средства могут устанавливаться на судах. Передвижные
средства часто монтируются на мобильных транспортных средствах.
При

выборе

анализировать

средств

технического

критерий

полноты

диагностирования

или

глубины

необходимо

диагностирования,

соответствующий поставленной диагностической задаче.
После выбора средств диагностирования

необходимо оценить их

характеристики (объем, масса, безотказность, достоверность работы и др.).
Если какие – либо характеристики не соответствуют требуемым нормам, то
выполняют либо доработку выбранных средств, либо подбирают или
разрабатывают

другие

средства,

не

меняя

полученный

алгоритм

диагностирования. Если указанные меры не дают нужных результатов, то
уменьшают полноту обнаружения или глубину поиска возможных дефектов с
последующей

разработкой

нового

алгоритма

диагностирования

и

реализующих его средств.
Последней задачей диагностирования является исследование системы
диагностики в целом. Исследование системы диагностики в целом
выполняется определением ее эффективности. Оценка эффективности
системы диагностики может быть выполнена по вероятности правильной
оценки состояния ОД. Общую оценку экономической эффективности
применения

средств

диагностирования

проводят

по

годовому


- 22 -

экономическому эффекту с учетом изменяющихся условий затрат.
Опыт показывает, что комплексное использование средств технического
диагностирования дизелей на речном, морском, железнодорожном и
автомобильном транспорте весьма эффективно. При этом снижаются: расход
топлива на: 5 – 8 %; количество запасных частей на 10 – 15 %; затраты на
техническое обслуживание и ремонт на 10 – 20 %. Кроме того, безотказность
повышается на 5 – 20 % и увеличивается их межремонтные периоды на 20 –
30 %.
В заключение можно сделать вывод о том, что основные цели и задачи
диагностики судовых дизелей направлены на повышение безопасности и
эффективности технической эксплуатации судовых дизелей. Вопросы
эксплуатации судовых дизелей и их диагностики в настоящее время
необходимо решать на основе использования современных технологий
электроники и информатики.
Необходимо также отметить следующие моменты:
- новая структурно-диагностическая модель (рис.1.3) и ее критерий

(уравнение (1.2.)) может эффективно использоваться в комплексной
диагностике состояний судовых дизелей;
- построенная формальная модель (1.5) предназначена для разработки
алгоритмов выбора диагностических признаков по обобщенным сигналом
По(t). По этому вопросу до настоящего времени не было информации;
- для получения достоверной информации о текущем состоянии ОД
диагностические признаки должны быть инвариантными по отношению к
внешним условиям. Поэтому необходимо разработать алгоритмы для
фильтрации шума из измерительных сигналов и построить математическое
описание по (1.6) и (1.7). Вопрос фильтрации шума освещен во многих
литературных

источниках,

но

проблема

построения

функции

чувствительности диагностических признаков в зависимости от режимов
диагностики недостаточно разработана. В работе [13] вместо этих функций
применяются так названные «симплексные параметры», а в [38]- построены


- 23 -

инвариантные характеристики ОД;

- объект диагностики судовые дизели, большие по количеству деталей и
сложные

по

структуре.

Для

диагностики

необходимо

использовать

одновременно несколько методов и средств технической диагностики. Метод
комплексной диагностики играет важную роль и ему принадлежит первое
место в перечне использованных методов диагностики;
-

в

современных

использовать

новые

диагностирования

на

информатики (рис.1.4).

условиях

средства

автоматические
основе

диагностирования

комплексы

передовых

для

технологий

должны

контроля

и

электроники

и

- 23-

1. 2. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ДИАГНОСТИКИ
СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Причины изменения технического состояния судовых дизелей (СДВС) и
их деталей могут быть разнообразными и подразделяются на объективные и
субъективные. Субъективные факторы – это нарушение правил технической
эксплуатации

(непрерывного

наблюдения

и

регулирования

судовых

дизельных систем и агрегатов, выбора эксплуатационного режима, и
профилактических осмотров и ремонта). Объективные причины – изменение
состояния судовых дизелей в результате изменений технического состояния
деталей основных узлов и агрегатов. Процессы изменения технического
состояния являются естественными, однако их необходимо контролировать и
регулировать в определенных границах.
В СДВС нарушается сгорание рабочей смеси в цилиндрах по причине
уменьшения степени сжатия, некачественной подачи топлива в цилиндр и

смесеобразования, нарушения фаз газораспределения. В результате этих
некачественных рабочих процессов увеличивается расход масла на угар,
мощность механических потерь, уровень шума и вибрации.
В эксплуатации судовых дизелей по назначению и соответственному
требованию однотипные узлы и агрегаты необходимо регулировать, чтобы
процессы в цилиндрах были одинаковыми. Рабочие процессы в цилиндрах –
это результат синхронных действий, обеспечивающих частные процессы
основных узлов и агрегатов: подачи топлива и воздухоснабжения и
состояния камеры сгорания. Если один из частных компонентов имеет
низкое качество, то,

естественно, получается некачественный рабочий

процесс цилиндра и неравномерность рабочего процесса дизеля в целом.
Работоспособность

основных

узлов

и

агрегатов

определяет

работоспособность СДВС в целом. Следовательно, на первом месте стоит
метод

его

комплексной

диагностики.

Обобщенная

структурно-


- 24-

диагностическая схема для главных судовых дизельных двигателей после
преобразования модели рис. 1.3 имеет следующий вид (рис. 1.5).
На рис. 1.5 показана обобщенная структурно-диагностическая модель при
комплексной диагностике судовых дизелей в случае применения двух
турбокомпрессоров.
Рабочий процесс i-го цилиндра ПЦi(t) зависит от качества процессов
подачи топлива, воздухоснабжения и состояния камеры сгорания.
Первая особенность диагностики судовых дизелей – неравномерность
рабочих процессов цилиндров. Комплексная диагностика СДВС определяет
неравномерности работы цилиндров. В крайнем случае, своевременно
обнаруживается

отсутствие

сгорания

в

цилиндрах.

Осуществляется

анализом обобщенной структурно-диагностической модели (рис. 1.5).
Диагностические признаки могут быть характеристиками отдельных
рабочих процессов (первой группы) или характеристиками некоторых общих
сигналов (второй группы) поведения рабочего процесса дизеля в целом.
Диагностические признаки первой группы:
- характеристики индикаторной диаграммы: Pi, Pс, Pz, P 40o, = P/ ;
- температура выхлопных газов отдельных цилиндров t газ;
- температура охлаждающей воды на выходе из каждого цилиндра.
Диагностические признаки второй группы: неустойчивость частоты
вращения коленчатого вала, текущая частота вращения коленчатого вала,
общий

текущий

измеренные

на

вращающий
его

корпусе,

момент

дизеля,

продольные

вибрации

колебания

двигателя,

валопровода,

акустические сигналы на определенном удалении от дизеля.
В СДВС равномерность работы каждого цилиндра контролируется и
регулируется по показателям различий следующих параметров: частоты
вращения коленчатого вала  %; давления сжатия Pc %; максимального
давления сгорания Pz %; среднего индикаторного давления Pi %;
температуры отработанных газов tгаз. %.
Степень

неравномерности

частоты

вращения

коленчатого

вала

- 25-

определяется формулой (1.2). Рекомендуемые стойкости неравномерности
частоты вращения коленчатого вала для различных судовых дизелей [18]: для
главных дизелей –  % = 2,5 – 5; для дизель-генераторов постоянного тока –
% = 0,66 – 1; для дизель-генераторов переменного тока –  % = 0,33 – 2.

ВО1
КС1
ТА1
…
КСk
ТА k
…
Z/2
КСk+1
ТАk+1
…
КСZ
ТАZ

S 11

TF1

П k(t)

TFk

…

S k+1,1
П Ц k+1
S k+1,2

X2

…
ПЦk

S k,2

МС

X1

П 1(t)

ПЦ1
S 12
S k,1

ВОХ

П k+1
TFk+1

…

S Z,1

ПЦZ

Пz

S Z,2

TFz

Показатель качества
работы объекта:
- работоспособность
- уровень разбаланса

ВО2

П o(t)

Рис. 1.5. Обобщенная структурно-функциональная модель комплексной
диагностики судовых дизелей, использующая две подсистемы
воздухоснабжения (турбокомпрессор, охладитель, ресивер).
КСi – камера сгорания (i = 1,2,…,z); ТАi – топливная аппаратура
(i = 1,2,…,z);
ВОi – воздухооснабжение (i = 1,2); ВОХ – водоохладительная система;
МС – масляная система; X1, X 2 – вектор диагностических параметров
водоохладительной системы и масляной системы;
П 1(t),…, П z (t) – диагностические сигналы процесса каждого цилиндра;
П o(t) – диагностические сигналы общего судного дизеля.
TFi(t) – трансформируемые функции (i =1,2,…,z).