Автоматический контроль и диагностика судовых дизелей

---------------------------------------—-------   УДК 629.12.056(091)

   Автоматический контроль и диагностика судовых дизелей. Справочное пособие /сост. д-р техн, наук, профессор К.Ю. Федоровский,- Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2006.- 56 с.

   В справочном пособии рассмотрены современные системы контроля и диагностики судовых дизелей, базирующиеся на использовании компьютерных технологий.
   Пособие предназначено для специалистов, занимающихся эксплуатацией и проектированием судовых энергетических установок.




   Справочное пособие рассмотрено и одобрено на Совете Центра подготовки и аттестации плавсостава СевНТУ, протокол № 8 от 11.11.2005 г.

   Допущено Учебно-методическим центром СевНТУ в качестве курса лекций.

   Рецензент: Гоголев Г.В., доцент кафедры Эксплуатации морских судов и сооружений СевНТУ, канд. техн. наук.

СОДЕРЖАНИЕ




1.  Общие понятия............................................ 4
2.   Методы и средства технической диагностики............... 5
3.   Особенности технической диагностики судовых дизелей... И
4.   Системы диагностирования дизелей СДД................... 15
4.1  Система СДД-4.......................................... 15
4.2  Система СДД-5.......................................... 16
5.   Системы технической диагностики ’’Дизель-мастер” (ДМ).  19
5.1. Система ДМ-2000........................................ 19
5.2. Система ДМ-1000с....................................... 22
6.   Система контроля и диагностики NK 100 (Аутроника).....  25
7.   Система контроля и диагностики "Ритм-дизель М”......... 32
8.   Система контроля и диагностики DII-7................... 34
8.1. Описание системы и технические характеристики.......... 34
8.2. Режимы работы системы.................................. 39
8.3. Анализ информации в офисе.............................. 46
9.   Системы DEPAS.......................................... 51
9.1. Система DEPAS 2.34sp..................................  51
9.2. Система DEPAS 3.1 Handy................................ 52
9.3. Система DEPAS SC 1.6..................................  53
10.  Автоматизированная система диагностики АСД-ЦАТИ.......   54
    Библиографический список................................ 56

1. ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ




     Использование средств технической диагностики (СТД) дизелей направлено на увеличение ресурсных характеристик дизелей и продление межремонтного периода их эксплуатации.
     Технико-экономическая эффективность СТД дизелей обуславливается:
      -  снижением затрат на техническое обслуживание благодаря уменьшению числа разборок и вскрытий дизелей при переходе от планово-технических норм обслуживания и ремонта к обслуживанию и ремонту их по фактическому состоянию;
      -  снижением затрат на ремонт за счет выявления потенциальных отказов на ранней стадии их возникновения;
      -  сокращением расхода топлива путем своевременного обнаружения разрегулировки топливной аппаратуры.
     Анализ эксплуатационных качеств элементов судовых энергетических установок судов показывает, что наибольшие эксплуатационные потери связаны с отказами дизель-редукторных агрегатов и дизелей. При этом 70-90% всех отказов приходится на главные дизели и 3-18% - на вспомогательные дизели. Отказы главных редукторов и разобщительных муфт составляют до 5% полного числа отказов элементов судовой энергетической установки СЭУ.
     Наиболее частые отказы дизелей связаны с системой топливоподачи (форсунки и ТНВД); клапанами газораспределения; рамовыми и мотылевыми подшипниками; нарушением уплотнений цилиндровой втулки с блоком и крышкой цилиндра; кавитационно-коррозионными разрушениями и трещинами опорных буртов втулок.
     Комплекс методик и средств для оценки конкретных видов повреждений называется методом технической диагностики.
     Например, может быть разработан метод оценки зазора между втулкой и поршнем дизеля по уровню ударных импульсов, замеряемых на корпусе машины. Очевидно, в этом случае необходимо указать марку виброизмери-тельного прибора и всех его элементов (датчик, тип провода и т.д.), точное место установки датчика, режим работы двигателя во время измерений, критерии предельного состояния, порядок измерений и др. При этом следует иметь ввиду, что все эти данные будут относиться только к конкретному типу двигателя.

2.    МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ




     В зависимости от задач и области применения, методы и средства технической диагностики можно классифицировать по разным признакам.
     С точки зрения области применения СТД можно подразделить на штатные и специальные.
     Штатные СТД в основном предназначены для функциональной диагностики, т.е. для обычного текущего контроля технического состояния. К штатным СТД относятся все инструменты, приборы и системы контроля технического состояния, которые входят в состав имущества судна и находятся на его балансе: термометры, манометры, расходомеры, микрометрический мерительный инструмент, индикаторы, амперметры, вольтметры и др. Однако при наличии соответствующих методик, разработанных на основании специальных исследований, они могут использоваться и для технической диагностики. Например, о динамике загрязнения топливных фильтров можно судить по изменению перепада давления топлива до и после фильтра.
     В зависимости от степени автоматизации судна штатные СТД могут оснащаться системами сигнализации и дистанционного наблюдения за диагностическими параметрами.
     К специальным относятся СТД, которые периодически используются специалистами диагностических служб для уточнения работ по ремонту, проверки качества ремонта или определения причин выхода из строя СТС. Специальные средства диагностики, как правило, не входят в имущество конкретного судна, а предназначены для работы на всех судах управления флота.

К таким средствам можно отнести специальную виброизмерительную ап паразуру, приборы для записи крутильных колебаний, пневмоиндикаторы для контроля герметичности цилиндров ДВС, уникальные инструменты, средства неразрушающей дефектации и т.п.
     По назначению СТД подразделяются на универсальные и специализированные.
     Универсальные СТД предназначены для измерения определенных физических величин и параметров на любых объектах без учета их особенностей.
     К таким приборам относятся все известные средства для измерения электрического тока и магнитного поля, температуры, давления и др. В эту группу входят и приборы для измерения и спектрального анализа вибрации и шума, средства дефектации и т.п.
     Специализированные средства создаются для диагностики конкретных элементов машин. Например, имеются специальные приборы для контроля состояния только подшипников качения или герметичности цилиндров ДВС.

Как правило, специализированные средства имеют в своей конструкции универсальные средства (манометры, амперметры и т.д.).
     Следует отметить, что универсальные средства могут переходить в разряд специализированных, если они используются в качестве штатных приборов, встроенных в дизель для контроля конкретных параметров, например, температуры выхлопных газов с помощью термометров, давления наддува дизеля с помощью манометров, расхода топлива или пара с помощью расходомера и т.д.
     Универсальные средства могут также рассматриваться как специализированные, если они используются для оценки развития конкретных видов повреждения на конкретных объектах по стандартизированной методике.
     С точки зрения мобильности СТД можно подразделить на встроенные и переносные.
     Специальные СТД, как правило, переносные, а штатные могут быть как переносными, так и встроенными.
     По видам диагностирования методы и средства диагностирования подразделяются на функциональные и тестовые.
     Функциональные методы заключаются в измерении сигналов, возникающих при работе дизеля. При тестовом методе диагностирующий сигнал образуется как отражение внешнего воздействия от диагностического средства.
     По принципу действия и назначению датчиков, методы и СТД можно условно разделить на следующие группы:
      - параметрический метод;
      - инструментальный метод;
      - метод диагностирования по герметичности замкнутых полостей;
      - виброакустические методы;
      - электрические и электромагнитные методы;
      - теплоизмерительные методы;
      - метода оценки износа по содержанию металла в масле и выхлопных газах;
      - метода неразрушающего контроля деталей и материалов (дефектации);
      - прочие методы.
     В самом общем случае любое СТД состоит из следующих элементов (блоков):
      - источник воздействия (при тестовом методе), датчик, каналы связи;
      - усилитель и преобразователь сигнала;
      - блоки измерения, расшифровки и регистрации (записи) диагностического параметра;
      - блок накопления и обработки информации, при этом у современной аппаратуры блоки измерения, расшифровки, регистрации, накопления и обработки информации создаются на базе видео и мик

ропроцессорной техники, совместимой с персональным компьютером.
     В простейших случаях часть из указанных элементов может отсутствовать. В большинстве современных измерительных системах могут быть все указанные элементы.

Характеристика методов технической диагностики

     Параметрический метод технической диагностики заключается в периодическом или непрерывном наблюдении за рабочими параметрами дизеля с помощью штатных СТД, в сравнении их с допустимыми величинами и принятии решений по выполнению регулировочных или ремонтных операций. Оценку технического состояния дизеля в этом случае проводят как по частным, так и по обобщенным показателям.
     Частные показатели оцениваются по соответствующим штатным приборам.
     К обобщенным показателям относятся выходные показатели назначения дизеля, такие как мощность, удельный расход топлива и т.п.
     Как частные, так и обобщенные показатели не могут указывать на причину их изменения без дополнительных исследований других диагностических параметров. Так, повышение эксплуатационной мощности главного двигателя по сравнению с номинальной может произойти из-за обрастания корпуса, повреждения гребного винта, разрегулировки рабочих органов двигателя и других причин.
     Таким образом, параметрический метод не следует рассматривать в качестве основного для технической диагностики и он должен использоваться только в сочетании с другими методами.
     Инструментальный метод технической диагностики заключается в оценке технического состояния деталей и узлов с помощью универсальных или специализированных мерительных инструментов, как правило, на неработающем или частично разобранном дизеле.
     Этим методом, прежде всего, оценивают зазоры в подшипниках с помощью щупов или индикаторных головок путем перемещения сопряженных деталей. В частности, так определяют раскепы коленчатых валов, т.е. изменение расстояний между щеками при его повороте вокруг оси, характеризующие качество укладки вала в постелях подшипников.
     При инструментальных методах часто используются оптические приборы - эндоскопы, предназначенные для осмотра внутренних полостей без разборки для обнаружения повреждений и отложений, например у втулок, поршней и клапанов дизелей.
     Метод диагностирования по герметичности замкнутых полостей широко применяется при опрессовке сосудов и деталей, работающих под давлением. В качестве рабочей среды могут использоваться воздух, газы и жидкие вещества (вода, масло и др.). Суть метода состоит в контроле утечек

из исследуемых полостей рабочей среды, которая нагнетается гуда под определенным давлением.
     Контроль утечек может выполняться разными методами с применением универсальных или специальных СТД. Один из них заключается в контроле скорости падения давления с помощью манометра, другой - с изменением окраски смоченной в фенолфталеине ленты под воздействием аммиака, проникающего через неплотности и щели.
     Для дефектации некоторых систем, в том числе и неработающих, применяются течеискатели. Имеются течеискатели, основанные на измерении ультразвука, возникающего при протекании рабочей среды через неплотность.
     Метод диагностики по герметичности замкнутых полостей положен в основу специализированных приборов - пневмоиндикаторов, позволяющих качественно оценить техническое состояние цилиндропоршневой группы по трем уровням - плохо, удовлетворительно и хорошо, но без определения причин снижения компрессии и прогнозирования остаточного ресурса.
     Виброакустические методы технической диагностики охватывают широкую область использования средств измерения низкочастотных и высокочастотных колебаний дизеля и их элементов, возникающих при их работе или работе других машин и механизмов судна.
     Средства для измерения колебаний можно условно разделить на четыре группы:
      -  приборы сейсмического типа для записи низкочастотных колебаний;
      -  приборы энергетического типа для измерения и записи высокочастотных колебаний;
      -  дефектоскопы, т.е. приборы - для оценки дефектов с помощью ультразвука;
      -  приборы для измерения знакопеременных деформаций тензометрического типа.
     Принцип действия приборов сейсмического типа основан на измерении перемещения относительно друг друга легкой и массивной частей, связанных между собой высокоподатливой пружиной.
     При этом массивная часть (масса в вибрографе и маховик в торсиогра-фе) при измерении остается практически неподвижной благодаря высокой инерционности, а легкая часть совершает колебания вместе с поверхностью обследуемого объекта.
     К средствам измерения колебаний относятся торсиографы, виброметры и вибрографы, приборы ударных импульсов, шумомеры с комплектом датчиков и фильтров, а также универсальная аппаратура для тензометрирования деталей машин, комплектуемая из датчиков - тензорезисторов, усилителей, осциллографов и другой аппаратуры.

, 9

     Торсиографы предназначены для записи тангенциальных (крутильных) колебаний вращающихся масс (например, валов и маховиков) вокруг своей оси.
     Вибрографы записывают вибрацию, т.е. линейные механические колебания (перемещения) точек поверхности дизеля и его оборудования в вертикальном и горизонтальном направлениях.
     Следует отметить, что наиболее объективные результаты измерения вибрации можно получить лишь на специально оборудованных мягкими подвесками стендах. Поэтому вибрационная диагностика может быть только сравнительной и заключаться в периодическом наблюдении за изменением вибрационных параметров.
     В основе технической диагностики описанными выше универсальными приборами лежит сравнение спектрограмм с эталонной виброграммой, записанной на полностью исправном дизеле по специально разработанной методике для каждого конкретного случая.
     Методы оценки износа по содержанию металла в масле и выхлопных газах предназначены в основном для интегрального диагностирования технического состояния цилиндропоршневой группы и подшипников двигателей внутреннего сгорания.
     Сущность метода заключается в том, что продукты износа этих деталей в виде мелких частиц попадают в масло или выхлопные газы, количество которых и определяет техническое состояние оборудования.
     Контроль продуктов износа в смазочном масле можно осуществлять различными способами:
      -  спектральным анализом осадка в пробе масла;
      -  методом радиоактивных изотопов; вихревым индикатором.
     Метод спектрального анализа позволяет определять величину абсолютного износа сопрягаемых деталей и скорость их изнашивания. Сущность метода базируется на эмиссионной спектроскопии с помощью:
      -  кварцевого спектрографа для фотографирования спектров;
      -  генератора для получения дуги переменного тока;
      -  спектропроектора для расшифровки спектрограмм;
      -  микрофотометра для фотометрирования спектральных линий исследуемых элементов.
     Метод радиоактивных изотопов основан на повышении количества радиоактивного изотопа в масле из-за изнашивания активированных деталей. Активация деталей может осуществляться:
      -  введением радиоактивного изотопа при их отливке;
      -  облучением деталей нейтронами в атомном реакторе;
      -  нанесением на поверхность детали радиоактивного электролитического покрытия;
      -  введением вставок - свидетелей.

Метод вставок получил наибольшее распространение. Вставки изготавливаются из проволоки, состоящей из кобальта (44%), никеля (54%), углерода, магния и фосфора. Проволока облучается нейтронами в атомном реакторе, что создает радиоактивный изотоп с атомной массой 60.
     Радиоактивность измеряют счетчиками Гейгера-Мюллера или сцинтилляционными счетчиками.
     Более перспективным методом оценки продуктов износа в масле является применение специальных вихревых (электромагнитных) индикаторов. В вихревом индикаторе используются высокочастотные колебания тока, которые подаются на измерительный мост, в одно из плеч которого введена катушка индуктивности, а в другие - элементы настройки по модулю и по фазе. С их помощью мост балансируется, и сигнал с его выхода на измерительный прибор не поступает.
     При введении в полость катушки индуктивности пробы масла с частицами металла мост разбалансируется и сигнал дисбаланса после усиления поступает на измерительный прибор. Такой индикатор позволяет оценивать из-носы втулок, колец и поршней, но его чувствительность недостаточна для оценки низких скоростей изнашивания (коленчатого вала и др.).
     Продукты износа цилиндровых втулок и поршневых колец попадают не только в масло, но и в выхлопные газы. При этом на номинальной частоте вращения доля частиц износа в выпускных газах составляет до 2/3 общего износа (1/3 попадает в масло). Комплексный анализ выпускных газов заключается в следующем:
      -  пробу выпускных газов охлаждают и образовавшийся при этом конденсат собирают в сосуд;
      -  по кислотности конденсата и содержанию в нем частиц железа можно судить о скорости изнашивания колец и втулок.

3. ОСОБЕННОСТИ ТЕХНИЧЕСКОЙ ДИАГНОСТИКИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ




     Судовые двигатели внутреннего сгорания (СДВС) состоят из многочисленных деталей и узлов, подверженных различным видам повреждений, для оценки степени развития которых (без разборки машины) требуются спе циальные средства и методы технической диагностики. При этом надо иметь ввиду, что не все виды повреждений могут быть обнаружены современными средствами (например, трещина под буртом цилиндровой втулки).
     Диагностированию в основном доступны повреждения износового вида, развитие которых сопровождается изменением рабочих параметров машин или каких-либо физических полей (электрических, магнитных, акустических, тепловых и т.п.) и параметров (герметичности, зазоров и др.).
     Состояние поршневых колец и клапанов целесообразно контролировать с помощью простого и недорогого пневмоиндикатора. Для контроля технического состояния подшипников и разбалансировки ротора можно использовать виброакустические методы и приборы ударного импульса. Кроме того виброакустические приборы можно использовать и для оценки технического состояния топливной аппаратуры. Исследования показали, что путем обработки спектрограмм вибрации корпуса форсунки и топливного насоса удается контролировать ход иглы форсунки, удар клапана топливного насоса и изменение давления впрыска топлива.
     Загрязнение газовоздушного тракта приводит к снижению степени повышения давления компрессора, что отражается на всех параметрах работы турбокомпрессора и тепловом состоянии. Отсюда следуют методы технической диагностики этого агрегата, в число которых входят инструментальные, теплоизмерительные и параметрические методы.
     При функциональной диагностике СДВС в целом во время нормальной эксплуатации судовыми механиками по штатным приборам контролируются все теплотехнические параметры, включая температуру выхлопных газов по цилиндрам с помощью встроенных термометров и работу газов в цилиндрах с помощью индикаторов типа "Майгак" или максиметров. Поддержание этих параметров в требуемых пределах осуществляется в основном за счет регулировки или обслуживания топливной аппаратуры (чистка форсунок, регулировка угла опережения подачи топлива и др.).
     Для более точной оценки качества рабочего процесса в цилиндрах путем анализа индикаторных диаграмм промышленность выпускает специальные приборы, включающие в себя пьезоэлектрические датчики давления и вычислительные блоки.
     Отечественные и зарубежные фирмы предлагают современные системы диагностирования судовых дизелей, которые наряду с оценкой теплотехнических параметров осуществляют контроль износа втулок и состояния поршневых колец, температуры деталей цилиндропоршневой группы, со