Метод обработки результатов экспериментального исследования виброактивности судовых дизелей, вызванной работой цилиндропоршневой группы
Текущее состояние. Определение дефектов по вибрационным параметрам является одним из наиболее перспективных направлений диагностирования в процессе эксплуатации двигателей внутреннего сгорания возвратно-поступательного действия, к числу которых относятся судовые дизели. Однако анализ результатов вибродиагностирования требует использования адекватных математических моделей, способных отразить всю сложность вибрационных процессов.
Анализ работ, связанных с построением математических моделей для исследования вибрации, показал, что большинство исследований основывается на результатах использования теорий дифференциальных уравнений, планирования эксперимента и методов статистической обработки информации. При этом, для получения результатов решения задач требуется знать значения исходных параметров, которые невозможно определить заранее теоретическими методами.
В ряде случаев при моделировании работы сложных объектов или процессов могут быть эффективно применены методы теории подобия и анализа размерностей. Для того, чтобы полученная модель была адекватной и информативной, необходимо установить величины (факторы), существенно влияющие на исследуемый процесс.
Представленные в данной работе результаты исследования направлены на развитие математических и инструментальных средств неразрушающего контроля текущего состояния и прогнозирования состояния судового дизеля в процессе его эксплуатации по вибрационным характеристикам, вызванным, прежде всего, работой цилиндропоршневой группы.
Решаемая научная проблема. Для построения модели, позволяющей рассчитывать, проводить анализ и прогнозировать техническое состояние деталей и узлов судового дизеля, в частности, цилиндропоршневой группы, необходимо определить наиболее значимые факторы. Для выявления степени влияния факторов на виброакустический сигнал и отбора из них наиболее существенных проводится ранжирование факторов.
Одним из рандомизированных экспериментальных инструментов ранжирования факторов является метод случайного баланса, обеспечивающий сбалансированность схемы в отношении различных факторов, которые влияют на результат. Указанный баланс помогает минимизировать влияние переменных, которые могут привести к смещенным оценкам эффектов влияния.
Применительно к судовым дизелям метод случайного баланса может быть использован для изучения влияния различных факторов на его работу, таких как тип топлива, степень сжатия, момент зажигания, соотношение воздух-топливо и др. Он представляет собой мощный инструмент для исследования сложных процессов, протекающих в судовых дизелях. Его использование позволяет минимизировать влияние переменных и максимизировать точность оценок, что приводит к более точным и информативным выводам.
Рассмотренный в работе метод планирования эксперимента, основанный на использовании метода случайного баланса, позволил сократить объем проведения экспериментальных исследований и обеспечил принятие наиболее обоснованных решений по минимизации степени влияния различных факторов на виброактивность судового дизеля.
Методы исследования. Исследование представляет собой совокупность следующих последовательно выполненных укрупненных этапов.
1. Анализ конструктивных и эксплуатационных характеристик цилиндропоршневой группы, влияющих на величину ударного импульса при перекладке поршня.
2. Ранжирование факторов на основе результатов опроса экспертов.
3. Уточнение степени влияния факторов при помощи методов теории планирования эксперимента и установление наиболее значимых показателей для вибродиагностики работы цилиндропоршневой группы судового дизеля.
4. Формирование ранжированной совокупности факторов, определяющих виброактивность судового дизеля, вызванную работой цилиндропоршневой группы.
Для решения задачи в работе использован методы теории планирования эксперимента, основанные на использовании метода случайного баланса.
Детали исследования. В таблице 1 представлены наиболее значимые параметры, влияющие на вибрацию судового дизеля.
Таблица 1. Наиболее значимые параметры, влияющие на вибрацию судового дизеля
Обозначение фактора | Наименование параметра | Вес параметра | Уровни варьирования факторов | |
нижний (-1) | верхний (+1) | |||
x1 | Величина зазора между втулкой и поршнем (f1) | 0.1821 | предельный | монтажный |
x2 | Величина протечек воздуха: в клапанах, поршневых кольцах, прокладке под головкой блока цилиндров (f2) | 0.0889 | протечки максимальные (износы предельные) | протечки минимальные (соответствие новому двигателю) |
x3 | Материал поршня (f3) | 0.0880 | алюминий | чугун |
x4 | Фиксированный угол поворота коленчатого вала (f4) | 0.0744 | 110 | 90 |
x5 | Величина давления сжатого воздуха, подаваемого в цилиндр (f5) | 0.1094 | 7 | 5 |
x6 | Степень разрежения в цилиндре (f6) | 0.0598 | 1.0 | 0.5 |
x7 | Подвижность поршневых колец (f7) | 0.0970 | закоксованные | подвижные |
x8 | Упругость поршневых колец (f8) | 0.0526 | больше допустимой величины | меньше допустимой величины |
Из полученных результатов следует, что наибольшее влияние на исследуемый процесс оказывает: на первом месте - величина зазора между поршнем и зеркалом втулки цилиндра, на втором - величина давления сжатого воздуха, подаваемого в цилиндр, и на третьем месте - подвижность поршневых колец.
По результатам вычислений построена диаграмма эффектов, показанная на рисунке 1, которая даёт наглядное представление о степени влияния каждого фактора и позволяет отметить три наиболее значимых из них: x4, x7 и x1.
Рисунок 1 – Диаграмма эффектов, выделенных методом случайного баланса, при изучении влияния различных факторов на величину виброакустического сигнала
В качестве наиболее сильно влияющих на вибрацию судового дизеля факторов выбраны: фиксированный угол поворота коленчатого вала (с увеличением угла изменяется нормальная сила, за счёт действия которой происходит перекладка поршня), подвижность поршневых колец и величина зазора между втулкой и поршнем.
С увеличением угла поворота коленчатого вала изменяется нормальная сила, за счёт действия которой происходит перекладка поршня, однако данный фактор не связан с износом цилиндропоршневой группы. Подвижность поршневых колец зависит от разных их свойств, среди которых на первом месте находится их закоксованность, свойство, которое напрямую влияет на процесс соударения поршня и втулки цилиндра. В настоящее время существуют методики расчёта и технические решения по материалу и форме колец. Из всех рассмотренных параметров установление значения и диагностика фактора: величины зазора между зеркалом втулки и тронком поршня на работающем двигателе являются наиболее проблематичными и требуют дополнительного исследования.
На основе применения методов теории подобия и анализа размерностей получено уравнение, позволяющее установить аналитическую зависимость величины зазора от интенсивности как механического, так и газодинамического воздействия на детали остова:
(1)
где
Обозначения, принятые в уравнении (1), приведены в табл. 2.
Таблица 2. Расшифровка обозначений, принятых в уравнении (1)
№ | Обозначение | Название |
1 |
| величина зазора между тронком поршня и зеркалом втулки цилиндра, |
2 |
| жесткость блока цилиндров, |
3 |
| жёсткость втулки, |
4 |
| максимальное значение боковой силы, |
5 |
| максимальное давление цикла, |
6 |
| ход поршня, |
7 |
| диаметр цилиндра, |
8 |
| угловая частота, |
9 |
| виброскорость, замеренная на лапах двигателя, |
10 | h | толщина втулки, |
11 | ρ | плотность материала, |
12 | n | частота вращения коленчатого вала |
13 | C, n,m,r,l,k,c | неизвестные коэффициенты, зависящие от конструктивных особенностей судового дизеля и демпфирующих свойств его материалов |
Для определения семи неизвестных коэффициентов приведённого выше уравнения (1) целесообразно использовать метод наименьших квадратов.
На рисунке 2 представлены результаты расчета зазора между втулкой и поршнем двенадцати исследуемых дизелей, основные характеристики которых приведены в таблице 3. Для расчёта использованы данные, приведенные в руководящем техническом материале (РТМ 212.0060-76).
Рисунок 2 – Расчетные и экспериментальные значения зазора между зеркалом втулки цилиндра и поршнем дизелей, м: ряд 1 - расчётное значение зазора (средняя частота октавных полос 500 Гц), ряд 2 – среднее значение реального зазора
Таблица 3 – Основные характеристики исследуемых дизелей
№ п/п | Марка | Nе, кВт | n, мин–1 |
1 | 8NVD36/45 | 662 | 375 |
2 | 8NVD36 | 220 | 360 |
3 | 8NVD36А | 309 | 375 |
4 | 8NVD48А | 736 | 375 |
5 | 8NVD48 | 493 | 350 |
6 | 6NVD48АИ | 486 | 330 |
7 | 6NVD48 | 368 | 350 |
8 | 6L275Rr | 276 | 500 |
9 | 6ЧСПH 15/18(3Д6Н) | 110,4 | 1000 |
10 | 6ЧHСП 18/22 | 165,6 | 750 |
11 | 6ЧСПН 18/22 | 110 | 750 |
12 | 6 NVD26 | 132.4 | 750 |
Примечание. Nе – эффективная мощность, кВт; n – номинальная частота вращения коленчатого вала, мин–1 | |||
Из результатов видно, что разброс величины зазора относительно среднего значения не превышает 7%.
Заключение. Анализ факторов, влияющих на вибрацию судового дизеля, вызванную работой цилиндропоршневой группы, позволил определить наиболее значимые параметры его виброактивности. На основе применения экспертных методов осуществлено априорное ранжирование факторов, оказывающих влияние на уровень вибрации судового дизеля. Это позволило выделить 8 наиболее существенных факторов из 14 исследуемых.
Результаты натурного эксперимента с использованием методов теории планирования эксперимента (в частности, метода случайного баланса) подтвердили результаты ранжирования по трём наиболее значимым факторам. Предложенный подход позволяет существенно сократить объем экспериментальных исследований и установить характер и параметры связи виброактивности судового дизеля с процессами, протекающими в его цилиндропоршневой группе.
На основе применения двух разных (экспертных и математических) подходов установлено, что величина зазора между зеркалом втулки цилиндра и тронком поршня является одним из наиболее значимых факторов, определяющих уровень вибрации судового дизеля.
Предлагаемая в работе математическая зависимость (1) позволяет по измеренному уровню виброскорости определять величину диаметрального зазора между втулкой цилиндра и тронком поршня, рассчитывать текущую скорость изнашивания деталей цилиндропоршневой группы, более обоснованно выбирать периодичность технических обслуживаний и ремонтов судовых дизелей.
На основе результатов проведённого исследования можно сделать следующие выводы.
1. Применение методов теории планирования эксперимента, теории подобия и анализа размерностей с использованием натурных экспериментальных данных позволяет расчетным путем определять и уточнять взаимосвязь между параметрами вибрации и техническим состоянием цилиндропоршневой группы судового дизеля.
2. Величина зазора между зеркалом втулки цилиндра и тронком поршня является одним из наиболее значимых факторов, влияющих на уровень вибрации судового дизеля, вызванной работой цилиндропоршневой группы.
3. Измерение уровня вибрации на лапах судового дизеля и использование уравнения (1) для вычисления зазора между втулкой цилиндра и тронком поршня позволяет определять его текущие значения и прогнозировать изменение величины зазора в таком сложном трибосопряжении, как цилиндропоршневая группа.
4. Практическое внедрение результатов проведенного исследования требует более детальных исходных данных по параметрам взаимодействия поршня и втулки цилиндра конкретного судового дизеля.