Метод определения эффективной мощности судового двигателя путем измерения усилий в узлах крепления

Протяжённость водных путей с гарантированными габаритами в российской Федерации на 66% больше, чем в самой экономически богатой стране мира — Соединённых Штатах Америки. Сравнение с другими, промыш-ленно развитыми странами, просто бессмысленно из-за несопоставимости показателей.

Ещё каких-нибудь десять лет назад, наша страна обладала самым крупным в мире флотом судов внутреннего и смешанного плавания, который обеспечивал перевозку почти шестисот миллионов тонн в год всевозможных народно — хозяйственных грузов. Кроме того, речным транспортом, в упоминаемый период, перевозилось свыше 140 миллионов пассажиров в год, что на порядок выше аналогичных показателей любой другой страны мира.

Несмотря на огромное сокращение за постсоветский период экономических показателей, флот внутреннего и смешанного плавания Российской Федерации, насчитывающий около 30 тысяч судов, продолжает играть очень важную роль в транспортном обеспечении нашей страны. По состоянию на конец 2002 г. эту перевозочную деятельность осуществляют более 1700 субъектов [20].

В связи с. рядом объективных и субъективных причин, характерной особенностью внутреннего флота Российской Федерации является его прогрессирующие старение (средний возраст самоходных судов — более двадцати лет), что, естественно, приводит к росту отказов и аварий на судах речного флота [35].

Статистические данные Российского Речного Регистра (канд. тех. наук В.П.Лобастов) показывают (рис. 1), что наибольший процент отказов, до 80%, приходится на главные двигатели. В этой связи, актуальность исследований, связанных с улучшением обслуживания судовых энергетических установок (СЭУ) не нуждается в дополнительном обосновании.

В составе современных СЭУ произошли существенные изменения, связанные, главным образом, с повышением экономичности, надёжности, снижением затрат на обслуживание и ремонт их главных дизелей. Коэффициенты полезного действия СЭУ с двигателями внутреннего сгорания приблизились к очень высоким показателям — 50% отметке, а наработка до первой переборки достигла 25 тысяч часов и, даже, более того [82].

В последнее время повышение эффективности СЭУ стало одной из первостепенных технических проблем. В соответствии с ГОСТ 25 866–83 [5] под термином «эксплуатация» в технике понимают стадию жизненного цикла технического изделия, во время которого реализуются, поддерживаются и восстанавливаются его качества. В соответствии с этим эксплуатация СЭУэто совокупность работ, выполняемых в процессе подготовки к действию всех элементов СЭУ, использование их с наибольшей эффективностью.

Основные задачи эксплуатации СЭУ определяются следующим образом: содержание всех элементов СЭУ в исправном техническом состоянииувеличение рабочего периода судна за счёт сокращения простоев по техническим причинамобеспечение надёжности и долговечности всех элементов СЭУрациональное использование сменно-запасных частей и расходных материалов — топлив и смазочных маселсвоевременное выполнение ремонтов, с целью восстановления нормативных технико-экономических показателей СЭУконтроль, регулирование и выбор оптимальных вариантов и режимов работы всех механизмов.

50,0.

Грузовой теплоход пр. 507Б со среднеоборотными дизелями.

50,0.

Танкер пр. 1577 со среднеоборотными дизелями.

45,0 И и llti.

ЛИ ¦ р

25,0.

13,0.

11,0.

8,0.

3,0 4,0 3,0 3,0.

100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0.

Толкач пр. 911Б с дизелями повышеннойоборотности.

79,0.

Я 1 Р щр шИ 1.

10,0 9,0 10,0.

2,0 3,0 2,0.

1−1.

100,0 90,0 80,0 70,0 60,0 50,0 40,0 30,0 20,0 10,0 0,0.

Пассажирский т/х пр. 946 с высокооборотными дизелями.

90,0.

Чй.

1|.

ШР ш I Ш I.

111 «Шш.

9,0.

3,0.

2,0 3,0 ESSSSSl.

4,0.

И Главные двигатели В Автоматика? Насосы.

Дизель-генераторы g Трубопроводы.

Валопроводы.

Н Вспомогательные котлы ED Компрессоры В Утилизационные котлы.

Рис. 1 Диаграмма распределения отказов по основным элементам судовых энергетических установок (данные Российского Речного Регистра).

От выбранного режима работы зависят экономичность, надёжность, ресурс и безаварийная работа двигателя. Именно качественное использование дизелей является одним из первых звеньев в цепи факторов, обеспечивающих минимальные затраты на обслуживание, ремонт и потери ходового времени. Спектр режимов эксплуатации даже одной серии двигателей на судах одного типа может быть самым разнообразным. Тем более это касается разных типов судов. Например, для главных двигателей транспортных судов характерна работа на полном ходу в среднем, в течение 90−92% ходового времени, на среднем ходу — в течение 4−5%, на малом ходу — 2%, кроме того, 2% времени расходуется на маневрирование [44].

Не нуждается в доказательствах тот факт, что спектр режимов работы речных судов отличается от приведённых данных. Причина этому — более частая смена режимов работы двигателя из-за особенностей судового хода на внутренних водных путях, обусловленного, помимо всего прочего, наличием большого количества шлюзов.

Исходя из вышеперечисленного, можно определить пути повышения эффективности эксплуатации СЭУ. В этом отношении, важным направлением для целей повышения эффективности судового двигателя внутреннего сгорания (СДВС) является снижение эксплутационных расходов при сохранении стандарта безопасности. Снижение эксплутационных расходов целесообразно рассматривать по двум направлениямувеличение межремонтных периодов и выбор оптимальных режимов СДВС [82].

Возникающие, в связи с этими направлениями, задачи невозможно решить без широкого использования современных методов и средств диагностирования. Развитию этих методов и средств посвятили свои труды такие учёные как JT.B. Тузов, O.K. Безюков, Б. В. Васильев, Д. В. Гаскаров, Е. Н. Климов, В. В. Сахаров, Д. А. Кофман, С. М. Ханин, С. Г. Эренбург (СПГУВК), И. А. Биргер (ЦИАМ), В. А. Аллилуев, Н. С. Ждановский, А. В. Николаенко, Б. А. Улитовский, В. М. Михлин (СПГАУ), В. А. Шишкин (Институт проблем транспорта РАН), О. Н. Лебедев (НГАВТ), Л. Л. Грицай (ЦНИИМФ), И. В. Возницкий, А. С. Пунда (ГМА им. С.О. Макарова). Большую научную и практическую, работу ведёт в этом направлении Российский Речной Регистр (д.э.н. Н.А. Ефремов) и, в частности его Северо-Западный филиал в Санкт-Петербурге (к.т.н. Н.Н. Фомин).

Систематическое диагностирование двигателя и контроль параметров его работы, с последующим анализом полученных результатов на базе теории ДВС, позволяют найти на любом судне оптимальные режимы эксплуатации в различных условиях плавания.

Режим работы главного двигателя (ГД), который является основным элементом комплекса: гребной винт — корпус судна — двигатель, зависит от типа судна, условий плавания, конструктивных особенностей его корпуса, типа ГД, способа передачи мощности движителю.

Режим работы ГД определяется его нагрузкой и частотой вращения. Для ГД при фиксированном положении всережимного регулятора частоты вращения, режим работы определяется условиями работы гребного винта, характеризующимися винтовой характеристикой. В процессе эксплуатации происходит «утяжеление» винтовой характеристики. Причины для этого следующие [19, 50].

— влияние метеорологических условий (по опытным данным, средние потери скорости судна, при постоянной частоте вращения гребного винта, на волнении при силе ветра 7 баллов, составляют в %: для танкеров 5,5- для сухогрузов 6,5- для лесовозов 8,5):

— изменение ширины фарватера и глубины судового хода;

— увеличение шероховатости, обрастание и загрязнение подводной v.

Р части корпуса судна, что влечёт за собой рост сопротивления трения;

— обрастание, деформации и повреждения лопастей гребных винтов, что вызывает снижение КПД винта и рост потребляемой мощности для обеспечения заданной скорости судна;

— увеличение водоизмещения судна.

Значительно меньшую перегрузку двигателя создают причины, связанные с изменениями условий работы самого двигателя:

— повышение износов и рабочих зазоров, что влечёт за собой увеличение потерь на трение и на привод вспомогательных механизмов;

— отложение накипи в зарубашечном пространстве, нагара и лака на поверхности камеры сгорания, что затрудняет теплопередачу и приводит к повышению температур и температурных напряжений в основных деталях;

— закоксовывание сопловых отверстий форсунок, что влечёт за собой ухудшение качества распыления топлива и смесеобразований;

— износ топливной аппаратурыотклонение параметров регулирования двигателя от оптимальных значений, что изменяет условия протекания рабочего процесса. К третьей группе факторов, приводящих к перегрузкам ГД, относятся ошибки и небрежность в управлении судном, то есть человеческий фактор.

Перегрузки, вызываемые первыми двумя группами факторов можно устранить выбором правильного режима эксплуатации. Для этого необходимо знать техническое состояние объектов.

Эксплутационная оценка режимов работы двигателя даётся, прежде всего, по энергетическим показателям — эффективной мощности Ре и крутящему моменту Мкр. Зная мощность, развиваемую двигателем и частоту вращения можно определить положение точки рабочего режима двигателя относительно теоретической и ограничительной характеристик, построенных в соответствии с рекомендациями завода-изготовителя.

Как известно, рекомендуется устанавливать на построенное судно такой винт, при котором, при полной загрузке и номинальной частоте вращения, мощность двигателя составляла бы 85−90% от номинальной.

Однако, в процессе эксплуатации двигателя, эту рекомендацию выдержать трудно, так как при сохранении заданной эксплутационной скорости судна, в случае «утяжеления» действующей винтовой характеристики, рабочая точка режима работы двигателя уходит за пределы зоны длительных экс-плутационных режимов и рекомендованной заводом-изготовителем зоны эксплуатации двигателя при спокойной воде, чистом корпусе и полной загрузке судна. Уходит в сторону зоны эксплуатационных режимов, ограниченных по времени. Обычно, этот переход сопровождается ростом тепловых и механических нагрузок, что, в свою очередь, требует повышенного и надёжного контроля за его работой.

Представляемая информация позволяет оценить уровень нагрузки двигателя, контролировать режим его работы, имеющийся резерв мощности, а так же состояние пропульсивного комплекса корпус-винт-двигатель.

Существующие методы определения эффективной мощности чрезмерно громоздки, дорогостоящи и имеют невысокую точность измерения параметров. Поскольку контроль технического состояния двигателя, при использовании его по назначению, производят на основании данных о величине и динамике изменения основных технико-эксплуатационных параметров, то невысокая точность измерения, делает этот контроль недостаточно эффективным. Отсутствие методик по эффективному определению мощности двигателя в условиях эксплуатации значительно снижает технический, а, следовательно, и экономический результат его эксплуатации.

Отсутствие в настоящее время возможности контролировать эффективную мощность главных двигателей средних и малых судов вынуждает искать новые методы определения мощности.

Цель данной диссертационной работы и состоит в получение научно обоснованных технических и технологических принципов направленных на разработку метода определения эффективной мощности СДВС в условиях эксплуатации и повышения уровня технической эксплуатации.

При этом целенаправленно, за счёт снижения удельного объёма математической составляющей, в представляемой работе, подавляющее внимание будет уделено теоретическим и методическим аспектам заявленной темы. Кроме того, объём математического обоснования темы настолько значителен и самодостаточен, что вполне может стать темой отдельной диссертационной работы. Из всего этого логически вытекает необходимость некоторых теоретических допущений, впрочем, абсолютно корректных с научной точки зрения. Например, фундамент двигателя будет рассмотрен, как единая, жёсткая система.

Предлагаемый метод позволит обеспечить объективный систематический контроль технического состояния двигателя, облегчит выбор оптимальных ходовых режимов, а, следовательно, даст реальный экономический эффект [28]. Поставленная цель достигается посредством постановки и последовательного решения нижеследующих задач:

1. Провести анализ существующих методов и средств определения эффективной мощности СДВС в условиях эксплуатации.

2. Выполнить анализ основных действующих сил на крепления двигателя к фундаменту, и теоретически обосновать основы разрабатываемого метода определения эффективной мощности.

3. Получить уравнение распределения суммарной силы от крутящего момента по креплениям двигателя. Установить зависимость эффективной мощности от усилия возникающего в узлах крепления двигателя.

4. Провести стендовые и эксплуатационные испытания СДВС с разработанным «измерителем силы» (далее ИС).

5. Разработать основные положения метода определения эффективной мощности и рекомендации к его применению.

6. Разработать усовершенствованную процедуру теплотехнических испытаний СДВС, как одного из направлений повышения уровня технической эксплуатации.

АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ.

ЛИТЕРАТУРЫ.

Выводы по четвертой главе.

1. Разработаны основные положения метода определения эффективной мощности судового двигателя путем замера усилий в фундаментных болтах.

2. Приведенные данные по определению эффективной мощности в условиях эксплуатации позволяют сделать вывод, что разработанная методика позволяет получать объективную информацию об эффективной мощности эксплуатируемых судов.

3. Рассмотренные проблемы проведения теплотехнических испытаний двигателей в настоящее время позволил предложить проведение указанных испытаний на швартовном режиме.

4. Описаны причины отклонения винтовых характеристик, технические решения по корректировке движительного комплекса.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Выполненный анализ существующих методов и средств определения эффективной мощности судовых дизелей в условиях эксплуатации позволил нам классифицировать и оценить эффективность рассмотренных методов и средств определения мощности. Данный анализ показал необходимость в разработке нового метода определения эффективной мощности двигателя путём замера реактивного момента, действующего на фундамент работающего двигателя.

2. На основе теоретического анализа и исследования действия внешних сил на крепления (фундаментные болты) двигателя обоснована выдвинутая гипотеза о том, что опрокидывающий момент, равный крутящему моменту, составляющему произведение величины усилия в узлах крепления двигателя к фундаменту на расстояние между геометрическими осями этих узлов крепления, остальные силы и моменты сил замыкаются внутри двигателя и не передаются на опоры (крепления).

3. Обосновано место установки ИС по длине лапы двигателя с точки зрения уравновешенности двигателя. Указанное место не подвержено влиянию иных возмущающих сил и моментов этих сил, кроме реактивного момента.

4. Получены зависимости эффективной мощности от замеренного усилия в ИС с учетом штатных фундаментных болтов. Подтверждается и обосновывается место и количество установки ИС с учетом четности фундаментных болтов.

5. Предложена конструкция и разработана технология изготовления ИС.

6. Проведены экспериментальные исследования зависимости эффективной мощности от усилия в ИС и фундаментных болтах. Экспериментально подтверждена сторона и место установки ИС на лапе двигателя. Проверены зависимости эффективной мощности от усилия в ИС с учетом штатных фундаментных болтов.

7. Разработан метод определения эффективной мощности судового двигателя путем замера усилий в фундаментных болтах.

8. Разработанный метод опробован в условиях эксплуатации и внедрен в процедуру теплотехнического контроля судовых двигателей реализованный в Северо-Западном филиале Российского Речного Регистра. Автор считает целесообразным проведение дальнейших работ по совершенствованию метода определения эффективной мощности судового двигателя путем замера усилий в фундаментных болтах разработкой датчиков, основанных на иных принципах замера усилия.