Повышение эффективности эксплуатации судовой дизельной установки на основе совершенствования системы цилиндровой смазки главного двигателя и оценки функциональной надежности элементов системы утилизации тепла уходящих газов

Тенденция развития водного транспорта и высокий уровень дизелестроения обусловили широкое применение ДЭУ на СТС благодаря термодинамической эффективности, хорошей приспособляемости к автоматизации и относительной простоте ТЭ. Однако доля затрат, связанная с ТЭ ДЭУ, в общих затратах по СТС в настоящее время ещё сравнительно велика. Расходы на ТЭ ДЭУ составляют до 70%, при этом Уз связаны с топливом, маслом, ТО и ремонтом. Расходы на контроль и ремонт ДЭУ составляют ~ 80% от таковых СТС. Применительно к нефтеналивным СТС затраты, связанные с топливом, маслом и амортизационными отчислениями в совокупности достигают 67%). Расходы масла по сравнению с расходами топлива незначительны 4%), однако следует учитывать, что стоимость масла в несколько раз превышает стоимость топлива.

В настоящее время, благодаря достижениям в области повышения экономичности, эффективный КПД СД превысил 50%. В то же время ещё значительную долю составляют энергетические потери. Анализ параметров рабочего процесса современных МОД показывает, что все мероприятия, направленные на снижение энергетических потерь, за счёт совершенствования конструкции и рабочего процесса при относительно постоянной средней температуре в процессе сгорания, не могут дать существенного повышения индикаторного КПД. При сгорании топлива в СД два вида тепла, превращённого в полезную работу и отводимого с УГ, соизмеримы и находятся на уровне ~ 40%, а потери тепла с УГ в совокупности с охлаждающей водой превосходят тепло, превращённое в полезную работу ~ в 1,5 раза. Из существующих видов ВЭ более высокий температурный напор имеет потеря тепла с УГ, а поэтому легче всего может быть утилизирована, в результате чего себестоимость получаемой электрической и тепловой энергии снижена соответственно в два и 2,5 раза. Таким образом, задачи в области эффективности ТЭ судовых ДЭУ полностью не решены, а поэтому проблема её повышения по-прежнему остаётся.

Анализ статистических данных показывает, что более 80% аварий на море обусловлены субъективными причинами (человеческими ошибками). Одной из основных причин аварийных ситуаций является отказ в работе ГД и вспомогательных элементов ДЭУ. Их соотношение таково: доля отказов, приходящихся на ГД, составляет 30−50%, остальная связана с вспомогательными элементами. Однако в любом случае элементы ДЭУ, имеющие низкий уровень функциональной надёжности, приносят существенный ущерб и, несмотря на это, в процессе их ТЭ существует риск возникновения отказа. Причины могут быть различные, включая и субъективные (конструктора, технолога, эксплуатационника), имеющие определённое количественное соотношение по долям вносимого риска отказа. Таким образом, возникает другая проблема, а именно, управления риском и его оценки на всех этапах &bdquo-жизненного" цикла ДЭУ. Решение задачи в такой постановке может быть осуществлено путём проведения широкомасштабных экспертно — статистических исследований в области функциональной надёжности элементов ДЭУ. Это позволит установить обратную связь между эксплуатационником и конструктором с целью формулирования на этапе проектирования требований к вновь создаваемым элементам систем.

В условиях роста антропогенных и техногенных отрицательных воздействий на окружающую среду первостепенное значение приобретают вопросы экологической безопасности. Наиболее рациональный путь решения этой проблемы — практическая реализация комплексной системы обеспечения функциональной надёжности элементов ДЭУ. В структурном отношении она представляется в виде совокупности взаимосвязанных между собой блоков (ТИ, ТО, диагностирования ТС, прогнозирования безотказной работы).

Одна из важнейших, но и трудных задач ТД заключается в прогнозировании изменения ТС. Её основу составляет информация о развивающихся отказах, количественных значениях ДП и их динамики, позволяющая произвести расчёт тренда (зависимости ДП от времени ТЭ). Его построение даёт возможность выявить неисправность на ранней стадии её развития, установить момент отказа, произвести оценку располагаемого потенциального ресурса, определить сроки профилактических мероприятий и, тем самым, существенно повысить экологическую безопасность.

Основным источником загрязнения атмосферы при ТЭ СД являются вредные выбросы с УГ, сажа, дымность. На выброс окислов азота в значительной степени оказывают влияние форсировка, степень износа деталей ЦПГ, ТС топливной аппаратуры, а также специфические условия ТЭ. Одним из способов улучшения экологических показателей СД является переход на новые виды топлива (синтетические жидкие, газовые конденсаты, суспензионные), а также использование антидымных и многофункциональных присадок.

Инженерная защита окружающей среды связана с решением комплексных проблем функционирования, среди которых важное значение занимает проблема диагностирования ТС. В процессе ТЭ из-за возникающих повреждений элементов происходит снижение основных показателей ДЭУ (надёжностных, мощ-ностных, экономических), при этом атмосфера загрязняется продуктами сгорания топлива (углекислый газ, окись углерода, сера, азот, углеводороды, твёрдые частицы), а водная среда — нефтепродуктами. Не исключаются и аварийные ситуации, приводящие к существенному снижению экологической безопасности. Для предупреждения аварийных ситуаций и поддержания эксплуатационных характеристик элементов ДЭУ на заданном уровне необходим контроль их ТС. Таким образом, можно констатировать, что наиболее важным косвенным показателем эффективности ТЭ ДЭУ является обеспечение защиты окружающей среды, в значительной степени зависящей от уровня функциональной надёжности элементов систем (топливо, СУТУГ, ЦПГ, смазка).

Совершенствование системы смазки СД и глубокая утилизация тепла ВЭ, в частности УГ, являются одним из основных направлений повышения эффективности использования топливно — энергетических ресурсов в процессе ТЭ судовой ДЭУ. Основу обеспечения функциональной надёжности элементов системы смазки и СУТУГ составляет решение задач, связанных с формированием нормативной базы ДП, диагностическим контролем и учётом ТС, разработкой концепции восстановления ТС и определения оптимального объёма ЗИПа.

Другим направлением дальнейшего развития ТЭ ДЭУ является переход на систему ТО и ремонта элементов систем по фактическому состоянию, а методом его практической реализации — ТО и ремонт с контролем уровня функциональной надёжности, заключающийся в накоплении и анализе информации о повреждениях и отказах. Решение задачи в такой постановке связано с разработкой и исследованием моделей ТЭ, позволяющих производить прогнозирование безотказной работы в пределах межремонтного эксплуатационного периода.

Таким образом, совершенствование системы смазки СД, рациональное использование СУТУГ, оценка функциональной надёжности, разработка механизма по переводу элементов систем на ТО и ремонт по фактическому состоянию на основе создания информационно — статистического банка данных путём проведения статистических исследований и натурных испытаний является наиболее актуальными проблемами повышения эффективности ТЭ судовой ДЭУ.

Объект исследования — техническая эксплуатация судовых дизельных энергетических установок.

Предмет исследования — цилиндровая смазка ГД ДЭУ, функциональная надёжность элементов смазки и утилизации тепла УГ.

Исходя из предмета исследования, определена тема, проблема которого заключается в конструктивном совершенствовании органов подачи масла на смазку цилиндров МОД, оценке функциональной надёжности элементов систем смазки и утилизации тепла УГ. Решение этой проблемы составляет цель исследования.

В соответствии с объектом, предметом, проблемой и целью исследования поставлены следующие задачи: провести анализ сложившихся проблем в области ТЭ судовых ДЭУ и рассмотреть основные пути повышения её эффективностиобосновать выбор объектов исследования, разработать методику проведения их испытаний, обработки статистической информации и оценки функциональной надёжностиусовершенствовать существующую систему цилиндровой маслоподачи МОД, провести её апробацию, натурные испытания и обобщение опыта ТЭ в реальных условияхвыработать рекомендации по нормированию расхода цилиндрового масла при работе ГД ДЭУ на различных режимахпровести статистические исследования функциональной надёжности деталей ЦПГ ГД и элементов системы смазки, разработать критерии работоспособности и оценить показатели их безотказной работыдать оценку эффективности использования СУТУГ при работе ГД на оптимальном и частичных режимахразработать прогностические модели безотказной работы элементов СУТУГ и дать оценку расходования их потенциального ресурса на основе энтропийного подходарассмотреть средства мониторинга отказов элементов системы смазки и СУТУГ МОД, выделить и обосновать нормативную базу их диагностических показателей, определить концепцию восстановления ТС и оптимального объёма запасных частей при ТЭсформировать информационно — статистический банк данных по функциональной надёжности элементов системы смазки и СУТУГ ГД судовой ДЭУ.

Гипотеза исследования основывается на повышении эффективности судовой ДЭУ путём создания механизма обеспечения функциональной надёжности элементов системы смазки и СУТУГ ГД при переводе их с централизованного планирования профилактических ремонтно — восстановительных работ на систему ТО и ремонта по фактическому состоянию и информационно — статистического банка данных для его практической реализации.

Методы исследования основываются на использовании: общего закона надёжности технического изделияпринципов системного анализаматематического моделированияпотенциального ресурсарегрессионных функций.

Научная новизна результатов выполненных исследований заключается в: оптимизации расхода цилиндрового масла ГД при использовании усовершенствованной системы смазки на различных режимах работыразработке механизма обеспечения функциональной надёжности при переводе элементов системы смазки и СУТУГ на ТО и ремонт по фактическому состояниюсоздании информационно — статистического банка данных.

Теоретическое значение результатов состоит в получении критериев оценки функциональной надёжности в виде относительной величины расходования потенциального ресурса при идеальной и реальной моделях ТЭ и математических моделей, позволяющих производить прогнозирование безотказной работы в пределах межремонтного эксплуатационного периода.

Практическая значимость исследования заключается в создании: усовершенствованной системы смазки МОД, позволяющей оптимизировать подачу масла при работе ГД на малых нагрузках, ежегодно экономить до 6% общего расхода цилиндрового масла по одному СТС, увеличить периодичность между очистками подпоршневых полостей и окон втулок цилиндров до 300 часов без ухудшения ТС с одновременным сокращением трудоёмкости очисткимеханизма обеспечения функциональной надёжности элементов системы смазки и СУТУГ при переводе их на систему ТО и ремонта по фактическому состоянию, позволяющего повысить эффективность ТЭ ДЭУ на основе использования режимных карт с целью оценки ТС, контроля, учёта, прогнозирования его изменения и определения уровня использования ВЭ, нормативной базы ДП, концепции восстановления ТС и определения оптимального объёма ЗИЛаинформационно — статистического банка данных, базирующегося на реализации комплексной системы обеспечения функциональной надёжности, включающей подсистемы ТИ, ТО, диагностирования ТС и прогнозирования безотказной работы. Полученный материал находит применение в учебных программах по энергетическим специальностям в ВУЗ’ах водного транспорта, дополнительного обучения плавсостава согласно Международной конвенции по подготовке моряков (ПДМНВ 78/95), инженерно — техническим составом судоходных компаний и судовыми механиками в процессе ТИ и ТО элементов систем ДЭУ.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием комплекса методов исследования (математическое моделирование, системный и корреляционный анализ, натурные испытания с применением отечественной и зарубежной аппаратуры и многократным измерением параметров на различных режимах, обработка статистической информации и оценка погрешностей), адекватных его задачам и логике, широкой апробацией полученного материала, репрезентативностью опытных данных, а также сходимостью данных, полученных при реализации математических моделей и в процессе ТЭ в пределах (10. 12%).

Основные положения, выносимые на защиту: усовершенствованная конструкция системы цилиндровой смазки МОД, позволяющая обеспечить снижение расхода масла, повысить функциональную надёжность деталей ЦПГ и улучшить экономические показатели МОД, результаты её апробации, испытаний и обобщение опыта ТЭразработанный мехнизм перевода элементов системы СД и СУТУГ на ТО и ремонт по фактическому состоянию с целью повышения эффективности ТЭ судовой ДЭУ за счёт существенного сокращения затрат, связанных с проведением профилактических ремонтно — восстановительных работ, характерных для планово — предупредительной системы ТО и ремонта, включающий: показатели безотказности в виде параметра потока отказов и вероятности безотказной работысистематизированную, обобщённую и классифицированную информацию по причинам отказов, их физической трактовке, выявлению узлов и деталей с минимальным уровнем функциональной надёжностикритерии сравнительной оценки работоспособности и расходования потенциального ресурсаматематические модели прогнозирования безотказной работы в пределах межремонтного эксплуатационного периодарежимные карты для определения ТС, прогнозирования его изменения в процессе ТЭ, оценки уровня использования ВЭнормативную базу ДПинформационно — статистический банк данных, базирующийся на реализации комплексной системы обеспечения функциональной надёжности, используемой для решения эксплуатационных задач, связанных с диагностическим контролем и учётом ТС, разработкой концепции восстановления ТС и определением оптимального объёма ЗИПа.

Апробация и внедрение результатов исследованиясодержание диссертации обсуждалось и получило одобрение в Санкт-Петербургском государственном университете водных коммуникаций, в Новороссийской государственной морской академииосновные положения и результаты опубликованы в виде докладов и тезисов в материалах Международного Конгресса МЕХТРИБОТРАНС &bdquo-Механика и технология транспортных систем" (Ростов на Дону, 2003 г.), Международных научно-технических конференций и сборниках научных трудов: &bdquo-Современные материалы и технологии — 2002″ (Пенза, 2002 г.) — &bdquo-Инженерная защита окружающей среды" (Москва, 2002 г.) — XXXII семинар Уральского отделения РАН &bdquo-Механика и процессы управления" (Миасс, 2002 г.) — &bdquo-Безопасность водного транспорта" в рамках выставки &bdquo-Транстек — 2003″ (Санкт-Петербург, 2003). Большая часть материалов прошла рецензирование и опубликована в виде научных статей в центральных научных изданиях (журналы: &bdquo-Двигателестроение", &bdquo-Судостроение", &bdquo-Изв. ВУЗ, ов &bdquo-Машиностроение", Изв. ВУЗ, ов Сев.- Кавк. регион, техн. Науки, &bdquo-Транспортное дело России").

Структура диссертации. Диссертационная работа включает перечень сокращений, введение, пять глав, заключение, списки использованных источников и опубликованных научных трудов автора, приложения.

5.5. Выводы по главе.

1. Обеспечение функциональной надёжности элементов системы смазки и СУТУГ является одним из наиболее важных факторов повышения экономических показателей СД и эффективности ТЭ судовой ДЭУ в целом.

2. Основу обеспечения функциональной надёжности элементов систем смазки и и СУТУГ составляет решение задач, связанных с формированием нормативной базы ДП, диагностическим контролем и учётом ТС, разработкой концепции восстановления ТС и определением оптимального объёма ЗИПа. 3. Наиболее предпочтительный путь обеспечения функциональной надёжности элементов систем в процессе ТЭ — использование обменного фонда, организуемого на базе восстановленных и новых деталей и узлов, а перспективныйприменение элементов, состоящих из равнозначных по уровню работоспособности.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Наиболее важными направлениями повышения эффективности ТЭ судовой ДЭУ являются: совершенствование цилиндровой смазки МОДрациональное использование СУТУГоценка функциональной надёжностиразработка механизма по переводу элементов на систему ТО и ремонта по фактическому состоянию на основе создания информационностатистического банка данных путём проведения статистических исследований и натурных испытаний.

2. Создание информационно — статистического банка данных базируется на практической реализации комплексной системы обеспечения функциональной надёжности, включающей подсистемы ТИ, ТО, диагностирования ТС, прогнозирования безотказной работы и решении эксплуатационных задач, связанных с диагностическим контролем и учётом ТС, а также разработкой концепции восстановления ТС и определением оптимального объёма ЗИЛа.

3. Основными путями обеспечения функциональной надёжности в процессе ТЭ элементов системы смазки СД и СУТУГ являются: практически реализуемый — использование обменного фонда, организуемого на базе восстановленных и новых деталей и узловперспективный — применение элементов, состоящих из равнозначных по уровню работоспособности деталей.

4. Разработанный механизм перевода элементов системы смазки СД и СУТУГ на ТО и ремонт по фактическому состоянию с целью повышения эффективности ТЭ судовой ДЭУ включает: результаты апробации, испытаний и обобщения опыта ТЭ усовершенствованной системы цилиндровой смазки МОДрекомендации по нормированию расхода цилиндрового масла при работе ГД на различных режимахрезультаты оценки эффективности СУТУГ при работе ГД на оптимальном и частичных режимахпоказатели безотказности в виде параметра потока отказов и вероятности безотказной работы, полученные на основе статистических исследованийсистематизированную, обобщённую и классифицированную информацию по причинам отказов, их физической трактовке, по выявлению узлов и деталей с минимальным уровнем работоспособностикритерии работоспособности и расходования потенциального ресурса, математические модели прогнозирования безотказной работы в пределах межремонтного эксплуатационного периодарежимные карты, позволяющие определять ТС элементов, прогнозировать его изменение и оценивать уровень использования ВЭнормативную базу диагностических показателейрекомендации по контролю и учёту ТС в процессе ТЭконцепцию восстановления ТС, основанную на использовании различных способов в зависимости от характера отказа, и определение оптимального объёма запасных частей на базе стратегии замен по наработке.

5. Полученный материал представляет практический интерес для широкого круга специалистов: эксплуатационного профиля (при выборе наиболее эффективных с экономической точки зрения и обеспечения функциональной надёжности режимов работы) — технологов и конструкторов (при создании новых образцов элементов). Он может быть положен в основу учебных программ эксплуатационной направленности в ВУЗ, ах водного транспорта, а также использован на курсах повышения квалификации специалистов морского, речного и рыбопромыслового флота.