Разработка способов и средств диагностирования резервных дизель-электрических станций электротехнических систем

В настоящее время основными автономными и резервными источниками электрической энергии различных электротехнических комплексов являются дизельные электрические станции.

Техническое обслуживание ДЭС может проводиться как планово, так и по фактическому техническому состоянию. Как показывает опыт работы, система технического обслуживания по фиксированному ресурсу не обеспечивает высокой надежности и минимальных затрат. Невысокое качество горючесмазочных материалов, низкая культура обслуживающего персонала и множество других причин приводят к внезапным отказам и преждевременному выходу из строя первичного преобразователя энергии — дизеля. Однако при благоприятных условиях эксплуатации ДЭС реальный ресурс может значительно превосходить фиксированный, предусмотренный плановым техническим обслуживанием.

Более экономичным является метод технического обслуживания по фактическому состоянию, для этого необходима разработка методов прогнозирования технического состояния агрегатов.

В зависимости от условий работы изменяются основные технико-экономические показатели функционирования агрегатов. Истинное техническое состояние устанавливается только при индивидуальном обследовании (контроль, диагностирование, прогнозирование) каждого агрегата. При этом может быть учтено влияние всего многообразия факторов, от которых зависит техническое состояние ДЭС.

Поэтому, одним из эффективных путей повышения технической надежности электрических станций является внедрение в практику их эксплуатации эффективных способов и средств контроля и диагностирования технического состояния дизелей с оценкой остаточного ресурса. Это даст возможность определять заблаговременно вид, место, причину возникновения неисправности и принять своевременные меры по ее устранению. Использование технических средств функционального диагностирования позволит перейти к обслуживанию станций по фактическому техническому состоянию дизеля, что значительно повысит их надежность в целом.

В связи с этим, разработка и внедрение способов и средств диагностирования технического состояния двигателей внутреннего сгорания по параметрам наиболее информативной системы двигателя — системы смазки — представляется актуальной задачей.

В связи с изложенным тема диссертации, посвященная разработке способов и средств контроля и диагностирования технического состояния двигателей ДЭС, представляется актуальной.

Целью работы является повышение точности диагностирования двигателей ДЭС за счет обеспечения объективной оценки фактического технического состояния двигателей ДЭС с помощью способов и средств функциональной диагностики по параметрам элементов системы смазки.

При этом основными задачами исследования являются следующие: выбор диагностируемых систем и диагностических параметров на основе исследования физических процессов происходящих в двигателеразработка математических моделей очистителей масла системы смазки как объектов несущих информацию о техническом состоянии узлов и механизмов двигателя;

— разработка методики определения технического состояния двигателя по параметрам очистителей масла;

— разработка способов и средств диагностирования технического состояния двигателя по частотным характеристикам маслоочистителей и физико-химическим параметрам масла.

Научная новизна результатов исследования заключается в том, что: предложена методика получения математического описания отдельных элементов системы смазкиразработаны математические модели агрегатов очистки масла различных конструкцийопределена зависимость между степенью загрязнения и динамическими составляющими гидравлического сопротивления фильтра, на основе которой разработан ряд способов контроля и диагностирования технического состояния отдельных элементов системы смазки и двигателя в целом;

— разработана методика определения технического состояния двигателя по параметрам очистителей масла.

Научная и практическая значимость результатов исследования состоит в том, что: предложена методика проведения эксперимента на испытательном стенде, позволяющем определять амплитудные частотные характеристики (АЧХ) и фазовые частотные характеристики (ФЧХ) отдельных элементов систем смазкисоздана экспериментальная установка на базе двигателя К-770, noJ зволяющая определять АЧХ и ФЧХ полнопоточного масляного фильтра с моделированием реальных условий эксплуатацииобоснована методика определения дисперсного состава загрязняющих примесей на фильтрующей перегородкеразработаны способы и средства диагностирования технического состояния элементов системы смазки и двигателя в целом, по которым получено положительное решение на выдачу патента по заявке № 200 313 8200/06(41 227).

Основные научные результаты, выносимые на защиту: математические модели системы смазки и ее элементов, учитывающих нестационарные явления в гидравлических магистралях и взаимосвязь процесса накопления продуктов загрязнения масла на фильтроэлементе (ФЭ) и технического состояния двигателя ДЭСметодика определения технического состояния двигателя по параметрам АЧХ и ФЧХ маслоочистителейспособы и средства диагностирования технического состояния двигателей ДЭС по параметрам систем смазки.

Результаты диссертационной работы реализованы и используются в ДОАО Электрогаз ОАО Газпром, в учебном процессе и научно-исследовательской работе КубГТУ.

Основные научные результаты докладывались на 2-й межвузовской научной конференции (Краснодар, КубГТУ, 2003), третей межвузовской научной конференции (Краснодар, КВАИ, 2004), четвертой южнороссийской научной конференции (Краснодар, КВВАУЛ, 2005), научно-технических семинарах кафедры информатики КубГТУ.

Основное содержание и результаты работы изложены в 5 тезисах к докладам, 5 статьях, и 1 описании к изобретению.

Работа состоит из введения, четырех разделов, заключения и приложений, список использованной литературы включает 70 наименований.

В первом разделе изложены основные аспекты контроля и прогнозирования времени безотказной работы дизельных двигателей, применяемых в качестве приводных в автономных дизельных электростанциях, приведены результаты анализа исследований по разработке способов и средств оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания (ДВС). Проведено исследование диагностируемых систем и диагностических параметров на информативность, сделан вывод о целесообразности использования параметров частотных характеристик очистителей масла в качестве основных для оценки технического состояния двигателей ДЭС.

Второй раздел посвящен разработке и исследованию математических моделей очистителей масла различных типов и конструкций как объектов несущих информацию о техническом состоянии двигателя. Предложена обобщенная модель системы смазки двигателя. Обоснована зависимость между дисперсным составом продуктов загрязнения масла и динамическими составляющими гидравлического сопротивления очистителя, определен диапазон наиболее эффективной работы масляного фильтра.

В третьем разделе проведены экспериментальные и теоретические исследования частотных характеристик очистителей масла при помощи разработанных испытательного стенда и экспериментальной установки. Изложена методика проведения исследований и получены эталонные амплитудные и фазовые частотные характеристики элементов очистки соответствующие различным эксплуатационным режимам работы дизельного двигателя.

Четвертый раздел посвящен разработке способов и средств диагностирования технического состояния двигателя, учитывающих динамические характеристики элементов его системы смазки и физико-химические свойства масла. Предложена методика определения технического состояния и проведена оценка эффективности разработанных технических средств диагностирования двигателей ДЭС.

В заключении обобщены выносимые на защиту теоретические и практические результаты, полученные в диссертационной работе, даны рекомендации по дальнейшему развитию научных исследований в данной области.

В приложении приведены материалы, послужившие исходными данными для получения математических моделей элементов системы смазки и программные продукты, реализующие алгоритм диагностирования двигателя.

Автор считает приятным долгом выразить благодарность за помощь и ряд ценных указаний при проведении исследований и написании диссертационной работы научному руководителю Шевцову Юрию Дмитриевичу, а также всему коллективу кафедры Информатика и кафедры Машиностроения и автомобильный транспорт Кубанского государственного технологического университета.

4.4 ВЫВОДЫ.

4.4.1 Разработаны способы и средства диагностирования технического состояния дизельного двигателя, основанные на определении величины и скорости отклонения на резонансных частотах АЧХ и ФЧХ очистителей масла, а также динамики изменения физико-химических свойств масла.

4.4.2 Предложена методика оценки технического состояния двигателя, включающая в себя последовательность операций по определению параметров частотных характеристик очистителей, сравнению их с допустимыми пределами и уточнению диагностической информации путем использования данных о количественном и качественном составе загрязняющих примесей в масле.

4.4.3. Разработаны алгоритм и устройство диагностирования двигателя, реализующие предложенные способы, новизна которых подтверждена положительными решениями по заявкам на предполагаемые изобретения.

4.4.4 Применение предложенных способов и средств диагностирования двигателей ДЭС, позволяющих перейти к техническому обслуживанию по фактическому техническому состоянию агрегатов, обеспечит повышение коэффициента технической готовности СЭС.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена повышению технической готовности систем электроснабжения за счет обеспечения объективной оценки фактического технического состояния двигателей ДЭС путем использования способов и средств функционального диагностирования по параметрам элементов системы смазки.

Основные научные и практические результаты проведенных исследований.

1) В результате анализа существующих способов диагностирования и исследования диагностических параметров различных систем двигателя определена наиболее информативная система двигателя — система смазки и параметры ее элементов, несущие информацию о состоянии узлов и механизмов двигателя:

— гидравлическое сопротивление масляного фильтра и динамика его изменения в зависимости от количественного и качественного состава отложений на фильтрующей перегородке;

— уровень, состав и кинетика поступления загрязнений в смазочное масло.

2) Разработана методика получения математического описания отдельных элементов очистки масла, использующая экспериментальный метод определения вида передаточной функции последовательно соединенных групп динамических звеньев, методы синтеза и анализа пневмогидравлических цепей по аналогии с электрическими.

3) Получены математические модели сетчатого масляного фильтра и реактивной масляной центрифуги, учитывающие их конструктивные и эксплуатационные особенности, а также изменение в техническом состоянии двигателя ДЭС. Такие модели включают в себя гидравлические, электрические схемы замещения и системные передаточные функции очистителей.

4) Определена и исследована зависимость между степенью загрязнения и динамическими составляющими гидравлического сопротивления фильтра, которая положена в основу разработки способов и средств диагностирования технического состояния дизельного двигателя.

5) Определено, что в качестве диагностических параметров двигателя необходимо использовать параметры частотных характеристик очистителей масла: величину и скорость отклонения АЧХ на резонансных частотах и величину изменения резонансных частот по ФЧХ, которые характеризуют количественный и качественный состав загрязнений, поступающих в масло и осаждающихся на очистителе.

6) С целью уточнения достоверности информации по диагностическим параметрам в реальных условиях эксплуатации, получения эталонных значений указанных параметров и определения адекватности теоретических моделей предложена методика экспериментальных исследований с использованием разработанных испытательного стенда и экспериментальной установки.

Экспериментальные исследования на испытательном стенде позволили определить амплитудные и фазовые частотные характеристики очистителей масла и моделировать возникновение возможных неисправностей в двигателе.

Исследования проведенные на экспериментальной установки позволили оценить степень влияния эксплуатационных и внешних факторов на точность процесса диагностирования ДВС по параметрам АЧХ и ФЧХ масляного фильтра.

7) Достоверность результатов полученных при исследовании математической модели масляного фильтра проверялась путем сопоставления по критерию Фишера с результатами полученными в ходе экспериментальных исследований. Обработка данных показала, что разработанная модель адекватна и с доверительной вероятностью 95% хорошо описывает исследуемый процесс.

8) Разработаны способы и средства диагностирования технического состояния двигателей ДЭС основанные на определении параметров частотных характеристик очистителей и физико-химических свойств масла.

9) Предложена методика оценки технического состояния двигателя, включающая в себя последовательность операций по определению параметров частотных характеристик очистителей, сравнению их с допустимыми пределами и уточнению диагностической информации путем использования данных о количественном и качественном составе загрязняющих примесей в масле.

10) Установлено, что применение предложенных средств диагностирования двигателей ДЭС, позволяющих перейти к техническому обслуживанию по фактическому техническому состоянию агрегатов, позволит обеспечить повышение коэффициента технической готовности СЭС.