Разработка алгоритма управления работоспособностью элементов судовой энергетической установки на интервале прогнозирования

Проблема повышения надежности судовых энергетических установок (СЭУ) была и остается одной из основных и многоплановых проблем, включающих в себя научно-технические и организационные аспекты. Основным и наиболее важным из них является эксплуатационный аспект, связанный с техническим обслуживанием и ремонтом элементов СЭУ. Под элементом СЭУ понимаются насосы, компрессоры, фильтры, редукторы, электрические машины, автоматические клапаны и т. п., имеющие в своем составе типовые узлы: подшипники качения, рабочие колеса, цилиндро-поршневые группы, форсунки и т. п., которые в зависимости от своего технического состояния лимитируют и работоспособность элементов СЭУ и СЭУ в целом.

Под работоспособностью понимается состояние элемента СЭУ, при котором значение параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции элементом, соответствуют требованиям нормативно-технической документации и (или) конструкторской (проектной документации) [42]. Определение работоспособности элемента СЭУ, как правило, решают при его диагностировании. Если элемент СЭУ утратил работоспособность или его работоспособность снизилась до допустимого значения, то возникает задача — определение причины и устранение причины. Решение этой задачи обычно связано с выполнением работ по частичной или полной разборке элемента с последующей сборкой. При этом основная цель таких мероприятий заключается в восстановлении работоспособности элемента СЭУ.

Основными факторами влияния на работоспособность элементов СЭУ, согласно [24], являются: длительные статические нагрузкидинамические нагрузкикоррозия под напряжением и радиационное облучение. В результате совместного воздействия этих факторов интенсифицируются процессы усталостных и износовых явлений в типовых узлах элементов СЭУ, что приводит к повышенному износу сопрягаемых деталей узла, изменению геометрии 4 проточных частей, возникновению и раскрытию трещин в конструкторском материале. Неконтролируемый при эксплуатации элементов СЭУ характер развития этих процессов создает впечатление внезапной потери работоспособности или недопустимого ее изменения. Количественно функциональные свойства элемента проявляются через традиционно контролируемые параметры рабочего процесса (давление, температуру, расход рабочего тела, частоту вращения, мощность и т. п.), а также через параметры вторичных физических полей (виброакустического, акустико-эммисионного, теплового, электромагнитного), сопровождающих работу элементов СЭУ. Следовательно, работоспособность элементов можно также представить количественно через их функциональные свойства. При этом количественная оценка контролируемого параметра возможна только при выполнении измерений, т.к. измерение — это получение информации.

Современные судовые энергетические установки относятся к классу автоматизированных управляемых комплексов, техническое состояние которых оценивается по множеству контролируемых параметров, например, только по двигателю MAN B&W для этих целей ведется контроль по сорока восьми параметрам [26]. Эту сложную измерительную задачу решает система Co-Cos-EDS (Engine Diagnostics Systems) — система диагностики главного дизеля. В задачи системы входит сбор информации, определение работоспособности элементов с функцией поиска неисправностей и определения метода устранения, построение трендов контролируемых параметров. Следует заметить, что при этом не решается задача прогнозирования выхода контролируемых параметров на допустимые значения, но прогнозируется расход запасных частей и трудоемкость технического обслуживания (ТО).

В общем случае контроль параметров элементов СЭУ, как объектов управления работоспособностью ведется штатными средствами измерений, автоматическими управляющими устройствами и средствами технического диагностирования. В результате элементы СЭУ, как объекты управления работоспособностью, могут быть представлены информационными потоками.

Г), формируемыми соответствующими измерительными средствами. На рисунке В.1 показаны основные направления информационных потоков J при контроле и управлении работоспособностью элементов СЭУ.

Как видно из рисунка В.1, объединение всех средств измерений посредством перераспределения информационных потоков, позволяет создать единую информационно-измерительную систему параметров компонентов СЭУ.

Система ТО и Р.

АРМ оператора И.

Служба ТО и Р судна.

Рисунок В.1 -Взаимодействие информационных потоков при управлении объектом управления.

На рисунке В.1 обозначено.

Э СЭУ — элементы судовой энергетической установкиШСИ — штатные средства измеренияСТД — средства технического диагностированияЛАУУ — локальные автоматические управляющие устройстваИИС — информационно измерительная системаТО и Р — техническое обслуживание и ремонтАРМ — автоматизированное рабочее место.

В результате, согласно [42], в целом повышается эффективность управления на основе информационного потока Зупр объединяющего сведения о протекании технологических процессов в элементах СЭУ: ./,(/), Л (0 и J3(t) и о их техническом состоянии.

Как видно, эффективность управления отдельными элементами определяется в данном случае за счет информационных потоков Jl (t), J3(t) и J6(t). Элемент СЭУ достигает допустимого предела работоспособности, когда вследствие неизбежных деградационных процессов в элементах СЭУ, его дальнейшая эксплуатация становится нецелесообразной как с технико-экономической точки зрения, так и безопасности. В этом случае требуется выполнение соответствующих работ по ТО, а возможно, и ремонту, с целью восстановления работоспособности элемента СЭУ.

Как отмечалось, работоспособным состоянием элемента СЭУ считается состояние, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствует требованиям нормативно-технической документации. Элемент СЭУ по эффективности эксплуатации может быть оценен коэффициентом использования работоспособности Кир [26], который характеризует относительный остаточный ресурс элемента в рассматриваемый момент времени: где Ау (/) — фактическое отклонение контролируемого параметра, характеризующего техническое состояние элемента от его номинального значения на (0 =./, (0³ {Л (0 «Л [Л (0 ^ Л (0]},.

СВ-1).

В.2) момент оценки технического состоянияудоп — предельно-допустимое отклонение параметра, характеризующего техническое состояние элемента СЭУ.

Придерживаясь терминологии [26], понятие «параметр» подразумевает различное физическое толкование, например износ, зазор, деформацию, сопротивление изоляции и т. д., но представленный как отображение в виде электрического параметра (примечание автора). Эквивалент параметра в виде электрического сигнала с выхода датчика физической величины обрабатывается соответствующим измерительным средством. Отсюда следует, что К, ф причинно-следственно связан с информационными потоками, отражающими работоспособность элемента СЭУ (рисунок В.1).

Вопросам технической эксплуатации СЭУ и судна в целом посвящено много работ, например [5, 8, 9, 22, 24, 26, 33] и др., анализ которых показывает, что в организации процедуры технической эксплуатации СЭУ существенное место занимает информационное обеспечение самих технических процессов ТО и Р. В частности в работе [26] отмечается, что согласно СОЛАС (Международная конвенция по охране человеческой жизни на море) и ПДМНВ (Международная Конвенция о подготовке дипломированных моряков и несении вахты), как международных соглашений, так и Правил технической эксплуатации судов, особо выделяется необходимость наличия соответствующего потока информации о всем, что происходит на судне.

Относительно ТО и Р наличие соответствующей информации о техническом состоянии элемента СЭУ подразумевает внесение обоснованных изменений в объем и периодичность выполнения соответствующих работ по поддержанию работоспособности элемента СЭУ. При выполнении работ, связанных с проведением ТО, первоочередную роль играет соответствующее алгоритмическое обеспечение обработки данных информации о изменении работоспособности элемента СЭУ.

Вопросам общего алгоритмического обеспечения выполнения процедур технического обслуживания оборудования СЭУ посвящены работы отечественных авторов: Э. К. Блинова, Г. Ш. Розенберга, В. С. Гаврилова,.

М.М.Гальперина, Е. Н. Климова, А. В. Мозгалевского, Ю. Н. Мясникова, Л. Г. Соболева, В. П. Калявина, Г. В. Гаскарова, А. М. Никитина, В. В. Медведева, Д. С. Семионичева [5, 8,14, 15, 21, 23 — 26, 33, 36]. Среди работ зарубежных авторов следует указать работы Д. Андерсона, X. Паул Баррингера, Дж.М. Ма-убрея [44−53, 58].

Вместе с тем следует отметить, что в данных работах не рассматриваются законченные алгоритмы прогнозирования технического состояния оборудования СЭУ, применимые к выполнению процедуры технического обслуживания и ремонта данного оборудования по его фактическому состоянию на основе обработки временных рядов. Особенно это касается алгоритмов прогнозирования на основе обработки временных рядов контролируемых параметров элементов СЭУ. Такие алгоритмы связаны с обоснованным предсказанием возможного выхода элемента СЭУ на допустимые эксплуатационные значения по контролируемым параметрам.

Данная диссертационная работа является развитием и, по мнению автора, одним из логических завершений разработки алгоритмического обеспечения по управлению работоспособностью элементов энергетического оборудования на интервале прогнозирования.

3. 4 Выводы по главе.

В результате выполненных исследований, разработана процедура прогнозирования работоспособности элементов СЭУ. На основе процедуры разработаны методические указания по организации процедуры прогнозирования и абстрактная модель в виде алгоритма управления работоспособностью элементов СЭУ с необходимым программным обеспечением. Программное обеспечение позволяет минимизировать работу оператора (ЛПР), как элемента комплексной автоматизированной системы управления СЭУ.

Примеры практического применения разработанного алгоритма прогнозирования работоспособности элементов СЭУ рассмотрим в следующей главе.

Глава 4 Экспериментальное подтверждение работоспособности алгоритма.

В данной главе рассматриваются примеры, подтверждающие возможность практического применения разработанного алгоритма прогнозирования работоспособности элементов СЭУ. В примерах использованы данные, полученные методом компьютерного моделирования временных рядов контролируемого параметра, имеющих место в типовых узлах элементов СЭУэкспериментальные данные, полученные на опытном стенде для имитации расцентровки, дисбаланса и состояния подшипников АР7000 и независимые данные, взятые из источников, датированных разными годами. Все использованные данные отражают изменение работоспособности ТУ элементов СЭУ. Результаты экспериментальных исследований подтверждают универсальность разработанного алгоритма и возможность на его основе решать задачи прогнозирования изменения работоспособности типовых узлов элементов СЭУ.

4. 1 Оценка работоспособности алгоритма методом компьютерного моделирования.

Наличие ограничений типа: выявление опасных ситуаций, которые материализованы в прошломневозможность учесть роль человеческого фактора в возникновении аварийного случаяпринятие решений в условиях, когда исходные данные заданы в неявном видесложность получения вариантов управления риском отказа главного дизелянеполнота исходных данных, заметно снижают эффективность прогнозирования, в частности, остаточного ресурса [21]. Эти ограничения можно исследовать методом компьютерного моделирования.

Суть моделирования заключается в том, что по математической модели, описывающей рассматриваемый процесс, производится расчет параметров. При этом учитываются те случайные параметры, значения которых соответствуют некоторым законам распределения.

Основными этапами реализации компьютерного моделирования являются: определение законов распределения параметров входных данных, которые имеют характеристики рассеиваниягенерация случайных чисел с заданными законамипостроение и реализация расчетной моделистатистическая обработка результатов моделирования.

Исходным материалом для получения случайных чисел с заданным законом распределения служат равномерно распределенные случайные числа в интервале [0, 1] или [-1, +1].

Для реализации некоторого распределения достаточно применить нелинейное преобразование N = (/?), где Л — исходное случайное равномерно распределенное число, N — случайное число с функцией распределения /7, К1 — функция обратная по отношению к Р.

Например, для получения случайного числа У распределенного по нормальному закону с математическим ожиданием цу и дисперсией сгу, нормальный закон имеет форму плотности вероятности, представленную на рисунке 4.1.1.

Математически плотности распределения можно представить: у.

4.1.1).

При переходе к нормированной случайной величине.

Плотность распределения этой нормированной величины N имеет вид:

1 1−2.

Рисунок 4.1.1 — Плотность вероятности нормального закона распределения с различными ¡-лх, и.

Соответственно нормированная функция распределения вероятности будет иметь вид: 0.5 +<�р (М), (4.1.4).

1 2 Нг) где) = , — |е' 2 'сШ — функция Лапласа. (4.1.5).

12л о рСЛО, ц= о. с- =0.2 м = а я- = 1. о — ц = о. сг- = 5 0 (i = -2, О* = 0.5 i"i— 3 N.

Рисунок 4.1.2 — Функция нормального закона распределения с различными juv и сг.

Цвета линий на графиках 4.1.2 соответствуют линиям графиков рисун-4.1.1. i.

14 X 7 6 3.

4 .1 ттт.

0.7 «6.

I I О.

Р01 f (N) .

1)9 ОХ.

0.7 06 О J 0.4 0J OJ О I а.

Y Г>< > «, сг» — !0 • J 4 < N ц" ll. tr «10 I I Э 4.

На рисунке 4.1.3 стрелками показана процедура получения случайного числа N распределенного по нормальному закону из исходного случайного числа Я с равномерным законом распределения вероятности [0,1]. Проецирование точки Я на ось абсцисс N соответствующей нелинейному преобразованию числа Я = 0.5 +, согласно соотношению.

Л^-'С^КЯ-0.5), (4.1.6) где — функция обратная функции Лапласа.

Из нормированного случайного числа N можно получить произвольное случайное число У с заданными ¡-иу и <7у: = ау. Ы + му- (4.1.7).

В результате функция плотности распределения случайной величины У имеет форму:

Р (У).

В таблице 4.1.1 представлены рекомендации по выбору других законов распределения для некоторых элементов СЭУ, полученных на основании исследования данных о фактических отказах [33].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В результате выполненного комплекса теоретических и экспериментальных исследований разработан алгоритм управления работоспособностью элементов СЭУ по фактическому состоянию. Процедура прогнозирования работоспособности элементов СЭУ базируется на едином математическом аппарате обработки временных рядов контролируемых параметров наблюдаемого элемента. В работе получены следующие результаты:

1. Научно обоснованны технические разработки, предназначенные для повышения эксплуатационной надежности элементов судовой энергетической установки.

2. Доказано, что эффективным путем обеспечения надежности судовой эксплуатации СЭУ в целом, является переход на технологию обслуживания ее элементов по фактическому состоянию с учетом данных системного наблюдения и прогнозирования работоспособности, которые осуществляются на базе автоматизированных контрольно-измерительных бортовых систем.

3. Теоретически обоснован и экспериментально подтвержден принцип выбора аналитического выражения функции прогнозирования работоспособности контролируемого элемента СЭУ из числа конкурирующих функций на основе коэффициента корреляции параметров аппроксимирующей и исходного временного ряда контролируемого параметра функции с учетом ожидаемой точности прогноза.

4. Обоснована целесообразность использования уставки допустимого значения удоп контролируемого параметра элемента СЭУ. При этом, допустимая уставка назначается на основе рекомендаций завода изготовителя элемента и в зависимости от класса надежности элемента. Если таких рекомендаций нет, уставка назначается с учетом опыта эксплуатации однотипных элементов СЭУ. Уставка позволит оценить запас работоспособности контролируемого элемента СЭУ параллельно с выполнением процедуры прогнозирования.

5. Экспериментально подтвержден теоретически разработанный принцип назначения начала процедуры прогнозирования работоспособности и срока выполнения ТО элемента СЭУ по достижении контролируемым параметром уставки, равной 0,85 или 1,15 от допустимого значения с учетом знака параметра тренда функции прогнозирования.

6. Подтверждено экспериментально, что для нахождения аналитического выражения функции прогнозирования достаточно иметь выборку временного ряда в 10. 15 ретроспективных данных, поскольку более далекие данные о процессе деградации работоспособности элемента СЭУ малоэффективны для целей прогнозирования — они слабо связаны с будущим.

7. Разработан алгоритм управления работоспособностью элементов СЭУ по фактическому состоянию на интервале прогнозирования. При этом основным управляющим воздействием является своевременное техническое обслуживание элемента. Одним из факторов, влияющих на достоверность прогнозирования, является правильный выбор вида аппроксимирующей функции и определение численных значений её коэффициентов. Алгоритм автоматически определяет приоритетную аппроксимирующую функцию, по наименьшему значению среднеквадратической ошибки аппроксимации.

8. Разработано программное обеспечение, позволяющее, исходя из фактического технического состояния элемента СЭУ, по контролируемому параметру дать прогноз относительно запаса работоспособности элемента СЭУ и определить срок выполнения ТО с целью исключения возможности наступления аварийной ситуации.

9. Разработанное программное обеспечение обладает универсальностью и применимо практически для любых контролепригодных элементов СЭУ, при условии, что контролируемый параметр в функции времени имеет наиболее сильную причинно-следственную связь с процессом деградации работоспособности элемента.

10. На основании сопоставления результатов расчетов с экспериментальными данными сделан вывод о том, что использование на практике разработанного алгоритма и соответствующего программного обеспечения позволяет прогнозировать изменение работоспособности элементов СЭУ с погрешностью, не превышающей относительную энтропийную погрешность.

11. Реализация полученных в диссертационной работе решений предлагает научно-обоснованную возможность перехода от системы управления ТО элементов СЭУ по регламенту к системе управления по фактическому состоянию. Такой переход представляется экономически целесообразным вследствие повышения надежности элементов СЭУ.

В целом выполненные исследования являются решением проблемы эффективного использования ФСМ, цель которых состоит в обеспечении надежной и безаварийной эксплуатации энергетических установок.

Результаты научно-исследовательской работы по теме диссертации отражены в 2 дипломных работах выпускников кафедры Судовой автоматики и измерений СПбГМТУ.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Максимова М. А. Техническое обслуживание электроприводного судового энергетического оборудования по фактическому состоянию. -Сборник трудов международной научно-технической конференции, Тольятти: ТГУ, 2009, с. 93−97, (автор 100%).

2. Максимова М. А., Хруцкий О. В. Алгоритм технического обслуживания объектов ВВТ по фактическому состоянию. — Военная радиоэлектроника: опыт использования и проблемы подготовки специалистов. XX научно-техническая межвузовская конференция. Часть П1. Петродворец.: ВМИРЭ им. А. С. Попова, 2009, с. 240−245, (автор 75%).

3. Максимова М. А. Алгоритм прогнозирования деградационных процессов. — CD-R Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов: ВПБ-09: девятая сессия международной научной школы, 26.10.2009;30.10.2009: материалы школы, документы, программа, сборник докладов, презентация СПб и др. СПб: ФГУП НТЦ «Ин-формрегистр», регистрационное свидетельство № 18 020 от 21.12.09, 2009, (автор 100%).

4. Погуляева (Максимова) М. А. Алгоритм прогнозирования работоспособности подшипниковых узлов на основе обработки виброакустических данных. — Труды Центрального научно-исследовательского института имени академика А. Н. Крылова, выпуск 57(341), инв. №Л-700, СПб, 2010, с. 221−230, (автор 100%).

5. Погуляева (Максимова) М. А. Прогнозирование работоспособности подшипниковых узлов на основе обработки данных временного ряда контролируемого параметра, — Морские интеллектуальные технологии № 3. СПб, 2010, с.44−47, (автор 100%).

6. Погуляева (Максимова) М.А., Хруцкий О. В. Техническое обслуживание судового энергооборудования по фактическому состоянию. — Турбины и Дизели № 5. Рыбинск: ООО «Периодика», 2010, с. 52−56, (автор 50%).

7. Погуляева (Максимова) М. А. Один из методов технического обслуживания судового энергетического оборудования по фактическому состоянию. — Сборник научных трудов Международной конференции Двигатель — 2010, М: МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2010, с. 87−92, (автор 100%).

8. Погуляева (Максимова) М. А. Прогнозирование момента замены смазки подшипников качения, с использованием метода пик — фактора. -Сборник научных трудов X Международной конференции. Трибология и надежность. СПб: ПГУПС, 2010, с. 49−56, (автор 100%).