dis_volkova_l_yu

21

В процессе диагностирования необходимо правильно понимать термины,

при помощи которых оценивается состояние объекта (исправное состояние, по-

вреждение, отказ). Ниже приводятся основные свойства, состояния, события,

наработки объекта для оценки его технического состояния [15].

Надежность – свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах.

Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособное состояние в течение определенного времени.

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Исправное состояние – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-технической документации.

Предельное состояние – состояние объекта, при котором его дальнейшая эксплуатация недопустима или нецелесообразна.

Неисправность или повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении работоспособности.

Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состоя-

ния объекта, исключающее возможность его дальнейшего функционирования.

Ресурс – суммарная наработка объекта от начала его эксплуатации до пере-

хода в предельное состояние.

Остаточный ресурс – суммарная наработка объекта от момента контроля

(диагностирования) его технического состояния до перехода в предельное.

При идентификации неисправностей машин требуется больший объем и анализ информации. При этом необходимо определить место возникновения дефекта и оценить степень его развития.

Наиболее сложной задачей является прогноз изменения технического со-

стояния, позволяющий определить остаточный ресурс.

22

В настоящее время под термином мониторинг технического состояния по-

нимается весь комплекс процедур оценки состояния машин или оборудования:

–защита от внезапных повреждений (поломок);

–предупреждение об изменении технического состояния;

–обнаружение дефектов на ранних стадиях эксплуатации (зарождающихся дефектов), определение места их появления, вида и степени развития;

–прогноз изменения технического состояния оборудования.

Суть технической диагностики определяют оценка и прогноз состояния объекта по результатам прямых или косвенных измерений параметров состоя-

ния или диагностических параметров [19, 20, 21, 22]. Значение диагностическо-

го параметра не дает оценки технического состояния объекта. Необходимо знать не только фактическое состояние объекта Dфак, но и эталонное (норма-

тивно-техническое значение) Dэт. Разность между фактическим и эталонным значениями диагностических параметров называется диагностическим симпто-

мом ∆.

Оценка технического состояния объекта определяется величиной отклоне-

ния фактических значений его параметров от эталонных (контрольных) значе-

ний. Любая система технической диагностики работает на принципе анализа отклонений и сравнения с допустимыми нормативно-техническими или кон-

структорскими параметрами объекта (двигателя, его механизмов и систем).

Степень достоверности и точность диагноза технического состояния объекта зависят от применяемой методики, аппаратуры и ее погрешности.

Любой механизм или систему подачи топлива можно рассматривать как техническую систему, предназначенную для выполнения заданных функций.

Множество возможных технических состояний системы топливоподачи возможно разбить (рисунок 1.5) на четыре подмножества: топливная система исправна Ти, неисправна Тни, работоспособна Тр, неработоспособна Тнр.

Между этими подмножествами существуют следующие соотношения:

подмножество Ти входит составной частью в подмножество Тр, а подмножество

23

Тнр входит составной частью в подмножество Тни . Подмножества Тр и Тни пере-

секаются и имеют общую часть, а подмножества Тр и Тнр, Ти и Тни не пересека-

ются, то есть несовместны. Следовательно, функциональные блоки системы могут находиться в одном из трех основных состояний: исправен и работоспо-

собен; неисправен, но работоспособен; неисправен и неработоспособен [34].

Рисунок 1.5 – Разбиение множеств технических состояний системы:

1 – топливная система исправна и работоспособна;

2 – топливная система неисправна, но работоспособна;

3 – топливоподача неисправна и неработоспособна

Эталонное (контрольное) значение параметра – значение исправного со-

стояния объекта, при котором он соответствует всем требованиям нормативно-

технической или конструкторской документации и может выполнять на требу-

емом уровне возложенные на него функции.

Диагностический сигнал – контролируемая характеристика объекта, ис-

пользуемая для выявления диагностических признаков. По диагностическому сигналу может классифицироваться вид мониторинга (контроля) и диагностики

(вибрационная, акустическая, тепловая, газодинамическая, электрическая).

Диагностический признак – свойство объекта, качественно отражающее его состояние, в том числе появление каких-либо неисправностей.

Диагностическая система – совокупность аппаратных и программных средств для измерения, обработки и интерпретации диагностического сигнала.

24

Система может состоять из датчиков, измерительных приборов, усиливающей и регистрирующей аппаратуры, набора правил, методик, программ.

Диагностический эксперимент – испытание объекта диагностики с це-

лью получения необходимой информации для определения его состояния. Диа-

гностирование может выполняться в мастерских и в условиях эксплуатации.

1.3. Классификация диагностических систем

Диагностические системы характеризуются большим разнообразием тех-

нических средств измерения и обработкой сигнала, а также методов и правил решения диагностических задач. Классификация диагностических систем пред-

ставлена на рисунке 1.6 [23].

Рисунок 1.6 – Классификация диагностических систем

Методы функционального диагностирования предусматривают получение данных о техническом состоянии двигателя и его узлов без его разборки и вы-

вода из эксплуатации. Существуют следующие методы функционального диа-

гностирования в зависимости от измеряемой величины на основе анализа:

25

– рабочего процесса по индикаторной диаграмме; пропусков воспламенения топлива в цилиндрах; виброакустических, тензометрических колебаний проте-

кающих процессов в системах дизеля; химического состава отработавших га-

зов; неравномерности частоты вращения коленчатого вала дизеля.

Метод диагностирования на основе анализа параметров рабочего процесса используется для комплексной и локальной (местной) оценки технического со-

стояния двигателя. Методика основана на сравнении фактических показателей работы двигателя с заранее известными неисправностями (отказами) или эта-

лонными (контрольными) значениями параметров.

Анализ неисправностей двигателя показывает, что наиболее частые отказы имеют системы подачи топлива (насосы высокого давления, форсунки), меха-

низмы газораспределения и детали цилиндропоршневой группы. Неисправно-

сти указанных систем ДВС могут развиваться постепенно (износ) или мгновен-

но. Их появление приводит к ухудшению показателей работы двигателя – по-

вышению расхода топлива, снижению мощности, повышению токсичности от-

работавших газов. Таким образом, возникновение указанных неисправностей отражается на ухудшении рабочего процесса двигателя. По этой причине кон-

троль протекания рабочего процесса эффективен для прогнозирования техниче-

ского состояния систем двигателя.

Вид диагностического сигнала может быть получен с использованием дат-

чиков акустических, вибрационных, тепловых, газодинамических, оптических,

тензометрических, пьезокварцевых.

Уровень автоматизации может быть экспертным и автоматическим. Диа-

гностическое оборудование может быть переносным и встроенным, а вид диа-

гностического эксперимента – тестовый или функциональный.

В зависимости от степени автоматизации решение о техническом состоянии объекта принимает человек (эксперт) или компьютерная программа.

Новым этапом в развитии средств диагностики систем двигателя стало развитие электроники и компьютерной техники [23]. На рисунке 1.7 представ-

лена схема, состоящая из первичных преобразователей диагностического сиг-

26

нала (датчиков) в электрическую величину, усилителя, устройства преобразо-

вания и согласования сигналов (аналогово-цифровой преобразователь), опера-

тивного запоминающего устройства и персонального компьютера с монитором для фиксирования сигналов с датчиков.

В качестве датчиков давления широкое применение нашли вибрационные,

пьезоэлектрические либо тензометрические. Для фиксирования перемещения иглы форсунки, хода нагнетательного клапана насоса высокого давления при-

меняют индуктивные датчики.

Рисунок 1.7 – Электронный индикатор на базе персонального компьютера:

АЦП – аналогово-цифровой преобразователь; ОЗУ – оперативное запоминающее устройство

Большинство измерительных устройств основано на преобразовании не-

электрических величин в электрический сигнал. Структурная схема измерения состоит из первичного преобразователя (датчика), измерительной цепи, преоб-

разователя и блока индикации. В качестве преобразователей вибрации часто применяют конденсаторные и пьезоэлектрические преобразователи [111, 112].

Стремительное развитие микроэлектроники привело к внедрению аппарат-

ных комплексов, позволяющих анализировать параметры рабочего цикла ДВС.

С помощью автоматизированных систем технического диагностирования по-

явилась возможность получения объективной информации о техническом со-

стоянии двигателя, его систем и прогнозирования его работоспособности [24].

27

Системы технической диагностики были созданы в Норвегии (Predikate),

Швеции (Cylmate), Франции (PED) и Дальневосточном (Россия) государ-

ственном университете путей сообщения – «Магистраль».

Немецкая машиностроительная компания «MAN Diesel Turbo» разработала систему диагностирования судовых дизелей «CoCos-EDS» (Computer Controlled Surveillance Engine Diagnostics System). Программный комплекс ведет ав-

томатический сбор и анализ параметров главного дизеля и его систем. Такие системы позволяют сравнивать текущие показатели с эталонными (контроль-

ными) значениями рабочего процесса.

1.4. Диагностирование топливной аппаратуры вибрационным способом

Акустические колебания представляют собой механические колебания ча-

стиц упругой среды. Так, внешний возмущающий импульс (например, удар) по поверхности тела сжимает слой, прилегающий к поверхности, и сообщает ему скорость. Возникающие силы упругости ускоряют следующий слой и дефор-

мируют его. Упругие силы, возникающие при деформации второго слоя, оста-

новят первый и вернут его в недеформированное состояние. Второй слой пере-

дает деформацию далее, в теле возникает упругая волна, которая будет перено-

сить исходное возмущение в продольном или поперечном направлении.

Колебание частиц в зависимости от частоты разделяют на инфразвуковые

(до 16 Гц), звуковые, слышимые ухом человека (от 16 до 20 000 Гц), ультразву-

ковые (более 20 000 Гц). Для неразрушающего контроля используют ультра-

звуковые приборы [25]. Для возбуждения и регистрации упругих волн приме-

няют пьезоэлектрические и электромагнитные преобразователи. В пьезоэлек-

трическом преобразователе (ПЭП) активными элементами являются пластины,

изготовленные из природного кварца или титана бария. На плоские поверхно-

сти пластин наносят слой серебра, служащий электродом. При деформации пластины из кварца на ее поверхности возникает электрический заряд (прямой

28

пьезоэффект), а при подаче знакопеременного электрического напряжения внутри пластины возникают упругие колебания (обратный пьезоэффект).

При возникновении упругих колебаний толщина пластины изменяется с учетом величины амплитуды (например, на 1 мкм). При изготовлении столбика из кварца, содержащего 100 пластин, его длина при подаче напряжения увели-

чится на 100 мкм или 0,1 мм. Данный эффект используют при создании нового поколения форсунок с пьезокварцевым управлением для подачи топлива в ци-

линдры двигателя. Частота колебаний может достигать несколько тысяч в се-

кунду, что позволяет управлять процессом впрыска, открывать и закрывать иг-

лу форсунки несколько раз (многофазный впрыск).

На рисунке 1.8 представлена схема конденсаторного (электрического) пре-

образователя вибрации (микрофона) [23].

Рисунок 1.8 – Датчик вибрационного (конденсаторного) типа

Чувствительным элементом является мембрана, которая представляет одну из обкладок конденсатора. Второй обкладкой является корпус. При воздей-

ствии на мембрану звукового давления она перемещается на величину Х, вслед-

ствие чего уменьшается расстояние между обкладками конденсатора δ, а сле-

29

В процессе диагностирования применяют также датчики вибрации с ис-

пользованием пьезоэлектрического эффекта. Между подвижной мембраной и корпусом датчика размещают кварцевый диск. При перемещении мембраны (от звуковой волны, вибрации) пластинка кварца деформируется с образованием заряда на ее обкладках. Выходной сигнал снимается с обкладки кварцевого диска и корпуса датчика.

Работа двигателя внутреннего сгорания, его механизмов и систем сопро-

вождается вибрацией. Между уровнем вибрации и техническим состоянием объекта существует взаимосвязь. По мере износа деталей механизмов увеличи-

ваются зазоры в сопряженных парах и повышается кинетическая энергия удар-

ных воздействий.

Ударные воздействия повышаются с увеличением хода иглы распылителя форсунки в процессе эксплуатации. В этом случае определяют коэффициент амплитуды, равный отношению максимального значения сигнала к его средне-

му значению. Среднее значение сигнала определяется для начального значения максимального хода иглы согласно техническим данным завода-изготовителя.

Если коэффициент амплитуды более 1,5, то распылитель требует замены.

Например, у нового распылителя максимальный ход иглы 0,5 мм, в процессе эксплуатации он увеличился до значения 0,8 мм. В данном случае нужна замена распылителя.

Фазовые характеристики сигнала от вибрации применяют для определения времени возникновения событий и сопровождаются ударными воздействиями в механизмах. Например, при работе дизеля ударами сопровождается работа кла-

панов механизма газораспределения, насоса высокого давления, форсунки при движении иглы распылителя.

На рисунке 1.9 показана временная реализация вибрации, которая была за-

фиксирована датчиком, установленным на корпусе форсунки [23].

Продолжительность сигнала хорошо согласуется с ходом иглы форсунки,

что позволяет определить по параметрам вибрации продолжительность впрыс-

30

ка топлива. На осциллограмме нужна отметка верхней мертвой точки (ВМТ),

что позволит определить угол начала подачи топлива (опережение впрыска).

Рисунок 1.9 – Эталонная осциллограмма хода иглы распылителя:

1 – удар иглы об упор во время ее подъема; ВМТ – верхняя мертвая точка;

2 – удар иглы о поверхность посадочного конуса; 1–2 – отметки,

определяющие продолжительность впрыска топлива

Диагностирование технического состояния форсунки по параметрам виб-

рации может быть выполнено сравнением эталонной вибродиаграммы с факти-

ческой. На рисунке 1.10 представлены результаты виброметрии форсунок с за-

ведомо известными дефектами. Видно, что для случая с поломанной пружиной

(рисунок 1.10, а) второй импульс вибрации, возникающий в момент посадки иглы на седло, характеризуется увеличенной продолжительностью колебатель-

ного процесса с большими амплитудами, чем у эталонной форсунки. Это объ-

ясняется многократными ударами движущейся иглы, вызванными колебаниями остаточного давления в трубопроводе и силами инерции иглы.

При частичной потере подвижности иглы форсунки (рисунок 1.10, б) от-

сутствует первый импульс. Игла не может достичь ограничителя и совершить удар. При посадке иглы на седло возникает только один импульс. При полной потере подвижности иглы отсутствуют первый и второй импульсы.

Имея набор осциллограмм с заранее известными неисправностями, сравни-

тельным способом можно определить вид повреждения.