На правах рукописи

Тормашев Дмитрий Сергеевич

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ

ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ НАСОСОВ СИСТЕМ СУДОВЫХ

ДИЗЕЛЕЙ

Специальность: 05.08.05 – Судовые энергетические

установки и их элементы (главные и вспомогательные)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Новороссийск – 2012

Работа выполнена в ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор, профессор кафедры «Эксплуатация судовых механических установок», ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Башуров Борис Павлович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, главный научный сотрудник Отделения судовой энергетики ФГУП ЦНИИ им. академика А.Н. Крылова Мясников Юрий Николаевич кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры «Ремонт судовых машин и механизмов», ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф. Ушакова»

Пальчик Казимир Беркович

Ведущая организация:

ФБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций»

Защита состоится «30» мая 2012 г. в 11.00 часов на заседании диссертационного совета Д 223.007.01 при ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова» по адресу: 353918, г. Новороссийск, пр.Ленина, 93.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова», г. Новороссийск, пр. Ленина, 93.

Автореферат диссертации разослан «_»_2012 года

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.007.01, д.т.н., профессор Е.В. Хекерт Перечень принятых сокращений СД – судовой дизель ОС – обслуживающие системы СС – система смазки ТС – техническое состояние ДЭУ – дизельная энергетическая установка ТЭ – техническая эксплуатация ФН – функциональная надежность ДП – диагностические показатели ПР – потенциальный ресурс МРП – межремонтный период ТО и Р – техническое обслуживание и ремонт ССД – системы судовых дизелей ЖЦ – «жизненный» цикл МНК – метод наименьших квадратов ЦН – центробежные насосы СУ – сальниковое уплотнение

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА

Актуальность. Основным связующим элементом комплекса системы – судовой дизель (СД) являются насосы. Их техническое состояние (ТС) и уровень функциональной надежности (ФН) оказывают существенное влияние на изменение параметров работы СД и эффективность их работы. Особенно это касается комплексов: система охлаждения (СО) – насос – СД; система смазки (СС) – насос – СД; топливная система (ТС) – насос – СД. Выход из строя насосов этих комплексов может привести к ухудшению условий смазки СД, изменению частоты вращения, повышению теплонапряженности и, в конечном итоге, снижению эффективности работы СД, а в целом эксплуатационных качеств дизельной энергетической установки (ДЭУ) и экономических показателей работы судна. Поэтому проблема повышения эффективности технической эксплуатации (ТЭ) ДЭУ является актуальной и имеющей практическое значение.

Объект исследования – насосы комплекса системы – судовой дизель.

Предмет исследования – техническое состояние и функциональная надежность насосов комплекса системы – судовой дизель.

Цель диссертационной работы – повышение эффективности ТЭ СД на основе создания механизма, обеспечивающего переход насосов систем смазки, топливной, охлаждения и утилизации тепла вторичных энергоресурсов на ТО и ремонт по фактическому техническому состоянию.

Достижение поставленной цели осуществляется на основе решения следующих задач:

- проведение экспертно-статистических исследований ФН на основе сбора, систематизации и обобщения фактологической информации с использованием различных информационных источников;

- проведение натурных испытаний, анализ результатов и обобщение опыта ТЭ в реальных условиях;

- разработка критериев ТС и сравнительной оценки уровня ФН при работе в различных режимах;

- получение качественных и количественных показателей ФН;

- разработка нормативной базы диагностических показателей (ДП) на основе результатов натурных испытаний и оценка фактического ТС;

- разработка математических моделей прогнозирования ФН и критериев оценки расходования потенциального ресурса (ПР) в процессе ТЭ;

- разработка практических рекомендаций по обеспечению ФН в межремонтном периоде (МРП);

- создание информационно-статистического банка данных для практической реализации системы технического обслуживания и ремонта (ТО и Р) по фактическому ТС.

Методы решения поставленных задач основываются на: экспертной оценке ФН с использованием информации аргументированных мнений специалистов эксплуатационного профиля, ее формализации, статистической обработке, анализе полученных результатов и их интерпретации; применении общего закона надежности технических изделий; использовании принципов системного анализа, математического моделирования, оценки ПР, регрессионных функций.

Наиболее существенные результаты, полученные лично соискателем состоят в:

- систематизации и обобщении опыта ТЭ, получении качественной и количественной отказной информации, выявлении узлов и деталей с минимальным уровнем ФН, установлении закономерностей изменения ее в процессе ТЭ;

- разработке комплекса критериев оценки ТС, математических моделей прогнозирования ФН и расходования ПР при ТЭ;

- создании механизма обеспечения ФН на стадии ТЭ.

Научная новизна определяется:

1. Созданием информационно-статистического банка данных, позволяющим оценивать фактическое текущее ТС насосов при их работе в составе систем судовых дизелей (ССД).

2. Разработкой комплекса критериев и математических моделей по оценке ФН и ее прогнозирования на стадии ТЭ в виде обобщенных показателей, функций, аппроксимационных зависимостей показателей безотказности от наработки.

3. Разработкой методического обеспечения перехода на менее затратную по сравнению с существующей технологию ТО и ремонта по прогнозируемому техническому состоянию.

Практическая значимость состоит в разработке комплекса, позволяющего реализовать систему ТО и Р по фактическому ТС, основывающегося на выборе определяющих факторов, нормативной базе, стратегии ТО и Р, мониторинге отказов и способах снижения расходования ПР в МРП.

Достоверность научных результатов обеспечивается использованием совокупности методов и методик исследования, включающей: экспертные оценки; регрессионный и корреляционный анализ; построение математических моделей; натурные испытания с использованием современных методов и средств;

системный анализ взаимодействия элементов с обслуживаемым объектом, обработку статистической информации и оценку погрешностей; репрезентативность опытных данных и их сходимость при реализации математических моделей в допустимых для практики пределах.

На защиту выносятся:

1. Информационно-статистический банк данных в виде систематизированной, обобщенной и классифицированной информации по отказам и нормативной базы ДП по оценке фактического ТС насосов ССД.

2. Комплекс критериев и математических моделей по оценке ФН, ее прогнозирования и расходования ПР при ТЭ.

3. Комплекс мероприятий по контролю и учету фактического ТС, мониторингу отказов и снижению расходования ПР насосов при ТЭ в составе ССД.

Апробация и внедрение результатов исследования. Содержание диссертации обсуждалось и получило одобрение в Санкт-Петербурском государственном университете водных коммуникаций и Морской государственной академии имени адмирала Ф.Ф. Ушакова. Основные положения и результаты опубликованы в виде тезисов докладов и научных статей в материалах Международных научно-практических конференций и Всероссийской межотраслевой научнотехнической, проводимых в Санкт-Петербурском политехническом университете, Санкт-Петербурском морском техническом университете и научнотехнических конференций МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова. Материалы диссертации прошли внешнее рецензирование и опубликованы в виде научных статей в изданиях по перечню ВАК Минобрнауки РФ: «Двигателестроение», «Судостроение», Труды института системного анализа Российской академии наук. Результаты выполненных исследований нашли практическое применение при: разработке учебных программ специальностей эксплуатационной направленности в МГА имени адмирала Ф.Ф.Ушакова и ее филиалах, института повышения квалификации специалистов морского, речного и рыбопромыслового флота, издании научно-методической литературы, выполнении курсового и дипломного проектирования по специальности: «Эксплуатация судовых энергетических установок», подготовке докладов курсантов и студентов на научнотехнические конференции; внедрены в эксплуатационную практику ряда судоходных компаний.

Структура и объем. Диссертация состоит из: списка сокращений; введения; четырех глав; заключения; списка литературы; опубликованных научных трудов автора по отдельным разделам и приложения. Содержание изложено на 143 страницах, включая 53 рисунка, 28 таблиц; списка литературы из наименований и перечень, включающий 11 публикации (одноименно и в соавторстве). Объем приложения к диссертации составляет 90 страниц, включая акты внедрения ее результатов.

СОДЕРЖАНИЕ

Во введении обоснованы актуальность темы, сформулированы цель исследования и решаемые задачи, отмечены научные результаты, полученные в диссертации, показана их практическая значимость.

Первая глава посвящена аналитическому обзору научных работ в области надежности оборудования систем (ОС) ДЭУ. Показано, что проблема надежности ОС находится в тесной взаимосвязи с развитием методов оценки ТС и его прогнозирования. Масштабные исследования в этой области проведены Д.В. Гаскаровым, М.И. Левиным, Е.Н. Климовым, В.В. Медведевым, А.В. Мозгалевским, Ю.Н. Мясниковым, А.М. Никитиным, В.Н. Половинкиным, Г.Ш. Розенбергом, В.В. Сахаровым, Л.В. Тузовым, О.В. Хруцким и многими другими.

Одним из наиболее приоритетных элементов ОС являются насосы. Они в составе ССД в значительной степени оказывают влияние на ФН, а вместе с тем экономичность ДУ и в целом безопасность плавания судна. Анализ результатов проведенного аналитического обзора работ, касающихся насосов, свидетельствует о том, что большая часть литературных источников посвящена вопросам теории, расчетов и в меньшей степени ТЭ. Проектирование и расчет насосов выполняются, как правило, из условия их работы в номинальном режиме. Однако в процессе ТЭ в составе ССД они могут работать в режимах, отличных от номинальных. Опыт ТЭ показывает, что даже самый надежный насос, работающий в таких режимах, быстро выходит из строя. Исходный уровень надежности насоса закладывается на начальном этапе его «жизненного» цикла (ЖЦ) – при создании (проектировании) и обеспечивается на втором (стадии производства). На заключительной стадии ЖЦ (при ТЭ) уровень надежности не соответствует первым стадиям. Это расхождение связано с закономерностями утраты работоспособности и принципами расходования ПР в изменяющихся условиях ТЭ. Количественно такая величина определяется в процессе решения обратной задачи, заключающейся в получении, накоплении и статистической обработке информации по ФН деталей и узлов насосов. Ее решение необходимо для разработки комплекса мероприятий по повышению безотказности и долговечности насосов, обоснования межремонтных периодов, разработки нормативов расхода сменно-запасных частей и др. Одним из приоритетов для организации ТО и Р насосов имеет прогнозирование их ТС при работе в составе ССД, позволяющее установить зависимость вероятности отказа и фактического ресурса узла, детали насоса от характеристик процесса изменения ДП, режима ТО и Р.

Во второй главе дано обоснование выбора объекта исследования, рассмотрены методы, методика оценки ФН, ее прогнозирования и обработки статистических данных. С точки зрения структуризации, объема и глубины анализа (по определению М.И. Левина) дизель-комплексный объект представляется состоящим из объектов трех родов. Одним из основных элементов, входящих в состав практически всех объектов II рода, являются насосы. Они применительно к конкретной системе СД составляют самостоятельный комплекс. Уровень их надежности в значительной степени определяет эксплуатационные качества СД.

Обоснование приоритетности насосов среди других элементов систем на работоспособность СД осуществлялось с использованием экспертных оценок специалистов эксплуатационного профиля различных квалификационных уровней.

В качестве критерия использовался показатель существенности Апс = 1/ран (ран – сумма нормированных рангов с учетом их совпадения по каждому исследуемому фактору). При оценке и прогнозировании ФН насосов систем СД использовано понятие «потенциального ресурса» (Ерпот), определяемое произведением уровней надежности, соответствующих стадиям их ЖЦ. При этом рассматриваются две модели ТЭ (идеальная и реальная). В первом случае Нпр = Нтех = Нэкс, т.е. Ерпот = 1. Во втором Нпр > Нтех > Нэкс, т.е. Ерпот < 1. При переходе от первой стадии ко второй уровень надежности насосов снижается на величину НI,II = Нпр – Нтех и, соответственно, от второй к заключительной на величину НII,III = Нтех – Нэкс. Максимальное различие уровней надежности имеет место между первой (проектирование) и заключительной (ТЭ) стадией, т.е. НI,III = Нпр – Нэкс. Величина НI,III используется в качестве критерия оценки ФН насосов, эксплуатируемых в составе ССД. Методы и методика оценки ФН насосов ССД основываются на энтропийном подходе с использованием общего закона теории надежности для технического изделия, выражающего в виде функции ПР за межремонтный эксплуатационный период (tмэп) где (t) – интенсивность отказов насосов. Оценка (t) на основе эксплуатационной информации затруднительна, проще определить параметр потока отказов (t). Для простейшего потока отказов (t) (t) и выражение (1) представляется в виде:

Вид подынтегральной функции (t) определяется на основе проведения статистического эксперимента с использованием фактологической информации, а для нахождения интеграла используются методы численного интегрирования.

Критериями сравнительной оценки ФН при работе в зонах приработки и стабилизированного режимах являются относительные значения параметра потока отказов * и времени ТЭ t:

При идеальной модели ТЭ *=1 и t*=1 (максимальный уровень ФН). В реальных условиях 1 > * >0 и 1 > t* > 0. Для учета факторов различного характера используются комплексные показатели:

где Кгпр, Ктипр – теоретически достижимые значения коэффициента готовности и технического использования (ТИ) при идеальной модели ТЭ; Кгд и Ктид – соответственно действительные значения при реальной модели ТЭ. В качестве критерия сравнительной оценки расходования ПР на этапе ТЭ насосов используется относительная величина:

где F2 = totмэп Р(t)dt – аппроксимированная функция вероятности безотказной работы насоса (реальная модель ТЭ); F1 – площадь, эквивалентная идеальной модели ТЭ насоса при условии P(t) = 1 в диапазоне наработки от 0 до tмэп.

Прогнозирование количественных показателей надежности основывается на подходе, предложенном Л.Н. Карповым. Методика оценки надежности строится на анализе показателей надежности основных узлов, от качества которых зависит безотказность и ПР объекта в целом (в частности, насоса). Для оценки параметра потока отказов применительно к насосу, он разбивается на сборочные единицы (корпус, рабочее колесо, подшипники, сальниковое уплотнение) с соответствующим параметром потока отказов. В этом случае для базового (бн) и прогнозируемого (нпр) используются зависимости: нб = f( кб, ркб,пб,суб);

нпр = f( кпр,ркпр,ппр,супр). В общем виде параметр потока отказов насоса представляется выражением: н = а + в1к + в2рк + в3п + в4су, где а,в1,.....,в4 – коэффициенты корреляции. Наиболее сложной задачей считается установление однозначного соответствия между физической сущностью неисправности (отказа) и ее математической моделью. Согласно методологического подхода, предложенного Гаскаровым Д.В., категория (процесс изменения ТС) с позиций ее влияния на выбор моделей и алгоритмов прогнозирования выражается в виде:

П = {X,, N, P}, где Х – описывает характер протекания процесса изменения ТС; – его мерность; N – характер нестационарности; Р – вид процесса, характеризующийся законом распределения. Основным условием решения задач прогнозирования является создание семантической среды, представляемой в виде логических моделей (например, коньюктивно-дизьюнктивной КДМ = О ^ П ^ И ^ Л ^ З). При этом выбор модели определяется следующими факторами:

О = {S,I,V,H}, где S – стадия ЖЦ; I – кратность целевого применения; V – вид осуществляемого контроля; H – прикладное назначение объекта. Из них влияние фактора S на постановку задачи прогнозирования является принципиальным. Исходя из этого, модель представляется в виде: КДМos = S1vS2vS3, где стадии ЖЦ: S1 – проектирование; S2 – технологическое изготовление; S3 – ТЭ. При расчете доверительных границ использовались асимптотические формулы Л.Н. Большова и И.А. Рябинина. Оценка наработки между отказами производилась с применением метода Р.Фишера. При разработке математических моделей прогнозирования ФН насосов использованы наиболее информативные показатели (параметр потока отказов и вероятность безотказной работы). Для аппроксимации этих зависимостей от наработки применены два методических подхода (нелинейный метод наименьших квадратов и интерполирование сплайнами).

Расчеты производились в математической системе MATLAB. Для определения точности аппроксимации полиномов различных степеней проводился системный анализ. Данные статистических исследований аппроксимировались полиномами 3 – 8 степеней P3(x) – P8(x). Для каждого полинома производилась оценка ошибок (максимальная E, средняя E1, среднеквадратическая E2) в соответствии с выражениями: E(f) = max1кN [f(xк) – yк ;]E1(f) = 1/N Nк=1 f(xк) – yк ;

E2(f) = (1/N Nк=1f(xк) – yк.2/1) В третьей главе представлены результаты оценки и прогнозирования ФН насосов ССД, полученные на основе выполненных экспертно-статистических исследований, натурных наблюдений и разработанных математических моделей. Исследование проводилось в два этапа. Цель первого (экспертная оценка) заключалась в определении степени значимости насосов по влиянию их ФН на работоспособность СД. Экспертами являлись специалисты эксплуатационного профиля различных квалификационных уровней. Полученные результаты свидетельствуют о высоком уровне приоритетности насосов системы охлаждения (по сравнению с другим оборудованием) с точки зрения влияния их на эксплуатационные качества СД. Цель второго этапа – получение количественной информации в виде обобщения причин отказов, показателей ФН насосов ССД, критериев оценки их ПР, математических моделей прогнозирования безотказной работы при ТЭ. С позиций соотношения возникающих отказов центробежные насосы (ЦН) в ранжированном ряду располагаются в такой последовательности: ЭЦНЭКННЦВВЦН. На насосы типов ЭЦН и ЭКН в совокупности приходится ~ 60% отказов из обследованной группы, а НЦВ и ВЦН - ~ 40%. Отказы насосов обусловлены факторами конструктивного, технологического и эксплуатационного характера (внутренние дефекты материала, перегрузки, нарушение режима работы, ошибки, допущенные при ТО, недостаточная точность и чистота механической обработки, нарушение периодичности проведения профилактических мероприятий, наличие абразивных частиц в смазочных материалах, неисправность смазочных приспособлений и т.п.). Основными узлами, определяющими уровень ФН насосов, являются: уплотнительное устройство; подшипниковый узел; рабочий орган. Преобладающее значение имеют отказы износового происхождения. Далее (в порядке значимости) идут отказы, возникающие вследствие механического разрушения, кавитации и коррозии.

Кавитационные явления являются основным источником отказов рабочих колес и в большей степени способствуют разрушению внутренних поверхностей корпуса. Более 50% отказов приходится на сальниковое уплотнение (СУ). Оно, как динамический узел, обусловлено факторами эксплуатационного характера (нагрузка, скорость скольжения, шероховатость и параллельность контактных поверхностей, температура уплотняемой среды, форма зазора, сочетание материалов пары трения, параметры уплотняемой среды, режимы работы – трение, вибрация, гидравлические удары, перерывы в движении, пуск под нагрузкой, нагрев или охлаждение, радиальные биения). Основные причины – низкое качество изготовления деталей и их материала, сборочно-монтажных работ и производственно-технологические дефекты.

Обобщенная информация по показателям ФН насосов ССД представлена в таблицах 1 – 3, а изменение потока отказов от наработки – на рисунках 1 – 4.

Система утилизации Количественные значения показателей высокопотенциального Циркуляционные:

P(tмэп) = e-Н(tмэп) – вероятность безотказной работы за межремонтный эксплуатационный период (tмэп); Н(tмэп) = ср*tмэп – среднее количество отказов; tмэп = 25*103ч.

Рисунок 1 – Система охлаждения (центробежные Рисунок 2 – Система смазки насосы):1-второй контур; 2 – первый контур (винтовые насосы) Рисунок 3 – Система смазки (шестеренные Рисунок 4 – Системы утилизации высокопотеннасосы):1–уплотнительное устройство; циального тепла СД (центробежные насосы):

2 – шестерни; 3 – подшипники. 1-циркуляционные (Польша); 2 - циркуляционные Полученные зависимости параметра потока отказов от наработки (t) отражают процесс расходования ПР. Диапазон изменения (t) разделяется на три зоны с различной интенсивностью отказов (приработка, стабилизация и неустановившегося потока отказов). Крутизна функции (t) и ее протяженность по наработке (приработочный режим) зависят от количества деталей с низким уровнем ФН, качества выполнения сборочных операций и ошибок, допускаемых при проведении монтажных работ. Для второй зоны характерны внезапные отказы. К этому моменту в насосе остаются детали с более высоким уровнем ФН и большим ПР. В третьей зоне преобладают отказы, обусловленные старением (возникновением необратимых физико-химических процессов, протекающих в деталях и узлах). Количественная информация по критерию оценки расходования ПР на этапе ТЭ приведена в таблице 4.

судовых дизелей уравнения (полиномом второй степени) Центробежные насосы системы охлаждения:

Шестеренные насосы Возникающие в процессе ТЭ отказы классифицируются по трем группам Топливные насосы Процессы трибологического характера более сильно развиты в уплотнительных устройствах. Отказы по параметрам прочности имеют преобладающее значение для соединительных элементов. По параметрам коррозии каждый пятый отказ приходится на клапаны и рабочие колеса. Процессы изнашивания поверхностей деталей проявляются в виде схватывания, переноса материала, заедания, задира, царапания, отслаивания и выкрашивания. Коррозионномеханическому изнашиванию подвергаются уплотнительные кольца, подшипники, втулки СУ. Значения обобщенного показателя безотказной работы (Rмрп) ССД в комплексе соответственно составляют для: топливных – 0,152; масляных – 0,507; конденсатно-питательных – 0,167. Несоответствие по комплексам составляет Rмрп=Rмрпmax-Rмрпmin= 0.355. В ряду ранжирования (с точки зрения снижения ФН) ССД располагаются в такой последовательности: смазки; конденсатно-питательные; топливные. Применительно к насосам величина несоответствия более значительна и составляет Rмрп = 0,558. Критерий работоспособности (Rпр / Rст) независимо от режима определяется двумя факторами:

наработка; параметр потока отказов. Поэтому условие R = const сохраняется в двух случаях (малые значения наработки, большие значения параметра потока отказов и наоборот). Вероятность безотказной работы насосов ССД (для случая простейшего нестационарного потока) выражается в виде Для периода основной ТЭ (при ttоп) в виде:

где Pn(t) – вероятность безотказной работы к концу периода приработки. Значение времени приработки (tпр) определяется графически как время до точки перегиба функции (t) после ее аппроксимации гладкой кривой по расчетным значениям (t). В аналитическом смысле это означает, что вторая производная (t) равна нулю.

С использованием аппроксимации различных видов линиаризуемых алгебраических функций статистических значений (t) и выбором коэффициента парной корреляции получены вероятностные модели безотказной работы вида ( = 0,90-0,99):

где А, В – коэффициенты регрессионной зависимости.

Прогностические модели для потоков отказов отдельных узлов насосов с использованием обобщенных функций представляются в виде:

где А1, А2 – коэффициенты, численные значения которых приведены в таблице 6.

Конструктивный Коэффициенты аппроксимационных уравнений Уплотнительное Полученные по данным статистических исследований (параметра потока отказов) насосов ССД аппроксимационные полиномы анализировались с позиций оценки ошибок (максимальная, средняя, среднеквадратическая), в результате установлено, что наиболее приемлемой математической моделью прогнозирования ФН является полином восьмой степени. Для насосов, выполняющих различные функции в составе ССД, они представляются в следующем виде:

Р8 = - 1,85159·10-7t8 + 19,62889·10-7t7 – 855,78235·10-7t6 + + 19767·10-7t5 – 259549,70755·10-7t4 + 1928406,86929·10-7t3 – – 7561194,18755·10-7t2 + 12884340,73164·10-7t – 1754959,24047·10-7. (13) (циркуляционные);

P8 = - 1,20993·10-7t8 + 12,96357·10-7t7 – 569,60570·10-7t6 + +13181,32484·10-7t5 – 171451,02330·10-7t4 + 1238223,72823·10-7t3 – – 4613754,32948·10-7t2 + 7647099,39033·10-7t – 1895770,53765·10-7. (14) (питательные);

P8 = 44989033,23761·10-7t8 – 0,01183·10-7t7 + 1,28073·10-7t6 – – 73,35662·10-7t5 + 2378,11215·10-7t4 – 43195,54057·10-7t3 + + 406180,56887·10-7t2 – 1642783,16751·10-7t + 6728328,36401·10-7. (15) (рабочей воды);

P8 = 27792958,07842·10-7t8 – 58157668,82190·10-7t7 + 0,44544·10-7t – 13,23031·10-7t5 – 55,64597·10-7t4 + 12534,58417·10-7t3 – – 276600,33157·10-7t2 + 2232755,23087·10-7t – 2358826,83705·10-7. (16) (рассольные);

P8 = 89641027,76654·10-7t8 – 0,02262·10-7t7 + 2,34701·10-7t6 – 128,90106·10-7t5 + 4010,83921·10-7t4 – 69854,88442·10-7t3 + 621374,53678·10-7t2 – 2213255,96626·10-7t (дистиллятные);

P8 = -21724101,07467·10-7t8 + 63998819,70164·10-7t7 – – 0,77667·10-7t6 + 50,18004·10-7t5 – 1859,39930·10-7t4 + 39597,46628·10-7t3 – 458668,87360·10-7t2 + 2519656,46965·10-7t – 3466475,25028·10-7. (18) (струйные).

Математические модели прогнозирования ФН насосов и их узлов в виде вероятности безотказной работы с использованием их аппроксимации экспонентой по МНК имеют следующий вид:

(топливные насосы высокого давления) (шестеренные);

(центробежные);

(рабочие колеса ЦН);

(сальниковые уплотнения);

(подшипники).

Эксплуатационные и аппроксимируемые зависимости параметра потока отказов от наработки насосов ССД с использованием нелинейного МНК и интерполирования сплайнами (аппроксимация смыкающим кубическим сплайном – СКС) представлены на рисунках 5 – 15.

Рисунок 5 – Системы утилизации низкопотенциального тепла СД (насосы рабочей воды) Рисунок 6 – Системы утилизации низкопотенциального тепла СД (рассольные насосы) Рисунок 7 – Системы утилизации низкопотенциального тепла СД (дистиллятные насосы) Рисунок 8 – Системы утилизации низкопотенциального тепла СД (струйные насосы) Рисунок 9 – Системы утилизации высокопотенциального тепла СД (циркуляционные насосы) Рисунок 10 – Системы утилизации высокопотенциального тепла СД (питательные насосы) Эксплуатационные и аппроксимируемые зависимости вероятности безотказной работы от наработки насосов топливных и систем охлаждения СД и их узлов представлены на рисунках 11 – 15.

Рисунок 11 – Насосы топливных систем СД:1 – шестеренные; 2 – топливные высокого давления Рисунок 12 – Насосы систем охлаждения СД: 1 – пресная вода; 2 – забортная вода Рисунок 13 – Рабочие колеса насосов: 1 – конденсатные системы; 2 – системы охлаждения Рисунок 14 – Сальниковые уплотнения насосов систем охлаждения СД:

1 – пресная вода; 2 – забортная вода Рисунок 15 – Подшипники насосов систем охлаждения СД: 1 – пресная вода; 2 забортная вода Полученные на основе статистического эксперимента математические модели могут быть использованы для прогнозирования ФН насосов, эксплуатируемых в составе ССД и проектируемых, аналогичных по конструктивному исполнению и функционированию, а также в качестве основы для определения их остаточного ПР, выработки стратегии ТО и Р при переходе на более перспективную, с точки зрения затратной технологии, систему обслуживания по фактическому ТС.

В четвертой главе рассмотрены пути обеспечения надежности насосов ССД на различных стадиях их ЖЦ. На первом этапе первостепенная роль должна отводиться глубине изученности условий и особенностей ТЭ насосов в составе ССД. На втором решаются две задачи: сохранение уровня надежности (запаса), заложенного при проектировании; его повышение путем совершенствования технологии изготовления деталей и узлов. На стадии ТЭ основная задача сводится к практической реализации достигнутого уровня технологической надежности.

Факторами, определяющими ФН насосов при ТЭ, являются: режимы использования; качество профилактических и ремонтных работ; количество и качество запасных частей и способов их хранения; уровень квалификации обслуживающего персонала; степень совершенства технической и нормативной документации; качество надзора со стороны контролирующих органов; текущий контроль ТС.

Превалирующее значение имеют режимы использования и текущий контроль ТС.

Из существующих видов контроля наиболее эффективен диагностический и прогнозируемый, которые рекомендуется рассматривать как единое целое в предположении, что прогнозирующий является продолжением диагностического, но на более высокой ступени развития. В качестве контролируемых параметров ТС насосов рекомендуется использовать нормы ДП (таблица 6, 7).

стояния Насос охлаждения главного двигателя (забортная, пресная вода) 70КВ творительно Масляный насос распредвала главного двигателя 3В8/25-11/10Б- творительно Топливоподкачивающий насос главного двигателя ШФ8-25-5,8/6Б творительно творительно Топливоперекачивающий насос тяжелого топлива ACF-80 3N 4F творительно Для контроля ТС насосов рекомендуется использовать систему мониторинга, основывающегося на: предельных значениях ДП; параметрах прогнозирования ТС; результатах измерений, анализе тенденций и прогнозе параметров. Система мониторинга ТС может быть выполнена на базе встроенных (стационарных) систем, переносных средств контроля и сочетания тех и других. Одним из наиболее важных моментов повышения ФН насосов является выбор стратегии ТО и ремонта, целью которого является нахождение фактической величины (Нфнфак) в поле допуска. При этом возможны различные соотношения:

Нфнфак Нфндоп ( Нфн 0) – это свидетельство обеспечения безаварийной дальнейшей ТЭ; Нфнфак > Нфндоп ( Нфн > 0) – в этом случае требуется проведение дополнительных работ, касающихся ТО, изменения периодичности контроля ФН и условий ТЭ, выполнения конструкторских доработок, временного перехода на стратегию ТО и Р по наработке.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основе выполненных экспертно-статистических исследований функциональной надежности насосов систем судовых дизелей сделаны выводы и получены следующие научные и практические результаты:

1. В повышении эффективности ТЭ СД одна из приоритетных ролей принадлежит ФН насосов обслуживающих систем.

2. Из существующих стратегий ТО и Р насосов наименее затратной с позиций расходования материальных средств в эксплуатационных условиях является система контроля и оценки ФН по фактическому ТС, практическая реализация которой основывается на механизме управления ФН, включающем:

нормативную базу ДП; критерии расходования ПР в межремонтном эксплуатационном периоде; математические модели прогнозирования ФН при эксплуатации.

3. Получены качественные и количественные показатели ФН, обобщен опыт ТЭ, определены зависимости, установлены закономерности изменения параметра потока отказов и вероятности безотказной работы от наработки, классифицированы причины отказов с позиций физического происхождения, дана оценка количественного соотношения для насосов различного функционального назначения, их узлов и деталей.

4. Разработана нормативная база ДП, позволяющая производить оценку текущего фактического ТС в процессе ТЭ.

5. Разработаны критерии сравнительной оценки расходования ПР насосов и уровня ФН при работе их в составе ССД в приработочном и стабилизированном режимах.

6. Разработаны математические модели прогнозирования ФН насосов при ТЭ, основывающиеся на использовании обобщенных функций, аппроксимации полиномами различных степеней, экспонентой по МНК и интерполирования сплайнами.

7. Даны основные направления и практические рекомендации по обеспечению ФН насосов в составе ССД при ТЭ. Показано, что наиболее перспективным направлением является создание элементов, состоящих из равнонадежностных деталей и узлов (с одинаковым уровнем работоспособности).

Защищаемые положения и результаты диссертации опубликованы в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, определенных ВАК Минобрнауки РФ 1. Тормашев, Д.С. Прогнозирование функциональной надежности насосов систем судовых дизелей на стадии эксплуатации с использованием вероятностных моделей безотказной работы / Б.П. Башуров, Г.А. Зеленков, Д.С. Тормашев // Труды института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН) «Динамика неоднородных систем»: т.49 (1), 2010. – С. 293 – 297. (№ 1876 по перечню ВАК РФ 17 июня 2011).

2. Тормашев, Д.С. Анализ причин отказов насосов систем судовых дизелей и пути повышения их функциональной надежности / Б.П. Башуров, Д.С.

Тормашев // Двигателестроение, 2010, № 3 (241). – С.32 – 37. (№ 719 по перечню ВАК РФ 17 июня 2011).

3. Тормашев, Д.С. Прогнозирование функциональной надежности насосов комплекса системы – главный двигатель судовой дизельной установки с использованием обобщенных функций / Б.П.Башуров, Г.А.Зеленков, Д.С. Тормашев // Труды института системного анализа Российской академии наук (ИСА РАН) «Динамика неоднородных систем»: т.50 (1), 2010. – С.241 – 246. (№ 1876 по перечню ВАК РФ 17 июня 2011).

4. Тормашев, Д.С. Выбор стратегии технического обслуживания и ремонта насосов системы, обслуживающей главный двигатель судовой дизельной установки / Б.П. Башуров, Д. С. Тормашев // Судостроение. – 2011. – № (794). – С. 56 – 59. (№ 1802 по перечню ВАК РФ 17 июня 2011).

5. Тормашев, Д.С. О критерии оценки потенциального ресурса насосов систем судовых дизелей на стадии эксплуатации / Б.П.Башуров, Д.С. Тормашев // Двигателестроение. – 2011. – № 3(245). – С. 40–41. (№ 719 по перечню ВАК РФ 17 июня 2011).

6. Тормашев, Д.С. Статистическое исследование показателей функциональной надежности центробежных насосов судовых систем/ Башуров Б.П., Носенко Е.С., Тормашев Д.С. // Судостроение – 2011. - № 4 (797). – С. 27 – 29.

(№ 1802 по перечню ВАК РФ 17 июня 2011).

7. Тормашев, Д.С. Диагностирование технического состояния насосов систем судовых дизелей // Сб. научных трудов (вып 15). – Новороссийск: МГА им.

адм. Ф.Ф. Ушакова, 2010. – С.68 – 74.

8. Тормашев, Д.С. Прогностические модели функциональной надежности насосов систем главных двигателей судовой дизельной установки / Д.С.

Тормашев, Е.С. Носенко // Технологии ремонта, восстановления и упрочнения деталей машин, механизмов, оборудования, инструмента и технической оснастки от нано-до макроуровня: материалы 13-й международной научно-практической конференции. – СПб.: изд-во Политехнического университета, часть 1, 2011. – с.411-414.

9. Тормашев, Д.С. Причины отказов насосов систем судовых дизелей и их мониторинг // Проблемы эксплуатации водного транспорта и подготовки кадров на юге России: материалы IX региональной научно-технической конференции. – Новороссийск: МГА им. адм. Ф.Ф.Ушакова, 2011. – С. 10.Тормашев, Д.С. Оценка функциональной надежности насосов систем судовых дизелей на стадии эксплуатации / Д.С. Тормашев, Б.П. Башуров // Актуальные проблемы морской энергетики: материалы Всероссийской межотраслевой научно-технической конференции. – СПб.: изд-во СПбГМТУ, 2012. – С. 115 – 119.

11.Тормашев, Д.С. Статистическое исследование показателей функциональной надежности насосов систем смазки судовых дизельных установок / Д.С. Тормашев, М.С. Лопатин // Инновационные технологии в машиностроении: проблемы, задачи, решения: сборник научных трудов. – Орск:

изд-во ОГТИ (филиала) ОГУ, 2012. – С. 129 – 133.

Отпечатано в редакционно-издательском отделе ФГОУ ВПО «Морская государственная академия имени адмирала Ф.Ф.Ушакова»,