Исследование методов конструкторско-технологических решений обеспечения надежности судовых дизелей

МЕХАНИКА И МАШИНОСТРОЕНИЕ

УДК 658.149

Адеев З.И., Батыров У.Д., Яхутлов М.М.

ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДОВ КОНСТРУКТОРСКО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ РЕШЕНИЙ ОБЕСПЕЧЕНИЯ НАДЕЖНОСТИ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ

Adeev Z.I., Batyrov U.D., Yahutlov M.M.

THE RESEARCH METHODS OF DESIGN-MAKING PROCESS RELIABILITY FOR MARINE DIESEL ENGINES.

Статья посвящена исследованию методов конструкторско-технологических решений обеспечения надежности применительно к подсистемам (основным агрегатам) судовых дизелей.Рассмотрен комплекс мероприятий, который позволитповысить надежность судовых дизелей, зная коэффициенты готовности подсистем (основных агрегатов).

Ключевые слова: надежность, вероятность, интенсивность, восстановление.

The article deals with the methods of design and technological solutions applied to ensure the reliability of the subsystems (basic units) marine diesel engines. The complex of measures that will improve the reliability of marine diesel engines is considered, knowing the coefficients of ready subsystems (major components).

Key words: reliability, probability, intensity, recovery.

Обеспечение надежности судовых дизелей (СД) связано с реализацией многочисленных организационных и технических мероприятий и затруднено теми обстоятельствами, что:

- большинство потенциальных источников отказов многообразно и распределено по всем стадиям создания и применения СД, имеет разную природу и различную статистическую устойчивость;

- отсутствуют методы и средства непосредственного измерения надежности и, следовательно, затруднено установление строгих зависимостей достигнутой надежности от затраченных на это усилий;

- экспериментальная проверка результативности отдельных мероприятий выходит за рамки технических исследований и связана с экономическим экспериментированием;

- влияние надежности (отказов) элементов на эффективность сложной системы СД зависит от ее структуры и порядка применения и может быть определено только на основе соответствующей модели функционирования.

Сложность и многоэлементность технической и функционально-алгоритмической структуры СД требуют системного подхода к решению задач обеспечения их комплексной надежности. При этом считаем целесообразным, чтобы сами СД рассматривались как сложные технические системы, а конструкторско-технологические методы обеспечения надежности как их подсистемы.

На ранних этапах проектирования формируется архитектурный облик СД, определяются цели и перспективы развития, потенциальная эффективность СД, разрабатываются базовые, структурные, функциональные и управленческо-информационные концепции СД. Только после выполнения этих работ и в зависимости от их результатов следует принимать решение о выделении средств на выполнение последующих этапов жизненного цикла СД. Особая ответственность результатов работ

42

ранних этапов проектирования СД, по нашему мнению, заключается в том, что:от разработанных здесь технических решений зависит эффективное функционирование будущих реальных СД; ошибки проектирования, допущенные на ранних этапах проектирования, уже непоправимы на следующих этапах создания и эксплуатации СД; эти этапы несут на себе основную научно-методическую нагрузку, связанную с формированием архитектурного облика СД, требованиями к их выходным характеристикам, принятием решений в условиях многокритериальности, риска и неопределенности и т.п.

Исследование надежности СД как сложной системы имеет свою специфику. Прежде всего, будем исходить из следующего положения: влияние различных отказов и снижение работоспособности элементов СД по-разному могут сказаться на надежности СД в целом. Поэтому целесообразно все элементы СД разделить на группы по степени их влияния на работоспособность СД в целом. В качестве таких групп можно рекомендовать следующие:

Первая группа. Отказ элементов данной группы практически не влияет на работоспособность СД. Отказы или неисправное состояние элементов данной группы могут рассматриваться изолированно от системы.

Вторая группа. В эту группу включаются элементы, работоспособность которых за рассматриваемый период времени практически не изменяется, т.е. Рт(£)= const.

Третья группа. В данную группу включаются элементы, ремонт и регулировка которых возможна при рабочем состоянии СД или во время остановок, когда они не влияют на результаты функционирования СД.

Четвертая группа. В эту группу включаются элементы или подсистемы (агрегаты), отказ которых приводит к отказу СД в целом.

Отсюда следует, что рассмотрению подлежат лишь элементы или подсистемы (агрегаты) СД, относящиеся к последней группе.

Для получения аналитических выражений показателей надежности СД предположим, что СД функционирует по следующей схеме:[6] отказавшие элементы и подсистемы начинают немедленно восстанавливать; отказ одного из элементов или подсистемы влечет за собой отказ СД в целом. Возможные состояния СД, функционирующего по предложенной выше схеме, могут быть изображены в виде ориентированного графа состояний (см. рис. 1): состояние Хо соответствует состоянию СД, когда все подсистемы работоспособны, т.е. СД находится в работоспособном состоянии в любой момент времени; состояние Xi соответствует состоянию СД, когда первая подсистема (топливная система) неработоспособна, остальные подсистемы работоспособны; состояние Х2 соответствует состоянию СД, когда вторая подсистема (система охлаждения) неработоспособна, а остальные подсистемы работоспособны; состояние Х3 соответствует состоянию СД, когда третья подсистема (кривошипно-шатунная группа) неработоспособна, а остальные подсистемы работоспособны; состояние Х4 соответствует состоянию СД, когда четвертая подсистема (головка цилиндров) неработоспособна, а остальные подсистемы работоспособны; состояние Х5 соответствует состоянию СД, когда пятая подсистема (коленчатый вал и маховик) неработоспособна, а остальные подсистемы работоспособны. При этом считается, что вероятность одновременного появления двух и более неработоспособных подсистем пренебрежимо

мала. Символом Xoi ,i = 1,n на рис. 1 обозначена интенсивность отказов i-ой подсистемы; символом jui0 ,i = 1, n обозначена интенсивность восстановления i-ой подсистемы.

Рисунок 1. Ориентированный граф возможных состояний СД как восстанавливаемой системы

По графу состояний (рис. 1) составим систему дифференциальных уравнений Колмогорова-Смирнова, которая запишется следующим образом:

ёР1

¿Р2

¿Рз(1) &

ЛРзА) &

¿Р5

X01 • Р0(1)- Цю • Р1(1), = X02 • Р0 (1) - Ц20 • Р2 00,

= X 03 • Р0(1) - Ц 30 • Р3С),

= X 03 • Р0^) - Ц 30 • Р3(1),

= X05 • Р0О - Ц50 • Р5(1),

= Цю • (1)+М20 • Р2 (^+Ц 30 • Р3 (г)+Ц 40 • Р4 (г)+Ц 50 • Р5 (г) - Р0 (г) • £ X,

Для выражений (1) выполняется следующее нормировочное условие

£ Р|(1)=1

1=1

Для установившегося режима эксплуатации СД дифференциальные уравнения (1) преобразуются в следующую систему алгебраических уравнений:

>

01

г=1

^ 01 P0(t = ^ 10 Pl(t),

^ 02 • P0(t = Ц 20 • P2(t),

^ 03 P0(t = ^ 30 • P3(t),

^ 04 • P0(t = Ц 40 • P4 (t),

^ 05 • P0 (t) = ^ 50 • P5 (t,

Решив полученную систему алгебраических уравнений (4) с учетом условия нормирования (3), получим следующее значение для вероятности нахождения СД в работоспособном состоянии в любой момент времени

J_

£ ^ о

Вероятность нахождения СД в ьом состоянии, когда ьая подсистема неработоспособна, а остальные подсистемы работоспособны, согласно (4) определяется как

P =

P

0i

^ i0

• Pn

Таким образом, зная значения интенсивностей отказа Хо и восстановления подсистем (основных агрегатов) СД ,можно определить вероятность нахождения СД в том или ином состоянии по формуле (6).

Известно, что функция готовности системы характеризует вероятность нахождения системы в работоспособном состоянии в любой момент времени:

К r(t) = 2 P«CT),

где Poi(t) - вероятность нахождения системы в работоспособном состоянии в любой момент времени t.

Для установившегося режима эксплуатации СД функция готовности преобразуется в коэффициент готовности и вместо вероятностей Poi(t) пишутся финальные вероятности P0i = const. Тогда вместо (7) для коэффициента готовности Кг будем иметь выражение:

К r =2 Po

Так как формулы (5) и (7) имеют одинаковый физический смысл, а именно они определяют вероятность нахождения СД в работоспособном состоянии, то имеет место равенство:

К г = Ро = -ц 1

1+у

н«

Для выполнения надежностных исследований СД и определения соответствующих показателей, характеризующих процесс восстановления, важное значение имеет установление связи между коэффициентом готовности подсистемы Кг, находящейся в ьом состоянии после проведения восстановительных мероприятий, и интенсивностью восстановления цю. Из выражения (5) для каждого ьго состояния можем получить соответствующие выражения для К :

1 _ М, о , ч — -

К r =

1+bl fto

Mi 0 + Л,

Если необходимые (требуемые) коэффициенты готовности для СД, находящегося в том или ином неработоспособном состоянии, заданы и требуется определить интенсивность восстановительных мероприятий, то из выражения (10) получим

>

i=i

i=i

Ао

1 " Кп

Подставив последние выражения для интенсивностей восстановления в (9) , получим следующую формулу для коэффициента готовности СД в любой момент времени в целом как функцию от коэффициентов готовности отдельных подсистем (агрегатов) СД.

К = P =_1_

го 1 ^

И

—1

:1 V Кп

Таким образом, если знаем требуемые значения коэффициентов готовности для каждой подсистемы (основных агрегатов) СД либо они определены расчетным путем, то, подставив эти значения в (12), получим соответствующее значение коэффициента готовности СД в целом.

Достижение требуемых значений коэффициента готовности СД обеспечивается оперативной разработкой конструкторско-технологическихмероприятий по обеспечению диагностирования, ремонта, восстановления и обслуживания элементов и подсистем СД. Этот комплекс мероприятий в свою очередь определяет значения интенсивностей восстановления цю отдельных элементов и подсистем.

Статистические исследования времени восстановления основных подсистем судовых дизелей по материалам стендовых испытаний приведены в таблице 1.

Таблица 1

Время восстановления основных подсистем СД в лабораторных условиях предприятия (разборка и сборка), час.

№ 5Д4-ч 8.5/11 10Д6-6ч 5Пч-4ч

п/п Наименование узла 9,5/11-1 8,5/11

На гарантийный срок службы ( до первой переборки).

1 Топливная аппаратура 11 7 11

2 Система охлаждения 10 2 16

3 Кривошипно-шатунная группа 16 6 6

4 Головка цилиндров 12 2 9

5 Коленчатый вал и маховик 1 1 5

6 Блок-картер 2 4 4

Итого 52 22 51

Ресурс до капитального ремонта

1 Топливная аппаратура 3 2 9

2 Система охлаждения 8 4 17

3 Кривошипно-шатунная группа 4 4 12

4 Головка цилиндров 17 2 10

5 Коленчатый вал и маховик 1 1 5

6 Блок-картер 2 2 6

Итого 35 15 59

Вместе с тем, известно, что в условиях эксплуатации и ремонта на судостроительных предприятиях эти величины будут значительно выше.

Для оценки значений коэффициента готовности СД в целом, а также ее отдельных подсистем (основных агрегатов), наряду со знанием значений интенсивностей восстановления ц^ необходимо также определение интенсивностей отказов Хоь Установление значений отказов Хшсвязано с определением вероятностей безотказной работы отдельных элементов и подсистем до первого отказа РцО) которое подчиняется экспоненциальному закону распределения безотказной работы СД, представляется в виде:

Рт = ехр

В таблице 2 приведены расчетные значения интенсивностей отказов для основных подсистем судовых дизелей, полученные по результатам статистических исследований, проведенных на базе лабораторных испытаний

Таблица 2

_Интенсивности отказов основных подсистем судовых дизелей X,_

Основные агрегаты 5Д4 Тпер=4000ч. 10Д6 Тпер=2000ч. 5П4 Тпер=4000ч.

Топливная аппаратура 1,25 10-2/ 1,05 10-2 0,8 10-2/ 0,6 10-2 0,22^ 10-2/ 0,47 10-2

Система охлаждения 0,4 10-2/ 0,68 10-2 0,25 10-2/ 0,5510-2 0,1710-2/ 0,2 10-2

Кривошипно-шатунная группа 0,1510-2/ 0,05 10-2 0,1510-2/ 0,05 10-2 0,07 10-2/ 0,07 10-2

Головка цилиндров 0,3 10-2/ 0,4 10-2 0,2 10-2/ 0,110-2 0,08 10-2/ 0,110-2

Коленчатый вал и маховик 0,025 10-2/ 0,08 10-2 0,05 10-2/ 0,05 10-2 0,025 10-2/ 0,07 10-2

Блок - картер 0,1510-2/ 0,025 10-2 0,110-2/ 0,05 10-2 0,05 10-2/ 0,07 10-2

(*) - В числителе - интенсивности отказов X до 1-ой переборки, в знаменателе -интенсивности отказов от 1 -ой переборки до капитального ремонта.

Когда рассматривается вероятность безотказной работы такой сложной системы, как СД, то необходимо обязательно фиксировать время безотказной работы СД. Поэтому здесь более уместно говорить о Р-квантильном времени безотказной работы СД Тр, определяемом как[5]:

Т • 1пРт1

Л о А о

или применительно к отдельным элементам и подсистемам

• 1пРт11

где в и в1 - в-квантильные вероятности безотказной работы до первого отказа СД в целом и 1-ой подсистемы соответственно.

Из последнего выражения получим выражение для интенсивности отказов 1-подсистемы в зависимости от в-квантильного времени Tвi и вгквантильной вероятности безотказной работы 1-ой подсистемы до первого отказа.

А 01 =^711пР 1

Тв1

Зная значения в-квантильных вероятностей подсистем, по теореме умножения вероятностей получим следующее выражение для безотказной работы СД в целом

/ Л

Рт1^в) = ПРтЛ) =Пв 1 = ехр -£Т, • X

1=1 1=1

"01

V У

Представляется целесообразным в дальнейшем для удобства считать Tвi одинаковыми для всех подсистем, т.е. Тв1= Тв2=... = Tвi= Тв. Тогда равенство (17) запишется в виде

5

-Тв Е Х01

Рт^ в) = е 1=1

При проведении мероприятий по обеспечению надежности СД целесообразно в первую очередь применить такие мероприятия, которые обеспечивали бы повышение безотказности. В таблице 3 приведены варианты конструкторско-технологических мероприятий, когда интенсивность отказов уменьшаем в 2-3 раза.

Таблица 3

Исходный X =1

Вариант 1 Когда Хуменьш. в 2 раза/ 3 раза

Вариант 2 Когда Хта уменьшаем в2 раза/ 3 раза

Вариант 3 Когда Хсо уменьшаем в2 раза/ 3 раза

Вариант 4 Когда Хгц уменьшаем в2 раза/ 3 раза

Вариант 5 Когда Хкшг уменьшаем в2 раза/ 3 раза

Вариант 6 Когда Хта, Хсо уменьшаемв2 раза/ 3 раза

В таблице 4 и5 приведены расчетные значения вероятностей безотказной работы СД, когда интенсивность отказов Х01 уменьшаем в 1-2 раза, а интенсивность восстановления цю увеличиваем в 1-2 раза для основных подсистем судовых дизелей 5Д4, 10Д6 и 5П4.

Таблица 4

Вероятности Р{1) безотказной работы СД, когда и = 1/1

ы т о б

а р

й о н

за к т о з е б ь т с о н т я

о р

е в

до1-ой переборки от 1 переборки до

кап.ремонта

Подсистемы 5Д4 10Д6 5Пч 5Д4 10Д6 5Пч

Исход. X =1 0, 81 0,93 0,96 0,88 0,9 0,92

Когда Хуменьш. в 2 раза/ 3 раза 0,9 0,96 0,98 0,93 0,98 0,95

0,93 0,97 0,99 0,95 0,99 0,97

Вар.1.Когда Хгауменьшаемв2 0,85 0,95 0,96 0,88 0,97 0,93

раза/ 3 раза 0,87 0,96 0,96 0,89 0,98 0,94

Вар.2.Когда Хсоуменьшаемв2 0,82 0,93 0,97 0,89 0,98 0,93

раза/ 3 раза 0,82 0,93 0,97 0,89 0,98 0,93

Вар.3.Когда Хгцуменьшаемв2 0,82 0,93 0,96 0,9 0,97 0,93

раза/ 3 раза 0,82 0,93 0,96 0,91 0,97 0,93

Вар. 4.Когда Хкшгуменьшаемв2 0,81 0,93 0,96 0,88 0,97 0,93

раза/ 3 раза 0,82 0,93 0,96 0,88 0,97 0,93

Вар. 5.Когда 0,87 0,95 0,97 0,9 0,98 0,94

Хта,Хсоуменьшаемв2 раза/ 3 раза 0,98 0,96 0,97 0,9 0,99 0,95

Таблица 5

Вероятности Р{1) безотказной работы СД, когда и = 1/21_

Р = вероятность безотказной работы до 1 первой переборки от 1 переборки до кап.ремонта

Подсистемы 5Д4 10Д6 5Пч 5Д4 10Д6 5Пч

Исход. X =1 0,72 0,84 0,9 0,85 0,93 0,85

Когда Хуменьш. в 2 раза/ 3 раза 0,83 0,91 0,95 0,92 0,97 0,93

0,88 0,94 0,96 0,94 0,98 0,94

Вар.1.Когда Хгауменьшаемв2 раза/ 3 раза 0,79 0,92 0,92 0,88 0,95 0,88

0,84 0,9 0,93 0,89 0,95 0,9

Вар.2.Когда Хсоуменьшаемв2 раза/ 3 раза 0,74 0,86 0,91 0,88 0,95 0,87

0,75 0,95 0,93 0,89 0,95 0,88

Вар.3.Когда Хгцуменьшаемв2 раза/ 3 раза 0,72 0,84 0,91 0,86 0,94 0,86

0,72 0,84 0,92 0,86 0,94 0,87