Оценка технического состояния тепловозного дизеля по данным бортовой микропроцессорной системы управления

Общетехнические и социальные проблемы

Заключение

В результате выполненного анализа и расчётов выявлено:

1) количество выцепляемых из составов вагонов при переформировании распределяется по экспоненциальному закону;

2) время подготовки составов в ремонтно-экипировочном депо

*

распределяется по нормальному закону. Математическое ожидание тх =

*

= 3,33 ч; статистическое среднеквадратичное отклонение ох = 0,77 ч;

3) время обмывки вагонов на вагономоечной машине распределяется по

*

нормальному закону. Математическое ожидание тх = 1,88 мин;

*

статистическое среднеквадратичное отклонение ох = 0,54 мин;

4) пики прибытия пассажирских поездов на вокзалы Санкт-Петербурга и Москвы приходятся на время с 5 до 6, с 10 до 11 и с 14 до 15 ч.

Полученные закономерности использованы для моделирования работы ПТС с различными схемами путевого развития. За основу принята модель работы станции, разработанная в ОАО «Ленгипротранс» Ю. А. Бобровым.

Библиографический список

1. Применение математических методов в эксплуатационных расчётах на железнодорожном транспорте / В. А. Кудрявцев, Е. М. Жуковский, Ю. И. Ефименко, А. П. Романов, В. М. Семёнов. - Л. : ЛИИЖТ, 1977. - 49 с.

2. Теория вероятностей / Е. С. Венцель. - М. : Гос.изд-во физ.-мат. лит-ры, 1962. - 564 с.

3. Логистика пассажирских перевозок на железнодорожном транспорте / С. М. Резер. -М. : ВИНИТИ РАН, 2007. - 516 с.

4. Указание № Е-3049у. Об утверждении нормативов для составления графика движения пассажирских поездов. - Введ. 2001-01-01. - М. : ТЕХИНФОРМ, 2000. -131 с.

Статья поступила в редакцию 29.01.2010;

представлена к публикации членом редколлегии Ю. И. Ефименко.

Современные технологии - транспорту

УДК 629.424.14.004

В. В. Г рачев, М. Ш. Валиев

ОЦЕНКА ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ТЕПЛОВОЗНОГО ДИЗЕЛЯ ПО ДАННЫМ БОРТОВОЙ МИКРОПРОЦЕССОРНОЙ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

83

Учет реального технического состояния оборудования локомотива при планировании объемов его ремонта является одним из важнейших резервов сокращения эксплуатационных расходов железных дорог и снижения себестоимости перевозок. Непрерывный контроль технического состояния локомотива в эксплуатации осуществляется с использованием стационарных и бортовых средств технической диагностики. В статье предлагается методика интегральной оценки технического состояния качества рабочего процесса в цилиндре дизеля с использованием бортовых средств диагностики.

система технического обслуживания, микропроцессорная система, диагностика дизеля по интегральной оценке.

Введение

Повышение эксплуатационной экономичности и надежности локомотивов требует непрерывного контроля технического состояния их оборудования в процессе эксплуатации. По мере внедрения современных

микропроцессорных систем бортовой автоматики и мониторинга актуальной является задача разработки эффективных методик обработки получаемой измерительной информации, не только позволяющих осуществлять аварийно-предупредительную сигнализацию при достижении критических режимов работы оборудования, но и обеспечивающих возможность достоверного прогнозирования изменения технического состояния основных узлов оборудования и определения их остаточного ресурса.

1 Системы технической диагностики локомотивов

Повышение эксплуатационной надежности, ресурса и технико-

экономических показателей тепловозов является одним из основных направлений повышения эффективности локомотивного хозяйства и снижения эксплуатационных расходов железных дорог. Решение этой проблемы невозможно без внедрения современных систем технического обслуживания локомотивов, основанных на учете их фактического технического состояния при планировании объема ремонта. Источником достоверной информации о техническом состоянии систем локомотивов в эксплуатации являются средства технической диагностики. В течение ряда последних лет руководством железнодорожных компаний государств СНГ уделяется значительное внимание внедрению таких средств в технологический процесс обслуживания и ремонта локомотивов. При этом основные усилия и материальные ресурсы направляются на разработку и внедрение средств стационарной диагностики, размещаемых в ремонтных цехах локомотивных депо.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

Однако опыт их эксплуатации показывает, что ожидаемого существенного сокращения расходов на техническое обслуживание и ремонт локомотивов удается добиться далеко не всегда вследствие значительных затрат времени на подготовку и проведение диагностирования, которые во многих случаях сопоставимы с временем, необходимым для замены соответствующих узлов. При этих условиях выполнение регулярного периодического диагностирования локомотива, необходимого для достоверной оценки его текущего технического состояния, как правило, невозможно.

Эффективность использования средств стационарной диагностики может быть существенно повышена в случае использования их совместно со средствами бортовой диагностики, осуществляющих непрерывный контроль значений основных параметров оборудования локомотива непосредственно во время его эксплуатации. В этом случае процесс технического обслуживания локомотива может осуществляться по следующей схеме (рис. 1).

Рис. 1. Блок-схема алгоритма технического обслуживания и ремонта Общая (интегральная) оценка технического состояния оборудования локомотива осуществляется средствами бортовой диагностики. В случае выявления отклонений в процессе ближайшего планового ремонта или технического обслуживания выполняется детальное диагностирование соответствующего оборудования с использованием средств стационарной

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

85

диагностики, в процессе которого производится локализация отказа с последующим его устранением.

Основным препятствием на пути внедрения подобной системы технического обслуживания является чрезвычайно низкий уровень контролепригодности серийных локомотивов, практически исключающий возможность внедрения средств бортовой диагностики без существенной доработки конструкции силовых установок локомотивов.

Ситуация начала меняться с внедрением локомотивов нового поколения (2ТЭ116У, ТЭП70БС, ТЭП70У, 2ТЭ70, 2ТЭ25К), оборудованных

бортовыми микропроцессорными системами автоматического управления (МП САУ), которые наряду с управлением силовой установкой осуществляют непрерывный контроль значительного количества параметров состояния оборудования локомотива. В этих условиях особую актуальность приобретает задача разработки методов оценки технического состояния локомотива с использованием информации, получаемой от МП САУ, поскольку отсутствие таких методов исключает возможность использования этой информации в процессе технического обслуживания локомотива и снижает эффективность вложения средств, затраченных на разработку и изготовление систем МП САУ.

2 Использование симплексов для интегральной оценки качества рабочего процесса транспортных дизелей

Задача достоверной оценки качества рабочего процесса в цилиндрах дизеля и технического состояния определяющих его узлов топливной аппаратуры и цилиндро-поршневой группы в настоящее время решается стационарными средствами диагностики на основании анализа индикаторной диаграммы рабочего процесса. Использование подобных методов для непрерывного контроля технического состояния дизеля в эксплуатации невозможно по ряду причин, основной из которых является отсутствие технической возможности непрерывного измерения давления в цилиндре дизеля, которое необходимо для снятия индикаторной диаграммы. В связи с этим актуальной является задача разработки методов интегральной оценки качества рабочего процесса в цилиндре дизеля с использованием ограниченного набора параметров, контролируемых современными средствами автоматического управления силовой установки тепловоза.

В практике эксплуатации судовых многоцилиндровых дизелей известны методы, основанные на использовании т. наз. симплексов, т. е. вычисляемых критериев, зависящих от совокупности значений определенного набора параметров рабочего процесса двигателя. В частности, в [1] обоснована целесообразность применения в качестве такого симплекса отношения давления в конце сжатия Рс к температуре

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

отработавших газов на выходе из цилиндра Тог. При изменении режима работы исправного двигателя (цикловой подачи топлива одновременно во все цилиндры) изменяется температура отработавших газов на выходе из всех цилиндров, что приводит к изменению температуры газов перед турбиной, мощности турбины, давления наддува и, соответственно, давления в конце сжатия. В результате отношение Рс/То.г может оставаться примерно постоянным (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость симплекса Рс/Тог от нагрузки двигателя

В случае нарушения нормального протекания рабочего процесса в каком-либо из цилиндров, например из-за ухудшения качества распыливания топлива форсункой, увеличивается температура газов на выходе из данного цилиндра. Однако это не приведет к существенному изменению температуры газов перед турбиной двигателя, вследствие чего давление наддува и давление в конце сжатия в данном цилиндре останутся неизменными. Значение симплекса Рс/Тог уменьшится, что будет свидетельствовать об ухудшении технического состояния цилиндра. К такому же изменению значения симплекса приведет износ трущихся

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

87

деталей цилиндро-поршневой группы (поршневых колец и втулки цилиндра) и вызванное им снижение давления в конце сжатия.

Для автотракторных дизелей исследовалась возможность применения симплекса, равного отношению среднецикловой температуры в цилиндре Тцср к температуре отработавших газов на выходе из цилиндра Тог . При увеличении цикловой подачи топлива в исправный цилиндр возрастает максимальная температура вспышки TZ, среднецикловая температура Тцср и температура отработавших газов на выходе из цилиндра Тог, вследствие чего отношение Тцср / Тог может оставаться постоянным. Практически любое нарушение нормального протекания процесса сгорания топлива в цилиндре приводит к уменьшению скорости выгорания топлива, снижению максимальной температуры сгорания Tz и переносу сгорания на линию расширения, вследствие чего уменьшается среднецикловая температура Тцср и увеличивается температура Тог отработавших газов на выходе из цилиндра. При этом значение симплекса Тцср / Тог уменьшается, что свидетельствует о нарушении нормальной работы цилиндра.

К сожалению, использование данных симплексов для оценки качества рабочего процесса в цилиндрах тепловозного дизеля не представляется возможным. Определение среднецикловой температуры в цилиндре и давления в конце сжатия возможно только по индикаторной диаграмме, снятие и анализ которой в условиях эксплуатации, как уже отмечалось выше, невозможны. Учитывая то, что основными факторами, определяющими величину давления в конце сжатия, являются частота вращения коленчатого вала и давление воздуха во впускном коллекторе дизеля, можно предложить использовать вместо давления в конце сжатия значения давления во впускном коллекторе двигателя Рк. Однако информативность симплекса Рк / Тог (как и оригинального Рс/ Тог) во многом зависит от параметров и конструктивных особенностей двигателя, в первую очередь его системы наддува. Так, для форсированных тепловозных дизелей типа Д49 (ЧН26/26) значение отношения Рк / Тог не остается постоянным при работе в режимах тепловозной и нагрузочных характеристик (рис. 3).

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Рис. 3. Параметры дизеля 2-2Д49 при работе по тепловозной характеристике

3 Использование температуры отработавших газов

для оценки качества рабочего процесса в цилиндре дизеля

Температура отработавших газов является одним из важнейших диагностических параметров рабочего процесса дизеля и не случайно входит во все перечисленные симплексы. Ее значение в каждый момент времени обусловлено действием целого ряда разнообразных факторов, связанных как с конструктивными характеристиками дизеля, так и с

режимом его работы. Согласно [2], относительное изменение АТо г

температуры отработавших газов на выходе из цилиндра определяется следующим выражением:

АТ = Н • АТ - Н • Да - Н • Дер - Н • АХ - Н • Ас +

о.г 1 к 2 3 т 4 5

+ Я • Ап + НП • Да ,

6 7 д ’

где АТК - малое относительное отклонение температуры воздуха во впускном коллекторе;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

89

Да - малое относительное отклонение коэффициента избытка воздуха в цилиндре;

Д(р - малое относительное отклонение коэффициента продувки;

ДА, - малое относительное отклонение степени повышения давления при вспышке;

Дв - малое относительное отклонение степени сжатия;

Ап - малое относительное отклонение частоты вращения коленчатого вала;

Дад - малое относительное отклонение отношения давления в выпускном

коллекторе Рт к давлению во впускном коллекторе Рк;

Н1, Н2, Н3, Н4, Н5, Н6, Н7, Н8 - безразмерные коэффициенты влияния, зависящие от текущих значений параметров дизеля (в основном от температур Тк, Тог и термического коэффициента полезного действия дизеля).

При работе дизеля известной конструкции с неизменной частотой вращения (т. е. при работе тепловозного дизеля на заданной позиции

контроллера машиниста) значения Ап и Дв в выражении (1) становятся равными нулю. При нормальном техническом состоянии дизеля на каждой позиции контроллера изменяется только величина цикловой подачи топлива, что приводит к изменению давления наддува Рк, давления в выпускном коллекторе Рт, коэффициента избытка воздуха в цилиндре а и, как следствие, температуры отработавших газов То т. Значение степени повышения давления А зависит главным образом от частоты вращения коленчатого вала и угла опережения подачи топлива, поэтому на данной

позиции можно считать его примерно постоянным, т. е. ДА ~ 0.

С учетом принятых допущений выражение (1) принимает вид:

АТ

о.г

Нх • АТк - Н2 • Да - Н3 • Дф + Н7 - Да

д •

Увеличение давления наддува при постоянной частоте вращения коленчатого вала и при условии сохранения постоянного значения коэффициента избытка воздуха в цилиндре а приводит к возрастанию

температуры наддувочного воздуха (АТк в выражениях (1) и (2)), отношения Рк/Рт и, соответственно, уменьшению обратного отношения ( Дад в выражениях (1) и (2)). Увеличение значения Рк/Рт в свою очередь

влечет за собой возрастание коэффициента продувки ф (изменения Дф в выражениях (1) и (2)).

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

©Бщетехнические и социальные проблемы

Таким образом, при нормальном техническом состоянии дизеля изменение давления наддува на данной позиции контроллера машиниста

характеризуется положительными значениями АТк и Дф и

отрицательным значением Дад. Учитывая знаки этих величин в

выражении (2), можно предположить, что при нормальном техническом состоянии дизеля эти изменения будут взаимно компенсироваться, вследствие чего величина температуры Тог отработавших газов (ее

относительного изменения АТо г по отношению к номинальному

значению) будет определяться преимущественно значением коэффициента избытка воздуха в цилиндре (его относительным изменением отклонения

Да).

Этот вывод подтверждается характером изменения значений температуры отработавших газов и коэффициента избытка воздуха в режимах тепловозной характеристики (см. рис. 3).

С целью более основательной проверки сделанных выводов было выполнено исследование изменения параметров рабочего процесса дизеля при его работе по нагрузочным характеристикам на математической модели рабочего процесса. В процессе исследования моделировалась работа дизеля с различной частотой вращения коленчатого вала (на разных позициях контроллера машиниста) при изменении цикловой подачи топлива и сохранении постоянного значения давления наддува. Результаты представлены на рисунках 4-6.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

91

Рис. 4. Зависимость относительного изменения температуры газов от значений симплекса на 11-й позиции контроллера машиниста

Рис. 5. Зависимость относительного изменения температуры газов от значений симплекса на 13-й позиции контроллера машиниста

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

625щетехнические и социальные проблемы

Рис. 6. Зависимость относительного изменения температуры газов от значений симплекса на 15-й позиции контроллера машиниста Анализ показывает, что относительное изменение температуры отработавших газов дизеля практически пропорционально относительному изменению коэффициента избытка воздуха в цилиндре и мало зависит от изменения давления наддува.

Величина коэффициента избытка воздуха в цилиндре определяется следующим выражением:

а

Д-Ц-л

V

где Vh - рабочий объем цилиндра, м3;

T[v - коэффициент наполнения;

о Дж

Къоз - газовая постоянная воздуха,---;

кг • град

т, кг возд.

L0 - стехиометрическое соотношение дизельного топлива,---------;

кг топ л.

£ц - цикловая подача топлива, кг.

Переходя к малым отклонениям, выражение (3) можно представить следующим образом:

Да = ЛРк- АТК + Atv - Agq,

где Agn - малые относительные отклонения коэффициента наполнения и цикловой подачи топлива.

В свою очередь малое отклонение коэффициента наполнения Дг^ на

данной позиции контроллера машиниста определяется следующей зависимостью [2]:

Ar\v =-С1 • Аад +С2 • АТК +С3 • Да,

где Ci, С2, С3 - безразмерные коэффициенты влияния отклонений Дад, АТК, Да на коэффициент наполнения.

С учетом (4) и значений коэффициентов С1, С2, С3 выражение (5) приобретает следующий вид:

д^*8-

1 a

где 5 =1,03 ... 1,10 - коэффициент подогрева заряда от стенок цилиндра;

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1

Общетехнические и социальные проблемы

93

Р - давление в начале сжатия, МПа.

Величина отношения Рк/Ра определяется в основном потерями давления на впуске, зависит главным образом от частоты вращения коленчатого вала и составляет, по опытным данным, 1,05.. .1,1.

На основании изложенного может быть предложен следующий алгоритм интегральной оценки качества рабочего процесса в цилиндре дизеля.

1. В результате статистического анализа измерительной информации, полученной от системы автоматического регулирования дизель-генераторной установки тепловозов, для каждой позиции контроллера устанавливаются значения математических ожиданий основных параметров рабочего процесса, контролируемых системой (

Рк, Нр, То г, Тк), которые принимаются за номинальные значения этих

величин.

2. По этим же данным для конкретных типов дизелей уточняются зависимости, представленные на рисунках 4-6, которые после уточнения принимаются за эталонные.

3. В процессе эксплуатации локомотива бортовой вычислительный комплекс системы автоматического регулирования или отдельной системы диагностирования осуществляет непрерывный контроль относительных изменений основных параметров рабочего процесса и их соответствия эталонным кривым.

4. Существенное отклонение относительных изменений контролируемых параметров от эталонных кривых свидетельствовует о нарушении нормального протекания рабочего процесса в цилиндре дизеля.

Заключение

Реализация данного алгоритма позволит существенно повысить эффективность средств бортовой диагностики современных микропроцессорных систем автоматического регулирования дизельгенераторных установок тепловозов и стационарного диагностического оборудования локомотивных депо, сократить непроизводительный простой локомотивов в ремонте и снизить его стоимость за счет исключения разборки исправных узлов.

Библиографический список

1. Диагностические параметры главных судовых малооборотных дизелей / Л. Л. Грицай, В. Ф. Горбунов, В. Н. Калугин, Б. М. Левин // Труды ЦНИИМФа. - 1973. - Вып. 174. - C. 3-19.

2. Рабочие процессы транспортных турбопоршневых двигателей / С. И. Погодин. - М. : Машиностроение, 1978. - 312 с.

ISSN 1815-588 Х. Известия ПГУПС

2010/1