Анализ качества производства двигателей спасательных шлюпок и катеров

УДК 621.431.74

П. А. Дорохов

АНАЛИЗ КАЧЕСТВА ПРОИЗВОДСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ СПАСАТЕЛЬНЫХ ШЛЮПОК И КАТЕРОВ

Приводится краткая история создания и функционирования Международной конвенции по охране человеческой жизни на море (СОЛАС) - Safety of Life at Sea (SOLAS). Представлен перечень оценочных показателей, характеризующих особенности двигателей средств коллективного спасения экипажей морских судов. Проанализирована степень применимости двигателей с вихрекамерным и объёмно-плёночным смесеобразованием для выполнения спасательных операций. Рассматриваются вопросы качества изготовления двигателей 4ЧСП 9,5/11 (Каспий-40) с объёмно-плёночным смесеобразованием и камерой сгорания в поршне и 4ЧСП 9,5/11 (Каспий-30М) с вихрекамерным смесеобразованием как приводов энергоустановок спасательных шлюпок. Исследуются показатели качества этих двигателей и анализируется их состав в сравнении с показателями общепромышленных дизелей. Приводится методология расчёта качества судовых малоразмерных дизелей как базы для производства двигателей спасательных шлюпок. Приведена методика расчёта стоимости двигателей на основе трансцендентной формулы на примере расчёта обобщённого показателя качества.

Ключевые слова: двигатели спасательных шлюпок, международные морские конвенции и кодексы, пусковые свойства, экономичность, показатели качества, стоимость.

Введение

В 2012 г. исполнилось 100 лет со дня гибели пассажирского лайнера «Титаник». Это был первый случай крупной техногенной катастрофы, повлекшей за собой массовую гибель людей из-за отсутствия достаточного количества средств коллективного спасения экипажа и пассажиров. И этот случай положил начало созданию международной системы спасения человеческой жизни на море. В 1960 г. Международной морской организацией (ИМО) была принята Международная конвенция по охране человеческой жизни на море (СОЛАС, от англ. SOLAS, Safety of Life at Sea). На базе СОЛАС Комитетом по безопасности на море ИМО принят Международный кодекс по спасательным средствам (Кодекс МКСС - LSA Code), который с 01 июня 1998 г. является обязательным приложением СОЛАС. Наиболее эффективными средствами коллективного спасения (СКС), способными в короткое время обеспечить проведение спасательной операции и отход экипажа и пассажиров на безопасное расстояние от терпящего бедствие судна и полностью отвечающими конвенционным требованиям СОЛАС, являются моторные спасательные шлюпки, оснащенные надежными энергетическими установками (ЭУ), на базе малоразмерных дизелей. При аварийных ситуациях условием успешного проведения спасательной операции является в первую очередь безотказная и эффективная работа дизеля ЭУ СКС.

Эффективность ЭУ определяют показатели, характеризующие мощность двигателя (Ne - эффективная мощность, М^ - крутящий момент), необходимую для движения СКС с конвенционной скоростью и работы его систем жизнеобеспечения, баланс мощности и экономичности ЭУ по удельным расходам топлива и масла. Важным показателем является также полный КПД пропульсивного комплекса (ппк), характеризующий потери мощности в двигателе (пм), ре-версивно-редукторная передача (пррп), валопровод и гребной винт (пв); насосах систем осушения и орошения (пн), генераторах питания бортовой сети, радиостанции и зарядки аккумуляторов (Пг), на преодоление сопротивления движению корпуса СКС и запаса мощности (пк).

Оценочные показатели

Указанная номенклатура оценочных показателей ЭУ существенно отличается от общепринятой номенклатуры оценочных показателей ЭУ общего назначения [1], что объясняется спецификой функций, выполняемых ЭУ при реализации спасательной операции.

В номенклатуру оценочных характеристик для ЭУ СКС целесообразно включить:

- внешнюю и винтовую характеристики ЭУ;

- пусковые характеристики;

- зависимость продолжительности пуска от различных конструктивных и эксплуатационных факторов (температура окружающей среды, частота вращения коленчатого вала);

- цикловую подачу топлива;

- угол опережения начала впрыска топлива и др.

Перечисленный комплекс показателей и характеристик учитывает особенности ЭУ и позволяет оценить их в соответствии с международными и национальными требованиями. Полный комплекс или часть предложенных оценочных показателей могут использоваться при проведении научно-исследовательских, опытно-конструкторских, заводских и других видов испытаний. ОАО «Завод «Дагдизель» является единственным предприятием в РФ, которое серийно выпускает двигатели для СКС морских и речных судов как коммерческого, так и военного назначения. И если судоходные компании, даже входящие в Объединённую судостроительную корпорацию, могут позволить себе закупать импортное оборудование на средства госбюджета, то Военно-Морской Флот России должен рассчитывать только на собственного производителя. В этой связи повышение качественного уровня и эксплуатационных показателей двигателей спасательных средств является важной и актуальной задачей не только для специалистов завода, но и для всех учёных и инженеров, работающих в данной области.

Модификации шлюпочных двигателей

Среди многочисленных модификаций шлюпочных двигателей выделяются два основных типоразмера дизелей - 4ЧСП 9,5/11 (Каспий-40) с объёмно-плёночным смесеобразованием и камерой сгорания (КС) полуразделённого типа в поршне N = 25 кВт при п = 41,6 с-1) и 4ЧСП 9,5/11 (Каспий-30М) с обёмным смесеобразованием вихрекамерного типа N = 22 кВт при п = 41,6 с-1).

Двигатели с КС в поршне обладают двумя неоспоримыми преимуществами перед вихрека-мерными дизелями - это быстрота запуска и хорошая топливная экономичность [2]. На рис. 1 приведены сравнительные винтовые характеристики дизеля с КС в поршне и вихрекамерного дизеля.

Рис. 1. Сравнительные нагрузочные характеристики дизеля 4ЧСП 9,5/11 с одноконтурной системой охлаждения: Деном = 22 кВт; Деном = 25 кВт.

-----с разделенной камерой сгорания;

- - с камерой сгорания типа ЦНИДИ в поршне

Сравнительный анализ указанных дизелей позволяет отметить, что переход на камеру сгорания в поршне снижает удельный расход топлива на 20.. .30 г/(кВт • ч). При этом давление сгорания р2 повышается не более чем на 0,5... 0,7 МПа, а дизель устойчиво и стабильно работает во всем диапазоне нагрузок, разброс значений р2 последующих циклов не превышает 4 %. На рис. 2 приведён общий вид вихревой камеры сгорания.

Рис. 2. Общий вид вихревой камеры сгорания

На рис. 3 и 4 приведены схема объёмно-плёночного смесеобразования с КС в поршне и вид поршня с КС полуразделённого типа.

1 1 = и

0 85

Рис. 3. Схема полуразделённой камеры сгорания в поршне конусотороидального типа

Двигатели спасательных средств представляют собой класс машин одноразового действия с непродолжительным периодом функционирования, т. е., выполнив свою функцию и обеспечив спасение людей в ходе произошедшей морской катастрофы, они становятся ненужными, и последующее их использование, как средств спасения на море, не имеет смысла. Но при этом двигатели СКС технически, технологически и материаловедчески повторяют удачные образцы судовых малоразмерных дизелей.

Рис. 4. Вид поршня с камерой сгорания полуразделённого типа

Производители этих машин не задаются вопросом о том, зачем данным двигателям те же самые материалы, конструкторские и технологические решения, закладываемые в серийные машины и сопровождаемые значительными затратами на их производство. Зачем машинам, по существу одноразового действия, коленчатые валы из стали марки 45Х, закалённые до твёрдости 45^50 HRc; зачем им цилиндровые втулки из чугуна специального химсостава, тепловос-принимающая поверхность которых должна быть закалена до твёрдости не менее 37 HRc?

Можно задать ещё много «зачем?». Можно задать все эти вопросы руководству производителя, который все свои усилия направляет на поддержание предприятия за счёт основного вида продукции - подводного морского вооружения, в то время как производство судовых и промышленных двигателей, а также двигателей спасательных шлюпок находится на минимуме. Но тем не менее вопрос остаётся открытым, и задачи, которые стоят перед производителями дизелей для спасательных шлюпок, нужно решать. Ещё одним неоднозначным аспектом проделанного анализа является преимущество дизелей с КС в поршне перед вихрекамерными дизелями. Существуют два несомненных преимущества - лучшие пусковые свойства (при температуре окружающей среды до 10 °С) и лучшая топливная экономичность.

Что касается топливной экономичности, то в вопросах осуществления спасательных операций этот фактор не имеет превалирующего значения. Использование же быстровоспламе-няющихся жидкостей на основе диметилэфира во время предпусковых операций, а также поддержание в порядке системы свечей накаливания пусковые преимущества двигателя с камерой в поршне нивелируют. Тем не менее существует ряд возможностей привести пусковые и маневренные качества вихрекамерного дизеля 4ЧСП 9,5/11 (Капий-30М) к уровню требований СО-ЛАС и МКСС. Эти возможности и предполагается реализовать в дальнейшем. Кроме того, вих-рекамерные машины обладают следующим рядом достоинств:

- создают меньший уровень шума и вибраций в силу более низких значений скорости нарастания давления при сгорании рабочей смеси ^^ф < ), что немаловажно для обеспечения более комфортных условий для пассажиров шлюпки;

- обладают меньшим уровнем дымности ввиду хорошего смесеобразования;

- оснащены простой и надёжной топливной аппаратурой, не особенно требовательной к качеству топлива.

В этой связи рассматривается задача оценки качества производства судовых дизелей типа Ч 9,5/11 как базовой модели для изготовления двигателей спасательных шлюпок.

Оценка качества

При оценке технического уровня и качества судовых дизелей широко применяются комплексные показатели, основанные на усреднении относительных показателей учитываемых свойств [3-5]. Переход от абсолютных показателей К, выраженных в различных единицах измерения, к безразмерным относительным qi обычно осуществляется с привлечением базовых или эталонных показателей К.э, под которыми понимают показатели качества продукции, принятой за базу при сравнительных испытаниях. В общем виде можно записать:

д, = Ж, К.э), I = 1, 2, 3, ..., п,

где I - порядковый номер показателя свойства; п - число свойств, характеризующих качество.

В большинстве современных методик д, определяется как отношение показателя К, к показателю К1э. Очевидно, что при этом единичные оценки свойств и, следовательно, обобщенный показатель качества будут существенно зависеть от принятых эталонных значений. В связи с этим установление последних представляет собой ответственный этап в процессе комплексной оценки качества машин.

Для многих случаев оценки качества машин наиболее предпочтителен принцип формирования гипотетического эталона, в соответствии с которым набор К, э включает в себя наилучшие значения по каждому из учитываемых параметров. В числе преимуществ, обусловленных применением такого идеального эталона, можно отметить следующие:

- максимальное соответствие целям управления качеством, поскольку эталонные значения будут стимулировать разработчиков и изготовителей машины к повышению уровня качества продукции по всем показателям;

- возможность избежать произвола в выборе аналога для сравнительной оценки и тем самым повысить её объективность, т. к. существует базовый образец, символизирующий на данный момент времени наилучшее качество;

- ясное толкование эталона, т. к. качество оцениваемого двигателя рассматривается как степень приближения к идеальному качеству, соответствующему значению обобщенного показателя К = 1,0;

- наибольшая универсальность идеального эталона, т. к. его можно в равной мере использовать применительно к любой из машин, аналогичных оцениваемой, обеспечивая при этом сопоставимость результатов;

- наибольшая доступность данных о наилучших показателях, достигнутых на зарубежных машинах общего назначения (прежде всего, по рекламным соображениям).

Следует отметить, что выбор исходных аналогов играет важную роль при всех способах назначения эталона. Опыт, накопленный в двигателестроении позволяет сформулировать ряд следующих требований, соблюдение которых необходимо при подборе российских и зарубежных аналогов.

1. Одинаковая область применения аналога и оцениваемого двигателя.

2. Близкие значения классификационных показателей различия по номинальной мощности и частоте вращения коленчатого вала - они не должны превышать 30 %.

3. Параметрическая сопоставимость аналогов и оцениваемого двигателя (необходимо приведение сравнительных параметров к сопоставимому виду - в первую очередь это касается таких показателей, как мощность, удельный эффективный расход топлива, удельная масса, ресурс и др.).

4. Полнота и достоверность информации об аналогах, включая сроки поставки и производство сервисного обслуживания.

Следовательно, наиболее приемлемым для оценки качества машин представляется применение гипотетического эталона, сочетающего в себе наилучшие значения по каждому из показателей. Такой эталон объективен, состоятелен, универсален и удобен в расчетах, а проблема подбора объективного аналога для сопоставления качественных показателей оцениваемой машины методически не представляет каких-либо принципиальных затруднений. Трудности связаны лишь с недостатком информации и необходимостью приведения имеющейся информации к сопоставимому виду.

Были отобраны основные показатели судовых малоразмерных дизелей (с диаметром цилиндра < 100 мм - агрегатная мощность, среднее эффективное давление, частота вращения коленчатого вала, средняя скорость поршня, удельный расход топлива и масла, массы, габаритные размеры, ресурс) наиболее известных фирм США, Великобритании, Японии, Швеции, Франции, Финляндии, Чехии и других стран, которые могут быть использованы в качестве аналогов по своим классификационным данным и времени постановки на производство. В качестве оцениваемого был принят перспективный судовой дизель 4ЧН 9,5/11, разработанный совместно с ОАО «Завод «Дагдизель» и ФГУП НЦ «Национальные автомобильные интеллектуальные инновации» (номинальная мощность Ыеном = 75 кВт, номинальная частота вращения коленчатого вала - пном = 3 000 мин-1).

Как принято в мировой практике, и в согласии с требованиями квалиметрии, оценка коэффициентов весомости показателей качества была осуществлена экспертным методом. Экспертная комиссия, состоящая из ведущих технических специалистов предприятия-изготовителя, исходя из назначенных квалификационных данных, условий производства и эксплуатации, а также конъюнктуры рынка, оценила значимость показателей качества судовых малоразмерных дизелей (табл.).

Экспериментальная оценка значимости показателей качества судовых малоразмерных дизелей

Показатель качества ДВС Коэффициенты весомости экспонатов, т,

№ 1 № 2 № 3

Удельная мощность, кВт/кг 0,15 0,14 0,15

Литровая мощность, кВт/л 0,09 0,05 0,06

Удельная габаритная мощность, кВт/м3 0,057 0,05 0,05

Удельный расход топлива, кг/(кВт • ч) 0,22 0,22 0,21

Удельный расход масла, кг/(кВт • ч) 0,073 0,1 0,12

Наработка на отказ, ч 0,07 0,08 0,08

Ресурс непрерывной работы, ч 0,04 0,05 0,05

Ресурс до первой переборки, ч 0,07 0,07 0,07

Ресурс до капитального ремонта, ч 0,06 0,05 0,05

Удельная себестоимость, руб./(кВт • ч) 0,06 0,06 0,05

Удельная трудоемкость, н-ч/(кВт • ч) 0,03 0,06 0,05

Эргономические и эстетические показатели, балл 0,08 0,07 0,06

12 Сумма коэффициентов ^^ т{ 1 1,0 1,0 1,0

В связи с отсутствием данных для аналогов по всем показателям, для дальнейшего анализа использованы следующие основные показатели и усредненные значения коэффициентов их весомости: удельная массовая мощность - —м, кВт/кг (т1 = 0,145); литровая мощность - —л, кВт/л (т2 = 0,09); удельная габаритная мощность - —г, кВт/м3 (т3 = 0,055); удельный расход топлива - gе, кг/(кВт • ч) (т4 = 0,22); удельный расход масла - gм, кг/(кВт • ч) (т5 = 0,1); ресурс до первой переборки - Т1, ч (т6 = 0,07); ресурс до капитального ремонта - Т2, ч (т7 = 0,06); удельная себестоимость - С, руб./(кВт • ч) (т8 = 0,057).

Значение стоимости двигателя предлагается определять по следующему трансцендентному уравнению:

N0,073 т0,086 —°.7б3

с = 0 023 —_-_—__

с р2-446 р-1-138 V0,466 '

ре р т ^

где —е - эффективная мощность двигателя, кВт; Т - ресурс до капитального ремонта, ч; М - масса двигателя, кг; ре - удельный эффективный расход топлива, кг/(кВт • ч); рт - удельный эффективный расход масла, кг/(кВт • ч); V - серийность выпуска дизеля (серийность для судовых дизелей - 10, для береговых - 25). При этом средняя квадратичная погрешность модели не превышает 7 %. Данная модель позволяет обосновать расчетным путем стоимость двигателя по заданным показателям или определить величину одного из показателей по заданной стоимости и принятым значениям остальных показателей. Для оцениваемого двигателя стоимость, определенная по формуле (1), равна 190 620 руб. при стоимости идеального двигателя 126 000 руб.

На основе показателей выбранных двигателей были рассчитаны удельные показатели оцениваемого дизеля, дизелей-аналогов и идеального дизеля.

Обобщенный коэффициент качества идеального гипотетического двигателя будет равен сумме коэффициентов весомости восьми учитываемых показателей (п = 8), т. е.

КЕ э =Е тг = 0,797.

Недостающее до единицы значение суммы, равное 0,203, относится к показателям, для которых практически невозможно найти данные для аналогов (наработка на отказ, трудоемкость и др.).

Обобщенный коэффициент качества оцениваемого двигателя

К = Д^/Д^ + Nлm2/Nлээ + Nгmз/Nг.э + geэm4ge + + gм.эm5/gм + Т1т6/Т1э + Т2т1/Т2э + Ст8/Сэ = 0,994,

где N - значения удельной массовой, литровой и габаритной мощности; g - значения удельных расходов топлива и масла; Т - значения ресурсов; С - значения стоимости. Отношение коэффициентов качества

а =(0,203 + К) / (0,203 + КЕэ ) = 1,198 « 1,2

показывает, что оцениваемый двигатель по своему техническому уровню превосходит идеальный гипотетический двигатель на 20 %.

Заключение

Приведенный метод сравнительной оценки качества создаваемого судового дизеля и принцип выбора эталона показали реальные конкурентные преимущества оцениваемой машины еще на стадии проектирования. Действительный же качественный уровень будет определяться степенью соответствия реальных показателей новой машины заданным и сроком постановки её на производство.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. МасуевМ. А. Основы оптимизации интегрированной системы технического обслуживания и ремонта автомобилей / М. А. Масуев, В. А. Зарубкин // Конструкции автомобилей: экспресс-информ. М.: НИИ-Навтопром, 1978. С. 63-66.

2. АливагабовМ. М. Двигатели спасательных шлюпок и катеров / М. М. Аливагабов. Л.: Судостроение, 1980. 268 с.

3. Бордуков В. Т. Проблемы сопоставимости параметров при сравнительной оценке отечественных и зарубежных дизелей / В. Т. Бордуков, В. И. Федышин, Л. И. Михайлов // Двигателестроение. 1988. № 7. С. 37-39.

4. Единая методика оценки технического уровня продукции машиностроения. М.: ГКНТ СССР, 1987. 86 с.

5. Федышин В. И. О выборе эталона при оценке качества ДВС / В. И. Федышин Двигателестроение. 1980. № 7. С. 48-50.

Статья поступила в редакцию 06.10.2014

ИНФОРМАЦИЯ ОБ АВТОРЕ

Дорохов Павел Александрович - Россия, 414056, Астрахань; Астраханский государственный технический университет; младший научный сотрудник Лаборатории проблем моторной энергетики; drkhv.pavel@rambler.ru.

P. A. Dorokhov

ANALYSIS OF QUALITY OF PRODUCTION OF ENGINES OF RESCUE AND MOTOR BOATS

Abstract. The concise history of creation and functioning of International Convention for the Safety of Life at Sea (SOLAS) is presented. The list of evaluative parameters describing engines peculiarities of the collective rescue means of the maritime ships' crews has been given. The degree of application of the engines with swirl-chamber and volume-film mixture formation for implementation of rescue operations has been analysed. The issues of quality of manufacturing of the engines 4ЧСП 9.5/11 (Caspian-40) with volume-film mixture formation and combustion

chamber in the piston and 4^Cn 9.5/11 (Caspian-30M) with swirl-chamber being used as the drives for power plants of rescue boats have been considered. The quality indices and composition of these engines have also been considered in comparison with the technical indices of industrial diesel engine. The methodology of quality calculation of low-sized ship engines is given as the base for the production of rescue boat engines. The methodology for calculating the cost of engines is given on the basis of the transcendental equation. The example of calculation of the generalized indicator of quality is given.

Key words: engines of rescue boats, international maritime conventions and codes, start-new properties, efficiency, quality indices, cost.

REFERENCES

1. Masuev M. A., Zarubkin V. A. Osnovy optimizatsii integrirovannoi sistemy tekhnicheskogo obsluzhivaniia i remonta avtomobilei [The bases of optimization of integrated system of technical service and repair of automobiles]. Konstruktsii avtomobilei: ekspress-informatsiia. Moscow, NIINavtoprom Publ., 1978. P. 63-66.

2. Alivagabov M. M. Dvigateli spasatel'nykh shliupok i katerov [Engines of rescue and motor boats]. Leningrad, Sudostroenie Publ., 1980. 268 p.

3. Bordukov V. T., Fedyshin V. I., Mikhailov L. I. Problemy sopostavimosti parametrov pri sravnitel'noi ot-senke otechestvennykh i zarubezhnykh dizelei [Problems of cohesion of parameters ay comparative evaluation of domestic and foreign diesel engines]. Dvigatelestroenie, 1988, no. 7, pp. 37-39.

4. Edinaia metodika otsenki tekhnicheskogo urovnia produktsii mashinostroeniia [Unified methodology of evaluation of technical level of mechanical engineering production]. Moscow, GKNT SSSR, 1987. 86 p.

5. Fedyshin V. I. O vybore etalona pri otsenke kachestva DVS [On choosing the model of evaluation of ICE quality]. Dvigatelestroenie, 1980, no. 7, pp. 48-50.

The article submitted to the editors 06.10.2014

INFORMATION ABOUT THE AUTHOR

Dorokhov Pavel Aleksandrovitch - Russia, 414056, Astrakhan; Astrakhan State Technical University; Junior Research Assistant of the Laboratory of Motor Power Engineering; drkhv.pavel@rambler.ru.