Підвищення ефективності експлуатації виконавчих механізмів суднових пристроїв

Размещено на http://www.allbest.ru/

Одеська національна морська академія (ОНМА)

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Спеціальність 05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту

Підвищення ефективності експлуатації виконавчих механізмів суднових пристроїв

Кардаш Володимир Петрович

Одеса - 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Одеській національній морській академії Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор Ханмамедов Сергій Альбертович, Одеська національна морська академія, завідувач кафедри суднових енергетичних установок.

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, професор Зайцев Володимир Васильович, Національний університет кораблебудування ім. адм. Макарова, м. Миколаїв, завідувач кафедри морських технологій.

кандидат технічних наук, доцент Радченко Олег Петрович, Керченський державний морський технологічний університет, декан морського факультету.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради д.т.н., професор В.В. Тарапата

Анотація

судновий пристрій мастильний

Кардаш В.П. Підвищення ефективності експлуатації виконавчих механізмів суднових пристроїв. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.22.20 - Експлуатація та ремонт засобів транспорту. - Одеська національна морська академія, Одеса, 2008.

Показано, що значна частина енергії розсіюється у виконавчих механізмах суднових пристроїв, а також до 50% потоку відмов припадає на руйнування підшипникових вузлів. Підвищення ефективності може бути досягнуто: рекуперацією енергії, підвищенням ККД за рахунок зменшення витрат на тертя, зниженням інтенсивності зношування.

Побудовано узагальнений робочий цикл СП. Створено експериментальний стенд ВМ гідрофікованого СП. Впроваджено високочастотний метод вимірювання інтенсивності зношування, а для управління триботехнічними процесами висунуто концепцію підвищення довговічності вузлів, ККД та зниження шуму і вібрації, що базується на рідиннокристалічній природі матеріалу, який знаходиться в зоні взаємодії ланок механізму, для чого було розроблено нанотехнологію нанесення.

Впровадження отриманих результатів дозволяє підвищити довговічність вихідних вузлів більше ніж у 3 рази, знизити витрати мастильного матеріалу, час і витрати на обслуговування та ремонт ВМ СП, підвищити загальний ККД СП на 3-5%, знизити шумність роботи СП на 2-5 дБ.

Ключові слова: суднові пристрої, рекуперація, нанотехнологія, довговічність, шумність, інтенсивність зношування.

Аннотация

Кардаш В.П. Повышение эффективности эксплуатации исполнительных механизмов судовых устройств. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.22.20 - Эксплуатация и ремонт средств транспорта. - Одесская национальная морская академия, Одесса, 2008.

В диссертации приведено теоретическое обобщение и новое решение задачи повышения эффективности эксплуатации судновых устройств (СУ).

В диссертации приведено теоретическое обобщение и новое решение задачи сокращения энергетических затрат на привод СУ и эксплуатационных расходов на их обслуживание и ремонт. Это решение заключается в построении таких схем включения элементов СУ, которые позволяют реализовать частичную рекуперацию потребляемой энергии в судовую сеть и нанотехнологию, при помощи которой стало возможным сократить энергетические потери на трение и уменьшить интенсивность изнашивания выходных узлов ИМ СУ.

В работе показано, что СУ делятся на две группы. Первая - СУ ИМ которых совершают заданную работу в гравитационном поле земли. Вторая - СУ ИМ которых работают в потоке жидкости или газа.

Показано, что работа СУ носит циклический характер. Поэтому автором был разработан обобщенный цикл для возможности проведения в судовых условиях диагностических мероприятий с помощью штатных приборов силами экипажа.

В диссертации показано, что значительная часть энергии непроизводительно рассеивается в ИМ СУ и что до 50% потока отказов приходится на разрушение подшипниковых выходных узлов.

Был выполнен анализ взаимодействия элементов СУ. В результате анализа показано, что повышение эффективности может быть достигнуто: частичной рекуперацией энергии в судовую сеть, повышением КПД за счет уменьшения потерь на трение, снижением интенсивности изнашивания узлов СУ и связанных с ним расходов на обслуживание и ремонт.

Контроль за интенсивностью протекания процессов диссипации на рабочих поверхностях ИМ и управление этими процессами в период эксплуатации СУ позволит повысить надежность их работы.

При решении задачи диссертационного исследования использовался метод системного анализа, что позволило исследовать процессы, протекающие в СУ, построить обобщенный рабочий цикл СУ. Для проведения экспериментальных исследований разработан и смонтирован экспериментальный стенд гидрофицированного СУ, позволяющий производить измерения параметров взаимодействия элементов ИМ на различных режимах работы, а также определять величину энергии, накопленной в СУ, которая может быть возвращена в бортовую сеть.

Разработан высокочастотный метод измерения интенсивности изнашивания трущихся поверхностей, заключающийся в амплитудной и частотной демодуляции высокочастотного сигнала, пропущенного через зону трения, который в поле такого преобразования пропорционален интенсивности изнашивания узла трения.

Для управления триботехническими процессами в СУ предложен способ повышения долговечности узлов, повышения КПД, снижения шумности и вибрации, базирующийся на жидкокристаллической природе смазочного материала, находящегося в зоне взаимодействия выходных узлов механизмов СУ за счет нанотехнологии, которая позволяет создать пленку ориентанта смазочного материала и управлять процессами диссипации энергии выходных узлов, а также снижать интенсивность изнашивания.

Внедрение в практику эксплуатации СУ предложенного в диссертации способа позволяет получить: повышение общего КПД на 3-5 %; снижение расхода смазочных материалов на 5 %; снижение времени и затрат на обслуживание и ремонт ИМ СУ на 10 %; снижение расхода топлива до 2,5 %; повышение долговечности выходных узлов более чем в 3 раза; снизить шумность работы на 2-5 дБ, вибрации на 10-15 мкм.

Ключевые слова: судовые устройства, рекуперация, диссипация, нанотехнология, долговечность, снижение шумности, интенсивность изнашивания.

Summary

V.P. Kardash. Raising operating efficiency of the actuators providing operation of shipboard machinery and equipment. - Manuscript.

A thesis for obtaining an academic degree of candidate of engineering sciences. Special field of investigation - 05.22.20, Operation and Repair of the Transportation Facilities. Odesa National Maritime Academy, Odesa, 2008.

The thesis demonstrates that a substantial part of the energy used in the actuators of the shipboard machinery and equipment is dissipated; it is also emphasized that 50% of all machinery failures is due to the wear occurring in the bearing assemblies. Raising operating efficiency of such devices can be obtained by means of the following: recuperation of energy, raising the efficiency by lowering friction losses and reducing the wear rate.

A generalized working cycle for a piece of shipboard machinery (equipment) was developed. An experimental stand of an actuator fitted on a hydraulically driven piece of machinery was constructed. The high-frequency method for measuring the wear-out rate was applied and, to control tribotechnical processes, a concept of prolonging the units durability, raising their operating efficiency and lowering noisiness and vibration was put forward, this concept being based on liquid crystal nature of the material present in the zone of interaction of the members of a piece of machinery (equipment); all the above described required development of a coating nanotechnology.

Introduction of results obtained makes it possible to prolong the service life of the units for more than threefold, to reduce lubricating oil consumption, time and expenses required for repair to the actuator of shipboard piece of machinery (equipment), to raise the total efficiency of a shipboard piece of machinery (equipment) by 3…5%, and to lower down the noisiness by 2…5 dB.

Key words: shipboard machinery and equipment, recuperation, nanotechnology, reliability, noisiness, wear-out rate.

1. Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Суднові пристрої (СП) забезпечують здійснення функціонального призначення судном: реалізують управління його рухом і утримання в заданому районі акваторії або у причальної стінки, забезпечення буксирування, вантажних та рятувальних операцій, виконання яких дозволяє отримати ефективний транспортний засіб для безпечного перевезення людей, матеріальних і енергетичних ресурсів.

У процесі експлуатації СП найменш надійним елементом є їх виконавчий механізм (ВМ), який приймає участь у ефективному перетворенні вхідної енергії СП на механічну енергію його вихідних елементів при екологічно небезпечному контакті з навколишнім середовищем.

Значна кількість СП розміщена на відкритих палубах і піддається впливу навколишнього середовища, що ускладнює експлуатаційну ситуацію.

Таким чином, актуальною є задача підвищення ефективності та надійності роботи СП, що забезпечують безпеку людей, вантажу, який перевозиться, охорону навколишнього середовища і підвищення безпеки мореплавання судна.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Робота виконувалася відповідно до державної політики, яка визначена в документах: "Закон України про пріоритетні напрямки розвитку науки й техніки", Постанова Кабінету Міністрів України "Про затвердження пріоритетів інноваційної діяльності в Україні на 2001 - 2002 р.", "Закон України про пріоритетні напрямки інноваційної діяльності до 2013 р.". Тема дисертаційної роботи відповідає програмам і планам виконання фундаментальних науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України (наказ № 633 від 05. 11. 2002 р.) і Одеської національної морської академії на період 2003-2009 рр., в рамках яких виконувалися НДР "Вдосконалення технічної експлуатації суднових енергетичних установок морських транспортних суден" (ДР № 0102U007164) та "Теоретичні основи експлуатації перспективних морських транспортних засобів" (№ ДР0107U002084), в яких автор дисертації був виконавцем.

Мета і завдання дослідження. Мета дослідження - зниження енергетичних витрат на використання і скорочення експлуатаційних витрат на обслуговування та ремонт СП. При цьому було поставлено та розв'язано ряд допоміжних задач:

аналіз процесів формування вихідного зусилля ВМ для забезпечення реалізації функціонального призначення СП;

розробка загальної методики і основних методів дослідження процесів дисипації та рекуперації енергії в СП;

теоретичне дослідження процесів дисипації та рекуперації енергії в СП;

експериментальні дослідження робочих процесів, що мають місце в СП;

впровадження в практику експлуатації СП нанотехнології застосування орієнтанту мастильного прошарку для управління ресурсом СП і експлуатаційними витратами на них.

Об'єктом дослідження є процеси використання, обслуговування і ремонту СП, а предметом дослідження - процеси дисипації та рекуперації енергії в СП.

В роботі використано методи досліджень, які потрібні для забезпечення розв'язання головної та допоміжних задач:

системний аналіз, що використовується при визначенні ієрархії функціонального призначення СП;

фізичне моделювання для аналізу силової взаємодії елементів ВМ СП;

експериментальні методи вимірювання параметрів процесів, що мають місце в елементах СП в реальному масштабі часу для відображення узагальненого циклу СП;

подвійне променезаломлення, електроімпульсний метод, діелектрична та оптична спектроскопія - при визначенні трибо технічних характеристик мастильних прошарків ВМ СП;

методи розв'язання диференційних та алгебраїчних рівнянь для опису процесів в СП.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в тому, що вперше запропоновано і доведено, що за рахунок застосування орієнтанту мастильного прошарку, який наноситься на робочі поверхні ВМ СП, здійснюється зниження енергетичних витрат на тертя, збільшується повний ресурс вихідних вузлів СП, зменшується шумність їх роботи та вібрація. При цьому:

вперше запропоновано узагальнений робочий цикл СП;

розроблено безконтактний високочастотний метод вимірювання інтенсивності зношування, що відрізняється від існуючого електроімпульсного методу відсутністю струмоз'ємного пристрою і можливістю дистанційного отримання інформації про абсолютну величину інтенсивності зношування;

вперше показано, що площа узагальненого робочого циклу СП дає інтегровану характеристику їх технічного стану, а форма дозволяє ідентифікувати характер і вид відмов вузлів СП;

розроблено елементи теорії експлуатації СП за фактичним станом (визначення остаточного ресурсу, термінів ремонту та обсягу технічного обслуговування).

Практичне значення одержаних результатів полягає у наступному:

зменшуються витрати палива на використання СП за рахунок реалізації схем СП, що дозволяють здійснити рекуперацію частини енергії в суднову мережу і підвищити механічний ККД СП;

знижуються експлуатаційні витрати шляхом підвищення довговічності елементів СП;

скорочуються витрати на ремонт і обслуговування шляхом діагностування робочих процесів СП;

створено нанотехнологію, що дозволяє здійснювати управління ресурсом, надійністю СП та їх технічним станом. Ця технологія включає нанесення плівкового покриття на робочі поверхні елементів приводу СП, дозволяє підвищити довговічність упорно-опорних підшипників кочення в 3 рази, знизити шумність роботи на 2-3 дБ, підвищити механічний ККД СП на 5-7 %;

розроблено безконтактний способу вимірювання інтенсивності зношування вузлів СП, який може бути використаний для визначення технічного стану СП.

Розроблена нанотехнологія може бути реалізована як при виготовленні елементів приводу СП, так і при їх ремонті. Ця технологія може бути також використана в суднових двигунах внутрішнього згорання, редукторах, упорних і опорних підшипниках головного суднового валопроводу та ін.

Результати дисертаційного дослідження використано в Іллічівському морському торгівельному порту (акт впровадження від 25.10.07 р.); СК "Укррічфлот", м. Херсон (акт впровадження від 22.01.08 р.); навчальному процесі судномеханічного факультету ОНМА (акт впровадження від 20.07.07 р.).

Результати дисертаційної роботи включено також до звіту ОНМА з НДР "Вдосконалення технічної експлуатації суднових енергетичних установок морських транспортних суден" (ДР № 0102U007164).

Особистий внесок здобувача полягає у постановці мети і формуванні завдань дослідження, розробці і монтажі експериментального гідрофікованого стенду, розробці та апробації високочастотного методу вимірювання інтенсивності зношування, розробці технології нанесення тонкоплівкового покриття для управління триботехнічними процесами, проведенні експериментальних досліджень, в отриманні та інтерпретації наукових результатів, у написанні статей, докладів та самої дисертації.

Апробація результатів дисертації. Основні результати дисертації доповідалися і обговорювалися на міжнародних науково-технічних конференціях: "Эффективность, надежность и безопасность энергетических установок" (Энергоустановки - 2007), г. Севастополь. Сев. НТУ. - 2007 г.; "Сучасні проблеми триботехніки", м. Миколаїв, НУК ім. адм. Макарова; "Суднова енергетика: стан та проблеми", м. Миколаїв, НУК ім. адм. Макарова, 2007 р.; "Сучасні проблеми суднової енергетики", м. Одеса, ОНМА, 2005-2008 рр.

Публікації. Основні результаті досліджень опубліковано у 7-и наукових статтях у виданнях, дозволених ВАК України для публікації результатів дисертаційних робот, а також у тезах 2-х науково-технічних конференцій.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається зі вступу, 5-и розділів, висновків, 3-х додатків та списку використаних літературних джерел з 142 найменувань. Повний обсяг дисертації - 135 c. (з них - 116 основного тексту), містить 48 рис., 9 табл.

2. Основний зміст роботи

У вступі визначено актуальність теми дисертації, мету і задачі дослідження, сформульовано наукову новизну, практичне значення отриманих результатів, представлено відомості про апробацію та публікації роботи.

Перший розділ присвячено огляду наукової літератури за напрямком дослідження. Зазначено, що в основних наукових центрах СНД -- Ленінграді, Москві, Владивостоці, Комсомольську-на-Амурі, Києві, Одесі, Миколаєві тощо. сформувалися колективи науковців, які активно здійснювали і здійснюють удосконалення СП на морських транспортних суднах і суднах морегосподарського комплексу, що використовувались в СРСР, а потім в Україні. В Одесі Завіша В.В., Харін В.М., Дьокін Б.Г., Цюпко Ю.М. та ін. вели роботу щодо удосконалення суднового рульового пристрою, Ханмамедов С.А., Бардецький О.М., Заблоцький Ю.В. -- вантажних пристроїв, люкових закриттів і т.ін.

З огляду літературних джерел випливає, що у більшості морських суден всі СП оснащені потужним енергетичним обладнанням, що містить автоматизовані допоміжні електротехнічні, гідравлічні та механічні елементи. Загальним і характерним для приводу всіх СП є використання електричної енергії, що виробляється на борту судна, її трансформація у механічну енергію і подальше розсіювання у вигляді теплової енергії в навколишніх морському та повітряному середовищах.

З наведених схем СП видно, що хімічна енергія палива перетворюється послідовно на теплову, механічну, електричну, гідравлічну і знову на механічну у ВМ. Енергетична ефективність перетворення хімічної енергії палива на механічну енергію, як відомо, має невисокий ККД, що становить 40-60%. Звісно, що таке значення ККД обумовлено великими механічними витратами у вихідних елементах СП.

Енергетичні показники обладнання СП представлені у наведеній нижче табл. 1.

Сумарна потужність енергетичного обладнання СП коливається у широкому діапазоні -- від декількох десятків Вт до 2,5 МВт. Загальне число агрегатів і машин, що входять до складу СП на борту судна, досягає декількох десятків, а витрати на технічне обслуговування (ТО) та їхній ремонт -- 5-7 % експлуатаційних суднових витрат.

Літературні джерела констатують, що до недоліків СП існуючих конструкцій слід віднести той фактор, що енергетичне обладнання, яке застосовується в СП, є потужним місцевим джерелом шуму і вібрації, що всі СП, як правило, жорстко з'єднані з елементами набору корпуса судна і, таким чином, сприяють зростанню загального рівня вібрації корпусних конструкцій. ВМ СП мають безпосередній контакт з навколишнім середовищем, розміщуються на палубі, в закритих і відкритих приміщеннях корпусу судна. Схеми компоновки і розміщення СП показують, що головним чином вони згруповані у носовій і кормовій частині судна, що обумовлює виникнення додаткового навантаження на вузли СП в залежності від крену, диференту і місця розташування СП відносно центра ваги судна.

Таблиця 1. Енергетичні показники обладнання СП

№	Найменування механізму	Коефіцієнт корисної дії
		Мех.	Ел.	Гідр.
1	Первинний двигун внутрішнього згоряння	0,9	-	-
2	Електричний генератор	0,95	0,98	-
3	Електричний двигун	0,94	0,98
4	Гідравлічний насос	0,88		0,95
5	Гідравлічний мотор	0,82	-	0,95
6	Виконавчий механізм	0,5-0,6	-	-

Зараз зі всіх СП тільки в електричних кранах передбачено режим повернення потенційної енергії піднятого вантажу до бортової мережі шляхом переводу приводного двигуна у генераторний режим.

Додаткове динамічне навантаження на елементи СП виникає при хитавиці судна. Зміна навантаження на елементи СП залежить як від фази рейсу, так і від їхнього функціонального призначення.

Наведений в літературних джерелах аналіз експлуатації СП показав, що найбільш навантаженими вузлами цих механізмів, які обумовлюють їхню довговічність, ККД, шумність роботи, є ВМ СП, такі як: упорно-опорні підшипники, вали, штоки, елементи ущільнення. Відмови вихідних елементів СП обумовлені, перш за все, перебігом таких процесів як зношення, корозія, утомне руйнування робочих поверхонь.

Аналіз відмов цих елементів у часі показує, що вони не мають активних методів і засобів діагностування їх технічного стану і значна частина цього потоку відмов СП приходиться на руйнування підшипникових вузлів їхніх ВМ.

Огляд виконаних досліджень у провідних лабораторіях та інститутах показує, що всі ці процеси відбуваються насамперед на робочих поверхнях елементів СП, що контактують, і від інтенсивності їх перебігу залежить надійність і довговічність роботи СП. Таким чином, виконаний аналіз ефективності роботи СП показав, що контроль за інтенсивністю перебігу процесів на робочих поверхнях ВМ і управління цими процесами в період роботи СП дозволить підвищити їхню надійність та скоротити експлуатаційні витрати.

Як показав огляд виконаних раніше досліджень, ВМ формують функціональне призначення таких СП, як: рульовий пристрій, вантажний пристрій, швартовний пристрій, підрулювальний пристрій тощо. При цьому ВМ має найменший ККД зі всіх елементів СП, найменший ресурс і, таким чином, є найбільш вразливою ланкою.

Таким чином, на підставі проведеного аналізу роботи СП були сформульовані мета і задачі дисертаційного дослідження, вказано шляхи зниження енергетичних та експлуатаційних витрат [1, 3].

Другий розділ присвячено обґрунтуванню і вибору задачі дисертаційного дослідження -- розробці загальної методики і основних методів дослідження процесів дисипації та рекуперації енергії в СП. Недостатня вивченість процесів часткової або повної функціональної відмови СП через їхню недоступність стримує їхній розвиток і удосконалення. Автором акцентується увага на питаннях морехідної безпеки судна, серед яких особливе місце посідає надійність роботи СП. Надійність та ефективність експлуатації СП обумовлена організаційними, технологічними і технічними заходами, виконання яких дозволяє розробити практичні рекомендації судновласникам щодо забезпечення морехідної безпеки, а також визначити необхідність методів і засобів експлуатації СП за їхнім фактичним станом. У зв'язку з цим виникає необхідність створення таких умов і способів експлуатації СП, які дозволять підвищити їхній ресурс, скоротити експлуатаційні витрати, підвищити ККД і т.ін.

Дослідами були охоплені найбільш відповідальні СП, такі як: рульовий, вантажний, швартовний, якірний, підрулювальний.

В основу методології досліджень покладено системний аналіз. На першому етапі були проведені дослідження на діючих лабораторних зразках СП при обмеженні навантаження в реальному масштабі часу.

На другому етапі дослідження проводились на експериментальному стенді, який давав можливість відтворити будь-який режим роботи типового вихідного вузла СП. Стенд обладнано приладами, які дозволяли безконтактним способом проводити вимірювання інтенсивності зношування елементів вихідних вузлів, параметрів робочого циклу СП, а також здійснювати рекуперацію енергії в суднову гідравлічну або електричну мережу. Все це робило також можливим впровадження методики прискорених випробувань.

На третьому етапі дослідження проводилися на реальних СП, що знаходилися в експлуатації на транспортних суднах типу річка-море "Укррічфлоту" та суднах допоміжного флоту Іллічівського морського торгового порту.

У процесі підконтрольної експлуатації досліджувалися ситуації, коли відбувалися функціональна чи параметрична відмови СП, що призводило до значних витрат ходового часу і продовження стоянки під вантажними операціями і т.ін. В процесі дослідної експлуатації СП відпрацьовувалися елементи організації експлуатації за фактичним станом з використанням нових методів і засобів діагностування, а також нових технологій і методів підвищення ефективності експлуатації СП.

Під час проведення цих робіт була також апробована можливість використання нанотехнології обробки робочих поверхонь вихідних елементів СП плівковим покриттям, що виконує роль орієнтанту у пристінному прошарку базового мастильного матеріалу і дозволяє управляти процесами дисипації енергії та зменшити витрати палива на привод СП.

Таким чином, методологічно обґрунтовано рішення задач дисертаційного дослідження, що полягають у використанні сучасних теоретичних і експериментальних методів наукових досліджень в галузі СП, в розробці експериментального стенду для визначення параметрів взаємодії вихідних елементів СП за допомогою безконтактного способу вимірювання інтенсивності зношування та здійснення рекуперації [6].

Третій розділ присвячено теоретичному дослідженню енергетичних процесів, що мають місце в СП при виконанні ними свого функціонального призначення.

У роботі виконано дослідження процесів силової взаємодії, що мають місце в елементах приводів СП, їх фізичне моделювання і математичний опис.

Для цього було розглянуто фізичну модель узагальненого СП. Для опису процесів силової взаємодії елементів системи застосовано рівняння Лагранжа.

Автором було отримано загальний розв'язок рівняння Лагранжа для випадку трьохмірного переміщення ВМ СП відносно судна, що знаходиться на регулярній хитавиці.

,

Параметром, який характеризує роботу СП, автором було вибрано зусилля F, що формується у виконавчому механізмі СП при його лінійному або кутовому переміщенні h: F = f(h).

Зусилля, яке реалізує ВМ СП, призначено для переміщення у гравітаційному полі Землі чи потоці рідини (газу) його вихідного елемента. Величина цього зусилля змінюється за часом, носить, як правило, циклічний характер і змінюється як за абсолютною величиною, так і за напрямом дії.

Всі СП зводяться до схеми, що містить вихідний елемент AB, в точці B якого закріплено гнучкий робочий орган або виконавчий елемент СП.

Нами було виконано рішення системи рівнянь у вигляді F = f(h), де h лінійне (чи кутове) зв'язане з ним переміщення вихідної ланки СП.

У результаті аналізу залежностей F = f(h) для СП було запропоновано автором узагальнений робочий цикл СП.

S_acko -- площа діаграми, що пропорційна енергії, яку необхідно витратити для виконання СП свого функціонального призначення;

S_qacef -- площа діаграми, яка пропорційна необхідним витратам на тертя;

S_a?c?e?q? - площа діаграми, яка пропорційна витратам на тертя у випадку скорочення витрат на тертя шляхом застосування нанотехнології нанесення орієнтанту мастильного прошарку;

S_fek -- площа діаграми, що пропорційна теоретично можливій енергії, яка може бути повернена до суднової гідравлічної чи електричної мережі;

oa - сумарна сила тертя СП, яка приведена до осі обертання ВМ.

Величина вихідного зусилля і величина енергії, що рекуперується в СП, залежать від сумарної приведеної сили тертя.

Виконаний аналіз показує, що зменшення сили тертя (відрізок oa?) призводить до збільшення величини енергії, яка може бути рекуперована до бортової мережі і механічного ККД СП. У зв'язку з отриманим результатом цьому питанню було приділено особливу увагу.

Обмеження, які накладено на модель, обумовлені специфікою конструкції та умовами роботи вихідних вузлів СП: верхня деталь рухома і має масу m, отримуване навантаження P, рух прямолінійний. У вихідному вузлі знаходиться мастильний матеріал в рідиннокристалічному (РК) стані товщиною h не більше 20 мкм. Швидкість руху і конструкція вузлів не дозволяє реалізувати гідродинамічний режим тертя. В зоні взаємодії контакт ненасичений.

Контурна площа верхньої деталі вихідного вузла -- A_c1, нижньої деталі -- A_c2. В роботі розглядаються обернені трибо системи, тобто A_c1/A_c2 ? 1.

 -- сила, що діє вздовж осі ;

-- сила, що діє вздовж осі .

де F_жк -- опір зсуву мастильного матеріалу, що знаходиться в РК стані, [Н/м²];

P -- питомий тиск, що сприймається контурною площею контакту вузла тертя;

П(h) -- розклинювальний тиск у мастильному матеріалі, [Н/м²].

Якщо рух сталий (прямолінійний з постійною швидкістю), то ma_x = 0, ma_z = 0. Тоді:

,

,

П(h) у загальному випадку може бути визначено з відомої моделі Дерягіна Б.В.

.

де П_s(h) -- структурна складова розклинювального тиску, що викликана перекриттям граничних прошарків рідини зі структурою, яка змінюється у порівнянні з об'ємною фазою;

П_e(h) -- іонно-електрична складова розклинювального тиску, що зв'язана з перекриттям дифузних іонних прошарків заряджених поверхонь плівки;

П_m(h) -- молекулярна складова, що обумовлена силами дисперсійної взаємодії підложки і газу через плівку рідини, точніше, перекриттям тих міжфазних областей, у яких тензор флуктаційного електромагнітного поля є анізотропним;

П_a(h) -- адсорбційна складова розклинювального тиску, що зв'язана з перекриттям дифузних адсорбційних прошарків нейтральних молекул в неіонних розчинах;

П_c(h) -- складова розклинювального тиску, що обумовлена "стеричною" взаємодією адсорбційних прошарків поверхнево-активних речовин (ПАР).

Як показують дослідження, проведені в ОНМА (Поповським Ю. М., Ханмамедовим С.А.), величина розклинювального тиску залежить значною мірою від структурної складової П_s(h), величиною якої автор пропонує управляти, наприклад, шляхом нанесення орієнтанта на робочу поверхню зони тертя.

На рис. 3 пунктиром показано узагальнений цикл СП S_a?c?e?q?, отриманий для випадку при нанесенні на робочі поверхні вихідних вузлів ВМ СП орієнтанта з використанням нанотехнології, що запропонована автором. При використанні орієнтанта відбувається зменшення енергетичних витрат на тертя, збільшення енергії, яка може бути рекуперована в суднову мережу.

Таким чином, використання орієнтанта дозволяє також знизити інтенсивність зношування вихідних вузлів ВМ. Як показали дослідження, проведені автором, абсолютне значення зниження інтенсивності зношування залежать від типу орієнтанта, що застосовується, і технології його нанесення та може досягати значень від 3 до 10 раз [4].

У четвертому розділі наведено результати експериментальних дисертаційних досліджень, які проводилися на розробленій автором установці для визначення параметрів взаємодії вихідних елементів СП, що дозволяє проводити вимірювання параметрів цих взаємодій на різних режимах роботи. Гідросистема установки працює за відкритою схемою, яка характерна для більшості СП. Тиск у гідравлічній системі установки створюється навантаженням гідромотору за допомогою електрогенератора, шляхом регулювання напруги обмотки збудження машини постійного струму.

Експериментальна установка складається з гідронасоса 1; гідромотора з вихідним вузлом, який випробовується, 2; витратоміра мастила 3; фільтра 4; теплообмінника 5; запобіжного клапана 6; бака для поповнення мастила 7; трубопроводу 8; манометра 13, гідравлічного акумулятора 14.

Експериментальні елементи установки включають: привідний електродвигун постійного струму 9, який з'єднано з гідронасосом 1 через муфту 10, генератор постійного струму 11, з'єднаний з гідромотором 2 через клиноремінну передачу 12 і вольтодоповнюючий пристрій , що з'єднані паралельно.

Даний стенд дозволив провести дослідження величини енергії, яка повертається СП у бортову мережу.

Величину рекуперації енергії зручно віднести до енергії, що використовується СП в цілому. Тоді коефіцієнт рекуперації становитиме:

;

Залежність коефіцієнта рекуперації має екстремальний характер, практично повторює хід залежності загального ККД від навантаження СП.

Для реалізації вимірювання інтенсивності зношування вихідних вузлів ВМ СП розроблено високочастотний метод (ВЧМ), що базується на відомому електроімпульсному методі (ЕІМ). Метод полягає у частотній та амплітудній демодуляції високочастотного сигналу, який пропускають через зону тертя. Після такого перетворення вихідний сигнал C₁ пропорційний інтенсивності зношування вихідного вузла СП.

Дослідження по вибору типу орієнтанту для підшипникових вузлів СП виконувалися на лабораторній установці ДМ-28, призначеній для випробування підшипників кочення. Базовим мастильним матеріалом було мастило МГ-30, яке подавалося у кількості, що забезпечувала сталість температури зовнішнього кільця випробуваного підшипника. Частота обертання приводного валу становила 5000 хв^-1.

Таким чином, за результатами отриманих залежностей моменту тертя, інтенсивності зношування та температури від радіального навантаження на підшипниковий вузол можна зробити висновки [5, 7], що:

1) інтенсивність зношування підшипників у випадку застосування орієнтанту знизилась з до у порівнянні зі звичайними підшипниками;

2) температура корпусу підшипника, завдяки орієнтанту, знизилась на 15-20°С у діапазоні навантаження 0-2000 Н;

3) час приробки підшипників скоротився у 2 рази.

4) рівень шуму завдяки орієнтанту знижується на 3-5 дБ, а вібрації - на 10-15 мкм.

П'ятий розділ присвячено впровадженню в практику експлуатації СП нанотехнології застосування орієнтанту мастильного прошарку для управління ресурсом СП і експлуатаційними витратами.

В дисертаційній роботі запропоновано схеми СП, зображені на рис. 8, які дозволяють рекуперувати частину енергії працюючого по замкнутому циклу СП у суднову мережу. Серед цих схем автор віддає перевагу схемам з частотно-керованими електричними асинхронними оборотними приводами.

Розглянуто також варіанти схем СП з гідроприводом, які можна реалізувати в суднових умовах при їх модернізації.

Далі наведено варіанти дообладнання СП приладами, які дозволяють реєструвати параметри їхнього робочого циклу. Порівняння параметрів поточного циклу з еталонним дозволяє здійснити діагностування технічного стану СП, а вимірювання інтенсивності зношування вихідних вузлів дозволяє прогнозувати їхній залишковий ресурс. Основну увагу в розділі приділено удосконаленню СП на стадії експлуатації.

У розділі наводяться результати розробки елементів системи технічного обслуговування та ремонту, що дозволяють підвищити ефективність використання СП шляхом впливу застосованої нанотехнології на управління експлуатаційними характеристиками вихідних вузлів СП. Дослідження роботи вихідних вузлів СП показали необхідність реалізації у приповерхневому мастильному прошарку гомеотропної структури. Для реалізації цієї структури в роботі було проведено вибір типу орієнтанта. Автором було вибрано орієнтант ТУ6-02-2-610-95. Це високомолекулярна фториста сполука, яка розчиняється у хладоні -113, має в'язкість 800 сСт, густину 1,9150 г/см³, коефіцієнт заломлення = 1,3054.

Створення плівки орієнтанту на попередньо знежиреній поверхні деталі вихідного вузла СП проходить безпосередньо шляхом занурення деталі у розчин орієнтанту у хладоні на 3 хвилини. Після закінчення вказаного часу, деталь виймалася з розчину і сушилася у повітряному середовищі при температурі 18-25 °С. Через 10 хвилин на робочу поверхню наносився базовий мастильний матеріал і деталь надходила на збирання вихідного вузла СП.

Змінюючи концентрацію орієнтанту у розчині, можна добитися отримання заданої структури, наприклад гомеотропної, пристінного мастильного прошарку. При концентрації орієнтанту у розчині з хладоном -113 від 0,005% до 0,5% відбувається висадження прошарку орієнтанту товщиною ~ 20 нм. При цьому в пристінному прошарку мастильного матеріалу, який здійснює змащування вихідних вузлів СП, завідомо реалізується гомеотропна структура.

Даний тип структури, як показали дослідження, реалізація інтенсивності зношування I_h = 10^-12 вихідних вузлів СП (швартовних, вантажних тощо) забезпечить їхню безремонтну роботу протягом усього життєвого циклу судна (25-30 років).

Використання даної технології дозволяє:

знизити витрати мастила за рахунок управління поверхневою енергією в зоні тертя ВМ СП і утримання, таким чином, мастильного матеріалу в зоні тертя;

скоротити витрати на обслуговування та ремонт за рахунок зниження інтенсивності зношування вихідних вузлів ВМ СП.

Висновки

Аналіз накопиченого досвіду експлуатації морських та річкових суден, проведені в ОНМА дослідження дозволили виявити значний резерв економії енергоресурсів і витрат на обслуговування та ремонт СП. В даний час одним з найменш вивчених процесів, які можуть підвищити ефективність експлуатації СП, є процеси дисипації енергії і можливої часткової її рекуперації до суднової мережі. В надрукованих джерелах нема даних про механізм про дисипації та рекуперації енергії в СП. Необхідність забезпечення надійної та економічної роботи СП вимагає розв'язання важливих для суднової енергетики задач -- встановлення закономірностей зміни параметрів СП в процесі експлуатації, прогнозування їх технічного стану та розробки методів обслуговування і ремонту. Проведений аналіз дозволив сформулювати напрям необхідних наукових досліджень, що спрямовані на удосконалення експлуатації СП.

Основні результати, що отримано в дисертації:

Вперше доведено, що величину енергетичних витрат в СП і витрат на їх обслуговування та ремонт можна скоротити управлінням триботехнічними процесами, шляхом застосування нанотехнології нанесення орієнтанту мастильного матеріалу на робочі поверхні вихідних вузлів СП;

Результати дисертації є істотним внеском у подальший розвиток теорії розрахунку параметрів робочих циклів СП.

Розроблено нанотехнологію, яка дозволяє управляти величиною енергетичних витрат і ресурсом ВМ СП, а також організувати їх експлуатацію за фактичним станом;

Розроблено схеми, які реалізують рекуперацію частини енергії, накопиченої у СП, в суднову мережу;

Розроблено безконтактний спосіб визначення інтенсивності зношування вузлів СП, який може бути використаний для визначення їх технічного стану;

Розроблено метод діагностування технічного стану СП, що полягає у порівнянні еталонного і поточного робочого циклів.

Реалізація результатів роботи на морських транспортних суднах дозволяє отримати:

підвищення загального ККД на 3-5 %;

зниження витрат мастильного матеріалу на 5 %;

зниження часу і витрат на обслуговування та ремонт ВМ СП на 10 %;

зниження витрат палива до 2,5 %;

підвищення довговічності вихідних вузлів більше ніж у 3 рази;

зниження шуму роботи на 2-5 дБ, а вібрації на 10-15 мкм.

Достовірність отриманих результатів спирається на досягнення аналогічних досліджень в інших провідних наукових центрах, а також підтверджена практикою використання СП в умовах експлуатації морських транспортних суден.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Кардаш В.П. Параметры нагружения и долговечность подшипниковых узлов аксиально-поршневых гидромашин / Кардаш В.П. // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - Вып. 5. - Одесса: ОГМА, 2000. - С. 38-41.

2. Кардаш В.П. Оценка эксплуатационных характеристик подшипников судовых гидромашин / Кардаш В.П. // Автоматизация судовых технических средств: науч.-техн. сб. - Вып. 6. - Одесса: ОГМА, - 2001 - С. 45-49.

3. Кардаш В.П. Повышение надежности исполнительных механизмов судовых устройств / Кардаш В.П., Ханмамедов С.А. // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - Вып. 17. - Одесса: ОГМА. - 2006. - С. 97-103 (здобувачу належать: аналіз відмов, вплив додаткового навантаження на підшипникові вузли в залежності від крена, диферента та місця розташування СП).

4. Кардаш В.П. Повышение эффективности эксплуатации судовых устройств / Кардаш В.П., Ханмамедов С.А. // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - Вып. 18. - Одесса: ОНМА, 2007. - С. 70-77 (здобувачу належать: аналіз вихідних характеристик ВМ СП, навантажувальна діаграма узагальненого СП, рішення задачі підвищення ефективності роботи СП шляхом підвищення ККД).

5. Кардаш В.П. Повышение технико-экономических показателей корабельных устройств в эксплуатации / Кардаш В.П., Мельник А.Н. // Зб. наук. праць. - Вип. 2(12). - Севастополь: СВМУ, 2007. - С. 251-255 (здобувачу належать експериментальні дані, що підтверджують зниження інтенсивності зношування при нанесені на робочі поверхні ВМ оріентанта мастильного матеріалу).

6. Кардаш В.П. Повышение эффективности работы судовых устройств / Кардаш В.П., Ханмамедов С.А. // Судовые энергетические установки: науч.-техн. сб. - Вып. 20. - Одесса: ОНМА, 2007. - С. 4-15 (здобувачу належать експериментальні дані та їх інтерпретація).

7. Кардаш В.П. Повышение эффективности эксплуатации исполнительных механизмов судовых устройств / Кардаш В.П. // Рибне господарство України: науч.-произв. журн. - Вып. 6. - Керчь: КГМТУ, 2007. - С. 25-27.

8. Кардаш В.П. Использование нанотехнологии обработки рабочих поверхностей для повышения долговечно сти узлов трения судовых устройств / Кардаш В.П. // Сучасні проблеми триботехніки: Мат. 2-ої міжнар. наук.-техн. конф. - Миколаїв: НУК, 2007. - С. 122-124.

9. Кардаш В.П. Исследование рабочих процессов судовых устройств / Кардаш В.П. // Суднова енергетика: стан та проблеми: Мат. 3-ої міжнар. наук.-техн. конф. - Миколаїв: НУК, 2007. - С. 93-96.

Размещено на Allbest.ru

...