Диагностирование дизеля на основе спектрального анализа масла

Кроме анализа, который проводят в специализированных лабораториях, применяют и экспресс-анализ, выполняемый работниками транспортных предприятий. Для проведения экспресс-анализа в продаже имеются специальные комплекты простейших приборов и реагенты. Один из элементов экспресс-анализа - так называемая «капельная проба». Капля масла, нанесенная на фильтровальную бумагу, дает информацию о диспергирующих свойствах масла (способности смывать и уносить загрязняющие вещества), степени его загрязненности и окисления, наличия в нем воды. Экспресс-анализ можно выполнять намного чаще, своевременно выявляя неисправности. Сочетание подробных лабораторных анализов с экспресс-анализом дает наилучший результат при эксплуатации.

Феррографический анализ масла заключается в осаждении частиц износа из пробы масла в магнитном поле на поверхности стеклянной пластины с последующим их анализом на микроскопе. При градиенте магнитного поля порядка 2000 Эрстед на 1 мм на поверхности пластины оседают практически все частицы находящиеся в масле, включая ферромагнетики, парамагнетики и диамагнетики, причем последние имеют микроскопические включения ферромагнетиков. Из частиц с одинаковыми магнитными свойствами в соответствии с размером осаждаются на пластину сначала более крупные, затем более мелкие частицы. Это объясняется тем, что магнитные силы пропорциональны кубу среднего линейного размера частицы, а вязкое сопротивление масла - его квадрату.

Частицы одинакового размера, но с различными магнитными свойствами, осаждаются в соответствии с их магнитной восприимчивостью.

Возможность оценки технического двигателя методом спектрально-феррографического анализа продуктов износа в масле была оценена при исследовании масла моторного М8Г₂К («штатное масло») и масла моторного М8Г₂К с добавкой «Форум-В» («опытное масло») на двигателе в условиях низкотемпературных пусков-прогревов.

Температура окружающего воздуха была выбрана минимальной, исходя из возможности пуска двигателя без использования средств облегчения пуска (минус 10 °С) и с использованием электро-факельного устройства (ЭФУ) (минус 22 °С). Общая характеристика пусков в условиях низких температур окружающего воздуха приведена в таблице 2.8

Таблица 2.8 - Общая характеристика пусков двигателя в условиях низких температур окружающего воздуха

Этап	Температура окружающего воздуха, °с	Кол-во пусков	Использование средств облегчения пуска
1	- 10	6	Без использования
	- 22	6	С использованием ЭФУ
2	- 10	20	Без использования
	- 22	14	С использованием ЭФУ

Динамика изменения концентраций основных химических элементов (железо, медь, титан, свинец, цинк, магний, никель, молибден) в испытываемых маслах от наработки двигателя показана на рис. 2.7



Рис. 2.7 - Динамика изменения концентрации основных химических элементов (железо, медь, титан, свинец, цинк, магний, никель, молибден) в испытываемых маслах от наработки двигателя

Динамика изменения концентрации основных химических элементов в испытываемых маслах от наработки двигателя.

Исследования показали, что приработка основных деталей: гильзы цилиндров (Fe, Ni, Ti); поршневые кольца (Fe, Ni, P); шейки коленчатого вала (Fe, V, Mo); вкладыши подшипников (Pb) - завершается к 12 опыту. Необходимо отметить резкое снижение содержания Zn и Mg в пробах штатного масла и появление следов воды. Предположительно, цинкосодержащая противоизносная присадка ДФ-11 в присутствии конденсата, образовавшегося из-за работы двигателя с пониженной температурой стенок гильз цилиндров и с постоянными перепадами температур, разложилась на ZnО и диалкилдитиофосфорную кислоту, что и привело к лавинообразному увеличению износа трибосопряжений.

Концентрация продуктов износа в штатном масле более высокая, чем в опытном масле; причем зависимость концентрации элементов в опытном масле от наработки (количества пусков) практически линейная. После 46 пусков содержание железа в штатном масле составило 105,0 РРМ, в то время как в опытном -66,7 PPM (снижение на 37%) , свинца - 42,2 и 11,3 PPM (снижение на 73%), меди - 9,1 и 6,5 PPM (снижение 29%).

Для оценки эффективности диагностики двигателя методами спектрально-феррографического анализа продуктов износа в масле до начала испытаний и по их завершению двигатели подвергались разборке и микрометражу. Значения износов деталей двигателей представлены в таблице 2 и 3. В скобках указаны процентное снижение износов на опытном масле относительно штатного масла. Результаты, представленные в таблицах 2 и 3 подтверждают выявленное методом спектрального анализа снижение износа деталей двигателя на опытном масле.

Феррографический анализ масел выявил:

1 - В свежем масле (в состоянии поставки) обнаруживаются загрязнения в вид частиц песка до 5 мкм и красные окислы железа (ржавчина) размером до 5 мкм и сферические частицы железа до 2 мкм, которые могут образовываться в процессе хранения масла в сварной металлической таре. Наличие таких загрязнений в состоянии поставки допустимо.

2 - После 6 пусков обнаруживаются частицы кокса размером 250 мкм, частицы медесодержащего сплава размером 110 мкм, частицы соответствующие коррозионному износу и отдельные частицы износа отслаиванием размером до 15 мкм.

3 - После 12 пусков присутствуют стальные частицы износа отслаиванием до 10 мкм, отдельные частицы износ характерные для процесса приработки размером до 45 мкм. В основном в пробе присутствуют частицы коррозионного износа. Частиц износа, характерных для усталостного выкрашивания, микрорезания, задира не обнаружено.

4 - После 22 пусков обнаруживаются частицы износа отслаиванием до 20 мкм, частицы микрорезания в присутствии абразива размером до 40 мкм. В пробе, отобранной после 32 пусков, присутствуют отдельные частицы микрорезания, образующееся при внедрении одной микронеровности в другую, размером до 20 мкм и множество частиц кокса размером до 10 мкм.

5 - В пробе масла, отобранной после 42 пусков, обнаруживаются частицы микрорезания в присутствии абразива размером до 30 мкм, сферические частицы размером до 4 мкм, которые, в частности, могут появиться в масле при образовании усталостных микротрещин на поверхностях трения, в данном случае они могли образоваться при пуске двигателя в условиях повышенной нагрузки. В пробе присутствуют частицы нормального износа отслаиванием размером до 15мкм, частицы кокса, а так же частицы неметаллического покрытия размером до 100 мкм с включением частиц износа отслаиванием размером 1-3 мкм.

6 - В пробе масла, отобранной после пусков 46, присутствуют частицы нормального износа отслаиванием размером до 15мкм, частицы кокса, а так же частицы нагара.

7 - В пробе масла, отобранной из корпуса фильтра грубой очистки, присутствуют частицы характерные для процесса приработки и частицы нагара. Частиц износа, характерных для усталостного выкрашивания, микрорезания, задира не обнаружено.

Частица микрорезания (1) в присутствии абразива размером 30 мкм. Увеличение х500	Сферические частицы (2) размером до 4 мкм. Увеличение х500
Сферические частицы (1) размером до 5 мкм, частицы нормального износа отслаиванием (2) размером до 15 мкм. Увеличение х500.	Частица (предположительно) неметаллического покрытия размером 100 мкм с включениями частиц износа отслаиванием размером 1-3 мкм. Увеличение х500.

Рис 2.8 - Феррографический анализ (масло М8Г₂К отобранное при -22°С после первых 10 пусков).

Таблица 2.9- Средние износы деталей цилиндропоршневой группы двигателя

Наименование детали	Место измерения	Значение износа, мкм
		Максимальное	Среднее
		штатное масло	опытное масло	штатное масло	опытное масло
Гильзы цилиндров	Внутренний диаметр на расстоянии H, мм от верхнего торца	H =28	+ 13,2	+7,2(46%)	+ 14,0	+12,0(14%)
		H = 68	+ 9,8	+6,5(34%)	+ 11,0	+9,0(19%)
Поршневые кольца	Радиальная толщина	Первое кольцо	3,4	2,6(-24%)	3,8	3,60(5%)
		Второе кольцо	1,6	0,2(-87%)	2,2	0,50(-77%)

Таблица 2.10 - Средние износы деталей кривошипно-шатунного механизма двигателя

Наименование детали	Место измерения	Значение износа, мкм
		Максимальное	Среднее
		штатное масло	опытное масло	штатное масло	опытное масло
Коленчатый вал	Диаметр коренной шейки	2,6	2,1(-19%)	3,6	2,5(-31%)
	Диаметр шатунной шейки	2,2	1,5(-32%)	3,4	2,6(-24%)
Вкладыши коренных подшипников	Толщина верхнего вкладыша	4,5	3,9(-14%)	6,4	4,2 (-35%)
	Толщина нижнего вкладыша	5,4	4,6(-15%)	6,1	5,4 (-13%)
Вкладыши шатунных подшипников	Толщина верхнего вкладыша	3,2	3,9(+21%)	6,5	4,1 (-37%)
	Толщина нижнего вкладыша	4,2	3,9(-7%)	5,7	4,1 (-29%)

Результаты исследований показывают, что применением спектрально-феррографического анализа возможно оценить интенсивность износов деталей двигателя от наработки, определить место износа в двигателе и, самое важное, тип этого износа, что определяет практическую значимость данного метода не только при диагностике технического состояния двигателя, но и при решении научных задач по исследованию присадок и триботехнических составов. В то же время следует отметить, что, несмотря на высокую информативность и низкую трудоемкость методов спектрально-феррографического анализа продуктов износа в масле, необходимо продолжить работы по его развитию с целью решения задачи определения степени износа деталей двигателя и прогнозирования его остаточного ресурса.

3. Использование спектрального анализа для оценки технического состояния дизеля

В настоящее время методика диагностики состояния дизельных двигателей тепловозов и дизель-поездов без их разборки еще не отработана. Поэтому в целях профилактики при периодическом техническом обслуживании приходится разбирать дизели, даже если по их фактическому состоянию в этом нет необходимости. Этим объясняется повышенный интерес к использованию феррографии, представляющей собой метод неразрушающего и безразборного контроля состояния двигателей по анализу смазочного масла на содержание в нем частиц продуктов износа металла.

При проведении настоящего исследования были умышленно воссозданы условия, соответствующие двум наиболее характерным видам аварийного состояния двигателей: задиру контактирующих поверхностей и перегреву свыше допустимой температуры. При этом количественно и качественно анализировались содержащиеся в смазочном масле частицы металла, чтобы удостовериться в том, можно ли на основании анализа судить о степени износа, наличии повреждения двигателя и о возможности продолжения его эксплуатации на подвижном составе до следующего осмотра или ремонта.

Испытаниям были подвергнуты четыре заведомо исправных двигателя типа DMH 17H, представляющие собой четырехтактные восьмицилиндровые дизели с горизонтально-рядным расположением цилиндров с форкамерами, степенью сжатия 16 и водяным охлаждением, имеющие мощность 132 кВт при номинальной частоте вращения 1500 об/мин. Они были установлены на испытательном стенде и запущены в работу в усиленном режиме. В ходе испытаний масло отбиралось из контрольного отверстия каждые 5 мин. Образцы масла нагревались до 65 °С и взбалтывались, а затем подвергались анализу.

3.1 Особенности частиц продуктов износа при задире металла в двигателе

С целью определения характерных особенностей частиц металла, образующихся при задире, испытания проводились в режиме ускоренного износа. Для этого у первого испытываемого двигателя были уменьшены зазоры в парах трения шейки коленчатого вала -- вкладыши подшипников шатунных головок, чтобы ужесточить условия работы по трению и увеличить снятие металла из-за схватывания. У второго двигателя для более полного изучения зависимости между темпом нарастания износа и характеристиками металла были заглушены смазочные отверстия, чтобы прекратить поступление масла в зазоры между коленчатым валом и подшипниками и тем самым интенсифицировать схватывание металла в этих местах.

Появившиеся в смазочном масле в результате износа частицы металла помещались для исследования под микроскоп. Наблюдения показали, что сначала образовывалось большое число темно-серых округлых частиц цветного металла размером меньше 10 мкм. Через некоторое время после этого начинали в небольшом числе возникать черные яйцевидные частицы размером 10-20 мкм. Исследование металла вкладышей на этой стадии износа показало, что значительная доля поверхности белого металла, составляющего первый (верхний) слой антифрикционного покрытия, была разрушена с выходом наружу кельмета, составляющего второй (нижележащий) слой покрытия, но еще не в такой степени, чтобы вызвать задир.

Затем по мере ужесточения условий работы испытываемых двигателей (с сокращением поступления смазочного масла при одновременном увеличении частоты вращения и нагрузки) в дополнение к ранее обнаруженным частицам продуктов износа стали появляться желто-красные частицы цветного металла, предположительно перегретого кельмета, размером около 10 мкм. После наступления этого состояния двигатели продолжали оставаться в работе до возникновения задира. При этом первый слой белого металла был целиком сведен на нет, а слой кельмета полностью обнажился, снова приобретя черный цвет и грубую текстуру, что является явными признаками задира.

По результатам анализа можно предположить, что даже повреждения металла в парах трения не являются чрезмерно опасными для двигателя, пока они остаются в пределах слоя белого металла, и двигатель может оставаться в работе. Однако если повреждения распространяются на слой кельмета и условия работы двигателя становятся слишком напряженными, это может быть действительно опасным.

Приведенные результаты наблюдений были обобщены в целях создания картины типичной последовательности осаждения в масло характерных по цвету и размерам частиц цветного металла (рис. 3.1)

Рис. 3.1 Последовательность образования частиц продуктов износа, обнаруженных в смазочном масле при исследовании задира металла в двигателе

Одновременно с этим была выполнена расчетно-математическая обработка результатов феррографии частиц продуктов износа, периодически отбираемых из смазочного масла в ходе испытаний. Она показала, что, несмотря на наличие повреждений целостности металла, явных изменений величин обеих феррографических характеристик -- показателя концентрации частиц продуктов износа WPC и коэффициента интенсивности износа Is (даже при относительно большом разбросе) -- не обнаружено. Это отчасти можно объяснить тем, что износ шеек коленчатого вала, изготовленного из черного металла, не вышел из пределов начальной стадии, в то время как основная поверхность и антифрикционное покрытие вкладышей подшипников шатунов, выполненные из цветного металла, получили односторонний износ.

3.2 Особенности частиц продуктов износа при перегреве двигателя

Для определения особенностей, характеризующих частицы продуктов износа, образующиеся в перегретом двигателе, испытания с искусственным ускорением нарастания факторов опасности были проведены по следующей методике. На первом испытываемом двигателе поступление воды для охлаждения двигателя постепенно уменьшали (до полного прекращения), пока двигатель не остановился по причине заклинивания, вызванного перегревом цилиндровых втулок. Испытания второго двигателя сразу начали в таких условиях, когда охлаждающая вода из двигателя была полностью выпущена. Сначала двигатель остановили при появлении признаков заедания. Затем, повторяя цикл остановки, охлаждения и повторного запуска двигателя, степень заедания постепенно довели до такой, что двигатель уже не удавалось запустить снова по причине полного заклинивания.

Внутренний осмотр двигателя после испытаний показал следующее:

на боковых поверхностях поршней было большое число серьезных, глубоких повреждений (предположительно в результате задира поверхности поршней при интенсивном абразивном взаимодействии);

на внутренних стенках цилиндров присутствовали изменение цвета и шероховатость поверхности, явные признаки задира. Кроме того, были видны отложения алюминия;

на большей части поверхности вкладышей подшипников был снят верхний слой белого металла и полностью обнажен нижележащий слой кельмета, который почернел и огрубел.

Частицы продуктов износа в образцах смазочного масла исследовали под микроскопом. Установлено следующее:

На начальной стадии нагрева двигателя появились частицы черного металла, образовавшиеся вследствие первичной притирки контактирующих поверхностей. По мере дальнейшего повышения температуры начали в небольшом числе появляться белые частицы цветного металла неопределенной формы размером 10-20 мкм и черные округлые частицы цветного металла размером меньше 10 мкм. Непосредственно перед остановкой двигателя из-за появления признаков заедания образовались черные частицы окисленного черного металла размером больше 10 мкм и белые частицы цветного металла неопределенной формы и толщины размером больше 20 мкм. После этого двигатель остановился из-за перегрева втулок цилиндров, ему дали остыть, а затем повторно пустили в ход. После этого исследовали частицы продуктов износа, образование которых, как полагали, имело место уже в процессе повторного цикла. И на этой стадии частицы, которые начали появляться непосредственно перед остановкой двигателя, т. е. черные частицы окисленного черного металла размером больше 10 мкм и белые частицы цветного металла неопределенной формы и толщины размером больше 20 мкм, продолжали появляться, а их число значительно возросло. Более того, непосредственно перед тем, как двигатель окончательно остановился из-за полного заклинивания, стали наблюдаться потемневшие частицы цветного металла размером 10 мкм и около того, которые, по-видимому, представляли продукты износа кельмета, подверженного интенсивному нагреву.

На основе этих наблюдений была воссоздана обобщенная картина типичной последовательности осаждения в масло частиц цветного металла, характеризующая повреждения двигателя из-за перегрева (рис 3.2).

Рис 3.2 Последовательность образования частиц продуктов износа, обнаруженных в смазочном масле при исследовании перегрева двигателя

Частицы продуктов износа Частицы продуктов износа Частицы продуктов износа деталей из черного металла поршней подшипников.

В то же время расчетно-математическая обработка результатов феррографии частиц металла, обнаруженных в смазочном масле, показала, что, в противоположность установленному при исследовании задира металла, в данном случае величины как показателя концентрации частиц продуктов износа WPC, так и коэффициента интенсивности износа Is имели явную тенденцию к непрерывному увеличению в процессе испытаний. Полагают, что это можно объяснить тем, что, когда двигатель перегрет, цилиндры и поршневые кольца, изготовленные из черного металла, имеют между собой весьма интенсивное абразивное взаимодействие, что способствует заметному ускорению износа. Вместе с тем определили, что после повторного запуска остывшего двигателя величина Is внезапно скачкообразно воз растает. Это, по всей видимости, объясняется тем, что при остановке перегретого двигателя цилиндры и поршни в нем остаются в определенной степени схватившимися друг с другом, и, когда остывший двигатель запускается вновь, ранее схватившиеся фрагменты поверхностей отрываются и начинают интенсивно разрушаться, истирая другие участки поверхностей и вызывая этим резкое ускорение местного износа.

3.3 Неразрушающая диагностика дефектов двигателя

Исходя из наблюдений особенностей частиц продуктов износа можно предположить, что для исследуемого случая задира металла в дизельном двигателе характерно следующее: сначала белый металл, находящийся на контактирующих поверхностях подшипников, изнашивается с образованием оплавленных частиц размером больше 10 мкм, затем повреждения металла прогрессируют и распространяются на нижележащий слой кельмета, который также изнашивается с образованием частиц размером больше 10 мкм, что в конечном счете приводит к окончательному заклиниванию.

Поэтому по числу частиц продуктов износа цветного металла размером больше 10 мкм и их цветности, определяемым методом феррографии, можно с высокой степенью точности предсказать вероятность задира металла с последующим заклиниванием двигателя. Иначе говоря, для случая задира металла в двигателе признаком наступления опасной стадии износа может быть наличие более чем 10 частиц продуктов износа цветного металла размером больше 10 мкм в образце отобранного для феррографии смазочного масла объемом 1 мл, а о темпе нарастания износа можно судить по отношению числа обнаруженных в масле частиц кельмета к общему числу частиц продуктов износа цветного металла размером больше 10 мкм.

Для исследуемого случая перегрева двигателя можно предположить, что дефект развивается следующим образом. Сначала начинает появляться небольшое число белых частиц продуктов износа цветного металла неопределенной формы размером 10-20 мкм и черных округлых частиц размером меньше 10 мкм, образующихся, по всей видимости, при контакте и взаимном истирании термически расширившихся поршней и втулок цилиндров. Затем по мере нарастания дефекта появляются черные частицы окисленного черного металла размером больше 10 мкм и белые частицы цветного металла неопределенной формы и толщины размером больше 20 мкм, и довольно скоро после этого двигатель останавливается.

Поэтому можно, не разбирая двигатель, предсказать вероятность развития и наступления опасной стадии износа поршней и цилиндров из-за недопустимого перегрева двигателя методом феррографии по числу и толщине белых частиц продуктов износа цветного металла размером больше 10 мкм в смазочном масле.

Полагают, что использование метода феррографии для безразборной диагностики дизельных двигателей можно распространить и на другие аспекты их состояния.

Рассмотрена методика диагностирования тепловозного дизеля по результатам спектрального анализа моторного масла. Реализация предложенной методики основана на использовании моделей изнашивания контролируемых деталей дизеля, накопления продуктов изнашивания в моторном масле и алгоритме разделения продуктов изнашивания по контролируемым группам деталей.

Затраты на плановые виды заводского и деповского ремонтов и на различные виды технического обслуживания дизельных локомотивов за весь, установленный технической документацией, срок их службы по разным оценкам превышает их первоначальную стоимость в 7--10 раз. Планово-предупредительная система ремонта тягового подвижного состава, изначально ориентирована на среднеэксплуатационный уровень надежности тягового подвижного состава различных серий. Продолжительность работы локомотивов между плановыми видами ремонта и технического обслуживания, время простоя и трудоемкость их выполнения определены по результатам статистических наблюдений и регламентированы различными приказами.

С целью снижения эксплуатационных расходов, связанных с ремонтом и техническим обслуживанием локомотивов, повышением показателей эффективности их эксплуатации, установленные межремонтные периоды периодически корректируются. Необходимость периодической корректировки межремонтных периодов, трудоемкости и продолжительности плановых видов ремонтов тягового подвижного состава вызывается, в основном, старением локомотивного парка, изменением условий эксплуатации и качества ремонта локомотивов.

Основанием для изменения структуры и нормативных параметров ремонтного цикла чаще всего являлись результаты статистической обработки параметров рядовой эксплуатации тягового подвижного состава на заданном участке обращения за определенный период наблюдения. Учитывая значительное количество факторов, влияющих на показатели эффективности эксплуатации и ремонта тягового подвижного состава, обработка статистической информации выполнялась с использование основных положений теории вероятностей и математической статистики.

В некоторых случаях изменение структуры ремонтного цикла и его нормативных параметров выполнялось волевым способом, что приводило к резкому снижению уровня эксплуатационной надежности подвижного состава, увеличению затрат на выполнение неплановых ремонтов и сверхцикловых работ при плановых видах технического обслуживания и ремонта. Кроме того, использование только статистической информации о надежности узлов и деталей тягового подвижного состава и вероятностных методов ее обработки для определения межремонтного периода локомотивов, в условиях действующей в локомотивном хозяйстве планово-предупредительной системы ремонта, приводит к тому, что моторесурс ряда узлов и деталей остается недоиспользованным и затраты, связанные с их техническим обслуживанием и ремонтом следует считать излишними.

Таким образом, для значительного сокращения затрат на ремонт и техническое обслуживание тягового подвижного состава за счет максимального использования ресурса узлов и деталей, повышения качественных и количественных показателей его эксплуатации необходимо решить сложную научно-техническую задачу, позволяющую оперативно и с минимальными затратами получать текущую информацию о техническом состоянии узлов и деталей локомотивов и оперативно корректировать, с учетом изменения технического состояния и условий эксплуатации, систему ремонта локомотивов.

Несомненно, эта задача должна решаться в рамках автоматизированной системы управления локомотивным хозяйством (АСУТ), в рамках подсистемы «Анализ и управление надежностью локомотивов, корректировка системы ремонта тягового подвижного состава» и к решению этой задачи должен быть привлечен весь научный потенциал транспортных и научно-исследовательских институтов отрасли.

Задача корректировки объемов и сроков проведения плановых видов ремонтов может быть успешно решена в результате комплексного применения эффективных средств диагностирования технического состояния узлов и деталей локомотивов и математических моделей, позволяющих оценить динамику изменения экономических и экологических показателей эксплуатации и изменение показателей надежности локомотива и ее узлов.

3.4 Модели изнашивания деталей цилиндро-поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма дизеля

Известно, что тепловозный дизель является наименее надежным и наиболее трудно диагностируемым узлом локомотива, на долю которого приходится более чем 45 % отказов и неплановых ремонтов. В свою очередь, наименее надежными деталями дизеля являются детали цилиндро-поршневая группы (ЦПГ) и кривошипно-шатунного механизма (КШМ).

Как уже отмечалось, периодичность крупных видов ремонтов, связанных с разборкой дизеля и имеющих большую трудоемкость и стоимость, устанавливается по показателям эксплуатационной надежности именно этой группы деталей. Значительный разброс показателей безотказности деталей ЦПГ и КШМ позволяет сделать вывод о том, что большое количество локомотивов отвлекается из эксплуатации для проведения ремонта с недоиспользованным ресурсом основных узлов, лимитирующих их надежность в целом.

Для периодического безразборного контроля степени износа деталей ЦПГ и КШМ тепловозного дизеля, установления величины их износа по контролируемым поясам и плоскостям используется метод, основанный на постоянном контроле текущих значений концентрации продуктов изнашивания с контролируемых деталей в моторном масле дизеля.

Согласно ГОСТ 20759-90 «Техническое диагностирование и прогнозирование остаточного ресурса методом спектрального анализа масла» в качестве диагностической модели принят вероятностный алгоритм. В основе алгоритма диагностирования технического состояния для каждой серии локомотива используется диагностическая матрица, формирование которой выполняется по результатам эксплуатации тепловозов на заданном полигоне.

По результатам анализа технического состояния контролируемых деталей, параметров системы эксплуатации и ремонта локомотива рассчитывается диагностический коэффициент, величина которого сравнивается с пороговым значением. По результатам сравнения диагностических коэффициентов делается вывод о возможности дальнейшей эксплуатации локомотива и его контролируемых узлов и деталей. Техническое состояние по предлагаемому алгоритму характеризуется по четырем критериям: нормальное состояние, отказ первого уровня, отказ второго уровня и отказ третьего уровня.

Алгоритм для оценки технического состояния двигателей внутреннего сгорания, предложенный в ГОСТ 20759-90 обладая несомненными достоинствами, имеет ряд существенных недостатков, связанных с технологией его реализации в системе ремонта дизельного подвижного состава, а именно:

* формирование диагностической матрицы обязательной для каждой серии локомотива требует значительных временных, трудовых и материальных затрат, что явилось одной

из главных причин весьма ограниченного использования вероятностного алгоритма в локомотивном хозяйстве ОАО «РЖД»;

критерии, характеризующие техническое состояние контролируемых узлов и деталей, не позволяют однозначно определить необходимость ремонта или замены деталей;

для любого технического решения, принятого на основании вероятностных алгоритмов, свойственны ошибки первого и второго рода, величина которых зависит от степени достоверности и периодичности обновления данных, представленных в диагностической матрице.

Учитывая названные выше недостатки вероятностного подхода к контролю технического состояния деталей по результатам спектрального анализа масла, предлагаем следующий алгоритм решения задачи безразборного контроля величины износа деталей тепловозного дизеля. Перед началом эксплуатации тепловоза или после проведения ремонта, связанного с полной разборкой дизеля, в карты замеров установленной формы заносится информация о фактических размерах контролируемых деталей. В процессе эксплуатации тепловозного дизеля периодически (обычно перед проведением технического обслуживания объема ТО-3) отбирается проба моторного масла и определяется концентрация продуктов износа. Для реализации разработанной методики необходимо контролировать наработку тепловоза от плановых видов ремонта до момента контроля, количество и величину долива масла в масляную систему дизеля и количество смен масла за контролируемый период.

При расчете значения износа деталей по контролируемым поясам и плоскостям предполагается, что геометрическая форма износа определяется периодичностью сил, действующих в деталях двигателя за рабочий цикл. Схема решения задачи приведена на рис 3.3

Рис 3.3 - Структура решения задачи

В результате реализации приведенного алгоритма рассчитывают значения радиального износа, конусность и овальность деталей, что позволяет наиболее объективно принимать решение о целесообразности их ремонта или замены.

Особую сложность при реализации разработанной методики контроля, представленной на рис. 3.3, вызывают две задачи:

разработка математических моделей, характеризующих взаимосвязь концентрации продуктов износа в масле дизеля с формой и величиной износа контролируемых деталей;

разработка математической модели, характеризующей накопление продуктов износа в картерном масле дизеля в процессе эксплуатации.

Названные задачи методически довольно сложны, и их реализация в условиях локомотивных депо требует наличия вычислительной техники достаточного быстродействия и достаточного объема памяти и, естественно, его программного обеспечения.

3.4.1 Анализ модели изнашивания деталей ЦПГ и КШМ дизеля

Для анализа характера изнашиваемых сопрягаемых поверхностей деталей дизеля строятся диаграммы износа, получаемые в результате построения векторных диаграмм сил. Векторные диаграммы представляют собой геометрические места концов векторов полных давлений. Векторные диаграммы наглядно показывают наиболее и наименее нагруженные участки трущихся поверхностей.

При установлении формы износа контролируемых деталей можно использовать результаты замеров, полученных в локомотивных депо при выполнении ремонтов, или рассчитать теоретически, используя векторные диаграммы сил, действующих на контролируемые детали в процессе работы дизель-генераторной установки на номинальном режиме. В качестве примера на рис. 3.4 приведена диаграмма, характеризующая форму износа шатунной шейки коленчатого вала дизеля 10Д100.



Рис 3.4 Диаграмма изнашивания шатунной шейки коленчатого вала

На рис. 3.5 приведена диаграмма сил, действующих на поршневой палец. Диаграммы износа удобно строить на основании соответствующих векторных диаграмм. Они позволяют с большей надежностью определять места подвода смазки и устанавливать участки рабочих поверхностей, подвергающихся наибольшему износу. По описанной методике, в целях установления характера износа контролируемых деталей тепловозных дизелей, был выполнен динамический расчет дизеля, построены векторные диаграммы действующих сил и построены диаграммы износов.

Рис 3.5 Векторная диаграмма сил, действующих на поршневой палец

Таким образом, по результатам статистических или теоретических исследований интенсивности износа деталей тепловозного дизеля должны быть построены зависимости, связывающие изменение объемов различных металлов в картерном масле дизеля, чертежных размеров контролируемых деталей и величины наработки тепловоза от момента постановки (замены) детали до момента очередного контроля.

Например, для коренных шеек коленчатых валов дизеля 10 Д 100 можно записать:

для верхнего вала

для нижнего вала

где, Dч (нк, вш, вк)-- чертежный (начальный) размер шейки вала, мм;

L -- наработка дизеля от момента деповского ремонта большого объема (или постановки детали) до момента контроля, км.

Анализ полученных схем износа деталей ЦПГ дизеля позволяет сделать вывод, что периодичность нагрузок, действующих на детали, формирует определенную форму изнашивания, характерную для каждого типа деталей. Важной задачей дальнейших исследований является установление модели изнашивания каждой детали, учитывающей детерминированные и стохастические составляющие факторов, действующих в процессе работы деталей.

Для поршневого пальца дизеля 10Д100, пальца плавающего типа, предполагая, что износ пальца равномерный по всей рабочей поверхности, объем изношенного металла (железа) в зависимости от величины износа определяют по формуле в мм³:

(3.3)

где, d_ПП -- начальный наружный диаметр поршневого пальца, мм;

?_пп-- диаметральный износ поршневого пальца, мм;

l -- длина поршневого пальца, мм.

Однако для подшипника поршневого пальца, т. е. бронзовых втулок в верхней головке шатуна и во вставке поршня объем изношенного металла для заданной величины износа ?_ВТ определяют по формуле

(3.4)

где, d_BT -- начальный внутренний диаметр бронзовой втулки, мм.

Для построения эмпирических зависимостей, характеризующих взаимосвязь между износом, наработкой и концентрацией продуктов износа однотипных деталей, необходимо определить сравнительную интенсивность износа каждой детали, задать базовый размер, используя который рассчитать остальные размеры контролируемых деталей и объем изношенного с них металла.

3.4.2 Исследование характера изнашивания компрессионных колец

Например, на поршень дизеля 10Д100 устанавливаются четыре компрессионных кольца. Чугунные компрессионные кольца этого дизеля имеют бронзовую вставку. Обмер кольца при выполнении ремонтов проводится в пяти поясах по периметру. В качестве базового размера принят размер в поясе, противоположном замку (третий пояс, рис. 3.6).

Рис 3.6 К геометрии изнашивания компрессионного кольца

Соотношение ремонтных размеров в других поясах поршневых колец устанавливается коэффициентами:

(3.5)

(3.6)

где, ?⁽ⁱ⁾ -износ поршневого кольца в i-м поясе

Неравномерность износа компрессионных колец по месту их расположения на поршне характеризуется коэффициентами Х₁, Х₂, Х₃ (рис. 3.7):



Рис 3.7 Износ колец по месту расположения на поршне

(4.7) (4.8) (4.9)

где ?₁, ?₂, ?₃, ?₄ -- соответственно износы первого, второго, третьего и четвертого компрессионных колец по местам замера. Исходя из геометрических размеров, конструкции компрессионного кольца и схемы износа возможно несколько характерных интервалов износов. Так при условии Д⁽³⁾Л/₂ < 2,5 объем бронзы, изношенной с кольца, мм³:

(3.10)

а объем изношенного чугуна , мм³:

 (3.11)

где, диаметр кольца , мм;

?₃-зазор в замке кольца , мм; d_k-диаметр калибра, мм;

Таким образом, приведенные выше аналитические выражения показывают, что для расчета износа контролируемых деталей дизеля в условиях эксплуатации могут быть использованы:

- опытные зависимости, непосредственно связывающие износ и наработку детали (такие зависимости целесообразно строить для деталей дизеля, имеющих высокие показатели безотказности и долговечности);

- теоретические, модельные зависимости, связывающие концентрацию продуктов износа в картерном масле дизеля и величину износа контролируемых деталей по поясам и плоскостям замера. Второй важной проблемой при реализации методики является расчет количества металла изношенного с деталей дизеля по текущим значениям концентрации. Сложный характер поступления в масло и удаления из него в результате угара и фильтрации продуктов износа и динамика изменения количества моторного масла в масляной ванне дизеля в процессе эксплуатации отражается на величине итоговой, суммарной концентрации продуктов износа. Для расчета суммарного объема изношенного металла по текущим значениям концентрации продуктов изнашивания разработана математическая модель, позволяющая рассчитать величину накопленной концентрации, значение которой зависит от:

объема металла, содержащегося в моторном масле на момент контроля, V_K;

объема металла, отфильтрованного в масляной системе дизеля, V_K;

объема металла, потерянного в результате угара и утечек через не плотности V_u;

объема металла, потерянного в результате смены масла, V_s;

объема металла, осевшего на стенках картера и в трубопроводах, У₀.

Расчет каждой из названных составляющих осуществляется по результатам контроля текущих значений концентрации продуктов износа, величины долива и смены масла и конструктивных особенностей масляной системы тепловозного дизеля. Далее суммарный объем изношенного металла в картере дизеля разделяется по группам контролируемых деталей. Алгоритм разделения, один из самых сложных алгоритмов в разработанной математической модели, разрабатывается индивидуально для каждого типа дизеля на основе известного химического состава материалов, из которых изготовлены контролируемые детали дизеля.

3.5 Многофункциональный оптико-эмиссионный спектрометр (МФС-12)

В дипломном проекте представлен один из последних выпусков спектрометра российского производство, оптико-эмиссионный спектрометр для элементного анализа МФС-12.

МФС-12 - компактный надежный современный прибор для анализа различных материалов. Это прибор нового поколения спектрометров серии МФС, широко распространенных в России и СНГ, сочетающий лучшие качества своих предшественников с самыми современными техническими решениями.

Достоинством приборов этой серии являются большое разнообразие исследуемых образцов. МФС-12 предназначен для анализа самых разнообразных порошковых проб, образцов как черных, так и цветных металлов различной формы, других материалов. Спектрометр не требует продувки аргоном.



Рис 3.8 Многофункциональный оптико-эмиссионный спектрометр МФС-12

Современная конструкция в сочетании с применением надежных и проверенных компонентов обеспечивает выполнение норм точности и диапазонов измерения концентраций элементов в соответствии с требованиями ГОСТ и других нормативных документов. Вот почему МФС-12 - отличное решение задач элементного анализа материалов.

Спектрометр МФС-12 внесен в Государственные реестры средств измерений России, Украины, Беларуси, Казахстана.

Оптическая система построена по схеме Пашена-Рунге с диаметром круга Роланда 0.5м. Для обеспечения пространственной стабильности спектра все оптические элементы установлены на единой платформе, имеющей хорошую теплопроводность.

Рис 3.9 Оптические элемент Рис 3.10 Детектор

В качестве приемников излучения используются линейные CCD детекторы.

Оригинальная конструкция установки детекторов без мертвых зон позволяет регистрировать весь спектр целиком во всем диапазоне работы прибора. Регистрация всего спектра, а не отдельных линий, как в случае использования фотоумножителей, открывает практически неограниченные возможности по анализу различных материалов на одном приборе.

Конструкция штатива позволяет анализировать:

· образцы в виде кусков различной формы

· стержни

· порошки: руда, оксиды, ферросплавы, шлаки и т.д.

· растворы с предварительным выпариванием.

Рис 3.11 Штатив

Замкнутая система водяного охлаждения устраняя влияние разогрева на результаты анализа.

Не требует продувки аргоном.

Источник возбуждения спектра

Компактный, высокостабильный источник низковольтной искры с цифровым управлением. Амплитуда и форма тока в разряде, а также длительность и частота следования разрядных импульсов могут регулироваться в большом диапазоне. Благодаря этому источник обеспечивает элементный анализ самых разнообразных металлов, сплавов и других материалов.

Управление всеми параметрами генератора от компьютера обеспечивает:

· выбор оптимальных параметров разрядного контура и частоты импульсов;

· переключение режимов разряда в ходе одной экспозиции, возможно использование до 5 различных режимов, включая обжиг, в течение одного анализа;

· дополнительное обострение переднего фронта разрядного импульса;

· автоматическое задание параметров генератора при выборе аналитической программы.

Все это повышает точность анализа и расширяет аналитические возможности спектрометра.

Система регистрации обеспечивает управление узлами спектрометра, его тестирование, измерение и обработку аналитических сигналов. Использование самой современной элементной базы позволило уменьшить габариты и снизить энергопотребление. Благодаря высокоскоростному USB интерфейсу весь зарегистрированный спектр (около 40000 значений) передается в компьютер практически мгновенно.

Технические характеристики МФС-12

Оптическая система: по схеме Пашена Рунге с кругом Роуланда 0.5м, спектральный диапазон 190-425 нм

Приемники излучения - 10 линейных CCD детекторов по 3648 пикселей.

Штатив: конструкция, удобная для анализа образцов различных размеров и формы, а также порошков. Не требует продувки аргоном.

Источник возбуждения: низковольтная искра с цифровым управлением

Таблица 3.1 Технические характеристики

Ток плазмы	25...350 А
Длительность разряда	30...600 мкс
Частота	50...400 Гц
Диапазон измеряемых концентраций	0,001% - десятки %
Относительная погрешность	0,5%...5%

Условия эксплуатации: температура 15...25 С, максимальная скорость изменения ±5°С.

Относительная влажность <80%

Требования к электропитанию: напряжение 220±22 В 50 Гц, однофазное с заземлением.

3.5.1 Программное обеспечение

Спектрометр работает под управлением IBM-совместимого компьютера. Простая и удобная программно Win CCD позволяет легко управлять прибором, проводить его градуировку и получать результаты измерений без специальной начальной подготовки. Кроме того, в программе предусмотрено множество средств для работы со спектрами, а также средства получения и обработки аналитических результатов, развитые ранее в программе Win Quant.

Win Quant представляет собой мощную программу для управления и обработки данных в эмиссионных спектрометрах. Она обладает всеми аналитическими возможностями и достоинствами предыдущих версий программы, а также имеет ряд новых функций. Широкие функциональные возможности в сочетании с универсальностью и простотой делают программу Win Quant прекрасным инструментом аналитика для разработки разнообразных аналитических методик и проведения анализа.

Программа Win Quant может функционировать как на компьютере, подключенном к прибору, так и на компьютере автономно. Это позволяет знакомиться с содержанием программы, не включая прибора (и даже при его отсутствии) или обрабатывать ранее полученные результаты.

Программа Win Quant обеспечивает:

· Работу оператора в режиме диалога с компьютером.

· Автоматическое управление и контроль технического состояния системы.



Рис 3.12 Градуировочний график по железо

· Автоматическую обработку аналитических сигналов: усреднение и оценку погрешности результатов измерений, расчет оптимальных регрессионных моделей градировочных характеристик, учет фона, учет разбавления основы и межэлементных влияний; графическое представление градировочных кривых, оценку погрешности градуировки; автоматическую корректировку градуировки; расчет результатов анализа в единицах концентрации.

· Практически неограниченное число аналитических программ, библиотека анализируемых марок сплавов, применяемых стандартных образцов, таблиц допустимых отклонений.

· Архивы результатов анализа проб.

· Автоматическое определение марки материала по результатам анализа.

К отличительным особенностям программы Win Quant относится:

· Возможность проводить анализ одного элемента по нескольким аналитическим линиям, в зависимости от концентрации этого элемента, с автоматическим переходом с одной линии на другую.

Рис 3.13 Регистрация образца

· Возможность проводить корректировку градировочных графиков различным способом, наиболее удобным для решения конкретной аналитической задачи.

· Хранение всех результатов экспонирования стандартных образцов в абсолютных единицах, что позволяет оптимально подбирать линии сравнения без повторного экспонирования образца.

· Возможность добавлять новые элементы в аналитическую методику.

· Программа Win Quant постоянно расширяется и совершенствуется.

Win CCD представляет собой мощную программу для управления и обработки данных в современных эмиссионных спектрометрах с регистрацией на многоэлементных приемниках, которые обеспечивают регистрацию не отдельных спектральных линий, а всего спектра анализируемого образца. Win CCD включает в себя как средства работы со спектрами, так и все средства получения и обработки аналитических результатов, развитые ранее в программе Win Quant. Широкие функциональные возможности в сочетании с универсальностью и простотой делают программу Win CCD прекрасным инструментом аналитика, позволяющим проводить как качественный, так и точный количественный анализ образцов. Программа содержит разнообразные средства для разработки аналитических методик с использованием различных приемов обработки спектроаналитических данных.

Программа Win CCD может функционировать автономно. Это позволяет знакомиться с содержанием программы, не включая прибора (и даже при его отсутствии) или обрабатывать ранее полученные результаты.

Рис 3.14 Спектр стандартного образца 154-2 (ВНИ ИСО) в диапазоне 320-342 нм

Программа Win CCD позволяет:

· Регистрировать спектр анализируемого образца во всем диапазоне работы спектрометра. Проводить качественный анализ неизвестных образцов. Детально рассматривать контур отдельной аналитической линии.

· Выбирать для количественного анализа любые аналитические линии либо аналитические пары с учетом рекомендаций ГОСТ и собственного опыта.

· Производить учет влияния соседних линий и фона в окрестности выбранной аналитической линии.

Рис 3.15 Аналитическая линия титана 337,3 нм в стандартом образце стали 154-2

Рис 3.16 Градуировочний график по углероду в низколегированных сталях, построенный по комплекту стандартных образцов (154 ВНИ ИСО)

· Строить градировочные графики в линейном или логарифмическом масштабе, с учетом взаимных влияний элементов, учетом разбавления основы и т.д.

· Автоматическое определение марки материала по результатам анализа.

спектральный масло дизель изнашивание

4. Расчет экономических показателей при диагностировании дизеля на основе спектрального анализа масла

В условиях рыночной экономики возрастают требования к наиболее экономному расходованию трудовых, материальных, топливно-энергетических и денежных ресурсов, повышению эффективности использования технического потенциала.

В связи с этим необходимо добиваться обоснованных решений по оптимизации технико-экономических показателей работы проектируемого или реконструируемого объекта. В этих целях осуществляются расчеты основных технико-экономических показателей конкретного объекта, сравнение их величин с базисными в целях реализации оптимального проектного решения.

В экономической части выпускной квалификационной работы рассчитываются следующие технико-экономические показатели поточной линии ремонта шатунно-поршневой группы дизеля:

Штат работников.

Производительность труда.

Эксплуатационные (текущие) расходы.

3.1. Фонд оплаты труда работников и отчисление на социальное страхование.

3.2. Затраты на материалы, топлива, электроэнергию.

3.3. Расходы на амортизацию основных фондов.

3.4. Прочие затраты.

4.1 Расчет годовой программы при ддиагностирование дизеля на основе спектрального анализа масла

Годовая программа поточной линии принимается в объеме 363 дизелей 5Д49 комплектных (согласно заданию).

4.2 Определение численности работников

Контингент производственных рабочих рассчитывается по формуле:

R _яв^раб =

где R _яв^раб - явочная численность производственных рабочих, чел.

Т - общая трудоемкость работ, чел - час.

Н_п - месячная норма рабочих часов 169,5 ч.

К_по - коэффициент учитывающий рост производительности труда, 1,08.

Общая трудоемкость выполняемых работ определяется умножением трудоемкости единицы ремонта на объем работы (программу ремонта цеха или участка) по формуле:

Т = Т_ед ^. N_r, чел - час

где Т_ед - трудоемкость ремонта комплекта шатунно-поршневой группы дизеля 5Д49 - 71,47 чел - час.

N_r - годовая программа цеха N_г= 363 дизелей.

Т=71,47•363=25943,61 чел-час.

Тогда контингент производственных рабочих составит:

R_яв = 25943,61/(169,5*12*1,08)=12 чел

Рассчитанный контингент рабочих распределяетcя по профессиям и квалификационному признаку. Дополнительно рассчитывается штат работников по обслуживанию производства и его управлению.

Контингент работников по обслуживанию производства и его управлению составляет примерно 20% от производственного штата.

R_яв^оу = 0,2*12 = 3 чел

4.3 Расчет производительности труда

Производительность труда работников участка рассчитывается умножением годового объема ремонтных работ в единицах на списочную численность работников:

П_т = , ед/чел.

где К_рам - коэффициент учитывающий дополнительную потребность производственных рабочих для замещения больных и т.д. К_рам = 1,09.

R_яв^оу - штат работников по обслуживанию производства и его управления.

Пт= = 22,57 ед/чел

4.4 Определение эксплуатационных (текущих) расходов (С)

Эксплуатационные расходы рассчитываются по элементам затрат в соответствии с номенклатурой расходов по основной деятельности железной дороги. В состав текущих расходов входит: затраты на оплату труда, отчисления на социальное страхование, затраты на материалы, электроэнергию, амортизационные отчисления и прочие расходы.

...