Russian Federation
The article considers an approach to assessing the effectiveness of the most common methods of predicting the technical conditions and failure with reference to the ship shafting. There have been analyzed the main factors in operation of the ship shaft line, which cause the change in its technical state. It has been found that a special feature of some loads acting on the propeller shaft is their stochastic or changing nature over time, which hampers predicting the technical state of the shafting and its units. The features of stochastic and extrapolation forecasting methods have been analyzed. The possibility of using statistical methods in conditions of mass standard production of shafting units with a relatively short regulated service life is estimated. An extrapolation method is proposed for predicting the maximum permissible clearance of stern tube bearings. The case of accumulating samples of measuring results of the propeller shaft sagging in the given time intervals is considered, the approximating functions are constructed. The criteria for the reliability of the results of extrapolation methods for predicting the wear of stern tube bearings are determined. There have been developed the proposals for adapting the causal method as an alternative to the extrapolation method. A schematic diagram of a system for the ship shafting failure predicting has been developed using the registration and analysis of vibration parameters, which serves as the basis for constructing a regression model of damage accumulation. The proposed forecasting system allows studying the actual operating conditions of the shafting, defining the actual external loads and the regularities of their occurrence, measuring deformations and stresses, and determining quantitative indicators of the reliability of the shafting during normal operation and special operating modes, for example, with vibration resonance. The theoretical basis of the algorithm for calculating and registering loads affecting the service life of shafts is proposed.
ship shafting, forecasting the technical conditions, shafting failure, methods of predicting failure, load
Введение
Эксплуатация судового валопровода связана с различными нагрузками на его элементы. Часть из них достаточно хорошо изучена и рассматривается на этапе проектировочных расчетов (например, передаваемый крутящий момент, силы тяжести валов, гребного винта и закрепленных на валах деталей, сила упора гребного винта, гидродинамические моменты и др.). Другая часть нагрузок связана с работой гребного винта, создающего систему нагрузок относительно корпуса судна. К такого рода нагрузкам относятся инерционные силы от масс гребного винта и вала при качке судна при волнении, усилия на гребном винте при работе в изменяющемся потоке воды, усилия от механической и гидродинамической неуравновешенности, усилия от деформации корпуса судна и соответствующие деформациям смещения центровки валопровода.
Действующие на валопровод нагрузки являются факторами, непосредственно влияющими на его техническое состояние. Совокупность воздействия таких факторов с течением времени приводит к отказу судовой энергетической установки или пропульсивного комплекса. Одной из особенностей существенной части действующих на гребной вал нагрузок является их стохастический характер, что приводит к усложнению прогнозирования технического состояния валопровода и его узлов. Статистические данные о поломках [1–3] не всегда обладают достаточной полнотой для использования моделей вероятностных методов и методов статистического анализа [4, 5]. В связи с этим разработка и совершенствование методов прогнозирования отказа валопровода в условиях малого количества входных статистических данных и изменяющихся режимов работы является актуальной задачей как для вновь проектируемых судов, так и для находящихся в эксплуатации. В работе [6] приведен сравнительный анализ возможностей и функциональных особенностей наиболее применимых методов прогнозирования технического состояния судового энергетического комплекса.
В настоящей работе проведена оценка эффективности существующих методов прогнозирования технического состояния и отказа для элементов судового валопровода, а также сформулированы предложения по их адаптации.
Статистические и экстраполяционные методы
Статистический метод прогнозирования применим в случае обобщения опыта эксплуатации путем составления представительной выборки статистических данных, характеризующих надежность оборудования, например наработки на отказ. Средняя наработка демпферов крутильных колебаний на отказ обычно составляет порядка 60 тыс. ч, но в практике эксплуатации также нередки случаи сохранения демпфирующих свойств до 90 тыс. ч.
Согласно имеющимся данным для судов типа «Альпинист», где с двигателем 8NVDA2U установлен силиконовый демпфер В-710 фирмы STE, только при наработке более 100 тыс. ч демпфер находится в зоне, в которой износ может иметь нелинейный характер [7]. Повышенная надежность демпфера в таком энергетическом комплексе обусловлена проектным уменьшением работы в резонансных режимах, в том числе и в режиме прогрева. Функции распределения вероятности отказа f1(t) и f2(t) имеют следующий вид (рис. 1).
Рис. 1. Зависимости вероятности отказа от времени наработки:
f1(t) – усредненные значения наработки; f2(t) – для судов типа «Альпинист»
Fig. 1. Dependences of the probability of failure on the operating time: f1 (t) - average operating time;
f2 (t) - for “Alpinist” type vessels
Построение функций распределения вероятности позволяет определить вероятность безотказной работы в заданный период времени, а также решать обратную задачу определения времени наработки на отказ при заданной вероятности безотказной работы. Следует отметить, что статистические методы эффективны только в условиях массового типового производства изделий или узлов с относительно небольшим регламентированным сроком службы. В частности, для валопроводов серийных речных судов широко распространены типовые шариковые и роликовые подшипники качения. Но для большинства элементов судового валопровода характерны мелкосерийные либо уникальные изделия. Выборка в этом случае не будет достаточно представительной, а с учетом дисперсии между усредненными данными и определенными по каждому проекту – расчет индивидуального ресурса существенно усложняется.
Рассмотренный в работах [6, 8] метод экстраполяционного прогнозирования может быть применим в случае устойчивого процесса изменения параметров работы валопровода. Основой метода является выбор параметра, который может наиболее точно охарактеризовать техническое состояние объекта. Для подшипников качения диагностическим параметром может считаться уровень вибрации в направлениях воспринимаемой нагрузки, а для подшипников скольжения – величина радиального зазора.
В случае принятия радиального зазора контролируемым параметром возможно снятие показаний с измерительного прибора в кормовой крышке сальника, где замеряемая величина является показанием зазора между подшипником и гребным валом. На рис. 2 приведен установленный в кормовой сальник измерительный инструмент.
Рис. 2. Измерение параметра просадки гребного вала: 1 – стержень; 2 – шкала; 3 – контрольная риска;
4 – контакт с поверхностью вала; ∆ – величина зазора
Fig. 2. Measuring the propeller shaft sagging parameter: 1 - rod; 2 - scale; 3 - control mark;
4 - contact with the shaft surface; ∆ - clearance size
Организация экстраполяционного метода возможна в рамках деятельности судового механика, обязанного следить за величиной выработки кормового дейдвудного подшипника. Накопление выборки результатов измерений значений Δ происходит в заданные временные интервалы в процессе эксплуатации валопровода (рис. 3).
Рис. 3. Построение аппроксимирующих функций для прогноза
наступления предельного состояния дейдвудных подшипников
Fig. 3. Building approximating functions for predicting the limiting state of stern tube bearings
Предложен вариант применения метода для прогнозирования износа резинометаллических подшипников гребного вала. Опыт эксплуатации таких подшипников свидетельствует о том, что предельно допустимый износ в эксплуатации в море наступает в среднем через 15 тыс. ч, в речных бассейнах – через 4 тыс. ч, а в водоемах, загрязненных абразивными частицами, – через 2 тыс. ч. На рис. 3 представлены временные ряды при регистрации замеров радиального зазора каждые 200 ч. Построенные линии тренда на основе эмпирических данных позволяют получить сглаженную последовательность результатов измерений без влияния случайных отклонений измеряемого параметра, а формирование аналитического описания с функцией от времени позволяет рассчитать остаточный ресурс дейдвудных подшипников.
Аппроксимирующие функции износа резинометаллических дейдвудных подшипников для валов диаметром до 400 мм при эксплуатации в речных и загрязненных абразивными частицами бассейнах, соответственно, имеют вид:
Последующая экстраполяция аппроксимирующей функции на предстоящий период эксплуатации позволяет прогнозировать наступление предельного состояния. При предельно допустимом зазоре Δmax = 5 мм наработка на отказ составит 2 160 ч – для функции Δ1(t) и 4 150 ч – для функции Δ2(t).
Следует также отметить, что результат данного метода прогноза будет достоверным только при сохранении режима эксплуатации объекта. Соответственно, если исключить случаи подплавления неметаллических дейдвудных подшипников, ударной нагрузки на гребной вал или продолжительной работы на мелководье, то данный метод может быть применим к системе судового валопровода.
Предложения по адаптации причинно-следственного метода
Альтернативой экстраполяционным методам, основанным на гипотезе о постоянстве действия нагрузок и накопления повреждений, является причинно-следственный метод [6, 9]. Основой метода является индивидуальная регистрация нагружений, позволяющая применять гипотезу линейного суммирования повреждений. В рамках этой гипотезы накопление эксплуатационных повреждений подчиняется принципу суперпозиции, а расчет расхода ресурса можно производить в процессе работы механизма. Реализация алгоритма подсчета и суммирования нагружений различна для механизмов и зависит от величины контролируемых параметров, характеристик долговечности и полноты получаемого массива данных.
Предложена принципиальная схема системы прогнозирования отказа судового валопровода на основе регистрации и анализа параметров колебаний (рис. 4). Внедрение такой системы на судне позволит реализовать причинно-следственный метод. Система состоит из аппаратной части и информационной системы для интерпретации получаемых данных.
Рис. 4. Основные компоненты системы прогнозирования отказа судового валопровода:
1 – первичные преобразователи; 2 – блок обработки и передачи данных; 3 – блок питания;
4 – датчик износа подшипника; 5 – стационарный приемный блок
Fig. 4. Main components of the system for predicting the ship shafting failure: 1 - primary converters;
2 - data processing and transmission unit; 3 - power supply unit; 4 - bearing wear sensor; 5 - stationary receiving unit
В качестве первичных преобразователей в системе используются одноэлементные фольговые тензорезисторы, позволяющие выполнять измерения методом динамического тензометрирования, а также трехосевые датчики вибрации. Данный метод позволяет изучать действительные условия работы валопровода, определять фактические внешние нагрузки и закономерности их появления, измерять деформации, напряжения, параметры вибрации и определять количественные показатели надежности валопровода при нормальной эксплуатации и специальных режимах работы, например при резонансе колебаний.
Получаемый массив экспериментальных данных будет качественно схож с данными торсиографирования при испытаниях судовых энергоустановок на крутильные колебания, но подход к обработке данных предлагается дополнить. Регистрацию нагрузок на валопровод необходимо вести с начала его эксплуатации, а поскольку не для всех видов нагрузок доказана возможность линейного суммирования повреждений, построенная регрессионная модель может быть сравнима с базовой S-N-диаграммой для материала вала. Работа алгоритма представлена на фрагменте тензограммы поперечных колебаний судна проекта ВКМ-3 (рис. 5).
Детерминированный характер прогноза обеспечивается регистрацией только тех уровней нормальных напряжений, которые приводят к разрушению вала от многоцикловой усталости. Для этого под каждый конкретный случай устанавливаются пороговые значения допускаемого σдоп и максимального σmax уровня напряжений, сигнализирующего от отказе системы или величине нагрузок уровня малоцикловой усталости (рис. 5, а). Таким образом, на всем протяжении межремонтного периода можно производить регистрацию областей значимых величин напряжений, превышающих σдоп.
Использование предложенных теоретических положений позволит в каждой области значимых циклов нагружения (рис. 5, б) производить оценку темпа расходования ресурса путем непосредственного подсчета циклов. Накопление данных об эксплуатационных нагрузках позволяет сформировать регрессионную модель, на основе которой возможен прогноз изменения технического состояния системы.
|
t, c |
|
t, c |
а б
Рис. 5. Теоретическая основа алгоритма подсчета и регистрации нагрузок:
а – расположение области действия подсчета циклов нагружения на тензограмме колебаний;
б – подсчет значимых циклов нагружения
Fig. 5. Theoretical basis of the algorithm for calculating and registering loads: a - location of the area
of calculating loading cycles on vibration tensogram; б - calculating significant loading cycles
Заключение
Совершенствование и адаптация рассмотренных в настоящей работе методов позволяет решать задачу повышения надежности судового валопровода. Рассмотренные методы прогнозирования технического состояния могут быть применены для оценки остаточного ресурса элементов судового валопровода и снижения вероятности отказа. Дальнейшее проведение исследовательских работ по направлению прогнозирования отказа систем со стохастическими параметрами позволит повысить надежность эксплуатируемых и вновь проектируемых судовых энергетических комплексов.
1. Chura M. N., Faivisovich A. V. Ekspluatatsionnye povrezhdeniia grebnykh valov [Operational damages of propeller shafts]. Transportnoe delo Rossii, 2011, no. 11, pp. 110-112.
2. O predostavlenii informatsii: pis'mo glavnogo upravleniia FAU «Rossiiskii rechnoi registr» № 23-02.2-1966 ot 09.09.2020 [On providing information: a letter from the main department of the federal institution Russian River Register No. 23-02.2-1966 dated 09.09.2020]. FAU «Rossiiskii rechnoi registr». 1 p.
3. Kushner G. A., Mamontov V. A., Volkov D. A. Analiz prichin povrezhdenii i otkazov sudovykh valoprovodov [Analyzing causes of damage and failure of ship shaft lines]. Vestnik Astrakhanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta. Seriia: Morskaia tekhnika i tekhnologiia, 2021, no. 3, pp. 33-39.
4. Antonov A. V., Sokolov S. V., Chepurko V. A. Veroiatnostnye metody otsenki ostatochnoi narabotki vosstanavlivaemykh elementov IaEU v usloviiakh ogranichennosti iskhodnykh dannykh [Probabilistic methods for assessing residual operating time of recoverable elements of nuclear power plant in conditions of limited initial data]. Iadernaia fizika i inzhiniring, 2011, vol. 2, no. 5, pp. 421-424.
5. Perekhvost V. S., Krivonos E. A., Chebukina A. A. Prognozirovanie parametricheskikh otkazov i osobennost' sluchainykh protsessov stareniia tekhnicheskikh sistem [Predicting parametric failures and peculiarity of random aging processes in technical systems]. Nauchnye trudy Kubanskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta, 2014, no. 3, pp. 38-44.
6. Miasnikov Iu. N., Nikitin V. S., Ravin A. A., Khrutskii O. V. Metody prognozirovaniia tekhnicheskogo sostoianiia sudovogo energeticheskogo oborudovaniia [Methods for predicting technical state of ship power equipment]. Trudy Krylovskogo gosudarstvennogo nauchnogo tsentra, 2018, no. 4 (386), pp. 107-116.
7. Sergeev K. O., Zhukov A. S. Analiz nadezhnosti dempferov glavnykh dvigatelei SRST tipa «Al'pinist» po rezul'tatam torsiografirovanii [Analyzing reliability of dampers of main engines SRST “Alpinist” type by results of toriography]. Vestnik Murmanskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta, 2011, vol. 14, no. 3, pp. 525-529.
8. Ravin A. A., Khrutskii O. V., Maksimova M. A. Sravnitel'nyi analiz dvukh metodov prognozirovaniia tekhnicheskogo sostoianiia oborudovaniia [Comparative analysis of two methods for predicting technical condition of equipment]. Morskoi vestnik, 2013, no. 1S (10), pp. 34-37.
9. Ravin A. A. Metody prognozirovaniia tekhnicheskogo sostoianiia sudovogo energomekhanicheskogo oborudovaniia [Methods for predicting technical condition of ship power-mechanical equipment]. Trudy Tsentral'nogo nauchno-issledovatel'skogo instituta imeni akademika A. N. Krylova, 2000, no. 9, pp. 162-173.
