КАЧЕСТВО И НАДЁЖНОСТЬ СУДОВЫХ ДИЗЕЛЕЙ
Авторы:
1.
Астраханский государственный технический университет
2.
Астраханский государственный технический университет
(кафедра «Судостроение и энергетические комплексы морской техники», Профессор)
Россия
Россия
3.
Астраханский филиал ФГОУ ВПО «Волжская государственная академия водного транспорта»
Тип:
Статья
Страницы:
с 48
по 55
Статус:
Опубликован
Получено:
20.05.2015
Одобрено:
25.05.2015
Опубликовано:
25.05.2015
Классификаторы:
УДК 621.436:621.826
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
ГРНТИ 45.01 Общие вопросы электротехники
ГРНТИ 55.42 Двигателестроение
ГРНТИ 55.45 Судостроение
ГРНТИ 73.34 Водный транспорт
ГРНТИ 44.31 Теплоэнергетика. Теплотехника
Язык материала:
русский
Ключевые слова:
качество, надёжность, качество производства, эксплуатационное качество, квалиметрия, показатели надёжности, количественная оценка, моделирование надёжности
Аннотация (русский):
Качество двигателей, регламентируемое требованиями ГОСТ 10.150-88 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия», является качеством изготовления дизеля производством, ориентированным на выполнение требований ГОСТ и обеспечивающим его высокую надёжность, но не учитывающим изменившиеся производственные, товарные, экономические условия в сфере эксплуатации. А эти условия требуют от двигателя иного качества - эксплуатационного. Эксплуатационное качество характеризуется такими свойствами двигателей, с помощью которых потребитель смог бы выработать определенное количество товарной продукции, позволяющее ему не интересоваться дальнейшим состоянием дизеля в случае возникших неисправностей, т. к. он будет иметь возможность приобрести новый двигатель; обменять отработавший дизель на новый (с доплатой); оплатить капитальный или средний ремонт в межсезонный период. Вопрос надёжности судовых дизелей является частью общей теории надёжности машин. Судовые поршневые двигатели, как объекты морской техники и технологии, в отличие от наземных двигателей (транспортных и стационарных) имеют специфические особенности, связанные с эксплуатационной средой. Дополнительные инерционные нагрузки, возникающие вследствие качки судна, требуют увеличения допускаемых пределов прочности ряда элементов механизма преобразования движения. Влияние на надёжность объектов морской техники оказывает достаточно химически активная эксплуатационная среда, способствующая возникновению коррозии.
Качество двигателей, регламентируемое требованиями ГОСТ 10.150-88 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия», является качеством изготовления дизеля производством, ориентированным на выполнение требований ГОСТ и обеспечивающим его высокую надёжность, но не учитывающим изменившиеся производственные, товарные, экономические условия в сфере эксплуатации. А эти условия требуют от двигателя иного качества - эксплуатационного. Эксплуатационное качество характеризуется такими свойствами двигателей, с помощью которых потребитель смог бы выработать определенное количество товарной продукции, позволяющее ему не интересоваться дальнейшим состоянием дизеля в случае возникших неисправностей, т. к. он будет иметь возможность приобрести новый двигатель; обменять отработавший дизель на новый (с доплатой); оплатить капитальный или средний ремонт в межсезонный период. Вопрос надёжности судовых дизелей является частью общей теории надёжности машин. Судовые поршневые двигатели, как объекты морской техники и технологии, в отличие от наземных двигателей (транспортных и стационарных) имеют специфические особенности, связанные с эксплуатационной средой. Дополнительные инерционные нагрузки, возникающие вследствие качки судна, требуют увеличения допускаемых пределов прочности ряда элементов механизма преобразования движения. Влияние на надёжность объектов морской техники оказывает достаточно химически активная эксплуатационная среда, способствующая возникновению коррозии.
Ключевые слова:
качество, надёжность, качество производства, эксплуатационное качество, квалиметрия, показатели надёжности, количественная оценка, моделирование надёжности
качество, надёжность, качество производства, эксплуатационное качество, квалиметрия, показатели надёжности, количественная оценка, моделирование надёжности
Введение Существующая технология производства судовых дизелей построена на традиционных для двигателестроения принципах. Эти принципы заключаются: - в обеспечении производства заготовками высокого качества (специальные химические составы материалов; получение заготовок методами, соответствующими форме готовой детали, многопереходные комплексы улучшения внутреннего напряжённого состояния изделий и др.) [1]; - в обеспечении высоких значений коэффициентов запасов прочности и оптимальных припусков на обработку; - в обеспечении принципа единства и несменяемости баз; - в максимальном снятии припуска при выполнении операций черновой обработки; - в стремлении к максимально возможной равномерности снятия наружных и внутренних припусков; - в стремлении к многоинструментальной и многопозиционной обработке на станках агрегатного и карусельного типов; - в многопереходности операций финишной и суперфинишной обработки, в применении методов полной и групповой взаимозаменяемости при сборке; - в применении программно-управляемого оборудования с оперативными системами управления и т. д. Таким образом достигается качество двигателей, регламентируемое требованиями ГОСТ 10.150-88 «Дизели судовые, тепловозные и промышленные. Общие технические условия». Это достигнутое качество является качеством изготовления дизеля производством, ориентированным на выполнение требований ГОСТ и обеспечивающим его высокую надёжность, но не учитывающим изменившиеся производственные, товарные, экономические условия в сфере эксплуатации. А эти условия стали требовать от двигателя иного качества - эксплуатационного [2]. Эксплуатационное качество характеризуется такими свойствами двигателей, с помощью которых потребитель смог бы выработать такое количество товарной продукции (вылов n-го количества тонн рыбы, сварка m-го количества метров сварного шва), которое позволит ему не интересоваться дальнейшим состоянием дизеля в случае возникших неисправностей, т. к. он будет иметь возможность: - приобрести новый двигатель; - обменять отработавший дизель на новый (с доплатой); - оплатить капитальный или средний ремонт в межсезонный период. Качество промышленной продукции. В соответствии с методикой оценки качества промышленной продукции, к которой относятся дизельные двигатели, установлено 8 групп показателей качества: - показатели назначения - характеризуют полезный эффект от использования продукции по назначению и определяют область ее применения; - показатели надежности - безотказность, сохраняемость, ремонтопригодность, долговечность; - показатели технологичности - характеризуют эффективность конструктивно-технологических решений для обеспечения высокой производительности труда при изготовлении и ремонте продукции; - показатели стандартизации и унификации - характеризуют степень использования в продукции стандартизированных изделий и уровень унификации составных частей изделия; - эргономические показатели - характеризуют систему «человек - изделие - среда» и учитывают комплекс гигиенических, физиологических, антропологических свойств человека, проявляющихся в производственных и бытовых процессах; - эстетические показатели - характеризуют такие свойства продукции, как выразительность, оригинальность, соответствие среде и стилю и т. д.; - патентно-правовые показатели - характеризуют степень патентоспособности изделия в России и за рубежом [3]; - экономические показатели - отражают затраты на разработку, изготовление и эксплуатацию изделий, а также экономическую эффективность эксплуатации. Важной научно-технической задачей является оценка качества продукции, качественная и количественная. Разработка и развитие всех методов оценки качества, как дифференциальных, так и комплексных (интегральных), прогнозирование качества, нахождение закономерностей, взаимосвязей между показателями качества, параметрами назначения - задачи квалиметрии. В квалиметрии качество рассматривается как некоторая иерархическая совокупность свойств, причем таких, которые представляют интерес для потребителя. Качество в целом, т. е. наиболее обобщенное комплексное свойство продукции, рассматривается на самом низком, нулевом уровне иерархической совокупности свойств, а составляющие его менее обобщенные свойства - на более высоком, первом уровне иерархии. В свою очередь, каждое из этих свойств также может состоять из некоторого числа еще менее общих свойств, лежащих на еще более высоком - втором уровне иерархии, и т. д. Так образуется иерархическое «дерево свойств», число уровней рассмотрения которого может неограниченно возрастать (рис.). В квалиметрии могут производиться действия двух видов: нахождение абсолютного показателя Pij и определение относительного показателя качества Кij. В квалиметрии проводится различие между понятиями «измерение» и «оценка». Измерение какого-то свойства - это процесс нахождения численного значения показателя Рij, выражающего собой абсолютное значение этого свойства в соответствующих единицах измерения. Оценка же представляет результат сопоставления абсолютного показателя Рij с соответствующим «базовым» показателем Рij баз, принятым за эталон. Относительная характеристика продукции, основанная на сопоставлении значений показателей качества оцениваемой продукции с базовыми значениями соответствующих показателей, называется уровнем качества продукции. Базовые значения показателей качества - это значения показателей качества базовой модели, отечественного или зарубежного аналога, имеющего наивысшее на данное время качество. Однако всегда надо иметь в виду, что такие оценки являются субъективными, т. к. выбор базовой модели, как правило, не является объективным и зависит от квалификации, информированности и даже добропорядочности лица, принимающего решение [4]. Отдельные свойства, составляющие иерархическую структуру качества, путем измерений или вычислений могут получать численные характеристики Рij. Их можно считать абсолютными показателями качества этих свойств (j - число свойств, лежащих на i-м уровне; j = 1, 2, …, n). Относительный показатель качества Кij представляет собой функцию абсолютного показателя качества Pij и базового Pij баз. Кij = f1(Pij, Pij баз) или Кij = f2(Pij/Pij баз). Иерархическое дерево свойств качества Cреди всех показателей, характеризующих качество и надёжность, можно выделить показатели с большей или меньшей степенью очевидности. К самым неочевидным показателям можно отнести ресурсные показатели (показатели долговечности). Труднее всего сопоставлять отечественные и зарубежные дизели по ресурсным показателям, поскольку каждая фирма проповедует свой подход к объему и трудоемкости технического обслуживания и ремонта предлагаемых ею двигателей. Так, например, в одной и той же подборке материалов шведской фирмы «Volvo Penta» можно встретить ожидаемый ресурс до полной переборки дизель-генераторов 20 000 часов и рекомендуемый интервал между полными переборками 12 000 часов. Такие расхождения в значениях ресурсов одних и тех же машин, составляющие порой до 100 % и более, могут внести серьезные погрешности в результаты сравнительной оценки технологического уровня. Зарубежные фирмы придают большое значение привязке поставляемых двигателей к условиям их эксплуатации. Ряд фирм оговаривают преимущественный режим работы двигателя в течение гарантируемого срока службы и климатические условия, зоны их эксплуатации. Несопоставимость имеющихся информационных материалов обусловливается не только неодинаковой степенью достоверности, но и различиями в действующих национальных стандартах и нормах, поэтому сравнение некоторых параметров возможно после их приведения к сопоставимому виду по внешним условиям, комплектности двигателей и т. д. Анализ литературных данных показывает, что только из-за атмосферных условий, оговариваемых стандартами многих стран, мощность одного и того же двигателя может варьироваться в пределах до 16 %. Рекламируемая рекламная мощность, как правило, указывается по условиям ИСО без затрат энергии на привод вспомогательных механизмов, навешенных на двигатель, что приводит к дополнительному увеличению мощности на 5-9 %. В результате рекламируемая мощность зарубежных дизелей значительно превышает фактическую длительную мощность, реализуемую потребителем, следствием чего является завышение удельных показателей - литровой мощности, кВт/л; удельной массовой мощности, кВт/кг. То же самое можно сказать о стоимости. Это самые закрытые данные, о которых фактически нельзя получить информацию даже из каталожных материалов производителей и которые часто раскрываются только на переговорах по заключению контрактов. Но именно эти данные настоятельно необходимы уже на этапе начальной проработки проекта. Мы, по результатам исследований особенностей производства судовых и промышленных дизелей типа Ч 8,5/11 и Ч 9,5/11, предлагаем формулу расчёта стоимости С исходя из их основных функциональных характеристик: , где Ne - номинальная эффективная мощность двигателя, кВт; Т - ресурс до первой переборки, ч; М - масса, кг; ge - удельный эффективный расход топлива на режиме номинальной мощности, кг/(кВт · ч); gm - удельный эффективный расход масла на режиме номинальной мощности, кг/(кВт · ч); S - серийность выпуска, усл. ед.; К - коэффициент пропорциональности, 0,023. Результаты расчёта для группы дизелей приведены в таблице. Показатели степеней характеризуют весомость каждого аргумента в формуле. Тип дизеля Цена производителя расчётная ДС25 (4ЧСП 8,5/11) 126 000 126 236 8Д6 (6Ч 9,5/11) 144 000 144 283 10Д6 (6ЧСП 9,5/11) 148 300 148 588 ДП30 (4Ч 9,5/11) 93 600 93 785 ДП31 (4Ч 9,5/11) 96 000 96 177 Подобную структуру формулы для определения стоимости при принятии решений о приобретении дизелей на стадии проектирования можно рекомендовать и для других типов двигателей. Качество производства судовых дизелей. В соответствии с теорией точности механизмов, в правильно работающей машине обобщённые показатели выходов φi являются функциями обобщённых показателей входов qs. Выходной производственный показатель (мощность, частота вращения коленчатого вала, расход топлива) зависит от функциональных параметров - a, b, c, … k, определяет функциональные характеристики дизеля и связан с функциональными параметрами зависимостью типа [5, 6]: φi = f(a, b, c, … k). Параметры a - k могут быть как геометрическими (размеры, форма, расположение поверхностей), так и другими параметрами, характеризующими свойства деталей (прочность, твёрдость, износостойкость). При этом должна быть известна связь между φi и этими параметрами. Тогда условием нормальной работы дизеля будет |Δφi| < qi , (1) где Δφi - ошибка величины обобщённого показателя выхода; qi - постоянная или функция φi, выбираемая на основании назначения и условий нормальной работы дизеля. Ошибка Δφi называется отклонением функциональных показателей машины Фi - ΔФi вследствие ошибок функционирования систем или ошибок регулировки (нарушение режима смазки, отклонение от требуемого температурного режима, колебания цикловой подачи топлива по цилиндрам и др.) и ошибок обобщённых параметров входов qs - Δqs (отклонения зазоров, линейных, диаметральных и угловых размеров от допускаемых). Чем больше одна часть ошибки Δφi, тем меньше должна быть другая, для удовлетворения неравенства (1). Таким образом, должно выдерживаться условие |ΔФi| + |Δqs| = |Δφi| - const. Это означает, что ошибки обобщённых параметров входов Δqs, характеризующих качество изготовления, с учётом ожидаемых отклонений функциональных параметров ΔФi, не должны вызывать ошибок обобщённых показателей выходов. При этом на обобщённые параметры входов накладываются ограничения |Δqs| < β, где β - допускаемые предельные отклонения выходных показателей дизеля. Поиск оптимальных значений отклонений входных параметров должен производиться с учётом интересов потребителей исходя из того, что для сохранения работоспособности дизеля в течение предписанного срока службы некоторые отклонения входных параметров следует ужесточить, и, наоборот (в целях снижения себестоимости), ряд отклонений можно расширить. Таким образом, качество изготовления дизеля на определённый момент наработки t - X(t) можно представить в виде неявно заданной функции X(t) = F[f(xн), φ(хпр), ψ(хотк), t], где f(xн) - функция, характеризующая начальное техническое состояние дизеля, обусловленное конструкцией, размерами, формой, расположением поверхностей, качеством поверхностного слоя деталей; φ(хпр) - функция, характеризующая эксплуатационные условия работы дизеля (температурное состояние, режимы работы, динамические нагрузки); ψ(хотк) - функция, характеризующая возможность возникновения отказов (износ, коррозия, кавитация) [7]. Эксплуатационное качество. Эксплуатационное качество должно обеспечить дизелю такие свойства, которые, при минимальном вмешательстве в его работу, позволят команде судна произвести максимум товарной продукции. При этом учитываются: - быстрый и надёжный запуск - α(Хп); - быстрый прогрев дизеля и выход на устойчивые режимы работы - β(Хр.р); - автоматическое регулирование всех эксплуатационных показателей - γ(Ха.р); - дублирование контроля всех показателей - ω(Хд); - обеспечение автоматического останова при выходе значений контролируемых показателей за регламентируемые пределы - χ(Ха.о); - повышение литровой мощности дизеля - τ(Хре); - уменьшение удельного расхода топлива - η(Хg). Все эти мероприятия, осуществляемые поэтапно, не должны повышать удельную стоимость дизеля, руб./кВт. Такое условие может быть обеспечено модернизацией конструкции и технологии изготовления машины. Для этого необходимо все виды затрат на производство привести в соответствие с реальными эксплуатационными условиями в сочетании с условиями регламентирующей документации, часть из которых уже не соответствует требованиям времени. Исходя из вышеизложенного, зададим в виде неявной функции взаимосвязь эксплуатационного качества Υ и его основных свойств во времени t: Y(t) = Ф[α(Хп), β(Хр.р), γ(Ха.р), ω(Хд), χ(Ха.о), τ(Хре), η(Хg), t]. При этом общий показатель качества дизеля Z является алгебраической суммой двух первых показателей: Z(t) = |Х (t) + Y(t)|. Суммарный показатель качества должен быть более высоким, чем результат сложения двух функций, т. к. из показателя «качество производства» Х (t) исключается некоторая величина ΔХ (t), характеризующая параметры, не воспринятые сложившейся системой эксплуатации, а в показатель «эксплуатационное качество» Y(t) включается величина ΔY(t), которая учитывает более полные требования потребителя к функциональному назначению дизеля и превалирует над ΔХ (t), т. е. ΔY(t) > ΔХ(t). Однако в стоимостном выражении ситуация является обратной, т. е. СΔY < СΔХ. Окончательно Z(t) + ΔZ(t) = |Х(t) - ΔХ(t)| + |Y(t) + ΔY(t)|. Надёжность судовых дизелей. Надёжность машин является одной из важнейших составляющих их качества. Вопрос надёжности судовых дизелей является частью общей теории надёжности машин. Однако судовые поршневые двигатели, как объекты морской техники и технологии, в отличие от наземных двигателей (транспортных и стационарных), имеют специфические особенности, связанные с эксплуатационной средой. Так, дополнительные инерционные нагрузки, вследствие качки судна, требуют увеличения допускаемых пределов прочности ряда элементов механизма преобразования движения (в абсолютном большинстве - кривошипно-шатунного), что регламентируется требованиями Российского морского регистра судоходства. Своё влияние на надёжность объектов морской техники оказывает достаточно химически активная эксплуатационная среда, способствующая возникновению коррозии. Несомненно, условия эксплуатации, а именно качка судна и связанные с ней силы инерции, действующие не только на твёрдые, но и на жидкие и газообразные тела, влияют на протекание рабочих процессов в двигателях и других элементах судовых энергетических установок, и этот вопрос изучен недостаточно [8]. ГОСТ 27.002-83 дает следующее определение надежности: «Надежность - свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех показателей, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования». Тогда, если принять в качестве комплексного показателя надёжности символ D (dependable), можно записать неявную функциональную зависимость: D = Σ Ii F[fΣ (N, n, g, R), S, t, Y], где Σ Ii - совокупность показателей, характеризующих работу дизеля, при i = 1 … k; fΣ (N, n, g, R) - функции заданных режимов и условий применения (N - мощность, n - частота вращения коленчатого вала, g - удельные расходы топлива и масла, R - все виды ресурсов); t - регламентное время наработки; S - количество систем, механизмов и узлов в составе двигателя; Y - внешние эксплуатационные условия функционирования дизеля. Показатель надёжности можно представить в виде более явной зависимости, как трансцендентное уравнение: D = Σ Ii x gy/Sm tz Rk Nr nh Yq, (2) где x, y, z, m, k, r, h, q - показатели степени, характеризующие весомость каждого аргумента уравнения (2). Большое значение в исследовании характеристик качества играет математическое моделирование [9]. Моделирование надёжности проводится с целью формализованного описания процессов, возникновения отказов элементов во времени в зависимости от действующих нагрузок и внутренних свойств элементов. Моделирование надёжности проводится для формального описания с позиции надёжности процесса функционирования системы как процесса взаимодействия её элементов при выполнении поставленной задачи. Заключение Качество и надёжность поршневых двигателей, в том числе судовых, определяются в первую очередь набором функциональных характеристик, определённых для того или иного двигателя при проектировании. Способность конструкторов и непосредственных производителей обеспечить заданный набор характеристик высококачественной организацией рабочего процесса, материалами, современными технологическими методами обработки и сборки, рекомендованными топливами и маслами, методами диагностики и регламентами технического обслуживания, а главное - учётом реальных условий эксплуатации, создают предпосылки качественной и надёжной работы машины во всех мощностных диапазонах работы.
1. Ящерицин П. И. Технологическая наследственность в машиностроении / П. И. Ящерицин, Э. В. Рыжов, В. И. Аверчиков. Минск: Наука и техника, 1977. 255 с.
2. Маталин A. A. Технология механической обработки / А. А. Маталин. Л.: Машиностроение, 1977. 464 с.
3. Маталин A. A. Технология машиностроения / А. А. Маталин. Л.: Машиностроение, 1985. 496 с.
4. Гусев А. А. Технология машиностроения (Специальная часть) / А. А. Гусев, Е. Р. Ковальчук, И. М. Колесов и др. М.: Машиностроение, 1986. 480 с.
5. Дорохов А. Ф. Принцип формирования эксплуатационного качества при производстве судовых дизелей / А. Ф. Дорохов, А. А. Музаев // Проблемы машиностроения и надежности машин. 1999. № 3. С 65-69.
6. Дорохов А. Ф. Разработка методологии, принципов проектирования и модернизации производства судовых малоразмерных дизелей: дис. … д-ра техн. наук / А. Ф. Дорохов. СПб.: ГУВК, 1997. 361 с.
7. Азгальдов Г. Г. Разработка теоретических основ квалиметрии / Г. Г. Азгальдов. М.: Военно-инж. акад. им. В. В. Куйбышева, 1981. 60 с.
8. Российский морской регистр судоходства. Правила классификации и постройки морских судов. Т. 2. Ч. IX. Механизмы. 2.4. Коленчатый вал. СПб., 2014.
9. Квалиметрия как наука // URL: http://www.hrstudent.ru/upravlenie-kachestvom/kvalimetriya_kak_nauka.html.
