Основные понятия о надежности. Полная совокупность свойств, характеризующих какой-либо объект или изделие (в том числе и дизель), устанавливается требованиями нормативно-технической документации (стандартов, технических условий и т. д.).
Каждый технический объект или изделие, с точки зрения теории надежности, может находиться в работоспособном или неработоспособном, исправном или неисправном состоянии.
Работоспособное состояние (работоспособность) — такое состояние дизеля, при котором он способен выполнять возложенные функции, сохраняя заданные параметры в пределах, установленных нормативно-технической документацией. Несоответствие хотя бы одного заданного параметра их требованиям характеризует неработоспособное состояние дизеля.
Исправное состояние (исправность) — такое состояние дизеля, при котором он соответствует всем без исключения требованиям, установленным нормативно-технической документацией. Исправный дизель не только работоспособен, но и удобен в эксплуатации, удовлетворяет эстетическим, санитарным и другим специальным требованиям. Так, дизель, работающий с повышенной дымностью, является неисправным, хотя и сохраняет работоспособность. Если же дизель при этом не развивает установленной мощности, то он является одновременно и неисправным и неработоспособным.
Свойства, характеризующие надежность, регламентирует ГОСТ 13377—75. Количественную оценку надежности производят расчетным путем с использованием методов математической статистики и теории вероятности. Применительно к судовым дизелям, основные понятия надежности формулируются следующим образом.
Надежность — свойство дизеля выполнять заданные функции (работать в соответствии с назначением) в течение установленных сроков, сохраняя эксплуатационные показатели в допустимых пределах, при соблюдении требований инструкции по эксплуатации в части режимов работы и условий технического обслуживания (ТО), ремонта, хранения и транспортирования.
Требующийся уровень надежности дизелей определяется с учетом экономических соображений, безопасности плавания, наличия и оснащенности ремонтной базы, квалификации обслуживающего персонала и др.
Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения дизеля и условий его эксплуатации может включать в себя безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость в отдельности или определенное сочетание этих свойств как для дизеля в целом, так и для частей последнего.
Различают фактическую надежность, обусловленную достижением предельного состояния, оговоренного нормативно-технической документацией, каждым реальным дизелем, и расчетную надежность, обусловленную расчетной величиной наработки, в течение которой обеспечивается заданная вероятность сохранения работоспособного состояния всеми однотипными дизелями. U *<{§
Безотказность — свойство дизеля непрерывно (без самопроизвольных или вынужденных остановок для ремонта) сохранять работоспособность в течение заданной продолжительности эксплуатации (или наработки). Она обеспечивается совершенством конструкции дизеля, качеством изготовления его деталей и соблюдением правил эксплуатации и технического обслуживания, предусмотренных инструкцией.
Для некоторых транспортных средств (например, самолетов) требуется высокая безотказность двигателя, т. е. вероятность его безотказной работы в пределах назначенного ресурса должна быть близкой-к единице. Такой двигатель после наработки назначенного ресурса снимают и заменяют или подвергают ремонту независимо от его фактического состояния. Стоимость изготовления, эксплуатации и ремонта безотказных двигателей очень велика. Поэтому там, где допустимо по условиям безопасности, применяют менее надежные, но более дешевые двигатели с вероятностью безотказной работы меньше единицы, предвидя, что какое-то количество их выйдет из строя, не отработав положенного ресурса.
В целях уменьшения риска и снижения потерь от применения механизмов с вероятностью безотказной работы меньше единицы используют специальные приемы, позволяющие повысить надежность устройства, в состав которого они входят. Одним из таких приемов является резервирование, т. е. установка нескольких агрегатов, способных выполнять одни и те же функции (например, дизель-генераторов судовой электростанции), или механизмов (например, резервных насосов охлаждения главных двигателей, местных постов управления наряду с дистанционными и т. д.).
Отказом называется событие, заключающееся в нарушении работоспособности дизеля, или такое его состояние, когда дальнейшая эксплуатация неизбежно приведет к этому нарушению. Отказы приводят к вынужденному простою или к повышенным объемам и стоимости технических обслуживаний и ремонтных работ по сравнению с запланированными. Они разделяются на постепенные и внезапные. Постепенные отказы являются следствием изнашивания, старения, коррозии, усталостных разрушений и других медленных и часто необратимых процессов, вызывающих постепенное изменение свойств деталей и узлов вплоть до наступления отказа. Постепенные отказы могут быть изучены и предотвращены проведением своевременных наладочных, профилактических или ремонтных работ.
Внезапные отказы- являются следствием случайных причин (возрастания нагрузки при ударе винтом о твердый предмет, недоброкачественности деталей, применения элементов, прочность или срок службы которых недостаточны для данных условий эксплуатации, и т. д.). Эти отказы не могут быть предотвращены своевременным проведением профилактических или наладочных работ.
Долговечность— свойство дизеля длительно (с плановыми перерывами на ремонт) сохранять работоспособность (при работе на режимах и в условиях, предусмотренных техническими условиями) до какого-то предельного состояния, в том числе до разрушения.
Предельное состояние дизеля определяется невозможностью его дальнейшей эксплуатации в связи с недопустимым снижением рабочих параметров, с большими износами, с появлением опасности для обслуживающего персонала или в связи с экономической нецелесообразностью проведения ремонта и моральным старением.
Ремонтопригодность — свойство дизеля, заключающееся в приспособленности к предупреждению и обнаружению причин отказов и повреждений и устранению их последствий путем проведения технического обслуживания и ремонта. Она определяется затратами времени на ремонт, его трудоемкостью и стоимостью.
Сохраняемость — свойство дизеля непрерывно сохранять исправное и работоспособное состояние во время и после хранения и транспортирования. Она определяется свойствами защитных покрытий (консервации), предохраняющих дизель и его детали от отрицательного воздействия внешней среды.
Технический ресурс дизеля. Продолжительность использования дизеля измеряется сроком службы (календарной продолжительностью эксплуатации с плановыми перерывами на ремонт) или наработкой (величиной, пропорциональной объему выполненной работы). Измеряется наработка дизеля в часах работы, в километрах пробега, в количестве оборотов коленчатого вала и т. д. У судовых дизелей она измеряется в часах работы.
Наработка дизеля до заранее обусловленного предельного состояния (т. е. состояния, когда его дальнейшая эксплуатация должна быть прекращена для проведения технического обслуживания или ремонта) называется ресурсом дизеля. В зависимости от того, какие критерии приняты для определения предельного состояния, различают следующие разновидности ресурсов.
Полный ресурс дизеля — это суммарная наработка дизеля до его списания или наработка до предельного состояния, ограниченного технико-экономической нецелесообразностью проведения ремонта или моральным старением. Полный ресурс (с учетом одного-двух капитальных ремонтов) дизелей с частотой рращения 1000—2000 об/мин может достигать 20—25 тыс. ч, а с частотой вращения 175—600 об/мин — 70—100 тыс. ч и более.
Ресурс до капитального ремонта — это наработка дизеля, при достижении которой эксплуатация дизеля должна быть прекращена для полной разборки, обеспечивающей осмотр, проверку и восстановление работоспособности узлов и деталей, включая переукладку коленчатого вала, или наработку до предельного состояния коленчатого вала и его подшипников.
Необходимость в капитальном ремонте возникает при предельном или прогрессирующем износе основных деталей валовой группы. К этому времени обычно достигают предельного износа и другие детали дизеля (ЦПГ, детали системы газораспределения, крышки цилиндров, насосы, а иногда и блок цилиндров и фундаметная рама). Предельный износ основных деталей дизеля сопровождается снижением мощности, экономичности и надежности дизеля вследствие нарушения правильности взаимодействия (его частей и протекания рабочего процесса в цилиндрах.
У дизелей с частотой вращения 1000—2000 об/мин ресурс до капитального ремонта составляет 8—14 тыс. ч, с частотой вращения 500—1500 об/мин— 22—36 тыс. ч, а с частотой вращения 175—600 об/мин — 28—50 тыс. ч.
Ресурс до переборки это наработка дизеля, при достижении которой его эксплуатация должна быть прекращена для частичной разборки (с выемом поршней), обеспечивающей осмотр, проверку и восстановление работоспособности узлов и деталей в объеме, оговоренном в эксплуатационной документации, или наработка для предельного состояния поршневой группы.
Переборка требуется при износах или пригораниях поршневых колец, значительном отложении нагара на поршнях, крышках, клапанах, при неплотности клапанов, увеличенных зазорах в подшипниках, засорении водяных и масляных систем.
Для некоторых типов дизелей устанавливают ресурс до полной переборки, которую, как правило, выполняют не на судне, a g условиях ремонтного предприятия, где дизель полностью разбирают и частично заменяют изношенные детали.
У дизелей с частотой вращения 1000—2000 об/мин ресурс до переборки составляет 2—5 тыс. ч, с частотой вращения 500—1500 об/мин —4—7 тыс. ч, а с частотой вращения 175—600 об/мин — 4,5—9 тыс. ч.
Ресурс непрерывной работы — это безотказная непрерывная наработка дизеля, при достижении которой эксплуатация его должна быть прекращена для проведения технического обслуживания в объеме, предусмотренном инструкцией по эксплуатации. Остановка дизеля для технического обслуживания обычно вызывается предельным состоянием топливной аппаратуры, необходимостью регулировки зазоров в механизме газораспределения или чистки отдельных узлов системы смазки.
У дизелей с частотой вращения 1000—2000 об/мин ресурс непрерывной работы составляет 0,25—0,3 тыс. ч, с частотой вращения 500—1500 об/мин — 0,3—0,5 тыс. ч, а с частотой вращения 175—600 об/мин — до 0,6 тыс. ч.
Ресурс необслуживаемой работы — это наработка дизеля, при достижении которой должны быть проведены операции технического обслуживания в объеме, предусмотренном инструкцией по эксплуатации, без остановки дизеля. Такими операциями обычно являются ручная смазка отдельных узлов, переключение секций фильтров, проверка режимов работы, устранение мелких неисправностей.
Для автоматизированных дизелей ресурс необслуживаемой работы устанавливают в зависимости от их конструкции и степени автоматизации в пределах от 4 до 240 ч.
Полученные расчетным путем ресурсы указываются в нормативно-технической документации и называются назначенными ресурсами. Под этими ресурсами понимается наработка, при достижении которой эксплуатация дизеля должна быть прекращена независимо от его состояния для проведения технического обслуживания или ремонта в объеме, предусмотренном инструкцией.
Значения назначенных ресурсов используют для планирования периодичности технического обслуживания и ремонта дизелей.
При планировании сроков переборки или ремонта не следует смешивать понятия «ресурса» и «гарантийной наработки дизеля». Моторесурс дизеля обусловливается интенсивностью естественного износа его деталей, изготовленных и собранных в соответствии с действующими техническими условиями. Гарантийный срок, в течение которого завод-изготовитель обязан безвозмездно заменять или ремонтировать детали дизеля, вышедшие из строя из-за поломки или преждевременного износа при условии соблюдения потребителем инструкции по эксплуатации, назначается для выявления и устранения случайных дефектов в изготовлении дизеля, не связанных с естественным износом его деталей. Гарантийная наработка, как правило, равна назначенному ресурсу дизеля до первой переборки.
В ряде случаев вместо понятия «ресурс дизеля» используют понятие «срок службы дизеля», т. е. календарную продолжительность эксплуатации его до предельного состояния.
Полный срок службы дизелей до списания их при условии замены отдельных изнашивающихся деталей может быть очень большим: тихоходных средней мощности — 25—40 лет и более. Он определяется чаще всего долговечностью коленчатого вала, шейки которого уменьшаются в диаметре вследствие износа и проточек при капитальных ремонтах, а также состоянием постелей подшипников фундаментной рамы и посадочных поясов в блоке цилиндров, получающих повреждения при наклепе или коррозии. У быстроходных дизелей нередко наблюдаются усталостные разрушения отдельных деталей (коленчатых валов, шатунов, пальцев и др.). Замена таких деталей,, как вал, блок, фундаментная рама, часто становится экономически нецелесообразной.
Технический прогресс в дизелестроении приводит к тому, что через определенный промежуток времени двигатель, отвечавший в момент постройки передовому для своего времени уровню техники, перестает удовлетворять возросшим требованиям.
Процесс старения конструкции машины, вызванный техническим прогрессом, называется моральным износом.
Эксплуатация морально изношенных дизелей становится экономически невыгодной. Такие дизели заменяют новыми с более высокими технико-экономическими показателями даже в тех случаях, когда физический износ их деталей еще не достиг предельных величин.
Срок службы в большой степени зависит от конструктивных особенностей дизеля: быстроходности, степени форсировки, удельных давлений в подшипниках, прочности и жесткости отдельных деталей, конструкции систем охлаждения и смазки, качества материалов деталей, наличия и особенностей дистанционного управления и средств автоматизации.
На срок службы влияет технология изготовления и сборки дизеля: точность обработки и шероховатость рабочих поверхностей, качество заливки подшипников, технология термической обработки и других видов упрочнения деталей, соблюдение нормальных зазоров в трущихся парах.
Длительность работы с полной нагрузкой и перегрузкой, число пусков и реверсов, атмосферные условия, пуски под нагрузкой, резкие повышения и сбросы ее также влияют на срок службы. Внимательный уход за дизелем, своевременное и качественное проведение операций технического обслуживания, рациональное использование мощности дизеля могут значительно увеличить его моторесурс.
Необходимо иметь в виду, что, как правило, вследствие старения и износа основных деталей, более низкого качества работ, выполняемых ремонтными предприятиями, по сравнению с дизелестроительными заводами, продолжительность между капитальными ремонтами не остается постоянной. Ориентировочно можно считать, что с каждым последующим капитальным ремонтом моторесурс уменьшается на 10—20%.
Основы технической диагностики. Техническая диагностика представляет совокупность методов и средств, позволяющих контролировать и оцепивать техническое состояние механизмов без их разборки, предвидеть и предотвращать развивающиеся неисправности.
Действующие нормы периодичности и объема технического обслуживания и ремонта дизелей являются осредненными, разработанными на основании изучения износа большой группы однотипных механизмов. Потребность в ремонте конкретного дизеля может отличаться от средних норм.
При системе планово-предупредительного обслуживания и ремонта у ряда механизмов, износ которых оказался ниже среднего, неизбежно разбирают и заменяют некоторое количество еще вполне пригодных к эксплуатации узлов и деталей.
Методы технической диагностики позволяют обеспечивать переход от регламентного (по графику) обслуживания к обслуживанию по фактическому состоянию механизмов и тем самым избежать непроизводительных потерь ресурса и повысить надежность путем своевременного предотвращения развивающихся неисправностей.
Основаны методы диагностики на следующих принципах:
— измерении контролируемых параметров и сравнении их с допустимыми значениями (например, температуру газов по цилиндрам сравнивают с допустимым или со средним значением);
— определении вида кривой контролируемого процесса по времени и сравнении ее с эталонной кривой этого же процесса (например, кривая износа детали по времени или кривая изменения давления в цилиндре).
Средствами диагностики являются контрольно-измерительные приборы различных типов и назначения.
Признаками, определяющими техническое состояние, могут быть очевидные дефекты (поломки, подтекания и т. д.) от случайных причин и переменные показатели (геометрические размеры деталей, шумы, состав газов и т. д.), являющиеся следствием закономерных износов деталей дизеля.
На основании сравнения фактических показаний штатных контрольно-измерительных приборов с нормативными значениями, приведенными в инструкции по эксплуатации дизеля, можно судить об исправности топливной аппаратуры, систем охлаждения и смазки, турбокомпрессора и о нагрузке дизеля. Сопоставляя показания приборов с результатами дополнительных наблюдений (например, за дымностью, за шумом, за нагревом деталей и др.), можно установить многие неисправности, признаки которых приводятся в инструкции по эксплуатации.
Однако для решения многих задач прогнозирования показаний штатных контрольно-измерительных приборов оказывается недостаточно, поскольку они не позволяют с необходимой степенью полноты и достоверности оценить техническое состояние дизеля, и в первую очередь таких важнейших его узлов, как детали ЦПГ и подшипники, без разборки. Для решения данных задач применяют специальную диагностическую аппаратуру, позволяющую либо непосредственно измерять контролируемые параметры (например, зазоры между поршневым кольцом и втулкой и т. д.), либо оценивать техническое состояние узлов по косвенным признакам (по шуму, вибрации, содержанию примесей в масле и т. д.).
В простейшем случае сами измерения и анализ их результатов может выполнять оператор (механик). В более совершенных и развитых системах диагностики для этого используют различные автоматические устройства в сочетании с цифровыми и аналоговыми ЭВМ.
Мощные дизели современных автоматизированных морских судов оборудуют автоматическими системами централизованного контроля и диагностики с числом контролируемых параметров от 100 до 400. Эти системы наряду с контролем рабочего процесса в цилиндрах позволяют определять и такие показатели, как износ втулок цилиндров и поршневых колец, подшипников, износ или неисправность топливных насосов и форсунок и т. д.
Использование подобных систем на речных судах сдерживается их значительной сложностью и высокой стоимостью.
Из средств диагностики, специально предназначенных для речных судов, находятся в разработке или проходят опытную проверку система диагностики неисправности пневматических ДАУ «Поиск», пневмоиндикатор для определения условной величины зазора между поршневыми кольцами и втулкой, вакуумный прибор для определения величины зазоров в головных и шатунных подшипниках и некоторые другие.