ГЛАВА 1
Надежность судовых систем управления
Надежная работа устройств системы электроснабжения является необходимым условием обеспечения качественной и устойчивой работы транспорта. Анализ и обеспечение работоспособного состояния систем электроснабжения на этапах проектирования и эксплуатации – сложная задача, для решения которой используется математический аппарат теории надежности.
Термины и определения, используемые в теории надежности, регламентированы ГОСТ 27.002 – 89 «Надежность в технике. Термины и определения».
Надежность – свойство объекта выполнять заданные функции, сохраняя во времени и в заданных пределах значения всех эксплуатационных параметров.
Надежность объекта характеризуется следующими основными состояниями и событиями:
- Исправность – состояние объекта, при котором он соответствует всем требованиям, установленным нормативно –технической документацией.
- Работоспособность – состояние объекта, при котором он способен выполнять заданные функции, сохраняя значения основных параметров, установленных НТД.
- Предельное состояние – состояние объекта, при котором его применение (использование) по назначению недопустимо или нецелесообразно.
- Повреждение – событие, заключающееся в нарушении исправного состояния объекта при сохранении его работоспособного состояния.
- Отказ – событие, заключающееся в нарушении работоспособного состояния объекта.
- Критерий отказа – отличительный признак или совокупность признаков, согласно которым устанавливается факт возникновения отказа.
Для некоторых объектов предельное состояние является последним в его функционирование, то есть объект снимается с эксплуатации, для других – определенной фазой в эксплуатационном графике, требующей проведения ремонтно – восстановительных работ. В связи с этим объекты могут быть разделены на два класса:
- невосстанавливаемые, для которых работоспособность в случае возникновения отказа не подлежит восстановлению, или по каким-либо причинам нецелесообразно;
- восстанавливаемые, работоспособность которых может быть восстановлена, в том числе и путем замены элементов.
К числу невосстанавливаемых объектов можно отнести, например, электронные и электротехнические детали (диоды, сопротивления, конденсаторы, изоляторы и другие элементы конструкций). Объекты, состоящие из многих элементов, например, трансформатор, выключатель, электронная аппаратура, являются восстанавливаемыми, поскольку их отказы связаны с повреждениями одного или нескольких элементов, которые могут быть отремонтированы или заменены. В ряде случаев один и тот же объект в зависимости от особенностей, этапов эксплуатации или назначения может считаться восстанавливаемым или невосстанавливаемым.
Введенная классификация играет важную роль при выборе моделей и методов анализа надежности.
Надежность является комплексным свойством, включающим в себя, зависимости от назначения объекта или условий его эксплуатации.
Составляющих (единичных) свойств, в соответствии с ГОСТ 27.002-89:
безотказность;
долговечность;
ремонтопригодность;
сохраняемость.
Безотказность – свойство объекта непрерывно сохранять работоспособность в течение некоторой наработки или в течение некоторого времени.
Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособность до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонтов.
Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в его приспособленности к предупреждению и обнаружению причин возникновения отказов, поддержанию и восстановлению работоспособности путем проведения ремонтов и технического обслуживания.
Сохраняемость – свойство объекта непрерывно сохранять требуемые эксплуатационные показатели в течение (и после) срока хранения и транспортирования.
В зависимости от объекта надежность может определяться всеми перечисленными свойствами или частью их.
Наработка – продолжительность или объем работы объекта, измеряемая в любых неубывающих величинах (единица времени, число циклов нагружения, километры пробега и т.п.).
Показатель надежности количественно характеризует, в какой степени данному объекту присуще определенные свойства, обусловливающие надежность.
Основные технические характеристики интегрированной системы,
управления судном.
Интегрированная система управления К- Chief 600 фирмы Kongsberg может быть приспособлена к индивидуальным требованиям конкретного судна. Модульная конструкция позволяет гибко настраивает систему от низкой сложности (системы сигнализации) до высокой сложности (системы комплексного контроля и мониторинга).
Подсистемы, которые могут быть подключены:
- система сигнализации и мониторинга;
- система контроля вспомогательных механизмов;
- электроэнергетическая система;
- контроль пропульсивной установки;
- балластная система;
- система контроля грузовыми операциями;
- система кондиционирования воздуха;
- пожарная система.
К- Chief 600 основана на технологии, которая использует стандартные модули. Они связаны между собой посредством двухсторонних информационных шин и сетей. Таким образом система может быть настроена для использования на любых типах судов.
Основной задачей данной системы является предоставление всей необходимой информации офицерскому составу для поддержания безопасной и эффективной работы МО и судна в целом.
Системный анализ комплекса систем управления техническими средствами (КСУ ТС) судовой энергетической установки.
Принципы построения комплекса:
Рисунок 1 - Общая схема системы К- Chief 600 фирмы Kongsberg
Основные технические характеристики входящих в него систем.
Архитектура данной системы является модульной состоит из операторских станций и блоков обработки цифровых и аналоговых сигналов (БОЦАС), которые соединены между собой локальной информационной сеть. Соединение системы является децентрализованным благодаря операторским станциям, что делает системы более безопасной и простой в установке. Каждый БОЦАС играет свою роль и сконфигурирован так, чтобы он отвечал всем требованиям рабочего процесса той области, где он функционирует. Благодаря такой гибкой архитектуре, система может быть, со временем, расширена с помощью подключения новых БОЦАС для контроля за новыми рабочими процессами или расширения функциональности.
Управление и наблюдение за работой всей системы осуществляется с помощью операторских станций:
K-Gauge – система наблюдения и контроля за грузовыми и балластными операциями. Расположенная в комнате управления грузовыми операциями (cargo control room).
K-Chief – система, которая расположена в центральном посту управления (engine control room), и осуществляет контроль и управление всеми процессами в машинном отделении. Имеет прямую связь с операторской станцией K-Gauge.
K-Bridge – система мониторинга за всеми возможными процессами на судне. Расположена на мостике судна. Соединенная со станцией K-Gauge и K-Chief с помощью коммутатора.
K-Pos – система, позволяющая управлять подруливающим устройством. Эти операторские станции позволяют осуществлять ручной и автоматический контроль за всеми системами. Это возможно благодаря удобному интерфейсу, который позволяет легко пользоваться системой как новому оператору, так и опытному. Вся информация отображается на дисплеях, расположенных на операторных станциях.
Особенностью этой системы является также то, что всю информацию о состоянии судна могут получать не только офицеры на борту, но и специалисты на берегу (например работники компании судовладельца). Это возможно благодаря защищенному VPN-каналу. Нужная информация передается на берег с помощью спутниковой связи.
Рабочая сеть: Local Area Network (LAN) – используется для связи операторских станций и компьютеров, обрабатывающих информацию с объектов управления и наблюдения.
Control Area Network (CAN) – высоко надежная рабочая шина, используемая для связи между компьютерами, обрабатывающих информацию (аналоговые и цифровые сигналы) о состоянии объектов. В рамках этой сети можно расширить количество объектов, требующих наблюдения и управления. Все сегменты системы присоединены к операторским станциям CAN-сетью.
Serial Lines – используются для связи блока обработки цифровых и аналоговых сигналов (DPU) и, непосредственно, объектов наблюдения и управления. Тип линий, используемых в системе зависит от их применения и имеют стандарты RS-442 и RS-485 с большим количеством дифференциальных протоколов.
Питание системы K-Chief 600:
Система автоматизации питается от источника 230 В переменного тока (для операторских станций) и источника 24 В постоянного тока (для DPU).
Также система имеет стабилизатор напряжения для защиты операторских станций и DPU’s от проблем, связанных с плохим качеством напряжения или падения мощности. Стабилизатор поддерживает напряжение постоянным и, если это нужно, защищает аппаратуру от перегрузки. Плохое качество напряжения может привести к повреждению оборудования (hardware) и программного пакета (software), что негативно отразиться на работе всей системы.
ГЛАВА 2
Ледокол типа «Капитан Хлебников» c ДЭУ
«Зульцер» ZL 40/48
Ледокол «Капитан Хлебников» является четвертым в серии из четырех ледоколов класса «Капитан Сорокин», которое построено финской верфью «Wartsila» (Вяртсиля), введен в эксплуатацию 29 мая 1981 года. Дизельный ледокол был назван в честь полярного капитана Юрия Константиновича Хлебникова. Головным ледоколом является «Капитан Сорокин» (введен в эксплуатацию в 1977 году), вторым был «Капитан Николаев» (введен в эксплуатацию в 1978 году), а третьим «Капитан Драницын» (введен в эксплуатацию в 1980 году). «Капитан Хлебников» после постройки поступил в состав флота Дальневосточного морского пароходства, порт Владивосток. Предназначался он для работы в арктических морях. В 1990 году ледокол был переоборудован для совершения туристических экспедиционных рейсов, а первый рейс с пассажирами на борту совершил в 1992 году.
В 2000-е годы судно совершало рейсы в Антарктиду, с заходами в Аргентину и Новую Зеландию, а также и в Арктику. В ноябре 2009 года ледокол «Капитан Хлебников», совершая круиз в Антарктиду, застрял во льдах со 105 пассажирами на борту. В ноябре 2011 года был заключительный экспедиционный пассажирский рейс, после чего ледокол использовался на проводке судов в дальневосточные порты.
Технические характеристики ледокола «Капитан Хлебников»:
Водоизмещение, (т): 15 000
Размеры судна, (м): длина – 130; ширина – 26,74;
высота борта – 12,3
Осадка, (м): 8,5
Максимальная скорость, (узл.): 19,1
Эксплуатационная скорость, (узл.): 18
Экипаж, (чел): 76
На ледоколах типа «Капитан Хлебников» установлены шесть главных двигателей под маркой 9ZL40/48 с р_е= 3050 кВт при номинальной частоте вращения 430 ?мин?^(-1).
Более подробно остановимся на рассмотрении дизельного двигателя фирмы «Зульцер», которая во второй половине 70-х годов прошлого столетия впервые разработала двухтактные тронковые среднеоборотные двигатели моделей ZH, они имели внутриканальное охлаждение верхней части втулки и четырехклапанную прямоточную систему продувки с принудительным вращением поршня вокруг вертикальной оси. В дальнейшем фирма «Зульцер» сделала дизели с вращением поршня, разработанные для двухтактных ДВС, но они стали использовать на различных четырехтактных дизелях. До настоящего времени фирма «Зульцер» успешно использует этот принцип на своих новых четырехтактных дизелях ZAS с увеличенным ходом поршня. Фирма выпускает серии дизелей ZН, ZL, ZV, ZAS.
Дизель модели ZL конструктивно аналогичен модели ZH, но имеет более высокую форсировку (на 20 %), в основном за счёт увеличения частоты вращения с 380 до 430 ?мин?^(-1)соответственно.
Далее рассмотрим дизельный двигатель ZV 40/48 и проведем расчет его шатунных подшипников.
ГЛАВА 3
Расчет шатунных подшипников дизеля ZV40/48
Распознание сроков технического обслуживания при которых будет гарантировано предупреждение отказов, это является главной целью обработки данных об отказах судовой техники. Предопределение сроков ТО ранее наступления отказа непременно приводит к тому, что выполнение работы реализовывается слишком рано, что увеличивает расходы на техническое обслуживание. Для оценки в соответствующий момент выполнения ТО продуктивным является сбор информации о наработках до неудовлетворительного состояния, т.е. такого при котором механизм еще не отказал, но уже близок к этому.
В таком случае необходим сбор информации об:
Наработках до отказов
Наработках до неудовлетворительного состояний.
Для дальнейшего комфортного использования данных о наработках до отказа и до неудовлетворительного состояния в общепринятых методиках прогнозирования надежности судовой техники производиться аппроксимирование практических данных каким-либо из известных законов распределения. Метод подбора конкретного закона распределения идентичен для распределения наработок до отказа и до неудовлетворительного состояния.
Фактические данные отражают зависимость наработок на отказ и сбой от надежности множества элементов системы и множества влияющих на надежность условий эксплуатации, и в силу этого должны иметь достаточно сложную структуру. Обычно применяемые для аппроксимации одно- или двухпараметрические законы распределения, естественно, могут только очень приближенно отражать фактически имеющие место зависимости.
Рассмотрим, как это обычно производится:
Определение показателей надежности по данным эксплуатации.
Воспользуемся статическими данными эксплуатации.
Составляется суммарная таблица всех отказов. Наработка поделена на интервалы часов (выбор количества и объема разрядов выбирается таким образом, чтобы можно было наиболее полным образом раскрыть характерные особенности случайной величины 7-20).
Таблица 1: Сводная ведомость отказов
Интервалы t0 – t1 t2 – t1 t3 – t2 t4 – t3 ……… t0 – tn-1
ni n1 n2 n3 n4 ni
qi = ni /N q1 q2 q3 q4 qi
fi = qi /(ti – ti-1) f1 f2 f3 f4 fi
ni – количество отказов в интервале времени (t0 – t1) из N находившихся под наблюдением.
Члены выборки объединяются в виде увеличивающейся последовательности (вариационного ряда). Статистические ряды ni, qi, fi представлены в последней и предпоследней строке таблицы. На основании статической оценки частоты отказов в интервалах может быть построена гистограмма распределения отказов по интервалам;
Формируется вероятность отказов, плотность распределения отказов.
Определяются средняя наработка до первого отказа (до неудовлетворительного состояния) и средние fi=qi/(ti-ti-1) квадратические отклонения по формулам.
Т_ср1=?^n-?Q_i*(t_i+?t_i/2) ?
D=(?_(i=1)-?(Q_i ?*(t_i+?t_i/2)-Т_ср1 )^2 N/(N-1))^0.5
Коэффициент вариации: V=D/T_ср1
Q_i=(?n_i)/N-статическая оценка веряотности отказа
Плотность распределения отказов по интервалам:
fi = qi/(ti-ti-1)
Для выполнения задач прогнозирования надежности, а также большего удобства пользования полученными эмпирическими данными о безотказности они аппроксимируются каким-либо из распространенных законов распределения. Причем способ подбора закона распределения по имеющимся эксплуатационным данным един для всех показателей надежности (безотказность, долговечность и ремонтопригодности), т.к. базируется на методах теории вероятностей.
В текущее время существует множество способов подбора закона распределения соответствующего эмпирическим данным. Принимая к сведению то обстоятельство, что эксплуатационные данные как правило имеют ряд характерностей вызывающих незавершенностью выборки ниже рассматривается метод наименьших квадрантов используемый для двухпараметрических распределений. Однопараметрические распределения являются частными случаями двухпараметрических.
В качестве аппроксимирующего закона обычно используются нормальное, логнормальное, равномерное и распределение Вейбулла.
Рисунок 2 - Алгоритм обработки эксплуатационных данных
Результаты расчета по приведенному выше алгоритму определяют параметры аппроксимирующего распределения.
После того как определены параметры распределений необходимо выбрать из них лучшее с точки зрения аппроксимирующих свойств. Формальная проверка выполняется по критериям согласия Колмогорова и ?^2.
Проще всего устанавливать закон распределения путем сравнения средних величин наработок до отказа и коэффициентов вариации, полученных для различных законов с опытными значениями.
Очевидно, что лучший тот у которого наименьшие различия с опытными значениями. При этом согласие считается хорошим если они отличаются менее чем на 10%.
Если по данным расчета или эксплуатации могут быть построены зависимости вероятностей отказов и наступления неудовлетворительного состояния, то разность между ними будет представлять собой относительное количество объектов достигших неудовлетворительного состояния, но не отказавших. Если в качестве критерия оптимальности принять потребность в техническом обслуживании, при условии функционирования планово-предупредительного ТО, точка максимума этой кривой и будет сроком оптимального регламентного ТО (смотри рис.).
Рисунок 3 - Оптимизация по критерию потребности в ТО
Если r =Тср2 /Тср1 >2 Opt DTрег = (Тср2 Ln r) /r
Если r =Тср2 / Тср1 <2 Opt DTрег = (Тср2Ln(r+1)) (r+1) /r
Тср1 -средняя наработка до неудовлетворительного состояния
Тср2 - средняя наработка до отказа.
Поскольку, как отмечалось выше, эмпирические данные вовсе не обязаны ложиться в рамки небольшого числа искусственно сформированных законов, оправданием такой методики могло быть только существенное упрощение производства необходимых вычислений.
Для того, чтобы облегчить эту работу в условиях эксплуатации, разрабатывались специальные таблицы для соответствующих типов распределений для отыскания результата графическим путем, такие как:
Рисунок 4 -mФункциональные шкалы нормального и логнормального законов распределения
В современных условиях при общедоступных компьютерных средствах такую методику нужно считать архаичной.
В дипломе сделана попытка применить для решения задачи систему статистического имитационного моделирования GPSS World, которая может быть установлена на любом ноутбуке, и электронные таблицы Excel.
Так же, как в традиционном варианте по эмпирическим данным строим эмпирические распределения по отказам и сбоям (в качестве исходных данных принята статистика отказов и сбоев подшипников судового дизеля ZV40/48. Данные взяты из “Министерство транспорта российской федерации Росморфлот Государственная морская академия имени адмирала С.О.Макарова.
Методические указания к выполнению практического задания на тему: Подбор теоретического закона распределения наработок до отказа по эксплуатационным данным. Санкт-Петербург 2002г. Методические указания разработаны кандидатом технических наук, доцентом Никитиным А.М. и ассистентом Рубцовым М.С. рассмотрены и рекомендованы к изданию на заседании кафедры Материаловедения и ТЭФ от 28 января 2002г. протокол №6.”
