ПРАКТИЧЕСКИЙ ПОДХОД К АНАЛИЗУ СОСТОЯНИЯ МАШИН ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ

By Ian McKinnon, Update International, Inc.

К машинам возвратно-поступательного действия относятся двигатели внутреннего сгорания, поршневые компрессоры, насосы и др. Грамотная организация контроля за их состоянием может на 15 % сократить расход топлива, на 30 % уменьшить затраты на техническое обслуживание и до 25 % повысить производительность работы посредством повышения надежности. и коэффициента готовности.

Перевод с английского И.Р. Шейняка, под редакцией к.т.н. В.А. Смирнова.

     При анализе работы машин возвратно-поступательного действия (далее по тексту принято сокращение: ДВС- двигатели внутреннего сгорания, но следует иметь в виду, что описание касается всех машин данного типа (поршневых компрессоров, насосов и др.- прим. ред.)) обычной проблемой является понимание природы "шума", наблюдаемого на экране компьютера, а также того, почему поведение данных во времени столь неустойчиво. Однако некоторые компании добились значительного снижения затрат на обслуживание и поддержание работоспособности подобного оборудования. Все дело заключается в подходах к анализу состояния оборудования.

     Прежде чем приступить к любой программе анализа, необходимо проанализировать три ее ключевых элемента, это: аналитик, инструментарий и собственно программа.
     Аналитиком должен быть специалист с хорошей технической подготовкой, способный занять объективную позицию и пользующийся доверием других. Он (или она) должен (должна) иметь желание учиться и обучать. Наконец, хороший аналитик доброжелательно воспринимает критику и готов поделиться своими знаниями с коллегами.

     Анализ состояния ДВС требует, как правило, применения специального, узко целевого инструментария. Однако, и с инструментом, который уже есть в вашем распоряжении, можно кое-что сделать для качественного анализ и правильных выводов.
     Но в любом случае, ключом к успеш-ному выполнению программы анализа является четкая организация работ.

Предыстория вопроса

     Обычно те, кто в своей работе имел дело с анализом ДВС, возлагали очень большие надежды на анализ сигналов в частотной области. Посмотрим, для каких узлов ДВС мы и в самом деле можем воспользоваться анализом спектров. Некоторые из них приведены в табл.1

Таблица 1.

Узлы, состояние которых можно анализировать с помощью спектрального анализа сигналов - дисбаланс коленчатого вала; - неуравновешенность поршней; - неуравновешенность крутильных колебаний; - несоосность; - ослабление соединений; - масляные и водяные насосы; - турбины, вентиляторы, нагнетатели; - зубчатые передачи; - подшипники скольжения; - масляные вихри и срывные явления в масляном клине подшипников скольжения.

     Но как быть со многими другими элементами, такими как поршневые кольца, пальцы и т.д.? При анализе сигналов в частотной области эффекты воздействия этих элементов теряются в шуме, генерируемым ДВС. Попытки выделить их из шума оканчивались неудачей для многих прекрасных специалистов. Часто можно было услышать комментарии такого рода: "Анализ машин возвратно-поступательного действия состоит из одних случайностей. Зачем вообще ломать над этим голову?" или "Что еще можем мы исследовать в этих машинах кроме все тех же вращающихся частей?". В табл.2 указаны некоторые доводы, подтверждающие необходимость заняться другими видами анализа ДВС кроме спектрального.

Таблица 2.

Причины целесообразности использования программ анализа работы машин возвратно-поступательного действия - ежегодные затраты на капитальный ремонт оборудования слишком велики; - даже при хорошей программе технического обслуживания приходится выполнять большой объем ремонтных в случае аварийного выхода узла из строя; - ДВС часто используются в системах аварийного жизнеобеспечения и снабжения, поэтому их надежность очень важна; - обычный ремонт слишком дорог; - преждевременные разрушения существенно уменьшают прибыль от использования; - увеличение персонала для многих компаний становятся критичным при эксплуатации подобных машин.

     Более логичным для ДВС представляется анализ поведения во временной области. В прошлом при обслуживании таких машин работа их узлов (моменты зажигания, открытия клапанов, впрыска топлива и т.д.) привязывалась к углу поворота коленчатого вала. Для таких наблюдений могут быть использованы специальные анализаторы, осциллографы и сборщики данных с внешним запуском. Момент запуска анализа для них определяется каким-нибудь характерным моментом времени в цикле действия машины, жестко связанным с углом поворота коленчатого вала.
     Анализ ДВС может включать анализ мощности двигателя, максимального давления в цилиндрах, характеристик зажигания, пульсации акустических волн, производительности, потребления топлива, частиц износа поршневых пальцев, цилиндров, свечей, колец, отверстий клапанов, впускных клапанов и многих других элементов.
     Для того, чтобы провести анализ во временной области используют оптический или индукционный датчик синхронизации, производящий импульс в момент прохождения коленчатым валом, верхней мертвой точки силового цилиндра двигателя или рабочего цилиндра поршневого компрессора, соответственно.
     Наиболее часто анализ во временной области применяется для контроля моментов зажигания, и других характерных процессов, связанных с работой двигателей (2-х и 4-х тактных), компрессоров, поршневых насосов, а также пульсаций в трубопроводах, жидкостных или газовых.
     Здесь стоит сделать следующее замечание. При анализе cостояния узлов ДВС особенно важно учитывать их нагруженность. Если нагрузка составляет менее 80 % от максимальной, оценку основных параметров работы машины получить нельзя, а диагностический анализ даст слишком много ошибок, что не позволит сделать верные выводы о состоянии машины.
     Если речь идет о двигателе, не следует пытаться повысить его нагрузку, закрывая топливные клапаны или топливные инжекторы. И в том, и в другом случае это приведет к изменению давления жидкости или газа в трубопроводах, связанных с другими клапанами. Как следствие, в цилиндры будет поступать другое количество топлива, и их работа станет несбалансированной.

Средства контроля и полезная информация

     Очень ценной информацией являются данные об изменениях в работе машины в течение некоторого времени (ее "история"). Такую "историю" можно получить в результате наблюдений за состоянием смазки, топлива, воды, газа, изменением температуры и давления. Число оборотов в минуту помогает определить выходную мощность узла, т.е. его нагрузку.

     Почти все средства, используемые для контроля, имеют электромеханический принцип действия. Вероятно, наиболее часто используемым (и ругаемым) прибором является пирометр. Пирометр позволяет осуществлять общее наблюдение за процессом сгорания в цилиндре, но, к сожалению, многие используют пирометр в целях регулировки поступления топлива в цилиндр. Это некорректный способ регулировки и, к тому же, опасный, поскольку вы можете создать переизбыток топлива в тех цилиндрах, где уже существует опасный уровень сгорания.
     Другими общеупотребительными средствами измерений являются датчики пикового давления. Эти устройства представляли собой первую попытку отображать среднее значение давления в цилиндрах двигателя с помощью стрелочного индикатора. Та же величина могла бы быть измерена и в цилиндрах компрессора, однако она очень мала, поскольку на всасывании и выходе давление не изменяется столь резко, как в цилиндрах двигателя.
     Несомненную ценность как средство наблюдения за поршневыми двигателями и компрессорами представляет анализ масла. Периодичность и тип анализа определяются видом двигателя и продолжительностью его работы. Например, четырехтактный двигатель требует более частого контроля вследствие повышенного содержания в масле угольных частиц. Для наблюдения за содержанием частиц износа деталей двигателя используется спектрографический анализ или феррография. Если анализу масла и в самом деле отводится значительное место в программе технического обслуживания, большое внимание следует уделять также таким факторам как место взятия пробы, чистота маслосборника и частота замены масла.
     Другим источником информации являются измерения расхода топлива. Однако такой анализ может сообщить вам лишь о том, какие узлы имеют повышенный расход топлива, но не скажет, каким образом и почему это происходит.
     Исторически анализ работы ДВС проводится с помощью осциллографа, запуск луча которого синхронизирован с каким-либо моментом в цикле их действия. Осциллограф может помочь при определении технического состояния машины, но не дает информации об эксплуатационных характеристиках и изменениях в состоянии ее элементов. Более точную и подробную информацию можно получить с помощью специальных анализаторов; однако они достаточно дороги и их применение неоправдано, если компания имеет всего несколько ДВС, состояние которых нужно контролировать. Но многие из этих компаний имеют приспособления для анализа вращательного движения. Их можно использовать, если при условии синхронизированного запуска с циклом действия машины с помощью специальных устройств, предназначенных для этих целей и имеющихся в распоряжении.. Когда такие устройства используются при анализе во временной области или для проведения порядкового анализа, все характерные моменты в каждом цикле действия машины могут быть воспроизведены на экране (градуировка, горизонтальной оси в миллисекундах или значениях фазового угла).
     Еще одним полезным инструментом является анализатор выхлопных газов и ультразвуковой течеискатель. Последний дает нам возможность с помощью простого фильтра отделить высокочастотные процессы, связанные с циклом действия машины, от высокочастотного механического шума и шума газовых потоков.

Анализ рабочих характеристик

     С чего же нужно начать? Прежде всего, необходимо иметь некоторые минимальные сведения, на основании которых можно сделать определенные выводы.
     Нам необходимо знать, какие процессы связаны с циклом действия машины и их привязку к углу поворота коленчатого вала для каждой из исследуемых машин: двигателя (2-х или 4-х тактного), компрессора (одно- или двухстороннего действия) или насоса (поршневого типа). Нам необходимо знать "историю" машины - сведения о том, какие характеристики были у машины в прошлом просто неоценимы. Для анализа двигателей и оборудования с зажиганием от искры важно иметь сведения об электрической части машины, включая тип системы зажигания. Другая важная информация касается того, как узлы машины проявляли себя до начала внедрения программы анализа.
     Для проведения любого анализа необходимо иметь информацию об объекте исследования. Для ДВС- это данные об объеме цилиндра, ходе поршня, длине шатуна, радиусе кривошипа, числе оборотов в единицу времени, рабочем цикле двигателя (моментах начала всех процессов, связанных с работой 2-х- или 4-х тактного двигателя, углах поворота коленчатого вала относительно некоторой начальной точки) и порядке работы цилиндров. Для поршневых компрессоров в эти данные входят диаметр цилиндра, ход поршня, давление на всасывании и давление на выходе, величина зазоров и нагрузка на толкатель. На рис. 1 показана типичная информация, предоставляемая изготовителями двигателей.

Рис. 1. Типичная информация, предоставляемая изготовителем.

Анализ состояния ДВС

     Процедуры анализа должны быть построены так, чтобы в процессе проведения анализа можно было определять имеющиеся в машине проблемы в их логической последовательности.
     ДВС обычно бывают 2-х типов: с самовоспламенением (дизельные) и с зажиганием от искры (карбюраторные). Очевидно для дизельных двигателей, где воспламенение от искры не используется, в анализе работы системы зажигания нет необходимости. Тем не менее следует иметь в виду, что, хотя в дизельном двигателе и не используется зажигание, управление процессом воспламенения осуществляется выбором угла впрыска топлива, поэтому для дизельного двигателя имеют место все те же проблемы, связанные со сгоранием топлива в цилиндрах.

     Анализ системы зажигания предполагает рассмотрение первичной и вторичной цепей. Как правило, используются системы двух типов. Первая - индуктивная, использующая магнето. Обычно напряжение во вторичной цепи перед разрядом достигает 30 кВ и выше, а время разряда составляет 1200-7500 мкс. В системе второго типа используется разряд конденсатора. Каждый раз в процессе зажигания происходит разряд накопившейся электрической энергии; напряжение во вторичной цепи составляет обычно 40 кВ. Накопление заряда и разряд в такой системе происходят быстрее - обычно в пределах 200-750 мкс.

     В процессе анализа проверяют генератор тока, выводы первичной и вторичной цепей, катушку трансформатора и свечи зажигания.
     Важно понимать, что для обоих типов двигателей, карбюраторных и дизельных, анализ системы зажигания должен проводиться в первую очередь для того, чтобы определить, правильно ли происходит процесс сгорания топлива в двигателе. Этот вопрос должен быть решен, чтобы определить, следует ли проводить анализ рабочих характеристик машины или контроль технического состояния. Нет большого смысла проводить исследования двигателя, у которого сначала должны быть скорректированы временные интервалы его рабочего цикла. Если мы проведем анализ двигателя, у которого неправильно установлен угол опережения зажигания, мы не сможем воспользоваться полученными данными и впустую потратим время. Это является напоминанием того, как важно убедиться в том, что угол опережения зажигания (а для дизельного двигателя - угол впрыска топлива) установлен правильно, прежде чем оценивать рабочие характеристики и состояние машины.
     В процессе проведения анализа системы зажигания могут быть проверены следующие элементы: моменты прерывания, пиковый ионизационный потенциал, состояние свечей, напряжение искрения, высокоомное сопротивление, нагрузка на цилиндр, пропуски зажигания, опережение или запаздывание зажигания, отсутствие искры, двойная искра, работа тиристоров в электронной цепи. (выделение ред.). Конечно, мы могли уделить массу времени описанию одних только характеристик системы зажигания, однако это не входит в задачи данной статьи.
     Следующим этапом анализа, который необходимо выполнить, является так называемый общий осмотр. Сюда входит физический и визуальный анализ работы двигателя (компрессора). Обычно я провожу контроль следующих элементов: топливных клапанов, состояния смазки в верхней части цилиндра, процесса сгорания топлива с помощью пирометра, состояния сальников цилиндра, распределения моментов зажигания, показаний развиваемой мощности, равномерности работы цилиндров, расчетной нагрузки, вентилятора, наддува и др., Все эти параметры заносятся в бланк общего осмотра двигателя.

Оценка рабочих характеристик

     Оценка рабочих характеристик требует специального оборудования для расчетов развиваемой мощности, средних эффективных давлений, сравнения углов опережения зажигания, сравнения пиковых значений давления и углов появления пикового давления. Оно позволяет также получить показания развиваемой мощности для сравнения их с расчетными значениями.
     Для определения состояния элементов машины необходимы некоторые аналитические инструменты. Один из них у вас, вероятно, уже есть - это акселерометр, используемый для измерения вибрации узлов машины. Другим полезным инструментом является ультразвуковой течеискатель, который позволяет разделить высокочастотные составляющие, обусловленные движением газов, и низкочастотный шум механической природы. Индуктивный датчик позволяет измерять как высокие, так и низкие напряжения в системе зажигания. И, наконец, нужен датчик давления с парой диапазонов. Обычно это или тензодатчик, или датчик пьезоэлектрического типа.
     Датчик вибрации вместе с ультразвуковым течеискателем позволяют обнаружить трение в системе, механические удары и утечки газа (рис 2 и 3).

Рис. 2. Вибрация, сопровождающая стук в двигателе

Рис. 3. Вибрация, сопровождающая утечки в двигателе.

     Угловое положение коленчатого вала, отмечаемое на экране курсором благодаря использованию индуктивного датчика, позволяет определить, соответствует ли течение процессов рабочему циклу машины. И, наконец, датчик давления позволяет измерить давление для любого углового положения коленчатого вала и определить, соответствуют ли процессы, происходящие в цилиндре тому, что мы ожидали.
     В настоящей статье мы будем рассматривать только 2-х тактные двигатели и компрессоры. Для 4-х тактных двигателей все будет аналогично, за исключением того, что рабочая диаграмма содержит не 360° а 720°. Конечно, не у всех двигателей имеется прямой канал для измерения давления. Однако можно подсоединить специальный преобразователь к свече зажигания с помощью устройства, называемого киниклапаном. Оно используется в больших двигателях, имеющих отверстие, высверленное прямо в канале давления.
     Первое представление об изменении давления за рабочий цикл машины дает диаграмма давление-время (рис. 4). На осциллографе с помощью окна, синхронизированного с рабочим циклом, можно получить диаграмму давление-время, на которой, как правило, левому краю соответствует угол 0° цикла или верхняя мертвая точка, а правому краю - 360°, т.е. снова верхняя мертвая точка.

     Как можно использовать эту диаграмму? Например, в каком месте на диаграмме можно наблюдать перекатку шатуна в поршне? Очевидно, ее не может быть в точке максимального сжатия газа или максимального давления в цилиндре, поскольку в этот момент сильное давление удерживает палец поршня, не давая ему изменить свое положение.
     В точке же, соответствующей 180° для 2-х тактного двигателя или компрессора значение давления становится минимальным. В районе 180° и наблюдается незначительный толчок. Таким образом , для того, чтобы понять природу этого толчка, необходимо вернутся назад к описанию процессов, которые происходят в цилиндре, и моментам их наступления.

     Как в двигателе, так и в компрессоре отметка верхней мертвой точки соответствует максимальному сжатию в цилиндре. Однако нежелательно, чтобы этой точке соответствовало максимальное давление, поскольку оно будет создавать направленную вниз силу в тот момент, когда кривошип находится в вертикальном положении, что затруднит передачу движения от поршня к коленчатому валу. Следовательно, точке максимального давления должно соответствовать свое угловое положение на диаграмме рабочего цикла (выбранное инженером-конструктором двигателя), после прохождения верхней мертвой точки.
     С помощью датчиков вибрации и датчиков рабочих характеристик можно измерять угол и величину максимального давления, вибрацию при максимальном давлении, наблюдать работу поршневых колец, самого поршня, открытие и закрытие впускных и выпускных клапанов, моменты зажигания и сжатия, поток газов через клапаны, состояние цилиндров и многое другое, что здесь просто невозможно перечислить. Анализ диаграмм для циклов сгорания, циклов вибрации, циклов работы системы зажигания, полученных на работающей машине, позволяет оценить ее техническое состояние, не останавливая работу и не снимая двигатель для проведения визуального осмотра. В свою очередь, это позволяет нам сократить время на техническое обслуживание, сохранить деньги, убедиться в надежности работы машины и повысить ее производительность.

Рис. 4. График зависимости давления от времени в 2-тактном двигателе

Поршневые компрессоры

     Описанные выше вибрационные и ультразвуковые устройства могут помочь в проведении исследований процессов, происходящих в компрессоре, физическая природа которых связана с повышенным трением, резкими механическими ударами и утечками газов.
     Компрессор не требует анализа системы зажигания просто потому, что не имеет такой системы; большинство же видов анализа аналогично тем, что имели место для двигателя.

     Цикл работы компрессора состоит из следующих этапов: всасывания, сжатия, выпуска, расширения и снова всасывания. Расширение представляет собой процесс изменения давления в цилиндре в процессе движения поршня от верхней мертвой точки (крайнее положение поршня в момент выпуска) к своему противоположному положению. В процессе движения поршня давление в цилиндре возвращается к значению давления на всасывании или более низкому.
     Важной информацией, характеризующей цикл давления в компрессоре, является давление на всасывании и его колебания. Его измеряют, если это возможно, в полости всасывания или в районе всасывающего клапана.
     Давление на выходе измеряют в выпускной полости или в районе выпускного клапана. Эти значения должны быть известны, чтобы можно было определить точки пересечения давления в цилиндре с давлениями на всасывании и выпуске, а также пульсации давления на всасывании и выпуске. Кроме того, это позволяет выявить конструктивные проблемы или ошибки в управлении работой компрессора, потери мощности в клапанах.
     Типичная диаграмма изменения давления в цилиндре дана на рис. 6. Она соответствует работе цилиндра одностороннего действия, измеренной со стороны головки цилиндра. По значениям давления на всасывании и выпуске можно сделать заключение о работе цилиндра.

     Точка A соответствует верхней (или внешней) мертвой точке или концу хода поршня при выпуске. Точка B дает нам возможность увидеть, в какой момент рабочего цикла происходит открытие всасывающего клапана. Отметим, что эта точка должна лежать ниже линии давления всасывания, т.к. в цилиндре должно быть отрицательное давление для того, чтобы поток воздуха в процессе рабочего цикла мог врываться в цилиндр.. Но кривая давления не должна проходить значительно ниже линии давления на всасывании, поскольку в противном случае это приведет к потерям мощности.
     Попытаться удержать кривую вблизи линии давления и в то же время ниже этой линии - трудная задача для конструктора. На производительность компрессора влияют несколько причин, в их числе трещины или разрушения в тарелках клапанов и кольцах, пульсации давления на всасывании и выпуске, ограничения давления на всасывании, попадание твердых частиц во всасывающие клапаны и неправильная работа клапанов регулятора давления.
     Кроме того, иногда проблемы могут быть вызваны, скажем, неправильной настройкой натяжения пружин, поскольку многие пользователи не обращают внимания на рекомендации производителя по их использованию в рабочем цикле цилиндра.

     Положение C, соответствующее углу 180° после верхней мертвой точки, оно приблизительно совпадает с точкой, где шатун находится в крайнем противоположном положении. В цилиндре одностороннего действия эта точка соответствует моменту перекладки шатуна в поршне. Кроме того, в этой точке должны пересечься кривая давления в цилиндре с прямой линией давления на всасывании. При выравнивании этих двух давлений клапан должен закрыться.

     Продолжая следить за кривой изменения давления в цилиндре мы отметим ее быстрый рост до давления на выходе. Кульминация процесса сжатия наступает в точке D, соответствующей моменту открытия выпускного клапана. Обратим внимание на то, что пик давления лежит выше линии давления на выходе. Если этого не будет, давление в цилиндре не позволит выбросить газы наружу.
     Однако, для выпуска характерны те же особенности, что и для всасывания. Продолжительность или длина этой линии в единицах угла поворота коленчатого вала определяет, сколько сжатого газа будет выпущено в систему.

     Последняя точка (положение E) появляется в конце цикла у верхней мертвой точки. В этой точке выравнивается давление внутри цилиндра, а поршень достигает своего крайнего положения, называемого обычно верхней мертвой точкой. В этой точке должно произойти пересечение кривой давления в цилиндре с линией давления на выходе. Если этого не происходит, это свидетельствует о наличии каких-то проблем, аналогичных тем, что рассматривались на стадии всасывания.
     Итак, работа цилиндра состоит из 4-х тактов: всасывания, сжатия, выпуска и расширения.
     График зависимости давления от времени позволяет исследовать пульсации, работу цилиндра и определять повреждение элементов машины или недостатки конструкции.
     Рис.7. иллюстрирует работу компрессора двустороннего действия в виде зависимости давления со стороны коленчатого вала от времени. На диаграмме присутствуют все те же событии, что и при наблюдении со стороны головки цилиндра, за исключением того, что фаза всех событий изменилась на 180°.

Рис. 5. Вибрация 2-тактного двигателя

Рис. 6. Давление в цилиндре компрессора (со стороны головки цилиндра).

Рис. 7. Давление в цилиндре компрессора (со стороны коленчатого вала).

Со стороны головки цилиндра - прописные буквы
Со стороны коленчатого вала - курсив.

Обозначения

А,а - Выпуск закончен B,b - Всасывание открывается C,c - Всасывание закончено D,d - Выпуск открывается E,e - Выпуск заканчивается

А,а - B,b - Такт расширения B,b - C,c - Такт всасывания C,c - D,d - Такт сжатия D,d - E,e - Такт выпуска 1 - Выравнивание давления в цилиндре

Рис. 8. Зависимости изменения давления (со стороны головки цилиндра и со стороны коленчатого вала) со временем на одном графике .

     На рис. 8 показан совмещенный график сигнала вибрации, а также давлений в цилиндре, наблюдаемых как со стороны головки цилиндра, так и со стороны коленчатого вала. Такую диаграмму можно наблюдать на специальном анализаторе, обычный же инструментарий позволяет получить график, соответствующий наблюдениям только с какого-либо одного конца цилиндра.

     График вибрации (ультразвука) иногда вызывает удивление тем, что картина вибрации на одном конце цилиндра повторяет ту же картину на противоположном. Это называют эхом или диафонией. Важно знать, какому углу соответствует каждое из событий в цилиндре. Это позволит определить, свидетельствует ли график вибрации о наличии каких-либо проблем, или он соответствует нормальной работе компрессора. Кроме того, по высоте графика можно судить о степени повреждений, а иногда и об отсутствии каких-либо событий в процессе рабочего цикла.

     Важно контролировать значения давления при положении шатуна в 2-х крайних противоположных положениях. Обычно эти положения связывают с углом поворота коленчатого вала при углах 180 0 и 360 0 , но реально положение шатуна в этих точках совпадает с пересечениями линий давления. В такой точке возможны изменения положения шатуна относительно поршневого пальца. Если перекладки шатуна не происходит, смазка постоянно находится с одной стороны пальца. Обычно, именно в крайних положениях или чуть позже их прохождения наблюдается металлический стук шатуна о палец поршня.

     Возможность видеть одновременно оба графика изменения давления в зависимости от углового положения коленчатого вала позволяет определить мгновенную нагрузку на шатун. Исторически сложилась практика определения нагрузки на шатун через объем цилиндра и разность давлений на выходе и всасывании. Хотя это и позволяет точно вычислить нагрузку давления в крайних положениях шатуна, мы ничего не можем сказать о мгновенном давлении, которое воздействует на шатун в цилиндре.

     Что могло бы произойти? Очевидно, в процессе такта выпуска давление в цилиндре должно превышать давление на выпуске. И, наоборот, оно должно быть ниже давления на всасывании в такте всасывания. В цилиндрах двойного действия эти два максимальных или минимальных давления имеют место через 180°. Это позволяет определить истинные отклонения максимального давления в цилиндре.

     Очень часто преждевременный выход шатуна из строя связан с его нагрузками. Если мы не имеем возможности наблюдать процессы, происходящие в цилиндре, мы не сможем определить истинное давление, воздействующее на шатун. Часто проблему можно решить изменением конструкции клапанов, удалив твердые отложения, а чаще всего, изменив натяжение пружин.

     Для вычисления мощности компрессоров и ДВС используют P-V диаграмму. Пример такой диаграммы приведен на рис. 9; направления обхода кривой совпадают с направлениями движения поршня. Область внутри кривой определяет производительность цилиндра, которая обычно называется волюметрической производительностью, она рассчитывается сопоставлением объемов при такте всасывания, такте выпуска с общим объемом перемещаемым поршнем.

     Исторически принято вычислять эту производительность как процентное отношение объема такта всасывания к общему объему перемещаемому поршнем. Теоретически этот способ корректен, но он может давать большую погрешность. Эта погрешность может быть следствием всего того, что приводит к преждевременному пересечению кривой в стадии расширения линии общего объема, например, поломанная или треснутая тарелка всасывающего клапана, сломанные пружины, неправильная посадка клапанов и т.д.

     Проблема состоит в том, что утечка газов обусловливает повышенный процент волюметрической производительности. При подстановке данных в формулу она дает значение производительности большее, чем на самом деле обеспечивается компрессором. Для более точных расчетов следует также вычислять волюметрическую производительность по объему такта выпуска.

     Многие исследователи используют сравнение отношений объемов для того, чтобы убедиться, что весь газ, поступивший в цилиндр, был также и выпущен. Максимальное расхождение соотношений, допускаемое большинством исследователей, составляет +/-5 %.

     Вероятность утечек на всасывании и на выпуске, весьма велика- такое случается постоянно,- но вероятность того, что эти утечки одинаковы, сравнима с вероятностью выигрыша в лотерею.

     Сравнение кривых с целью обнаружения отклонений от нормального рабочего состояния - очень хороший способ контроля машины. Однако, важно напомнить, что даже когда диаграммы покажут огромные потери производительности, сам цилиндр может не испытывать никакого нагрева. На практике многие операторы, ожидая, что повышенная температура укажет на возможное появление повреждений, столкнулись в результате с уже существующими катастрофическими повреждениями в цилиндре или компрессоре.

     Помимо расчетов мощности и производительности, P-V диаграмма дает также и другие диагностические возможности, позволяющие определять, например, повышенную жесткость пружин клапанов, ограничение потока газа и утечки в каналах, дребезжание клапанов, пульсации потока, увеличенный зазор между стенками цилиндра и кольцами поршня, а также эффективность использования энергии в системе.

     Какова же отдача от затрат, связанных с организацией анализа работы машин возвратно-поступательного действия? Действительно ли это стоящее дело?

     Газоперекачивающая компания в западной Канаде в своем отчете указывала об экономии в 1986 г. в размере 120 тыс.долларов только за счет уменьшения потерь топлива. Уменьшение потребности в покупке этого топлива явилось более чем достаточным основанием для внедрения программ анализа оборудования.

     Регулировкой количества потребляемого двигателем топлива, его экономию легко можно довести до 20 %. Применением программ вибрационного анализа ряд пользователей добивается более чем 98%-й готовности парка машин.

     За счет более равномерного распределения нагрузки, не допускающего флуктуации давления от цилиндра к цилиндру, можно добиться общего повышения нагрузки, значительно увеличив тем самым производительность.

     Одной компании удалось добиться уменьшения потребности в запчастях более чем на 35 %. Та же компания, увеличив число используемого оборудования, сумела остаться в рамках того же бюджета на его техническое обслуживание, не увеличивая его (даже несмотря на инфляцию) в течение пяти лет. Аналогично, нефтяная компания смогла понизить давление в трубопроводах и увеличить объем продаж более чем на 30000 долларов в день без повышения скорости работы машин или числа цилиндров или изменений скорости потока.

     Одна из компаний располагала пятью воздушными компрессорами, у которых нагруженное и ненагруженное состояние чередовались каждую минуту. Применив ультразвуковой течеискатель, они смогли уменьшить число утечек до такого уровня, что в рамках одного цикла нагруженное состояние длилось минуту, а ненагруженное - три. Преимущество этого состояло в увеличении времени на охлаждение клапанов, что позволило продлить срок их службы с 3-х до 13-ти месяцев. Та же компания добилась снижения примерно на 50% затрат человеко-часов на ремонт компрессоров, поскольку результаты анализа показывали, какие именно работы необходимо произвести. Общее же повышение выпуска продукции указанной компании составило более 2-х миллионов долларов в год!

Рис. 9. Типичная P-V диаграмма.

 

	В начало статьи