Ocena niezawodności silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego nieprzetworzonym olejem rzepakowym metodą FTA 6

Transkrypt

1 Marek Klimkiewicz 1, Katarzyna Botwińska 2, Remigiusz Mruk 3, Jacek Słoma 4, Karol Tucki 5 Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Ocena niezawodności silnika o zapłonie samoczynnym zasilanego nieprzetworzonym olejem rzepakowym metodą FTA 6 Wstęp Na sprawność łańcucha logistycznego istotny wpływ ma nieuszkadzalność obiektów. Zapewnienienie tej cechy w urządzeniach technicznych generuje działania związane z analizą zagrożeń powstawania awarii i określeniem ich przyczyn. W ten sposób można uniknąć przestojów i zapewnić sprawny i efektywny ekonomicznie przepływ w łańcuchu logistycznym. Techniki analizy uszkadzalności są używane do sprawdzania i prognozowania wskaźników systemu, to znaczy wskaźników: nieuszkadzalności, gotowości, obsługiwalności i bezpieczeństwa. Spośród opracowanych metod analizy niezawodności systemów żadna z nich nie okazała się wystarczająco elastyczna i wszechstronna, aby zapewnić analizę przy uwzględnieniu wszystkich możliwych złożoności systemów i dlatego w zależności od potrzeb dobiera się najbardziej przydatną metodę [11]. Przegląd literatury Metoda drzewa niezdatności FTA ( ang. Fault Tree Analysis) jest dedukcyjną metodą badania nieuszkadzalności (od ogółu do szczegółu) mającą na celu wskazanie przyczyny lub kombinacji przyczyn, mogących prowadzić do określonego, niepożądanego zdarzenia nazywanego zdarzeniem szczytowym [10]. Drzewo niezdatności umożliwia też śledzenie różnych wariantów przebiegu wypadku [9]. Badanie ogólne za pomocą FTA obejmuje przegląd struktury drzewa niezdatności, określenie zdarzeń o wspólnej przyczynie oraz wyszukanie niezależnych gałęzi drzewa niezdatności. Drzewo niezdatności dostarcza wartościowych informacji o możliwych kombinacjach zdarzeń, których wynikiem może być zdarzenie szczytowe. [13]. W drzewie rozważa się bramki logiczne, najczęściej typu koniunkcja (I) i alternatywa (lub). Wystąpienie w drzewie niezdatności bramki logicznej I oznacza, że zdarzenie powyżej bramki może wystąpić wtedy, jeżeli pojawią się wszystkie zdarzenia poniżej jej. Natomiast wszystkie zdarzenia, które są połączone ze zdarzeniem szczytowym ciągłym łańcuchem bramek lub są zdarzeniami powodującymi zajście zdarzenia szczytowego. Oprócz podstawowych przyczyn zdarzenia szczytowego rozróżnia się bezpośrednie przyczyny na najwyższym szczeblu ogólności i niższych szczeblach ogólności, które są zdarzeniami subszczytowymi [10]. Analiza ilościowa za pomocą drzewa niezdatności polega na określeniu prawdopodobieństwa zdarzenia szczytowego lub odpowiedniego zbioru zdarzeń. Dla zbioru zdarzeń połączonych bramką alternatywy prawdopodobieństwo niezdatności oblicza się ze wzoru ze wzoru: 1 dr hab. inż. M. Klimkiewicz, prof. SGGW, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Organizacji i Inżyierii Produkcji 2 mgr inż. Katarzyna Botwińska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Organizacji i Inżyierii Produkcji 3 dr inż. R. Mruk, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Organizacji i Inżyierii Produkcji 4 dr inż. J. Słoma, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Organizacji i Inżyierii Produkcji 5 dr inż. K. Tucki, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Inżynierii Produkcji, Katedra Organizacji i Inżyierii Produkcji 6 Artykuł recenzowany Logistyka 5/

2 gdzie: Logistyka - nauka n p s = 1 (1 p i ), (1) i=1 ps prawdopodobieństwo zbioru zdarzeń, n- liczba zdarzeń, pi prawdopodobieństwo i tego zdarzenia. W przypadku zbioru zdarzeń połączonych bramką koniunkcji prawdopodobieństwo niezdatności oblicza się ze wzoru: n p s = p i i=1 Metoda drzewa niezdatności może być stosowana łącznie z innymi metodami na przykład Papadopoulos [8] zastosował ją wraz z diagramami statechart (graficzną notacją specyfikowania złożonych systemów), Krupa i Guzowski [6] Silniki o zapłonie samoczynnym są urządzeniami precyzyjnymi, składającymi się z wielu elementów. Elementy te tworzą układy, z których większość charakteryzuje się szeregową strukturą niezawodnościową. Silniki są tak skonstruowane, że najefektywniej pracują na paliwie na jakie zostały zaprojektowane. Zmiana właściwości paliwa może spowodować znaczne problemy. Przykładem może być był początkowy okres gdy wprowadzano ekologiczne oleje napędowe o bardzo małej zawartości siarki. Stosując te paliwa znacznie zmniejszyła się szkodliwość spalin, natomiast na tym paliwie zacierały się pompy wtryskowe. Dopiero dodawanie do paliwa przez producentów środków smarnościowych rozwiązało sytuację [4]. Olej rzepakowy różni się właściwościami fizykochemicznymi od oleju napędowego. Najważniejsze różnice dotyczą lepkości, temperatury blokowania zimnego filtra oraz temperatury zapłonu i krzywej destylacji [2], [7], [14]. Wymagania jakim powinien odpowiadać olej rzepakowy na paliwo można znaleźć w normie DIN V51605 [12]. Pomimo stosowania oleju rzepakowego o standardowych właściwościach do zasilania silników można oczekiwać większej ich awaryjności niż w przypadku oleju napędowego. Wiąże się to z innym mechanizmem spalania oleju rzepakowego [3], [15] i włączeniem do szeregowej struktury systemu silnika dodatkowych elementów związanych z adaptacją silnika do pracy na oleju rzepakowym [5]. Zastosowane metody badawcze Analizę uszkadzalności silnika zasilanego nieprzetworzonym olejem rzepakowym przeprowadzono na przykładzie silnika YITUO z instalacją dwupaliwową zamontowanym w ciągniku ZEFIR 85 wyprodukowanym w firmie PONAR sp. z o.o. w Narwi. Prawdopodobieństwa zdarzeń podstawowych, ze względu na ograniczoną liczbę obiektów, na której można było przeprowadzić badania niezawodności, zostały oszacowane na podstawie wykorzystania doświadczeń ekspertów z zakładu produkującego ciągniki, współpracujących serwisów aparatury paliwowej oraz doświadczeń autorów. Najpierw określono, które elementy należą do rozpatrywanego systemu. Analizowany system przedstawiono na rysunku 1. Aby wyznaczyć uszkodzenia związane z zastosowaniem nieprzetworzonego oleju rzepakowego do zasilania silnika zbudowano drzewo uszkodzeń. Określono też bramki jakimi zdarzenia są połączone. Analiza polega na dekompozycji zdarzenia szczytowego na elementy łańcucha przyczynowo-skutkowego. (2) 192 Logistyka 5/2015

3 Podgrzewacz elektryczny (tylko przy niskich temperaturach) Podgrzewacz cieczowy Zbiornik oleju rzepakowego Filtr w zbiorniku Separator wody Zewnętrzny filtr paliwa Przewody gumowe Pompa elektryczna (wariant) Zawór trójdrożny Pompa wtryskowa Wtryskiwacze Komora spalania Elektrozawory Uszczelnienia z elastomeru Tłok z pierścieniami Zbiornik oleju napędowego Filtr w zbiorniku Filtr dokładnego oczyszczania Przełącznik Zawory tłoczące Olej silnikowy Pary tłoczące Aparatura paliwowa Zaworki pompy podającej Silnik Rys.1. System Jednostka napędowa zdekomponowany ze względu na uszkodzenia związane z zasilaniem silnika olejem rzepakowym Wyróżniono dwa zdarzenia subszczytowe: aparatury paliwowej i elementów silnika. Te dwa zdarzenia subszczytowe połączone są bramką logiczną lub. Wystarczy zajście jednego z tych zdarzeń aby zaszło zdarzenie szczytowe. Zdarzenie subszczytowe aparatury paliwowej może zajść gdy wystąpi jedno z dziewięciu zdarzeń wpływających na nie bezpośrednio: 1. Zablokowanie zewnętrznego filtra paliwa ; 2. Zablokowanie filtra w zbiorniku paliwa ; 3. elektronicznego układu przełączania na rodzaj paliwa ; 4. elektrycznej pompy podającej olej rzepakowy ; 5. pompy wtryskowej ; 6. elektrycznego podgrzewacza paliwa ; 7. przewodów doprowadzających paliwo ; 8. elektrozaworów 9. wtryskiwacza. Zdarzenia te są również połączone bramką lub. Siedem z wymienionych zdarzeń dalej nie rozbudowywano, gdyż ze względu na cel badań uznano je za podstawowe. Dwa natomiast zdarzenia: wtryskiwacza, i pompy wtryskowej uznano za zdarzenia subszczytowe i dalej zostały rozwinięte. Są to zdarzenia kluczowe, związane z niezawodnością aparatury paliwowej. Zdarzenie: wtryskiwacza może zajść gdy pojawi się zdarzenie Zakleszczenie igły wtryskiwacza lub Zapieczenie otworków rozpylacza. Są to zdarzenia podstawowe. Uszkodzenia te wynikają z niewłaściwego procesu rzepakowego. Prace badawczo rozwojowe nad zastosowaniem oleju rzepakowego do zasilania silników o zapłonie samoczynnym tym dwóm zdarzeniom przypisują ogromną wagę, starając się je wyeliminować. pompy wtryskowej może być spowodowane jednym z czerech zdarzeń połączonych bramką logiczną lub : 1. Zakleszczenie pary tłoczącej ; 2. Zakleszczenie zaworu tłoczącego ; Logistyka 5/

4 3. Zakleszczenie zaworka pompy podającej paliwo ; 4. elementów uszczelniających wykonanych z elastomeru. Zdarzenie subszczytowe elementów silnika może zajść na skutek jednego z trzech zdarzeń podstawowych: 1. gumowych przewodów doprowadzających ciecz ogrzewającą olej rzepakowy ; 2. Wytworzenie zbyt grubej warstwy nagaru na ściankach komory spalania ; 3. Zakleszczenie pierścieni tłoka spowodowane nagarem. Wszystkie zdarzenia, które są połączone ze zdarzeniem szczytowym ciągłym łańcuchem bramek lub są zdarzeniami powodującymi zajście zdarzenia szczytowego. Wyniki badań Podstawowym założeniem przyjmowanym podczas obliczania prawdopodobieństwa zajść podstawowych zdarzeń, jest założenie, że zdarzenia występujące w drzewie są niezależne. Zdarzenia w całym drzewie są łączone za pomocą działania logicznego alternatywy lub, więc w obliczeniach korzystano ze wzoru na prawdopodobieństwo niezdatności zbioru zdarzeń połączonych bramką lub. Najpierw obliczono prawdopodobieństwa niezdatności w poszczególnych gałęziach (licząc od dołu do góry). Na koniec uwzględniając prawdopodobieństwa zdarzeń subszczytowych obliczono prawdopodobieństwo niezdatności zdarzenia szczytowego. Przykładową procedurę obliczeń wartości prawdopodobieństwa zdarzenia przedstawiono na rysunku 2 ( wtryskiwacza ). wtryskiwacza p9 = Zakleszczenie igły rozpylacza p1 = 0,001 Zapieczenie otworków rozpylacza p2 = 0,002 Rys.2. Obliczenie prawdopodobieństwa uszkodzenia wtryskiwacza p 9 = 1 (1 p 1 ) (1 p 2 ) = 1 (1 0,001)(1 0,002) = 0, (3) Na rysunku 3. przedstawiono kompletne drzewo uszkodzeń z wartościami obliczonych prawdopodobieństw niezdatności. Dzięki przeprowadzonej analizie FTA wyodrębniono zdarzenia podstawowe związane z zasilaniem silnika olejem rzepakowym, które mogą spowodować uszkodzenie jednostki napędowej. Analiza ilościowa dokonana za pomocą oszacowania prawdopodobieństwa zdarzeń podstawowych oraz obliczenia zdarzeń, na które mają one wpływ może dopomóc w wykryciu słabych ogniw i ich eliminacji. Zdarzenia subszczytowe: aparatury paliwowej i elementów silnika, których prawdopodobieństwa wynoszą odpowiednio w przybliżeniu 0,006 i 0,0035 mają bezpośredni wpływ na zdarzenie szczytowe jednostki napędowej, którego prawdopodobieństwo wynosi około 0,0092. Na prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia szczytowego bardzo duży wpływ ma zdarzenie wtryskiwacza. Wtryskiwacz w tym systemie stanowi słabe ogniwo silnika ciągnika rolniczego. 194 Logistyka 5/2015

5 jednostki napędowej p21 = 0, aparatury paliwowej p19 = 0, elementów silnika p20 = 0, gumowych przewodów doprowadzających ciecz ogrzewającą olej rzepakowy p16 = 0,002 Wytworzenie zbyt grubej warstwy nagaru na ściankach komory spalania p17 = 0,001 Zakleszczenie pierścieni tłoka spowodowane nagarem p18 = 0,0005 Zablokowanie zewnętrznego filtra paliwa p1 = 0,001 Zablokowanie filtra w zbiorniku paliwa p8 = 0,0005 wtryskiwacza p9 = 0, elektronicznego układu przelączania na rodzaj paliwa p10 = 0,0002 elektrycznej pompy podającej olej rzepakowy p11 = 0,0001 pompy wtryskowej p12 = 0,00062 elektrycznego podgrzewacza paliwa p13 = 0,0001 przewodów doprowadzających paliwo p14 = 0,0001 elektrozaworów p15 = 0,0002 alternatywa Zakleszczenie igły rozpylacza p1 = 0,001 Zapieczenie otworków rozpylacza p2 = 0,002 Zakleszczenie pary tłoczącej p3 = 0,0001 Zakleszczenie zaworu tloczącego p4 = 0,00001 Zakleszczenie zaworka pompy podającej paliwo p5 = 0,0005 elemntów uszczelniających wykonanych z elastomeru p6 = 0,0001 Rys.3. Drzewo niezdatności z obliczonymi prawdopodobieństwami zdarzeń uszkodzeń elementów silnika zasilanego olejem rzepakowym i prawdopodobieństwem zdarzenia szczytowego Podsumowanie Dzięki analizie FTA wyodrębniono zdarzenia podstawowe związane z zasilaniem silnika olejem rzepakowym, które mogą spowodować uszkodzenie jednostki napędowej. Analiza ilościowa może dopomóc w wykryciu słabych ogniw i ich eliminacji. Zdarzenia subszczytowe aparatury paliwowej i elementów silnika mają bezpośredni wpływ na zdarzenie szczytowe jednostki napędowej, którego prawdopodobieństwo oszacowano na około 0,009. Na prawdopodobieństwo zajścia zdarzenia szczytowego bardzo duży wpływ ma zdarzenie wtryskiwacza. Wtryskiwacz w tym systemie stanowi słabe ogniwo. Rozwiązaniem problemu niskiej niezawodności wtryskiwacza należy zająć się w pierwszej kolejności. Problem zanieczyszczania rozpylaczy można rozwiązać wprowadzając do oleju rzepakowego dodatki myjące oraz poprawiające spalanie (np.:dfx). Aby wykorzystać olej rzepakowy na obecnym etapie rozwoju silników o zapłonie samoczynnym zaleca się stosowanie dwupaliwowych instalacji silnika. Rozruch silnika należy przeprowadzać na oleju napędowym i dopiero po nagrzaniu silnika zasilać go olejem rzepakowym. Pracę należy kończyć zasilając silnik olejem napędowym, aby przepłukać układ paliwowy. Zaleca się też częściej wymieniać olej smarujący w porównaniu z silnikami zasilanymi olejem napędowym oraz częściej przeprowadzać obsługę układu paliwowego. Logistyka 5/

6 Streszczenie Przeprowadzono ocenę uszkadzalności silnika ciągnika rolniczego zasilanego nieprzetworzonym olejem napędowym metodą drzewa niezdatności (FTA). Celem badan było wskazanie przyczyny lub kombinacji przyczyn mogących prowadzić do uszkodzenia silnika (zdarzenia szczytowego) oraz ocena prawdopodobieństwa zajścia tego zdarzenia. Z przeprowadzonej analizy wynika, że na zajście zdarzenia szczytowego bardzo duży wpływ ma uszkodzenie wtryskiwacza, który w tym systemie stanowi słabe ogniwo i jest to problem do rozwiązania w pierwszej kolejności. Podjęcie takich działań wpłynie pozytywnie na sprawność łańcucha logistycznego w systemach transportowych, w których wdraża się alternatywne paliwa. EVALUATION OF DEPENDABILITY OF DIESEL ENGINE POWERED WITH UNPRO- CESSED RAPESEED OIL USING METHOD OF FTA Abstract An assessment dependability of diesel engine of agricultural tractor fueled with unprocessed rapeseed oil using method of Fault Tree Analysis FTA was carried out. The aim of the research was to identify the reason or combination of reasons that could lead to engine damage (top event) and to assess the probability of occurrence of this event. The analysis shows that the top event is very strongly influenced by the failure of the injector, which in this system is a weak link and it is a problem which should be solved in the first place. Adoption of such actions will positively affect the efficiency of the logistics chain in transport systems, in which are implemented alternative fuels. Bibliografia [1] Bartczak M.: Analiza ryzyka układu pracy przekaźnika impulsowego z wykorzystaniem metody FTA. Logistyka. Nr 3/2014. s [2] Cieślikowski B., Ślipek Z.: Zmienność cech oleju rzepakowego w warunkach przechowywania. Inżynieria Rolnicza. Nr 13 (88)/2006. s [3] Dzieniszewski G.: Wybrane problemy stosowania biopaliw do zasilania silników z zapłonem samoczynnym. Inżynieria Rolnicza. Nr 10 (108)/2008. s [4] General Motors Service. Bulletin No ,February [5] Klimkiewicz M., Mruk R., Słoma J., Wojdalski J., Jobbágy J., Simoník J., Varga R.: Ocena uszkadzalności jednostki napędowej ciągnika rolniczego zasilanego olejem rzepakowym metodą drzewa zdarzeń ETA. Inżynieria Rolnicza. Nr 2 (143)/2013. s. [6] Krupa M., Guzowski S.: Możliwości zastosowania zbiorów rozmytych do oceny niezawodności elementów pojazdów szynowych. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów. Politechnika Warszawska. z. 2/61/2006. s [7] Osiak J., Klimkiewicz M., Mruk R., Roszkowski H., Słoma J., Wojdalski J.: Wpływ parametrów wytłaczania na zimno oleju rzepakowego w prasie ślimakowej na wybrane właściwości fizyko-chemiczne produktu jako paliwa silnikowego. Inżynieria Rolnicza. Nr 2/2013 (143). s [8] Papadopoulos Y.: Model-based system monitoring and diagnosis of failures using statecharts and fault trees. Reliability Engineering and System Safety 8/ s [9] Pietrzak L.: Modelowanie wypadków przy pracy (1). Bezpieczeństwo Pracy. 4/2002 s [10]PN-IEC : Analiza drzewa niezdatności (FTA). Polski Komitet Normalizacyjny. [11]PN-IEC :1994: Zarządzanie niezawodnością (Przewodnik zastosowań) Techniki analizy niezawodności przewodnik metodologiczny. 196 Logistyka 5/2015

7 [12]Remmele, E. -Thuneke, K.: Pre-Standard Din V for Rapeseed oil fuel. 15th European Biomass Conference & Exhibition, Berlin, 7-11 May s [13]Smalko Z.: Analiza drzew niezdatności, zagrożeń i zabezpieczeń w Metody sieciowe w inżynierii niezawodności, XXVII Zimowa Szkoła Niezawodności, T.l, Szczyrk s [14]Szlachta Z.: Zasilanie silników wysokoprężnych paliwami rzepakowymi. WKIŁ Warszawa [15]Wcisło G.: Możliwości zasilania olejem rzepakowym silników wysokoprężnych w pojazdach rolniczych. Inżynieria Rolnicza. Nr 10 (52)/ s Logistyka 5/

8 198 Logistyka 5/2015