Mirosław Dereszewski Akademia Morska w Gdyni BADANIA MOŻLIWOŚCI POZYSKIWANIA INFORMACJI DIAGNOSTYCZNEJ O PRACY SILNIKÓW OKRĘTOWYCH I UKŁADÓW NAPĘDOWYCH NA PODSTAWIE DYSKRETNIE MIERZONEJ PRĘDKOŚCI KĄTOWEJ W artykule opisano metodę weryfikacji i ewaluacji wykorzystania funkcji zmian prędkości kątowej wału korbowego oraz jej pochodnej do monitorowania zakłóceń równomierności pracy cylindrów. Badania wykonano na stanowisku silnika średnioobrotowego 3AL25/30. Pomiar prędkości chwilowej zrealizowano za pomocą tarczy ze 180 szczelinami i głowicy fotooptycznej. Przebiegi prędkości kątowej wyznaczono, opierając się na pomiarze czasu przejścia szczelin i odkłócono, wykorzystując filtry Savitzky ego-golaya. Przeprowadzono symulacje niesprawności, których wyniki wskazują na możliwość wykorzystania przebiegów prędkości kątowej wału do oceny stanu technicznego. Zebrane dane mogą być obrabiane na statku, na podstawie formuł zapisanych w programie MS Excel. W artykule przedstawiono plan badań mających na celu określenie przydatności bieżącego pomiaru chwilowej prędkości obrotowej wału, a następnie analizy porównawczej z wartościami wzorcowymi, do celów diagnostycznych. WPROWADZENIE Średnioobrotowe silniki o zapłonie samoczynnym mają szerokie zastosowanie na statkach, głównie jako napędy w zespołach spalinowo-elektrycznych. Ze względu na wpływ tych urządzeń na prawidłowe funkcjonowanie statku ich niezawodna praca ma znaczenie pierwszorzędne. Monitoring stanu technicznego silnika pozwala przewidywać i uniknąć ewentualnych uszkodzeń urządzenia. Niesprawności będące rezultatem wadliwego działania instalacji paliwowej należą do grupy najczęściej występujących podczas eksploatacji silnika spalinowego. Proces spalania w cylindrze może być zakłócony wskutek niesprawności wtryskiwaczy oraz pompy wtryskowej. Podstawową metodą kontroli prawidłowości przebiegu ciśnienia w cylindrze jest indykacja. Metoda ta nie pozwala jednak na długotrwały pomiar ze względu na wrażliwość czujników na wysoką temperaturę i zanieczyszczenie produktami spalania [5]. Monitoring nierównomierności pracy cylindrów z wykorzystaniem pomiaru fluktuacji prędkości kątowej wału może być prowadzony w sposób ciągły. Chwilowa prędkość obrotowa wału korbowego jest wielkością uważaną za nośnik informacji diagnostycznej i może być wykorzystana bezpośrednio do oceny stanu technicznego i jakości pracy silnika [1].
6 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012 W publikacjach dotyczących diagnostycznego wykorzystania fluktuacji prędkości kątowej autorzy przedstawiają rezultaty badań prowadzonych dla szybkoobrotowych silników wysokoprężnych, wskazując na przydatność metody do wykrywania nierównomierności pracy cylindrów [2, 3, 4, 6]. 1. STANOWISKO BADAWCZE Badania przeprowadzono na stanowisku laboratoryjnym silnika 3AL25/30. Pomiar chwilowej prędkości kątowej wału dokonywany jest z wykorzystaniem metody fotooptycznej. Układ pomiarowy składa się z perforowanej tarczy umieszczonej na wale korbowym silnika oraz głowicy nadawczo-odbiorczej wysyłającej impulsy laserowe ze znaną częstotliwością. Na kołnierzu wału korbowego zamontowano tarczę pomiarową (patrz rys. 1). Rys. 1. Tarcza pomiarowa zamontowana na wale korbowym silnika 3AL 25/30 Fig. 1. Perforated measurement disc installed at the crankshaft of 3AL 25/30 engine Tarcza pomiarowa posiada 180 szczelin o znanej szerokości oraz odstępie kątowym. Zmienna prędkość kątowa wału powoduje zmienny czas przechodzenia szczeliny i zęba przez światło głowicy, co skutkuje zmienną liczbą impulsów świetlnych odebranych przez głowicę. Liczba impulsów przy znanej częstotliwości nadajnika 16 MHz pozwala określić czas, a wymiar kątowy szczeliny i zęba jest miarą drogi przebytej w tym czasie można więc łatwo obliczyć chwilową prędkość kątową wału. Impulsy z głowicy przekazywane są do modułu pomiarowego, opracowanego przez PBP Enamor (rys. 2), gdzie przetwarzane są na sygnały czytelne dla sterownika programowalnego PCD 3 Saia, zaprogramowanego do zapisu liczby impulsów oraz obliczania średniej prędkości obrotowej wału.
M. Dereszewski, Badania możliwości pozyskiwania informacji diagnostycznej o pracy silników okrętowych... 7 Rys. 2. Układ rejestracji i zapisu sygnałów głowicy laserowej Fig. 2. Registration and recording system of laser sensor signals 2. PODSTAWY TEORETYCZNE I ANALIZA SYMULACYJNA 2.1. Opracowanie modelu ruchu obrotowego silnika dwusuwowego i czterosuwowego gdzie: E U Ogólne równanie ruchu w polu energetycznym można przedstawić następująco: Q i q i, q& i ( E U) ( E U) d Qi, dt q = & i qi energia kinetyczna, energia potencjalna, uogólniona siła napędowa, współrzędne i prędkości uogólnione. Energię kinetyczną układu określa wzór: (1) 2 E = Jω, (2) 2 gdzie: J moment bezwładności układu zredukowany do osi wału korbowego, ω prędkość kątowa.
8 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012 Model dynamiczny układu korbowo-tłokowego silnika został zbudowany zgodnie ze schematem przedstawionym na rysunku 3. Masy i wymiary elementów układu korbowego podane są w dokumentacji silnika, składowe ciśnienia indykowanego zostały pomierzone za pomocą indykatorów elektronicznych. Składowe wymuszeń (składowe ciśnienia indykowanego i składowego inercji) Składowa dynamiczna wału korbowego Odpowiedzi kątowe Rys. 3. Modelowanie odpowiedzi kątowej wału korbowego Fig. 3. Model of angular output signal of the crankshaft 2.2. Symulacja modelowa stanów zakłóceń Model matematyczny dynamiki wału korbowego pozwala na stworzenie bazy modelowych odpowiedzi na wprowadzone zakłócenia w postaci zmian wartości ciśnienia indykowanego [3]. Analiza przebiegów teoretycznych pozwala na określenie przebiegów oczekiwanych, a następnie dokonanie porównań przy wprowadzaniu takich samych zakłóceń na obiekcie rzeczywistym. Aby umożliwić wprowadzanie odchyleń obciążenia oraz przebiegu ciśnienia w dowolnym cylindrze, ciśnienie indykowane w n-tym punkcie wykresu danego cylindra wyrażono w postaci następującego równania [5]: p n = c c + c s p sn, (3) gdzie: p n wartości ciśnień sprężania i rozprężania w n-tych punktach wykresu indykatorowego, p sn wartości ciśnień czystego spalania w n-tych punktach wykresu indykatorowego, c c,c s mnożniki przyjęte dla cylindra. Przykładowe przebiegi reakcji modelu na wprowadzenie zakłócenia przedstawiono na rysunku 4.
M. Dereszewski, Badania możliwości pozyskiwania informacji diagnostycznej o pracy silników okrętowych... 9 a) b) Oscylacja prędkości kątowej Oscylacja prędkości kątowej Rys. 4. Modelowe przebiegi składowych harmonicznych prędkości kątowej w dziedzinie kąta obrotu dla 720 OWK. Silnik czterosuwowy, przebieg bez zakłóceń (a) oraz obniżone średnie ciśnienie indykowane w trzecim cylindrze (b) Fig. 4. Harmonic components of the angular speed modeling. In domain of 720 crankshaft angle. Four stroke engine, healthy run (a) and decreased mean effective pressure in 3 rd cylinder (b)
10 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012 3. BADANIA STANOWISKOWE Z WPROWADZANIEM NIERÓWNOMIERNOŚCI OBCIĄŻEŃ CYLINDRÓW NA SILNIKU 3AL 25/30 3.1. Stanowisko badawcze Silnik laboratoryjny AL 25/30 przystosowany jest do symulowania usterek w postaci nieszczelności pompy wtryskowej, poprzez kontrolowane otwarcie przelewu z pompy za pomocą śruby upustowej, oraz do montażu uszkodzonych wtryskiwaczy. Pozwala to na przeprowadzenie eksperymentu polegającego na pomiarach chwilowej prędkości kątowej wału korbowego w stanie niesprawności układu paliwowego. Upust paliwa na pompie wtryskowej cylindra nr 2 powoduje zmianę dawki paliwa, a w konsekwencji zmianę obciążenia cylindra. Całkowite otwarcie przelewu jest jednoznaczne z brakiem dopływu paliwa do wtryskiwacza, co odpowiada sytuacji wypadania zapłonu na jednym cylindrze. Zamontowanie wtryskiwacza z zakoksowanymi niektórymi otworkami wpływa na przebieg ciśnienia wtrysku. W celu pełnego sprawdzenia czułości zastosowanej metody należy przeprowadzić rejestrację dla kilku wartości obciążenia silnika. W przypadku silnika 3AL 25/30 proponuje się obciążenia w zakresie od 50 kw do 250 kw, przy stałej prędkości obrotowej 750 obr./min. Porównanie przebiegów zmian prędkości i przyspieszenia kątowego, pomierzonych w stanie sprawnej instalacji oraz przy wprowadzeniu uszkodzeń, wykaże przydatność pomiaru chwilowej prędkości kątowej i przyspieszenia wału korbowego do celów diagnostycznych. 3.2. Matematyczna obróbka danych pomiarowych W celu eliminacji zakłóceń losowych i wygładzenia przebiegu funkcji zastosowano wygładzanie metodą ruchomej aproksymacji wielomianem trzeciego stopnia (filtr wielomianowy Sawitzky ego-golaya). Powyższa metoda jest najbardziej odpowiednia do analizy prędkości i przyspieszenia kątowego ze względu na nieokresowy charakter funkcji wygładzanych [5]. Na rysunku 5 przedstawiono przykładowy wykres pomierzonych wartości prędkości w dziedzinie próbek przed wygładzaniem. Natomiast przebieg funkcji po wygładzeniu przy zastosowaniu ruchomej aproksymacji pokazano na rysunku 6. Wykresy te opracowano na podstawie pomiarów prędkości chwilowej dokonanych na średnioobrotowym czterosuwowym silniku okrętowym. Przebiegi przedstawione na wykresach odnoszą się do dwóch obrotów wału korbowego.
M. Dereszewski, Badania możliwości pozyskiwania informacji diagnostycznej o pracy silników okrętowych... 11 Prędkość obrotowa [obr./min] Liczba próbek 2 obr. wału Rys. 5. Przebieg prędkości kątowej wału korbowego przed dekompozycją zakłóceń Fig. 5. Angular speed run, picture before smoothing Prędkość obrotowa [obr./min] Liczba próbek 2 obr. wału Rys. 6. Wygładzony przebieg prędkości kątowej wału korbowego Fig. 6. Angular speed run after smoothing
12 ZESZYTY NAUKOWE AKADEMII MORSKIEJ W GDYNI, nr 76, grudzień 2012 WNIOSKI W przypadku otrzymania sygnału o pogarszającym się stanie jakości pracy silnika można przystąpić do dokładnego ustalenia przyczyn za pomocą dokładnych metod pomiarowych. Oczekiwanym efektem tych działań powinno być usunięcie przyczyn nieregularnej pracy silnika. Przedstawiona metoda jest na wczesnym etapie badań i wymaga dalszych analiz w celu wykazania jej użyteczności diagnostycznej oraz określenia reguł wnioskowania. Jako wartości wzorcowe należy uznać pomiary dokonane podczas prób stoczniowych nowego statku lub jednostki po remoncie, kiedy właściwa kondycja silnika jest potwierdzona dokładnymi pomiarami zdawczymi [1]. Kiedy stan techniczny silnika jest prawidłowy, przeprowadzone równolegle pomiary chwilowej prędkości kątowej uznaje się za wzorcowe. Odstępstwa od stanu wzorcowego stanowią sygnał do dokonania korekty równomierności pracy cylindrów poprzez regulację pomp wtryskowych, a następnie sprawdzenie rezultatów poprzez pomiar średniego ciśnienia efektywnego. W celu pełnego opracowania metody diagnostyki silnika na podstawie zmian prędkości chwilowej oraz przyspieszenia wału korbowego niezbędne są oddzielne badania silników dwusuwowych i czterosuwowych, ze względu na odmienne cykle pracy. Porównanie wyników pomiarów dokonanych w stanie niesprawności aparatury paliwowej silnika z wynikami symulacji modelowej oraz pomiarami dokonanymi w stanie sprawnej aparatury paliwowej pozwoli na stwierdzenie, czy występuje dewiacja przebiegu sygnału prędkości i przyspieszenia kątowego o takiej wartości, że: jest wykrywalna, pozwala na jednoznaczne stwierdzenie wystąpienia usterki, pozwala na identyfikację cylindra, w którym proces spalania został zakłócony. W przypadku wykazania przydatności pomiaru do celów diagnostycznych możliwa będzie dalsza weryfikacja metody diagnozowania w warunkach rzeczywistych, na podstawie układu napędowego statku Horyzont. LITERATURA 1. Dereszewski M., Charchalis A., Polanowski S., Analysis of diagnostic utility of instantaneous angular speed of a sea going vessel propulsion shaft, Journal of KONES, 2011, vol. 18, no. 1, s. 77 83. 2. Desbazeille M., Randall R.B., Guillet F., El Badaoui M., Hoisnard C., Model-based diagnosis of large diesel engines based on angular speed variations of the crankshaft, Mechanical Systems and Signal Processing, 2010, no. 24, s. 1108 1134. 3. Geveci M., Osburn A.W., Franchek M.A., An investigation of crankshaft oscillations for cylinder health diagnostics, Mechanical Systems and Signal Processing, 2005, no. 19, s. 1108 1134.
M. Dereszewski, Badania możliwości pozyskiwania informacji diagnostycznej o pracy silników okrętowych... 13 4. Jianguo Yang, Lijun Pu, Zhihua Wang, Yichen Zhon, Xinping Yan, Fault detection in a dieselengine by analyzing the instantaneous angular speed, Mechanical Systems and Signal Processing, 2001, no. 15(3), s. 549 564. 5. Polanowski S., Studium metod analizy wykresów indykatorowych w aspekcie diagnostyki silników okrętowych, Zeszyty Naukowe AMW, 2007, nr 169 A. 6. Tian Ran Lin., Andy C.C., Tan Lin Ma, Mathew J., Estimating the Loading Condition of a diesel Engine Using Instantaneous Angular Speed Analysis, Proceedings of the 6 th World Congress on Engineering Asset Management, http://eprints.qut.edu.au./46609/. EVALUATION OF POSSIBILITY OF OBTAINING OF DIAGNOSTIC INFORMATION ABOUT MARINE ENGINE WORK, BASING ON MEASUREMENT OF THE ANGULAR SPEED DISCRETE VALUE Summary The paper presents an idea to utilize crankshaft s angular speed variation and its derivative for monitoring of trouble of diesel engine combustion quality. Measurement of instantaneous angular speed, long term recording and archive of values is enabling by modern programmable logic controllers. Measurement of IAS (Instantaneous Angular Speed) is done using optical sensor and toothed disc. Advantage of this method is simple installation and constant signal. Collected data can be processed on board, basing on MS Excel formulas. Observation of changes of instantaneous speed and acceleration cannot replace Main Effective Pressure measurement or vibration monitoring, but tool for early warning. When a signal of deteriorating of engine performance is obtain, more accurate diagnostic can be implemented. Expected final result will be elimination of engine s cycle s irregularity. Proposed method is at early stage of investigation and further steps to prove its utility and to develop concluding rules are to be conducted.