Метод неразрушающего контроля состояния элементов гидропривода

УДК 62-822

Н. Н. Карнаухов, А. В. Яркин, А. Р. Крук

МЕТОД НЕРАЗРУШАЮЩЕГО КОНТРОЛЯ СОСТОЯНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОПРИВОДА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ОБРАЗОВАНИЯ «ТЮМЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НЕФТЕГАЗОВЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

N. N. Karnaukhov, A. V. Yarkin, A. R. Cruk THE METHOD OF NON-DESTRUCTIVE INSPECTION STATE OF HYDRAULIC ELEMENTS FEDERAL STATE BUDGETARY EDUCATIONAL INSTITUTION OF HIGHER EDUCATION «TYUMEN STATE OIL AND GAS UNIVERSITY»

Аннотация: Данная статья направлена на повышение эффективности эксплуатации транспортно-технологической техники и повышения ее надежности. Согласно статистическим данным наибольшее распространение получила неисправность, связанная с потерей герметичности оболочки рукава высокого давления гидравлической системы. Описан метод неразрушающего контроля состояния элементов гидропривода на примере рукавов высокого давления путем наблюдения за их тепловым полем в инфракрасном спектре в процессе теплообмена с рабочей жидкостью. В результате таких наблюдений становится возможным определить внутренние дефекты и неисправности оболочки рукава высокого давления, отражающиеся на термограммах.

Ключевые слова: транспортно-технологическая техника; объемный гидропривод; рукава высокого давления; нестационарное тепловое поле.

Николай Николаевич Карнаухов

№скоЫ №ско1аеу1сИ КатаиКЬоу доктор технических наук, профессор tts@tsogu.ru

Александр Романович Крук

Aleksander Romanovich Cruk rtrks@rambler.ru

Введение. Эксплуатация транспортно-техноло-гических машин, оснащенных объемным гидроприводом, в период низких температур (минус 10 °С и ниже) неразрывно связана с периодически возникающими неисправностями и дефектами гидрооборудования.

Это связано с негативным влиянием низких температур на физико-механические свойства рабочей жидкости, материалов объемного гидропривода. Подробнее о проблемах эксплуатации гидрофи-цированной техники при низких температурах можно узнать в следующих работах [1-3]

Abstract: This article is aimed at improving the operational efficiency of transport and technological equipment and increase its reliability. According to the statistics, the most widespread got a fault associated with the loss of membrane integrity of high pressure hoses of the hydraulic system. A method for non-destructive monitoring hydraulic elements on the example of high pressure hoses by observing their thermal field in the infrared spectrum in the process of heat exchange with the working fluid was described. As a result of these observations, it is possible to determine the internal defects and faults of the pressure hoses, reflecting on the thermographs.

Keywords: transport and technological equipment; volume hydraulic; high-pressure hose; transient thermal field.

Антон Викторович Яркин

Anton Victorovich Yarkin кандидат технических наук, доцент

ayarkin@yandex.com

Для актуализации сведений и дальнейшего проведения исследования был проведен анализ неисправностей и сбор статистических данных отказов элементов гидрооборудования парка транспортно-технологических машин.

Анализ проводился путем сбора данных о замене или ремонте узлов и механизмов гидрофицирован-ных транспортно-технологических машин за период 09.2013-09.2014 г. Парк предприятий, на базе которых проводился анализ, осуществляет прокладку магистральных нефте- и газопроводов, обслуживание углеводородных месторождений, разработку песчаных карьеров, в их числе парк транспортно-технологических машин предприятий ОАО «СпецНефтеТранс», НК «Ман-газея», ООО «Тюменьнеруд». В сумме парк исследованной техники составил 265 единиц (таблица).

Вестник Курганской ГСХА № 4, 2015 Теаш^ские науки 69

Таблица - Количество отказов гидрооборудования транспортно-технологических машин

Частота встречаемого отказа и неисправности за один сезон

Элементы Летний период Зимний период

гидропривода Количество Частота отказов, Количество Частота отказов,

отказов % отказов %

Насосные станции 44 17 97 21

Дроссели и фильтрующие элементы 56 26 97 21

Рукава высокого давления 82 35 183 38

Золотниковые и распределительные 28 13 69 14

устройства

Гидроцилиндры 20 9 31 6

Итого 230 100 477 100

Проанализировав результаты, можно сделать вывод, что наиболее уязвимым элементом объемного гидропривода современной транспортно-технологической машины является рукав высокого давления.

Рукав высокого давления (РВД) - гибкий трубопровод, предназначенный для передачи гидравлического усилия и рабочей жидкости объемного гидропривода между его агрегатами. РВД представляет собой трубопровод, стенка которого является многослойной, состоящей из резиновых и армирующих слоев. Количество армирующих слоев зависит от требуемых характеристик изделия, может варьироваться от 1 до 7. Однако наибольшее распространение в объемном гидроприводе транспортно-технологической машины получили РВД с количеством армирующих слоев от 2 до 4. Это обусловлено, с одной стороны, высокими требованиями к физической и гидравлической прочности, а с другой, необходимостью эластичности и гибкости в связи с высокой подвижностью рабочего оборудования.

Чаще всего неисправность РВД связана с потерей герметичности стенки или соединения с арматурой (фитингом). Причиной возникновения неисправностей является комплексное воздействие следующих факторов: постепенное разрушение нитей армирующих слоев, различие коэффициентов термического расширения-сжатия армирующих и резиновых слоев.

В качестве материала армирующего слоя чаще всего используется углеродистая сталь. Проволока диаметром 0,3 мм по 8 или 16 штук увязана в шпули, шпули, в свою очередь, определенным образом навиты или переплетены вокруг резиновых слоев. Давление в РВД некоторых машин может достигать 32 МПа, а в периоды запуска или перегрузок гидропривода давление может кратковременно повышаться в два раза. Таким образом, стальная проволока находится в постоянном напряжении. К тому же, во время движения рабочего оборудования машины происходят циклические изгибы РВД. Описанные процессы приводят к постепенному разрушению проволок армирующих слоев, накопление разрушенных проволок может привести к локальному ослаблению и нарушению герметичности РВД.

Перепады температур также влияют на прочностные характеристики РВД, стальная проволока из которой выполнены армирующие слои и резиновые слои имеют различные коэффициенты температурного расширения/сжатия, 87 и 300 мкм/(м-°С) соответственно. Вследствие этого резиновые слои находятся в напряженном состоянии на металлической основе [4]. Наибольшая концентрация напряжений происходит в месте соединения РВД с соединительной арматурой, кроме того, при монтаже внутренней соединительной арматуры происходит процесс деформации как резиновых слоев, так и металлических оплеток, кроме этого происходит уменьшение внутреннего диаметра, что обуславливает локальное увеличение давления на стенки трубопровода.

Учитывая конструкцию РВД и влияние внешних факторов на их физико-механические свойства становится очевидной необходимость определения их текущего технического состояния.

Методика. На сегодняшний день техническое состояние РВД на предприятиях определяют визуально по наличию трещин на внешней оплетке.

Однако учеными предложено множество способов и средств для контроля технического состояния РВД и прогнозирования их дальнейшего срока службы. Наибольший интерес вызывают способы, позволяющие провести контроль состояния РВД без разгерметизации системы, в короткие сроки.

Например, известен патент № ЯИ 2173413 - способ диагностики, заключающийся в создании в испытуемом трубопроводе возмущающего воздействия, в измерении величины параметра выходного сигнала и определении технического состояния испытуемого трубопровода по отклонению ее от эталонного значения. При этом возмущающее воздействие создают с помощью излучателя ультразвуковых колебаний (ИУЗК), который устанавливают на наружной резиновой поверхности оболочки РВД. Снимают величину амплитуды прошедшего ультразвукового (УЗ) импульса и сравнивают отклонения с эталонным значением, полученным при исследовании неповрежденного РВД [5].

Недостатком данного изобретения является необходимость в специализированном оборудовании, а также необходимость иметь заранее исправные образцы аналогичных размеров и характеристик.

Предлагается способ неразрушающего контроля технического состояния элементов гидрооборудования, учитывающий указанные недостатки и основанный на наблюдении за нестационарным температурным полем элемента.

Конструкция большинства транспортно-техноло-гических машин оснащенных гидроприводом такова, что при запуске двигателя машины, запускается главный гидравлический насос. Работая на холостом ходу, насос качает рабочую жидкость по малому контуру, прогревая рабочую жидкость.

При начале движения рабочего оборудования нагретая рабочая жидкость поступает к агрегатам по РВД. При этом происходит интенсивный теплообмен между рабочей жидкостью и элементами, а следовательно изменяется тепловое поле элементов гидропривода.

Тепловое поле - совокупность значений температуры во всех точках какой-либо пространственной области в данный момент времени.

Предлагаемый метод неразрушающего контроля технического состояния основан на гипотезе, что в местах наличия повреждений или дефектов элементов гидрооборудования тепловое поле будет неравномерным.

Например, в местах перегибов РВД, точках накопления разрушения проволок армирующих слоев теплообмен происходит менее интенсивно. В местах повреждений резиновых слоев теплообмен происходит более интенсивно.

Установить неравномерный теплообмен невооруженным взглядом невозможно, однако зафиксировать неравномерное изменение теплового поля возможно в инфракрасном спектре при помощи тепловизора.

Тепловизор - устройство для наблюдения за распределением температуры исследуемой поверхности с помощью фиксации инфракрасного излучения.

Результаты. Наблюдение в инфракрасном спектре за изменением теплового поля элементов гидрооборудования позволяет также обнаружить утечки рабочей жидкости (разогретой) из агрегатов объемного гидрооборудования.

Необходимо отметить, что для эффективного проведения неразрушающего контроля путем наблюдения за тепловым полем необходима определенная разница температур между рабочей жидкостью и элементами гидропривода. На рисунке представлены фотография шланга и его температурного поля для случая исправного и неисправного РВД.

Определение оптимальной разницы температур является темой для дальнейших исследований.

Очевидна и экономическая целесообразность предлагаемого метода для эксплуатируемого парка специальных машин. Так, учитывая возможность избежать отказов, связанных с РВД, годовые затраты на

а)

б)

Рисунок - Вид и температурное поле исправного (а) и неисправного (б) РВД

обслуживание парка техники проанализированных выше предприятий снизились бы на 500 тыс. руб. с учетом затрат на проведение диагностики.

Выводы. Таким образом, применение предложенного метода неразрушающего контроля с помощью наблюдения за нестационарным тепловым полем при диагностике элементов гидрооборудования позволит:

- снизить затраты времени и труда на определение технического состояния;

- повысить эффективность проведения диагностики за счет обнаружения внутренних повреждений;

- снизить экономические затраты на эксплуатацию техники.

Контроль технического состояния путем наблюдения за нестационарным тепловым полем на данный момент развития работы соответствует дефектоскопии, одному из этапов технической диагностики, поскольку направлен на выявление внутренних дефектов. Однако планируется установить соответствия между выявленными дефектами и дальнейшим сроком эксплуатации элемента, т. е. разработать методику проведения технической диагностики.

Список литературы

1 Эксплуатация подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин : учебник / Н. Н. Карнаухов [и др.]. - Тюмень : ТюмГНГУ 2012. - 456 с.

2 Каверзин С. В., Лебедев В. П., Сорокин Е. А. Обеспечение работоспособности гидравлического привода при низких температурах. - Красноярск : 1998. - 240 с.: ил.

3 Карнаухов Н. Н., Яркин А. В., Крук А. Р. Особенности эксплуатации гидравлических экскаваторов в холодных климатических условиях. // Строительные и дорожные машины. - 2013. - № 9. - С. 37-44.

4 Лепетов В. А. Резиновые технические изделия. - Изд. 3-е, испр. - Л. : Химия, 1976. - 440 с.

5 Патент 2173413 Российская Федерация, МНК Б 15 В 19/00. Способ технического диагностирования упругих трубопроводов / Федоров В. К., Иванов С. П.; заявитель и патентообладатель Военный инженерно-технический университет - №2000103692/06; заявл.15.02.2000, опубл. 15.02.2001.