УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ГИДРОПРИВОДА

Полезная модель относится к технике контроля и испытаний сметем и оборудования, содержащих объемный гидропривод, и может быть использована при техническом диагностировании гидроприводов и гидропередач транспортных средств, строительных и дорожных машин как в условиях производства и ремонта, так и в условиях эксплуатации.
Известны устройства для определения технического состояния гидравлических систем и агрегатов, содержащие комплект диагностических датчиков, связанных с блоком обработки данных. (См. в Кн. Техническая диагностика гидравлических приводов. Под ред. Т.М.Башты. М., М-е. 1989 г. с.66, рис.2,1)
Известно также устройство для диагностирования гидропривода, содержащее датчики давления и температуры, нагрузочный элемент и расходомер, подключенные к гидравлическому приводу, а также предохранительный клапан, подключенный к входу в нагрузочный элемент, запорное устройство и байпасный трубопровод с дросселем, подключенный к выходу расходомера (см. АС №1481514, МКИ5, F15B 19/00, 1987 г.).
Кроме того, известно устройство для диагностирования гидропривода, содержащее датчик давления, датчик температуры, расходомер, нагрузочный дроссель и обратный клапан, образующие гидравлический тестер, подключенный к диагностируемому гидроприводу и снабженный также трехпозиционным гидрораспределителем и байпасирующим его трубопроводом с запорным элементом, (см. АС №1779813, МКИ5, F15B 19/00, 1990 г.) Данное устройство выбрано нами за прототип.
Недостатком данного устройства являются его ограниченные функциональные возможности при диагностировании параметров гидропривода и отсутствие информации об изменении физических параметров рабочей жидкости, сигнализирующей о характере износа трущихся пар гидропривода и позволяющей произвести интегральную оценку работоспособности привода.
Задачей данной полезной модели является создание высокоэффективного оборудования для диагностирования основных агрегатов гидропривода, введение в состав устройства технических средств, обеспечивающих получение данных о физических свойствах и загрязнении рабочей жидкости продуктами износа, а также получение базовой информации о высокочастотных компонентах процесса с использованием акустического канала.
Указанная задача решается таким образом, что устройство для диагностирования гидропривода, содержащее гидравлический тестер с помещенными последовательно между его входом и выходом датчиком давления, датчиком температуры, расходомером, гидрораспределителем с нагрузочным дросселем и байпасирующий его трубопровод с запорным элементом, снабжено дополнительно акустическим каналом, блоком обработки данных и блоком контроля состояния жидкости, помещенным в байпасирующем трубопроводе после запорного элемента и выполненным в виде двух параллельных гидравлических линий, в каждой из которых размещены соединенные последовательно дроссель, индикатор состояния жидкости, представляющий собой соответственно счетчик механических частиц в потоке жидкости в первой линии и плотномер-вискозиметр - во второй линии, и датчик расхода; блок обработки данных выполнен в виде совокупности классификатора чистоты жидкости, связанного со счетчиком механических частиц в потоке жидкости, электронного многоканального измерителя расхода, связанного с расходомером и датчиками расхода, электронного блока, связанного с датчиком температуры и плотномером-вискозиметром и своим дополнительным выходом связанным с электронным измерителем расхода, и анализатора шумов и вибраций, связанного с помещенным в гидравлическом тестере датчиком давления и с акустическим каналом, при этом гидрораспределитель имеет два дополнительных выхода, соединенных с выходом гидравлического тестера через предохранительный клапан и напрямую.
Патентный поиск показал, что отдельно взятые элементы устройства известны в испытательной технике и диагностике (см. кн. Испытательная техника, Справочник в 2х томах. Под редакцией В.В.Клюева, М., 1982 г. и кн. Техническая диагностика гидравлических приводов. Под редакцией Т.М.Башты. М., 1989 г.). Однако указанная выше совокупность взаимосвязанных отличительных признаков не обнаружена и явным образом не следует из уровня развития техники. В связи с изложенным, заявленное техническое решение может считаться соответствующим критерию патентоспособности «новизна».
Суть предлагаемого технического решения отражена на прилагаемом чертеже, где сплошными жирными линиями показаны гидравлические связи, а тонкими пунктирными линиями - информационные связи.
Устройство для диагностирования гидропривода содержит гидравлический тестер 1 (гидротестер), связанный линией входа 2 и линией выхода 3 с диагностируемым гидроприводом 4. Между входом 2 и выходом 3 гидравлического тестера соединены последовательно датчик 5 давления, датчик 6 температуры, расходомер 7 и трехходовой гидрораспределитель 8, выходы «а», «б» и «в» которого связаны гидравлически с линией 3 выхода гидротестера: выход «а» - через нагрузочный дроссель 9, выход «б» - через предохранительный клапан 10, а выход «в» - напрямую. Между расходомером 7 и входом гидрораспределителя 8 подключен байпасирующий трубопровод 11 с запорным элементом 12.
Блок 13 контроля состояния жидкости установлен в байпасирующем трубопроводе 11 и выполнен в виде двух параллельных гидравлических линий 14 и 15. В линии 14 последовательно установлены дроссель 16, плотномер-вискозиметр 17 и датчик 18 расхода, а в линии 15 также последовательно установлены дроссель 19, счетчик 20 механических частиц в потоке жидкости и датчик 21 расхода. Линии 14 и 15 после датчиков 18 и 21 объединены в общую линию 22 дренажа.
Блок 23 обработки данных содержит классификатор 24 чистоты жидкости, электронный многоканальный измеритель 25 расхода, электронный блок 26 плотномера-вискозиметра и анализатор 27 спектра шумов и вибраций. Классификатор 24 соединен информационной линией со счетчиком 20 механических частиц в потоке жидкости. Измеритель 25 связан с расходомером 7 и датчиками расхода 18 и 21 и своим дополнительным входом с выходом электронного блока 26, который в свою очередь входами связан с датчиком 6 температуры и плотномером-вискозиметром 17. Анализатор 27 спектра шумов и вибраций своими входами соединен с датчиком 5 давления и виброакустическим датчиком 28.
Диагностируемый гидропривод 4 содержит насос 29, соединенный линией нагнетания 30 с гидрораспределителем 31, имеющим три выхода - «г», «д» и «е». Выходы «г» и «д» связаны линиями 32 и 33 с входами «ж» и «з» гидроцилиндра 34, а выход «е» связан линией 35 со сливом. К линии 30 в точке «и» подключен предохранительный клапан 36, выход которого также соединен со сливом. В линии нагнетания 30 перед гидрораспределителем 31 установлен фильтр 37 тонкой очистки. Обозначенный пунктиром участок 38 линии нагнетания 30 отключается при полнопоточном отборе рабочей жидкости из гидропривода.
При конкретной реализации устройства использованы:
5 - датчик давления «Сапфир».
6 - датчик температуры П-109,
7 - турбинный преобразователь расхода ТПР-14; 24-240 л/мин.
8 - распределитель 1РЕ10,
9, 16 и 19 - дроссели с пропорциональным управлением,
10 - предохранительный клапан МКПВ,
12 - электрогидравлический кран ГА-165Б,
17 - датчик плотности и вязкости ДПВ-25,
18 - турбинный преобразователь расхода ТПР-7, 1,8-9,6 л/мин.
21 - преобразователь расхода РТ-273,
24 - прибор для контроля чистоты жидкости ПКЖ-904,
25 - вычислитель расхода электронный ЭВР-2,
26 - плотномер-вискозиметр-термометр стендовый ПВТС-26,
27 - спектроанализатор-коррелятор ПР-95.
В процессе диагностирования с помощью данного устройства осуществляются:
- диагностирование насоса 29,
- диагностирование гидрораспределителя 31,
- настройка предохранительного клапана 36,
- диагностирование гидроцилиндра 34,
- диагностирование рабочей жидкости.
Устройство для диагностирования работает следующим образом.
Диагностирование насоса. При диагностировании насоса 29 устройство подключается в разрыв магистрали 30: своим входом 2 на выход насоса 29, а выходом 3 в точку «и» магистрали 30. Обозначенный пунктиром участок 38 линии нагнетания 30 отключается. Таким образом, весь поток жидкости от насоса 29 проходит через гидравлический тестер.
Техническое состояние насоса оценивается по величине его объемного коэффициента полезного действия ОКПДн. Для определения ОКПДн производится измерение фактической подачи насоса и частоты его вращения при работе с минимально возможной нагрузкой и при номинальной или максимальной нагрузке. Запорный элемент 11 при этом закрыт. Все замеры производятся при нейтральном положении гидрораспределителя 31, когда поток жидкости проходит через выход «е» гидрораспределителя 31 в сливной трубопровод 35. Нагрузочный дроссель 9 должен быть полностью открыт. После включения насоса 29 следует перевести распределитель 8 в положение подачи жидкости по каналу «б» и прогреть рабочую жидкость в гидроприводе до температуры +50°С с контролем по датчику 6 температуры, связанному с блоком 26. При необходимости темп набора температуры можно изменять путем поднастройки предохранительного клапана 10. По окончании режима разогрева жидкости гидрораспределитель 8 переводится в рабочее положение с подачей жидкости по каналу «а». Дроссель 9 полностью открыт. После этого устанавливается номинальная частота вращения насоса n1 с контролем по основной гармонике сигналов от акустического канала 28, прошедших гармонический анализ в анализаторе шумов и вибраций 27. Одновременно фиксируются по многоканальному измерителю расхода 25 показания расходомера 7, т.е. определяется расход Q1 при работе насоса без нагрузки. Для одной из модификаций устройства расход, развиваемый насосом, измеряется в пределах 24÷240 л/мин с относительной погрешностью 0,5%.
На следующем этапе диагностирования насос 29 нагружается с помощью дросселя 9 до номинального рабочего давления, и с блока 25 снимается вторая группа параметров: расход Q2 и частота вращения n2 насоса под нагрузкой. Значение ОКПДн определяется по формуле
Минимальное допустимое значение ОКПДн равно 0,8.
При необходимости проверяется расходная характеристика насоса Q=f (P). Для этого производятся последовательные измерения расхода Q для различных величин давления Р жидкости на выходе насоса при постоянной частоте его вращения n. Число оборотов насоса n контролируется с помощью штатных средств, размещенных в гидроприводе или с использованием акустического канала 28.
Для аксиально-поршневых объемных гидромашин метод виброакустической диагностики базируется на том, что подшипники и детали качающего узла таких гидромашин являются источником периодической составляющей акустического сигнала. Колебания, которые служат сигналом в вибродиагностике, регистрируют либо с помощью датчика, установленного непосредственно на корпусе, либо с помощью микрофона без контакта с самим механизмом. Несмотря на то, что звуковые колебания в воздухе являются вторичным эффектом механического соударения деталей, и значит, информация от микрофона подвергается большей опасности искажения, использование микрофона целесообразно, особенно после того как будет накоплен достаточный практический опыт подобной диагностики.
В первую очередь следует выявить и заложить в память коррелятора 27, как стандарт, верхнюю доверительную границу спектра виброускорений исправного насоса. Затем на этот эталонный спектр в процессе диагностирования накладываются характерные спектры виброускорений корпусов неисправных насосов, например:
- с повышенным радиальным зазором в подшипнике,
- со значительным выкрашиванием его беговых дорожек и огранными шарами в подшипнике,
- со средним выкрашиванием беговых дорожек,
- с повышенным осевым люфтом в шатунной группе одного поршня,
- с повышенным осевым люфтом в шатунных группах двух поршней,
- с повышенным осевым зазором поршня,
- с повышенным радиальным зазором в поршневых парах,
- с повышенным осевым зазором вала насоса.
Расшифровка и анализ спектров вибрации корпусов насосов и гидромоторов показывает, что подавляющая доля энергии в спектре вибрации, идущая по акустическому каналу от вибропреобразователя или от микрофона, приходится на гармонические составляющие основной и кратной ей гармоник, принадлежащих поршневой паре. В первую очередь, с помощью коррелятора выявляется спектр, кратный произведению роторной частоты и числа поршневых пар в качающем узле насоса, т.е.
где Fo - основная роторная частота Гц, n - число оборотов насоса в минуту, Z - число поршневых пар насоса. Если явно выражен спектр, кратный, например, 375 Гц, то роторная частота при числе поршней, равном девяти, составит (375/9)·60=2500 об/мин.
Сохранение подобных спектров в памяти коррелятора позволяет в процессе виброакустического диагностирования идентифицировать ту или иную неполадку в насосе или гидромоторе.
Диагностирование гидрораспределителя. При диагностировании гидрораспределителя 31 линия 2 гидротестера подключается к выходу «г» гидрораспределителя вместо линии 32, а линия 3 гидротестера подключается к выходу «д» гидрораспределителя вместо линии 33. После включения насоса 29 частота его вращения устанавливается несколько ниже номинальной, после чего гидрораспределитель 31 переводится в рабочее положение с нагнетанием жидкости по каналу «г», к которому подключена линия 2. Затем определяется величина коэффициента полезного действия гидропередачи ОКПДгп, в которую входят насос 29 и гидрораспределитель 31. Последовательность действий при этом аналогична определению ОКПДн. Так как ОКПДгп равен произведению объемных КПД входящих в нее гидроагрегатов, объемный коэффициент полезного действия гидрораспределителя ОКПДр будет равен
ОКПДр=ОКПДгп/ОКПДн.
(2)
Для проверки работоспособности гидрораспределителя во втором рабочем положении линии 2 и 3 гидротестера переключаются к выходам гидрораспределителя «д» и «г» соответственно, после чего операции по определению ОКПДр повторяются. Решение по результатам диагностирования принимается после сравнения полученных в процессе диагностирования значений ОКПД с их нормативными значениями.
Настройка предохранительного клапана. Проверка настройки предохранительного клапана 36 проводится одновременно с диагностированием гидрораспределителя 31. Устройство для диагностирования подключено при этом своими линиями 2 и 3 к выходам «г» и «д» гидрораспределителя. Поток рабочей жидкости от насоса 29 направляется по линии 2 через расходомер 7, гидрораспределитель 8 и нагрузочный дроссель 9. После включения насоса давление в гидроприводе доводится с помощью дросселя 9 до давления открытия предохранительного клапана 36. Контроль давления ведется с помощью датчика 5 давления, показания которого передаются на анализатор 27. Момент срабатывания предохранительного клапана 36 определяется по резкому снижению расхода через расходомер 7 гидротестера 1. Показания расхода высвечиваются в цифровой форме на табло многоканального измерителя расхода 25.
Диагностирование гидроцилиндра. Основным диагностическим параметром, определяющим техническое состояние гидроцилиндра, является величина внутренних утечек. Для их определения устройство подключается к гидроприводу линиями 2 и 3 вместо линии 32: линия 2 - к выходу «г» гидрораспределителя 31, а линия 3 - к выходу «ж» гидроцилиндра. Гидрораспределитель 31 переключается в рабочее положение, обеспечивающее подачу жидкости по каналу «г», после чего поршень гидроцилиндра 34 доводится до упора и удерживается в этом положении несколько секунд, в течение которых снимаются показания расхода через расходомер 7, соответствующие величине утечек по уплотнениям гидроцилиндра 34. Давление в гидротестере при этом определяется настройкой предохранительного клапана 36. Если чувствительности расходомера 7 недостаточно для регистрации утечек через уплотнения гидроцилиндра, открывается запорный элемент 12, и эти утечки путем приоткрытия дросселей 16 или 19 направляются соответственно через датчики расхода 18 или 21, имеющие меньший диапазон измерения расхода.
Внутренние утечки во второй полости гидроцилиндра 34 определяются после подключения гидротестера вместо линии 33: линия 2 - к выходу «д» гидрораспределителя, а линия 3 - к входу «з» гидроцилиндра 34. Выводы по результатам диагностирования делаются после их сравнения с установленными нормативными величинами внутренних утечек.
Диагностирование рабочей жидкости. На каждом этапе диагностирования гидропривода, а также в виде самостоятельной операции, осуществляется контроль физического состояния жидкости - ее чистоты, плотности и вязкости. Для отвода части рабочей жидкости в блок 13 контроля ее состояния открывается запорный элемент 12. Жидкость, пройдя по трубопроводу 11, поступает на вход блока 13, где разделяется на два функциональных потока - по линии 14 и по линии 15. В каждой из этих линий с помощью дросселей 16 и 19 настраивается величина расхода, необходимая для работы плотномера-вискозиметра 17 в линии 14 или счетчика 20 механических частиц в потоке жидкости в линии 15. Контроль расхода в каждой из этих линий ведется соответственно по датчикам 18 и 21 расхода. Для выбранных в устройстве плотномера-вискозиметра и счетчика механических частиц расход должен быть настроен в пределах 0,05÷0,25 л/мин для линии 15 и не более 18 л/мин для линии 14. Слив из линий 14 и 15 объединен в общий канал дренажа 22.
Наблюдение за состоянием рабочей жидкости в гидроприводе, контроль ее вязкости, плотности и чистоты позволяет предупредить развитие деструктивных процессов, связанных с перегревом рабочей жидкости и повышенным износом трущихся пар агрегатов. Плотность измеряется в диапазоне 0,7÷0,9 г/см куб., а вязкость в диапазоне 0,4÷50 сСт. Изменение этих параметров относительно нормативных приводит к снижению смазывающих свойств, изменению модуля упругости и других важных эксплуатационных показателей масла. Такая ситуация является сигналом для долива или полной замены рабочей жидкости в системе. Оперативно плотность и вязкость контролируются по линии датчик 17 - преобразователь 26.
При контроле чистоты масла в гидроприводе часть жидкости направляется через фотоэлектрический счетчик 20, который фиксирует прошедшие за единицу времени частицы и отсылает информацию об их количестве и размерах в классификатор 24. На табло классификатора высвечиваются в цифровой форме данные о количестве частиц в шести размерных диапазонах: 5-10, 10-25, 25-50, 50-100, 100-200 и свыше 200 мкм. При необходимости эти данные в электронном виде сравниваются с таблицей соответствия числа частиц в каждом размерном диапазоне и класса чистоты жидкости по ГОСТ 17216-01, после чего на двухразрядном табло высвечивается класс чистоты, соответствующий показаниям размерных диапазонов. Для большинства промышленных гидроприводов достаточным является контроль чистоты в пределах 06÷14 классов по ГОСТ 17216-01. Тенденция приближения класса чистоты или показаний одного из размерных диапазонов к границе допустимого свидетельствует о том, что следует промыть или заменить фильтр 37 тонкой очистки или заменить полностью рабочую жидкость в системе.
Преимущества заявляемой полезной модели:
1. Информация о вибрационном шуме, вызванном работой насоса 29, поступает по акустическому каналу 28 на вход анализатора 27 и отображается на его дисплее в графическом и алфавитно-цифровом виде. Во время диагностирования насоса первая (основная) роторная гармоника в спектре вибрации соответствует частоте вращения насоса n.
2. Высокая информативность акустических сигналов позволяет вести диагностирование технического состояния подшипников и деталей качающего узла насоса 29 и контроль внутренней герметичности гидрораспределителя 31, гидроцилиндра 34 и клапана 36. При этом виброакустический сигнал анализируется как собирательное понятие, включающее в себя информацию о количественных процессах (вибрационных, гидродинамических) и об акустическом шуме агрегата.
3. Данное исполнение устройства придает ему свойства высокоэффективного универсального оборудования для диагностирования гидропривода по объемному коэффициенту полезного действия при автоматическом обеспечении равенства перепадов давлений на насосе и на нагрузочном дросселе. Введение в комплекс параметров диагностирования данных о свойствах и состоянии рабочей жидкости и создание базовой информации о состоянии агрегатов гидропривода виброакустическими методами повышает эффективность диагностирования.
Источники информации:
1. Техническая диагностика гидравлических приводов. Под редакцией Т.М.Башты. М., 1989 г.
2. Машиностроительный гидропривод. Под редакцией В.Н.Прокофьева. М., 1978 г.
3. Р.Н.Сулейманов. Виброакустическая диагностика насосных агрегатов. Уфа, 2002 г.
4. Авт.свид. СССР N9 1481514. кл. F15B 19/00. 1987 г.
5. Авт.свид. СССР N9 1779813. кл. F15B 19/00. 1990 г.
6. ГОСТ 17216-01. Чистота промышленная. Классы чистоты жидкостей.