СТЕНД ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ ПО АНАЛОГУ ГИДРОСИСТЕМ МАШИН КОММУНАЛЬНОГО НАЗНАЧЕНИЯ
DIAGNOSTICS BENCH SIMILAR TO HYDRAULIC SYSTEMS OF MACHINES OF COMMUNAL PURPOSE

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для сравнительных испытаний элементов гидросистем машин коммунального назначения в процессе их эксплуатации с целью определения технического состояния.
Известны стенды для испытания элементов гидросистем машин и оборудования.
Такие стенды или являются универсальными и применяются для испытания разных элементов гидросистем (патент РФ №2380581, опубл. 27.01.2010 г.; кн.: Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы. Справочник. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1988 - с.473-489), или специализированы для испытания конкретных элементов, например агрегатов гидроусилителей (патент №2415310, опубл. 27.03.2011 г.); отремонтированных насосов (а.с. №1275130, опубл. 07.12.1986 г.); обратных клапанов (а.с. №1373880, опубл. 15.02.1988 г.); гидрораспределителей (а.с. №1442720, опубл. 07.12.1988 г.); цилиндров (а.с. №1551847, опубл. 23.03.1990 г.).
Основным недостатком специализированных стендов является их ориентация на испытание лишь отдельных элементов гидросистем, что очевидно оправдано при массовой диагностике этих элементов на специализированных предприятиях. В условиях же предприятий, эксплуатирующих машины коммунального назначения с технологическими гидросистемами, иметь одновременно несколько специальных стендов нецелесообразно из-за низкой их эффективности по загрузке, значительным затратам на их приобретение и эксплуатацию.
К недостаткам существующих универсальных стендов относятся:
конструктивная сложность; необходимость в наличии подробной конструкторской, ремонтной, диагностической документации по испытываемым элементам гидросистем; неоправданно большой запас мощности привода стенда, рассчитанного на максимальную нагрузку при испытании насосов, гидромоторов в аварийных режимах работы.
В процессе же эксплуатации машин коммунального назначения требуется, как правило, проведение экспресс-диагностики элементов гидросистем по параметрам известных элементов-аналогов, в качестве которых могут быть приняты или новые элементы-аналоги, или диагностируемые элементы в их исправном состоянии. Поэтому для диагностики элементов гидросистем машин коммунального назначения необходим, во-первых, стенд, с помощью которого был бы реализован метод сравнения с аналогом, а, во-вторых, процесс диагностики базировался бы на достаточно апробированных методах и доступных средствах измерений и обработки их результатов.
Аналогом является изобретение (патент RU №2425259, МПК F15B 019/00, опубл. 27.07.2011 г., авторы: Бидуля А.Л., Бученко В.И., Краснов О.Г., Астанин Н.Н. «Способ диагностирования гидропривода»), в описании которого изложены диагностический стенд и способ сравнения. С этой целью стенд оснащают дополнительным датчиком, которым контролируют уровень жидкости в гидробаке, а также определяют потери рабочей жидкости в гидроприводе, а датчик давления устанавливают в газовой полости гидроаккумулятора, при этом контролируют не только давление зарядки газовой полости, но и рабочее давление жидкости. Процесс диагностики заключается в том, что регистрируют процесс изменения давления в гидроприводе и сравнивают полученные характеристики с эталонными характеристиками. Недостатком указанного и подобных стендов, реализующих способ сравнения, является то, что процесс сравнения действительного состояния гидропривода с эталонным состоянием выполняется лишь по параметру «давление», а не по функциональным параметрам (расход, плавность хода или частота вращения рабочего органа и т.п.), по техническому состоянию отдельных гидроэлементов. Такой вид диагностики не позволяет выявить конкретные причины неисправностей конкретных элементов гидросистем.
Прототипом, наиболее близким к предлагаемому изобретению, является «Стенд для испытания, диагностики гидрооборудования сельскохозяйственных машин и фильтрации масла Г477» конструкции ОАО «Гомельское специальное конструкторско-техническое бюро гидропневмоавтоматики» (Электронный ресурс, http://www.gsktb.com/html/pdf/G477.pdf).
Стенд предназначен для испытания и проведения регулировок гидрооборудования сельскохозяйственных тракторов, зерноуборочных и кормоуборочных комбайнов, экскаваторов, бульдозеров, грейдеров, авто- электро- и тракторных погрузчиков, лесозаготовительных, коммунальных и других мобильных машин.
Стенд обеспечивает испытание насосов, гидрораспределителей, гидроблоков, силовых гидроцилиндров, агрегатов гидрооборудования рулевого управления. Стенд состоит из гидробака, насоса, манометров, редукционных клапанов, предохранительного клапана, гидрораспределителя, гидродросселя, гидроцилиндра. На стенде проверяют: работоспособность, техническое состояние, наружную герметичность и внутренние утечки, давления настройки и срабатывания, холостого хода гидроэлементов, а также проверку перемещений золотников и штоков, точность фиксации их положения. К недостаткам этого стенда относятся: испытание и регулировки гидроэлементов выполняются лишь относительно нормативных значений характеристик; на стенде не предусмотрено определение причин несоответствия действительных значений характеристик гидроэлементов их номинальным значениям, т.е. причин возникновения неисправностей; исключается диагностика гидроэлементов по техническому состоянию без их снятия с машины коммунального назначения. Кроме того, этому стенду присущи указанные выше недостатки универсальных стендов.
Задачей изобретения является диагностика гидросистем машин коммунального назначения посредством диагностики отдельных гидроэлементов как в составе гидроситемы, так и отдельно от нее путем сравнения с аналогом по таким параметрам, как давление, температура, параметры вибрации с необходимой полнотой и глубиной поиска причин неисправностей в гидросистеме и ее элементах.
Поставленная задача достигается тем, что стенд для диагностики по аналогу гидросистем машин коммунального назначения, состящая из гидробака, насоса, стационарных манометров, термометров, предохранительного клапана, гидрораспределителей, гидродросселей, регулятора расхода, дополнительно содержит портативные виброметр и термометр, гидротестер и состоит из основной и вспомогательных гидролиний, предназначенных для подключения, соответственно, диагностируемых элементов гидросистемы и их элементов-аналогов, а также для фиксации в соответственых контрольных точках гидролиний стационарных и портативных датчиков диагностических параметров, показания которых используются в процессе диагностики для поиска и анализа причин неисправностей элементов в условиях эксплуатации или в стационарных условиях путем сравнения значений диагностических параметров с значениями соответственных параметров элементов-аналогов, в качестве которых, в общем случае, принимаются градиент температуры, перепад давления, виброскорость, виброускорение или виброперемещение в контрольных точках стенда или гидросистемы. Установление причин возможных неисправностей выполняется при выявлении отклонений значений диагностических параметров исследуемого элемента от значений соответственных диагностических параметров его аналога с использованием частных или обобщенных критериев подобия функционирования сравниваемых элементов гидросистемы. После установления причины неисправности элемента гидросистемы по частным критериям подобия функционирования рассчитывается численное значение возможного дефекта, например отклонение зазора в сопряжении (в подшипниках вала насоса и др.), жесткости пружины (в клапане и др.), проходного сечения (в каналах распределителя из-за засорения и др.) или другого показателя.
На фиг.1 представлена принципиальная гидравлическая схема стенда для диагностики по аналогу гидросистем машин коммунального назначения.
Стенд состоит из гидробака 1, контрольных точек присоединения диагностируемого насоса 2, термометров 3, диагностируемого насоса 4, муфты 5, регулируемого электродвигателя 6 привода диагностируемого насоса 4, тахометра 7, цифрового портативного виброметра 8, насоса стенда 9, электродвигателя привода 10, насоса стенда 9, обратных клапанов 12, датчиков давления 13, предохранительного клапана 11, масляного фильтра 14, регулятора расхода 15, гидротестера 17, гидрораспределителей 18, 22 и 23, регулируемого дросселя 19, диагностируемых элементов 25, контрольных точек 24 присоединения гидроэлементов, основной диагностической гидролинии 21 и вспомогательных диагностических гидролиний 16 и 20.
Использование стенда при диагностике по аналогу гидросистем машин коммунального назначения (МКН) осуществляется следующим образом.
Диагностика гидросистем в процессе эксплуатации МКН.
Диагностика гидросистем МКН в процессе их эксплуатации с использованием предложенного изобретения выполняется или периодически (например, при техническом обслуживании мусоровоза это могут быть ТО-2 и сезонное ТО), или по техническому состоянию по мере снижения технических показателей функционирования. Диагностика выполняется после типовых проверок технического состояния гидросистем, прописанных в руководствах по эксплуатации и после установления ее (диагностики) предполагаемой полноты. В качестве диагностических средств, в этом случае, используются портативные приборы для измерения температуры (например, многофункциональный термометр модели 568), виброскорости, виброускорений, виброперемещений (например, портативный виброметр модели 795М-107 В). В качестве диагностических параметров используются параметры вибрации, разность температур и давлений в контрольных точках гидросистем. Контрольные точки измерений определяются их методикой, а процесс измерений - инструкциями применения приборов. Проверке подлежат следующие показатели качества функционирования элементов гидросистем: кпд, предполагаемые величина и места износа в сопряжениях (для насосов), прочность, наружная герметичность, внутренние утечки, давление холостого хода, герметичность клапана ограничение хода (для гидроцилиндров), проверка перемещения золотника, фиксация золотника в рабочих позициях, возврат золотника в нейтральную позицию, давление настройки автомата возврата золотника, давление настройки и регулировки предохранительного клапана (для гидрораспределителей), наружная герметичность, внутренняя герметичность (для гидрозамков) и т.д. Результаты измерений фиксируются на дисплеях и в памяти цифровых приборов. Обработка результатов выполняется или по месту работы МКН, или на базе (в гараже, автопарке). При этом регистрируются или рассчитываются (при несложных расчетах, например, кпд с использованием термодинамического метода исследований) значения диагностических параметров. Оценка соответствия действительного технического состояния гидросистемы заданному техническому состоянию (работоспособному, например) выполняется путем сравнения полученных значений диагностических параметров с соответственными значениями параметров, характерными для элементов гридросистемы аналогичной, исправной МКН. При отрицательном результате сравнения элемент гидросистемы с отклонениями значений диагностических параметров, превышающих предельные нормативные значения или значения по аналогу, принимается решение о демонтаже элемента с МКН и его диагностике до необходимой глубины на стенде в стационарных условиях с целью определения причин неисправностей.
Диагностика гидросистем в стационарных условиях.
Диагностика гидросистем МКН в стационарных условиях выполняется с использованием предложенного изобретения с целью определения причин неисправностей элемента гидросистемы без его разборки, а также с целью регулировки и проверки значений параметров технического состояния после ревизии или ремонта. Определение возможных причин с требуемой глубиной и полнотой диагностики осуществляется на основе положений метода подобия функционирования технических систем (Першин В.А. Методология подобия функционирования технических систем [Текст]: Монография / В.А.Першин. - Шахты: ЮРГУЭС, 2004, стр 101-117, 140-153.).
Диагностика гидроэлементов (кроме насоса) в стационарных условиях выполняется в следующей последовательности.
1. В основную диагностическую гидролинию 20 и вспомогательную диагностическую гидролинию 21 устанавливаются, соответственно, диагностируемый и аналогичный ему (новый или исправный, или с заданным техническим состоянием) диагностируемые элементы 25 гидросистемы. Подсоединение диагностируемых элементов к стенду производится с помощью контрольных точек 24.
2. Гидрораспределитель 18 фиксируется в средней позиции.
3. Включается электродвигатель 10 привода насоса 9 стенда, масло из гидробака 1 поступает через обратный клапан 12, масляный фильтр 14, регулятор расхода 15, гидротестер 17, гидрораспределитель 23, предохранительный клапан 11 и сливается в гидробак 1.
4. Предохранительный клапан 11, регулятор расхода 15 и гидротестер 17 регулируются на максимальные расходы.
5. После выхода маслостанции на заданный температурный режим по маслу, включением гидрораспределителя 18 и переключением гидрораспределителя 23 в правую позицию вводится в работу вспомогательная диагностическая гидролиния 21.
6. Проводится настройка диагностируемого элемента 25 (элемента-аналога) по расходу и давлению с помощью регулируемого дросселя 19 на требуемый режим.
7. Производится регистрация диагностических параметров по элементу-аналогу.
8. Гидрораспределитель 18 переключается в среднюю позицию.
9. Гидрораспределитель 23 отключается, а гидрораспределитель 22 включается, диагностируемый элемент готов к диагностике.
10. Гидрораспределитель 18 переключается в левую позицию, основная диагностическая гидролиния 20 введена в работу.
11. Выполняется регистрация значений диагностических параметров по диагностируемому элементу, работающему в условиях заданного по аналогу режима. Перед входом в диагностируемые элементы и на выходе из них устанавливаются датчики температуры 3 и давления 13.
12. Выполняется обработка и сравнение значений диагностических параметров обоих элементов гидросистемы по заданному для аналога режиму.
13. При несоответствии значений диагностических параметров с использованием частных или обобщенных моделей подобия функционирования сравниваемых диагностируемых элементов 25 гидросистемы определяется возможная причина этого несоответствия и рассчитывается возможное отклонение зазора в сопряжении (люфт, например, в подшипниках вала насоса), или жесткости пружины (в клапане, например), или проходного сечения (в каналах) из-за засорения, или другая причина.
Диагностика насосов БГ12-4Б гидросистемы коммунальной машины выполняется в следующей последовательности.
1. В вспомогательную диагностическую гидролинию 16 стенда устанавливается диагностируемый насос 4, который посредством муфты 5 соединяется с регулируемым электродвигателем 6. Подсоединение насоса производится с помощью контрольных точек 2.
2. Гидрораспределитель 18 фиксируется в средней позиции.
3. На диагностируемый насос 4 устанавливается цифровой портативный вибродатчик 8, тахометр 7 и датчики температуры 3, на входе в насос и выходе из него.
4. Включается регулируемый электродвигатель 6 привода диагностируемого насоса 4 и масло из гидробака 1 подается насосом через вспомогательную диагностическую гидролинию 16 в гидротестер 17.
5. Выполняется установка частоты вращения вала диагностируемого насоса 4 посредством регулирования частоты вращения вала регулируемого электродвигателя 6 и ее контроля тахометром 7.
6. Регистрируются значения температуры масла на входе в диагностируемый насос 4 и выходе из него, в гидротестере 18, давления масла в гидротестере 18, а также виброускорения (виброскорости) диагностируемого насоса.
7. По индикаторной таблице или путем расчета по формуле (1):
<mrow><msub><mi>Q</mi><mi>T</mi></msub><mo>=</mo><mi>n</mi><mo>⋅</mo><mi>q</mi><mo>⋅</mo><mi>η</mi><mo>,</mo><mtext>                                                                  </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>1</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
T
определяются требуемое значение подачи Q при известном (по паспорту насоса) значении рабочего объема q и механического кпд (η).
g
8. По гидротестеру 18 регистрируется действительная подача масла диагностируемым насосом 4 при действительном давлении нагнетания P.
T
g
9. Сравниваются значения Q и P.
og
on
10. Рассчитывают действительное значение объемного кпд (η) диагностируемого насоса 4, которое сравнивают с паспортным значением (η)
g
T
11. Расчет кпд диагностируемого насоса 4 выполняют или по известной зависимости (1), как отношение значений Q или Q, или используя термодинамический метод и зависимость (2):
<mrow><msub><mi>η</mi><mrow><mi>o</mi><mi>g</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>2</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>T</mi><mrow><mi>Г</mi><mi>Т</mi></mrow></msub><mo>−</mo><msub><mi>T</mi><mn>1</mn></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow></mfrac><mo>,</mo><mtext>                                         </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>2</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
1
2
3
где T, T, Т - значения температуры масла соответственно на входе и выходе насоса, в гидротестере.
T
g
og
on
12. Путем анализа значений Q, Q, η, η формулируют вывод о пригодности диагностируемого насоса 4 к последующей эксплуатации и возможных причинах утечек (перетечек) в насосе.
13. Путем анализа действительных значений виброускорения (виброскорости) и сравнения их с аналогичными значениями насоса-аналога формулируют вывод о возможном дефекте (износе поверхностей, снижении жесткости пружин и др.) в элементах, сопряжениях насоса.
Пример применения стенда при диагностике гидросистемы.
В качестве примера диагностики гидроэлементов в стационарных условиях ниже рассмотрена диагностика пластинчатого насоса БГ12-4Б.
При проведении диагностики пластинчатых насосов в качестве структурных параметров были приняты: зазор между статором и ротором (по малой оси эллипса) - z, высота - Н и средний шаг - М волнистости участков поверхности статора в местах его износа (в зонах начала и окончания процесса всасывания масла); суммарная площадь поперечного сечения кольцевых рисок на поверхности статора в зоне нагнетания - f.
В качестве диагностических параметров приняты: подача насоса - Q; давление нагнетания - Р; виброускорение в зонах износа статора - α; коэффициент кинематической вязкости - ν; составляющая усилия прижатия пластин к поверхности статора, зависящая от давления нагнетания - F; ударная нагрузка, импульс силы, на пластину со стороны волнистости - N; условная величина изменения радиуса ротора вследствие неровностей, рисок на статоре - r; частота вращения вала насоса - n.
Методом подобия функционирования технических систем были получены следующие критерии подобия (π) функционирования насоса (3):
<mrow><mtable><mtr><mtd><mrow><msub><mi>π</mi><mn>1</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ν</mi><mi>F</mi></mrow><mrow><mi>Q</mi><mi>P</mi><mi>Z</mi></mrow></mfrac><mo>;</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>π</mi><mn>2</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>n</mi><mi>Δ</mi><msup><mi>r</mi><mrow><mn>0,2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mi>a</mi><mrow><mn>0,4</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>;</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>π</mi><mn>3</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>M</mi><msup><mi>a</mi><mrow><mn>0,2</mn></mrow></msup></mrow><mrow><msup><mi>Q</mi><mrow><mn>0,4</mn></mrow></msup></mrow></mfrac><mo>;</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>π</mi><mn>4</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>F</mi><mrow><mi>п</mi><mi>р</mi></mrow></msub></mrow><mrow><mi>P</mi><msup><mi>Z</mi><mn>2</mn></msup></mrow></mfrac><mo>;</mo></mrow></mtd><mtd><mrow><msub><mi>π</mi><mn>5</mn></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><mi>ν</mi><mi>H</mi></mrow><mi>Q</mi></mfrac><mo>;</mo></mrow></mtd></mtr></mtable><mtext>                </mtext><mrow><mo>(</mo><mtext>3</mtext><mo>)</mo></mrow></mrow>
Диагностика проведена на испытательном стенде (фиг.1). Выполнено диагностирование 5 насосов указанного типа.
Диагностируемые насосы имели различную наработку и степень износа рабочей поверхности статора, различные значения структурных параметров.
Диагностика проводилась в следующей последовательности. Перед началом испытаний стенд выводился на рабочий установившийся температурный режим. Насосы в заданном порядке устанавливали на стенде и после 30-минутной обкатки на холостом ходу постепенно, через интервал времени 20 с, повышали давление в гидросистеме стенда от 0 до 10 МПа с промежутком 1 МПа по насосам №1 и №2, а по остальным насосам от 0 до 20 МПа с промежутком 2 МПа.
После проведения эксперимента были построены графики. Исследованные насосы разбирались с целью измерения действительных значений структурных параметров.
На фиг.2 представлены, в качестве примера использования диагностических параметров, виброускорения корпусов различных насосов с характерными значениями структурных параметров внутренних поверхностей статоров: 1 - волнистость и значительные риски на внутренней поверхности статора; 2 - волнистость и незначительные риски на статоре; 3 - значительная волнистость на статоре; 4 - износ поверхности статора (Z=0,4 мм); 5 - новый насос.
Как следует из графиков, характер и величина изменения структурных параметров по-разному влияют на величину вибрации и давления нагнетания насоса (и изменения утечек масла). Из сравнения насосов №1 и №2 следует, что на вибрацию насоса существенное влияние оказывает изменение геометрии и состояния поверхности статора и, в меньшей степени, значение давления рабочей жидкости. Характерно также влияние величины волнистости (выработки) статора. Этот вывод следует из сравнения насосов №3 и №4. Кроме того, установлено, что наличие волнистости приводит при малых диапазонах давления и к некоторому повышению подачи насоса (очевидно вследствие увеличения рабочего объема насоса).
2
4
Использование критериев π и π позволяет рассчитать с последующей разборкой насосов №4 и №5 и измерением величины износа статора насоса №4 (AZ=0,03 мм) подтвердить эффективность использования стенда и предложенной методики.