Обеспечение функциональной надежности элементов гидропривода оборудования лесных машин их тестовым диагностированием

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОПРИВОДА ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕСНЫХ МАШИН ИХ ТЕСТОВЫМ ДИАГНОСТИРОВАНИЕМ

Дроздовский Г.П., Юсенхан В.И.

On the basis of application of concept of functional reliability of a hydrodrive on the basis of parameters quantitative and quality standard of the functional importance and a level of refusals of elements in operation, and also their criticality the substantiation of systems of their test diagnosing during service of a hydrodrive is resulted.

Система стандартов "Надежность в технике" (ГОСТ 27.002-89, ГОСТ 1741191, ГОСТ 2.780-2.782-68 и другие) предусматривает создание нормативной базы обеспечения уровня требований и параметров оценки надежности гидросистем. Регламентируется комплекс нормируемых количественных критериев оценки надежности гидросистем в процессе проектирования по результатам данных фактической эксплуатационной надежности (анализ отказов по внешним проявлениям, их видам, технической сущности и причин отказов).

Внешние проявления отказов устанавливают органолептическими методами без использования диагностических средств. В результате этого основные агрегаты гидропривода зачастую снимаются с машин и направляются в ремонт с недоиспользованным на 20 - 30 % ресурсом. Несвоевременная замена агрегатов при досрочном исчерпании ресурса при усложнении условий эксплуатации, отличных от регламентированных, приводит к эксцессам (аварийным ситуациям) в работе гидросистем. Средством повышения функциональной надежности и эффективности технического обслуживания, предупреждения отказов при эксплуатации гидропривода является техническая диагностика, обеспечивающая прогнозирование остаточного ресурса агрегатов на задаваемых интервалах наработки.

Основу логической процедуры технического диагностирования составляет совокупность физических величин (диагностических параметров), с помощью которых при измерении определяются изменения параметров объектов диагностирования (зазоры, упругость, износ), т.е. то, что сказывается на передаточную функцию объекта диагностирования.

Наибольший практический интерес представляют параметры назначения и надежности объектов, находящиеся в функциональной зависимости от измеряемых физических величин (диагностических параметров). Элементы гидропривода (насосы, распределительные устройства, силовые исполнительные агрегаты, рукава высокого давления - РВД, РТИ и другие), образующие структуру гидропривода, находятся в сложном функциональном взаимодействии в процессе применения гидропривода. Они выполняют разную функцию, имеют разную частоту использования, отличаются вариацией нагруженности, и, следовательно, отличаются скоростью исчерпания ресурса. Прочностная и параметрическая равнона-дежность элементов гидропривода не может быть достигнута при вариации качества изготовления, функциональной значимости и критичности отказов элементов гидропривода. Требуется новая, качественная оценка по диапазону условий взаимодействия агрегатов и их эксплуатационного использования, по критерию

функциональной надежности и влияния на работоспособность гидропривода. Рассмотрим понятие функциональной надежности элементов гидропривода как оптимизацию рейтинга агрегатов при проведении их диагностирования.

Количественная оценка надежности гидропривода технологического оборудования лесозаготовительных машин, проводимая на базе данных эксплуатационной надежности (вид отказа, процентное количественное проявление отказов по элементам гидропривода), не позволяет в полном объеме учесть влияние функциональной значимости отдельных гидроэлементов, структуры гидросистемы, степень их резервирования, вид системы управления распределительными элементами. Уровень надежности гидропривода, кроме процессов износа и старения его элементов, всех видов причин изменения давления гидрожидкости и влияния факторов среды эксплуатации и режимов работы оборудования, в значительной степени определяется структурой гидропривода (функциональной значимостью ее образующих элементов), а также критичностью их отказов.

Исследование качественной оценки значимости возникающих отказов гидроэлементов гидропривода проводится двумя этапами:

- первый этап - определение функциональной надежности гидропривода по показателю Афгп с учетом функциональной значимости гидроэлементов Кфг и их коэффициентов отказов Ког;

- второй этап - отражает критичность (уровень тяжести) проявляющихся отказов у, что позволяет судить о сравнительно-экономических потерях в результате их проявления.

Для анализа причин отказов на базе схемы причинно-следственных связей разработан метод Б.М.Б.Л (схема Исикавы, МЭК 812-85, МЭК 1025-90) [1], который включает следующий алгоритм рассмотрения вопроса: элемент - его функция (Кф - коэффициент функциональной значимости в системе) - вид отказа -причина отказа - частость отказа (К0 - коэффициент отказа) - значимость отказа (Ку - коэффициент тяжести, "жесткости" отказа) - критичность экономических потерь от возникающих отказов (А,).

На первом этапе введем новое понятие - показатель функциональной на-

п п

дежности Афгпгидропривода в виде: Афгп=\-^Аф1 =\-^Кф1(\ +К01) (1), где

7=1 7=1

Аф1 = Кф1(\ + К01) (1), где Аф1 - показатель функциональной надежности /-го элемента; Кфг - коэффициент функциональной значимости г-го элемента в гидросистеме; К0г - коэффициент отказов г-го элемента по данным уровня эксплуатационной надежности в виде доли от всех отказов по гидросистемам лесных машин.

Показатель Афг характеризует влияние каждого элемента по совокупности

коэффициентов Кфг и К0г на степень (риск) нарушения функционирования гидросистемы и определяется структурно-логическим анализом гидросистем [2]. Функциональная значимость отдельных гидроэлементов при работе гидросистем зависит от их количества, от резервирования, от количества функциональных связей гидросвязей в структуре системы. Для определения коэффициента функциональной значимости гидроэлементов Кфг в гидросистемах управления оборудованием рассмотрено более 20 лесных машин. По технологическому диапазону

лесных машин от харвестеров до погрузчиков среднее значение коэффициента Кфг составило: насосы - Кфм = 0.275; распределители - кфру = 0,275; гидроцилиндры - Кфгц = 0.173; РТИ (в составе насосов, распределителей, гидроцилиндров) КфРТИ = 0.1775; РВД и трубопроводов - Кфтр = 0.211; фильтры и клапана - Кфф =

0.066. Общий суммарный коэффициент функциональной значимости всех гидроэлементов (без выделения РТИ в самостоятельные элементы) по гидросистеме будет равен:

Т,КФгп = Кфн +Кфру+Кфгц + К фтр +Кфф = 0.275 + 0.275 + 0.173 + 0.211 +0.066 =1.0

Для определения коэффициентов К по гидроэлементам использованы

данные по эксплуатационной надежности лесных машин различного технологического назначения [3], отраженные в таблице 1 (без постепенных параметрических отказов), где также по формуле (1) определен и приведен параметр функциональной надежности Аф1 элементов.

Таблица 1 - Коэффициент внезапных отказов К0г гидроэлементов от отказов по гидросистеме и параметр А^

Тип гидроэлемента Тип отказа с нарушением функционирования ( К 01) Е отказы среднее К 0 г АФ i

трещины разрушения РТИ

насосы, г/моторы 0,014 -0,054 0,012 - 0,036 0,026 - 0,09 0,058 0,291

распределители 0,018 -0,046 0,1 - 0,173 0,118 -0,220 0,169 0,3215

гидроцилиндры 0,055 -0,066 0,171 - 0,298 0,226 -0,364 0,295 0,224

РВД - 0,117 - 0,297 0,117 -0,297 0,207 0,31

трубопроводы 0,195 -0,378 - 0,195 -0,378 0,262

фильтры, клапаны 0,009 - - 0,009 0,0666

Суммарный показатель функциональной надежности элементов системы

п

при внезапных отказах элементов равен:

г=1

п

5Х/ = Лфи + Афру + Афгц + Афтр + Афф = 0.291 + 0.3215 + 0.224 + 0.31 + 0.0666 =1.0,

1=1

т.е. показатель функциональной надежности гидросистемы при одновременном

п

отказе всех элементов будет равен Афгп = 1.0-1.0 = о, и система перестает

7=1

функционировать. Чем ниже показатель Аф1, тем меньше влияние гидроагрегатов

на процесс утраты гидросистемой своих функциональных свойств.

На втором этапе качественной оценки надежности гидропривода по критичности (уровню тяжести) проявляющихся отказов используется рекомендуемый

показатель критичности отказов ^элемента с учетом вида отказа у представлен в виде [4]: Ау = (Лу/ЕАу)-100%. Однако, с введением нового понятия - параметр функциональной надежности элемента гидропривода Аф^ = Кф(1+К0), а с учетом вида у отказа Афу = Кф(1+К0у), показатель критичности отказов /-элемента по видам проявляющихся отказов у можно представить в виде: Ау = (Лу/ЕЛу)-Кф(1+КОу)-100% (2). Суммарный показатель критичности /-элемента по

т

всем видам отказов у будет: Щ > гДе " коэффициент функциональной

7=1

значимости /-элемента; К0/ - коэффициент отказа /-элемента; Ау - показатель критичности /-элемента у отказа; Лу = КуХуп (3); ЕЛу - сумма приведенных интен-сивностей всех у отказов /-элемента; Лу - приведенная интенсивность у вида отказов /-элемента; Ку - степень жесткости (тяжести последствий) у вида отказа; Ху -интенсивность отказа у вида /-элемента; п - число /-элементов в гидросистеме (насосов - 1 - 4; гидроцилиндров - 4 - 12; распределителей - 1 - 6; число золотников распределителей - 6 - 12).

Различаем следующие виды отказов у и степени жесткости Ку от вида отказа у

[1]:

- износ (постепенный параметрический вид отказа, ухудшающий работоспособность гидропривода, подчиняющийся нормальному распределению), Ку = 1 -6;

- заклинивание (защемление, внезапный вид отказа, нарушает функционирование гидропривода, подчиняется экспоненциальному закону проявления), Ку = 7

- 8;

- трещины (разрушение, разрыв) - (внезапный вид отказа, прекращение функционирования, экспоненциальный закон проявления), Ку = 9 - 10.

По данным анализа эксплуатационной надежности машин идентичных условий использования [5] определены уровни интенсивностей отказов элементов Ху гидропривода, где также указаны значения Ку отказов и пи принятые в расчете с учетом частичного количества разрушающихся от образования трещин элементов, приведенных в таблице 2.

Таблица 2 - ^ Значение параметров Ху, Ку, п,- принятые в расчете

Тип гидроэле- Характер отказа у

мента износ заклинивание разрушение

параметры Х у-106, 1/час Ку П/ Х /у-106, 1/час Ку П/ Х у-106, 1/час Ку П/

Насосы, гидромоторы 0.01 3 4 - - - 0.12 10 1

Распределительные устройства 0.054 3 10 0.112 8 10 1.0 10 1

гидроцилиндры 0.01 3 8 - - - 0.12 10 2

РВД, трубопроводы - - - - - - 0.56 10 16

Неподвижные 0.02 3 50

РТИ Подвижные 0.3 3 50 - - - - - -

Вращающиеся 0.7 3 30

По формулам (2) и (3) определены значения (средних по всем типам машин) показателей критичности Ау /-элементов по видам отказов у, отраженные в таблице 3.

Таблица 3 - Значения показателя критичности отказов Ау, % по элементам

гидропривода

Тип гидроэлемента Характер отказа ]

постепенные внезапные

износ заклинивание разрушение, разрыв

Насосы, гидромоторы 2.645 - 26.45 29.1

Распределительные устройства 3.024 10.45 18.67 32.14

гидроцилиндры 2.037 - 20.37 22.41

РВД, трубопрводы - - 15.72 15.72

РТИ Неподвижные 0.53 - - 19.5

Подвижные 7.9

Вращающиеся 11.06

27.2 10.45 82.62

Анализ уровня критичности отказов ЕА1 элементов гидропривода показывают, что наибольшие экономические потери от проявления отказов (без РТИ) имеют гидрораспределительные устройства, насосы, гидроцилиндры и трубопроводы (с РВД) - до 82,62 % при проявлении внезапных отказов. Критичность постепенных износовых отказов, особенно РТИ, составляет 27,2 %, что говорит о необходимости повышения их качества, а также об эффективной защите от загрязнения рабочей гидрожидкости.

Проведенный качественный анализ функциональной надежности гидроэлементов системы управления и критичности проявляющихся их отказов определяет рейтинг (первоочередную значимость) проведения необходимого тестового диагностирования в процессе сервисного обслуживания гидропривода. Своевременное определение текущего технического состояния гидроэлементов по критерию остаточного ресурса позволит предотвратить проявление критически значимых отказов, особенно внезапного проявления. Учитывая различный класс качества изготовления (высокий у насосов и гидромоторов) и их режимы эксплуатационного использования, первоочередная значимость проведения диагностирования должна быть у гидрораспределительных устройств и рукавов высокого давления РВД, последние имеют большое количество п = 16 - 50 штук на машину и их отказы, связанные с внезапным разрывом и выбросом почти всей гидрожидкости из системы, имеют значительные экономические и экологические последствия.

В УГТУ разработаны методы условно функционального (без изъятия распределителей из системы) и тестового (изъятие из системы) диагностирования. Оба метода позволяют по величине утечки гидрожидкости (диагностический параметр) через зазор прецезионного сопряжения плунжер золотника - гильза кор-

пуса в запертом состоянии распределителя - определить остаточный ресурс по величине зазора сопряжения.

Эти методы являются расчетно-экспериментальными, т.к. позволяют только косвенным (непрямым способом) определить суммарный по сопряжению зазор по величине утечки AQ, замеряемой в процессе диагностирования.

Условно функциональное диагностирование проводится в условиях реальной кинематической вязкости гидрожидкости (а = 6 - 30 сСт) при ламинарном режиме ее движения по зазору сопряжения и в значительной степени зависит от коэффициента ф = ^е), где в - величина эксцентриситета взаимного расположения осей плунжера и гильзы. Создав внешнюю нагрузку на силовой гидроцилиндр, управляемый диагностируемым золотником распределителя (находится в запертом положении), замеряют объем утечки Qут.л. через этот золотник, по величине которой рассчитывают фактический зазор сопряжения по формуле [6]:

S„ =1,563

j \

Вероятностный (случайный) характер эксцентриситета положения осей s в

I л

сопряжении сильно сказывается на коэффициент фл =

[1+1,5 ( s/S )2] = 1 - 2,5, что снижает достоверность замера Qym.n. (до 2,5 раз) при ламинарном режиме движения жидкости через зазор, определяемым большой вязкостью жидкости. Тестовое диагностирование, осуществляемое на стенде, позволяет за счет организации турбулентного режима движения маловязкой (а = 1 - 1,2 сСт) жидкости (вода с ингибитором) уменьшить влияние параметра s на коэффициент ф, т.е. фт =

I л

[1+0,2-( s/S) ] = 1 - 1,2. Диагностический параметр Qymm, замеряемый на этом режиме позволяет более достоверно определить суммарный зазор в сопряжении [6]:

S' =0,262-з

Л)1.'5 гг • п 1

'р'1

где d1 - диаметр плунжер-золотника (м);

5 - суммарный (диаметральный) зазор сопряжения (м); Ар - перепад давления жидкости относительно прохода плунжера (МПа); I - герметизирующая длина плунжера (м); а - кинематическая вязкость жидкости (сСт);

2 4

р - плотность жидкости (кгс-с /м );

ф - коэффициент эксцентричности положения плунжера в гильзе; в - эксцентриситет положения плунжера в гильзе (м);

-5

Qут - объем утечки через сопряжение (м /с).

Например, для распределителя У4960 (по данным Ковровского экскаватор-

3 3

ного завода) с параметрами прецезионного сопряжения: d1 = 35-10-

7 3

при предельной величине утечки Qуm.л, = 75-10- (м /с) величина зазора 5 составит по формуле (4): 5 = 19,67-10-6 м ~ 20^к, что является предельно допустимым зазором сопряжения, при котором распределитель должен быть заменен.

При тестовом диагностировании рассматриваемого распределителя при организации турбулентного режима движения жидкости (а = 1,2 сСт) по результа-

5 3

там экспериментов [6] Qуmm. = 10,2-10- (м /с) при 5 = 20^к, что в 13,6 раза выше, чем при ламинарном движении жидкости. Это повышает точность замера Qуm.m. и

точность определения зазора S (из-за меньшего влияния коэффициента ф) с 26 % до 4%.

Определяя в ходе диагностирования значение Qym,m рабочего плунжера распределителя, можно судить о величине зазора S в сопряжении и его остаточном ресурсе в единицах наработки (часах, числа включений).

Тестовое диагностирование рукавов высокого давления - РВД [7] - осуществляется по способам, разработанным в УГТУ (патенты №№ 901676 и 1393945). Способ статического диагностирования РВД позволяет установить зависимость вместимости РВД в функции наработки Т, т.е. AQ = f(T). Динамика изменения прямого диагностического параметра AQ для РВД В3НП при l = 1,0 м и deH = 2,5-10-4 м, Рраб = 25 МПа составляет [6]: Т = 0, AQ = 16,57-10-6 м3; Т = 106 циклов изменения давления, AQ = 18,610-6 м3; Т = 1,2-106 циклов, AQ = 20,37-10-6 м3 и далее до разрыва. По значению AQ в интервале наработки можно определить остаточный ресурс РВД в реальных условиях эксплуатации.

Способ тестового динамического диагностирования РВД позволяет сопоставимо косвенным путем определить остаточный ресурс по диагностическому параметру - частоте собственных колебаний fc РВД с жидкостью на параметрическом резонансе. Замеряя частоту возмущающих колебаний (впрыск через форсунку жидкости с частотой fc = 4 - 100 Гц в РВД с жидкостью с давлением до 4 МПа), фиксируемую разработанным прибором (частотный сумматор амплитуд колебания давления на параметрическом резонансе), определяем диагностируе-

-5

мый параметр fc. Динамика изменения fc = f(T), например, для РВД deH = 16-10-(м), l = 0,5 (м) при t °С = +25 °С следующая: Т = 0, f = 60,5 Гц; Т = 106, f = 44,8 Гц; Т = 2-106, f = 35,5 Гц; Т = 3106, f = 30,4 Гц; Т = 4-106, f = 28,3 Гц. РВД l = 0,7

Л

м, deH = 16-10- (м) при t °С = -45 °С имеет динамику изменения fc = f(T): Т = 0, fc = 45,3 Гц; Т = 106, fc = 24,0 Гц; Т = 2,0-106, fc = 17 Гц, что говорит об интенсивном старении РВД при низкой t °С. Уменьшение диагностического параметра f определяется до разрыва РВД (предельного его состояния). Определяя диагностированием текущее значение fc гидрошланга, можно прогнозировать остаточный ресурс РВД в конкретных условиях эксплуатации.

Таким образом, своевременное диагностирование при проведении сервисного обслуживания гидросистемы по рассмотренным гидроэлементам позволит предотвратить эксцессы в ее работе, исключить проявление критичных отказов и повысить функциональную надежность гидропривода.

Литература

1. Кубарев А.И. Надежность в машиностроении [Текст] / А.И. Кубарев. - М.: Изд. стандартов, 1989. - 224 с.

2. Комаров А.А. Надежность гидравлических устройств самолетов [Текст] / А.А. Комаров. - М.: Машиностроение, 1976. - 223 с.

3. Темкин В.Э. Привод машин и механизмов лесной промышленности и лесного хозяйства [Текст] / В.Э. Темкин, К.Г. Сауетин. - М.: Лесная промышленность, 1990. - 151 с.

4. Беленков Ю.А. и др. Надежность объемных гидроприводов и их элементов / Ю.А. Бе-ленков.- М.: Машиностроение, 1977. - 166 с.

5. Гриневич Г.П. и др. Надежность строительных машин /Г.П. Гриневич.-М.: Стройздат., 1975. - 295 с.

6. Дроздовский Г.П. Проектирование лесопромышленного оборудования. Учебное пособие. - Ухта: УИИ, 1991. - 133 с.

7. Дроздовский Г.П. Исследование процессов старения рукавов высокого давления гидропривода управления оборудованием лесозаготовительных машин. - Брянск: БГИТА, Актуальные проблемы лесного комплекса, сб. науч. трудов, выпуск №11, 2005. - 179 с.