СПОСОБ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОНТРОЛЯ ГЕРМЕТИЧНОСТИ КАЧАЮЩЕГО УЗЛА ГИДРАВЛИЧЕСКИХ МАШИН ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ
METHOD FOR AUTOMATED CONTROL OF TIGHTNESS OF PUMPING UNIT OF HYDRAULIC MACHINES OF VOLUMETRIC ACTION

Заявленное изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для контроля критичных параметров, непрерывного определения фактического технического состояния качающего узла гидравлических роторных машин, а также для определения фактически использованного и остаточного ресурса непосредственно во время работы механизма.
Реальное техническое состояние основного элемента энергообеспечивающей части гидросистемы в большинстве случаев оценивается только по давлению по показаниям манометров на нагнетательной линии гидронасоса, в то время как мощность N гидроустановки определяется по формуле 1:
где N - гидравлическая мощность, [кВт]
Р - давление в нагнетательной гидролинии, [бар]
Qν - объемная подача, [л/мин]
ν
Объемный расход Q определяет скорость перемещения исполнительного звена, и в случае параметрического отказа в виде недостаточной скорости производят диагностику элементов гидросистемы. Во время диагностики составляют перечень элементов, прямо или косвенно влияющих на возникновение данного отказа, в который попадают возможные отказы гидронасоса, распределительной и регулирующей аппаратуры, а также возможные неисправности элементов исполнительной части. Т.к. гидронасос является самой дорогой и сложной частью гидросистемы, а также по причине, что без гидронасоса нельзя проверить остальные элементы, то гидронасос проверяют в последнюю очередь. Ввиду отсутствия приборов контроля объемного расхода на нагнетательной линии оценку производят по признакам - вибрации, температуре, шуму. Данные диагностические признаки являются косвенными и не обладают достоверностью. В случае сомнений производят пробную замену насоса и оценивают результат этой замены. В результате выполнения данного алгоритма диагностика причины отказа занимает длительное время и часто со значительными материальными затратами (на приобретение нового насоса для пробного теста), в некоторых случаях, неоправданными. В условиях непрерывного производства потери времени приносят значительные материальные потери.
факт.
Информацию о реальном техническом состоянии гидравлической машины определяют путем расчета по формуле 1, но для этого необходимо иметь информацию о фактической подаче Qν гидронасоса, которая в подавляющем большинстве гидросистем отсутствует.
Основным показателем исправности и фактором, прямо влияющим на объемный КПД гидравлической поршневой роторной машины, а, следовательно, на использованный и остаточный ресурс, является герметичность подвижных соединений элементов качающего узла.
В настоящее время известны следующие способы диагностики герметичности качающего узла объемных гидравлических машин:
факт
подачи
факт
теор.
1. Способ №1 Сравнение теоретической и фактической подачи гидронасоса (Г.Н. Васильев «Ремонт насосов и гидроаппаратуры», Изд.: «Машиностроение», 107885, Москва, Б-78, 1 Басманный пер., 3, стр. 31, глава 3. Испытание насосов и гидроаппаратуры после ремонта) основан на определении технического состояния гидравлической машины путем измерения фактической подачи Оν. при максимальном давлении на напорной гидролинии насоса, для чего расходомерное устройство подключают гидравлически последовательно между нагнетательным каналом гидравлической машины и выходом в гидробак после нагрузочного устройства, и определения фактического значения коэффициента подачи К (объемного КПД) путем сравнения величины фактической подачи Qv .с теоретической подачей Qv [формула 2), измеренной на испытательном стенде без нагрузки, указанной в технической документации к данной гидравлической машине или рассчитанной по формуле 3:
подачи
где К - коэффициент подачи насоса;
факт.
Оν - фактическая подача, [л/мин];
тeop.
Qν - теоретическая подача, [л/мин].
тeop.
где Qν - теоретический объемный расход, [л/мин];
3
Vg - рабочий объем на 1 оборот, (см];
-1
n - частота вращения вала, (мин];
ν
η - объемный КПД
подачи
подачи
теор.
др.
Коэффициент подачи (объемный КПД) гидравлической машины (формула 2) описывает герметичность качающего узла гидравлической машины, состоящего из цилиндро-поршневых пар, опорных подпятников поршней и распределительного узла; для исправной гидравлической машины К составляет 0,92-0,98 (в зависимости от модели, рабочего объема, рабочего давления, вязкости рабочей жидкости и наличия контура гидравлического управления, значение К может различаться), при этом оставшиеся от 2 до 8% Qvрабочей жидкости в виде дренажного потока Qvнаправляются через дренажную гидролинию в гидробак.
Критерием предельного состояния гидравлических насосов по ГОСТ 13823-78 «Гидроприводы объемные. Насосы объемные и гидромоторы общие технические требования» является снижение коэффициента подачи не более чем на 20%, при достижении которого гидронасос подлежит замене, т.к. на этой границе происходит переход износа из стадии нормального в стадию аварийного с лавинообразным развитием.
Преимуществом способа №1 является высокая точность полученных данных. Недостатками способа №1 являются следующие факты:
- оценка состояния по данному методу может быть произведена только на гидравлическом испытательном стенде, для чего требуется остановка механизма, демонтаж гидравлической машины, транспортировка на испытательный стенд и проведение испытаний. Эта трудоемкая работа требует веских оснований, но в случае поиска причины недостаточных параметров потока рабочей жидкости основывается только на подозрениях; если подозрения не подтверждаются и отсутствуют основания для отбраковки насоса по результатам тестирования на испытательном стенде, операция производится в обратном порядке, что указывает на ее нецелесообразность ввиду значительной потери времени;
- таким образом можно произвести лишь диагностику, но не мониторинг;
- испытательные стенды и специалисты имеются далеко не на каждом предприятии.
2. Способ №2 Определение состояния гидравлической машины путем полной ее разборки, измерения зазоров и оценки состояния поверхностей элементов герметичных подвижных соединений качающего узла гидравлической машины (X. Экснер, Р. Фрейтаг, д-р Х. Гайс, Р. Ланг, Й. Оппольцер, П. Шваб, Е. Зумпф, У. Остендорфф, М. Райк. Изд. Бош Рексрот АГ Сервис Автоматизация Дидактика 64711 г. Эрбах Германия «Гидропривод. Основы и компоненты. Учебный курс по гидравлике, том 1, стр. 250).
Преимуществом способа №2 является возможность его реализации без гидравлического испытательного стенда.
Недостатками способа №2 являются следующие факты:
- для реализации этого способа требуется демонтаж и полный разбор гидравлической машины. Усложняет применение данного способа отсутствие в свободном доступе информации о величине зазоров в качающем узле в нормальном неизношенном состоянии для конкретной гидравлической машины, т.к. эта информация является интеллектуальной собственностью производителя;
- отсутствие на предприятиях, как правило, квалифицированного персонала для проведения подобной работы.
Таким образом, с применением существующих методов реальное текущее состояние работающей гидравлической машины на месте установки способами №1 и №2 определить невозможно. По указанным причинам, в случае наличия подозрений на неисправность или износ гидравлической машины, в большинстве случаев гидравлическая машина заменяется на новую при неполном использовании ресурса, или наоборот, работает за пределами нормального ресурса, что вызывает аварийный внезапный отказ гидравлической машины с попаданием продуктов разрушения качающего узла в гидросистему.
Ближайшим по замыслу аналогом является способ автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия по US 5563351 A с тем отличием, что в нем описано только определение превышения предельного расхода в дренажной гидролинии как критерий для замены гидронасоса, в то время как использованный и оставшийся ресурс гидравлической машины в текущий момент не может быть определен, что не позволяет применить методы планирования. В качестве измерительного устройства предложено сопло Вентури, перепад давления на котором указывает на величину расхода, т.е. применен динамический принцип, отличающийся низкой точностью на малых расходах и высоким гидравлическим сопротивлением на больших расходах, что снижает достоверность полученной информации, а также может нанести вред испытуемому гидронасосу в виде значительного сопротивления в дренажной гидролинии.
Техническим результатом заявленного способа является возможность замены изношенной гидравлической машины в плановом режиме, по факту использования полного ресурса гидравлической машины, не допустив аварийной остановки оборудования.
Указанный технический результат достигается в способе автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия, который заключается в том, что расходомерное устройство подключают гидравлически последовательно между дренажной гидролинией контролируемой гидравлической машины и гидробаком, при этом оценку герметичности качающего узла и автоматическое определение на основе этой оценки фактически использованного и остаточного ресурса гидравлической машины производят непрерывно, непосредственно во время работы механизма, путем сравнения фактической величины расхода в дренажной гидролинии с эталонными значениями минимального и максимального расхода в дренаж, при этом расходомерное устройство выполняют объемным с тахометром на его валу.
Заявленный способ автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия поясняется чертежами, на которых показано:
на фиг. 1 - принципиальное место расположения расходомерного устройства относительно гидравлической машины;
на фиг. 2 - схема к расчету величины через кольцевую щель зазора поршневой пары качающего узла гидравлической машины;
на фиг. 3 - принципиальная схема подключения расходомерного устройства к ЭВМ;
на фиг. 4 - диаграмма расхода в дренажной гидролинии испытуемой гидравлической машины.
Предлагаемый способ автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия заключается в постоянном непрерывном объемном измерении расхода в дренажной гидролинии гидравлической машины (фиг. 1) непосредственно во время работы механизма при помощи расходомерного устройства 1, установленного в дренажную гидролинию контролируемого гидронасоса 2, подключенную к гидробаку 3, основан на факте непосредственной обратной зависимости величины эффективной подачи гидронасоса от величины утечки в дренаж, а также на факте значительного увеличения расхода в дренажной гидролинии вследствие снижения герметичности качающего узла, и описывается формулой (4):
тeop.
где Qν - теоретическая подача, л/мин.;
факт.
Qν - фактическая подача, л/мин;
др.
Qν - расход в дренажной гидролинии, л/мин.;
др.
/факт
Суть изобретения состоит в том, что по мере износа поверхностей элементов гидравлических сопряженных пар качающего узла гидравлической машины происходит значительное увеличение зазоров в указанных соединениях качающего узла, следствием которого является увеличение расхода по дренажной гидролинии Qv. с одновременным снижением подачи Qv.(см. формулу 5).
Величина утечек при ламинарном режиме движения для гладкой кольцевой щели постоянного сечения (фиг. 2) на примере зазора между плунжером 4 и гильзой поршневого блока 5, опирающегося на распределительный диск 6:
где q - утечка, м3/с;
D - диаметр плунжера, /и;
δ - зазор на сторону, м (при концентрическом расположении плунжера);
g - ускорение свободного падения;
2
ν - кинематическая вязкость, м/с;
l
- длина плунжера, м (контакта);
Н - перепад напора, м.
Анализ формулы 5 показывает, что величина утечки в дренажную гидролинию q находится в пропорциональной квадратичной зависимости от величины кольцевого зазора 6 поршневых пар качающего узла, что повышает точность предлагаемого метода по сравнению со способом №1. Так как эти величины взаимосвязаны тем фактом, что зазоры в подвижных герметичных соединениях качающего узла в фазе нагнетания соединяют нагнетательную линию с внутренним объемом картера гидравлической машины, который, в свою очередь, соединен дренажной гидролинией с гидробаком, расход в дренажной гидролинии может быть использован как диагностический признак, прямо указывающий на герметичность качающего узла. Оценку состояния производят в максимально нагруженном состоянии гидравлической машины, т.е. при максимальном рабочем давлении.
Для определения величины расхода предлагается применить расходомерное устройство, выполненное в виде объемного расходного устройства 7 (фиг. 3) с тахометром на его валу.
Показания расходомерного устройства могут быть преобразованы в оценочный показатель следующими устройствами:
1. Визуальный индикатор состояния - шкала визуального индикатора градуирована для отображения состояний «Норма», «Предельное», «Неисправное», а также в других, соответствующих данным понятиям по смыслу терминах, символах или цветах, указывающих на нормальное, предельное и неисправное состояние качающего узла гидравлической машины.
2. Электронный индикатор состояния - показания измерительного устройства в виде электронного сигнала от тахометра 8 на валу объемного расходомера 7 передаются через аналогово-цифровой преобразователь АЦП 9 и обрабатываются в электронном устройстве - встроенном микроконтроллере или внешнем контроллере 10, пересчитывают по формуле 6 и передаются на ЭВМ оператора 11, на рабочем экране которого в специальном поле отображается информация о реальном текущем состоянии гидромашины в процентах остаточного ресурса и/или состояний «Норма», «Предельное», «Неисправное» (фиг. 3).
Определение остаточного ресурса R (в процентах от исходного состояния, %) гидравлической машины производят по формуле 6:
др
факт.
где Qv. - фактический измеренный расход в дренажной гидролинии гидравлической машины;
др.мин.
meop
Qν. - минимальный (номинальный) расход в дренажной гидролинии, соответствующий 0% износа, указан в технической документации к гидравлической машине, или, при отсутствии данной информации в технической документации к конкретной контролируемой гидравлической машине, рассчитывают от 2 до 8% Qv.
др.макс.
Qν - максимальный расход в дренажной гидролинии, соответствующий 100% износа, определяют по формуле 7:
Для отображения дискретных состояний остаточного ресурса R соотношение аналоговой величины, рассчитанной по формуле 6, выраженной в % и дискретных состояний располагают в диапазонах:
- Норма - от 0 до 90%;
- Предельное - от 90 до 100%;
- Неисправное - более 100%,
либо других близких значениях диапазонов, определяемых из конкретных условий.
Преимуществами приведенного способа автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия являются:
теор
теор.
1. расходомерное устройство, расположенное на дренажной, а не на нагнетательной гидролинии, работает в условиях меньших расходов (от 0 до 28% Qv. против 100% Qv) и давлений (0-2 бар против 100% максимального рабочего давления), по этой причине расходомерное устройство имеет малые габариты, существенно более низкую стоимость, т.к. может быть изготовлено из полимерных и композитных материалов, и более высокую надежность;
2. высокий ресурс расходомерного устройства ввиду относительно низкого расхода, давления и полного отсутствия нагрузки гарантирует высокую точность на всем ресурсе контролируемой гидравлической машины;
3. простота реализации и низкая стоимость оборудования позволяют применить описанный метод для организации мониторинга гидравлических машин как на стадии проектирования гидросистемы, так и для дооборудования системой мониторинга смонтированного и работающего оборудования;
4. возможность установки гидравлической машины на стационарные и мобильные гидросистемы, даже с учетом компактного исполнения, ввиду малых габаритов;
5. интегрирование расходомерного устройства в корпус насоса при его производстве;
6. возможность оценки состояния качающего узла как гидравлических насосов, так и гидромоторов, а также делителей потока на базе поршневых гидравлической машин объемного типа;
7. высокая точность диагностирования, ввиду малой величины расхода (относительно подачи насоса) и многократного роста расхода в дренажной гидролинии при износе качающего узла;
8. возможность осуществления постоянного непрерывного мониторинга текущего состояния качающего узла гидравлической машины непосредственно во время работы механизма.
При соблюдении требования производителя гидронасоса о допустимом давлении в дренажной гидролинии в виде гидравлического сопротивления расходомерного устройства данное устройство не влияет на работу гидронасоса и гидросистемы в целом. Недостатками диагностических способов №1 и 2 предлагаемый метод не обладает.
теор.
макс.
meop
теор
др.мин.
др.макс.
Описанный способ автоматизированного непрерывного определения остаточного ресурса гидравлических поршневых роторных машин путем контроля герметичности качающего узла прошел практическое испытание на гидронасосе A10VSO 71 DR/31R-PPA12N00 Rexroth. Данный насос является аксиально-поршневой регулируемой гидравлической машиной. Согласно паспортным данным (RRS 92711/06.09) при n=1500 об/мин. и Р=0 бар теоретическая подача Qν=107 л/мин., при максимальном давлении Р=350 бар теоретическая подача Qν.=98 л/мин., что означает, что при максимальном рабочем давлении через зазоры качающего узла утечка рабочей жидкости составит 107-98=9 л/мин, что составляет 8,4% Qν., и принимается исходным для оценки состояния качающего узла в 100% остаточного ресурса. Измеренный фактический расход в дренажной гидролинии составил Qν=9,2 л/мин., что соответствует нормальному состоянию качающего узла. Предельное значение Qν=9,2+0,2×107=30,6 л/мин определено по формуле 7. Расход в дренаж через контур управления гидравлической машины является величиной постоянной, с износом качающего узла не связан, составляет для данной модели около 3 л/мин. - при расчетах не учитывался, т.к. влияния на расчет ресурса не оказывает. Гидронасос установлен на гидравлическом прессе в составе насосно-аккумуляторного гидропривода, режим работы механизма непрерывный круглосуточный, с периодичным колебанием давления на выходе насоса от 30 до 320 бар на 2-3 минуты через каждые 3-4 минуты, рабочая жидкость SHELL TELLUS S2 V68, максимальная рабочая температура 50°С.
Измерение фактического расхода в дренажной гидролинии в течение 12 месяцев эксплуатации (таблица 1) показало экспоненциальный рост количества утечек.
При достижении величины расхода в дренажной гидролинии Qvдр=30 л/мин, соответствующей предельному значению Qvдр.макс. (точка А на фиг. 4) в конце 12 месяца эксплуатации была произведена рекомендованная замена гидронасоса.
факт.
Диагностика демонтированной гидравлической машины по способу №1 - испытание на гидравлическом испытательном стенде - подтвердила снижение эффективной подачи насоса Оv до значения 78 л/мин. при максимальном рабочем давлении, что указывает на наличие критического износа элементов качающего узла.
Диагностика по способу №2 - разбор гидравлической машины - подтвердила наличие увеличения зазоров в поршневых парах качающего узла вследствие механического трения и абразивного износа до 0,089-0,095 мм, а также наличие повреждений опорной поверхности распределительного диска вследствие механического трения, абразивного и кавитационного повреждения глубиной до 0,35-0,42 мм, что фактически указывает на предельное состояние качающего узла испытываемого насоса.
Таким образом, описанный способ полностью подтвержден практическим применением, т.к. замена изношенной гидравлической машины была произведена в плановом режиме, по факту использования полного ресурса гидравлической машины, не допустив аварийной остановки оборудования. Информация о техническом состоянии гидравлической машины является достоверной, доступной для оценки в любое время и может быть применена в интересах планирования ремонтов оборудования.