ОБЕСПЕЧЕНИЕ ФУНКЦИОНАЛЬНОЙ НАДЕЖНОСТИ ЭЛЕМЕНТОВ ГИДРОПРИВОДА ОБОРУДОВАНИЯ ЛЕСНЫХ МАШИН ИХ ТЕСТОВЫМ ДИАГНОСТИРОВАНИЕМ

 

Дроздовский Г.П., Юсенхан В.И. (УГТУ, г.Ухта, РФ)

 

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 17411-91, 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 равнонадежность 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 А_фгп с учетом функциональной значимости гидроэлементов К_фi и их коэффициентов отказов К_оi;

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

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

На первом этапе введем новое понятие - показатель функциональной надежности гидропривода в виде:  (1), где  (1), где  – показатель функциональной надежности i-го элемента;  – коэффициент функциональной значимости i-го элемента в гидросистеме;  – коэффициент отказов i-го элемента по данным уровня эксплуатационной надежности в виде доли от всех отказов по гидросистемам лесных машин.

Показатель  характеризует влияние каждого элемента по совокупности коэффициентов  и  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  в гидросистемах управления оборудованием рассмотрено более 20 лесных машин. По технологическому диапазону лесных машин от харвестеров до погрузчиков среднее значение коэффициента  составило: насосы – = 0.275; распределители –  = 0,275; гидроцилиндры – = 0.173; РТИ (в составе насосов, распределителей, гидроцилиндров) = 0.1775; РВД и трубопроводов – = 0.211; фильтры и клапана – = 0.066. Общий суммарный коэффициент функциональной значимости всех гидроэлементов (без выделения РТИ в самостоятельные элементы) по гидросистеме будет равен:

        Для определения коэффициентов  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  элементов.

 

Таблица 1 – Коэффициент внезапных отказов  гидроэлементов от отказов по гидросистеме и параметр

Тип гидроэлемента	Тип отказа с нарушением функционирования ()		Σ отказы	среднее
	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  при внезапных отказах элементов равен:

,

т.е. показатель функциональной надежности гидросистемы при одновременном отказе всех элементов будет равен , и система перестает функционировать. Чем ниже показатель , 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 i-элемента с учетом вида отказа j представлен в виде [4]: А_ij = (Λ_ij/ΣΛ_ij)·100%. Однако, с введением нового понятия – параметр функциональной надежности элемента гидропривода A_фi = К_фi(1+K_oi), а с учетом вида j отказа A_фij = К_фi(1+K_oij), показатель критичности отказов i-элемента по видам проявляющихся отказов j можно представить в виде: А_ij = (Λ_ij/ΣΛ_ij)·K_фi(1+K_oij)·100% (2). Суммарный показатель критичности i-элемента по всем видам отказов j будет: , где К_фi - коэффициент функциональной значимости i-элемента; К_oi – коэффициент отказа i-элемента; А_ij – показатель критичности i-элемента j отказа; Λ_ij = К_j·λ_ij·n_i (3); ΣΛ_ij – сумма приведенных интенсивностей всех j отказов i-элемента; Λ_ij – приведенная интенсивность j вида отказов i-элемента; К_j – степень жесткости (тяжести последствий) j вида отказа; λ_ij – интенсивность отказа j вида i-элемента; n_i – число i-элементов в гидросистеме (насосов – 1 – 4; гидроцилиндров – 4 – 12; распределителей – 1 – 6; число золотников распределителей – 6 – 12).

Различаем следующие виды отказов j и степени жесткости К_j от вида отказа j [1]:

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

- заклинивание (защемление, внезапный вид отказа, нарушает функционирование гидропривода, подчиняется экспоненциальному закону проявления), К_j = 7 ÷ 8;

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

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

 

Таблица 2 - Значение параметров λ_ij, K_j, n_i, принятые в расчете

Тип гидроэлемента	Характер отказа j
	износ			заклинивание			разрушение
параметры	λij·106, 1/час	Kj	ni	λij·106, 1/час	Kj	ni	λij·106, 1/час	Kj	ni
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
РТИ	Неподвижные 0.02	3	50	-	-	-	-	-	-
	Подвижные 0.3	3	50
	Вращающиеся 0.7	3	30

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

 

Таблица 3 - Значения показателя критичности отказов А_{ij, %}  по элементам гидропривода

Тип гидроэлемента	Характер отказа j			ΣАi
	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
ΣАij	27.2	10.45	82.62

 

Анализ уровня критичности отказов ΣА_i 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 n = 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 корпуса 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 ΔQ, замеряемой в процессе диагностирования.

Условно функциональное диагностирование проводится в условиях реальной кинематической вязкости гидрожидкости (σ = 6 – 30 сСт) при ламинарном режиме ее движения по зазору сопряжения и в значительной степени зависит от коэффициента φ = f(ε), где ε – 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 Q_ут.л. через этот золотник, по величине которой рассчитывают фактический зазор сопряжения по формуле [6]:

 (м)                                   (4)

Вероятностный (случайный) характер эксцентриситета положения осей ε в сопряжении сильно сказывается на коэффициент φ_л = [1+1,5·( ε/S^')²] = 1 ÷ 2,5, что снижает достоверность замера Q_ут.л. (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 (σ = 1 – 1,2 сСт) жидкости (вода с ингибитором) уменьшить влияние параметра ε на коэффициент φ, т.е. φ_т = [1+0,2·( ε/S^')²] = 1 ÷ 1,2. Диагностический параметр Q_ут.т, замеряемый на этом режиме позволяет более достоверно определить суммарный зазор в сопряжении [6]:

 (м),                                     (5)

где d₁ – диаметр плунжер-золотника (м);

       S^' – суммарный (диаметральный) зазор сопряжения (м);

       Δр – перепад давления жидкости относительно прохода плунжера (МПа);

       l – герметизирующая длина плунжера (м);

       σ – кинематическая вязкость жидкости (сСт);

       ρ – плотность жидкости (кгс·с²/м⁴);

       φ – коэффициент эксцентричности положения плунжера в гильзе;

        ε – эксцентриситет положения плунжера в гильзе (м);

        Q_ут – объем утечки через сопряжение (м³/с).

Например, для распределителя У4960 (по данным Ковровского экскаваторного завода) с параметрами прецезионного сопряжения: d₁ = 35·10^-3 (м); l = 9·10^-3 (м) и при φ = 1,0; σ = 3·10^-5 (м²/с); ρ = 86,6 (кгс·с²/м⁴); Δр = 25 МПа (25·10⁵кг/м²) при предельной величине утечки Q_ут.л. = 75·10^-7 (м³/с) величина зазора S составит по формуле (4): S = 19,67·10^-6 м ≈ 20μ_к, что является предельно допустимым зазором сопряжения, при котором распределитель должен быть заменен.

При тестовом диагностировании рассматриваемого распределителя при организации турбулентного режима движения жидкости (σ = 1,2 сСт) по результатам экспериментов [6] Q_ут.т. = 10,2·10^-5 (м³/с) при S = 20μ_к, что в 13,6 раза выше, чем при ламинарном движении жидкости. Это повышает точность замера Q_ут.т. и точность определения зазора S (из-за меньшего влияния коэффициента φ) с 26 % до 4%.

Определяя в ходе диагностирования значение Q_ут.т 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. ΔQ = f(Т). Динамика изменения прямого диагностического параметра ΔQ для РВД В3НП при l = 1,0 м и d_вн = 2,5·10^-4 м, Р_раб = 25 МПа составляет [6]: Т = 0, ΔQ = 16,57·10^-6 м³; Т = 10⁶ циклов изменения давления, ΔQ = 18,6·10^-6 м³; Т = 1,2·10⁶ циклов, ΔQ = 20,37·10^-6 м³ и далее до разрыва. По значению ΔQ 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 f_с РВД с жидкостью на параметрическом резонансе. Замеряя частоту возмущающих колебаний (впрыск через форсунку жидкости с частотой f_с = 4 – 100 Гц в РВД с жидкостью с давлением до 4 МПа), фиксируемую разработанным прибором (частотный сумматор амплитуд колебания давления на параметрическом резонансе), определяем диагностируемый параметр f_с. Динамика изменения f_с = f(Т), например, для РВД d_вн = 16·10^-3 (м), l = 0,5 (м) при t ºС = +25 ºС следующая: Т = 0, f_с = 60,5 Гц; Т = 10⁶, f_с = 44,8 Гц; Т = 2·10⁶, f_с = 35,5 Гц; Т = 3·10⁶, f_с = 30,4 Гц; Т = 4·10⁶, f_с = 28,3 Гц. РВД l = 0,7 м, d_вн = 16·10^-3 (м) при t ºС = -45 ºС имеет динамику изменения f_с = f(Т): Т = 0, f_с = 45,3 Гц; Т = 10⁶, f_с = 24,0 Гц; Т = 2,0·10⁶, f_с = 17 Гц, что говорит об интенсивном старении РВД при низкой t ºС. Уменьшение диагностического параметра f_c определяется до разрыва РВД (предельного его состояния). Определяя диагностированием текущее значение f_c 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. Беленков.- 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.