РАСЧЕТНО-ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ МЕТОД ОЦЕНКИ ПОКАЗАТЕЛЕЙ НАДЕЖНОСТИ ГИДРОПРИВОДА НА ЭТАПЕ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И СТЕНД ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ

CALCULATED-EXPERIMENTAL METHOD OF EVALUATION OF THE RELIABILITY OF THE HYDRAULIC ACTUATOR AT THE DESIGN STAGE AND STAND FOR ITS IMPLEMENTATION

Victor Morozov

 candidate. tech. Sciences, General Director of LLC "Tetramaster"

Russia, Samara  

Igor Pavlovich

lead engineer SSAU

Russia, Samara

Marija Pavlov

Manager of JSC "Alpha-Bank"

Russia, Samara

Roman Klinov

Design engineer, of LLC "Tetramestre"

Russia, Samara

АННОТАЦИЯ

Приведены результаты анализа опубликованных работ по режимам работы гидроприводов и квалификационным показателям этих режимов. Предложен расчетно-экспериментальный метод оценки показателей надежности гидропривода на этапе проектирования с учетом квалификационных критериев.

ABSTRACT

The results of analysis of published papers on the modes of operation of the hydraulic cylinders and the qualifying performance of these modes. The proposed calculation-experimental method of evaluation of the reliability of the hydraulic actuator at the design stage considering the qualification criteria.

Ключевые слова: гидропривод, надежность, гидравлические испытания

Keywords: hydraulic, reliability, hydraulic tests

В процессе эксплуатации гидрофицированных машин и механизмов с объемным насосным гидроприводом с разомкнутым потоком (сельскохозяйственные и строительно-дорожные машины, станочное оборудование, гидроприводы в гидротехнике и на судоходных шлюзах, на стартовых ракетных комплексах, на самолетах и судах морского и речного назначения, на железнодорожном и автотранспорте и др.) реализуются различные режимы работы. В технической литературе наиболее часто используется следующая классификация - легкий, средний, тяжелый, весьма тяжелый режимы работы. Данная классификация идентична классификации режимов работы (6 групп 1М-6М) грузоподъемных механизмов, работающих с циклической повторяемостью величины нагружения согласно ГОСТ 25835-83. В качестве квалификационных показателей для гидропривода используются аналоги (например, гидропривод бульдозера - средний режим работы, гидропривод автокрана - тяжелый), количество включений гидропривода в единицу времени (до 100 включений в час - легкий режим работы определяется значениями, от 100 до 200 – средний, от 200 до 400 - тяжелый, от 400 до 800 - весьма тяжелый), коэффициент использования номинального давления (менее 0,4 - легкий, более 0,9 – весьма тяжелый), коэффициент продолжительности работы под нагрузкой (среднее значение 0,65 – тяжелый). Для грузоподъемных механизмов – классы нагружения В1-В4 и использования А0-А6.

Данные показатели позволяют конструктору на начальных стадиях проектирования при оптимизации принципиальной гидравлической схемы гидропривода, подборе необходимых гпдроаппаратов, определении веса, сроков службы и надежности ориентировочно учитывать внешние нагрузки. Однако характер нагружения и возможные изменения параметров рабочей жидкости в современных адаптивных гидроприводах, существенно влияющих на показатели надежности основных гидроаппаратов (объемных насосов, распределителей, гидроцилиндров и др.), до настоящего времени мало изучено. При серийном производстве влияние указанных параметров на работоспособность и надежность гидропривода определяется путем проведения специальных опытных и производственных испытаний на функционирование под нагрузкой, наработку на отказ, проводятся вибрационные испытания и др.

Для гидропривода единичного производства, например, гидропривод ворот судоходных шлюзов гидротехнических сооружений, характерен большой объем доводочных работ при эксплуатации, особенно если в конструкции используются инновационные решения. Поэтому на этапе проектирования возрастает роль предварительных расчетных и ограниченных экспериментальных оценок показателей надежности, связанных с режимом работы. Важную экономическую роль при этом имеет наличие такого специализированного оборудования. [4, С.167-171] Так же важны результаты анализа предварительных расчетов и экспериментальных исследований гидропривода и его моделей – важнейший элемент оптимизации проекта и существенный элемент снижения затрат на его реализацию.

Практика показывает, что расчеты показателей надежности, как правило, выполняются по среднестатистическим значениям коэффициентов интенсивности отказов входящих в гидропривод элементов, не привязанных к режиму работы, хотя в технической литературе приводятся диапазоны изменений этих коэффициентов. Так для объемных нерегулируемых насосов с электродвигателем коэффициент интенсивности отказов находится в интервале величин от 2,9*10^-6 до 61,6*10^-6, для исполнительных гидравлических цилиндров - от 0,08*10^-6 до 2,48*10^-6 и т.д. При статических нагрузках гидропривода характерен постепенный износ деталей элементов гидропривода, приводящий к снижению КПД, износу поверхностей гидравлических каналов, засорению фильтров и др. При динамических нагрузках наиболее характерными являются негерметичность соединений трубопроводов, а также несоответствие параметров гидроагрегатов установленным значениям. Например, для судовых гидроприводов, работающих в условиях качки судна, относительная величина отказов достигает следующих значений - 42% внешняя негерметичность, 16% несоответствие параметров, 12% нарушение динамической устойчивости, 10% конструктивные разрушения либо повреждения [5]. При переменных нагрузках возрастает роль параметров, влияющих на прочность элементов гидропривода.

На судоходных шлюзах внутренних водных путей Российской Федерации в рамках реализации Федеральной целевой программы «Развитие транспортной системы России», подпрограммы «Внутренний водный транспорт» проводятся работы по замене устаревшего оборудования, например, приводов ворот и затворов рабочих ворот на современный гидропривод с автоматизированной системой управления. Тип производства этих крупногабаритных гидроприводов большой массы – единичное. Цель работ – повышение безопасности и пропускной способности шлюзов при снижении затрат на эти работы. Возможные пути решения - инновационные разработки, позволяющие повысить ресурс технического оборудования, снизить негативное воздействие внешних возмущающих факторов, например, динамических волновых и ветровых нагрузок на систему «ворота шлюза - гидравлические приводы ворот шлюза», изменяющих параметры рабочей жидкости, например, модуля упругости, появления в ней нерастворенного воздуха из-за кавитационных процессов и гидроударов и т.д.

В настоящее время для перемещения ворот шлюзов шириной до 30 метров и массой до 300 тонн используются регулируемые многодвигательные объемные гидроприводы, работающие в режиме синхронизации при переменных нагрузках на штоки гидроцилиндров, изменяющих режимы работы гидропривода от легкого до весьма тяжелого. При этом скорости движения штоков гидроцилиндров приводов ворот, например, судоходного шлюза № 26 Балаковского РГСиС характеризуется величиной 0,2 м/мин. на операциях наполнения шлюза и 2,9 м/мин. на операциях закрытия ворот. Характерные отказы связаны с пульсациями давления рабочей жидкости  в гидросистеме, а также изменением скорости движения штока гидроцилиндра, приводящим к перекосу ворот при их движении. Одно из современных направлений развития объемного гидропривода - бесступенчатое автоматизированное многоканальное управление расходом рабочей жидкости, подаваемой в рабочие полости гидроцилиндров, исключением при этом тяжелых режимов работы и повышением показателей надежности входящих в систему гидропривода агрегатов [1, С.19-28; 2, С.124-125; 6, С.455-457]. Экономический эффект при этом достигается за счет оптимизации габаритных и весовых характеристик гидроагрегатов, их стоимости, сроков службы, минимизации затрат на техническое обслуживание и ремонт, а также за счет уменьшения времени вывода шлюза из эксплуатации на выполнение этих операций [3, С. 10-13].

Проведенный анализ опубликованных материалов по ускоренным и вибрационным испытаниям гидроприводов на надежность показал, что из многих показателей, характеризующих режим работы от среднего до весьма тяжелого, наиболее информативным является коэффициент пульсации давления в напорной гидролинии. Влияние этого показателя на показатели надежности различно при разных коэффициентах использования номинального давления. Исходя из этого для крупногабаритных высоконагруженных гидроприводов с номинальным давлением в напорной гидролинии 16 МПа (гидроприводы гидротехнических сооружений, строительно-дорожные машины и др.) авторами проведены исследования по выявлению этой зависимости для использования ее при предварительных расчетах показателей надежности гидропривода на этапе эскизного проектирования. Исследования проводились методом полного факторного анализа с использованием аналитических и экспериментальных данных. Коэффициенты пульсации давления и использования номинального давления представлены в кодированной форме согласно уравнения у = (х-х₀)/б. Здесь х₀ нулевой уровень коэффициента, б - интервал варьирования коэффициента. Полученная зависимость для коэффициентов интенсивности отказов гидроагрегатов описывается неполным квадратным уравнение

λ/2λ_ср = 0,625 + ,25к₁ + 0,125к₂ – 0,05к₁к₂,

где λ и λ_ср – расчетное и среднестатистическое значения коэффициентов интенсивности отказов гидроагрегатов соответственно,

к₁ - относительная кодированная величина коэффициента пульсации напорной гидролинии гидросистемы гидропривода стандартной ортогональной план-матрицы полного факторного эксперимента второго уровня.

к₁ = (к_п - 0,2)/0,15,

где к_п - коэффициент пульсации давления, определяется как отношение измеренных значений пульсаций давления на стенде или рассчитанных по формуле Н.Е. Жуковского для прямого гидравлического удара к номинальным давлениям.

к₂ – относительная кодовая величина коэффициента использования номинального давления.

к₂ = (к_д - 0,75)/0,15,

где к_д - коэффициента использования номинального давления, определяется как отношение рабочего давления к номинальному.

Определение коэффициента пульсации давления для каждой рассматриваемой блок-схемы на экспериментальном моделирующем стенде позволяет определить эти значения в широком диапазоне установочных параметров, в том числе параметрами рабочей жидкости (температурой, вязкостью, газосодержанием и т.д.). Аналогом такого стенда является моделирующий комплекс 100-КЭ с автоматизированной комбинированной многоканальной системой управления, разработанный ООО «Техтрансстрой» город Самара, с доработанными системами нагружения рабочего гидроцилиндра, с установкой в гидролинии регулируемого гидродросселя (патент на полезную модель РФ №165044, 2016) и установкой в баке на сливном патрубке устройства дегазации рабочей жидкости барботажно-волнового типа (патент на изобретение РФ №2556937, 2015).

Увеличение газосодержания жидкости достигается контролируемым вводом газа через редуктор во входной трубопровод насоса. Комплекс 100-КЭ эксплуатируется в НИЛ-57 Самарского университета имени академика С.П.Королева на протяжении пяти лет.

Алгоритм операций (Оп.) универсальный для всех рассматриваемых исполнений гидропривода. При возникновении посторонних стуков и вибрации гидропривод выключить. Установочные и контролируемые параметры должны записываться по времени для последующего анализа и расчетов.

Оп.1 Установка исходных данных в систему управления - обороты насоса, величины открытия окон регулируемых дросселей. Распределитель должен быть установлен в нейтральное положение

Оп.2 Включение гидропривода

Оп.3 Выход насоса на режим. Контроль по датчику оборотов насоса и давлению за насосом

Оп.4 Переключение распределителя в рабочее положение

Оп.5 Выход гидропривода на рабочий режим. Контроль по датчику давления перед рабочим гидроцилиндром и расходомеру

Оп.6 Ступенчатое нагружение штока  рабочего гидроцилиндра путем изменения открытия/ закрытия окна регулируемого дросселя в гидролинии нагрузочного гидроцилиндра. Изменение давления с датчика давления, установленного в напорной гидролинии рабочего гидроцилиндра, в автоматическом режиме передается в систему управления, где вырабатываются управляющие сигналы на регуляторы гидропривода для восстановления скорости движения поршня рабочего гидроцилиндра

Оп.7 Переключение распределителя и повторение оп.5 -оп.7 5-7 раз

Оп.8 Выключение гидропривода

Оп.9 Повторение операций 1-10 с другими исходными данными

Оп.10 Обработка результатов экспериментальных исследований

Оп.11 Расчет классификационных критериев режимов работы гидропривода

Оп.12 Расчет показателей надежности гидропривода при экспоненциальном законе распределения вероятности безотказной работы и принятие решений о оптимальности схемного решения гидропривода

Список литературы:

1. Баржанский Е.Е., Определение надёжности гидроприводов, выпускаемых в условиях единичного и мелкосерийного производства // Пневматика и гидравлика: Сб.науч.ст. Вып. 13. Под общ.ред. Е.В.Герц. - М.: Машиностроение, 1987
2. Методические указания на проектирование систем объемного гидропривода машин транспортного строительства [Текст] / М-во трансп. стр-ва. - Москва : Оргтрансстрой, 1972. - 143 с.
3. Морозов В.Н., Краснощеков И.Л., Павлович И.Л., Особенности технологических испытаний гидроприводов судоходных гидротехнических сооружений // Вестник машиностроения. 2014 г. №4
4. Морозов В.Н., Краснощеков И.Л., Павлович И.Л., Оптимизация инвестиционных проектов модернизации судоходных шлюзов по инновационным показателям Инновации в науке / Сб.ст. по материалам LI Международной научно-практической конференции №11(48). Часть I. Новосибирск: Изд. АНС «СибАК», 2015, -204 с.
5. Эксплуатация гидропривода. Характеристика отказов гидропривода [Текст], сайт «Библиотека морской литературы» https://www.sealib.com.ua/question/quest_sgp/04.html (дата обращения 27.02.2017 г.)
6. Юсенхан В.И., К вопросу критичности отказов гидроэлементов гидропривода лесозаготовительных машин // Научно-технический вестник Поволжья. 2012. № 6.