CC BY
66
УДК 69.002.51.192:621.225.2
Д.Ю. Кобзов, С.П. Ереско, А.Ю. Кулаков, В.И. Липецкий, Д. Лханаг БОРТОВАЯ ДИАГНОСТИКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГИДРОЦИЛИНДРОВ МАШИН
Увеличение мощностей машин сопровождается повышением уровня давления рабочей жидкости гидросистем, увеличением скорости перемещения штока гидроцилиндра и его хода, а также размеров гидроцилиндров. Негативным проявлением этого, является резкое увеличение эксплуатационных нагрузок, ухудшение условий и режима функционирования гидроцилиндров, а вслед за этим неизбежное снижение их надежности. В этих условиях становится ясно, что диагностирование гидроцилиндров должно проводиться не только по параметрам герметизации, но и по параметрам их несущей способности.
Гидроцилиндр, деформация, диагностика, напряжения, несущая способность, прогиб D.Yu. Kobzov, S.P.Eresko, A.Yu. Kulakov,V.I. Lipetskiy, D. Lhanag
ON-BOARD DIAGNOSTICS OF THE BEARING CAPACITY HYDRAULIC CYLINDERS IN CARS
Increase of capacities of machinery is accompanied by increase of level ofpressure of a working liquid of hydrosystems, increase in speed of moving of a rod of the hydrocylinder and its rod moving, and also the sizes of hydrocylinders. Negative display of it, the sharp increase in operational loadings, deterioration of conditions and a mode of functioning of hydrocylinders, and after this, inevitable decrease in their reliability is. In these conditions it becomes clear that diagnosing of hydrocylinders should is spent not only on hermetic sealing parametres, but also on parametres of their load-carrying ability.
Hydrocylinder, deformation, diagnostics, stress, load-carrying ability, deflection
Очевидно, что уровень эксплуатационной надёжности во многом определяется качеством мероприятий технического обслуживания и ремонта (ТО и Р), имеющих своей целью поддержание и, при необходимости, восстановление работоспособности ДСМ [1, 2].
Используемая в настоящее время система планово-предупредительных ремонтов ДСМ, основанная на установлении целесообразности проведения ТО и Р и назначении требуемого объёма ремонтных воздействий, к сожалению, обладает рядом недостатков, к числу которых, в первую очередь, следует отнести возможность отправки в ремонт ДСМ, не выработавших свой ресурс, и, следовательно, в таковом не нуждающихся. Отсюда, возникновение дополнительных простоев ДСМ, снижение их производительности, увеличение стоимости, трудоёмкости и продолжительности ТО и Р, перерасход запчастей и горюче-смазочных материалов и многое другое, а в целом, снижение эффективности эксплуатации ДСМ [2, 3].
Альтернативой существующей системе планово-предупредительных ремонтов справедливо считается система ТО и Р ДСМ «по-потребности», то есть установление необходимости и назначение требуемого объёма ремонтных воздействий в зависимости от действительного технического состояния технического объекта, определённого в процессе оперативного диагностирования. Такая система, основанная на принудительном контроле технического состояния в процессе эксплуатации, позволяет, кроме всего прочего, в перспективе отказаться от целого ряда обязательных регламентных работ, заменив их требуемыми ремонтными мероприятиями [3-5].
Как отмечалось ранее, увеличение единичных мощностей машин подразумевает, применительно к гидроцилиндрам привода рабочего оборудования, повышение уровня давления рабочей жидкости гидросистем, увеличение скорости перемещения штока, и его хода, а также размеров гидроцилиндров и, зачастую, интенсивности использования их во времени [6, 7]. Негативным проявлением этого, является резкое увеличение эксплуатационных нагрузок, ухудшение условий и режима функционирования гидроцилиндров, а вслед за этим, неизбежное снижение их надёжности, в частности из-за потери прочности длинномерными элементами гидроцилиндра [6, 8]. В этих условиях становится ясно, что диагностирование гидроцилиндров должно проводиться не только по параметрам герметизирующей способности их уплотнительных сопряжений [2, 3, 5, 8-10], в том числе и с использованием нетрадиционных сред [11, 12], но и по параметрам их несущей (нагрузочной) способности [8, 9, 13-16] и желательно непосредственно в условиях эксплуатации.
В процессе эксплуатации вследствие накопления элементами гидроцилиндра повреждений [16] происходит увеличение его поперечной деформации, что приводит к росту напряжений о^Зс), которые должны контролироваться в процессе проведения диагностирования и ограничиваться условием непревышения [17] с целью исключения отказа из-за искривления штока гидроцилиндра и последующего его заклинивания в гильзе [8, 9, 14-16].
С учётом параметров наибольшего (критического) нагружения гидроцилиндра в процессе функционирования условие прочности принимает вид
(Хо , 2к , 0к , рк ) <[(Гк (ха, 2к , 0к , рк )],
где а (хо, 2к, 0к, рк)- накапливаемые текущие (переменные) напряжения.
После ряда несложных преобразований это же условие с учётом вышесказанного по отношению к текущему и предельному значениям полного прогиба гидроцилиндра записывается следующим образом [9]
у (Хо , Гк , 0к , рк ) <[укт (ха, 2к , 0к , рк )].
В обеих записях: Ха - координата опасного сечения; 2к, 0к, рк - параметры критического
к х-чк
нагружения гидроцилиндра, а именно: 2 - выдвижение штока; 0 - угол наклона гидроцилиндра к горизонту и р к - давление жидкости в поршневой полости ДСМ.
В неравенстве у{ (хо, 2к, 0к, рк) - накапливаемый текущий (переменный) прогиб, который справедливо полагается диагностическим параметром несущей (нагрузочной) способности гидроцилиндра [8, 9]. При этом его контролируемой составляющей является угол несоосности штока и гильзы (корпуса) гидроцилиндра [18].
Характеризуя с позиций диагностики [2, 3, 5, 9, 19, 20] технические возможности последнего, отметим следующее. Во-первых, параметр уг- (хо,2к,0к,рк) является однозначным, так как ни он сам,
(к г\к к 1
хо, 2 , 0 , р I не имеют экстремумов на пути их эволюции от начальных значений до предельных. Во-вторых, он стабилен, то есть может быть неоднократно воспроизведен с минимальным рассеиванием при неизменных условиях измерения. В-третьих, параметр уг- (хо,2к, 0к,рк) является незатухающим, так как его связь со структурными параметрами и критерием состояния о(хо, 2к, 0к,рк) не нарушается с течением времени. Наконец, названный диагностический параметр удовлетворяет требованию чувствительности с достаточно высоким уровнем [8, 9].
Отметим, что диагностирование гидроцилиндров ДСМ по параметру уг- (хо, 2к, 0к,рк) возможно лишь при наличии в машине встроенной диагностической системы [21, 22].
Структурно такая гидросистема выглядит следующим образом (Рис. 1). Полости гидроцилиндра 1 через гидрораспределитель 2 подключены к источнику питания 3 и сливу 4. Гидросистема от перегрузки защищена предохранительным клапаном 5. Поршневая полость гидроцилиндра 1 соединена с гидрораспределителем 2 через штатный манометр 6 и двухпозиционный гидрозолотник 7. Гидроагрегаты системы соединены гидромагистралями 8. Датчики осевого перемещения штока 9 и угловой не-соосности длинномерных элементов 10 гидроцилиндра 1 подключены через усилитель 11 к электропреобразователю 12, управляющий и контролирующий сигналы с которого одновременно поступают соответственно на золотник 7 и индикатор 13. Таким образом, при крайнем правом положении золотника гидрораспределителя 2 рабочая жидкость от источника 3 поступает через гидрозолотник 7 в поршневую полость гидроцилиндра 1, выдвигая шток и нагружая гидроцилиндр эксплуатационной продольно-поперечной нагрузкой. В случае значительной деформации штока гидрозолотник 7, управляемый электропреобразователем 12 в соответствии с данными датчиков 9 и 10, кратковременно соединяет гидроцилиндр 1 и источник питания 3 со сливом 4, тем самым, разгружая силовой элемент 1.
Рис. 1. Принципиальная схема бортового контроля несущей способности гидроцилиндра по двум параметрам
Для гидропривода возвратно-поступательного перемещения, в котором возможны значительные по величине пульсации давления рабочей жидкости, целесообразно использовать систему бортового диагностирования гидроцилиндра по трём параметрам с контроля давления (рис. 2).
В такой системе вместо штатного манометра 6 устанавливается электрический манометр 6, показания с которого через усилитель 11 поступают на электропреобразователь 12. В этом случае при критических нагрузках и /или деформациях гидрозолотник 7, управляемый преобразователем 12 согласно данных датчиков 6, 9 и 10, кратковременно (до сброса пика давления в нагруженной маги-
страли) соединяет исполнительный гидроцилиндр 1 и источник питания 3 со сливом 4, тем самым, мгновенно сбрасывая излишнее давление в гидросистеме и разгружая основные элементы 1 и 3.
Рис. 2. Принципиальная схема бортового диагностирования несущей способности гидроцилиндра по трём параметрам
Между тем в большинстве гидроприводов возвратно-поступательного действия дорожных и строительных машин наряду с пульсациями давления в полости нагнетания, зачастую, имеют место значительные пространственные перемещения исполнительного гидроцилиндра [1, 4, 9, 10]. В этом случае целесообразно применять систему встроенного диагностирования гидроцилиндра по четырём параметрам с контролем угла наклона гидроцилиндра к поверхности тяготения. В такой системе (Рис. 3) дополнительно устанавливается датчик горизонта 15, показания с которого через усилитель 11 поступают на электропреобразователь 12.
Рис. 3. Принципиальная схема бортового диагностирования несущей способности гидроцилиндра по четырём параметрам
В предложенном виде гидросистема работает следующим образом.
В среднем положении золотника гидрораспределителя 2 рабочая жидкость от источника питания 3 поступает через предохранительный клапан 5 по магистрали 8 на слив 4, Однако, если в этом случае на силовой гидроцилиндр 1 действует нагрузка (случай нагружения гидроцилиндра ковша экскаватора при копании рукоятью), электрические сигналы с манометра 6, а также с датчиков: положения штока 9, угловой несоосности 10 и пространственного положения гидроцилиндра 15 поступают на усилитель 11 и далее на электропреобразователь 12, где окончательно формируется результирующий импульс диагностического состояния. В случае критического нагружения управляющий электросигнал поступает с электропреобразователя 12 на гидрозолотник 7, переводя его в позицию соединения гидроцилиндра 1 и источника питания 3 со сливом 4, тем самым, разгружая эти гидроагрегаты и предотвращая возможный отказ. В случае удовлетворительной несущей гидроцилиндра способности сигнал с преобразователя 12 поступает на индикатор 13, по которому оператор имеет возможность прогнозировать наступление ожидаемого отказа.
В крайнем правом положении золотника гидрораспределителя 2 рабочая жидкость от источника питания 3 поступает через гидрораспределитель 2, манометр 6 и гидрозолотник 7 в поршневую полость силового гидроцилиндра 1, выдвигая шток и нагружая гидроцилиндр эксплуатационной продольно-поперечной нагрузкой. В случае критических нагрузок гидрозолотник 7, управляемый электропреобразователем 12 в соответствии с показаниями измерителей 6, 9, 10 и 15, кратковременно (до сброса пика давления в питающей магистрали) соединяет гидроцилиндр 1 и источник питания 3 со сливом 4. Одновременно скачкообразное превышение допустимых значений диагностического параметра фиксируется на индикаторе 13, частота которых дополнительно свидетельствует о приближении отказа для данных эксплуатационных условий.
В крайнем левом положении золотника гидрораспределителя 2 рабочая жидкость от источника питания 3 поступает в штоковую полость силового гидроцилиндра 1, нагружая его растягивающим продольным усилием. В этом случае поршень совершает насосный ход. Давление в поршневой полости гидроцилиндра 1 минимально, так как она уже соединена через гидрораспределитель 2 со сливом 4. То же следует сказать о деформациях и общей нагруженности гидроцилиндра, что регистрируется индикатором 13.
Таким образом, применение предлагаемых гидросистем позволяет осуществлять непрерывный контроль и управление надёжностью силового гидроцилиндра в процессе эксплуатации в зависимости от схемы его подключения, действующих нагрузок и алгоритма функционирования.
ЛИТЕРАТУРА
1. Калявин В.П., Мозгалевский А.В. Технические средства диагностирования. Л.: Судостроение, 1984. 208 с.
2. Макаров Р.А., Соколов А.В. Диагностика строительных машин. М.: Стройиздат, 1984. 335 с.
3. Харазов А.М. Техническая диагностика гидроприводов машин. М.: Машиностроениме, 1979.
112 с.
4. Биргер И.А. Техническая диагностика. М.: Машиностроение, 1978. 240 с.
5. Технические средства диагностирования: справочник / Клюев В.В., Пархоменко П.П., Абрамчук В.Е. и др.; под общ. ред. В.В.Клюева. М.: Машиностроение, 1989. 672 с.
6. Кобзов Д.Ю. Гидроцилиндры дорожных и строительных машин. Часть 1. Конструкция. Надёжность. Перспективы развития. / Братск. индустр. ин-т. Братск, 1998. 59 с., ил., библиогр. 246 назв. Рус. Деп. в МАШМИР 13.08.1998, № 2-сд1998.
7. Кобзов Д.Ю., Тарасов В.А., Трофимов А.А. Гидроцилиндры дорожных и строительных машин. Часть 2. Условия эксплуатации, рабочий процесс, режим работы и параметры нагружения / Братск. гос. техн. ун-т. Братск, 1999. 108 с., ил., библиогр. 179 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 01.12.1999, № 3552-В1999.
8. Кобзов Д.Ю., Усова С.В. Экспресс-диагностика несущей способности гидроцилиндров машин // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2009. №3(23). С. 174-179.
9. Кобзов Д.Ю., Ереско С.П., Трофимов А.А., Кулаков А.Ю., Жмуров В.В. Гидроцилиндры дорожных и строительных машин. Ч. 5. Техническое диагностирование / Братск. гос. ун-т. Братск, 2011. 119 с., ил., библ. 130 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ РАН 21.07.2011. №360-В2011.
10. Сергеев А.П., Кобзов Д.Ю., Лханаг Д. Гидроцилиндры дорожных и строительных машин. Часть 4. Герметизирующая способность. / Братск. гос. техн. ун-т. Братск, 2003. 44 с., ил., библиогр. 116 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ 14.07.2003, № 1376-В2003.
11. Пат. №2139510 РФ, МКИ G01M3/00. Способ испытания гидроцилиндров на герметичность / Кобзов Д.Ю., Трофимов А.А. (РФ). №97121659; заявл. 22.12.97; опубл. 10.10.99, Бюл. №28.
12. Dmitriy Yu. Kobzov, Alexei A. Trofimov, D. Lkhanag. Hydraulic cylinder troubleshooting by the air // Механики - XXI веку: сб. докл. Межрегион. науч.-техн. конф. с междунар. участием. Братск: БрГУ, 2005. 316 с.
13. Kobzov D., Kobzova I., Lkhanag D. Hydrocylinder diagnostic parameters // Системы. Методы. Технологии. 2009. №3. С. 21-25.
14. Кобзов Д.Ю., Усова С.В., Фурзанов С.Ю. О диагностическом параметре несущей способности гидроцилиндров машин // Системы. Методы. Технологии. 2009. №2. С. 29-32.
15. Кобзов Д.Ю., Кобзов А.Ю., Лханаг Д. Несущая способность и ресурс гидроцилиндров машин // Системы. Методы. Технологии. 2009. №2. С. 24-28.
16. Кобзов Д.Ю., Лапшин В.Л., Тарасов В.А., Жмуров В.В. Гидроцилиндры дорожных и строительных машин. Ч. 3. Несущая способность / Братск. гос. ун-т. Братск, 2011. 88 с., ил., библиогр. 93 назв. Рус. Деп. в ВИНИТИ РАН 27.01.2011, № 27-В2011.
17. Сырицын Т.А. Надёжность гидро- и пневмопривода. М.: Машиностроение, 1981. 216 с.
18. Кобзов Д.Ю. Диагностирование гидроцилиндров рабочего оборудования одноковшовых строительных экскаваторов: дис. ... канд. техн. наук / ЛИСИ. Л., 1987. 345 с.
19. Kobzov D.Y., Kobzova S.V. Some aspects of dialectical approach to the insight into engineering objects evolution. Proceeding of the International Conference on Advanced Technology and Equipment of Materials Handling. October 25-27, 1994. Shanghai, P.R.China, pp. 724-730.
20. Kobzov D.Y., Martynenko O.P., Gubanov V.G. There must be no alternative to the right choice of diagnostic parameters. Proceedings of 2nd International Machinery Monitoring & Diagnostics Conference & Exhibit. October 22-25, 1990. Los Angeles, CA, USA, pp. 374-380.
21. А. с. № 1735620 СССР, МКИ F15B15/04. Гидросистема / Кобзов Д.Ю., Хютте В.И., Губанов В.Г., Калашников Л.А., Тарасов В.А., Крохичев А.С. (СССР). №4776659/29; заявл. 02.01.90; опубл. 23.05.92, Бюл. №19.
22. Пат. №2471091 РФ, МКИ F15B3/00. Гидросистема / Кобзов Д.Ю., Кулаков А.Ю., Кобзова И.О. (РФ). №2011124270/06; заявл. 15.06.2011; опубл. 27.12.2012, Бюл. №36.
Кобзов Дмитрий Юрьевич -
кандидат технических наук, доцент кафедры «Подъёмно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование» Братского государственного университета
Ереско Сергей Павлович -
доктор технических наук, профессор кафедры «Основы конструирования машин» Сибирского государственного аэрокосмического университета
Кулаков Андрей Юрьевич -
аспирант Братского государственного университета
Липецкий Владимир Игоревич -
аспирант Братского государственного университета
Лханаг Дорлигсурэн -
кандидат технических наук, профессор, директор Дарханского технологического института Монгольского университета науки и технологии
Dmitriy Yu. Kobzov -
Ph.D., associate professor of Department “Handling, building, road machinery and equipment”
Bratsk State University
Sergey P. Eresco -
D.Sc., Professor, of Department «Bases of designing of machinery» Siberian State Airspace University
Andrey Yu. Kulakov -
Post-graduate student Bratsk State University
Vladimir I. Lipetskiy -
Post-graduate student Bratsk State University
Dorligsuren Lkhanag -
Ph.D., professor, head of Darkhan Technological Institute of Mongolian University of Science and Technology
Статья поступила в редакцию 03.04.13, принята к опубликованию 30.04.13
