Диагностирование технического состояния гидроаппаратов в гидросистеме гидрофицированных строительных и дорожных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.878.6 А. Е. Науменко

ДИАГНОСТИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ ГИДРОАППАРАТОВ В ГИДРОСИСТЕМЕ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН

В статье рассмотрено влияние температуры рабочей жидкости и времени рабочих режимов на потери мощности. Предложена методика определения целесообразности дальнейшего использования гидроаппаратов по критерию затрат на потери мощности из-за объемных потерь рабочей жидкости гидросистемы.

При работе строительно-дорожной машины часть мощности, потребляемой гидросистемой, затрачивается на утечки рабочей жидкости через зазоры в гидроаппаратах и не используется для приведения в действие гидродвигателей. Потери мощности в гидросистеме можно разделить на потери мощности на преодоление внутренних сопротивлений в гидросистеме и потери мощности за счёт объемных потерь (утечек) в гидроаппаратах. В гидросистемах строительно-дорожных машин гидроаппаратами, в которых объёмные потери рабочей жидкости максимальны, являются в основном гидронасосы и гидрораспределители.

Объёмные потери рабочей жидкости в гидроаппаратах обусловлены наличием в них зазоров между подвижными частями.

У шестерённых гидронасосов утечки рабочей жидкости возникают в следующих зазорах: радиальном зазоре между вершинами зубьев шестерён и корпусом, торцовом зазоре между боковыми поверхностями шестерен и уплотняющими деталями, контактной зоне зацепления зубьев шестерён.

У аксиально-поршневых гидронасосов утечки рабочей жидкости возникают в кольцевых зазорах между плунжерами и корпусом.

У гидрораспределителей утечки происходят через кольцевые зазоры между золотниками и корпусом гидрораспределителя.

При длительной эксплуатации машины зазоры в гидроаппаратах с течением

времени увеличиваются из-за износа, что ведет к увеличению через них утечек гидравлического масла. Это приводит к увеличению потерь мощности за счёт утечек, а следовательно, и к увеличению расхода топлива, которое затрачивается на объемные потери рабочей жидкости.

Значение расхода топлива в литрах, затрачиваемого на объемные потери рабочей жидкости, можно определить по формуле

V = ■

Nут -у * Р

(1)

где ЫУ/Т - потери мощности за счёт утечек в гидроаппарате, кВт; у - удельный расход топлива, г/(кВт-ч); ^ - время работы машины, ч; р - плотность топлива, г/м3.

Потери мощности за счёт утечек можно определить по формуле

ШуТ = А0 • Р,

(2)

где ЛQ - величина утечек в гидроаппарате, м3/с; Р - давление на выходе из гидроаппарата, Па.

Для гидронасосов формула для определения потерь мощности за счёт утечек будет следующего вида:

Ыут = п • дн ■р •(1 -n0),

(3)

где п - частота вращения вала редуктора отбора мощности, на котором уста-

новлен насос, мин-1; дН - рабочий объём насоса, м3; п0 - текущее значение объёмного КПД насоса.

Объёмный КПД насоса можно определить как отношение полезной мощности, которая будет расходоваться на приведение в действие гидродвигателей, к полной мощности, потребляемой насосом. Учитывая, что значения полезной и полной мощностей будут отличаться на величину утечек в гидронасосе, можно записать:

По =

п-д н + А0

(4)

где AQ - величина утечек в гидроаппарате.

Величину утечек для аксиальнопоршневых гидронасосов можно определить по формуле расхода рабочей жидкости при соосном расположении поршня в цилиндре при их концентрическом расположении [1]:

РТР -2- п- г-а\ АО = п - ТР 0

12-ц-і

(5)

где п - количество поршней в насосе; PТР - перепад давления во всасывающей и напорной полостях гидронасоса, Па; г -

3

радиус поршня, м; a() - величина зазора

между поршнем и цилиндром, м; l - длина поршня, м; ц - динамическая вязкость рабочей жидкости, Н-с/м2.

Величину утечек для шестерённых гидронасосов можно определить по формулам, приведенным в [2].

Для гидрораспределителя, если известен зазор между золотником и корпусом, потери мощности за счет утечек определяются по формуле (2), где утечки AQ можно определить по формуле (6) с учётом того, что в гидрораспределителе оси золотника и корпуса располагаются с некоторым эксцентриситетом, а износ происходит не по всей поверхности золотника и корпуса [3].

АО = Х

2 - РТР ■г 12 - ц-1

| (Я + Є- 008р — г)3 йр,(6)

где п - количество зазоров между напорной и сливной полостями гидрораспределителя; РТР - перепад давления в напорной и сливной полостях гидрораспределителя, Па; Я и г - радиусы отверстия под золотник в корпусе гидрораспределителя и золотника соответственно, м; I - длина зазора, м; е - расстояния между центрами окружностей отверстия под золотник в корпусе гидрораспределителя и золотником, м; а -угол наклона прямой, соединяющей ось золотника с точкой, ограничивающей изношенную часть золотника к горизонту, рад [3, рис. 3].

Для неизношенного гидрораспределителя утечки можно определить по формуле [1]:

АО = Х

РТР -10- п- г - (Я — г)3

і =1

12-ц-1г

. (7)

Как видно из формул (3) и (4), потери мощности за счёт объёмных утечек зависят от давления в гидросистеме и вязкости, а следовательно, и от температуры рабочей жидкости.

Строительно-дорожные машины в процессе работы выполняют различные рабочие операции, при которых рабочая жидкость в гидросистеме движется по различным трубопроводам. При этом давление в гидросистеме машины не одинаково и зависит, прежде всего, от нагрузок на гидродвигатели. Например, рабочий цикл одноковшового фронтального погрузчика подразделяется на пять режимов: транспортный режим, режимы подъема и опускания стрелы и режимы поворота ковша при загрузке и выгрузке. В каждом из этих режимов давление в гидросистеме будет различно. Наибольшее давление в гидросистеме будет возникать в режиме подъёма стрелы, когда гидроцилиндры стрелы задействованы для подъёма груза, а наименьшее давление в гидросистеме возникает в транспортном режиме, когда гидродвигатели не задействованы, а рабочая жидкость циркулирует по малому

і=1

контуру «гидробак - насосы - гидрораспределитель - гидробак». Так как время выполнения различных рабочих операций (продолжительность рабочих режимов) различно для определения расхода топлива на утечки, следует использовать среднецикловые потери мощности за счёт утечек, которые можно определить по формуле [4]:

п

'ЬАМут, -г,

X г,

,=1

где п - количество рабочих режимов в цикле; МУТ, - потери мощности за счёт

утечек на г-м режиме работы, Вт; - про-

должительность /-го режима работы, с.

При запуске строительно-дорожной машины после длительной остановки (например, в начале рабочей смены) температура рабочей жидкости равна температуре окружающей среды. В процессе работы машины температура рабочей жидкости повышается, пока не достигнет некоторого значения (около +50...+60 °С), при котором в гидросистеме наступит тепловое равновесие (количество теплоты, выделяющееся в гидросистеме, равняется количеству теплоты отданному в окружающую среду). По данным [5] время на-

грева рабочей жидкости гидросистемы до рабочей температуры составляет до 2 ч. В процессе нагрева вязкость рабочей жидкости снижается, что приводит к увеличению величины утечек через зазоры в гидроаппаратах. Это обуславливает необходимость учёта температуры и времени нагрева рабочей жидкости при определении расхода топлива на утечки.

Для оценки расхода топлива на объёмные потери рабочей жидкости построена расчётная зависимость стоимости потерь топлива за месяц в результате утечек от объёмного КПД насоса для одноковшового фронтального погрузчика МоАЗ-4048, которая приведена на рис. 1.

В качестве исходных данных для расчёта были приняты:

- тип гидравлического масла -ВМГЗ; тип насоса - НШ-100 - А3;

- частота вращения вала редуктора отбора мощности - 2000 мин-1;

- количество рабочих смен в день - 1;

- количество часов в смену - 8;

- количество рабочих дней в месяц - 21;

- стоимость литра солярного топлива - 2000 бел. р.

а) б)

<-------------- Цо *------------- По

Рис. 1. Расчётные зависимости энергопотерь от объёмного КПД насоса НШ-100 А3 для одноковшового фронтального погрузчика МоАЗ-4048: а - потери среднецикловой мощности; б - потери топлива V и стоимость потерь топлива Ст в месяц

Как видно из графиков, при снижении объёмного КПД насоса происходит увеличение энергозатрат: при снижении КПД на 0,1 потери среднецикловой мощности увеличиваются на 1,35 кВт, месячный расход топлива на утечки увеличивается примерно на 55 л, а стоимость топлива, расходуемого на утечки, увеличивается примерно на 131 тыс. бел. р. за месяц.

После длительной работы машины настанет такой момент времени, когда стоимость потерянного топлива за счёт утечек гидравлического масла в зазорах становится соизмеримой стоимости нового гидроаппарата. В такой момент времени целесообразно решать вопрос о замене гидроаппарата.

В настоящее время замена или ремонт гидроаппаратов происходит только лишь при текущем ремонте всей машины. При эксплуатации не учитываются ни степень износа гидроаппарата, ни экономические затраты на ремонт.

Для определения целесообразности замены или дальнейшего использования гидроаппаратов в гидросистеме следует производить диагностирование технического состояния гидроаппаратуры в гидро-

системе строительно-дорожной машины.

В напорную гидролинию (рис. 2) после насоса 1 и в напорную гидролинию после гидрораспределителя 2 перед гидроцилиндром 3 установлены расходомеры Р1 и Р2, предназначенные для измерения величины утечек в гидросистеме машины. В напорную гидролинию после насоса 1 и в сливную гидролинию гидрораспределителя 2 после гидрораспределителя устанавливаются манометры М1 и М2, с помощью которых замеряется давление в соответствующих гидролиниях гидросистемы. В гидробак машины устанавливается термометр Т, с помощью которого определяется текущая температура гидравлической жидкости.

Диагностика гидросистемы машины выполняется перед проведением очередного технического обслуживания при выполнении машиной рабочих операций.

Перед диагностикой необходимо подготовить формы записи значений контролируемых параметров (табл. 1) и расчёта показателей технического состояния (табл. 2).

Рис. 2. Система диагностики технического состояния гидроаппаратуры в гидросистеме строительно-дорожной машины: 1 - насос; 2 - гидрораспределитель; 3 - гидроцилиндр; 4 - гидробак; Р1, Р2 - расходомеры; М1, М2 -манометры

Табл. 1. Форма записи значений контролируемых параметров при диагностировании технического состояния гидросистемы погрузчика

Номер измерения Темпера- тура гидравли- ческого масла Наименование режима Показания расходомера Р1 &, м3/с Показания расходомера Р2 £2, м3/с Показания манометра М1 Г], Па Показания манометра М2 Р2, Па Потери мощности на насосе Ын, Вт Потери мощности на гидро-распределителе Ыр, Вт Время режима Ґр, с Время нагрева гидравлического масла ґн, с

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11

1 Транспортный -

Подъем стрелы

Опускание стрелы

Поворот ковша на загрузку

Поворот ковша на выгрузку

2

п

Табл. 2. Форма расчёта показателей технического состояния гидроаппаратов гидросистемы погрузчика

Номер измере- ния Время нагрева гидравлического масла ґн, с Среднецикловые потери мощности на насосе Ынср, Вт Среднецикловые потери мощности на насосе Ыр ср, Вт Стоимость топлива, расходуемого на потери на насосе Сн і Стоимость топлива, расходуемого на потери на гидрораспределителе Ср і

1 2 3 4 5 6

1 - - -

2

3

п

ҐЕ = X Сн = X Ср =

Методика диагностирования проводится в два этапа:

1) измерение давлений, расходов и температуры рабочей жидкости;

2) обработка данных.

На первом этапе необходимо выполнить следующие операции:

а)сразу после запуска двигателя машины необходимо замерить температуру рабочей жидкости и занести её значение в табл. 1 в столбец 2 «Температура гидравлического масла» в строку 1 «Номер измерения»;

б) последовательно выполнить рабочие операции и на каждом из режимов

работы (транспортном, подъёме стрелы, опускания стрелы, повороте ковша на загрузку, повороте ковша на выгрузку) измерить:

- давления на манометрах

М1, М2;

- расход рабочей жидкости на расходомерах Р1, Р2;

- время каждого из режимов

работы.

Записать значения в соответствующие столбцы табл. 1 для измерения № 1;

в) дождаться увеличения температуры рабочей жидкости на 5.. .10 °С, не

прекращая выполнения рабочих операций, замерив при этом время нагрева, и записать время нагрева рабочей жидкости в табл. 1 в столбец 9 «Время нагрева гидравлического масла» в строку 2 «Номер измерения»;

г) повторить пункты б-в, пока температура гидравлического масла не достигнет значения +60 °С.

На втором этапе необходимо выполнить следующие операции:

а) для каждой строки табл. 1 определить потери мощности на насосе:

М„ = (пп - 9)) , (9)

* р

где д - рабочий объём насоса, м3/с; п -частота вращения вала редуктора отбора мощности, на котором установлен насос, с-1; По - объёмный КПД нового насоса (по

данным завода изготовителя); Ц - показания расходомера Р1, м3/с; р - показания манометра М1, Па; - время режима, с.

Записать значения потерь мощности на насосе в столбец 8 табл. 1;

б) для каждой строки табл. 1 определить потери мощности из-за объёмных потерь гидрораспределителя по формуле

Кр = [р -(О,- О, )], (10)

где АОНР - потери расхода нового гидрораспределителя (определяются по формуле (7), экспериментальным путём или по данным завода-изготовителя), м3/с; О1 -показания расходомера Р1, м3/с; О2 - показания расходомера Р2, м3/с; Р2 - показания манометра Н2, Па.

Записать значения потерь мощности на гидрораспределителе в столбец 9 табл. 1;

в) записать значения температуры нагрева масла столбца 9 табл. 1 в столбец 2 табл. 2;

г) суммировать значения столбца 2 табл. 2 *Е;

д) определить среднецикловые по-

тери мощности на насосе для каждого измерения:

N =КТР •*ТР + NПС •*ПС +

1У Н СР [. Н 1Р ^1УН 1Р ^

+ N°С •° + КНК • *ЗК + N°К •° ]/

Нрр +*пс + о +13РК + ° ], (11)

где , NПС, N°, N3нК, №°К - потери

мощности на насосе для режимов транспортного, подъёма стрелы, опускания стрелы, поворота ковша на загрузку, поворота ковша на выгрузку соответст-

1ТР .ПС ЮС .ЗК .°К ___ __

венно; *Р , *Р , *Р , *Р , *Р - время режимов транспортного, подъёма стрелы, опускания стрелы, поворота ковша на загрузку, поворота ковша на выгрузку соответственно.

Записать значения среднецикловых потерь мощности на насосе в столбец 3 табл. 2;

е) определить среднецикловые потери мощности на гидрораспределителе для каждого измерения:

N =и-ТР •*ТР + N ПС •*ПС +

1У н ср Гр 1р ^^р 1р т

+ №°С • ° + NlК • рК + №°К • *°К]/

/[*РР + *ПС+*°С+рК+*°К ], (12)

где ^, NПС, №С, NрК, №К - потери мощности на насосе для режимов транспортного, подъёма стрелы, опускания стрелы, поворота ковша на загрузку, поворота ковша на выгрузку соответст-

.ТР +ПС ОС .ЗК .°К

венно; *Р , *Р , *Р , *Р , *Р - время режимов транспортного, подъёма стрелы, опускания стрелы, поворота ковша на загрузку, поворота ковша на выгрузку соответственно.

Записать значения среднецикловых потерь мощности на насосе в столбец 4 табл. 2;

ж) определить время работы машины в часах в сутки:

*Д = КсМ • Кч • Кш , (13)

где КСМ - количество рабочих смен в сутки; Кч - количество часов в рабочей

смене, ч; КТИ - коэффициент использования машины по времени с неработающим ДВС;

з) определить стоимость масла, уходящего в потери на насосе, для каждой строки табл. 2, начиная со строки 2:

с = ( і + (і-1)) У

Сн> =-------------;-------------ґі'—'

р

Цт , (14)

где ЫН і - потери мощности на насосе для і-й строки, Вт; ЫН т1 - потери мощности на насосе для (і-1)-й строки, Вт; ґі - время нагрева масла для і-й строки, с; Цт - текущая стоимость топлива, р.

Записать значение Сн в табл. 2 для

каждого опыта.

Для последней строки, описывающей работу гидросистемы при установившемся режиме при температурах рабочей жидкости свыше +60 °С, стоимость масла, уходящего в потери на насосе, определить по формуле

с =■

'-'Н п

- (ҐД - ҐІ)-Цт . (15)

2р

Записать значения стоимости масла, уходящего в потери на насосе, в столбец 5 табл. 2;

и) определить стоимость масла, уходящего в потери на насосе, для каждой строки табл. 2, начиная со строки 2:

Ср ^ = (Ыр г + Ыр (г-1)) _ ґ^ L. Цт , (16)

2

р

где ЫРг - потери мощности на насосе для і-й строки, Вт; ЫР(г-1) - потери мощности на насосе для (і-1)-й строки, Вт.

Записать значение Срі в табл. 2 для

каждого опыта.

Для последней строки, описывающей работу гидросистемы при установившемся режиме при температурах рабочей жидкости свыше +60 °С, стоимость масла, уходящего в потери на насосе, определить по формуле

с =

рп

N

рп (ҐД - к)• -• Цт . (17)

2

р

Записать значения стоимости масла, уходящего в потери на насосе, в столбец 6 табл. 2;

к) суммировать значения столбцов табл. 2, столбцов 4 «Стоимость масла, уходящего в потери на насосе» и 5 «Стоимость масла, уходящего в потери в гидрораспределителе»;

л) определить стоимость масла, уходящего в потери на насосе и гидрораспределителе, за время до следующего ТО:

с„ =Х Сн •Кд , Ср=Х Ср •Кд , (18)

где Кд - количество рабочих дней до

следующего ТО, дн.;

м) сравнить стоимость топлива и стоимость нового гидроаппарата:

сН < Н, ср < р,

(19)

где Н и Р - стоимость нового насоса и нового гидрораспределителя соответственно, либо стоимость их ремонта.

Если данное условие не выполняется, то это означает, что затраты топлива на объемные потери в гидросистеме машины превышают стоимость нового гидроаппарата. В этом случае эксплуатирующей организации следует, по возможности, заменить данный гидроаппарат, иначе при дальнейшей его эксплуатации затраты на утечки рабочей жидкости будут только увеличиваться из-за увеличения степени износа.

К преимуществам разработанной методики относятся:

- проведение оценки износа в процессе эксплуатации машины без разборки гидроаппаратуры и измерений с помощью мерительного инструмента (микрометров и нутромеров), снижение трудоёмкости проведения этих замеров;

- приближенность условий работы машины при проведении диагностики к условиям работы на объекте позволяет

учесть влияние на потери мощности режимов работы машины;

- учет при расчётах температуры и времени нагрева рабочей жидкости до рабочей температуры позволяет учесть влияние вязкости рабочей жидкости на потери мощности из-за утечек в гидросистеме машины;

- предложенная методика позволяет при проведении расчётов при каждом техническом обслуживании спрогнозировать целесообразность замены гидроаппарата, тем самым уменьшая расходы на эксплуатацию машины.

К недостаткам разработанной методики относятся необходимость наличия на предприятии измеряющей аппаратуры и высокая квалификация ответственного за техническое обслуживание персонала.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Башта, Т. М. Объемные насосы и гидравлические двигатели гидросистем : учебник для вузов / Т. М. Башта. - М. : Машиностроение, 1974. - 606 с. : ил.

2. Шалыгин, М. Г. Объёмные потери в шестерённых насосах с учётом влияния температуры / М. Г. Шалыгин // Строительно-дорожные машины. - 2008. - № 3. - С. 7-8.

3. Науменко, А. Е. Влияние температуры рабочей жидкости и технического состояния гидросистемы на потери мощности в гидросистеме на примере погрузчика МоАЗ-4048 / А. Е. Науменко // Вестн. Белорус.-Рос. ун-та. - 2007. -№ 1. - С. 32-40.

4. Щемелев, А. М. Нормирование расхода топлива при работе самоходного скрепера в различных дорожных условиях / А. М. Щеме-лев, Т. А. Около-Кулак, А. С. Шибеко // Механизация строительства. - 2004. - № 12. - С. 3.

5. Каверзин, С. В. Работоспособность гидравлического привода самоходных машин при низких температурах / С. В. Каверзин. -Красноярск, 1986. - 144 с.

Белорусско-Российский университет Материал поступил 07.04.2009

A. E. Naumenko

Diagnostication of the technical condition of hydrodevices in the hydrosystem of hydroficated road and building machines

The paper looks at the temperature influence of the working liquid and the time of operating regimes on the losses of capacity. The technique for determining the purposefulness of the further use of hydrodevices by the criterion of expenses on losses of capacity because of volume losses of the working liquid of the hydrosystem is offered.