CC BY
20
иркутским государственный университет путей сообщения
импульсных преобразователей информации [5], на элементах струйной техники [6] и других технологий [7].
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Мухопад Ю. Ф. Микроэлектронные информационно-управляющие системы. Иркутск : Ир-ГУПС, 2004. 404 с.
2. А. с. 14408. Адаптивный аналого-цифровой фильтр / Ю. Ф. Мухопад, Е. А. Кучина 1980, Бюл. № 5.
3. Пашков Н. Н. Алгоритмы адаптивно-модального разрывного управления с эталонной моделью и стационарным наблюдателем // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2005. № 6. С. 62-65.
4. Мухопад Ю. Ф. Проектирование специализированных микропроцессорных вычислителей. Новосибирск : Наука, 1984. 193 с.
5. Пунсык-Намжилов Д. Ц. Динамические перестраиваемые аналого-цифровые преобразователи информации для автоматизации технологических процессов : автореф. дис. на соиск. учен. степ. канд. техн. наук / [Томск. ин-т ав-томатизир. сист. упр. и радиоэлектроники]. Томск, 1986. 16 с.
6. Пат. 70380. Российская Федерация. МПК5 . Ш О 058 19/045. Программно-перестраиваемый пневматический оптимизатор / А. З. Комков, Ю. Ф. Мухопад, Н. Н. Пашков ; заявл. 10.09.2007 № 2007133878/22 ; опубл. 20.01.2008, Бюл. № 2. 2 с.
7. Мухопад Ю. Ф. Анализ и синтез информационно-управляющих систем // Информационные технологии и проблемы математического моделирования сложных систем. Иркутск : Ир-ГУПС, 2004. Вып. 5. С. 33-46.
Кобзов Д.Ю., Усова С.В. УДК 69.002.51.192:621.225.2
ЭКСПРЕС-ДИАГНОСТИКА НЕСУЩЕЙ СПОСОБНОСТИ ГИДРОЦИЛИНДРОВ МАШИН
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 [1, 2].
Негативным проявлением этого, является резкое увеличение эксплуатационных нагрузок, ухудшение условий и режима функционирования гидроцилиндров, а вслед за этим, неизбежное снижение их надежности - в лучшем случае. В худшем - не исключена вероятность создания заранее неработоспособного гидроцилиндра [1].
В настоящее время в качестве гидродвигателей возвратно-поступательного действия гидро-фицированного рабочего оборудования дорожных и строительных машин (ДСМ) широко применяются гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком [1]. Их классификация и назначение, устройство и виды исполнения, прин-
цип действия и условия применения, а также схемы кинематического включения и гидравлического подключения достаточно подробно изложены в трудах отечественных [1, 3, 4] и зарубежных ученых [5-8].
Параметры гидроцилиндров оговариваются стандартами ГОСТ 6540-68, ГОСТ 12445-80, ГОСТ 12447-80 и ГОСТ 16516-80. При этом, ГОСТ 6540-68 и ГОСТ 12447-80 соответствуют международным стандартам ISO 3322 и ISO 2944 в части номинальных давлений, ГОСТ 6540-68 -ISO 3320 в части диаметров цилиндров до 400 мм по основному ряду и в части диаметров штоков до 360 мм, ГОСТ 6540-68 - ISO 4393 в части ходов поршня по основному ряду. Основные значения диаметров цилиндров и штоков, а также ходов поршня, выходящие за пределы указанных рядов, следует выбирать в соответствии с требованиями ГОСТ 12445-80 и ГОСТ 6636-69.
В процессе анализа эксплуатационной надёжности гидроцилиндра ДСМ были выявлены следующие повреждения [1]:
- у штока: износ поверхностей штока, образование на ней очагов коррозии, рисок, царапин, задиров и вмятин, искривление штока (Рис. 1), срыв резьбы;
уг (х) = + М(х) + (х) + Р • е(х) + Р • Ут (х)
^(х) Щ(х) Щ(х) Щх) Щх)
Рис. 1. Изгиб штока гидроцилиндра рукояти экскаватора ЭО-4121А
- у корпуса (гильзы): появление эллипсности и конусности, образование на уплотняемой поверхности рисок, царапин и задиров, трещин и разрыв корпуса;
- у направляющих втулок и поршней: неравномерный по периметру и ширине износ трущихся поверхностей, образование на них царапин и задиров;
- у уплотнителей всех назначений: старение материала, неравномерный по периметру и ширине уплотнителя износ герметизирующих поверхностей, появление на них рисок и царапин, разрыв уплотнителя;
- у подшипников проушин: износ поверхностей скольжения, частичное или полное разрушение составляющих;
- у головки (гайки гильзы) - срыв резьбы;
- у проушины штока - срыв резьбы, обрыв проушин.
В этих условиях становится ясно, что диагностирование гидроцилиндров должно проводится не только по параметрам герметизации [7, 8], но и по параметрам их несущей (нагрузочной) способности [9, 10]. Желательно непосредственно в условиях эксплуатации.
Несущая способность, отображаемая напряженно-деформированным состоянием продольно-поперечно нагруженного гидроцилиндра, аналитически описывается двумя уравнениями [2, 9, 10]:
(1)
Ут (х) = У б (х) + Ув (х) + У г(х) + Уд (х) + Ук (х) + Уд (х) + Ур (х) = = Уто (х) + Уд (х) + Ук (х) + Ур (х)-
(2)
В уравнении (1) первое слагаемое дает величину нормального напряжения от действия продольного сжимающего нагрузки Р, второе - величину наибольших напряжений сжатия, вызванные действием поперечной нагрузки Мд(х), третье слагаемое - величину напряжений сжатия, вызванных действием силового поворота элементов в опорах гидроцилиндра, четвертое и пятое - то же, вызванные дополнительным изгибом гидроцилиндра при наличии эксцентриситета е(х) в его опорах и от действия продольного сжимающего усилия Р.
В уравнении (2): Уб (х) - прогиб гидроцилиндра вследствие наличия зазоров в уплотняемых сопряжениях; Ув (х) - то же в результате возможного начального искривления его длинномерных элементов; Уг (х) - то же вследствие эксплуатационного искривления его штока; Уд (х) - то же в результате радиальной деформации под давлением его корпуса; Уд (х) - то же вследствие его поперечного нагружения, от действия веса гидроцилиндра; Ук ( х) - то же в результате наличия силового поворота в его опорных элементах; УР (х) -то же вследствие его продольного нагружения [2,
9, 10].
В процессе эксплуатации вследствие накопления элементами гидроцилиндра повреждений происходит увеличение значений Уб (х), Уг (х) , Ук (х) и УР (х), что приводит к росту величин третьего, четвёртого и пятого слагаемых выражения (1) и собственно напряжений у {(х) . Изменение последнего должно ограничиваться условием [11]
у
(х) <[у ] =
уг
к?
(3)
Здесь упч - предел прочности материала штока, а к? - статистический коэффициент запаса прочности.
Вследствие того, что стохастическая природа нагрузки определяется совокупностью большого числа возмущений, можно принять её распределённой по нормальному закону. Несущая способность, к возмущающим факторам которой от-
иркутский государственный университет путей сообщения
1
1 - Щ Л2
, Упч ) ]
1
1 - ш2 Л2
упч
1
1 - ш2 Л2
уПЧ
-(1 - ™2,( ,)Л 2)
к =
5тт
Уп
/(упч - ЛМупч ) '
(5)
где м
У г
носятся физико-механические характеристики металлов и размеры элементов, случайная природа которых обусловлена, прежде всего, неоднородностью свойств металлов, погрешностью производства, допусками и прочее, также может приниматься нормально распределённой. Тогда по аналогии с выражением (4.19) работы [11] для принятой вероятности неразрушения коэффициент к* определяется по формуле
, (4)
где: щупч и щ,^(х) - коэффициенты вариации предела у пч прочности и текущих напряжений у 1 (х) ; Л - квантиль нормального распределения
[11], равный 1,645 для принятой надёжности 0,95.
При определении величины коэффициента к* не следует забывать, что она не должна превышать значение минимально необходимого запаса прочности, характеризующегося коэффициентом [11]
- среднее квадратическое отклонение
предела упч ; / - коэффициент безопасности, учитывающий особенности конструкции и условий эксплуатации [11].
Численный анализ выражения (1) показал [9], что возникновение пластической деформации штока стало возможным при напряжениях 240,60 МПа, то есть значительно меньших пределов ут текучести и уу упругости, за которым оно ожидалось. Очевидно, что в данном случае разрушение (появление пластической деформации) штока произошло в результате постепенного накопления повреждений металла, приведшего к необратимому изменению его физико-химических свойств. Другими словами, вследствие усталостного разрушения. Для проверки этого предположения необходимо рассмотреть цикл нагружения штоков гидроцилиндров рабочего оборудования, например, одноковшовых строительных экскаваторов. Он явно асимметричен. Максимальные отрицательные сжимающие напряжения у тп , установленные из выражения (1) как текущие у {(х) , составляют 240,60 МПа. Ясно, что наименьшие положительные напряжения у тах растяжения с учётом конструктивных особенностей, например,
гидроцилиндров стрелы экскаваторов ГУ-ой размерной группы и параметров их цикла экскавации определяются по сумме первых двух слагаемых формулы (1) и составляют для рассматриваемого случая 35,67 МПа. Тогда, средние напряжения ут цикла составляют 102,14 МПа, являясь отрицательными, а амплитудные напряжения у а равны 138,14 МПа. Эти напряжения связаны с пределом у -1 выносливости материала штока следующим выражением
к* = ■
У-1
к (6)
оуУ а + куУ т
где: оу - коэффициент снижения предела у4 выносливости, равный для нашего случая 1,399 [12]; ку - коэффициент чувствительности материала к
асимметрии цикла [12].
Принимая во внимание тот факт, что при отрицательных средних напряжениях у т коэффициент ку следует полагать равным нулю, преобразуем выражение (6), расписав напряжения у а в соответствии с [12] и приняв коэффициент к* равным 1,0
|у тах | + |у г 2
У -1
(7)
Количественный анализ этого уравнения показывает, что значение левой части (138,14 МПа) при напряжении у {(х) превышает величину правой (135,80 МПа), характеризуемую минимальным по значению пределом у-1 выносливости (190 МПа) [11, 12]. Таким образом, величину последнего параметра выражения (1), необходимую для поиска предельного значения диагностического параметра, следует назначать, используя предел (7-1 выносливости. С учётом этого замечания выражение (4) примет вид
к*
1
1 - <л 2) к
1
1 - < л 2
1
I-щ2-1 Л2)
(1 - щ2а Л 2 )
(8)
Численный анализ основных положений работы [9] позволил установить величину коэффициента щ, вариации напряжений у а , которая
а
составила 0,25. Коэффициент щ, вариации предела у 4 определяется из анализа работ [11, 13] и в данном случае принят равным 0,1. После подстановки полученных характеристик разброса в формулу (8) определим требуемый коэффициент
ж
о
у
запаса к? , обеспечивающий условие непревышения с надёжностью 0,95. Численно он равен 1,478, что больше минимального к
8тт
составившего
1,197 [9]. После подстановки в формулу (7) всех известных характеристик с учётом параметров критического нагружения гидроцилиндров в точке
ху [9] запишем условие их безопасного состояния
)
у
в виде
ух
((у , , ©к , Р
к )< ^ - у тах (ху ), (9)
кБ оу
к г^к к
где: ху - координата опасного сечения; 2 , 0 , р - параметры критического нагружения гидроцилиндра [9], а именно: 2 к - выдвижение штока;
0к
- угол наклона гидроцилиндра к горизонту и
р - давление жидкости в гидросистеме ДСМ.
Из выражения (6) максимальные амплитудные напряжения у а для гидроцилиндров экскаваторов ГУ-ой размерной группы составили 116,06 МПа. Тогда в соответствии с выражением (13.2) работы [12] с учетом известных напряжений у тах (ху) определим значение максимального
предельного напряжения у (ху, 2к, 0к, рк )
тия, которое равно 213,08 МПа. С
этой величины предельное значение
к I к г\к к \ УтУ^у, 2 ,0 , Р ), являющегося диагностическим
параметром несущей способности гидроцилиндра [9], согласно выражению
сжа-
учётом прогиба
0, рк )=-рк -
■к 'ху, -к
Щ ( ху )
у ((у , , ©к, рк
)
рк
Р (ху ) J
- Мд ((у, 2к, 0т, рк )-Рке( ху)
, (10) составило соответственно для гидроцилиндров стрелы, рукояти и ковша экскаватора ЭО-4121А [9] при номинальном их нагружении и горизонтальном расположении с максимально выдвинутым штоком: 2,590-10-2 м, 2,390-10-2 м и 2,939-10-2 м, а с учётом параметров их критического нагру-жения: 5,287^10"2 м, 1,940^10"2 м и 2,596-10-2 м.
С учётом всего вышеизложенного решающее правило диагностирования гидроцилиндра по несущей способности может быть записано в виде
У (ху, 2к, 0к, рк ) < Укт (ху, 2, 0к, рк )
кк
•к (ху, 2к, 0к, рк )
(11)
предельное, а
где Ут ху, 2 Уi (ху
значение диагностического параметра.
Характеризуя с позиций диагностики [14-
(ху, 2к, 0к, рк ) - текущее (контролируемое)
16] технические возможности последнего, отметим следующее. Во-первых, параметр
у{ (ху, 2к, 0к, рк ) является однозначным, так как
ни он сам, ни описываемые им напряжения
у (ху, 2к, 0к, рк ) 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.
(к г\к к ^
ху, 2 , 0 , р I является незатухающим, так как его связь со структурными параметрами и критерием состояния
у (ху, 2к, 0к, рк ) не нарушается с течением времени. Далее, названный диагностический параметр удовлетворяет требованию чувствительности с достаточно высоким уровнем [9]. Наконец, он удовлетворяет требованию информативности, так как, оценивая два практически единственных случайных параметра Уб (х) и уг (х) уравнения (2),
характеризующего несущую способность гидроцилиндра, приближает остаточную после диагностирования энтропию к нулю.
К сожалению, диагностирование гидроци-
(к г\к к ^
ху, 2 , 0 , р I с позиций безопасности возможно лишь при наличии в машине встроенной диагностической системы, например, аналогичной [17]. В противном случае, диагностирование несущей способности рекомендуется [9] проводить по текущему параметру
,.к I,, к г\к „к I
Уто х, 2 , 0 , р ), связанному с предельным -
Уто (ху, 2к, 0к, рк ), описывающим деформацию гидроцилиндра до приложения продольного сжимающего усилия Р и связанным с величиной
уТ (ху, 2к, 0к, рк ) выражением (2). Для определения численных значений величины Уто (ху, 2к, 0к, рк ) может быть использована, в частности, программа, представленная в работе
[9].
Окончательно назначенный диагностиче-
к I к г\к к 1 ский параметр утО ^ху, 2 , 0 , р }, кроме прочих
вышеперечисленных технических возможностей, удовлетворяет требованиям доступности, удобства измерений и технологичности так как даже будучи дискретно контролируемым может быть легко установлен для конкретных гидроцилиндров, доступ к которым, как правило, не затруднен и, что не мало важно, безопасно и без вмешательства в гид-
иркутский государственный университет путей сообщения
.4
Х„, г
, 0*, р*
можно считать устройство
I
росистему. Для измерения его на практике могут использоваться устройства, подобные описанным в работах [9, 18, 19].
Однако, более эффективным с позиции достоверности оценки диагностического параметра
для контроля несущей способности гидроцилиндра, лабораторный вариант которого представлен ниже.
Конечный приёмник устанавливается и аналогично центрируется относительно проушины штока (Рис. 3). Полусферы опор излучателя и конечного приёмника обеспечивают изменение их углового положения относительно друг друга и гидроцилиндра в двух плоскостях.
Промежуточный приёмник, опора которого выполнена в виде «ласточкиного хвоста», что обеспечивает его расположение строго перпендикулярно оси абсцисс, устанавливается на гильзе вблизи крышки (Рис. 4). Луч лазера проецируется на промежуточном приёмнике в виде сетки, по линиям которой последний может быть сориентирован по оси ординат в поперечной плоскости гидроцилиндра. (Рис. 5). При отсутствии такого приспособления промежуточный приёмник может быть выверен по уровням.
Рис. 2. Излучатель на проушине гильзы
Устройство включает в себя излучатель, в качестве которого может использоваться лазерная указка, и два приёмника: конечный и промежуточный. Все элементы устройства закрепляются на диагностируемом гидроцилиндре с помощью постоянных магнитов и имеют соответствующие формы опорных поверхностей. Излучатель устанавливается на опоре корпуса (гильзы) гидроцилиндра, а именно, на торцевую поверхность крепёжного пальца проушины и фиксируется относительно его центрирующего отверстия (Рис. 2).
Рис. 3. Конечный приёмник на проушине штока
Рис. 4. Промежуточный приёмник на гильзе гидроцилиндра
Экспресс-диагностирование с использованием предлагаемого метода и средства осуществляется в три этапа. На первом этапе необходимо сфокусировать луч лазера в центре шкалы конечного приёмника (Рис. 3), тем самым, «построив» ось абсцисс, являющуюся линией отсчёта параметра у*О (ху, , 0*, р* ). На втором этапе, требуется установить промежуточный приемник на гильзу вблизи крышки, абсцисса которой близка к координате Ху опасного сечения [9] и выверить по
сетке (Рис. 5) либо уровням положение приёмника относительно оси ординат. На последнем этапе необходимо произвести замер по шкале диагностического параметра, обработать его с использованием положений математической статистики с целью получения достоверной оценки и по решающему правилу (11) выработать диагноз.
7.
Рис. 5. Проекция луча лазера на промежуточном приёмнике.
Накопленный в процессе диагностирования массив статистической информации даёт возможность прогнозировать в будущем изменение технического состояния конкретного по назначению и параметрам гидроцилиндра и, тем самым, реализовать на практике преимущества внедрения диагностики в процесс технического обслуживания и ремонта машин.
БИБЛИОГРАФИЯ
1. Кобзов Д.Ю. Гидроцилиндры дорожных и строительных машин. Часть 1. Конструкция. Надёжность. Перспективы развития. Деп. В МАШМИР №2. 59 с.
2. Кобзов Д.Ю., Тарасов В.А., Трофимов А.А. Гидроцилиндры дорожных и строительных машин. Часть 2. Условия эксплуатации, рабочий процесс, режим работы и параметры на-гружения. Деп. В ВИНИТИ № 3552-1399. 108 с.
3. Гидро- и пневмопривод и его элементы. Рынок продукции: Каталог/Коллектив составителей. -М., Машиностроение, 1992. - 232 с.
4. Элементы гидропривода: Справочник/Е.И. Абрамов, К.А. Колесниченко, В.Т. Маслов. Изд. 2-е, перераб. и доп. - Киев: «Техшка», 1977. -320 с.
5. Goldoftas T. Cylinders for profit- making design/Hydraulics & Pneumatics, OH, USA, 1976. pp. 1-32. (на англ. яз.)
6. Li Tian Jue. Hydraulic engineering handbook. -Beijing: Mechanics Industry Press, 1990/ - 2230 p. (на кит. яз.)
Буренин В. В. Герметизация подвижных соединений гидроцилиндров строительных и дорожных машиностроительные и дорожные машины, 1993, №6. С. 22-25.
8. Tao J., Timmermann H. - J., Plog J. Untersuchungen über das reibungsverhalten von polyuretan-nutringen //Ölhydraulik und Pneumatik, Deut-chland, 35 (1991), Nr.8 C. 620-625. (на нем. яз.)
9. Кобзов Д.Ю. Диагностирование гидроцилиндров рабочего оборудования одноковшовых строительных экскаваторов: Дисс. ... к. т. н. /ЛИСИ, Л., 1987. - 345 с.
10. Кобзов Д.Ю., Плешивцева С.В., Трофимов А.А., Лханаг Д., Жмуров В.В. Аналитическое представление несущей способности гидроцилиндров машин. (Статья). Труды Братского государственного университета. - Том 2. -Братск: ГОУ ВПО «БрГТУ», 2003. С. 47-51 -(Естественные и научные науки - развитию регионов).
11. Сырицын Т. А. Надёжность гидро- и пневмопривода. - М.: Машиностроение, 1981. - 216 с.
12. Любошиц М.И., Ицкович Г.М. Справочник по сопротивлению материалов. - 2-е изд. испр. и доп - Минск: Вышейшая школа, 1969. -464 с.
13. Волков Е.Б., Судаков Р.С., Сырицын Т.А. Основы теории надёжности ракетных двигателей. - М.: Машиностроение, 1974. - 400 с.
14. Калявин В.П., Мозгалевский А. В. Технические средства диагностирования. - Л.: Судостроение, 1984. - 208 с.
15. Макаров Р.А., Соколов А.В. Диагностика строительных машин.- М.: Стройиздат, 1984. -335 с.
16. Харазов А.М. Техническая диагностика гидроприводов машин. - М.: Машиностроениме, 1979. - 112 с.
17. Кобзов Д.Ю., Хютте В.И., Кобзов А.Ю. Гидросистема. Патент РФ №2100665. Роспатент от 27.12.97.
18. Алексеенко П.Д., Кобзов Д.Ю., Сергеев А.П., Краснов А. Н. Диагностирование гидроцилиндров строительных экскаваторов// Современные направления развития технологии, организации обслуживания и ремонта строительных машин /ЛДНТП.-Л., 1988. - 8 с.
19. Кобзов Д.Ю., Войткевич В.Б. Диагностическое приспособление для контроля нагрузочной способности гидроцилиндров строительных машин. Информ. лист № 980-88 ЛЦНТИ. - Л., 1988. - 4 с.
