CC BY
94
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССОВ СТАРЕНИЯ РУКАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ ГИДРОПРИВОДА УПРАВЛЕНИЯ ОБОРУДОВАНИЕМ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Дроздовский Г.П., Шоль Н.Р. (УГТУ, г. Ухта, РФ)
Complex analysis of the objective factors producing processes of aging of elas-tomeric working shells of high-pressure arms (РВД) is reduced. Except for external factors of a dynamic-inertia loading of technological regimes of use of inventory of logging machines and parameters of a hard climate, the essential role is played with internal factors - dynamics of transient phenomenons in hydraulic-circuit systems as a result of application of switching centres. Methods of diagnosing РВД on the parameters defining intensity of processes of aging are circumscribed. Recommendations on their decrease are given.
Рукава высокого давления (РВД, гидрошланги) в системе гидропривода с распределенными параметрами широкозахватного оборудования лесных машин являются основными монтажными гидроэлементами протяженных гидролиний и большого числа управляемых гидроприводом рабочих органов. Они обладают минимальной жесткостью в динамической системе оборудование-гидропривод и воспринимают все отрицательные проявления динамических эксцессов технологических режимов и условий эксплуатации.
Анализ эксплуатационной надежности гидросистем управления оборудованием лесных машин показывает, что РВД является наиболее "слабым" элементом системы, т.к. имеют наибольший средний процент отказов - 12,7 % по машине и 29,7 % - по гидросистеме [1]. Это результат вариации их прочностных и динамических свойств из -за большей податливости (меньшей жесткости) в условиях знакопеременной динамической нагруженности и свойств интенсивной реологии материала - эластомера (резины) под влиянием различных факторов. Быстрое старение рабочего материала (резины) приводит к интенсивному снижению их ресурса, разрушению (разрыву) и выбросу гидрожидкости в окружающую среду.
Основными факторами старения РВД, проявляющегося в изменении дина-мически-демпфирующих свойств (радиальная жесткость, амплитудно-частотные характеристики и др.) являются:
- внешнее возмущающее динамическое нагружение на оборудование со стороны предмета труда - дерева в различных технологических режимах;
- внутренние динамические процессы - повышение, "выбросы" давления гидрожидкости в переходных режимах работы гидросистемы при срабатывании распределителей, кавитационные явления и т.д.;
- отрицательные факторы эксплуатации в виде низких температур и выстуживания при ветровом обдуве, перегрев гидрожидкости при длительных нагрузочных режимах и т.д.
Многофакторный анализ процессов старения уплотнений и РВД, проведенный в УГТУ, позволяет оценить уровень значимости влияния перечисленных факторов [2].
Внешнее динамическое нагружение при взаимодействии с деревьями создает возмущающее знакопеременное воздействие на систему с частотами 4,26...6,01 1/сек (низшего порядка) и 54,2...57,8 1/сек (высокого порядка) [3]. В режиме торможения грузовых операций в процессе этого взаимодействия, определяемого параметрами распределительных устройств управления, возникают значительные инерционно-динамические перегрузки металлоконструкции оборудования и нарушение динамической устойчивости системы управления. Одним из решающих факторов динамики всей системы оборудования является гидравлическая характеристика распределительных устройств, влияющая на скорость срабатывания в режиме торможения (время срабатывания в процессе прекращения подачи гидрожидкости к силовым гидроцилиндрам управления). С увеличением плавности гидравлической характеристики распределителя значительно снижается уровень динамического колебательного процесса системы. Критерием этой оценки является коэффициент динамичности Кд системы, который меняется в пределах 1,3.4,8 при оперировании с деревьями средним объемом от 1,0 до 0,3 м в зависимости от времени переключения распределителя (? = 0,25. 0,4 сек). С увеличением этого параметра (? до 0,4 сек) динамическая нагруженность системы (КД) снижается в 1,8.2,55. Это одно из направлений снижения процесса старения РВД за счет применения распределителей с плавной гидравлической характеристикой (дросселирование рабочих кромок плунжеров золотников распределителей).
Указанная характеристика распределителей в сочетании с параметрами магистральных трубопроводов (длина, диаметр проходного сечения, толщина стенки) и РВД определяют характер переходного процесса при включении распределителей на грузовое движение (подъем груза - дерева). Кроме инерционно - динамических факторов в этом процессе имеет место преобразование потенциальной энергии гидрожидкости в кинетическую, что и определяет суммарный эффект эксцесса - "выброс", т.е. повышение давления в гидросистеме. Частость кратковременных переходных процессов составляет до 10.15 тысяч за смену работы лесной машины в режиме валки и пакетирования деревьев. Переходные процессы являются основным источником дополнительных внутренних возмущающих колебательных процессов изменения давления гидрожидкости, определяющих процесс старения РВД, выполняющих роль демпферов этого "выброса". Для разгрузки РВД применяют гидроаккумуляторы, имеющие меньшую жесткость, чем РВД (только для систем управления не грузового оборудования).
Теоретические исследования переходных процессов по методике [4] позволяет определить величину повышения давления в системе с учетом большого числа факторов. Расчеты параметров переходных процессов [2] при начальных условиях: рабочее давление в гидросистеме Рраб = 8,0 МПа; длина магистрального трубопровода - 3,2 м; осевая нагрузка на гидроцилиндр - 42 кН; при вариации толщин стенки трубопровода 3 = 4 - 7 мм и диаметре трубопровода -
dвн = 46 мм; показывают, что при 3 = 4 мм "выброс" давления после распределителя составит Ртах = 12,87 МПа, а при 3 = 7 мм Ртах = 14,47 МПа, т.е. соответственно в 1,61 раза и 1,8 раза выше Рраб (влияет упругость трубопроводов). Сравнительно короткие РВД, размещенные вдали выхода из распределителя, частично воспринимают динамику переходного процесса, что провоцирует процесс старения, особенно при отрицательных температурах среды эксплуатации. Соответственно, возникает проблема оценки ресурсных показателей РВД, т.е. снижения уровня их надежности с учетом комплекса процессов старения.
В УГТУ разработан комплекс способов диагностики РВД (патенты №№ 901676 и 1393945) и способы интенсивного искусственного старения РВД (авт. свид. 1255772).
Диагностические алгоритмы и результаты приведены в [2]. Применение способа определения изменения радиальной упругости РВД от наработки в ди-намнческом режиме старения (изменение упругих параметров слоев РВД в их композитной совокупности) по диагностическому параметру - изменению вместимости внутреннего объема РВД, как следствие вариации радиальной упругости, показал их непосредственную зависимость. Например, изменение объемной вместимости от наработки под давлением приведено в табл. 1 (для РВД ВЗНП при I = 1,0 м; dвн = 25 мм; Рраб = 15 МПа).
Таблица 1 - Изменение объемной вместимости от наработки
Количество циклов наработки Т = 0 новый Т = 106 ц Т = 1,2-106 ц
А д, см3 16,57 18,6 20,37
где Т - число циклов знакопеременной динамической нагрузки (Ртах = 20 МПа, а = 0,25; / = 4 Гц) искусственного старения на стенде.
Ад - объем гидрожидкости в см , вмещаемой РВД при диагностике под давлением Рраб = 25 МПа.
Это наиболее достоверный и простой способ диагностики, отражающий процесс старения рабочих резиновых полостей в окружении (стеснении по радиальной деформации) металлической оплетки, которая также меняет свой "коэффициент постели" как упругое основание для упругой балки - резины.
Другой, более точный, но более сложный способ диагностики позволяет определить интенсивность изменения частотно -амплитудной характеристики РВД (вариацию его передаточной функции) - частоты собственных колебаний fс от наработки и условий применения. Этот диагностический параметр (/С) отражает процессы старения резиновой рабочей части РВД, т.е. ее разрывы, расслоения, реологию эластомерных молекулярных цепей, свойства релаксации в процессе высокоэластичной деформации в радиальном направлении.
Разработаны условия проведения этого метода диагностирования и приборы регистрации этого диагностического параметра РВД (определены условия квази-упругого состояния эластомера с учетом условия давления проведения процесса; скорость подачи возмущающего динамического воздействия с учетом времени релаксации эластомера и развития относительного гистерезиса, введе-
но понятие параметрического резонанса и определены условия его появления и фиксации его параметров для косвенного определения частоты собственных радиальных колебаний РВД с гидрожидкостью). В табл. 2 приведены значения изменения диагностического параметра ^ в функции наработки Т в циклах динамического искусственного нагружения (Рраб = 20 МПа, а = 0,25; f = 4 Гц).
Таблица 2 - Изменения диагностического параметра fс от наработки Т
Длина РВД 0 16 мм, м Температура, 0С Наработка, Т -106 циклов
0 1,0 2,0 3,0 4,0
0,50 +20 60,5 44,8 35,50 30,4 28,3
1,2 +20 33,6 21,9 17,9 14,7 13,1
1,7 +20 21,3 9,9 8,0 6,4 5,3
0,7 -45 45,3 24,0 17 - -
Для предварительных расчетов этого параметра можно использовать зависимость /с = /(ДМЛ,Р,&,Ер,К1,К1) [5] в виде:
-|0,5
/с =
б/,2 д Г ЕР
8л- ■I2 _ р
Ч+С
■К1-К2,
которая показывает зависимость fc = Д.Ер), где Ер - модуль упругости материала рабочей оболочки РВД (резины), т.е. Ер = 1011 Н/м2 , варьирующийся в процессе старения оболочки.
При а! = 3,14; й = 0,02 м; Д = 0,04 м; Кг = 0,5; К2 = 0,5; £ = 2 м; р = 0,8 г/см3; С = й/Д = 0,5 получим значение fc = 14 Гц.
На рис. 1 приведена интенсивность изменения параметра^ от наработки Т и температуры среды применения РВД.
Рисунок 1- Изменение частоты собственных колебаний ^
Экспериментальными исследованиями отмечено увеличение интенсивности уменьшения частоты собственных колебаний РВД - "/," при его работе в условиях низкой температуры (? = -450С) по сравнению с работой при положительной температуре (? = +200С). Он позволяет судить об увеличении скорости старения резины РВД при динамическом нагружении в условиях низких температур, что является штатными условиями применения лесозаготовительной техники зимой, когда актируются рабочие дни при t = -500С.
Необходимо предполагать, что при совпадении частот внешнего воздействия со стороны дерева на оборудование машины с частотой собственных колебаний РВД могут возникнуть виды резонанса РВД, также влияющие на развитие процессов их старения.
Анализ проведенных исследований влияния различных (в основном объективных) факторов на процесс старения эластомерной рабочей оболочки РВД отражает динамику необратимости этих процессов, особенно в условиях низких температур применения. Работы фирмы "Тимберджек" и "Валмет" по увеличению ресурсных показателей РВД для харвестеров и форвардеров имеют практическую значимость, но это сопряжено с ростом их стоимости, качества сервиса, но в конечном итоге не гарантирует исключения разрыва РВД в результате производственных эксцессов.
В УГТУ развивается направление замены гидросистем управления оборудованием машин, работающих в условиях жесткого климата на силовые исполнительные агрегаты на базе применения материалов с эффектом памяти формы, исключающие такие элементы как насосы, магистральные трубопроводы! и РВД, распределительные устройства. Однако, это не касается пока гидроприводов вращательного движения (гидромоторов).
Литература
1. Тюкавин В.П. Повышение надежности лесозаготовительной техники.- М.: Лесная промышленность, 1978.- 167 с.
2. Дроздовский Г.П. Проектирование лесопромышленного оборудования.- Ухта: УИИ, 1991.- 133 с.
3. Александров В.А., Шоль Н.Р. Конструирование и расчет машин и оборудования для лесосечных машин и нижних складов: Учебник.- Ухта: УГТУ, 2002.- 243 с.
4. Тарко Л.М. Переходные процессы в гидроприводах.- М.: Машиностроение, 1973.162 с.
5. Лепетов В.А. Расчеты и конструирование резиновых технических изделий и форм.-Л.: Химия, 1972.- 128 с.
