CC BY
45
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Библиографический список
1. Ильин, Б.А. Основы размещения лесовозных дорог в сырьевых базах лесозаготовительных предприятий / Б.А. Ильин. - Л.: ЛТА, 1987. -63 с.
2. Афоничев, Д.Н. Оптимизация размещения внутриплощадочных дорог в сырьевых базах лесозаготовительных предприятий / Д.Н. Афоничев // Природопользование: ресурсы, техническое обес-
печение: межвуз. сб. научн. тр. / ВГЛТА. - Воронеж, 2007. - Вып. 3. - С. 36-42.
3. Борисов, Г.А. Методы автоматизированного проектирования лесотранспорта / Г.А. Борисов. - Петрозаводск: Карелия, 1978. - 198 с.
4. Tan, J. Planning a forest road network by spatial data handling-network routing system / J. Tan. - Helsinki, 1992.
5. Rowman, J. New look at optimum road dentle topography / J. Rowman, R. Hessier // Transportaion research record. - 1983. - № 898.
ОБОСНОВАНИЕ НАПРАВЛЕНИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ
структуры гидросистемы управления оборудованием ЛЕСНЫХ машин
Г.П. ДРОЗДОВСКИЙ, проф. каф. лесных, деревообрабатывающих машин и материаловедения УхтинскогоГТУ, канд. техн. наук,
Н.Р ШОЛЬ, проф. каф. лесных, деревообрабатывающих машин и материаловедения Ухтин-скогоГТУ, канд. техн. наук,
В.И. ЮСЕНХАН, асп. каф. лесных, деревообрабатывающих машин и материаловедения УхтинскогоГТУ
nshol@ugtu.net
Современные структуры гидропривода технологического оборудования лесных машин содержат значительное количество гидроэлементов и сложные структурные (функциональные) взаимосвязи без резервирования и трансформации этих взаимосвязей. Нет четкого определения функциональной значимости влияния каждого элемента на общую надежность и работоспособность системы. Это приводит к значительному количеству отказов гидросистемы при действии отрицательных факторов внешнего и внутреннего их проявления и воздействия. По данным анализа эксплуатационной надежности лесозаготовительных машин [1], отказы гидросистем составляют 20 до 54 % от всех отказов по машинам (базовый трактор, технологическое оборудование). Это объясняется многими причинами (приведены ниже), но одной из определяющих причин можно считать отсутствие инновационных принципов проектирования гидросистем на базе требований ГОСТ 27.301-95; ГОСТ 27.310-95.
При проектировании гидросистем не учитывается уровень влияния функциональной надежности элементов гидропривода на критичность проявляющихся отказов (т.е.
тяжесть экономических и экологических последствий отказов), приводящих к значительным затратам на устранение отказов и последствий их деградационного влияния на функционирование системы и экологическую ситуацию в зоне применения системы лесной машины в виде загрязнения экосреды при внезапной разгерметизации гидросистемы. Это сопровождается значительным выбросом гидрожидкости на нефтяной основе в зону применения машины и нарушения экологической чистоты среды дальнейшего процесса естественного лесовозобновления лесных ресурсов. Также в структуре гидросистем отечественных лесных машин отсутствует информационная система управления и мониторинга рабочих параметров гидроэлементов на базе бортового промышленного компьютера, обеспечивающего эффективное поддержание функциональной надежности гидроэлементов системы и контроль ее герметичности (важный эколого-эксплуатационный фактор).
В большинстве применяемых лесозаготовительных машин суммарная протяженность напорных гидролиний в составе трубопроводов и рукавов высокого давления, в
86
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
зависимости от типа оборудования, его широкозахватное™ составляет 20 - 100 м, что при значительном колебании давления (выброс давления в переходных процессах при переключении распределительных устройств, динамической нагруженности в процессе технологических операций с деревом, жесткости климатических факторов, деградации упругих свойств резиновых изделий гидросистемы и т.д.) приводит к их разрыву и выбросу гидрожидкости в окружающую среду.
Анализ эксплуатационной надежности применяемых машин [1] показывает, что отказы в виде разрывов трубопроводов и рукавов высокого давления (РВД) составляют соответственно 18,9 % и 29,7 % от всех отказов гидросистемы. Это существенная экономическая и экологическая проблема, которая в соответствии с международным стандартом МЭК 812 (1985) и ГОСТ 27.310-95, должна рассматриваться с позиции анализа видов, последствий и критичности отказов (АВПКО).
Из теории надежности сложных систем известно, что увеличение количества элементов системы резко увеличивает количество нестандартных состояний с нарушением режима нормального ее функционирования
[2]. Анализ структур гидроприводов применяемых лесозаготовительных машин по количеству гидроэлементов системы (обобщение по 20 лесозаготовительным машинам лесной промышленности) приведен в таблице.
Низкая надежность гидросистем лесных машин из-за значительного процента отказов трубопроводов, РТИ и РВД в соответствии с требованиями АВПКО, определя-
ет направления разработки новых критериев качественной оценки функциональной значимости этих элементов в системе и критичности их отказов.
Разработан показатель функциональной надежности элементов гидросистем в виде [3]
Афг, = 1-Z 1 -Ё + К). (1)
i=1 i=1
где - показатель функциональной надежности i-го элемента;
Кф. - коэффициент функциональной значимости i-го элемента в гидросистеме;
K . - коэффициент отказов i-го элемента (доля отказов i-го элемента от отказов гидросистемы).
Анализ данных по эксплуатационной надежности машин и расчет по (1) позволяет определить значение Афтр (труб, РВД) на уровне 0,31 при К0тр= 0,262 и К0рЩ = °,2°7. Сравнительно: для насосов и гидромоторов - А = 0,291; Аф = 0,315; Аф = 0,224. Раз-
работан показатель критичности отказов i элемента по видам отказов j в виде [3]
а.. = (Л,. / ЕЛ .)-К (1 + K )-100 %, (2) где Л. = К-Л.-n. - приведенная интенсивность j вида отказа i элемента;
К. - степень жесткости j отказа;
Л - интенсивность j отказа i-го элемен-
ij
та;
ЕЛ. - сумма приведенных интенсивностей всех j-видов отказов i-элемента;
n - число элементов в системе.
i
Показатель Апозволяет оценить тяжесть экономических и экологических последствий проявления отказов i-ых элементов.
Таблица
Число гидроэлементов ni в гидросистемах отечественных лесных машин
Технологический тип машины Тип гидроэлемента РВД
вра1 (колов цательного ратного) типа возвратно-по сту -пательного типа гидрораспределители
насосы гидромоторы гидроцилиндры блоч- ные одиноч- ные количество золотников
ДП - валочно-пакетирующие 2 - - 4 1 - 4 8 - 12 2 2 11 - 12 18 - - 20
ВТМ - валочно-трелевочные 2 - - 4 1 11 - 12 2 - 3 2 11 - 12 20 - - 24
ДТ - трелевочные 1 - - 2 - О •1* "-t 2 - 3 1 3 - 7 до(12) 12 - - 16
СМ - сучкорезные 1 - - 4 1 - 3 4 - 9 4 - 6 2 6 - 10 до(16) 14 - - 18
ПЛ - погрузочные 1 - - 2 - 5 - 6 1 - 2 - 3 12 - - 16
ДЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010
87
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
Анализ расчетных данных по формуле (2) с учетом формулы (1) показывает, что РТИ, трубопроводы и РВД, имеющие отказы в виде разрыва (прорыва) с экологически недопустимым загрязнением среды гидрожидкостью, имеют значительную критичность их последствий.
Уровень показателя критичности Ак.. для указанных элементов составляет: РТИ (всех видов, и в составе большинства гидроэлементов) - АКрт= 19,5 %; РВД и трубопроводы AKTpy6= 15,72 %.
В сумме последствия отказов перечисленных элементов показатель критичности составляет 35,2 % тяжести последствий (экономических и экологических) от всех отказов элементов гидросистемы. Если учитывать постепенные отказы РТИ (износ всех типов уплотнений), то показатель их критичности АКрти имеет значения до 20 %, что говорит о необходимости применения антидеграционных эластомеров и обеспечения чистоты рабочей гидрожидкости.
Проведенные исследования определяют инновационные подходы к проектированию структур гидропривода с устранением гидросвязей между гидроэлементами, особенно для лесных машин с большим содержанием указанных элементов.
Рукава высокого давления (РВД) в системе гидропривода с распределенными параметрами широкозахватного оборудования лесных машин являются основными монтажными соединениями магистральных гидролиний обвода шарниров соединений элементов оборудования, что и определяет их значительное количество.
Значительная вариация нагрузочных режимов РВД, проявляющая в значительном колебании давления гидрожидкости в процессе нагружения при оперировании с деревьями, в переходных процессах значительного количества переключений распределительных устройств (до 200 в час) и торможения движений оборудования, в условиях жесткости климатических факторов (в основном низкие температуры) определяют процесс интенсивной реологии (старения) РВД. Многофакторный анализ причин их старения позволяет констатировать необратимость
процессов деградации их свойств и рабочих параметров в условиях знакопеременного динамического нагружения изнутри давлением гидрожидкости, ее влиянием на химическую релаксацию резины РТИ и РВД (хемосорбцию), влияние растворенного в гидрожидкости воздуха на разрыв рабочих резиновых оболочек гидрошлангов.
Разработанные в УГТУ способы диагностирования и искусственного старения РВД по определению динамики развития в них деградационных процессов (патенты № 901676, 1255772, 1393945) позволили экспериментальным путем установить вариацию рабочих и диагностических параметров от наработки и климатических факторов [3].
Изменение радиальной податливости (упругой жесткости) РВД от наработки Т (часы) по параметру объемной вместимости гидрожидкости Aq (см3) (например для РВД ВЗНП при l = 1,0 м; d^ = 0,025 м; Р , = 15 МПа) составляет соответственно: Т = 0 (новый), Aq = 16,57 см3; Т = 70 часов, Aq = 18,6 см3; Т = 90 часов, Aq = 20,37 см3. По динамике изменения этого диагностического параметра (Aq) можно прогнозировать предельное состояние РВД, остаточный ресурс и назначение дальнейшего использования, чтобы избежать аварийных ситуаций разрыва РВД и экологических последствий от загрязнения среды применения машин.
Качественный анализ вариации рабочих параметров РВД по диагностическому параметру - частоте собственных колебаний f по результатам экспериментальных исследований позволяет также установить комплексную динамику проявления деградационных процессов снижения их надежности.
Соответственно для РВД с параметрами d = 0,016 м; l = 0,5 м; 1,2 м; 1,7 м под динамической нагрузкой колебания давления гидрожидкости Рраб = 20 ± 5 МПа, при t = +200С в зависимости от наработки Т = 0; 70 часов; 140 часов; 210 часов; 280 часов (непрерывный интенсивный режим старения при частоте 4 Гц, т.е. 1 час нагружения равен 1,43-104 циклов изменения давления) изменение частоты собственных колебаний РВД fc составляет
С l = 0,5 м; f = 60,5 Гц;
88
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010
ЛЕСОИНЖЕНЕРНОЕ ДЕЛО
45 Гц; 35,5 Гц; 30,4 Гц; 28,3 Гц. l = 1,2 м; f = 33,5 Гц;
45 Гц; 22 Гц; 18 Гц; 14,7 Гц; 13,1 Гц. l = 1,7 м; f = 21,3 Гц;
10 Гц; 8 Гц; 6,4 Гц; 5,3 Гц.
При низкой температуре (-45°С) динамика деградации материала резины РВД по замеряемому параметру - частоте собственных колебаний f более интенсивна и отражается в виде: для l = 0,7 м; f = 45,3 Гц;
24,0 Гц; 17 Гц (соответственно Т= 0 часов (новый); Т = 70 часов, Т= 140 часов). На рис. 1 приведено изменение f = fT) рукавов высокого давления.
Это позволяет судить об увеличении скорости старения резины РВД в условиях отрицательной температуры. Следует отметить, что диапазон изменения частоты вынужденных внешних воздействий на технологическое оборудование в процессе оперирования с деревом составляет от 4,26 Гц до 57,8 Гц, что приводит к параметрическому резонансу системы РВД - гидрожидкость. Это также ускоряет процесс старения РВД.
Альтернативой упрощения гидросистемы гидрофицированных машин любого назначения является применение материа-
лов с эффектом циклической памяти формы (МЭПФ), что позволяет исключить магистральные трубопроводы и РВД.
Рис. 1. Изменение частоты собственных колебаний f РВД
Это перспективное направление, находящееся в научной и конструктивной разработке, позволит создать принципиально новое решение упрощения гидропривода машин. Применение МЭПФ существенным образом позволит решить проблему снижения количества элементов гидросистемы (исключаются насосы, распределительные устройства, магистральные, сливные, дренажные трубопроводы и другие элементы).
Рис. 2. Расчетная схема гидроцилиндра одностороннего действия: 1 - пружины из материала с ЭПФ; 2 - обычная пружина; 3 - нагревательный элемент; 4 - обратный клапан с электроуправлением; 5 - радиатор охлаждения; 6 - термоизоляция; 7 - пружина возврата поршня (для грейфера или механизма поворота); 8 - впускной клапан
ЛЕСНОЙ ВЕСТНИК 5/2010
89
