CC BY
29
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Заболотный К.С. - профессор, доктор технических наук,
ЖупиевА.Л. — ст. научный сотрудник Зиновьев С.Н. - аспирант,
Национальный государственный университет Украины, г. Днепропетровск.
-------------------------------------- © В. А. Першин, 2004
УДК 622.285.001.24 В.А. Першин
ПОДОБИЕ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ КАК МЕТОД УПРАВЛЕНИЯ ТЕХНИЧЕСКИМ СОСТОЯНИЕМ ГИДРОПРИВОДА ГОРНЫХ МАШИН
Семинар № 16
ш Ш роблема управления качеством тех-
-Ж_Ж нического состояния горных машин, особенно в условиях их подземной эксплуатации, остается весьма актуальной несмотря на положительный опыт ее решения в стационарных условиях.
В большинстве своем используемые на практике методы и средства решения указанной выше проблемы пригодны лишь для условий стационарных специализированных ремонтно-диагностических фирм, предприятий. Поэтому, при практическом решении указанной проблемы в подземных условиях обычно руководствуются имеющимся опытом работы и возможностями обслуживающего и ремонтного персонала. Такой метод (проб и ошибок) при диагностике горной техники, подборе аналогов взамен ее элементов, отказавших или выработавших установленный ресурс и заменяемых при техосмотрах и текущих ремонтах заведомо приводит к снижению эксплуатаци-
онных и технологических возможностей этой техники.
Для решения задач, связанных с решением этой проблемы, можно использовать метод подобия функционирования систем [2], представляющий собой один из новых видов и методов исследования в классической теории подобия [1]. Эта теория утверждает, что любая функциональная зависимость между физическими параметрами исследуемого явления, объекта может быть выражена также в виде зависимостей между критериями подобия, составленными из этих параметров. К основным особенностям критериев подобия относятся: информативность; модели развития отказов в критериальной форме являются типовыми для аналогичных процессов различных технологических систем; комплексные критерии подобия представляют собой обобщенные независимые параметры. Все эти особенности позволяют упрощать модели развития отказов техники, а
также использовать алгоритмы оценивания ее надежности, соответствия заданным техническим требованиям. Критерии подобия предоставляют возможность пересчета с их помощью исходных или текущих эксплуатационных параметров техники с одних условий функционирования на другие.
Положения классической теории подобия ранее использовались при решении ряда технических задач, относящихся к горной технике. Например, в работах Тесленко А.И. [3, 4 и др.] положения теории подобия использовались для сравнительной оценки параметров участков гидроцепей механизированных крепей по параметрам рабочих жидкостей и гидроцепи. Автором были сформированы индикаторы подобия, позволяющие устанавливать условия замены рабочей жидкости - масла на эмульсию. При этом автором анализируется лишь классическое подобие процессов течения рабочих жидкостей, подлежащих замене. Указанный индикатор подобия не позволяет решать такие важные задачи управления качеством технического состояния, как:
• выполнить анализ состояния функционирования гидропривода в целом, системно, с учетом состояния функционирования всех его элементов: насоса, гидроцилиндров, регулирующей аппаратуры, транзитных и магистральных трубопроводов;
• выполнить анализ состояния функционирования гидропривода на различных этапах его «жизненного цикла» по одним и тем же критериям - при оценке технического состояния, взаимозаменяемости отдельных его отказавших элементов, а также при перепроектировании, модернизации.
Решение подобных задач предлагается выполнять с помощью разработанного метода подобия функционирования систем, критериев и моделей подобия функционирования [2].
Критерии подобия лу могут быть сформированы, в принципе, любым из известных методов: интегральных аналогов, когда известны уравнения процессов и связей; относительных величин и методом нулевых размерностей, при котором наличие уравнения не обязательно, но известна общая функциональная зависимость, например, характерная для гидропривода:
г = ^{рй,М,йтр, Ьяр,{Яд,Д а,Ья,ап,рс,{у,р},Ск ндр..}1’
(1)
где Qн - расход рабочей жидкости; М - масса; (1^ - диаметр трубопровода; Ьпр - приведенная
длина гидроцепи; Яд - внешняя нагрузка; Б -диаметр поршня; - сила трения; ап - угол
падения пласта; V, р, рн, рс - соответственно вязкость и плотность рабочей жидкости, а также ее давление на участке нагнетания и на сливе; Ск - коэффициент сопротивления гидроцепи.
Последняя зависимость дает возможность исследовать техническое состояние горных машин системно, учитывая структурные и параметрические их особенности, ориентируясь при этом на выходные характеристики, параметры цели (параметры качества).
Основным условием достижения и сохранения в заданных пределах значений выходных показателей функционирования машин является сохранение определенного подобия безразмерных комплексов параметров машины, представляемой системой, состоящей из элементарных подсистем. Эти безразмерные комплексы -критерии подобия функционирования - включают входные задающие, возмущающие воздействия на систему, и ее внутренние параметры - структурные и технологические.
Анализ систем методом подобия функционирования выполняется путем формирования и использования обобщенных и частных моделей.
Обобщенные модели являются общими для систем определенного класса.
Принцип обобщения моделей подобия функционирования включает такие условия: применение моделей должно быть ориентировано на системы единого целевого назначения; модели должны быть универсальными, в смысле их использования, как при синтезе, так и при анализе систем, а также на различных этапах их «жизненного цикла»; модели подобия функционирования должны быть инвариантны по отношению к нестабильности условий однозначности систем; критерии подобия функционирования должны иметь постоянные значения для всех систем одного функционального назначения.
Кроме того, обобщенные модели должны содержать все условия, необходимые и достаточные для решения задач подобия функционирования систем. К таким условиям относятся: условие функционального соответствия объединяемых в систему подсистем; условия подобия функционирования каждой из подсистем; условие подобия функционирования системы в целом; условие подобия функционирования системы-оригинала и системы-аналога.
В качестве системы-аналога при контроле технического состояния горной машины могут быть приняты или эта же машина, но с заданным состоянием, или же машина - эталон с нормативными значениями параметров подсистем.
Математическое представление этих условий для формирования обобщенных моделей подобия функционирования систем зависит от функционального назначения и структуры конкретной системы. Автором разработаны, например, модели для таких систем: с последовательным, параллельным и комбинированным объединением подсистем; с нагруженным и ненагруженным резервированием подсистем; подсистем с переменными целями, вектором действия и к-потенциалом; подсистем с обратными связями и др.
Частные модели подобия функционирования систем выделяют из множества систем определенного функционального назначения конкретные системы. Эти модели как бы наполняют содержанием обобщенные, единые для определенного класса систем, модели. Эти модели учитывают условия однозначности систем, их структуру (вид объединения подсистем, уровни иерархии), тип задачи исследования (прямые, обратные, инверсные). Например, разработаны и были использованы частные модели при контроле технического состояния гидро-
привода различного назначения. При этом использовались Л; критерии подобия фуНКЦИОНИрования отдельных подсистем, примеры которых представлены в таблице.
Критерии подобия функционирования, обладая информативностью в отношении реализуемых машиной или механизмом процессов, могут, очевидно, служить источником информации и о том, насколько конкретное техническое состояние соответствует работоспособному (или иному, заданному) состоянию. И, если величина несоответствия исходных и действительных значений критериев будет превышать установленное предельное значение, можно делать вывод о неработоспособности машины.
Преимуществом критериев подобия является и то, что они могут быть составлены из любых параметров процесса, явления, связанных функциональной зависимостью.
Условные обозначения некоторых параметров, принятые в таблице: Q - номинальная подача, расход, утечки; Р - давление, перепад давления; п - частота вращения; q - рабочий объем; М - крутящий момент; N - эффективная мощность; С - жесткость пружины; у - кинематическая вязкость масла; а - виброускорение в зонах износа; ъ - зазор в рабочих сопряжениях; г - радиус скругления статора насоса; Н - высота неровностей рабочей поверхности статора, подъема клапана; Е - площадь; V - скорость
Критерии подобия функционирования подсистем гидропривода
Элемент гид- Критерии
ропривода
Насос пла- X ; УИ ;
стинчатый щ 1 0Рі Л 2 2 0
оИ5 . пъ = — ’ 3 Q2 п0 = —2; ог
опі8 . ^5 = Г" 9 Q4
Гидромотор 2 3 ЯР ; ^1 — 3 6 1 М3 п6 „ - *Р ; ^2 — 3 2 Мп3
N 2Р . Пз — 6 3 3 п 6М3 і2 Р . ^4 — 2 Мп
спі2 . л, = ’ 5 PQ
Гидроцилиндр УХ . п, = . Ор ЯР. к2 = ; X
тт 0 . ^3 _ 3 ; 3 і3 2 ^ -2 р ; ^4 X
„ ^ . _ «°4
штока; 8 - перемещение штока, ход затвора в клапане; 1 - время перемещения штока гидроцилиндра, срабатывания золотника; X - усилие на поршень гидроцилиндра, золотника с гидроуправлением, прижатия пластин к поверхности статора; £, - тонкость фильтрации; ^ - линейная пропускная способность фильтра.
При контроле технического состояния интерес представляют критериальные зависимости, составленные из структурных и диагностических параметров. В этом случае, используя доступные методы и средства регистрации диагностических параметров, по критериальной зависимости можно всегда определить значение структурного или диагностического параметра (регистрация которых затруднена), не прибегая к разборочным операциям и не нарушая производственный процесс, в котором задействована машина.
Выбор и использование тех или иных методов и средств контроля технического состояния машин в условиях конкретных шахт зависит от ряда факторов: конструктивной и ремонтной сложности горных машин, их количества, экономической целесообразности применения методов и средств диагностики, их сложности и доступности. При этом весьма важное значение приобретает инженерная подготовка процесса контроля технического состояния, которая включает определение состава входных, внутренних и контролируемых параметров, а также их граничных условий при оценке работоспособности машин; обоснованный выбор видов и типоразмеров средств контроля; разработку методик, тестов контроля и критериев оценок технического состояния и соответствующих этим оценкам рекомендаций по регламенту дальнейшей эксплуатации, техническому обслуживанию и ремонту конкретных машин.
Процедура оценки состояний элементов машины, степени адекватности функциональных характеристик и физических процессов, реализуемых ею на различных этапах физического и морального износа, а также порядок устранения их возможного рассогласования заключаются в следующем:
• выявляют определяющие входные и выходные параметры технологического процесса, реализуемого системой, машиной;
• для подлежащего анализу элемента выявляют определяющие параметры реализуемого им физического процесса и параметры,
характеризующие его работоспособность, конструкцию;
• для исследуемого элемента, содержащей его подсистемы и машины в целом формируют критерии подобия функционирования, характеризующие их конструктивные особенности и реализуемые физические процессы;
• устанавливают зависимость критериев функционирования машины от критериев элементов, подсистем;
• определяют числовые значения критериев подобия функционирования в начальный и исследуемый моменты эксплуатации (например, до и после замены элемента аналогом), а также точность воспроизведения при этом заданного технологического процесса;
• при недостаточной точности воспроизведения заданных значений параметров технологического процесса исследуемым элементом по критериям подобия функционирования принимают и реализуют соответствующие конкретной задаче процедуры принятия решений.
Сущность контроля технического состояния гидропривода [5] (кратко, на примере гидроцилиндра) заключается в использовании критериев подобия, составленных из измеряемых и исследуемых параметров и устанавливающих соответствие действительного состояния заданному или, в частном случае, работоспособному:
Л1 = tQ5 -3 ;
П2 = ДРцбУ^'1; (2)
п3 = ^ДРц,
где и1,и2,и3 - критерии подобия; 1 - время перемещения штока гидроцилиндра; Q - подача насоса перед цилиндром; 5 - зазор в сопряжении поршень-цилиндр; ДРЦ. - перепад давления на гидроцилиндре; ц - вязкость масла.
Исходные значения параметров (10, Q0, 50, ДРц0,, ц0), входящих в критериальные зависимости, принимают соответствующими заданному (исправному, работоспособному) состоянию. Устанавливают также допустимые значения отклонений этих параметров при эксплуатации гидропривода (Д1, ДQ, Д5, Д(ДРц), Дц). Рассчитывают значения критериев подобия, соответствующие работоспособному состоянию
*1(0) = 10 Qo 8 0 -3 ;
П2(0) = ДРЦ08 0у-^- о1; (3)
И3(0) = 10 Ц0_1 ДРЦ0.
Производят измерение рабочих параметров гидропривода в реальной эксплуатации: времени перемещения рабочего органа 1р и перепада давления ДРцр на гидроцилиндре. Используя рассчитанные значения критериев подобия и1(о) и2(о) и3(0), измеренные значения 1р, ДРцр, определяют значения подачи гидронасоса Qp, зазора в сопряжении поршень-цилиндр 5р и вязкости масла Цр, соответствующие реальной эксплуатации.
5 р = 1р Qp -3 Л1(о)-1; (4)
Qp= АРцр8р3Цр-1 Л2(0)‘1;
Цр = 1р ДРцр. И3(о)‘1.
Полученные значения сравнивают с исходными и, в случае непревышения разницы допустимых отклонений этих параметров, делают вывод о соответствии данного технического состояния гидропривода работоспособному, т.е.:
1цр- Цро1
IQp - QpI<AQ (5)
1. Веников В.А. Теория подобия и моделирования (применительно к задачам электроэнергетики). Учебн. пособие для вузов. Изд. 20-е, доп. и перераб. - М.: «Высш. школа», 1976.
2. Першин В.А. Основы подобия функционирования системы «Техника - технология - продукция»: Монография. - Новочерк.: НГТУ, 1996, 120с.
3. Тесленко А.И. и др. Выбор внутреннего диаметра трубопроводов механизированных крепей при их пере-
15 р - 5 р 1<А5/.
Таким образом, наличие функциональных зависимостей в форме критериев подобия состояний после замера истинных значений диагностических параметров элементов позволяет рассчитывать действительные значения их структурных или других диагностических параметров и в итоге определять техническое состояние рассматриваемого элемента, системы или машины, агрегата в целом. А это, в свою очередь, позволяет сформировать стратегию их дальнейшей эксплуатации горных машин (наладка, ремонт, замена неисправных элементов) без необходимых ранее для этих целей простоев и разборочных работ. При этом, получаемые критерии принятия решений являются типовыми и универсальными для использования на различных стадиях «жизненного цикла» определенного класса горных машин.
Выбор тех или иных параметров критериальных зависимостей определяется конкретной задачей исследования технического состояния гидропривода горной машины.
---------------- СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
воде на эмульсию. - В кн.: «Горнорудные машины и ав-томатика».Вып. 6, М., «Недра»,1969.
4. Тесленко А.И. Применение теории подобия к разработке плунжерного гидропривода машин. - «Вестник машиностроения», 1967, №2.
5. А.с. 8и №1800110 А1, Способ контроля технического состояния гидропривода/ Першин В.А., Жданова О.В. - Бюлл. №9. 1993.
— Коротко об авторах -------------------------------------------
Першин В.А. - Южно-Российский государственный технический университет (НПИ).
