Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования 16
1.1. Оценка эксплуатационной надежности гидроприводов лесных машин 14
1.1.1. Анализ надежности валочно-трелевочной машины ЛП-17 15
1.1.2. Анализ надежности валочно-трелевочной машины ЛП-17А 17
1.1.3. Анализ надежности трелевочного трактора ТБ-1 18 1Л .4. Анализ надежности трелевочного трактора ТБ-1М 20 1Л .5. Анализ надежности трелевочного трактора ЛП-І8А 21
1.1.6. Анализ надежности валочно-сучкорезно-раскряжовочной машины МЛХ-434 22
1.1.7. Анализ надежности погрузочно-транспортной
машины МЛПТ-364 24
1.2. Пути повышения надежности лесных машин 26
1.3. Существующие методы и средства обеспечения ремонтопригодности гидроприводов и их элементов 33
1,3.1. Методы и средства испытания трубопроводов 37
1.3.2.Методы и средства диагностирования гидрораспределителей 50
1.4. Ремонтопригодность и динамический анализ гидроприводов лесных машин 54
1.5. Выводы и задачи исследований 60
2. Теоретические исследования динамических свойств гидропривода и его элементов как объектов обеспечения ремонтопригодности 65
2.1. Исследование динамических свойств гидропривода 67
2.1.1. Математическая модель гидропривода 69
2.1.2. Исследование динамических свойств гидропривода с помощью анализа характеристик переходного процесса 92
2.1.3. Исследование динамических свойств гидропривода с помощью анализа характеристик случайного процесса 99
2.1.4. Математические модели гидроприводов лесных машин 106
2.2. Исследование рукавов высокого давления как объектов тестового диагностирования 136
2.2.1. Свойства материала рукавов высокого давления 137
2.2.2. Обоснование типа внешнего входного воздействия 139
2.2.3. Обоснование режима диагностирования трубопроводов 143
2.2.4. Выбор диагностического параметра 144
2.3. Теоретическое обоснование метода диагностирования гидрораспределителей 146
2.3.1. Влияние эксцентриситета положения золотника в сопряжении «золотник-корпус» на надежность гидрораспределителей 147
2.3.2. Исследование влияния режимов течения жидкости на точность определения зазора в сопряжениях гидрораспределителей 151
2.3.3. Обоснование режима диагностирования гидрораспределителей 156
2.4. Выводы по второй главе 159
3. Экспериментальные исследования гидропривода и его элементов в производственных и лабораторных условиях 163
3.1. Исследование динамических свойств гидропривода трелевочного '-. трактора с гидроманипулятором ТБ-1 в производственных условиях 164
3.11. Климатические условия проведения эксперимента 164
3.1.2. Измерительная аппаратура и методика обработки экспериментальных исследований 165
3.1.3. Обоснование режимов диагностирования гидроприводов с помощью переходных характеристик 171
3.2. Исследование динамических свойств гидропривода машины ЛП-ЗОБ в производственных условиях 181
3.3. Лабораторные исследования трубопроводов с нелинейной характеристикой упругости для обоснования режима их диагностирования 196
3.3.1. Исследование влияния давления жидкости в трубопроводе на режим его диагностирования 197
3.3.2. Исследование степени влияния амплитуды импульсного воздействия на режим диагностирования трубопроводов 203
3.3.3. Исследование характера изменения диагностического параметра рукавов высокого давления при их динамическом нагружении 204
3.4. Производственные и лабораторные исследования гидрораспределителей 212
3.4.1. Установка для исследования гидрораспределителей 217
3.4.2. Оценка условий проведения эксперимента 219
3.4.3. Обеспечение режима диагностирования гидрораспределителей в лабораторных условиях 221
3.5. Выводы по третьей главе 223
4. Методы и средства диагностирования гидроприводов лесных машин и их элементов 226
4.1. Методы определения общего технического состояния гидропривода 226
4.1.1. Метод тестового диагностирования гидропривода 227
4.1.2. Метод функционального диагностирования гидропривода 229
4.2. Способ диагностирования трубопроводов с нелинейной характеристикой упругости и средство для его осуществления 231
4.2.1. Установка для диагностирования рукавов высокого давления 234
4.2.2. Промышленная установка для диагностирования рукавов высокого давления 242
4.3. Способ диагностирования упругих трубопроводов и средство для его осуществления 248
4.1.3. Переносное средство для определения технического состояния упругих трубопроводов 249
4.3.2. Устройство для динамического нагружения гидропривода 252
4.4. Способ диагностирования гидрораспределителей лесных машин 254
4.4.1. Установка для диагностирования гидрораспределителей 255
4.5. Выводы по четвертой главе 260
5. Прогнозирование технического состояния элементов гидроприводов 263
5.1. Методика определения вероятности отказов элементов гидропривода 263
5.2. Методика определения стратегии замены элементов гидропривода 273
5.3. Прогнозирование технического состояния гидрораспределителей 279
5.4. Выводы по пятой главе 286
6. Технико-экономическое обоснование средств диагностирования элементов гидропривода 288
6.1. Обоснование эффективности использования предлагаемой установки для диагностирования рукавов высокого давления 288
6.2. Обоснование эффективности использования предлагаемой установки для диагностирования гидрораспределителей 297
Основные выводы и рекомендации 304
Список использованной литературы
- Анализ надежности валочно-трелевочной машины ЛП-17А
- Исследование динамических свойств гидропривода с помощью анализа характеристик переходного процесса
- Климатические условия проведения эксперимента
- Способ диагностирования трубопроводов с нелинейной характеристикой упругости и средство для его осуществления
Введение к работе
Исследования работы лесных машин в условиях северных и северо-западных районов европейской части Российской Федерации показывают, что надежность их гидроприводов находится на низком уровне. Так, например, на гидропривод технологического оборудования вал очных, трелевочных и сучкорезных машин приходится 33-53,8% отказов от числа отказов по машине. Из всех элементов гидроприводов наибольшее количество отказов имеют рукава высокого давления (РВД) от 29,7 до 44,4% и золотниковые распределители - до 23,8% [247].
Выход из строя рукавов высокого давления приводит к большим потерям рабочей жидкости и снижению производительности машины в результате простоев. Сложность определения технического состояния гидрораспределителей затрудняет их контроль, что снижает срок службы и повышает затраты на ремонт, причем значительная часть распределителей отправляется в ремонт по причине разрегулировки, то есть с недоиспользованным ресурсом.
Одной из категорий надежности машин является их долговечность, то есть способность сохранять работоспособность до наступления предельного состояния в течение всего периода эксплуатации при установленной системе технического обслуживания и ремонтов. Из всех составных частей долговечности машин наибольший интерес представляет ремонтопригодность - свойство, за ключающееся в приспособленности машины к предупреждению, обнаружению и устранению отказов и неисправностей путем проведения технического обслуживания и ремонтов. Обеспечение ремонтопригодности гидроприводов лесных машин, имеющих наибольшее количество отказов, позволит повысить их долговечность, а, следовательно, и надежность.
Одним из эффективных средств профилактики отказов является техническое диагностирование машин, позволяющее предупредить и обнаружить неис / правности, определить текущее рабочее состояние и годность их к дальнейшему использованию.
В настоящее время получило развитие направление диагностирования гидроприводов как в функциональном режиме (в процессе работы машины по назначен и to), так и в процессе технического обслуживания и ремонта, что позволяет изучить причины потери работоспособности, определить степень удаленности от предельного состояния, установить вид и место возникновения дефектов.
Следовательно, исследования гидроприводов лесных машин по совершенствованию и разработке новых методов определения их технического состояния и вероятности безотказной работы, методик поиска оптимальной стратегии замены элементов гидроприводов, весьма актуальны.
Цель работы. Повышение надежности гидроприводов лесных машин путем обеспечения их ремонтопригодности с помощью разработки доступных методов и средств диагностирования, определения вероятности безотказной работы, оптимальной стратегии замены элементов гидропривода, прогнозирования их остаточного ресурса.
Объект исследования: гидроприводы лесных машин и их элементы, лимитирующие надежность, а именно: рукава высокого давления и гидрораспределители.
Предмет исследования: математические модели функционирования гидроприводов лесных машин и их элементов: переходные процессы в гидроприводах, статистические характеристики их нагруженности, частоты колебаний и податливость рукавов высокого давления, утечки в сопряжениях гидрораспределителей.
Методы исследования: системный анализ, математическое моделирование, аналитические и графоаналитические методы теории автоматического управления, методы динамического стохастического программирования, теория марковских процессов, теория вероятности и математическая статистика.
Научная новизна работы состоит в том, что научно разработаны: 1) математическая модель функционирования гидроприводов лесных машин, которая позволяет рассчитывать изменение давления в гидроприводе в заданных пределах и определять их приспособленность к ремонтопригодности на стадии проектирования машин;
2) новый подход к вопросу повышения надежности гидроприводов лес-ных машин на основе разработки теории и методов анализа их общего технического состояния, отличающийся тем, что:
при проведении технического обслуживания или ремонта в гидроприводах создаются специальные тестовые воздействия, приводящие к возникновению переходного процесса, по темпу затухания которого судят о техническом состоянии гидропривода;
в процессе обработки деревьев определяются статистические характеристики возникающего в гидроприводе случайного процесса (корреляционные функции и спектральные плотности), по характеру изменения которых судят о техническом состоянии гидропривода;
3) способ тестового диагностирования трубопроводов с нелинейной характеристикой упругости и средство для его осуществления, которые позволяют на основе измерения собственной частоты колебаний трубопровода с жидкостью определять их техническое состояние и годность к дальнейшей эксплуатации;
4) способ и малогабаритное средство для тестового диагностирования ру кавов высокого давления, отличающиеся возможностью определять техническое состояние трубопроводов при эксплуатации машины на основе изменения объема вытесненной трубопроводом рабочей жидкости при ее сбросе с максимального рабочего давления до величины установленного;
5) новый подход к использованию ресурса гидрораспределителей лесных машин, отличающиеся тем, что при проведении технического обслуживания машин определяют величины утечек в их сопряженных соединениях при турбулентном режиме течения маловязкой жидкости, по отклонению которых от эталонных значений судят об их техническом состоянии;
6) методика расчета вероятности безотказной работы и стратегии замены элементов гидропривода лесных машин, отличающаяся тем, что остаточный ресурс гидропривода можно определять с помощью разработанных средств диагностирования с учетом периода его эксплуатации.
Практическая значимость работы.
1. Разработанные математические модели функционирования гидроприводов лесных машин позволяют на стадии проектирования рассчитывать изменение давления в гидроприводе в заданных пределах и определять возможность замера их текущего технического состояния.
2. Методика, аппаратура и стенды для проведения диагностирования элементов гидропривода дают возможность проводить процесс технического обслуживания лесных машин и могут быть использованы при проверке качества их ремонта с помощью простых технических средств в условиях лесозаготовительного предприятия.
3. Разработанные практические рекомендации по повышению надежности и долговечности гидропривода могут быть использованы проектными организациями и лесозаготовительными предприятиями на этапах проектирования и эксплуатации.
4. Защищенные авторскими свидетельствами способы диагностирования и созданные на их основе промышленная установка и малогабаритное переносное устройство обеспечивают выявление технического состояния упругих трубопроводов на любом лесозаготовительном предприятии.
5. Разработанный новый подход к проблеме использования ресурса гидрораспределителей лесных машин, основанный на определении величины утечек в сопряженных соединениях при турбулентном режиме течения маловязкой жидкости, а также установка для определения их технического состояния дают возможность повысить достоверность проводимых диагнозов и тем самым снизить расходы на эксплуатацию машин. б. Предложенная методика определения вероятности безотказной работы и оптимальной стратегии замены элементов гидропривода, позволяет своевременно осуществлять их замену, уменьшить количество и номенклатуру запасных частей, имеющихся на лесозаготовительном предприятии.
Личный вклад соискателя в работу.
При выполнении диссертационной работы соискателем были обоснованы и разработаны:
• математические модели гидроприводов валочных, трелевочных, сучкорезных и других лесных машин, с помощью которых исследовались динамические свойства и возможность обеспечения ремонтопригодности;
• методы функционального и тестового диагностирования гидроприводов, позволяющие определять их общее техническое состояние;
• способы тестового диагностирования рукавов высокого давления и гидрораспределителей;
• методики определения вероятности безотказной работы и оптимальной стратегии замены элементов гидропривода;
• рекомендации по использованию разработанных средств диагностирования рукавов высокого давления и гидрораспределителей. Положения, выносимые на защиту.
1. Математическая модель функционирования гидроприводов лесных машин, основанная на компонентных топологических уравнениях и позволяющая рассчитывать изменение давления в гидроприводе в заданных пределах и определять их приспособленность к ремонтопригодности на стадии проектирования машин.
2. Методика функционального диагностирования гидропривода, основанная на анализе статистических характеристик динамических процессов, происходящих в гидроприводе, позволяющая определять общее техническое состояние гидропривода при обработке деревьев.
3. Методика тестового диагностирования гидропривода, основанная на анализе возникающих в процессе создаваемых тестовых воздействий свободных затухающих колебаний, дающая возможность определять общее техническое состояние гидропривода в процессе проведения технического обслуживания или ремонта машины.
4. Способ и средство для осуществления тестового диагностирования трубопроводов с нелинейной характеристикой упругости, отличающиеся тем, что в трубопроводе с жидкостью создаются тестовые воздействия импульсного характера в регулируемом диапазоне частот до возникновения резонансного состояния, определяемого по собственной частоте колебания, по отклонению которой от эталонного значения судят о техническом состоянии трубопровода.
5. Способ и малогабаритное средство для осуществления тестового диагностирования упругих трубопроводов, отличающиеся тем, что во внутреннюю полость трубопровода подают рабочую жидкость с последующим его нагруже-нием избыточным давлением, сбросом части жидкости и определением диагностического параметра, по отклонению которого от эталонного значения судят о техническом состоянии трубопровода.
6. Новый подход к проблеме использования ресурса гидрораспределителей лесных машин, основанный на определении величины утечек в сопряженных соединениях при турбулентном режиме течения маловязкой жидкости, а также средство для его реализации, повышающие достоверность проводимых диагнозов при определении их технического состояния.
7. Методика расчета вероятности безотказной работы и оптимальной стратегии замены элементов гидропривода, позволяющая по диагностическим признакам текущего технического состояния определять вероятность выхода их из работоспособного состояния и необходимость замены.
Публикации.
По материалам исследований, выполненных в диссертации, опубликовано 20 работ, в том числе: монография - 1, статьи в научно-технических журналах, рекомендуемых ВАК для докторских диссертаций - 5, других изданиях 12 11, авторских свидетельств - 3.
Апробация работы.
Результаты проведенных исследований отражены в научных отчетах Ухтинского индустриального института за 1979-1985 гг., Сыктывкарского лесного института за 1990-2003 гг., докладывались, обсуждались и были одобрены на научных конференциях Ухтинского индустриального института в 1976-1990 гг., ЛТА им. СМ. Кирова в 1980-1981 гг., Всесоюзной научно-технической конференции в г. Хабаровск в 1982 г.. Сыктывкарского лесного института 1990-2003 гг., Марийского государственного технического университета в 2004 г.
Реализация результатов работы.
Результаты проведенных в диссертации исследований были использованы Всесоюзным лесопромышленным объединением «Комилеспром» при организации технического обслуживания гидросистем лесных машин, что позволило в 1980-90 г.г. снизить простои лесных машин. Результаты исследований использованы также предприятиями, входящими в холдинг ОАО «Лесопромышленная группа «Комилес», что позволило сохранить в 1998-2002 г.г. объемы заготавливаемой древесины за счет снижения простоев машин, а также снизить потери рабочей жидкости в результате внезапного разрыва рукавов высокого давления.
Разработанная промышленная установка по диагностированию рукавов высокого давления внедрена на Ухтинском ремонтно-механическом заводе и ОАО «Лесопромышленная группа «Комилес».
Разработанные стенды используются в учебном процессе Сыктывкарского филиала Ухтинского государственного технического университета и Марийского государственного технического университета.
Работа выполнена в Марийском государственном техническом университете.
Объем и структура работы.
Диссертация изложена на 414 стр. машинописного текста, в том числе: основного текста - 339 с; рис. -Ill; табл. - 30; списка литературы — 335 наименований, приложений - на 75с.
Структурно диссертация состоит из 6 глав, основных выводов и рекомендаций, списка литературы и приложений.
Автор выражает благодарность заведующему кафедрой машин и оборудования лесопромышленного комплекса Сыктывкарского лесного института профессору, кандидату технических наук Б,П. Евдокимову, профессорам, докторам технических наук: Ю.И. Багину, А.Я. Полянину и B.C. Сюневу, научное общение с которыми, способствовало завершению данной работы.
Анализ надежности валочно-трелевочной машины ЛП-17А
Анализ проведен на основании данных, полученных при испытаниях восьми машин ЛП-17 А, изготовленных на Ухтинском ремонтно-механическом заводе (г.Ухта, Республика Коми) в 1986 году, с объемом наработки 2000 моточасов. Испытания проводились на базе опорного пункта ЦНИИМЭ в Боровском леспромхозе. На протяжении всех этапов испытаний средний объем деревьев колебался от 0,17 до 0,45 м3. За время испытаний было зафиксировано по всему парку машин 869 отказов, из которых: - 504 отказа (58%) I группы сложности; - 311 отказов (35,8%) II группы сложности; - 54 отказов (6,2%) III группы сложности.
Анализ распределения отказов машины ЛП-17А показал, что на гидроприводы приходится 48,3% отказов, на технологическое оборудование- 33,7%, на базовый трактор - 18% отказов. Это говорит о том, что гидроприводы машин ЛП-17А так же, как и машин ЛП-17, не имеют достаточной эксплуатационной надежности и являются основными узлами, лимитирующими надежность всей машины.
Распределение отказов машин ЛП-17А по элементам гидроприводов показано на рис. 1.2.
Анализ данных рис. 1.2 показывает, что выход из строя РВД составляет 28,9% от всех отказов гидроприводов машины ЛП-17А. На гидрораспределители приходится 24,1 % отказов. Это говорит о том, что по-прежнему элементами, лимитирующими надежность гидроприводов машины ЛП-17А, являются РВД и гидрораспределители, несмотря на проведенную модернизацию.
Анализ проведен на основании наблюдений за одиннадцатью тракторами ТБ-1 с объемом работы 2000 моточасов в Боровском ЛПХ Республики Коми.
За период наблюдений с 1986 по 1993 гг. было зафиксировано 892 отказа. Распределение количества отказов машины ТБ-1 показано на рис.1.3.
Анализ полученной гистограммы показывает, что наибольшее количество отказов приходится на базовый трактор (27,8%), гидроприводы (23,9%) и технологическое оборудование (18%).
Анализ проведен на основании наблюдений в 1997-99 гг. за семью машинами ТБ-1М с объемом наработки 1800 моточасов в ООО «Боровское лесопромышленное предприятие» в Республике Коми. За период наблюдений было зафиксировано 562 отказа.
Распределение количества отказов машины ТБ-1М показано на рис. 1.4. Ф Анализ результатов исследования показывает, что на гидроприводы ма шины ТБ-1М приходится 147 отказов, что составляет 26,2% от всех отказов по машине, на I группу сложности приходится 12,1% отказов, причем основное количество отказов РТИ приходится на рукава высокого и низкого давления (38,3%).
Отказ гидрораспределителей в результате износа золотников составляет 9,1% от всех отказов по всем гидроприводам.
Таким образом, элементами гидроприводов машины ТБ-1М, имеющими низкую эксплуатационную надежность, являются резиновые трубопроводы и гидрораспределители.
Анализ проведен в 1980 году в Боровском ЛПХ Республики Коми на основании наблюдения за тринадцатью машинами с суммарной наработкой в среднем на машину 1250 моточасов. Объем стрелеванной древесины составил 22790 NT . За период наблюдений было зафиксировано 843 отказа, что в среднем составило 64,8 отказа на машину.
Отказы гидроприводов от общего количества отказов по машине составляют 35,9%, технологического оборудования - 33%, базового трактора - 31,1%.
По сложности устранения отказы распределяются: I группа - 16,8 отказа (25,9%); II группа - 33,6 отказа (51,8%); III группа - 14,4 отказа (22,1%).
Анализ проведен на основании данных, полученных при испытаниях в 2003 году пяти контрольных образцов МЛХ-434, изготовленных на Минском тракторном заводе, с объемом наработки 1000 моточасов. На протяжении всех этапов испытаний средний объем деревьев колебался от 0,45 до 0,8 м3.
Исследование динамических свойств гидропривода с помощью анализа характеристик переходного процесса
Методы математического моделирования позволяют осуществлять анализ процессов, происходящих в гидроприводе лесных машин при их работе, и вместе с этим способствуют нахождению новых решений в вопросах обеспечения их ремонтопригодности, а именно - своевременного обнаружения и предупреждения отказов и неисправностей при проведении технического обслуживания и ремонтов.
Для исследования гидроприводов используются аналитические и графоаналитические методы, хорошо разработанные в теории автоматического управления. Динамическому анализу гидроприводов посвящен ряд работ, описанных в первом разделе, большинство из которых относится к следящему гидроприводу. Однако практически отсутствуют работы по динамическому анализу гидроприводов с целью обеспечения возможности определения их технического состояния в различные периоды эксплуатации. Существующие аналитические и графо-аналитические методы требуют проведения весьма трудоемких расчетов и даже в простейших случаях для линейных систем не позволяют получить исчерпывающие ответы на все возникающие вопросы.
В данном разделе предложена методика проведения исследований гидроприводов и их элементов по обеспечению ремонтопригодности, позволяющая на стадии проектирования оценивать степень удаленности структурных параметров отдельных элементов гидропривода от предельных состояний, предупредить и обнаружить их возможные отказы, то есть проводить их диагностику.
Для оценки технического состояния гидропривода и его элементов и анализа законов его изменения в эксплуатации необходимо выбрать диагностические параметры (признаки), характеризующие техническое состояние объекта диагностирования.
При выборе диагностического параметра к нему предъявляются требования однозначности, стабильности, диапазона изменения (коэффициента относительной дифференциации), доступности и удобства измерения, информативности, технологичности и т.д. Выбранный диагностический параметр должен нести наибольшую информацию о техническом состоянии диагностического узла.
Диагностические параметры делятся на зависимые и независимые. С помощью независимых параметров устанавливается конкретная неисправность. Обнаружение неисправности с использованием зависимых параметров возможно лишь при их одновременной регистрации. Основными параметрами при диагностировании гидропривода являются: давление (включая пульсации давления), расход рабочей жидкости, механические перемещения (частота вращения, линейные перемещения), температура рабочей жидкости.
Если значения диагностических параметров объекта не поддаются непосредственному измерению, то их находят обработкой значений других параметров, связанных с искомыми функциональными зависимостями.
Формализованные методы определения диагностических параметров предусматривают построение и анализ математической модели объекта диагностирования и модели возможных дефектов. Такие методы дают возможность выбрать параметры, необходимые и достаточные для проведения того или иного вида диагностирования (проверки исправности, работоспособности, функционирования, поиска дефекта).
Для проведения теоретического исследования гидропривода предлагаются гипотезы о приспособленности гидропривода и его элементов к диагностированию. На их основе строится математическая модель гидропривода, позволяющая анализировать модель возможных дефектов и выбирать диагностические параметры.
Гипотеза 1. Для исследования динамических свойств гидроприводов лесных машин по обеспечению их ремонтопригодности можно использовать метод математического описания элементов при помощи гидромеханических цепей. Построение математической модели при помощи данного метода позволит проводить исследования приспособленности гидроприводов к диагностированию как в режиме обработки деревьев, так и в режиме переходных процессов, специально создаваемых тестовыми воздействиями.
Гипотеза 2. Исследования динамических процессов, происходящих в трубопроводах с нелинейной характеристикой упругости (рукавах высокого давления), позволят принять в качестве диагностических параметров - собственную частоту колебаний трубопровода с жидкостью и объем вытесняемой трубопроводом жидкости при сбросе давления с максимального до установленного. По их изменению от эталонных значений можно определять техническое состояние трубопровода.
Гипотеза 3. Исследования динамических процессов, происходящих в золотниковых гидрораспределителях, позволят при замере величины утечек рабочей жидкости в испытуемом сопряжении определить режим движения (турбулентный), при котором погрешности определения технического состояния распределителей будут значительно меньше по сравнению с используемыми методами.
Подтверждение данных гипотез даст возможность разработать новые методы определения технического состояния гидроприводов и их элементов в функциональном и тестовом режимах работы лесных машин, которые обеспечат повышение их ремонтопригодности и, как следствие, - повышение надежности машин.
Климатические условия проведения эксперимента
Внутренний слой рукавов высокого давления изготавливается из масло-стойкой резины марки 4410-1, наружный - из резины марки НО 68-1.
Резина, как и составляющие ее основу натуральные или синтетические каучуки, является высокомолекулярным соединением, состоящим из макромолекул с большим молекулярным весом. Вещества с таким строением получили название полимеров.
Резины относятся к аморфным полимерам и в зависимости от температуры могут находиться в трех физических состояниях: стеклообразном, высокоэластическом и вязкотекучем. Стеклообразное состояние характеризуется высокой хрупкостью, высокоэластическое - большими обратимыми деформациями, вяз коте кучее - необратимыми пластическими деформациями.
В основе всех тех особенностей, которые сопровождают деформирование резиновых конструкций, лежат релаксационные процессы, вызванные переходом системы от неравновесного состояния (в результате нагружения) к равновесному вследствие теплового движения макромолекул.
Общее представление о деформации резины дает уравнение, предложенное Максвеллом =«_, (2.336) dt dt т где т - время релаксации, с; є - амплитуда деформации, 10 ;w; а - напряжение, МПа; Е - модуль упругости резины, МПа. При приложении нагрузки происходит мгновенная упругая деформация . Затем развивается высокопластическая деформация —. упр в E„ = R-N3 (2.337) где R - константа, зависящая от химической структуры каучуковой цепи; Т -абсолютная температура, К; N - число молекулярных цепей в единице объема резины. При снятии нагрузки упругая деформация мгновенно исчезает, затем медленно уменьшается высокоэластическая, пластическая же деформация остается без изменений. Таким образом, в результате релаксационных явлений зависимость сила -деформация имеет у резины нелинейный характер. Для количественной оценки упруго-гистерезисных свойств резины при динамическом нагружении используют комплексный модуль упругости
Едии= (Е )2+(Е У , (2.338) где Е и Е - комплексные показатели, характеризующие упругость резины и внутреннее трение в материале. где со - круговая частота колебаний образца.
При описании поведения резины при динамическом нагружении основным количественным показателем является отношение энергии рассеяния (?) к потенциальной энергии тела (W), отвечающей амплитуде деформации за один и тот же цикл W (2.340)
Гистерезисные явления характерны для всех материалов, но у резины значительно отличается по форме гистерезисной петли от конструкционных материалов. Так, если у стали у = 0,01 - 0,02, то у резины у/ = 0,05 - 0,25 и более.
Относительный гистерезис, характеризующий потери на внутреннее трение в резине, при динамическом нагружении равен где в - коэффициент, характеризующий вязкие свойства резины. Из выражения (2.341) видно: -если безразмерный коэффициент сот »1, то высокоэластическая деформация не успевает проявиться и материал ведет себя как квазиупругий; -если сот «1, то соответствующая деформация развивается полностью; -если ют = 1- гистерезис наибольший. Эти три состояния резины необходимо учитывать при разработке метода диагностирования резиновых трубопроводов.
При тестовом диагностировании построение алгоритма сводится к построению теста диагностики. В качестве теста диагностирования можно вы брать всевозможные (допустимые) входные воздействия на объект диагностирования.
Довольно часто в качестве теста используют имитирующие рабочие воздействия на объект, причем при диагностировании подают их в том порядке, в котором они поступают при использовании объекта по назначению. При таком способе диагностирования следует иметь в виду то обстоятельство, что данный тест может не обеспечивать требуемой точности диагноза (не обнаруживать все дефекты, нарушающие исправность или работоспособность объекта).
При диагностировании элементов гидропривода используют внешние воздействия гармонического и импульсного характера. Рассмотрим оба типа тестового воздействия.
Способ диагностирования трубопроводов с нелинейной характеристикой упругости и средство для его осуществления
Проведенные исследования РВД показали, что в результате релаксационных явлений в материале зависимость «сила-деформация» имеет нелинейный характер. Кроме того, гистерезисная петля, представляющая собой разность между удельной работой, затраченной при нагружении, и работой, полученной при разгрузке системы, у резины значительно отличается по форме от других конструкционных материалов. Все это затрудняет использование известных методов диагностирования трубопроводов.
Теоретические и лабораторные исследования резиновых трубопроводов позволили определить условия реализации метода их диагностирования (открытая система внешнего возмущающего воздействия импульсного характера, резонансный режим течения жидкости, давление и амплитуда внешнего воздействия), а также выбрать диагностический параметр (частота собственных колебаний системы).
Для уменьшения внутреннего трения в жидкости, трения жидкости о стенки трубопровода, влияния парогазовых включений следует использовать маловязкую рабочую жидкость - дизельное топливо марки 3 ГОСТ 305-73 (V=1,8-3,2CCT).
Порядок предлагаемого метода диагностирования состоит в том, что в наполненной под давлением (Р=4,2-4,8 МПа) жидкостью трубопровод подается возмущающее воздействие импульсного характера в регулируемом диапазоне
частот до момента наступления резонанса трубопровода с жидкостью. Наступление резонанса регистрируются по характеру затухающих колебаний давления жидкости в трубопроводе в интервалах между импульсами воздействия. Последние осуществляются впрыском жидкости форсункой от топливного насоса высокого давления с гидроприводом его вращения для плавного регулирования частоты воздействия. Для поддержания режима диагностирования и устранения волновых процессов расход жидкости через трубопровод осуществляется за счет сброса избытка давления через клапан или дроссель [1].
Данный метод тестового диагностирования упругих трубопроводов предназначен для косвенного определения наличия неисправностей (трещин, микроразрывов, расслоений) внутри трубопроводов при установлении уровня технического состояния и оценки их пригодности к дальнейшему использованию.
От известных методов определения технического состояния трубопроводов с линейной характеристикой он отличается тем, что техническое состояние трубопроводов с нелинейной характеристикой упругости оценивается по отклонению собственной частоты колебаний диагностируемого трубопровода с жидкостью от эталонных значений собственных частот колебаний не имеющего наработки однотипного трубопровода. Сравнение собственной частоты колебаний трубопровода предельного состояния (предназначенного для выбраковки) с диагностируемым позволяет определить возможность его дальнейшей эксплуатации.
Нарис. 4.1. приведены осциллограммы затухающих колебаний жидкости в резиновом трубопроводе диаметром d =20мм и длиной / =2м в промежутках между импульсами воздействия разной частоты. Резонансное состояние проявляется в уменьшении логарифмического декремента колебаний жидкости вместе с рабочими частями трубопровода и наблюдается при частоте внешнего воздействия /=11,7 Гц. Внутренний резонанс при изменении частот воздействия от указанной частоты ослабевает и наблюдается интенсивное демпфирование колебаний давления жидкости упругой частью трубопровода.
Он отличается от известных методов тем, что в процессе диагностирования исключается обратная связь процессов в трубопроводе и генераторе импульсов, кроме того, исключается появление попутных явлений колебательного характера, таких, как динамическая возбудимость, волновые процессы в результате образования отраженной волны. Это достигается за счет обеспечения дискретного расхода жидкости через трубопровод при помощи клапана или дросселя на выходе.
В отличие от известного анализа амплитудно-частотных характеристик в разработанном методе фиксируется только выходной параметр процесса.
Описанный метод диагностирования может быть также использован при установлении технического состояния трубопроводов с линейной характеристикой упругости.
На данный метод диагностирования и устройство для его осуществления получено авторское свидетельство № 901676 СССР, МКИ" F 15В 19/00 [1].
Разработанный метод диагностирования трубопроводов может быть осуществлен установкой новой конструкции [1].
На рис. 4.2 изображена принципиальная схема установки для диагностирования трубопроводов по предлагаемому методу, а на рис. 4.3 - ее общий вид.
Установка содержит генератор импульсов, состоящий из топливного насоса высокого давления 1 любого типа (применен от двигателя СМД-14Б, устанавливаемого на тракторе ТБ-1), его гидропривода, состоящего из насоса 2 любого типа (применен НШ-10), предохранительного клапана 3, гидромотора 4 любого типа (применен МШ-10), регулируемого дросселя 5 для плавного изменения оборотов насоса 1. Трубопроводы высокого давления соединяют секции насоса 1 с распределительным устройством 6, от которого пульсирующий поток топлива по трубопроводу высокого давления 7 подается на форсунку закрытого типа, производящую впрыски топлива вдоль оси диагностируемого трубопровода 10. Трубопровод закреплен в переходах 9 и 11, имеющих краны для выпуска воздуха и манометр для контроля уровня давления жидкости в трубопроводе, устанавливаемого ручным гидронасосом 13 или за счет наполнения системы при помощи топлива, впрыскиваемого форсункой 6 перед началом процесса диагностирования.
