Содержание к диссертации
Введение
1. Гидросистемы строительных и дорожных машин как объект исследований 8
1.1. Условия работы и показатели работоспособности элементов гидросистем строительных и дорожных машин 8
1.2. Обзор исследований долговечности гидросистем строительных и дорожных машин 24
1.3 Объект, цели и задачи исследования 34
2. Моделирование трибологических процессов в плунжерных гидроагрегатах СДМ 39
2.1. Расчетная схема и математическая модель поршневой группы 39
2.2. Определение КПД аксиально-поршневых насосов 49
3. Экспериментальное исследование и практические рекомендации 68
3.1. Программа опытных работ 68
3.2. Описание экспериментальной установки, информационно измерительный комплекс и методика проведения опытов 72
3.3. Обработка и сравнительный анализ результатов исследования 79
4. Рекомендации по проектированию и эксплуатации насосов гидросистем строительных и дорожных машин 84
4.1. Рекомендации по оценке степени допустимого риска 84
4.2. Рекомендации по анализу надежности и определению недоиспользования ресурса аксиально-поршневого насоса 97
4.3. Программа расчета факторов износа 101
Заключение 112
Список используемых источников 114
Приложения 124
- Обзор исследований долговечности гидросистем строительных и дорожных
- Определение КПД аксиально-поршневых насосов
- Описание экспериментальной установки, информационно измерительный комплекс и методика проведения опытов
- Рекомендации по анализу надежности и определению недоиспользования ресурса аксиально-поршневого насоса
Введение к работе
Эффективность и качество выполнения технологического процесса строительными и дорожными машинами зависит от совершенства их рабочих органов и систем управления. Конструктивно заложенный уровень надежности и долговечности систем реализуется пи соответствии расчетных параметров эксплуатационным нагрузкам. Элементы строительных и дорожных машин воспринимают эксплуатационные нагрузки переменного характера, величина и интенсивность изменения которых зависят от большого числа как контролируемых, так и случайных факторов.
Работоспособность гидросистем строительных и дорожных машин в значительной степени зависит от функционирования гидравлических насосов. Надежность, долговечность эффективная работа этих агрегатов во многом определяется широким набором разнообразных свойств, явлений и процессов в трибологических элементах, детальное изучение которых стало возможным с получившим в настоящее время интенсивным развитием компьютерных и электронных технологий. В парах трения аксиально-поршневых насосов происходит наиболее интенсивный износ, что существенно и влияет на наработку самих насосов, а так же и на работоспособность всего гидропривода строительных и дорожных машин. На процесс износа влияют конструктивные и динамические параметры пар трения и кинематические параметры рабочей жидкости. На этапе проектирования закладываются основы надежности и долговечности путем выбора рациональных геометрических и силовых параметров. На некоторые из них можно влиять на этапе проектирования, а на некоторые и на этапе эксплуатации. Варьируя этими факторами, можно изменяя их уменьшать или увеличивать интенсивность износа пар трения аксиально-поршневых насосов и соответственно долговечность строительных и дорожных машин.
Несмотря на большое количество работ сделанных в области износа пар трения применительно к плунжерным гидроагрегатам строительных и дорожных машин можно говорить об определенных недоработках в области разработки средств проектирования с использованием основных положений гидродинамики, теории трения и износа. Таким образом, повышение долговечности аксиально-поршневых насосов строительных и дорожных машин на основе моделирования процессов в плунжерных парах является актуальной темой исследования.
Методы исследований. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях динамических и триботехнических методов исследований, методах системного анализа, математического моделирования и программирования на ЭВМ в среде Borland Delphi, математической статистики.
Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном стенде с использованием инструментальной среды графического программирования LabVTEW компании National Instruments, в качестве первичных преобразователей использовались датчики изменения давления ОАО «Орлэкс», Россия. При обработке полученных экспериментальных данных использовались методы математической статистики. Научная новизна работы и положения, Еыносимые на защиту:
1. Разработана математическая модель системы «плунжер втулка» аксиально-поршневого насоса, позволяющая определять кинематические, динамические и трибологические параметры плунжерных пар с учетом инерционных, гидродинамических и диссипативных сил. Предложена основанная на свойстве аддитивности модель расчета коэффициентов трения в плунжерных парах, учитывающая конструктивные и технологические параметры, гидродинамическое давление и параметры рабочей жидкости.
2. Выявлены закономерности влияния переменных эксплуатационных нагрузок, шероховатости поверхностей трения, теплофизиче-ских свойств и чистоты рабочей жидкости гидросистем СДМ на износ, наработку и КПД аксиально-поршневого насоса.
3. Разработаны практические рекомендации и программное обеспечение, позволяющие увеличить наработку плунжерных аксиально-поршневых насосов и методика оценки уровня использования ресурса аксиально-поршневого насоса на основании математического моделирования процессов в плунжерных парах.
Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методики, выявленные закономерности оценки способности системы к безотказной работе и программное обеспечение для расчета динамических, кинематических и трибологических параметров могут быть использованы как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации аксиально-поршневых насосов гидравлических систем строительных и дорожных машин.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе Орловского государственного технического университета и Орловского государственного аграрного университета при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по соответствующим дисциплинам, дипломном проектировании, выполнении студентами научно-исследовательских работ. Методика расчета долговечности аксиально-поршневых насосов строительных и дорожных машин принята для практического использования Орловско-Курским отделением Московской железной дороги, ОАО «Дормаш».
Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается корректностью и правильностью постановки задач, обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений и ограничений, применением известных апробированных математических методов; подтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных, региональных и республиканских научно технических семинарах, конференциях и симпозиумах: международной научно - практической конференции: «Энерго и ресурсосбережение XXI век», первая международная научно-практическая интернет конференция (г. Орел, 2002); «Прогрессивные технологии в транспортных системах», шестая российская научно-техническая конференция (г. Оренбург, 2003); Известия ОрелГТУ (г. Орел, 2003); международная научно-техническая конференция (г. Могилев, 2004); «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (г. Оренбург, 2004); «Надежность и ремонт машин» научно техническая конференция (г. Гагры, 2004); международная научно-техническая конференция (г. Могилев, 2005); «Ресурсосбережение XXI» Международная научно-практическая конференция Санкт-Петербург, 2005 «Надежность и ремонт машин» научно техническая конференция (г. Гагры, 2005).
Автор выражает искреннюю благодарность профессору Рудневу В.К. и профессору Бочарову B.C. за помощь при выборе тематики исследования и в подготовке материалов диссертационной работы.
Обзор исследований долговечности гидросистем строительных и дорожных
При повышении температуры рабочей жидкости свыше 80 С и загрязненности ее на уровне 75-го класса имеет место заклинивание плунжера гидрораспределителя, что приводит к неустойчивому режиму работы гидросистемы, и насос работает с повышенной шумовой характеристикой. Стендовые испытания гидронасосов 210.25 и 223.25 показали, что очистка рабочей жидкости от механических примесей позволяет повысить наработку насосов для экскаваторов в среднем в 2.8 раза, для автокранов в 1.7 раза. Очистка одновременно от механических примесей и воды увеличивает срок службы насосов экскаваторов в 3.9 раза, автокранов -в 1.9раза [5, 6, 8, 45, 76, 93].
В работах Г. А. Никитина, П. Н. Белянина, В. И. Барышева и других ученых показано, интенсивный износ вызывают частицы, размер которых соизмерим с зазором трущихся элементов. Если размер частиц меньше зазора, то частица загрязнений в потоке жидкости свободно проходит через него, не вызывая повреждений. Частицы загрязнений, размер которых значительно больше величины зазора, в него не проникают, а могут вызывать частичную закупорку зазора извне. Крупные частицы могут дробиться на мелкие. Частицы загрязнении с размерами, близкими к размеру зазора, являются наиболее опасными, особенно при их твердости, превосходящей твердость материала деталей. Проникновение в зазор более крупных частиц возможно лишь после его увеличения в результате абразивного воздействия мелких частиц или вследствие перекоса деталей под нагрузкой. Попав в зазор, частица загрязнителя перемещается относительно рабочих поверхностей со скольжением, результатом чего являются царапины на поверхностях контактирующих деталей. Воздействие частиц на поверхности являются, как правило, многократным.
Существуют три способа очистки рабочей жидкости, это физический, физико-химический и химический. Физические методы позволяют удалять из масел твердые частицы загрязнений, микрокапли воды и частично - смолистые и коксообразные вещества, а с помощью выпарива ния - легкокипящие примеси. Масла обрабатываются в силовом поле с использованием гравитационных, центробежных и реже электрических, магнитных и вибрационных сил, а также применяются фильтрование, водная промывка, выпаривание и вакуумная дистилляция. К физическим методам очистки отработанных масел относятся также различные масло-и теплообменные процессы, которые применяются для удаления из масла продуктов окисления углеводородов, воды и легкокипящих фракций [14, 43, 66, 77, 80]. Физико-химические методы нашли широкое применение при очистке масел, к ним относятся коагуляция, адсорбция и селективное растворение содержащихся в масле загрязнений, разновидностью адсорбционной очистки является ионно-обменная очистка [17, 63, 77]. Химические методы очистки основаны на взаимодействии веществ, загрязняющих отработанные масла, и вводимых в эти масла реагентов. При этом в результате химических реакций образуются соединения, легко удаляемые из масла. К химическим методам очистки относятся кислотная и щелочная очистки, окисление кислородом, гидрогенизация, а также осушка и очистка от загрязнений с помощью окислов, карбидов и гидридов металлов [18, 66, 77, 80, 94].
В.И. Волковым [18] предлагается повышение эффективности очистки масла и надежности защиты пар трения от загрязняющих примесей путем совершенствования конструкций фильтров, использования новых фильтровальных материалов. В работе доказано, что фракционный коэффициент отсева частиц загрязняющих примесей центрифуги практически не зависит от вязкости и расхода масла.
Тяжелые условия работы строительной техники (высокая запыленность, колебания температуры, влажность) приводят к повышенному износу гидроагрегатов и, как следствие, к высокому проценту отказов в работе. Износ гидроагрегатов машин обусловлен наличием в рабочей жидкости механических примесей и вызывается в основном твердыми абразивными частицами. Наименьшую наработку на отказ имеют гидроагрегаты, содержащие плунжерные пары - гидронасосы, гидромоторы, распределители. Благодаря прежним исследованиям разработаны методы очистки, диспергирования механических примесей, использование которых обеспечивает значительное повышение работоспособности гидропривода.
Проведенный анализ литературных источников показывает что на долговечность гидропривода строительных и дорожных машин существенно влияние оказывают как конструктивные параметры, закладываемые на этапе проектирования, так и свойства рабочей жидкости, поддерживаемые на этапе эксплуатации.
Характеризуя СДМ как сложные динамические системы, их пригодность и безопасность для практического использования, прежде всего, зависит от того, удовлетворяют ли они условиям устойчивости, и какова чувствительность системы, как в целом, так и ее элементов.
Представлен отчет о научно-исследовательской работе ««Проведение научно-технического анализа методов оценки риска причинения вреда от машин и оборудования и разработка на его основе рекомендаций по оценке риска при разработке стандартов и технических регламентов на машины и оборудование», в котором рассматривается возможность разработки теории безопасности технических систем и параллельное (или опережающее) совершенствование нормативно-технической документации в различных областях. Первоочередными задачами такой теории безопасности считают разработку методов с количественной оценкой риска возникновения нештатной ситуации и прогнозирование её возможных последствий.
Определение КПД аксиально-поршневых насосов
Наличие загрязнений в виде твердых примесей, воды, воздуха и микроорганизмов в рабочих жидкостях гидросистемы отрицательно влияет на их смазочную способность, сопротивляемость окислению, термостабильность и другие свойства. При контроле качества жидкостей устанавливают степень их допустимого старения и загрязнения, для чего проводят измерение вязкости, кислотности, определяют наличие твердых примесей, воздуха и воды. При вязкости жидкости ниже 15...20 сСт резко падает производительность насосов гидросистем, снижается КПД аксиально-поршневых насосов, увеличиваются не производственные затраты мощности, повышается износ деталей. Высокая температура жидкости способствует ее окислению. Под воздействием загрязнений, высокой температуры и при наличии в жидкости воздуха изменяется кислотное число, и разрушаются присадки.
Для проведения экспериментальных исследований выбраны рабочие жидкости, И-Г-А-32 (И-20А) и МГ-46-В (МГЕ-40В), основные показатели которых приведены в таблице 3.1. Выбранные рабочие жидкости, по своим свойствам перекрывают практически весь диапазон применяемых масел, и нашли широкое применение в практике эксплуатации строительной техники.
Масло И-Г-А-32 предназначено для работы в гидроприводах с шестеренчатыми и поршневыми насосами, работающими при давлении до 15 МПа и температуре масла (в объеме) до 80С. Масло МГ-46-В предназначено для работы в гидроприводах с насосами всех типов, работающих под давлением свыше 25 МПа и температуре масла (в объеме) более 90С. В состав масла И-Г-А-32 присадки не входят, в масле МГ-46-В имеются антиокислительные, депрессионные присадки.
Рабочие жидкости для эксперимента были взяты в состоянии поставки и имели 12-й класс чистоты. Для уменьшения влияния загрязнений на результаты опытов они были дополнительно подвергнуты очистке с использованием мембранных фильтров МФАС-3, имеющих размер пор 3 мкм.
Аксиально-поршневой насос, как объект исследования, является сложной многофакторной системой, обладающей достаточно высокой степенью воспроизводимости. К управляющим факторам, определяющим поведение исследуемого узла, относятся как конструктивные и геометрические характеристики трибологических элементов, так и параметры динамического процесса (скорость вращения приводного вала, плотность, вязкость и содержание механических примесей в рабочей жидкости, давление, температура, начальное давление).
Управляющими параметрами (функциями отклика), характеризующими работоспособность аксиально-поршневого насоса, могут быть: давление рабочей жидкости на выходе насоса, шум, вибрация и тд. При проведении эксперимента в первую очередь в качестве выходного параметра выступало давление в напорной магистрали насоса. Диапазон измерения параметров определяется рабочими характеристиками специально спроектированного экспериментального стенда (рисунок 3.1). Помимо этого, для представления полноты картины используются результаты исследований проведенных другими независимыми авторами [14, 76].
Целью проведения экспериментальных исследований является выявление зависимости давления на выходе аксиально-поршневого насоса от величины износа его трибологических элементов. Среди основных целей планирования как этапа можно указать следующие: минимизация времени проведения эксперимента, его стоимости и ошибок измерения при получении максимально возможной информации и максимальном контроле за внешними и посторонними воздействиями. При планировании эксперимента определяются: необходимое число наблюдений и порядок проведения опытов (последовательность изменения уровней варьируемых факторов).
При планировании эксперимента вследствие большей точности и меньших затрат времени использовался факторный план, когда все уровни одного фактора комбинируются со всеми уровнями остальных. Необходимо отметить, что изменение отклика всякий раз при проведении опыта носит случайный характер, поэтому для повышения точности экспериментальных исследований, снижение влияния случайных отклонений и их оценки каждый опыт (при данном сочетании измеряемых параметров) повторялся семь раз и в качестве результата бралось среднее арифметическое результатов этих повторов. С целью минимизации влияния случайных воздействий, неконтролируемых при проведении эксперимента и не зависящих от его условий, была проведена рандомизация порядка проведения опытов, которая позволяет максимально снизить эффект от этих воздействий. Для проведения рандомизации была разработана специальная программа, позволяющая генерировать псевдослучайные числа, которые и определяют порядок проведения опытов, то есть каждому случайному числу ставится в соответствие определенная комбинация изменяемых параметров (факторов) эксперимента, включая троекратные повторные наблюдения для каждого опыта.
Описание экспериментальной установки, информационно измерительный комплекс и методика проведения опытов
Основными частями АСНИ являются: научно-методическое обеспечение - методы, алгоритмы проведения эксперимента, обработки и представления опытных данных, в том числе специальное научно-методическое обеспечение характерное для данной предметной области; технические средства - ЭВМ, средства измерения, средства формирования сигналов управления, линии связи, средства представления результатов; программные средства - системное программное обеспечение (ПО), прикладное (ПО); информационное - базы и банки данных, информационно-поисковые, справочные и обучающие системы, а также программные средства поддержки компьютерных сетей; метрологическое обеспечение — дополнительные аппаратные и программные средства, методические материалы, регламентирующие документы и инструкции, предназначенные для обеспечения метрологических характеристик системы, контроля за ними, аттестации и поверки измерительных и управляющих каналов; организационно-методическое и правовое обеспечение — методические материалы, инструкции для пользователя, документы, регламентирующие доступ к системе, порядок ее эксплуатации и развития. Структурная схема АСНИ представлена на рисунке 3.3.
Среди известных АСНИ широкое применение получила инструментальная среда графического программирования Lab VIEW компании National Instruments [99]. Это средство сочетает простоту программирования с широкими функциональными возможностями. Применение средств графического программирования при разработке и создании виртуальных измерительных систем не требует знания языков программирования и владения сложными методиками программирования. В данном случае программирование ведется на уровне блок-схем и диаграмм.
Разработка программного обеспечения для достаточно сложной измерительной системы с использованием Lab VIEW (при условии наличия некоторых навыков) занимает времени на порядок меньше, нежели на многих других алгоритмических языках.
Необходимо отметить, что согласно ОСТ 9.2-98, программная продукция компании National Instruments (Lab VIEW, Lab Windows и др.) является сертифицированным инструментальным средством разработки программного обеспечения для универсальных систем общего назначения, а их аппаратура полностью соответствует международным стандартам организации измерительно-управляющих устройств и систем.
На основе технологий National Instruments и пакета Lab VIEW разработан измерительно-вычислительный комплекс к испытательной установке "Стенд для испытаний гидронасосов", в котором аналоговые сигналы с первичных преобразователей давления поступают на многоканальный АЦП, где они преобразуются в цифровой код, фильтруются от случайных помех и по заданным алгоритмам преобразуются в цифровые сигналы, соответствующие измеряемым величинам в выбранной системе единиц в режиме реального времени и автоматически преобразует в исследуемые зависимости. Достоинством раїработанной системы измерения является возможность обработки поступающей информации в режиме реального времени, проведение преобразований и масштабирование величин, а также использование различных способов представления и регистрации данных. Легкий переход в Microsoft Excel дает возможность сравнивать результаты с ранее полученными, не выходя из системы.
На рисунке 3.4 показан фрагмент лицевой панели управления установкой "Стенд для испытаний гидронасосов", на котором представлена работа автоматизированного процесса измерения и обработки данных при помощи виртуальных инструментов LabVIEW, позволяющий измерить удельное давление на входе гидронасоса, а также удельное давление на выходе гидронасоса.
Рекомендации по анализу надежности и определению недоиспользования ресурса аксиально-поршневого насоса
Таким образом, разработанная на основе теории вероятности и математической статистики методика позволяет численно определить уровень реализации долговечности, заложенный в конструкции аксиально-поршневых насосов. Установлено, что конструктивно заложенный уровень долговечности при проведении профилактических управляющих воздействий по плановой наработке реализуется на 40-70%, что ведет к значительному недоиспользованию индивидуальных ресурсов, проведению большого количества ненужных профилактических воздействий, перерасходу запасных частей ремонтного фонда и эксплуатационных материалов.
При проведении управляющих воздействий по фактическому техническому состоянию аксиально-поршневого насоса для обеспечения заданного уровня вероятности безотказной работы вводится понятие пре-дотказного состояния, количественно выражаемого коэффициентом подачи Xq характеризуемого объемными потерями и показывающего насколько фактическая производительность насоса отличается от теоретической.
Для данной методики показатель относительного уровня недоиспользования ресурса аксиально-поршневого насоса по КПД принимает вид: которое, зависит от точности диагностического оборудования и периодичности проведения диагностирования.
Таким образом, введение понятия предотказного состояния, количественно выраженного коэффициентом подачи Xq, позволяет разработать методику определения остаточного ресурса Тост аксиально-поршневого насоса, периодичности и точности проведения контрольно-даагаостических операций в гидравлической системе СДМ, Применение даже самого грубого оборудования для экспресс диагностирования обеспечивает в настоящее время точность результатов не ниже 10%. Следовательно, при самой приблизительной оценке относительный уровень недоиспользования ресурса аксиально-порпшевого насоса при проведении управляющих воздействий по техническому состоянию составит: Д„г 1,01-1 = 0,01, Данная методика позволяет получить значение недоиспользования ресурса на порядок ниже, чем величины полученные при аналогичных расчетах по методике 1. Разработаны рекомендации по повышению долговечности и ресурса аксиально-поршневых насосов на этапе проектирования, технологическом этапе, и на этапе изготовления. 1. На этапе проектирования. При подборе рациональных геометрических размеров пары трения плунжер-втулка» аксиально-поршневого насоса. Увеличение длины плунжера приводит к увеличению КПД насоса и его ресурса. Увеличение количества плунжеров положительно влияет на уменьшение пульсаций давления. Изменение угла наклона блока плунжеров приводит к увеличению силы трения. Рекомендуется применять угол наклона блока плунжеров в пределах 18-25 градусов.
Повышение твёрдости поверхностей трения, их циклической прочности существенно снижает интенсивность износа гидроагрегатов, Уменьшение шероховатости поверхностей позволит уменьшить зазор в плунжерных парах. Уменьшение зазора в плунжерных парах позволит повысить давления в гидроприводе.
Использование индуктивного метода анализа работоспособности гидропривода позволяет выявить факторы влияющие на критичность отказа. Введение понятия предотказного состояния, количественно выраженного коэффициентом подачи Xq, позволило разработать методику определения остаточного ресурса Тост аксиально-поршневого насоса, периодичности и точности проведения контрольно-диагностических операций в гидравлической системе СДМ согласно балльной оценке вероятности возникновения отклонения. Остаточный ресурс аксиально-поршневого насоса Тост, зависит от величины упреждения момента проведения управляющих воздействий, Перечень отклонений при применении метода изучения опасности и работоспособности гидропривода строительных и дорожных машин, содержит экспертную балльную оценку вероятности возникновения рассматриваемого отклонения В, тяжести последствий Т и показателя критичности К-В+Т.. Остаточный ресурс аксиально-поршневого насоса Тост, зависит от величины упреждения момента проведения управляюцщх воздействий, Перечень отклонений при применении метода изучения опасности и работоспособности гидропривода строительных и дорожных машин, содержит экспертную
