Научный журнал
Современные наукоемкие технологии
ISSN 1812-7320
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 0,916

МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА РУКАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ

Тарбеев А.А. 1 Павлов А.И. 1
1 ФГБОУ ВО «Поволжский государственный технологический университет»
Предложен алгоритм использования результатов диагноза рукавов высокого давления (РВД), который позволяет предотвратить непредвиденные дополнительные затраты на эксплуатацию транспортно-технологических машин, связанные с внезапным их отказом (потери рабочей жидкости при разрыве). В большинстве современных лесных, дорожно-строительных, сельскохозяйственных и других машин с гидроманипуляторами используется большое количество рукавов высокого давления. Выход из строя даже одного из них может привести к значительным потерям дорогостоящей рабочей жидкости. Предложенная методика предполагает использование диагностической информации, полученной с помощью имеющихся и описанных в литературе способов диагностирования РВД, а также статистических данных по их отказам при эксплуатации конкретных марок машин. В данной работе использованы результаты экспериментальных исследований РВД и статистические данные по их отказам, полученные авторами при эксплуатации одиннадцати машин финского производства Форвардер 1910F. Для разработки методики использован патент авторов, где в качестве критерия диагностирования при определении технического состояния РВД использована частота их собственных колебаний, полученная при резонансном состоянии. Экспериментальным путем доказано уменьшение критерия диагностирования при увеличении наработки РВД до значения, при котором рукав выходит из строя. В качестве примера в работе представлены результаты расчетов остаточного ресурса трубопровода длиной 1,17 м, который определен для всего периода эксплуатации (до выхода его из строя). Учитывая, что в зимний период эксплуатации вероятность отказов РВД значительно выше летнего периода, в методике предусмотрено снижение ресурса трубопровода, если эксплуатировать машину предполагается зимой. При этом алгоритм определения остаточного ресурса, предусмотренный в методике, не зависит от периода эксплуатации машины. Существенную роль играет состояние РВД, определенное по диагностическому параметру, а также период дальнейшей его эксплуатации. Например, если определено значение диагностического параметра и его эксплуатация предполагается в летний период, то значение остаточного ресурса будет больше, чем в зимний период, при этом определяется конкретное значение остаточного ресурса РВД. Выбор остается за оператором, использующим данную машину – либо будет произведена замена трубопровода до выхода его из строя, либо продолжается эксплуатация машины с соответствующими возможными материальными потерями. Данную методику определения остаточного ресурса можно использовать не только для РВД, но и для других элементов гидропривода. Если, например, предполагается определить остаточный ресурс гидроцилиндра, то в качестве критерия диагностирования можно использовать объем жидкости, вытекшей из определенной полости гидроцилиндра при крайних положениях штока при максимально допустимом давлении. Необходимо также иметь данные статистики отказов гидроцилиндров, установленных на конкретных машинах.
ресурс
вероятность отказов
критерий диагностирования
статистика отказов
частота собственных колебаний
1. Павлов А.И. Надежность, диагностика и защита гидроприводов транспортно-технологических машин / А.И. Павлов, А.А. Тарбеев, С.Л. Вдовин; под общ. ред. проф. А.И. Павлова. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2017. – 376 с.
2. А.с. 901676 СССР, МКИ2 F 15В 19/00. Способ технического диагностирования упругих трубопроводов и устройство для его осуществления / Г.П. Дроздовский, А.И. Павлов (СССР); Заявлено 21.11.81, опубликовано 28.10.82, Бюл. № 4. – 4 с.
3. Лощенов П.Ю. Оценка эксплуатационной надежности гидроприводов лесных машин / П.Ю. Лощенов // Вестник МГУЛ – Лесной вестник. – 2012. – № 2. – С. 120–122.
4. Вдовин С.Л. Повышение экономичности и экологичности приводов лесных машин / С.Л. Вдовин, А.В. Охотников // Интеграл: научно-практический межотраслевой журнал. – 2013. – № 3 (71). – С.72.
5. Gorban. The Markov Ordering Approach. Entropy 12 / A.N. Gorban, P.A. Gorban, Judge, George. 2010. – № 5. – P. 1145–1193.
6. Дроздовский Г.П. Обоснование направления проектирования структуры гидросистемы управления оборудованием лесных машин / Г.П. Дроздовский, Н.Р. Шоль, В.И. Юсенхан // Вестник МГУЛ – Лесной вестник. – 2010. – № 5. – С. 86–90.

В настоящее время как в России, так и за рубежом существует проблема недостаточно высокой надежности гидроприводов технологического оборудования транспортно-технологических машин, что приводит к дополнительным материальным затратам на эксплуатацию машин [1, 2]. Как правило, показателем для замены РВД служит разрыв трубопровода, приводящий к вытеканию значительного количества рабочей жидкости, так как оператор не успевает во время отключить насос, подающий в систему рабочую жидкость. Опыт эксплуатации в нашей стране лесных машин импортного производства показал, что даже эти машины не имеют защиты от вытекания рабочей жидкости при разрыве РВД. Несмотря на более высокое качество производства импортных РВД, даже они не застрахованы от внезапных разрывов, причиной которых является неправильная установка (закручивание рукава), высокая динамика в гидроприводе при оперировании с предметом труда. В этой связи определение остаточного ресурса РВД является одним из средств, снижающих материальные затраты на эксплуатацию машин.

Цель работы: уменьшение материальных затрат на эксплуатацию транспортно-технологических машин с гидравлическими приводами за счет предотвращения внезапных выходов из строя и более полного срока службы элементов гидропривода.

Методы исследования: методы математической статистики и моделирования, теоретические и физические основы гидродинамики и гидромеханики.

Для определения ресурса до выхода из строя РВД в качестве диагностического критерия при их диагностике в соответствии с патентом авторов [2], принята частота их собственных колебаний. Характер изменения данного параметра от наработки определен с помощью установки, представленной на рис. 1.

tarbeev1.tif

Рис. 1. Установка для проведения экспериментов

Установка предназначена для проведения исследований различных элементов гидропривода, в том числе РВД.

В данной работе представлены результаты исследований РВД по определению давления жидкости, при котором возникает резонансное состояние рукава. На рис. 2 показана кривая с явно выраженным минимумом логарифмического декремента затухающих колебаний (δ), принятым в качестве диагностического параметра. Это говорит о том, что при определенных условиях нагружения в трубопроводе может возникнуть резонансное состояние, что представляет значительный интерес [3, 4].

Экспериментальными исследованиями доказано, что при резонансном состоянии трубопровода (частота колебаний fс) наблюдается минимальное значение δ. На рис. 3 показан характер изменения частоты колебаний трубопровода длиной 1,17 м от наработки до его разрыва, полученная с использованием стенда динамического нагружения гармонического типа.

Доказано, что данный трубопровод вышел из строя при частоте fc = l0,21/с.

Для получения данных по статистике отказов РВД были проведены исследования на опорном пункте Поволжского государственного технологического университета (ООО «Лузалес», Прилузский район, Республика Коми). Под наблюдением находились одиннадцать машин Форвардер 1910F, закупленных в Финляндии. Период наблюдений – 2013–2016 гг., при этом объем наработки каждой машины достиг 2250 моточасов, после чего машина снималась с наблюдений. За данный период было зафиксировано 78 отказов РВД, при этом было доказано, что их ресурс имеет нормальный закон распределения. Установлено, что за показанные годы в Республике Коми зимний период длился около семи месяцев, летний – около пяти. Экспериментально установлено, что в зимний период эксплуатации РВД их ресурс значительно ниже. Это связано с тем, что при отрицательных температурах основной (внутренний) слой рукава, который изготовлен из резины на основе каучука СКН, может переходить в состояние, при котором пластические деформации становятся необратимыми. Это приводит к появлению микротрещин, количество которых при знакопеременной нагрузке и дальнейшей эксплуатации увеличивается. Следует отметить, что в большинстве машин рукава высокого давления выполняют не только функцию транспортирования рабочей жидкости через подвижные соединения рабочих органов (например, через места сочленения стрелы и рукояти), но и гашение широкого спектра динамических нагрузок переменного характера. В этой связи при уменьшении упругих свойств в зимний период эксплуатации микротрещины в резине могут привести к разрыву рукава [5].

tarbeev2.wmf

Рис. 2. Характер изменения логарифмического декремента колебаний (δ) от давления жидкости (Р) рукава длиной 1,17 м

tarbeev3.wmf

Рис. 3. Изменение частоты колебаний РВД длиной 1,17 м в зависимости от циклов динамического нагружения

Пусть при техническом обслуживании машины получено значение диагностического параметра kj (частота собственных колебаний РВД), при котором рукав вышел из строя (диагноз Di). Для определения остаточного ресурса рукавов используем известную формулу Байеса:

P (Di kj) = P(A)·P(Di kj /A) + P(B)·Р(Di kj /B), (1)

где Р(Dikj) – вероятность появления диагноза Di при замеренных значениях диагностического параметра kj;

P(Dikj/A) и P(Dikj/B) – вероятности отказа трубопровода летом и зимой (условные вероятности событий).

Так как годовая эксплуатация машины состоит из летнего А и зимнего В периодов, сумма вероятностей этих событий (А и В) равна единице – полная группа несовместных событий:

tarb01.wmf, Р(А) + Р(B) = 1. (2)

Вероятности событий А и В можно найти по формуле

tarb02.wmf (3)

где nN – месяцы летнего или зимнего периодов эксплуатации; nk – годовое количество месяцев.

Вероятность события А будет равна: Р(А) = 5/12 = 0,417, события В: Р(В) = 7/12 = 0,583.

Проведенными авторами исследованиями машин Форвардер 1910F в Республике Коми доказано, что в зимний период эксплуатации их срок службы оказался почти в 2,5 раза меньше эксплуатации в летний период, поэтому формула (1) будет иметь вид

P(Dikj)ti = P(A)·P(Dikj/A)ti + + P(B)·P(Di kj/B)0,4ti . (4)

С учетом вышеизложенного и используя полученные значения диагностических параметров при различной наработке в соответствующий период эксплуатации, получим следующие выражения:

fc (1/ti)·P(Dikj /A)ti = fc(2/0,4ti)·P(Dikj /B)0,4ti,

fc(2/ti)·P(Di kj /B)ti = fc(1/2,5ti)·P(Dikj /A)0,4ti , (5)

где fc(1/ti) – диагностический параметр при наработке в летний период; fc(2/ti) – то же в зимний период.

Совместное решение уравнений (5) позволит определить вероятности диагноза Di при событиях А и В:

P(Dikj / A)ti = P(Dikj)ti / [P(A) + P(B)·fc (1/ti) / fc(2/0,4ti)],

P(Dikj / B)ti = P(Dikj)2,5ti / [P(B) + P(A)·fc(2/ti) / fc(1/2,5ti)]. (6)

Подставляя значения вероятностей, представленных в уравнениях (6), в уравнение (1), получим расчетную формулу вероятности диагноза Di при полученных значениях диагностического параметра kj в соответствующие периоды эксплуатации:

P(Dikj)ti = P(A)ti·P(Dikj)ti / + [P(A) + P(B)·fc (1/ti) / fc(2/0,4ti)] + P(B)ti·P(Dikj)2,5ti / [P(B) + P(A)·fc(2/ti) / fc(1/2,5ti)]. (7)

Авторами установлено и подтверждено многочисленными исследованиями [1, 6], что лесозаготовительная машина с гидроманипулятором имеет наработку до достижения предельного состояния в среднем 4000 моточасов, что соответствует 573000 циклам рабочих режимов. Причем в каждом цикле (например, в штоковой полости гидропривода рукояти) наблюдается более 12,3 пиковых давлений жидкости при оперировании с предметом труда – деревом. В этой связи в табл. 1 время представлено в моточасах, а не циклах динамического нагружения (лабораторное исследование РВД).

Используем расчетную формулу (7), подставляя в нее числовые показатели вероятностей наступления диагноза Di при замеренных значениях диагностического параметра в соответствии с рис. 3 в соответствующем событии А или В, получим вероятности разрывов РВД.

По результатам расчетов построены кривые вероятностей разрыва РВД при их наработке в летний и зимний периоды (рис. 4).

tarbeev4a.wmf

tarbeev4b.wmf

Рис. 4. Номограмма вероятности отказа РВД с внутренним диаметром 20 мм, длиной 1,17 м

Методика расчета остаточного ресурса РВД заключается в следующем.

Проводим диагностирование РВД, при этом на специальной установке [2] определяем значение диагностического параметра (частоту колебаний в резонансном режиме). По номограмме, построенной для РВД различного внутреннего диаметра и длины (аналогично кривым на рис. 4), проводим горизонталь через полученное значение частоты колебаний fc до пересечения с кривой tarb03.wmf, построенной для трубопровода соответствующей длины и диаметра. Через точку пересечения проводим вертикаль до пересечения с кривой P(Dikj)ti и определяем фактическое (замеренное) значение наработки данного трубопровода. От величины его предельной наработки отнимаем замеренное значение наработки, в результате получаем значение остаточного ресурса РВД.

Предложенная методика определения остаточного ресурса может быть использована для других элементов гидропривода.

Выводы

1. Предложен алгоритм использования результатов диагноза элементов гидропривода (на примере РВД) методики расчета остаточного ресурса, который позволяет предотвратить непредвиденные дополнительные затраты на эксплуатацию транспортно-технологических машин, связанные с их отказами.

2. В качестве диагностических параметров в предложенной методике определения остаточного ресурса элементов гидропривода могут быть использованы: частота колебаний РВД (определенная при их резонансном состоянии); объем жидкости, вытекшей из рабочей полости гидроцилиндра при крайних положениях штока при максимально допустимом давлении; зазор между золотником гидрораспределителя и корпусом, определенный при турбулентном режиме движения рабочей жидкости, и другие параметры диагностирования.

3. При эксплуатации машины в условиях зимнего периода наблюдается уменьшение ресурса элементов гидропривода, что доказано авторами в результате проведения экспериментальных исследований.


Библиографическая ссылка

Тарбеев А.А., Павлов А.И. МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ ОСТАТОЧНОГО РЕСУРСА РУКАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ // Современные наукоемкие технологии. – 2018. – № 5. – С. 158-162;
URL: http://top-technologies.ru/ru/article/view?id=37007 (дата обращения: 30.03.2020).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074