Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
ГРИНЧАР НИКОЛАЙ ГРИГОРЬЕВИЧ
Методы и средства Повышения эксплуатационной надежности гидроприводов Дорожных и строительных машин
Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины
А В Т О Р Е Ф Е Р А Т
диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук
Новочеркасск 2007
Работа выполнена в Московском государственном университете путей сообщения (МИИТ) на кафедре Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы
Научный консультант: доктор технических наук, профессор
Ковальский Виктор Федорович
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор
Ким Борис Григорьевич;
доктор технических наук, профессор
Першин Виктор Алексеевич;
доктор технических наук, профессор
Носенко Алексей Станиславович
Ведущая организация: Ростовский государственный
строительный университет
Защита состоится 7 июня в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212. 304. 04 при Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт) по адресу: 346428,
г. Новочеркасск, Ростовской области, ул. Просвещения, 132, 107 ауд. главного корпуса.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Государственного образовательного учреждения высшего профессионального образования Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт)
Автореферат разослан л ________________ 2007 г.
Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212. 304. 04
доктор технических наук, профессор Н. А. Глебов
Общая характеристика работы
Актуальность темы.
Широкое распространение машин с объемным гидравлическим приводом на железнодорожном транспорте в настоящее время усилило актуальность вопросов, связанных с проблемой повышения эффективности использования гидрофицированных дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин, в частности, повышения уровня технической готовности парков машин. Главной особенностью эксплуатации этих машин на транспорте является то обстоятельство, что весь объем работ выполняется на железнодорожных линиях в локно в ограниченные сроки. Готовность машин в значительной степени зависит от состояния гидропривода, на долю которого приходится свыше 50 % отказов по машинам. Традиционные методы обеспечения надежности гидроприводов, основанные на системе планово-предупредительных ремонтов, не обеспечивают в полной мере готовность парков гидрофицированных машин.
Современная ситуация, сложившаяся за последнее десятилетие, изменение методов и средств управления обуславливает необходимость в совершенство-вании теории и практики эксплуатации гидроприводов строительных и дорожных машин, в частности, за счет применения технической диагностики, которая позволяет более точно устанавливать сроки и объем работ по обслуживанию и ремонту, контролировать основные эксплуатационные показатели гидропривода машин во время работы, определить готовность машины для выполнения заданного цикла работ, прогнозировать остаточный ресурс и наработку гидропривода, его узлов и отдельных аппаратов.
Изучение теории и опыта проведения технического обслуживания и технической диагностики гидроприводов машин приводит к выводу, что
при существующем положении дел нельзя получить наиболее эффективные решения в области управления процессами обеспечения надежности гидрофицированных машин в плане технологии работ и ресурсосбережения;
место и роль технической диагностики в системе технического обслуживания и ремонтов гидроприводов обозначена недостаточно четко, внедрение технической диагностики требует изменения организации и структур служб технического обслуживания и ремонта.
Предпосылки для устранения указанных недостатков лежат в изучении факторов, влияющих на надежность гидропривода дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин и способов воздействия на эти факторы. Наиболее эффективным способом решения данных вопросов является тщательное рассмотрение их взаимосвязей как между собой, так и со смежными факторами. Необходимо создание единой комплексной системы технической диагностики гидроприводов машин, включающей как технические средства, так и технологические разработки и методические указания по принятию управленческих решений в области эксплуатации гидроприводов как сложных систем.
Настоящая работа выполнена в соответствии с планами научно-исследовательских работ МПС РФ, ОАО РЖД и кафедры Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы Московского государственного университета путей сообщения (МИИТ).
Цель работы Разработка методов и средств обеспечения бесперебойной работы гидроприводов дорожных и строительных машин, в том числе при работе в локно, повышения коэффициентов технической готовности и технического использования.
Идея работы заключается в оптимизации процессов поиска отказов и прогнозирования ресурса гидроприводов машин на основе применения методов и средств технической диагностики.
Для достижения поставленной цели необходимо:
- определить факторы, влияющие на надежность гидропривода машин, проанализировать последствия возникновения отказов и разработать метод оценки последствий и определения технического риска при эксплуатации в различных подгруппах гидропривода с учетом их структурной схемы;
- разработать метод формализации и оптимизации процессов поиска отказов и определения достаточного числа контрольных точек измерений для гидроприводов машин;
- изучить особенности применения основных типов диагностического оборудования в эксплуатационных условиях, дать научно обоснованные рекомендации по их использованию;
- исследовать характер изменения надежности гидроаппаратов и гидропривода дорожных и строительных машин в целом при сочетании внезапных и износовых отказов и разработать метод прогнозирования остаточного ресурса по результатам диагностики;
- разработать конструкции и провести эксплуатационные испытания средств диагностики в производственных условиях, разработать методики их практического применения.
Методы исследований включают анализ источников научно-технической информации, постановку и проведение теоретических и экспериментальных исследований, базирующихся на применении основных положений теории вероятностей, математической статистики, теории информации, гидравлики, логической алгебры, теории планирования эксперимента и обработки результатов экспериментальных данных.
Основные научные положения, защищаемые автором
1.В гидроприводах дорожных и строительных машин подсистемы, наиболее чувствительные к появлению отказов, определяются по степени тяжести последствий их возникновения по предложенному разделению на шесть групп, каждая из которых характеризуется безразмерным численным коэффициентом.
2. Рост уровня технического риска при эксплуатации гидроприводов, определяемого как отношение обобщенного показателя тяжести последствий к вероятности безотказной работы имеет нелинейный характер, позволяющий определить критическую наработку, после которой необходимо выполнение ремонтно-профилактических работ.
3. Минимизацию всех видов затрат при диагностике сложных гидроприводов следует осуществлять путем применения алгоритма поиска отказов по комплексному критерию, учитывающему информационную ценность проверок, затрачиваемое время и их стоимость.
4. Характер проявления отказов в гидроприводах дает возможность оптимизировать схему размещения и число контрольных точек измерения , определяемых с его учетом. Получить при этом наибольшее количество информации о состоянии объекта при диагностировании гидропривода дает возможность оборудование, реализующее статопараметрический метод.
5. Повышение качества и точности прогнозирования остаточного ресурса достигается путем применения экспоненциального и нормального законов для внезапных и износовых отказов гидроаппаратов и гидропривода в целом с учетом их совместного действия, а также характера изменения объемного КПД в процессе эксплуатации.
6. При использовании турбинных расходомеров в качестве средства диагностики следует вводить поправочный коэффициент, учтывающий изменение вязкости рабочей жидкости в связи с изменением давления и температуры при диагностике гидросистемы статопараметрическим методом.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций обеспечивается достаточным объемом и сходимостью результатов теоретических исследований и расчетов, результатов эксплуатационных наблюдений за состоянием гидроприводов строительных и дорожных машин, а также результатов лабораторных и натурных экспериментов.
Научная новизна работы заключается
- в классификации последствий отказов по степени тяжести и определении степени технического риска для гидроприводов дорожных и строительных машин в современных эксплуатационных условиях;
- в разработке метода определения безразмерного коэффициента технического риска, учитывающего тяжесть последствий отказа и вероятность безотказной работы;
- в разработке метода поиска отказов в гидросистемах, в том числе в автоматизированном режиме, учитывающего время, стоимость и количество элементов в системе и вероятность их отказа, и метода оптимизации размещения контрольных точек;
- в разработке метода определения границы априорной вероятности отказа при которой целесообразно изменение стратегии поиска отказа;
- в разработке метода определения поправочных коэффициентов к статической характеристике турбинных расходомеров при использовании их в качестве средств диагностики;
- в разработке метода уточнения ресурса гидроаппаратов дорожных и строительных машин по результатам диагностики и определении параметров законов распределения отказов при совместном действии экспоненциального и нормального законов.
Научная значимость работы заключается в решении проблемы обеспечения безотказной работы гидроприводов строительных и дорожных машин при работе в локно, обосновании теоретических положений, разработке технических и технологических решений по созданию универсальной системы диагностики и ее компонентов, а также методов эффективного её применения для повышения эксплуатационной надежности гидроприводов строительных и дорожных машин. Повышение надежности гидроприводов достигается за счет оптимизации процессов поиска отказов, предотвращения их появления и более полного использования ресурса гидроагрегатов.
ичный вклад автора состоит в обобщении известных результатов, постановке проблемы и задач исследования, разработке математических моделей поиска отказа и прогнозирования ресурса и их численного анализа применительно к гидросистемам строительных и дорожных машин, выборе и обосновании направления по совершенствованию конструкции портативных и стационарных средств диагностики. Разработаны технические и технологические решения, позволяющие более полно использовать ресурс гидроагрегатов и обеспечить бесперебойную работу гидропривода.
Практическая ценность работы заключается:
- в разработанных технических средствах для систем диагностики гидроприводов, одна из работ (гидротестер) отмечена медалью Лауреат ВВЦ за 1998 г.;
- в методике поиска отказов в основных подсистемах гидроприводов машин и автоматизации определения схемы контрольных точек;
- в методике прогнозирования состояния гидропривода в целом и его основных элементов в процессе эксплуатации;
- в рекомендациях по применению диагностического оборудования для гидрофицированных машин, в том числе по стабилизации температурных режимов замкнутых контуров в заданных пределах для диагностических стендов;
- в определении порога минимально необходимого повышения эксплуатационной производительности, при котором достигается экономический эффект от применения средств диагностики
Реализация работы. Результаты работы использованы при создании экспериментальных образцов средств технической диагностики для гидроприводов машин транспортного строительства в ЦРММ ОАО "Трансвзрывпром", где они успешно эксплуатируются в течение ряда лет, при организации технического обслуживания гидрофицированных машин восстановительного поезда ст. Юдино Горьковскй ж.д., на Грязинской дистанции пути Юго-Восточной ж.д., Грязинской дистанции гражданских сооружений Юго-Восточной ж.д., в условиях ПМС №35 Юго-Восточной ж.д., Белгородской дистанции пути Юго-Восточной ж.д., Анисовской дистанции пути Саратовского отделения Приволжской ж.д.. Полученные результаты нашли отражение при разработке методических указаний Госстроя РФ по организации диагностирования парков строительных машин. Также разработанные средства диагностики и методики их применения используются при проведении научно-исследовательских и лабораторных работ на кафедре Путевые, строительные машины и робототехнические комплексы МИИТа.
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на заседании кафедры Механизация погрузочно-разгрузочных и строительных работ МИИТа в 1999 г., на 4-й и 5-ой межвузовских научно-методических конференциях "Актуальные проблемы и перспективы развития железнодорожного транспорта" в РГОТУПС в 1999 г. и в 2000 г., на заседании кафедры "Строительные и дорожные машины и оборудование" РГОТУПС в 2000 г. и 2003 г, на заседании научно-методического совета по специальности 170900 - Подъемно-транспортные, строительные, дорожные машины и оборудование УМО вузов по образованию в области машиностроения и приборостроения на базе МГТУ им. Баумана и СПбГТУ в 1999 г., на конференции Подъемно-транспортные машины на рубеже веков в МГТУ им. Баумана в 1999 г., на заседании кафедры Строительные и дорожные машины Белорусской государственной политехнической академии в 2000 г., на международной конференции Высшее профессиональное зочное образование на железнодорожном транспорте в 2001 г., на заседании кафедры Системы приводов МГТУ Станкин в 2002 г.
Публикации. Основное содержание диссертации опубликовано в 28 работах, в том числе в 19 изданиях, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций.
Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы из 115 наименований, пяти приложений. Основная часть работы содержит 260 страниц текста, 115 рисунков, 18 таблиц.
Содержание работы
Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель исследования, изложена научная новизна полученных результатов.
В первой главе кратко рассматривается специфика гидроприводов дорожных, строительных и путевых машин, определяемая автономностью и мобильностью машин, сложностью схемных решений, и особенностями эксплуатации в локно на железнодорожных линиях. Объемный гидропривод машин рассматриваемых классов является для них основным типом привода.
Вопросы эксплуатации и надежности объемного гидропривода машин рассмотрены в работах В.Н.Прокофьева, Т.М. Башты, Т.А. Сырицына,
Б.Г. Кима, Т.В.Алексеевой, В.Н. Лозовского, В.Ф.Ковалевского, В.К.Свешникова, В.А.Васильченко, А.А.Усова, А.М.Рустановича, И.И.Елинсона, И.А.Панина, В.Л.Солдатова, Бардышева О.А., Гаркави Н.Г., Беленкова Ю.А.,
Г.Ш. Хазановича, Ю.П. Майорова и других советских и российских ученых.
Отказы, возникающие в гидроприводах машин можно разделить на параметрические и функциональные, постепенные и внезапные, устойчивые и перемежающиеся, контролируемые и неконтролируемые.
Практически все отказы гидроаппаратов, кроме отказов по корпусу, вызва- ны неисправностями прецизионных поршневых и золотниковых пар, связанных с повышением трения в парах и износом деталей (и как следствие, с изменением линейных размеров и форм). Повышение трения имеет внезапный характер и приводит к зависанию или заклиниванию подвижного элемента в корпусе или гильзе, влечет за собой запаздывание в срабатывании, нарушению режимов слежения, кратковременному повышению давления выше нормы (и как след-твие, разгерметизации системы), росту пульсаций давления. Износ деталей при-водит к нарушению внутренней герметичности аппаратов и падению объемного к.п.д. вследствие увеличенного расхода через зазоры. Повышенные утечки ведут к замедлению работы всего механизма в целом, т.е. к увеличению рабочего цикла машин и экономическим потерям. Таким образом, техническое состояние качающих узлов насосов и гидромоторов, золотников распределителей, соединений поршень-корпус в гидроцилиндрах однозначно характеризуется комплексом параметров, от которых зависит внутренняя негерметичность гидроаппарата, что дает право рассматривать объемный к.п.д. как наиболее интегральный показатель состояния объекта.
Исследования показали, что гидроприводы работают в средних и тяжелых режимах, которые характеризуются нестационарностью и высоким коэффициентом использования в течение смены при неблагоприятных условиях среды и сезонных колебаний температуры от -400С до +500С. Вследствие этого наработка на отказ элементов гидропривода невелика и характеризуется значительным разбросом. Некоторые данные по наработке на отказ представлены в таблице 1. Таблица составлена по статистике, собиравшейся автором в 1984 - 2003 г.г. Наработка на отказ элементов гидропривода. Таблица 1
| Гидроаппараты | Наработка на отказ Т, час, | ||
Стреловые краны | Одноковшовые экскаваторы | Путевые машины | |
1 | 2 | 3 | 5 |
Насосы шестерённые | ------------- | ------------------- | |
Насосы пластинчатые | ------------------ | ---------------- | 850÷1850 1350 |
Насосы и гидромоторы аксиально-поршневые нерегулируемые | |||
Насосы аксиально-поршневые регулируемые | ----------------- | ||
Гидроцилиндры | 1000÷6400 3700 | ||
Гидропневмоаккумуляторы | |||
Клапаны давления, клапаны предохрани-тельно-переливные | 3000÷13000 8000 | ||
Распределители золотниковые | 1500÷9000 5250 | 8300÷25000 16850 | 4500÷6500 5500 |
Дроссели и регуляторы Потока | |||
Сервоклапаны, сервовентили | ---------- | 600÷1600 1100 | |
Фильтры |
| 1000÷6000 3500 | |
Для гидроприводов машин являющихся изделиями ремонтируемыми, эксплуатиру-емыми до предельного состояния в циклическом режиме, с доминирующим фактором в качестве последствия отказа - простоем, основными показателями надежности являются гамма-процентный ресурс и коэффициент готовности Кг.
Кроме того, надежность характеризуется такими показателями как наработка на отказ, трудоемкость и стоимость технического обслуживания.
Надежность гидропривода дорожных, строительных и путевых машин, должна обеспечиваться системой технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов. Совершенствование системы планово-предупредительных ремонтов занимает важное место в исследованиях по обеспечению надежности. Наличие резервов (рис.1) обусловлено вероятностным характером распределения наработки на отказ.
Рис. 1 Резервы системы технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов гидроприводов строительных и дорожных машин
1- изменение параметра (объемного к.п.д.) состояния привода или его аппаратов;
2- f(t)- плотность вероятности распределения наработки машины до предельного состояния;3- приведенные удельные затраты (Суд) на эксплуатацию машины, min Cуд -уровень минимальных удельных затрат; I - часть парка машин, у которых состояние отказа должно наступить до первого планового ТО или ремонта.
II - часть парка машин, у которых состояние отказа должно наступить в период после 2-го планового ТО или ремонта - резерв по улучшению использования ресурса при наличии системы диагностики.III -часть парка машин, у которых состояние отказа должно наступить в период между 1-м и 2-м плановыми ТО- при жесткой системе ТО эти машины имеют потребность в проведении профилак-тических замен при первом ТО - резерв при переходе к гибкой системе планирования ТО при наличии системы диагностики.
Обеспечивая минимум приведенных удельных затрат, и при соответствующей периодичности профилактических работ, достаточно высокий коэффициент технической готовности (порядка 0,9), существующая система, с одной стороны, допускает возникновение неплановых ремонтов у части машин (до 10 % от общего парка) в периоды между техническим обслуживанием и ремонтами, а с другой стороны, у большей части машин ремонтные восстановительные работы проводятся при отсутствии фактической потребности в их выполнении в данном цикле технического обслуживания или ремонта, следствием чего является значительное недоиспользование ресурса агрегатов и сборочных единиц - до 50% для насосов и гидромоторов и до 80% для контрольно-распределительной аппаратуры.
В то же время, неплановые ремонты, вызванные внезапными и псевдовнезапными отказами, составляют около 50 % от времени простоя в промежутки между техническими обслуживаниями .
Одним из перспективных путей совершенствования системы планово-предупредительных ремонтов, позволяющим на основе учета фактического технического состояния конкретной машины сократить количество неплановых ремонтов и улучшить использование ресурса ее сборочных единиц и агрегатов, является применение методов и средств контроля технического состояния и диагностирования, которое предшествует выполнению технического обслуживания, а его результаты служат для определения перечня и объема предстоящих операций. Кроме того, оснащение машин встроенными (бортовыми) средствами позволяет, предупреждать возникновение отказов (по крайней мере в большинстве случаев) и обеспечить быстрое их устранение за счет сокращения времени поиска.
Техническая диагностика гидроприводов машин является сравнительно новым разделом науки. Её основы были заложены в начале 70-х годов А.М. Харазовым, Р.А. Макаровым, когда получил широкое распространение объемный гидропривод. Вопросам диагностики сложных систем посвящены работы И.А.Биргера, Г.Ф.Верзакова, Н.Я.Говорущенко, Б.В.Павлова, П.П. Пархоменко, Б.Г. Кима и других ученых. Вопросы диагностирования объемного гидропривода исследованы в работах В.И.Загребельного, В.А.Коржова, Р.А.Макарова, Н.А.Мальцевой, Т.С.Морозовой, В.Н.Сидорова, В.И.Сидорова, В.В. Чанкина, С.И.Шумейко, А.М.Шолома, П.М.Черейского, С.Б.Багина, В.В.Тайца, К.В. Рулиса, В.А. Першина а также автора и других исследователей.
Однако внедрение средств и методов диагностики гидроприводов в повседневную практику эксплуатации сдерживается рядом организационных, технических и технологических факторов, важнейшими из которых являются:
- выполнение диагностирования силами служб ТО и ремонта увеличивает нагрузку на их звенья, требует высококвалифицированного персонала, умеющего работать с контрольно-измерительной аппаратурой, обрабатывать полученные результаты и проводить расчеты остаточного ресурса;
- наличие большого количества методов диагностики и экспериментальных средств их реализации для решения частных задач, и в то же время отсутствие недорогих, серийно выпускаемых современных средств диагностики, как стационарных, так и переносных, и мобильных, а также отчасти противоречивые рекомендации различных авторов.
Таким образом, для широкого внедрения в практику эксплуатации технического диагностирования необходим системный подход к проблеме, включающий как разработку организационных вопросов, так и соответствующих конструктивных разработок, обеспечивающий их технологическую взаимосвязь и исключающий дублирование контрольно- диагностических операций. Такой подход позволит перейти от жесткой системы технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов к гибкой, когда время проведения каждого вида работ определяется по результатам диагностики и контроля параметров гидропривода.
Вторая глава посвящена разработке наиболее эффективного метода поиска отказов в гидроприводах на основе применения теории информации.
Для эффективного решения этого вопроса необходим учёт структуры гидропривода с одной стороны, и характера проявления различного типа отказов с другой стороны.
Естественным методом структурного анализа является деление на группы, при котором одна группа соответствует одной подсистеме исполнительного механизма - подбивки и рихтовки, поворота платформы и т.д. Спецификой гидропривода рассматриваемых машин является многопоточность, поэтому не всегда возможно на базе анализа принципиальной схемы гидропривода разделить её на группы оптимальным образом. Процесс разбиения на группы может быть формализован. В качестве исходных формируются группы, точно отражающие процесс функционирования каждой подсистемы, типа
Аi = (в1; в2; в3),
где Аi - множество, характеризующее данную подсистему;
в1; в2; в3 - подмножества, характеризующие насосную подгруппу, подгруппу распределителей и подгруппу гидродвигателей, соответственно.
Исходные группы преобразуются по принципу формирования вторичных групп из элементов, повторяющихся в исходных группах. Такой подход существенно облегчает такие задачи как анализ влияния отказов на безопасность, поиск отказа и т.п.
По характеру проявления отказы можно разделить на 4 подгруппы - см. табл.2. При составлении таблицы используем двоичный код: 1- параметр в норме, 0- параметр не в норме. В таблице 2 : R - внешняя нагрузка; P - давление в системе; F ; M - усилие или момент , развиваемые гидродвигателем; V ; - скорость исполнительного звена гидродвигателя. Строки L01 ; L02 -система исправна как без приложения нагрузки (L01 ), так и под нагрузкой (L02 ). Комбинация L1 характерна для ситуации когда изношены насосы, не развивается заданное давление и неисправны предохранительные и поддерживающие клапаны. L2 - характерна для привода, имеющего объемный к.п.д. ниже допустимого. L3 - появляется при засорившихся фильтрах и других неисправных аппаратах, перепад давления на которых превышает допустимые значения. Комбинация L4 возникает сравнительно редко, при неисправных редукционных клапанах и клапанах последовательности (напорных золотниках).
Таблица групп неисправностей Таблица 2
.----------------------------------------------------------------------------------------------
Состояние R P F ; M V ;
L01 0 1 1 1
L02 1 1 1 1
L1 1 0 0 0
L2 1 1 0 1
L3 0 0 1 1
L4 1 1 1 0
Все строки попарно различимы и таблица может служить как первичный тест при поиске отказов.
Поиск отказа можно рассматривать как процесс снятия энтропии системы по мере поступления информации. Энтропию системы определим следующим образом
,
где Pi - вероятность того, что система находится в одном из состояний (т.е. вероятность отказа i-того элемента); N - количество элементов в системе.
Вследствие свойства аддитивности энтропия складывается из нескольких составляющих, характеризующих отдельные подгруппы гидропривода. Таким образом, на первом этапе поиска необходимо определить его тип (табл. 2) и подгруппу элементов, включающих отказ (см. гл. 1). За счет этого можно значительно понизить энтропию системы. Для локализации отказа в подгруппе могут использоваться различные методы: 1) - метод поэлементных проверок; 2) - метод средней точки (половинного деления); 3) - комбинированный, когда на каждом этапе проверок стратегия корректируется.
Первые два метода достаточно подробно описаны в технической литературе, однако отсутствуют четкие рекомендации по их применению. Автором установлено граничное значение вероятности отказа элемента Pi, при которой следует переходить от метода средней точки к проверке элемента с наибольшей вероятностью отказа
,
где N- количество элементов в системе.
Причем, как очевидно, должно быть N 3. Графическая интерпретация представлена на рис. 2. В общем случае следует также учитывать затраты времени и стоимость проверок. Взаимное влияние этих факторов может быть учтено комплексным критерием эффективности
Kэ=I/tC,
где I - информативность проверки; t - затраты времени; C- стоимость
проведения проверки.
В этом случае оптимальный процесс поиска отказа будет характеризоваться рядом К1 > К2 > К3 >Е.. >Кj
Кроме информативности, на эффективность процесса диагностики влияют
При этом, очевидно, количество тест-проверок должно выступать как параметр ограничения для машин, работающих в жестком временном графике (например, в локно при строительстве или ремонте ж.д.).
Реализация указанного принципа предполагает, что алгоритм поиска отказов должен быть гибким, т.е. должны выполняться только те проверки, которые имеют информативную ценность. Блок-схема такого алгоритма представлена на рис.3.
Рис. 2 Оптимизация стратегии поиска отказа
Рис.3. Блок-схема поиска отказа в гидроприводах дорожных и строительных машин
В общем случае для проверки элемента необходимо произвести измерение параметров - P, Q, F, M, V, - на входе и выходе аппарата. Их совокупность, очевидно, не является минимальной.
Для минимизации совокупности диагностических параметров и тем самым определения минимальной и достаточной схемы размещения контрольных точек в системе воспользуемся методами логической алгебры.
Методика определения такой схемы заключается в следующем. Гидросистема представляется в виде ориентированного графа, вершины которого соответствуют элементам системы, а дуги - параметрам (расходу и давлению). Далее определяется совокупность всех возможных неисправностей для всех элементов системы.
Затем составим логические уравнения типа
Pi;Qi =(Pi-1;Qi-1)&Sj ,
где Pi;Qi - давление и расход на выходе i-того элемента; Pi-1;Qi-1 - давление и расход на входе i -того элемента; Sj - параметр характеризующий состояние i -того элемента (Sj =1 - элемент исправен, Sj = 0 - нет); &- знак конъюнкции.По полученным уравнениям строится начальная диагностическая матрица, у которой строки соответствуют всем возможным состояниям (неисправностям системы), а столбцы - параметрам. Для заполнения строк матрицы используется следующее правило: если при появлении неисправности (отказа) Si параметры
Pn;Qn (на некотором участке системы) не соответствуют допустимому уровню, то на пересечении соответствующей строки и столбца ставится л0, если соответствуют - л1.
P1;Q1 P2;Q2; P3;Q3 ЕЕЕЕ. Pn;Qn
S0 1 1 1 1
S1 1 0 1 ЕЕЕЕЕЕ0
S3 1 0 1 ЕЕЕЕЕ.. 0
ЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕЕ
Sj 1 1 1 ЕЕЕЕЕ. 0
Для минимизации матриц такого типа обычно применяют алгоритм Яблонского-Мак-Класки, позволяющий на основе применения методов логической алгебры получить минимальное количество столбцов, с тем условием, чтобы все строки попарно различались между собой. Так как каждый столбец соответствует параметрам системы на определенном участке, то мы получаем минимальную и достаточную совокупность участков гидросистемы, где необходимо производить измерения. Алгоритм Яблонского-Мак-Класки довольно громоздкий, поэтому для сложных систем и большого количества рассматриваемых неисправностей процесс желательно автоматизировать. С этой целью была разработана программа на языке Бейсик, предназначенная для современных ПК (приложение 3).
Третья глава посвящена вопросам разработки перспективных типов диагностического оборудования и методик их применения, а также результатам экспериментальных исследований.
При создании системы диагностики гидроприводов дорожных и строитель-ных машин, целесообразно применение единого метода диагностики и единого базового комплекта измерительных средств для его реализации. Система должна включать как стационарные средства диагностики (стенды), так и переносные (гидротестеры) и встроенные. В настоящее время в той или иной степени разработаны следующие методы диагностирования гидроприводов и гидроагрегатов: статопараметрический; термодинамический; по параметрам переходных процессов; по параметру пульсаций давления; виброакустический; аэродинамический; по содержанию продуктов износа в рабочей жидкости. Практически все они, кроме статопараметрического метода, имеют ограниченное применение, а рекомендации отдельных авторов носят отчасти противоречивый характер. Так как процесс диагностирования можно рассматривать как информационный, то в качестве критерия для сравнения методов логично принять получаемое при диагностировании количество информации (с учетом конкретных технических средств для реализации метода). Диагностирование гидроприводов может проводиться на различную глубину по уровням: определение функциональной работоспособности системы в целом - 1 уровень; определение параметрической работоспособности - II уровень; определение функциональных отказов элементов - III уровень; определение параметрических отказов элементов - IV уровень; определение причин отказа элемента - V уровень; определение конкретной величины неисправности - VI уровень. Количество возможных состояний от номинального до предельного значения диагностического параметра, которое можно различить с помощью прибора будет
N=(Xнj ЦXпj)/X ,
где N - количество возможных состояний; Xнj, Xпj - номинальное и предельное значения параметра для j -того элемента;X -чувствительность прибора для измерения данного параметра.
огарифмируя N по основанию 2 мы получим количество информации в битах о состоянии j -того элемента
I=log2 N=log2[(Xнj ЦXпj)/X] .
Полная информация будет складываться из информации по уровням
.
Суммарную информацию по каждому уровню можно оценить по формуле
,
где Ii - количество информации по i -тому уровню; z - число параметров, измеряемых при данном методе; Kj - количество j-тых элементов в системе.
Сравнение по данному критерию показало, что наибольшее количество информации для типового модуля гидропривода можно получить с помощью приборов, реализующих статопараметрический метод, включающий датчики расхода турбинного типа, датчики давления и температуры, блок индикации и нагрузочный дроссель или клапан. Данный тип аппаратуры на сегодняшний день является наиболее подходящим в качестве базового для создания комплексной системы диагностики гидроприводов.
Исходя из сказанного, при участии автора были разработаны экспериментальные конструкции гидротестера, устройства для его подсоединения и универсального диагностического стенда. В качестве датчиков расхода были приняты турбинные расходомеры, т.к. они компактны, технологичны, легко монтируются в гидролиниях, при этом практически не влияя на характер течения масла. От серийных датчиков типа ТДР они отличаются наличием фотоэлектрического преобразователя, обладающим большой помехоустойчивостью и усиленным подшипниковым узлом. Теоретические и экспериментальные исследования позволили установить, что применение турбинных расходомеров при диагностике гидроприводов имеет ряд особенностей. Статическая характеристика расходомера с высокой степенью точности описывается уравнением
,
где f- показания прибора индикации; k- коэффициент пропорциональности; z- количество лопастей ротора; Q - измеряемый расход; S -живое сечение потока по ротору; H - ход лопастей ротора; Sk - скольжение ротора относительно потока; V , Q - коэффициенты, учитывающие эпюры скоростей и протечки в зазоре между ротором и корпусом.
Скольжение зависит от характера течения жидкости - Sk=f(Re) и, следовательно, от вязкости, которая, в свою очередь, зависит от температуры и давления = f(T, P). При работе привода в установившемся температурном режиме главным образом сказывается влияние давления, т.к. при изменении давления, например, от 0 до 20 МПа кинематическая вязкость масла типа АУ изменяется в 1,5 раза. Соответственно будет возрастать Sk. Таким образом необходимо иметь либо тарировочные характеристики расходомера для каждого значения температуры и давления, либо учесть это обстоятельство поправочным коэффициентом
,
где Skp=0 - скольжение ротора расходомера при P=0; Skp - скольжение ротора при давлении при котором должен измеряться фактический расход в гидролинии.
Результаты теоретических и экспериментальных исследований параметра для экспериментального расходомера и датчика ТДР-12, имеющих условный проход 20 мм, представлены на рис. 4 (а-г)
Наличие жестких трубопроводов в гидросистемах обусловило необходимость создания оригинальных устройств для подключения расходомера или гидротестера при безразборной диагностике.
Разработанный комплект, включающий гидротестер и устройства для его подключения, отмечен медалями ВВ - РФ в 1998 г.
Кроме переносных средств, система диагностики должна включать также стационарные стенды, как универсальные, так и специализированные. При создании стационарных стендов целесообразно применение модульного принципа, предполагающего изменение конфигурации стенда. Это достигается путем добавления или удаления отдельных постов диагностики в зависимости от объема программы испытаний.
Рис.4 Изменение поправочного коэффициента от давления (а), расхода (б, г), температуры (в).
Габариты стендов определяются в основном размерами основной насосной станции и бака. Таким образом можно выделить 5 основных типоразмеров, основные параметры которых представлены в табл. 3
При испытаниях гидроаппаратов на стендах в условиях ограничений по мощности и габаритам целесообразно применение схем с рекуперацией энергии, в том числе с замкнутым контуром. Для удобства сравнительного анализа результатов испытаний по разнымтипоразмерам их целесообразно представить в виде отношения к номинальным параметрам. Типовой график, полученный при испытании насос-моторов 210 25 представлены на рис. 5 для наработки 120ч.
Основные параметры стационарных стендов Таблица 3
Типоразмер | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 |
Емкость бака, л | 70 | 180 | 360 | 700 | 1400 |
Расчетная мощность, кВт | 11 | 31 | 61 | 121 | 242 |
Электродвигатель (серия 4 А), кВт | 11 | 37 | 75 | 132 | 250 |
Наличие замкнутого контура при испытаниях обуславливает важное значение вопроса о стабилизации температуры рабочей жидкости в контуре. Решающим фактором здесь является работа системы подпитки. Экспериментальный образец универсального диагностического стенда 4-ой типоразмерной группы, был изготовлен в Центральных ремонтно-механических мастерских ОАО Трансвзрывпром и успешно эксплуатируется в течение ряда лет.
Рис. 5 Зависимость полного кпд насоса от частоты вращения
Четвертая глава посвящена вопросам автоматизации работы диагностических систем, бортовых и стационарных.
Обработка результатов измерений и вывода гидропривода на диагностический режим - сложный и трудоемкий процесс, при этом возможны искажения получаемых результатов вследствие погрешностей субъективного характера. Проблема может быть решения введением в конструкцию стендов и машин автоматизированного управления процессом диагностики и обработки информации. Автоматизированные системы с ограниченным числом датчиков, несущих основную информацию о состоянии объекта и простоту обработки диагностических сигналов дают максимальный эффект. Комплексные системы диагностирования могут иметь различный уровень автоматизации. Для оценки уровня автоматизации можно использовать предложенный профессором
Ю.А. Васильевым критерий
где: - суммарное время на автоматическое выполнение автоматизированных операций; - суммарное время на неавтоматическое выполнение неавтоматизированных операций. Если Ка < 0,5 - система диагностики считается неавтоматизированной, если 0,5 < Ка < 0,95 - система полуавтоматизированная, если Ка > 0,95 - система считается полностью автоматизированной.
Автоматизированная система диагностики может быть принципиально организована по трем вариантам:
- бортовая система диагностики гидропривода с индивидуальным процессором и непрерывным контролем параметров;
- групповая система диагностики гидроприводов нескольких машин с центральной непрерывной системой обработки информации в условиях ремонтных предприятий;
- система диагностики гидроприводов, имеющих встроенные системы датчиков с последовательным их подключением к системе обработки информации.
Автоматизированная система диагностики для стационарных стендов также может иметь несколько уровней:
- полностью автоматизированный комплекс, включающий роботы и манипуляторы 1-го поколения, выполняющий все работы по установке и монтажу диагностируемых аппаратов на стенде.
- комплекс с автоматизацией только процессов вывода системы на диагностический режим и обработкой информации;
- автоматизированная обработка информации.
Первый вариант может быть экономически выгоден только при массовом производстве, например, гидроцилиндров определенного типоразмера.
Таким образом, система автоматизированной диагностики, вне зависимости от организационной структуры, должна включать датчики диагностических параметров и систему обработки сигналов и результатов, обеспечивающую принятие решений.
Специфической чертой гидроприводов дорожных, строительных и транспортных машин, является нестационарность нагрузок в процессе работы, из-за чего мгновенные значения диагностических параметров (потери давления и расхода) могут выходить за рамки допустимых при удовлетворительных средних значениях. Так, например, амплитуда колебаний давления относительно среднего значения может составлять до 100%; при этом предохранительный клапан работает в неустойчивом режиме, перепуская часть жидкости на слив, что ведет к падению, например, частоты вращения гидромотора и потере производитель-ности. Традиционным образом обнаружить отказы подобного типа невозможно.
В некоторых случаях автоматизированный режим диагностирования является единственно приемлемым, например, для диагностики элементов сервопривода, для которых параметр объемного к.п.д., вычисляемого для статического режима, непригоден. Для этих аппаратов диагностическим критерием может служить параметр, представляющий собой фактически коэффициент чувствительности сервоэлемента
или
где Q - расход через сервоэлемент; U, I - напряжение или ток на катушке сервоэлемента, соответственно.
Решение этой задачи возможно за счет системы, включающей процессор, который практически одновременно (по отношению к частоте изменения нагрузки) опрашивает датчики контролируемых параметров, что позволяет анализировать их текущие соотношения. В этом случае в качестве контрольных необходимо использовать не жесткие установки, а вычисляемые для конкретных условий в соответствии с уравнениями движения. Такой подход позволяет производить диагностирование в рабочем режиме гидропривода (на машине непосредственно во время работы, на стенде в режиме имитации).
Для практической оценки возможностей автоматизированных систем на гидростенде был проведен эксперимент на гидростенде кафедрыПутевые, строительные машины и робототехнические комплексы МИИТа. . Блок-схема представлена на рис. 6. Было установлено, что по подавляющему большинству элементов гидропривода объем снимаемой диагностической информации с введением автоматизации растет несущественно, кроме диагностики элементов сервопривода. Обобщенный коэффициент эффективности диагностического процесса (см. гл. 2) КЭ, практически не растет или даже снижается. Поэтому применение встроенных автоматизированных систем на машинах целесообразно только в том случае, если на них уже имеется бортовой компьютер управления, в частности, например, на путевых машинах тяжелого типа, применяемых на железных дорогах.
Рис. 6. Блок -схема работы автоматизированного модуля диагностики
Пятая глава посвящена разработке методов оценки изменения технического состояния гидропривода в процессе эксплуатации, прогнозирования ресурса гидроприводов дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин, а также метода оценки технического риска.
Статопараметрический метод диагностирования предполагает, что основными диагностическими параметрами гидропривода и его элементов являются объемные потери рабочей жидкости и к.п.д. - общий и объемный - при нормированном давлении. Если в системе привода не развивается заданное давление, она однозначно относится к неисправным и подлежит ремонту.
Модель изменения диагностического параметра базируется на данных статистики изменения объемного к.п.д. в процессе эксплуатации.
Для небольших отрезков времени характер изменения объемного к.п.д. удовлетворительно описывается линейной зависимостью. Пусть приведены 1
в момент t1 и 2 в момент t2 . Отношение
назовем средней скоростью изменения на временном интервале (t1 ; t2). Если предположить, что эта скорость сохраняется и в дальнейшем, на протяжении некоторого отрезка времени <<( t2- t1 ), то можно предсказать значения объемного к.п.д., которое будет достигнуто после часов наработки.
(ti+ )= i ЦТ.
Как показывает опыт, для малых интервалов времени это допущение справедливо (примерно для интервала 240 - 300 ч. Наработки).
Для больших интервалов времени характер изменения удовлетворительно описывается зависимостью типа = at2 + b
Для группы машин зона снижения объемного к.п.д. будет, очевидно, ограничена кривыми 1 = b - a1 t2; 2 = b - a2 t2 ,
где B - начальное значение объемного к.п.д.
В таблице 4 представлены некоторые данные, полученные по результатам наблюдений.
Параметры изменения объемного кпд гидроприводов Таблица 4
| Привод | Одноковшовые экскаваторы | Путевые машины | ||
В | В | |||
1 | 2 | 3 | 6 | 7 |
Привод вращения | 0,895 | 0,06840,312 0,127 | 0,875 | |
Привод поступа-тельного действия | 0,94 | 0,0760,304 0,1353 | 0,92 | |
Полученные данные можно использовать для прогнозирования остаточного ресурса. Знание характера падения объемного к.п.д. позволяет предсказать, что величина достигнет предельного значения с вероятностью Р = 0,9973 на участке от t1 до t2 (рис. 7). Будем считать закон распределения вероятности времени наработки до предельного состояния нормальным.
Тогда примем, что математическое ожидание времени наработки и среднее квадратичное отклонение будет равно
Функция распределения плотности вероятности на участке от t1 до t2
Проведя в момент tТ диагностику гидропривода установим новое реальное значение в момент tТ . Тогда вероятностная зона снижения объемного к.п.д. будет ограничен линиями K1Т и K2Т .
Соответственно изменится значение t1 , t2, t, , f(t). Получим
Рис. 7 Схема уточнения остаточного ресурса гидросистем по результатам
диагностирования
Следовательно, на участке t =tТ1-t1 можно предсказать безотказную работу привода. Проведя в момент tТТ повторное диагностирование получим значения tФ1 , tФ2, tФ, Ф, f3(t) и т.п., что позволит еще точнее определить интервал времени, когда следует ожидать отказа гидропривода с соответствующей вероятностью. Возможность такого уточнения позволяет существенно улучшить прогнозирование ресурса. На практике увеличение использования ресурса составляет около 50%. Коэффициент готовности машин повышается до 0,92.
Рассмотренный подход позволяет перейти от жесткой планово-предупреди-тельной системы замены элементов гидропривода к гибкой, учитывающей фактическое техническое состояние агрегатов, и может быть использован в качестве основы для оценки эффективности диагностики для некоторого парка (группы) машин. Пусть для определенной группы машин при некотором распределении зона снижения к.п.д. ограничена линиями 1min (см. рис. 8)
Проведя в момент t диагностику мы получим некоторое распределение значений , ограниченное интервалом 1 max Ц; (/t) - есть плотность вероятности распределения t по в момент t .
max=f1(t); min=f2(t).
Математическое ожидание увеличения времени наработки гидропривода до предельного состояния для группы машин
M[tmin]=M[tmin1 - tmin0].
Рис.8 Схема прогнозирования ресурса гидросистем для группы машин
Имеем также t=f Ц1(). После ряда преобразований получим
.
Приравнивая момент проведения измерений к t1 получаем
.
Для определения численных значений необходимо представить значения функции =f(t). Если min = a1 t2 + C; то тогда
Далее получаем
Проводя регулярные обследования гидропривода, можно увеличить использование ресурса примерно на 60% .
Выход из строя гидравлических систем и агрегатов происходит в основном либо в результате постепенного изменения рабочего параметра Цобъемного к.п.д., утечек, либо из-за внезапного отказа. Оценивая общую вероятность безотказной работы следует учитывать ее составляющие распределения вероятности для двух типов отказов. Тогда общая вероятность безотказной работы определится как
Q(t) = Q1(t)Q2(t) .
Вероятность отказа при совместном действии отказов двух типов (т.е. вероятность наступления хотя бы одного из событий к моменту t, события независимы)
где Ф(t)- итоговая функция распределения для двух случайных независимых процессов.
Плотность распределения
Среднее время наработки на отказ
где 1; 2 - среднее время для экспоненциального и нормального распределений, т.к. известно, что для гидроприводов в подавляющем большинстве случаев внезапные отказы подчиняются экспоненциальному закону, а износовые - нормальному. В принципе, если требуется определить влияние отказов только внезапного типа, то необходимы наблюдения на начальном этапе эксплуатации, когда предельные допуски на износ еще не достигнуты. Для определения параметров распределения отказов износового типа приближенно можно считать, что они адекватны отказам по параметру объемного к.п.д.
где 2 - параметр нормального распределения
Получить параметры экспоненциального распределения можно полагая известными параметрами нормального, решая задачу относительно 1 численными методами. Зная параметры распределений можно оценить вероятность безотказной работы Q(t) приводов и аппаратов - рис. 9 ( аЦе)
Вероятность безотказной работы оказывает решающее влияние на такой фактор как технический риск при эксплуатации гидрофицированной машины.
Для оценки чувствительности к отказам по группам проведём качественный анализ их последствий для системы.
Рис. 9. Вероятность безотказной работы приводов и агрегатов дорожных и строительных машин; 1- зависимости для экскаваторов, 2 - зависимости для путевых машин; а)-привод вращения, б)-привод поступательного действия, в)-гидроцилиндры, г)-распределители, д)-аксиально-поршневые насосы, е)-шестеренные и лопастные насосы.
Каждый из видов отказов относят к одной из установленных степеней тяжести . Каждая степень тяжести характеризуется одинаковыми или близкими последствиями отказов для системы в целом.
Для подъемно-транспортных, дорожных и строительных машин, можно выделить следующие группы отказов, различающихся по степени тяжести последствий, каждую из которых можно оценить весовым коэффициентом Кj, , определяемым для каждой последующей степени тяжести как отношение затрат времени tj на устранение последствий отказа к затратам времени на устранение отказа первой степени тяжести t1.
Кj =tj/t1 ,
где Кj Цвесовой коэффициент степени тяжести последствий отказа.
- Отказы практически не влияющие на экономические и экологические показания работы машины. К ним относятся мелкие отказы, устраняемые
немедленно или в ходе ЕО, например регулировка клапанов и дросселей, долив масло в бак и пр. Кj=1
- Параметрические отказы, приводящие к съёму и замене агрегата в процессе послесменного обслуживания. Эти отказы не влияют на ритмичность работы, но могут ухудшать такой показатель, как время цикла - tц. Экономические потери в этом случае сводятся к стоимости заменяемого агрегата и стоимости производства работ Кj=2.
- Отказы, приводящие к задержке в работе машины. Они выявляются либо во время смены, либо в ходе предсменных проверок. При наличии такого отказа смена может быть завершена, но затем производится замена агрегата и переналадка системы с задержкой выхода в следующую смену. Нетрудно видеть, что вторая и третья степени тяжести близки и при известных условиях могут переходить одна в другую. Кj=3
- Отказы, приводящие к нарушению или к изменению технологических процессов и остановки производства более чем на одну смену. Экономические потери могут быть в этом случае весьма велики и включать потери при простое всего комплекса машин и работников технологической цепочки. Кj=8
- Отказы приводящие к аварийным последствиям, т.е. к выходу из строя не только агрегатов гидропривода, но и повреждению машины в целом (например при опрокидывании) и невозможностью её дальнейшей эксплуатации. Кj=16.
6. Отказы приводящие к катастрофическим последствиям (с жертвами); коэффициент тяжести последствий в данном случае оценить достаточно сложно, и т.к. для строительно-дорожных машин такие последствия нетипичны, то в дальнейшем они не рассматриваются.
Чувствительность к отказам подгрупп гидропривода зависит от интенсивности отказов элементов λi входящих в подгруппы, которая определяется на основе анализа результатов эксплуатации машин и испытаний гидроаппаратов, а также от количества однотипных элементов ni входящих в группу и подверженных одинаковым видам отказов, приводящих к сходным последствиям. Например, интенсивность отказов распределителей весьма мала, однако поскольку их число сравнительно велико, чувствительность к отказам этих групп возрастает. Известно, что для гидроприводов мобильных машин внезапные отказы удовлетворительно описываются экспоненциальным законом, а износовые - нормальным. Примем в качестве допущения, что эти процессы независимы.
Тогда имеем
λiΣ = λi1 +λi2 ,
где λiΣ - суммарная интенсивность отказов i - того элемента системы;
λi1 - интенсивность внезапных отказов i - того элемента системы;
λi2 - интенсивность износовых отказов i - того элемента системы.
Чувствительность к отказам по группе элементов оценим следующим образом
Si,
где Si Цпоказатель чувствительности к отказам;
λi m - интенсивность отказов i - тых элементов, приводящих к последствиям со степенью тяжести m;
Кm - степень тяжести последствий отказов (отказы 6ой степени тяжести не рассматриваются как нетипичные);
ni - количество i - тых элементов в подгруппе привода;
В качестве примера рассматриваются привод подъемно-рихтовочного устройства выправочно-подбивочно-рихтовочной машины ВПР-02 и привод главной лебедки стрелового крана КС-4573.
Суммарный показатель чувствительности к отказам
SΣ =ΣSi .
Зная суммарный показатель чувствительности, можно найти относительные показатели для каждой подгруппы привода
Аi = Si/SΣ .
Графики изменения относительных показателей чувствительности представлены на рис.10 а,б.
Очевидно, что суммарный показатель чувствительности привода к отказам наряду с вероятностью безотказной работы играет существенную роль при технического риска при эксплуатации гидрофицированной машины.
Для его количественной оценки введем понятие коэффициента риска, представляющего собой отношение суммарной чувствительности к отказам к вероятности безотказной работы.
R(t) =[ S/Q(t)]10-3 ,
где: Q(t) - вероятность безотказной работы привода;
t - наработка привода.
,
где t - текущая координата наработки; - интенсивность внезапных отказов;
σ - параметр нормального закона (среднеквадратичное отклонение);
Т- математическое ожидание наработки по износовым отказам
Рис. 10 Изменение относительного показателя чувствительности приводов в процессе эксплуатации; а) Цдля подъемно-рихтовочного устройства ВПР,
б) - для привода главной лебедки крана КС-4573
На рис. 11 представлены соответствующие зависимости изменения коэффициента риска R(t) для рассматриваемых приводов. Из их анализа следует, что для гидрофицированных машин, имеющих аксиально-поршневой привод, после полутора тысяч часов наработки коэффициент технического риска начинает резко и нелинейно возрастать, и, следовательно, необходимо произвести профилактику или замену ряда агрегатов.
При определении предельно допустимых значений объемного к.п.д. обычно принят технико-экономический подход.
Предельные значения определяются наработкой, при которой сумма потерь стоимости недовыпол-ненного объема выше стоимости заменяемых агрегатов, т.к. для основной массы машин повышение стоимости единицы продукции зависит от эксплуатационной производительности машины и соответственно от объемного к.п.д.
Для приводов, работающих в режиме по давлению ниже настройки предохранительного клапана, снижение объемного к.п.д. сказывается на снижении производительности с самого начала эксплуатации.
Рис. 11 Изменение коэффициента риска от наработки привода
1 - подъемно-рихтовочное усиройство ВПР; 2- лебедка крана
На практике, в реальных условиях, замену гидроаппаратов производят когда эксплуатационная производительность падает ниже некоторого критического уровня. В этом случае необходимо применять метод селективной замены гидроаппаратов по критерию
kз = /C = (1- 0)/C,
где 0,, 1- объемный к.п.д. привода до замены i-того аппарата (предельное значение) и после, соответственно; C - стоимость замены.
В шестой главе рассмотрен вопрос об экономической эффективности применения систем диагностики.
Для определения экономического эффекта от применения средств технической диагностики гидроприводов следует учитывать ряд таких факторов в их взаимосвязи, как повышение эксплуатационной надежности, ресурсосбережение, снижение трудоемкости технического обслуживания, повышение культуры производства, повышение эксплуатационной производительности машин, увеличение затрат на капитальные вложения, увеличение эксплуатационных расходов и др. Схема взаимовлияния основных факторов на экономическую эффективность от применения системы диагностики представлена на рис. 12
Рис. 12 Схема взаимовлияния основных факторов на экономическую эффективность от применения системы диагностики
Главным образом, эффективность системы определяется тем, насколько диагностическая система дорога по сравнению со стоимостью парка основных машин и насколько результативно применение диагностического комплекса. Для определения экономически рациональных параметров систем технической диагностики анализ основных факторов целесообразно проводить в относительных или условных единицах, что позволило бы избежать влияния конкретных для каждой марки машин эксплуатационных показателей, договорных цен и прочих факторов, которые в современных экономических условиях могут различаться на порядок даже в пределах одного региона.
Очевидно, что внедрение системы диагностики будет эффективно в том случае, если при этом произойдет снижение удельных затрат на единицу продукции. Данное допущение справедливо только в том случае, если диагностирование не вызвано необходимостью обеспечения безопасности персонала.
Для определения экономически рациональной зоны применения систем технической диагностики анализ действия основных факторов целесообразно проводить в относительных или условных единицах, что позволило бы избежать влияния конкретных для каждой марки машин эксплуатационных показателей, договорных цен, конкретной стоимости устранения отказов и ущерба от его возникновения, стоимости выполнения профилактических операций ТО и ремонтов и прочих показателей, которые в современных экономических условиях, сложившихся в России в начале века могут различаться на порядок даже в пределах одного региона.
Проведенный численный анализ показал, что имеется зона устойчивого экономического эффекта при коэффициенте роста годового объема продукции более 10% с одной стороны и при снижении эксплуатационных затрат также на 10% с другой стороны.
В приложении 1 дано краткое описание современных методов диагностики гидроприводов и приведены характеристики средств для их реализации, в т.ч. гидротестеров и стендов.
В приложении 2 приведен пример программы минимизации количества контрольных точек в гидросистеме на языке Бейсик.
В приложении 3 приведена программа для расчетов поправочных коэффициентов к тарировочной характеристике турбинных расходомеров.
В приложении 4 дано описание работы автоматизированного модуля диагностики.
В приложении 5 приведены акты внедрения средств диагностики и реализации результатов работы.
заключение
Диссертационная работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы, заключающейся в обеспечении безотказной работы в локно на железных дорогах гидрофицированных строительных и дорожных машин на основе формализации и оптимизации процессов поиска отказов и прогнозирования ресурса.
Проведенные теоретические и экспериментальные исследования позволили сделать следующие основные выводы:
1. Существующая на сегодняшний день система обеспечения надежности гидроприводов дорожных и строительных машин, основанная на жесткой системе технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов, не обеспечивает необходимого уровня поддержания коэффициента готовности и безотказности гидроприводов, что ведет к значительным технико-экономическим потерям. Доминирующим фактором последствий отказа является простой машин.
2. Анализ последствий отказов показал, что наиболее чувствительными к отказам в гидроприводах дорожных и строительных машин являются подсистемы сервоуправления и выносных опор (аутриггеров). Имеется критическая зона наработки, после достижения которой для большинства подсистем резко возрастает коэффициент технического риска и дальнейшая эксплуатация возможна только после проведения профилактических и ремонтных мероприятий и контроля.
3. Успешный переход от жесткой системы технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов гидроприводов машин к гибкой системе, когда сроки ремонтов назначаются по фактическому техническому состоянию, возможен только при создании и внедрении в эксплуатацию комплексной системы диагностирования, применение которой позволяет увеличить использование ресурса гидроаппаратов в среднем на 50-60 %.
4. В основу оптимизации поиска отказов должен быть положен метод, учитывающий структуру гидросистемы, информативность проверок, скорость получения информации и затраты на ее получение. Анализ взаимосвязей в гидроприводе с учетом возможных неисправностей показал, что они могут быть разделены на четыре подгруппы по характеру проявления и количество контрольных точек для измерения диагностических параметров может быть минимизировано.
5. Система диагностики должна базироваться на едином методе и включать стационарные, мобильные и встроенные средства. Целесообразна унификация по элементной базе и типоразмерам, соответственно расходным характеристикам гидроприводов.
6. При использовании турбинных расходомеров в качестве датчиков расхода для повышения точности измерений необходимо введение поправочных коэффициентов к их статическим характеристикам, лежащих в диапазоне 1,011,3.
7. Испытания гидроаппаратов целесообразно проводить по рекуперативным схемам в замкнутом контуре с дросселированием и подпиткой. При этом монтажная схема должна обеспечивать температурную стабилизацию замкнутого контура в диапазоне 40- 60 С0.
8. Предложенный алгоритм работы автоматизированной системы диагностики позволяет локализовать отказы гидропривода и его основных элементов, в том числе специфические, возникающие при работе в динамических режимах, определять мгновенные значения параметров, контролировать герметичность системы в целом, следить за уровнем температуры.
9. Анализ изменения объемного к.п.д. гидроприводов машин, как основного диагностического параметра и его взаимосвязи с производственным процессом показал, что назначение предельных значений зависит от условий эксплуатации, в частности от категории грунтов.
10. При прогнозировании вероятности безотказной работы гидроприводов дорожных и строительных машин следует учитывать одновременное действие экспоненциального и нормального законов для внезапных и износовых отказов, численное определение параметров которых позволяет прогнозировать надежность с высокой точностью.
11. Порог экономической эффективности от внедрения системы диагностики достигается при увеличении годового объема продукции и при снижении эксплуатационных затрат не менее чем на 10 %.
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
- Гринчар Н.Г. Универсальный стенд для диагностики гидроаппаратов.
/ Гринчар Н.Г.// - М.: Подъемно-транспортное дело, 1998, № 4. с. 23-26.
- Гринчар Н.Г. Оценка последствий отказов гидроприводов машин.
/ Гринчар Н.Г.// -Тула, Известия ТуГУ, вып. №2, 1999, с.268-275.
- Гринчар Н.Г. Анализ тепловых режимов работы замкнутых контуров гидравлических испытательных стендов. / Гринчар Н.Г.// - М.: РГОТУПС, 1999. В сб. Современные проблемы совершенствования работы железнодорожного транспорта, с.152-156.
- Гринчар Н.Г. Прогнозирование надежности гидроприводов при наличии отказов двух типов. / Гринчар Н.Г.// - М.: Вестник МИИТа, 2000.- №3,
с. 57-62.
- Гринчар Н.Г. Прогнозирование остаточного ресурса гидроприводов по
результатам диагностики. / Гринчар Н.Г.// - Путь и путевое хозяйство, 2000.-
№ 3, с.34-35.
- Гринчар Н.Г. Оптимизация поиска отказов в сложных гидросистемах.
/ Гринчар Н.Г.// Путь и путевое хозяйство, 2000.- № 9, с.35-36.
- Гринчар Н.Г. Надежность гидроприводов. / Гринчар Н.Г.// - Путь и путевое хозяйство, 2001.- № 3, с.29-31.
- Гринчар Н.Г. Эксплуатация гидроприводов. / Гринчар Н.Г.// - Путь и путевое хозяйство, 2001.- № 9, с.29-31.
- Гринчар Н.Г. Алгоритмы поиска отказа в гидроприводах машин./ Гринчар Н.Г., Симонов С.Н. // - Механизация строительства, 2001.- №11, с. 34-37.
- Гринчар Н.Г. Основные положения для создания систем автоматизированной диагностики гидроприводов грузоподъемных и транспортных машин. / Гринчар Н.Г.// - Тула, Известия ТуГУ, вып. №3, 2001, с.259-262.
- Гринчар Н.Г. Классификация отказов в гидроприводах мобильных машин
по характеру их проявления. / Гринчар Н.Г. , Дубровин В.А.//Труды 1-ой
научно-практической конференции Путевые машины.- Калуга : АКФ
Политоп.- 2001.- с. 54-56.
- Гринчар Н.Г. Поиск отказов в гидроприводах путевых и транспортных машин на основе их структурного анализа. / Гринчар Н.Г. , Дубровин В.А.//Труды 1-ой научно-практической конференции Путевые машины. - Калуга : АКФ Политоп.- 2001. - с. 57-63.
- Гринчар Н.Г. Особенности применения турбинных расходомеров при диагностике гидроприводов машин. / Гринчар Н.Г.// - М.: Вестник МИИТа, 2001.- №5, с. 41-43.
- Гринчар Н.Г. Экспериментальная оценка технического состояния гидропривода эксцентрикового вала подбивочного блока ВПР-02. /Ковальский В.Ф., Дубровин В.А., Гринчар Н.Г., Майоров Ю.П.// Труды 2-ой научно-практической конференции Путевые машины. - с. 108-119. Калуга, АКФ Политоп, 2002.
- Гринчар Н.Г. Выбор метода и средств диагностирования машин. Путь и путевое хозяйство, 2003. / Гринчар Н.Г.// - № 3, с.27-29.
- Гринчар Н.Г. Организация диагностирования парков гидрофицированных машин. /Гринчар Н.Г., Симонов С.Н.// - Механизация строительства, 2003.- №3, с. 14-16.
- Гринчар Н.Г. Определение экономической эффективности диагностики машин. / Гринчар Н.Г.// - Путь и путевое хозяйство, 2003.- № 4, с.31-32.
- Гринчар Н.Г. О системах автоматизированной диагностики гидроприводов. / Гринчар Н.Г.// - Путь и путевое хозяйство, 2003.- № 5, с.39-40.
- Гринчар Н.Г. Выбор критерия оптимизации процесса поиска отказов в гидроприводах машин. / Гринчар Н.Г.// -Механизация строительства, 2003.- №6, с. 8-10.
- Гринчар Н.Г. Основы создания и проектирования испытательных и диагностических гидростендов. / Гринчар Н.Г.// - Механизация строительства, 2003.- №7, с. 22-24.
- Гринчар Н.Г. К вопросу определения вероятности безотказной работы гидроприводов путевых машин. / Гринчар Н.Г.// Наука и техника транспорта, 2004.- №3, с. 50-53.
- Гринчар Н.Г. О диагностике гидроприводов/ Гринчар Н.Г.// Путь и путевое хозяйство, 2004.- № 12, стр.19-20.
- Гринчар Н.Г. Испытание гидрообъемных передач в замкнутом контуре с рекуперацией энергии. / Гринчар Н.Г.// - Механизация строительства, 2004.- №12, с. 12-14.
- Гринчар Н.Г. Анализ последствий проявления отказов в гидроприводах
строительных и дорожных машин. / Гринчар Н.Г.// - Механизация
строительства, 2005.- №2, с. 11-16.
25. Гринчар Н.Г. О влиянии погрешности измерения объемного к.п.д. гидропривода при диагностике на прогнозирование коэффициента готовности/ Гринчар Н.Г.// - Механизация строительства, 2006.- №6, с. 15-16.
26. Гринчар Н.Г. Из опыта эксплуатации зарубежной техники/ Гринчар Н.Г., Кузьмин В.Д.// - Механизация строительства, 2006.- №7, с. 20-22.
- Гринчар Н.Г. Определение предельно допустимых значений объемного КПД гидропривода. / Гринчар Н.Г.// - Харьков, Харькiвська державна академiя залiзничного транспорту. Збiрник наукових прац. Пiдвищення ефективностi технологi та технiки для виконання вантажно-розвантажувальних, будiвельних i колiйних робiт на залiзничному транспортi. 1999. - с.36 - 40.
- А.С. № 1326895 СССР, МКИ 01 15\18. Устройство для подсоединения
расходомера / Г.С. Загорский, Ю.П. Майоров, Н.Г. Гринчар (СССР)
4060036 \ 24-10; Заявлено 03.03.86; Опубл. 30.07.87, Бюл. № 28.- 2 с.: ил.
По материалам диссертации также написаны следующие учебные пособия:
- Гринчар Н.Г. Методы и средства диагностики гидроприводов грузоподъемных, путевых и строительных машин: учеб. пособие для вузов/ Н.Г. Гринчар, Ю.П. Майоров, В.И. Фомин . - М.; МИИТ, 1999. - 97с.
- Гринчар Н.Г. Надежность гидроприводов путевых, строительных и грузоподъемных машин: учеб. пособие для вузов / Н.Г. Гринчар - М.; МИИТ, 2001. - 112 с.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям