Способ автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия

Изобретение относится к области контрольно-измерительной техники, а именно к способу автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия. Способ заключается в том, что расходомерное устройство подключают гидравлически последовательно между дренажной гидролинией контролируемой гидравлической машины и гидробаком. Оценку герметичности качающего узла и автоматическое определение на основе этой оценки фактически использованного и остаточного ресурса гидравлической машины производят непрерывно, непосредственно во время работы механизма, путем сравнения фактической величины расхода в дренажной гидролинии с эталонными значениями минимального и максимального расхода в дренаж. Расходомерное устройство выполняют объемным с тахометром на его валу. Изобретение направлено на обеспечение замены изношенной гидравлической машины в плановом режиме, по факту использования полного ресурса гидравлической машины, не допустив аварийной остановки оборудования. 4 ил., 1 табл.

 

Заявленное изобретение относится к области контрольно-измерительной техники и может быть использовано для контроля критичных параметров, непрерывного определения фактического технического состояния качающего узла гидравлических роторных машин, а также для определения фактически использованного и остаточного ресурса непосредственно во время работы механизма.

Реальное техническое состояние основного элемента энергообеспечивающей части гидросистемы в большинстве случаев оценивается только по давлению по показаниям манометров на нагнетательной линии гидронасоса, в то время как мощность N гидроустановки определяется по формуле 1:

где N - гидравлическая мощность, [кВт]

Р - давление в нагнетательной гидролинии, [бар]

Qν - объемная подача, [л/мин]

Объемный расход Q_ν определяет скорость перемещения исполнительного звена, и в случае параметрического отказа в виде недостаточной скорости производят диагностику элементов гидросистемы. Во время диагностики составляют перечень элементов, прямо или косвенно влияющих на возникновение данного отказа, в который попадают возможные отказы гидронасоса, распределительной и регулирующей аппаратуры, а также возможные неисправности элементов исполнительной части. Т.к. гидронасос является самой дорогой и сложной частью гидросистемы, а также по причине, что без гидронасоса нельзя проверить остальные элементы, то гидронасос проверяют в последнюю очередь. Ввиду отсутствия приборов контроля объемного расхода на нагнетательной линии оценку производят по признакам - вибрации, температуре, шуму. Данные диагностические признаки являются косвенными и не обладают достоверностью. В случае сомнений производят пробную замену насоса и оценивают результат этой замены. В результате выполнения данного алгоритма диагностика причины отказа занимает длительное время и часто со значительными материальными затратами (на приобретение нового насоса для пробного теста), в некоторых случаях, неоправданными. В условиях непрерывного производства потери времени приносят значительные материальные потери.

Информацию о реальном техническом состоянии гидравлической машины определяют путем расчета по формуле 1, но для этого необходимо иметь информацию о фактической подаче Qν_факт. гидронасоса, которая в подавляющем большинстве гидросистем отсутствует.

Основным показателем исправности и фактором, прямо влияющим на объемный КПД гидравлической поршневой роторной машины, а, следовательно, на использованный и остаточный ресурс, является герметичность подвижных соединений элементов качающего узла.

В настоящее время известны следующие способы диагностики герметичности качающего узла объемных гидравлических машин:

1. Способ №1 Сравнение теоретической и фактической подачи гидронасоса (Г.Н. Васильев «Ремонт насосов и гидроаппаратуры», Изд.: «Машиностроение», 107885, Москва, Б-78, 1 Басманный пер., 3, стр. 31, глава 3. Испытание насосов и гидроаппаратуры после ремонта) основан на определении технического состояния гидравлической машины путем измерения фактической подачи Оν_факт. при максимальном давлении на напорной гидролинии насоса, для чего расходомерное устройство подключают гидравлически последовательно между нагнетательным каналом гидравлической машины и выходом в гидробак после нагрузочного устройства, и определения фактического значения коэффициента подачи К_подачи (объемного КПД) путем сравнения величины фактической подачи Qv_факт .с теоретической подачей Qv_теор. [формула 2), измеренной на испытательном стенде без нагрузки, указанной в технической документации к данной гидравлической машине или рассчитанной по формуле 3:

где К_подачи - коэффициент подачи насоса;

Оν_факт. - фактическая подача, [л/мин];

Qν_тeop. - теоретическая подача, [л/мин].

где Qν_тeop. - теоретический объемный расход, [л/мин];

Vg - рабочий объем на 1 оборот, (см³];

n - частота вращения вала, (мин^-1];

η_ν - объемный КПД

Коэффициент подачи (объемный КПД) гидравлической машины (формула 2) описывает герметичность качающего узла гидравлической машины, состоящего из цилиндро-поршневых пар, опорных подпятников поршней и распределительного узла; для исправной гидравлической машины К_подачи составляет 0,92-0,98 (в зависимости от модели, рабочего объема, рабочего давления, вязкости рабочей жидкости и наличия контура гидравлического управления, значение К_подачи может различаться), при этом оставшиеся от 2 до 8% Qv_теор. рабочей жидкости в виде дренажного потока Qv_др. направляются через дренажную гидролинию в гидробак.

Критерием предельного состояния гидравлических насосов по ГОСТ 13823-78 «Гидроприводы объемные. Насосы объемные и гидромоторы общие технические требования» является снижение коэффициента подачи не более чем на 20%, при достижении которого гидронасос подлежит замене, т.к. на этой границе происходит переход износа из стадии нормального в стадию аварийного с лавинообразным развитием.

Преимуществом способа №1 является высокая точность полученных данных. Недостатками способа №1 являются следующие факты:

- оценка состояния по данному методу может быть произведена только на гидравлическом испытательном стенде, для чего требуется остановка механизма, демонтаж гидравлической машины, транспортировка на испытательный стенд и проведение испытаний. Эта трудоемкая работа требует веских оснований, но в случае поиска причины недостаточных параметров потока рабочей жидкости основывается только на подозрениях; если подозрения не подтверждаются и отсутствуют основания для отбраковки насоса по результатам тестирования на испытательном стенде, операция производится в обратном порядке, что указывает на ее нецелесообразность ввиду значительной потери времени;

- таким образом можно произвести лишь диагностику, но не мониторинг;

- испытательные стенды и специалисты имеются далеко не на каждом предприятии.

2. Способ №2 Определение состояния гидравлической машины путем полной ее разборки, измерения зазоров и оценки состояния поверхностей элементов герметичных подвижных соединений качающего узла гидравлической машины (X. Экснер, Р. Фрейтаг, д-р Х. Гайс, Р. Ланг, Й. Оппольцер, П. Шваб, Е. Зумпф, У. Остендорфф, М. Райк. Изд. Бош Рексрот АГ Сервис Автоматизация Дидактика 64711 г. Эрбах Германия «Гидропривод. Основы и компоненты. Учебный курс по гидравлике, том 1, стр. 250).

Преимуществом способа №2 является возможность его реализации без гидравлического испытательного стенда.

Недостатками способа №2 являются следующие факты:

- для реализации этого способа требуется демонтаж и полный разбор гидравлической машины. Усложняет применение данного способа отсутствие в свободном доступе информации о величине зазоров в качающем узле в нормальном неизношенном состоянии для конкретной гидравлической машины, т.к. эта информация является интеллектуальной собственностью производителя;

- отсутствие на предприятиях, как правило, квалифицированного персонала для проведения подобной работы.

Таким образом, с применением существующих методов реальное текущее состояние работающей гидравлической машины на месте установки способами №1 и №2 определить невозможно. По указанным причинам, в случае наличия подозрений на неисправность или износ гидравлической машины, в большинстве случаев гидравлическая машина заменяется на новую при неполном использовании ресурса, или наоборот, работает за пределами нормального ресурса, что вызывает аварийный внезапный отказ гидравлической машины с попаданием продуктов разрушения качающего узла в гидросистему.

Ближайшим по замыслу аналогом является способ автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия по US 5563351 A с тем отличием, что в нем описано только определение превышения предельного расхода в дренажной гидролинии как критерий для замены гидронасоса, в то время как использованный и оставшийся ресурс гидравлической машины в текущий момент не может быть определен, что не позволяет применить методы планирования. В качестве измерительного устройства предложено сопло Вентури, перепад давления на котором указывает на величину расхода, т.е. применен динамический принцип, отличающийся низкой точностью на малых расходах и высоким гидравлическим сопротивлением на больших расходах, что снижает достоверность полученной информации, а также может нанести вред испытуемому гидронасосу в виде значительного сопротивления в дренажной гидролинии.

Техническим результатом заявленного способа является возможность замены изношенной гидравлической машины в плановом режиме, по факту использования полного ресурса гидравлической машины, не допустив аварийной остановки оборудования.

Указанный технический результат достигается в способе автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия, который заключается в том, что расходомерное устройство подключают гидравлически последовательно между дренажной гидролинией контролируемой гидравлической машины и гидробаком, при этом оценку герметичности качающего узла и автоматическое определение на основе этой оценки фактически использованного и остаточного ресурса гидравлической машины производят непрерывно, непосредственно во время работы механизма, путем сравнения фактической величины расхода в дренажной гидролинии с эталонными значениями минимального и максимального расхода в дренаж, при этом расходомерное устройство выполняют объемным с тахометром на его валу.

Заявленный способ автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия поясняется чертежами, на которых показано:

на фиг. 1 - принципиальное место расположения расходомерного устройства относительно гидравлической машины;

на фиг. 2 - схема к расчету величины через кольцевую щель зазора поршневой пары качающего узла гидравлической машины;

на фиг. 3 - принципиальная схема подключения расходомерного устройства к ЭВМ;

на фиг. 4 - диаграмма расхода в дренажной гидролинии испытуемой гидравлической машины.

Предлагаемый способ автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия заключается в постоянном непрерывном объемном измерении расхода в дренажной гидролинии гидравлической машины (фиг. 1) непосредственно во время работы механизма при помощи расходомерного устройства 1, установленного в дренажную гидролинию контролируемого гидронасоса 2, подключенную к гидробаку 3, основан на факте непосредственной обратной зависимости величины эффективной подачи гидронасоса от величины утечки в дренаж, а также на факте значительного увеличения расхода в дренажной гидролинии вследствие снижения герметичности качающего узла, и описывается формулой (4):

где Qν_тeop. - теоретическая подача, л/мин.;

Qν_факт. - фактическая подача, л/мин;

Qν_др. - расход в дренажной гидролинии, л/мин.;

Суть изобретения состоит в том, что по мере износа поверхностей элементов гидравлических сопряженных пар качающего узла гидравлической машины происходит значительное увеличение зазоров в указанных соединениях качающего узла, следствием которого является увеличение расхода по дренажной гидролинии Qv_др.. с одновременным снижением подачи Qv_/факт.(см. формулу 5).

Величина утечек при ламинарном режиме движения для гладкой кольцевой щели постоянного сечения (фиг. 2) на примере зазора между плунжером 4 и гильзой поршневого блока 5, опирающегося на распределительный диск 6:

где q - утечка, м3/с;

D - диаметр плунжера, /и;

δ - зазор на сторону, м (при концентрическом расположении плунжера);

g - ускорение свободного падения;

ν - кинематическая вязкость, м²/с;

l - длина плунжера, м (контакта);

Н - перепад напора, м.

Анализ формулы 5 показывает, что величина утечки в дренажную гидролинию q находится в пропорциональной квадратичной зависимости от величины кольцевого зазора 6 поршневых пар качающего узла, что повышает точность предлагаемого метода по сравнению со способом №1. Так как эти величины взаимосвязаны тем фактом, что зазоры в подвижных герметичных соединениях качающего узла в фазе нагнетания соединяют нагнетательную линию с внутренним объемом картера гидравлической машины, который, в свою очередь, соединен дренажной гидролинией с гидробаком, расход в дренажной гидролинии может быть использован как диагностический признак, прямо указывающий на герметичность качающего узла. Оценку состояния производят в максимально нагруженном состоянии гидравлической машины, т.е. при максимальном рабочем давлении.

Для определения величины расхода предлагается применить расходомерное устройство, выполненное в виде объемного расходного устройства 7 (фиг. 3) с тахометром на его валу.

Показания расходомерного устройства могут быть преобразованы в оценочный показатель следующими устройствами:

1. Визуальный индикатор состояния - шкала визуального индикатора градуирована для отображения состояний «Норма», «Предельное», «Неисправное», а также в других, соответствующих данным понятиям по смыслу терминах, символах или цветах, указывающих на нормальное, предельное и неисправное состояние качающего узла гидравлической машины.

2. Электронный индикатор состояния - показания измерительного устройства в виде электронного сигнала от тахометра 8 на валу объемного расходомера 7 передаются через аналогово-цифровой преобразователь АЦП 9 и обрабатываются в электронном устройстве - встроенном микроконтроллере или внешнем контроллере 10, пересчитывают по формуле 6 и передаются на ЭВМ оператора 11, на рабочем экране которого в специальном поле отображается информация о реальном текущем состоянии гидромашины в процентах остаточного ресурса и/или состояний «Норма», «Предельное», «Неисправное» (фиг. 3).

Определение остаточного ресурса R (в процентах от исходного состояния, %) гидравлической машины производят по формуле 6:

где Qv_др._факт. - фактический измеренный расход в дренажной гидролинии гидравлической машины;

Qν_др.мин.. - минимальный (номинальный) расход в дренажной гидролинии, соответствующий 0% износа, указан в технической документации к гидравлической машине, или, при отсутствии данной информации в технической документации к конкретной контролируемой гидравлической машине, рассчитывают от 2 до 8% Qv_meop.

Qν_{др.макс.} - максимальный расход в дренажной гидролинии, соответствующий 100% износа, определяют по формуле 7:

Для отображения дискретных состояний остаточного ресурса R соотношение аналоговой величины, рассчитанной по формуле 6, выраженной в % и дискретных состояний располагают в диапазонах:

- Норма - от 0 до 90%;

- Предельное - от 90 до 100%;

- Неисправное - более 100%,

либо других близких значениях диапазонов, определяемых из конкретных условий.

Преимуществами приведенного способа автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия являются:

1. расходомерное устройство, расположенное на дренажной, а не на нагнетательной гидролинии, работает в условиях меньших расходов (от 0 до 28% Qv_теор. против 100% Qv_теор.) и давлений (0-2 бар против 100% максимального рабочего давления), по этой причине расходомерное устройство имеет малые габариты, существенно более низкую стоимость, т.к. может быть изготовлено из полимерных и композитных материалов, и более высокую надежность;

2. высокий ресурс расходомерного устройства ввиду относительно низкого расхода, давления и полного отсутствия нагрузки гарантирует высокую точность на всем ресурсе контролируемой гидравлической машины;

3. простота реализации и низкая стоимость оборудования позволяют применить описанный метод для организации мониторинга гидравлических машин как на стадии проектирования гидросистемы, так и для дооборудования системой мониторинга смонтированного и работающего оборудования;

4. возможность установки гидравлической машины на стационарные и мобильные гидросистемы, даже с учетом компактного исполнения, ввиду малых габаритов;

5. интегрирование расходомерного устройства в корпус насоса при его производстве;

6. возможность оценки состояния качающего узла как гидравлических насосов, так и гидромоторов, а также делителей потока на базе поршневых гидравлической машин объемного типа;

7. высокая точность диагностирования, ввиду малой величины расхода (относительно подачи насоса) и многократного роста расхода в дренажной гидролинии при износе качающего узла;

8. возможность осуществления постоянного непрерывного мониторинга текущего состояния качающего узла гидравлической машины непосредственно во время работы механизма.

При соблюдении требования производителя гидронасоса о допустимом давлении в дренажной гидролинии в виде гидравлического сопротивления расходомерного устройства данное устройство не влияет на работу гидронасоса и гидросистемы в целом. Недостатками диагностических способов №1 и 2 предлагаемый метод не обладает.

Описанный способ автоматизированного непрерывного определения остаточного ресурса гидравлических поршневых роторных машин путем контроля герметичности качающего узла прошел практическое испытание на гидронасосе A10VSO 71 DR/31R-PPA12N00 Rexroth. Данный насос является аксиально-поршневой регулируемой гидравлической машиной. Согласно паспортным данным (RRS 92711/06.09) при n=1500 об/мин. и Р=0 бар теоретическая подача Qν_теор.=107 л/мин., при максимальном давлении Р_макс.=350 бар теоретическая подача Qν_meop.=98 л/мин., что означает, что при максимальном рабочем давлении через зазоры качающего узла утечка рабочей жидкости составит 107-98=9 л/мин, что составляет 8,4% Qν_теор., и принимается исходным для оценки состояния качающего узла в 100% остаточного ресурса. Измеренный фактический расход в дренажной гидролинии составил Qν_др.мин.=9,2 л/мин., что соответствует нормальному состоянию качающего узла. Предельное значение Qν_{др.макс.}=9,2+0,2×107=30,6 л/мин определено по формуле 7. Расход в дренаж через контур управления гидравлической машины является величиной постоянной, с износом качающего узла не связан, составляет для данной модели около 3 л/мин. - при расчетах не учитывался, т.к. влияния на расчет ресурса не оказывает. Гидронасос установлен на гидравлическом прессе в составе насосно-аккумуляторного гидропривода, режим работы механизма непрерывный круглосуточный, с периодичным колебанием давления на выходе насоса от 30 до 320 бар на 2-3 минуты через каждые 3-4 минуты, рабочая жидкость SHELL TELLUS S2 V68, максимальная рабочая температура 50°С.

Измерение фактического расхода в дренажной гидролинии в течение 12 месяцев эксплуатации (таблица 1) показало экспоненциальный рост количества утечек.

При достижении величины расхода в дренажной гидролинии Qvдр=30 л/мин, соответствующей предельному значению Qvдр.макс. (точка А на фиг. 4) в конце 12 месяца эксплуатации была произведена рекомендованная замена гидронасоса.

Диагностика демонтированной гидравлической машины по способу №1 - испытание на гидравлическом испытательном стенде - подтвердила снижение эффективной подачи насоса Оv_факт. до значения 78 л/мин. при максимальном рабочем давлении, что указывает на наличие критического износа элементов качающего узла.

Диагностика по способу №2 - разбор гидравлической машины - подтвердила наличие увеличения зазоров в поршневых парах качающего узла вследствие механического трения и абразивного износа до 0,089-0,095 мм, а также наличие повреждений опорной поверхности распределительного диска вследствие механического трения, абразивного и кавитационного повреждения глубиной до 0,35-0,42 мм, что фактически указывает на предельное состояние качающего узла испытываемого насоса.

Таким образом, описанный способ полностью подтвержден практическим применением, т.к. замена изношенной гидравлической машины была произведена в плановом режиме, по факту использования полного ресурса гидравлической машины, не допустив аварийной остановки оборудования. Информация о техническом состоянии гидравлической машины является достоверной, доступной для оценки в любое время и может быть применена в интересах планирования ремонтов оборудования.

Способ автоматизированного контроля герметичности качающего узла гидравлических машин объемного действия, заключающийся в том, что расходомерное устройство подключают гидравлически последовательно между дренажной гидролинией контролируемой гидравлической машины и гидробаком, отличающийся тем, что оценку герметичности качающего узла и автоматическое определение на основе этой оценки фактически использованного и остаточного ресурса гидравлической машины производят непрерывно, непосредственно во время работы механизма, путем сравнения фактической величины расхода в дренажной гидролинии с эталонными значениями минимального и максимального расхода в дренаж, при этом расходомерное устройство выполняют объемным с тахометром на его валу.