Методы и средства повышения эксплуатационной надежности гидроприводов дорожных и строительных машин

Современная экономическая ситуация в России ставит перед учеными, экономистами, инженерами ряд актуальных вопросов, связанных с эффективным функционированием железнодорожного транспорта.

Основную часть парка современных машин для строительства и ремонта железных дорог составляют машины с объемным гидравлическим приводом, получившим самое широкое распространение в силу известных его преимуществ.

Главной особенностью эксплуатации этих машин является то обстоятельство, что весь объем работ выполняется на железнодорожных линиях в «окно», т. е. в специально выделяемый промежуток в расписании движения поездов, 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 необходимый результат с одной стороны, а с другой — ведут к большим материальным и финансовым издержкам.

Так, например, в СССР затраты на поддержание нормального функционирования парков только строительных машин составляли 5−6 млрд руб. в год (в текущих ценах), при этом срок службы большинства гидроаппаратов был в 1.52 раза ниже нормы. Система технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов начала складываться в 30-х годах прошлого столетия, когда были разработаны первые «Правила по уходу за тракторами и прицепным инвентарем и их полевому ремонту» (1932 г.), предусматривавшие 8 ступеней производства работ с обязательной сменой ряда деталей. В дальнейшем они послужили прототипом для разработки системы технического обслуживания и планово-предупредительных ремонтов других машин. Однако идею, предложенную еще в 40-х годах проф. Г. В. Веденяпиным о производстве работ по потребности, до сих пор в полной мере реализовать не удалось.

Современная ситуация, сложившаяся за последнее десятилетие, изменение методов и средств управления обуславливает необходимость в совершенствовании теории и практики эксплуатации гидроприводов строительных и дорожных машин, в частности, за счет применения технической диагностики, которая позволяет контролировать состояние гидропривода машин и точнее устанавливать сроки и объем работ по обслуживанию и ремонту, помогает поддерживать готовность машин для производства работ, прогнозировать остаточный ресурс и наработку гидропривода, его узлов и отдельных аппаратов.

Развитие методов и средств технической диагностики гидроприводов создает новую ситуацию в эксплуатации и делает возможным применение индивидуального подхода при решении вопросов ремонтной политики. Техническая диагностика позволяет исключить ненужные разборочно-сборочные работы, определить действительную потребность в регулировках, выявить и проконтролировать основные эксплуатационные показатели гидропривода машин во время работы, маневрировать сроками технического обслуживания и ремонтов в зависимости от напряженности работ. Диагностика позволяет контролировать состояние новых или отремонтированных машин в период гарантийного срока, что способствует качеству изготовления и ремонта.

Техническая диагностика гидроприводов машин является сравнительно новым разделом науки эксплуатации мобильных машин. Её основы были заложены в начале 70-х годов XX в. A.M. Харазовым, Р. А. Макаровым, когда получил широкое распространение объемный гидропривод. Вопросам технической 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, С. И. Шумейко, A.M. Шолома, П. М. Черейского, С. Б. Багина, В. В. Тайца, К. В. Рулиса, а также автора и других исследователей.

Вопросы эксплуатации объемного гидропривода мобильных машин рассмотрены в работах В. Н. Прокофьева, Т. В. Алексеевой, В. Ф. Ковалевского, И. А. Панина, В. А. Першина, В. К. Свешникова, В. А. Васильченко, И. И. Елинсона и др.

На основе изучения теории и опыта проведения технического обслуживания и технической диагностики можно сделать вывод о том, что существующие методы обеспечения надежности и организации ремонтов гидрофицированных машин на железнодорожном транспорте не позволяют получить наиболее эффективные с точки зрения экономики, ресурсосбережения и собственно техники и технологии решения в области управления процессами обеспечения исправности и работоспособности. Развитие процессов механизации путевых и транспортных работ требует разработки научного обоснования принимаемых решений в области организации функционирования техники, в частности в вопросах прогнозирования остаточного ресурса гидропривода в целом и отдельных аппаратов.

Наиболее эффективным инструментом решения круга вопросов, относящихся к данной проблеме, является тщательное рассмотрение их взаимосвязей как между собой, так и со смежными факторами, а также со способами воздействия на эти факторы. Необходим анализ применимости частных теорий и разработок с целью создания единой системы технической диагностики гидроприводов, включающей как технические средства, так и методологические разработки 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 «окно», 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 изно-совых 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, учитывающий 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 (расхождение расчетных и экспериментальных данных не более 10).

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 «окно», 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.

Личный 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 гид-рофицированных 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., Ани-совской 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-й 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 и 2003 гг., на заседании научно-методического совета по специальности 170 900 — «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 заочное 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.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Диссертационная работа посвящена решению крупной научно-технической проблемы, заключающейся в обеспечении безотказной работы в «окно» на железных дорогах гидрофицированных строительных и дорожных машин за счет 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 на железнодорожном транспорте, 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 1,01−1,3.

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 °C.

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 КПД 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,.

249 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%.