3. Диагностирование гидропривода

Одной из тенденций развития СДМ является широкое использование объемного гидропривода. Усложнение гидросхем приводит к увеличению трудоемкости ТО и ТР, неоправданные разборки элементов гидропривода снижают их ресурс. Применение методов диагностирования гидропривода позволяет значительно сократить время поиска дефекта, снизить трудозатраты при ТО и ТР. Существующие методы диагностирования гидропривода по трудоемкости их реализации условно можно разделить на пять групп.

К первой группе относится наиболее трудоемкий статопараметрический метод, требующий отвода из гидросистемы потока рабочей жидкости.

Ко второй группе относятся методы, требующие установки в гидросистему датчиков, имеющих контакт с рабочей жидкостью: методы амплитудно-фазовых и переходных характеристик, термодинамический метод.

К третьей группе относятся методы, требующие отбора проб рабочей жидкости: спектральный анализ и индикация инородных примесей.

К четвертой группе относятся методы, требующие установки датчиков, не имеющих контакта с рабочей жидкостью: акустический, виброакустический, силовой, измерение скорости нарастания усилия на исполнительном элементе.

К пятой группе относится наименее трудоемкий кинематический метод, не требующий установки специальных датчиков.

Статопараметрический метод основан на измерении параметров функционирования гидропривода: давления Р (МПа) и расхода потока рабочей жидкости Q (л/мин). Метод широко используется на практике и позволяет определить состояние каждого элемента гидросистемы. При диагностировании насоса вычисляется объемный КПД

где Q_Ф – фактическая (измеренная) подача насоса, л/мин;

Q_Т – теоретическая подача насоса, л/мин.

На практике вместо Q_Ф определяют подачу Q_Н при частоте вращения вала насоса n_н, нагружая насос до номинального давления Р_н. Учитывая, что при малых давлениях величиной утечек в гидроагрегатах можно пренебречь, вместо Q_Т при частоте вращения n₀ определяется величина Q₀ при давлении Р₀ < 0,05 Р_Н. Проведение измерений должно проводиться при n_н = n₀. Так как на СДМ, снабженных дизелями с центробежными регуляторами частоты вращения это условие практически невыполнимо, для повышения точности измерений при вычислении η₀ вводится корректировка изменения частоты вращения

.

Величина нагружения, как правило, устанавливается внешним дросселем. Метод широко используется на практике и позволяет определить состояние каждого элемента гидросистемы. Применение статопараметри-ческого метода обеспечивает получение точной информации, свободной от помех.

К недостаткам метода можно отнести необходимость рассоединения звеньев гидропривода, приводящую к потере и загрязнению рабочей жидкости.

Метод амплитудно-фазовых характеристик (метод пульсаций давления) основан на измерении колебаний давления в напорной магистрали насоса при установившемся режиме работы. Имеющиеся разработки предназначены для оценки технического состояния качающих узлов аксиально-поршневых насосов по величине и форме осциллограммы пульсации давления. Метод позволяет определить величину суммарного износа в кинематической цепи, обеспечивающей возвратно-поступательное движение поршней. К недостаткам метода можно отнести невозможность определения износа элементов, влияющих на внутренние перетечки.

Метод переходных характеристик (волновой метод) основан на анализе диаграмм изменения давления, снятых на участке гидросхемы после переходных режимов работы. Ударная волна, проходя по участку гидросхемы, несет информацию обо всех гидравлических сопротивлениях (золотники, клапаны, вмятины, утечки). Сравнивая полученную ударную диаграмму с предварительно полученной (эталонной), можно оценить изменения в гидросистеме. Метод обладает высокой информативностью, однако требует сложной расшифровки диаграмм. Кроме того, во время проведения измерений необходимо исключить из схемы узлы, влияющие на гашение пульсаций.

Термодинамический метод позволяет путем измерения перепадов температур на входе и выходе элементов гидросхемы определять их полный КПД. Метод основан на превращении в тепло энергии, теряемой в элементах гидропривода. Метод эффективен в условиях эксплуатации, однако требует высокой точности измерения температуры, наличия сведений о теплофизических свойствах применяемой гидрожидкости либо использования сложных измерительных схем.

Метод спектрального анализа основан на определении количества и вида продуктов износа элементов гидропривода в рабочей жидкости. Он позволяет обнаруживать износ на его ранней стадии. Однако развитие метода сдерживается сложностью локализации изнашиваемой детали.

Метод индикации инородных примесей в гидрожидкости основан на определении количества продуктов износа деталей при помощи специальных магнитных пробок, а также количества примесей воды и дизельного топлива при помощи несложного химического анализа. Достоинством является простота оборудования; недостатки аналогичны предыдущему методу.

Акустический метод применяется для диагностики внутренней негерметичности гидроагрегатов. Он основан на измерении в ультразвуковом диапазоне шума рабочей жидкости, перетекающей через поврежденные уплотнения. Предварительная тарировка позволяет определить величину утечек в гидрораспределителях, клапанах и других элементах гидросхемы. Достоинством является быстрота измерений, недостатком – необходимость предварительной тарировки и значительные помехи от соседних агрегатов.

Виброакустический метод основан на анализе параметров вибрации объекта диагностирования. Применяется в основном для гидроагрегатов с явно выраженными циклическими рабочими процессами, например, для аксиально-поршневых гидронасосов.

Основным достоинством является принципиальная возможность получения информации о любом элементе гидропривода без его разборки. Недостатком является сложность выделения полезной информации.

Силовой метод основан для определения величины усилия F, развиваемого исполнительным механизмом. Метод широко применяется при диагностировании гидропривода с/х машин для оценки его общего состояния в стационарных и полевых условиях. Достоинством является возможность интегральной оценки состояния всего гидропривода исполнительного механизма. Недостатком метода является его невысокая точность.

Метод измерения скорости нарастания усилия dF/dt на исполнительном элементе является развитием силового метода. Метод разрабатывался для определения технического состояния гидросистем с/х машин, где в качестве исполнительных элементов используются гидроцилиндры. Для измерения усилия применялись быстросъемные накладные датчики. Достоинством метода является быстрота получения информации для оценки общего состояния гидропривода, однако данный метод пока не используется для диагностирования гидросхем с гидромотором.

Кинематический метод, являясь наименее трудоемким, определяет общее техническое состояние гидропривода по скорости перемещения исполнительных элементов, нагруженных рабочим оборудованием. Метод достаточно прост и не требует специального оборудования, однако обладает невысокой точностью.

Из перечисленных выше методов наибольшее распространение получил статопараметрический метод, на основе которого разработаны переносные и стационарные средства диагностирования.

Наиболее простым по конструкции переносным средством диагностирования гидропривода является устройство КИ-5473, предназначенное для проверки гидросистем сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин с рабочим давлением до 10 МПа. Устройство состоит из дросселя-расходомера КИ-1097-1, комплекта сменных переходников и шлангов, которые помещены в два футляра. При помощи устройства проверяют давление настройки предохранительных клапанов от 1,0 до 15 МПа и величину расхода рабочей жидкости в пределах от 10 до 90 л/мин. Прибор КИ-1097-1 (рис. 11) состоит из корпуса с входным и выходным штуцерами, рукоятки дросселя с лимбом и манометра.

Рис. 11. Общий вид дросселя-расходомера КИ-1097-1:

1 – входной штуцер, 2 – манометр, 3 – выходной штуцер,

4 – поворотная рукоятка

Принцип действия прибора (рис. 12 а) основан на контроле положения лимба дросселя, при котором измеряемый поток рабочей жидкости Q создает давление Р = 10 МПа. Шкала лимба градуирована в единицах расхода для рабочей жидкости с вязкостью 48 - 80·10^-6 м²/с при температуре 50 ± 5°С. Определение подачи насоса производится по схеме, приведенной на рис. 7.2 б. Перед началом измерений полностью открывают проходное сечение дросселя, вход прибора подключают к напорной магистрали, а выход соединяют с баком.

Для определения величины расхода плавно поворачивают рукоятку дросселя из положения «Открыто» в сторону положения «Закрыто» до

Рис. 12. Схемы включения дросселя расходомера:

а – схема дросселя-расходомера, б – определение подачи насоса,

в – определение давления настройки клапана,

г – определение внутренних перетечек в гидроцилиндре,

д – определение утечек в гидрораспределителе

установления давления равным 10 МПа. Значение величины расхода определяется по лимбу дросселя. При невозможности установки давления 10 МПа величина расхода через прибор определяется по формуле:

где Q_Р – расход через прибор при давлении Р, л/мин

Q_Л – величина расхода по лимбу прибора, л/мин

Р – величина давления при проверке, МПа.

Испытание насоса проводят при номинальной частоте вращения коленчатого вала ДВС n_Н (об/мин). Если при этом величина подачи насоса превышает верхний предел измерений прибора 90 л/мин, снижают частоту вращения и подачу насоса приводят к номинальной частоте вращения по формуле:

,

где Q_Н – подача насоса при n_Н, л/мин

Q_И – подача насоса при n_И, л/мин

n_Н – номинальная частота вращения коленчатого вала, об/мин

n_И – частота вращения коленчатого вала при измерениях, об/мин.

Давление настройки предохранительного клапана определяется по схеме на рис. 12 в. Прибор КИ-1097-1 подключают к выходным штуцерам гидрораспределителя и поворотом рукоятки дросселя поднимают давление. При достижении момента срабатывания предохранительного клапана рост давления прекратится.

Определение утечек в гидрораспределителе может производиться по схеме на рис. 12 в. Рукояткой дросселя устанавливают давление 10 МПа и фиксируют расход жидкости через прибор. При исправном предохранительном клапане величина утечек в гидрораспределителе определяется как разница между подачей насоса и расходом жидкости через прибор, приведенная к номинальной частоте вращения. Цена деления лимба прибора равна 5л/ мин, поэтому схема на рис. 12 в может применяться лишь при больших утечках. Для измерения небольших внутренних перетечек в гидроцилиндре применяют схему на рис.12 г. Поршень гидроцилиндра устанавливают в среднее положение и на штуцер штоковой полости устанавливают заглушку. Рукояткой дросселя устанавливают давление 10 МПа и контролируют положение указателя, закрепленного на штоке гидроцилиндра. При наличии внутренних перетечек давление в штоковой и безштоковой полостях гидроцилиндра выравнивается и, так как площадь поршня в этих полостях различна, появляется сила, выталкивающая шток гидроцилиндра. Скорость выдвижения зависит от величины внутренних перетечек из штоковой полости в безштоковую, которые могут быть определены по формуле:

,

где Q_ГЦ – внутренние перетечки в гидроцилиндре, л/мин

h₁ – величина выдвижения штока, см

S – площадь поршня в штоковой полости гидроцилиндра, см²

t – время измерения выдвижения штока, мин.

Время измерения t в зависимости от размеров и состояния гидроцилиндра устанавливают в пределах 3 – 10 мин.

Для измерения небольших утечек в гидрораспределителе Q_ГР применяют схему на рис. 12 д. В схеме применяют гидроцилиндр с определенными ранее внутренними перетечками Q_ГЦ. На выходной и входной штуцера гидрораспределителя наворачивают заглушки, рукояткой дросселя устанавливают давление 10 МПа. Скорость движения штока теперь будет зависеть от внутренних перетечек в гидроцилиндре и герметичности золотниковой пары в проверяемом гидрораспределителе.

Величина утечек в гидрораспределителе может быть определена по формуле:

,

где Q_ГР – величина утечек в гидрораспределителе, л/мин

h₁ – величина выдвижения штока при проверке герметичности гидроцилиндра, см

h₂ – величина выдвижения штока при проверке суммарной герметичности, см

S – площадь поршня в штоковой полости гидроцидиндра, см²

t – время измерения выдвижения штока, мин.

Схема на рис. 12 д позволяет определять также утечки и в других гидроагрегатах: клапанах, гидрозамках, кранах и др.

Для диагностирования гидропривода СДМ с максимальным давлением до 32 МПа и расходом рабочей жидкости до 300 л/мин применяют специальные гидротестеры.

Гидротестеры представляют собой компактный диагностический комплекс, состоящий из нагружающего устройства, датчиков и измерительных приборов. В гидротестерах в основном используется статопараметрический метод диагностирования.

На рис. 13 показан общий вид гидротестера ГТ-150, предназначенного для измерения расхода рабочей жидкости до 150л/мин при давлении до 32МПа.

Рис. 13. Общий вид гидротестера ГТ-150

Нагружающее устройство, датчики и измерительные приборы смонтированы в общем корпусе. Принципиальная схема гидротестера приведена на рис. 14.

Рис. 14. Принципиальная схема гидротестера:

1 – входной штуцер, 2 – датчик температуры, 3 – указатель температуры,

4 – дроссель манометра, 5 – манометр, 6 – датчик давления,

7 – сливной штуцер, 8 – предохранительный клапан, 9 – датчик расхода,

10 – кран пробоотборника, 11 – пробоотборник

В качестве нагружающего устройства применен предохранительный клапан непрямого действия, что позволяет более точно, чем дросселем, поддерживать давление нагрузки. Давление измеряется при помощи манометра, снабженного дросселем для гашения пульсаций. Дополнительно может быть установлен датчик пульсации давления, позволяющий контролировать суммарный зазор поршень-шатун-вал в аксиально-поршневых насосах. Расход рабочей жидкости измеряется при помощи турбинного датчика расхода. Сигналы с датчика расхода подаются в блок электроники, в качестве которого используется модернизированный прибор ИМД-Ц. На этот же прибор подаются сигналы от датчика температуры и датчика частоты вращения коленчатого вала двигателя. Гидротестер снабжен также устройством для отбора проб рабочей жидкости.

На рис. 15 приведены типовые схемы включения гидротестера при диагностировании гидросистем СДМ. При диагностировании гидронасосов наиболее часто пользуются последовательной схемой на рис. 7.5 а. Гидротестер включают в разрыв напорной магистрали между насосом и распределителем. Вначале, плавно увеличивая нагрузку, определяют (и устанавливают) давление настройки предохранительного клапана. Затем, по приведенной выше методике, определяют объемный КПД насоса . Если давление в сливной магистрали превышает 0,05Р_Н, применяют байпасную схему (рис. 7.5 б), при этом слив­ная магистраль из гидротестера должна соединяться с баком через быстроразъемное соединение. Определение объемного КПД гидрораспределителя производится по схеме на рис. 7.5 в. Измеряя величину расхода на выходе из гидрораспределителя при номинальном и минимальном давлениях, определяют величину объемного КПД гидросхемы затем вычисляют

Рис. 7.5. Схемы включения гидротестера:

а – последовательная схема, б – байпасная схема, в – схема дигностирования гидрораспределителя, г – схема диагностирования гидроцилиндра,

д – Т-схема; 1 – насос, 2 – предохранительный клапан, 3 – гидротестер,

4 – гидрораспределитель, 5 – гидроцилиндр, 6 – бак,

7 – быстроразъемные соединения

.

При диагностировании гидроцилиндров гидротестер включают по схеме 7.5 г, гидроцилиндр нагружают рабочим оборудованием и выдвигают шток. По шкале расходомера гидротестера определяют количество рабочей жидкости, подаваемой в гидроцилиндр. Одновременно измеряя скорость выдвижения штока гидроцилиндра можно вычислить объемный КПД гидроцилиндра

,

где V – скорость выдвижения штока гидроцилиндра, см/мин

S – площадь поршня гидроцилиндра, см²

Q_Ц – величина подачи рабочей жидкости в цилиндр, л/мин.

Сократить затраты времени на подключение гидротестера позволяет Т-схема (рис. 7.5 д). Подключение гидротестера производится к встроенным в гидросистему специальным штуцерам и быстроразъемным соединениям.

Технология диагностирования по Т-схеме несколько отличается от традиционной, для создания нагрузки на гидросистему используется рабочее оборудование. При установке поршня гидроцилиндра в одно из крайних положений давление в гидросистеме определяется настройкой предохранительного клапана и установкой нагружающего устройства гидротестера. Для настройки предохранительного клапана на давление Р_Х нагружающее устройство гидротестера устанавливают на давление больше Р_Х. После настройки клапана нагружающее устройство гидротестера устанавливают на давление меньше Р_Х при этом подача насоса измеряется расходомером гидротестера.

Одной из последних моделей гидротестеров является гидротестер универсальный ГТП-6, предназначенный для диагностирования гидропривода СДМ при давлении до 40 МПа и расходе 20 – 250 л/мин. Кроме больших расходов, гидротестер позволяет измерять утечки рабочей жидкости в диапазоне 0,1 – 20 л/мин. Измерительный блок выполнен на базе микропроцессора, который контролирует также температуру рабочей жидкости и частоту вращения коленчатого вала двигателя. Гидротестер может подключаться к гидроприводу согласно схемам на рис. 7.5. Для сокращения времени подключения в комплект гидротестера входит устройство полнопоточного отбора рабочей жидкости, представляющее трехходовой кран, устанавливаемый на выходе насоса между рукавом высокого давления и металлическим трубопроводом. Применение подсоединительного устройства позволяет без переключения гидротестера реализовывать байпасную или Т-схемы.

Для реализации акустического метода диагностирования разработан измерительультразвуковых колебаний ИКУ-1, предназначенный для безразборного контроля внутренних утечек через неплотности в распределительных и запорных элементах гидроприводов, а также поиска неисправностей в дизельной топливной аппаратуре. Прибор состоит из датчика ультразвуковых колебаний, приставляемого к гидроагрегатам, и измерительного блока, снабженного стрелочным индикатором. После предварительной тарировки по уровню ультразвуковых колебаний можно определять утечки в гидрораспределителях, клапанах и т.д.