Юрий васильевич ускоренные испытания гидромашин
На правах рукописи
УДК 621.22 Сергеев Юрий Васильевич УСКОРЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ ГИДРОМАШИН Специальность 05.02.02 – машиноведение, системы приводов и детали машин
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Владимир 2011
Работа выполнена на кафедре гидропневмоавтоматики и гидропривода ФГБОУ ВПО «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А.Дегтярева»
Научный консультант: доктор технических наук, профессор, заслуженный изобретатель РСФСР, Лауреат Государственной премии СССР Кутузов Владимир Кузьмич
Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор заслуженный машиностроитель РФ Гоц Александр Николаевич кандидат технических наук Родионов Роман Вячеславович
Ведущая организация: ОАО «Завод имени В.А. Дегтярева», г. Ковров
Защита состоится « _ » 2011 г. в _ часов _ мин. на засе дании диссертационного совета Д 212.025.05 при ФГБОУ ВПО «Владимирский государственный университет имени Александра Григорьевича и Николая Гри горьевича Столетовых» (ВлГУ) по адресу: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87, ауд. 335.
С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке ВлГУ. Авто реферат размещен на сайтах Министерства образования и науки РФ (www.vak.ed.gov.ru) и ВлГУ (www.vlsu.ru).
Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печа тью, просим направлять ученому секретарю диссертационного совета по адре су: 600000, г. Владимир, ул. Горького, 87;
E-mail: [email protected];
тел.
8(4922)479-928, факс. (4922)53-25-
Автореферат разослан « _ » 2011 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Д 212.025. канд. техн. наук, доцент Е.А. Новикова Общие по автореферату сокращения АПГМ – аксиально-поршневая гидромашина;
НБ – наклонный блок цилиндров;
АПН – аксиально-поршневой насос;
ПФЭ – полный факторный экс МПА – метод поверхностной активации;
перимент.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Гидроприводы и агрегаты на их основе широко распространены в различных отраслях промышленности. Гидромашины явля ются основными элементами гидроприводов и определяют их надежность. В жизненном цикле гидромашин и гидроприводов испытаниям отводится особая роль. Подавляющая часть временных затрат при проектировании, отработке и доводке изделий приходится на проведение испытаний. Поиск путей сокраще ния испытаний имеет важное научное и практическое значение. Ускорение ис пытаний – резерв снижения себестоимости продукции. Внедрение ускоренных испытаний позволяет сократить период создания и доводки новых гидромашин и гидроприводов. Обоснованное назначение условий проведения ускоренных испытаний является сложной задачей, поскольку эксплуатация современных гидроприводов и агрегатов характеризуется большим разнообразием условий применения, широким диапазоном рабочих режимов, оказывающих существен ное влияние на их надежность и ресурс.
В связи с этим разработка научно-обоснованной методики, позволяющей определять продолжительность ускоренных испытаний гидромашин, является актуальной задачей.
Цель исследования – разработка научно-обоснованной методики опреде ления продолжительности испытаний в зависимости от параметров режима и характера нагружения гидромашин, разработка способа ускоренных испытаний АПГМ и средств для его реализации с целью сокращения продолжительности ресурсных испытаний АПГМ.
Поставленная цель достигалась решением следующих задач:
– проведением анализа существующих методов ускорения испытаний, спо собов их реализации в приложении к АПГМ и способов диагностирования тех нического состояния гидромашин в процессе испытаний;
– выбором критерия окончания ускоренных ресурсных испытаний АПГМ и наиболее значимых параметров режимов нагружения гидромашин;
– разработкой уточненной зависимости долговечности распределительного узла АПГМ;
– разработкой математической модели износа в паре трения «блок цилинд ров – распределитель»;
– разработкой методики определения коэффициента ускоренных ресурсных испытаний АПГМ;
– апробацией данной методики для конкретной гидромашины и проведени ем сравнительных ускоренных ресурсных испытаний;
– разработкой способа ускоренных испытаний АПГМ.
Методы исследования. В работе использовались основные положения теории роторных АПГМ, теории трения и изнашивания, методы математиче ского моделирования, математические методы планирования многофакторного эксперимента, методы статистической обработки и анализа результатов теоре тических и экспериментальных исследований.
Научная новизна работы заключается в следующем:
– предложена модифицированная формула для определения долговечности пары трения «блок цилиндров – распределитель» АПГМ, позволяющая учиты вать переменный характер нагружения гидромашин;
– разработана математическая модель, позволяющая определять величину износа в паре трения «блок цилиндров – распределитель» АПГМ в зависимости от параметров нагружения и продолжительности работы гидромашины;
– разработана методика ускоренных испытаний АПГМ, позволяющая опре делять продолжительность таких испытаний в зависимости от параметров ре жима и характера нагружения гидромашин.
Практическая ценность работы заключается – в разработке научно-обоснованной методики определения продолжитель ности ускоренных ресурсных испытаний АПГМ, эффективность которой апро бирована на конкретных гидромашинах;
– в разработке способа ускоренных испытаний АПГМ и объемных гидро передач при периодическом нагружении;
– в разработке конструкции испытательного стенда с комплектом специ ального измерительного оборудования для контроля износа торца блока цилин дров насоса с помощью МПА, благодаря которому реализована методика про верки сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследова ний зависимости износа в паре «блок цилиндров – распределитель» АПГМ от параметров нагружения методом ПФЭ.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты работы ис пользовались при подготовке программы и методики ускоренных ресурсных ис пытаний АПН с рабочим объемом 15 см3/об АЮИЖ.063234.020 на предприятии ОАО «ВНИИ «Сигнал», г. Ковров и позволили сократить примерно в 5 раз время на проведение данных испытаний. Рекомендации по применению методов уско ренных испытаний АПГМ внедрены в виде «Методики определения времени ис пытаний гидромашин и гидропередач при периодическом нагружении».
Результаты работы внедрены в учебный процесс ФГБОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева» в курсы дисциплин «Основы инженерного и научного экс перимента» и «Автоматизация испытаний ГМ», а также используются в учебно исследовательских работах, курсовом и дипломном проектировании студентов, обучающихся по специальности 150802 «Гидравлические машины, гидропри воды и гидропневмоавтоматика».
Апробация работы. Основные положения и результаты работы доклады вались и обсуждались – на международной научно-технической конференции «Гидропневмоав томатика и гидропривод», Ковров, КТИ, 1995 г.;
международной научно технической конференции «Гидромашиностроение Настоящее и будущее», Мо сква, МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004 г.;
международной молодежной научной конференции «XVI Туполевские чтения», Казань, КГТУ, 2008 г.;
всероссийской научно-технической конференции «Исследование, проектирование, испытание и эксплуатация приборных устройств военной техники», Владимир, ВлГУ, 2008 г.;
научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых с ме ждународным участием «Вооружение Технология Безопасность Управление», Ковров, «КГТА им. В.А.Дегтярева», 2009, 2010 гг.;
– на ежегодных конференциях профессорско-преподавательского состава Ковровского технологического института (Ковровской государственной техно логической академии): Научно-техническая и научно-методическая конферен ция КТИ «Научные и методические исследования института – техническому и культурному прогрессу», Ковров, КТИ, 1993, 1995 гг.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
– модифицированная формула для определения долговечности пары трения «блок цилиндров – распределитель» АПГМ;
– математическая модель износа пары трения «блок цилиндров – распреде литель» АПГМ;
– методика определения продолжительности ускоренных испытаний АПГМ от параметров режима и характера нагружения гидромашин;
– способ ускоренных испытаний гидропередач и их элементов, его теоре тическое обоснование;
– проверка сходимости результатов теоретических и экспериментальных исследований ускоренных ресурсных испытаний АПГМ.
Публикации. По материалам диссертационных исследований опублико ваны 12 печатных работ, в том числе: 8 – научно-технических статей, 3 из кото рых в журналах, входящих в перечень рецензируемых изданий, рекомендован ных ВАК;
1 – авторское свидетельство на изобретение.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введе ния, четырех глав, заключения, содержащего общие выводы, списка литерату ры из 133 наименований, 6 приложений. Работа изложена на 168 страницах машинописного текста, содержит 13 рисунков, 22 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении кратко охарактеризовано состояние проблемы и обоснована ее актуальность, сформулировано основное направление исследований и задачи диссертационной работы.
В первой главе приводится обзор видов испытаний гидроприводов и их элементов, обзорный анализ методов ускорения испытаний и способов их реа лизации, способов контроля окончания ресурсных испытаний, методов диагно стики технического состояния гидроприводов и их элементов.
Вопросам разработки, выбора и назначения методов ускоренных испыта ний изделий машиностроения уделяли внимание Браун Э.Д., Евдокимов Ю.А., Чичинадзе А.В., Морсин В.М., Самойлов Г.Г., Додин Л.Г., Нейман В.К., Мики порис Ю.А., Никитин О.Ф., Яковлев В.В., Карташов Г.Д., Горбатюк Н.В., Гиш варов А.С., Гоц А.Н. и др.
Учитывая особенности использования АПГМ в составе гидрообъемных передач, наиболее приемлемым методом ускорения испытаний является метод форсирования рабочих параметров (давления нагнетания, скорости вращения, частоты изменения давления и т.п.).
Анализируя работы Воронова С.А., Ершова Б.И., Кондакова Л.А., Косору ковой О.В., Микипориса Ю.А., Никитина Г.А., Пасынкова Р.М., Сакова В.А. и др., а также опыт работы предприятий ОАО «КЭМЗ» и ОАО «ВНИИ «Сигнал», следует отметить, что по результатам рассмотрения эксплуатационных отказов насосов 33% отказов пришлось только на две детали: блок цилиндров и распре делитель. Результаты сравнительного количественного анализа потерь мощно сти в АПГМНБ показали, что 5560 % объемных и 25 % механических потерь приходится на распределительный узел.
Для диагностирования технического состояния выбран метод диагности рования по изменению объемного КПД. В качестве индикатора, определяющего объемные и механические потери гидромашины в процессе выработки ресурса, а следовательно, техническое состояние качающего узла и гидромашины в це лом, выбрана величина износа элементов распределительного узла. Для непре рывного контроля износа деталей распределительного устройства гидромашин выбран весьма перспективный метод неразрушающего контроля – МПА.
Для сокращения объемов экспериментальных работ наиболее рациональ ным является применение математических методов планирования эксперимента.
Во второй главе представлен расчет зависимости долговечности пары трения «блок цилиндров – распределитель» от нагрузки, частоты вращения, геометрических параметров деталей, параметров шероховатостей контакти рующих поверхностей, механических свойств материалов деталей с учетом стационарного и переменного характера нагружения. Проведен статистический анализ результатов нормальных испытаний АПГМ второй гаммы № 1,5-II. В формулу определения долговечности пары трения «блок цилиндров – распре делитель» введена поправка, учитывающая переменный характер нагружения.
Представлено выражение для описания зависимости величины износа в данном сопряжении от времени работы узла. Проведен выбор наиболее значимых па раметров режимов нагружения гидромашин, влияющих на износ и, следова тельно, на долговечность работы данной пары трения.
Для расчета характеристик изнашивания в паре трения скольжения «блок цилиндров – распределитель», используется общепринятая физическая модель торцевого распределительного устройства АПГМ, описанная в работах Т.М. Башты, В.Н. Прокофьева, А.В. Кулагина и др.
Был проведен расчет нормальной статической нагрузки P (в Н) в паре тре ния «блок цилиндров – распределитель» при различных значениях давления p (в МПа) и получена аппроксимирующая зависимость:
P 62,42 15,19 p. (1) Для обеспечения соответствия ускоренных и нормальных испытаний были проанализированы результаты нормальных ресурсных испытаний АПГМ № 1,5-II за восемь лет на предприятии ОАО «КЭМЗ», г. Ковров. Анализ пока зал обоснованность выбора величины износа торца блока цилиндров насоса в качестве индикатора работоспособного состояния АПН и привода в целом. В результате анализа был получен доверительный интервал для величины износа торца блока цилиндров насоса 15,0 мкм h 17,1 мкм, при попадании в кото рый, с вероятностью 95%, принимается решение, что насос достиг состояния, соответствующего состоянию наработки 1000 часов. Это соответствует пре дельному значению гарантийной наработки на отказ по ТУ, который назначен исходя из 98% гамма-процентного ресурса, то есть – времени прекращения ре сурсных испытаний.
Торцевое распределительное устройство является одним из основных уз лов, определяющих работоспособность и долговечность АПГМ. Распредели тельная пара «блок цилиндров – торцевой распределитель» по характеру рабо ты довольно близка к упорным (осевым) подшипникам скольжения.
Расчетная схема осевого подшипника скольжения представлена на рис. 1.
Осевой подшипник скольжения состоит из плоской кольцевой пяты 1 (блока цилиндров), опирающейся на подпятник 2 (распределитель).
Пята вращается с угловой скоростью и на гружена осевой силой P.
Учитывая особенность изнашивания дета лей пары трения «блок цилиндров – распреде литель», контактирование деталей происходит по кольцевой рабочей поверхности, для вычис ления долговечности L данного узла получили выражение:
h L, (2) J h rн бц rв бц kи Рис. 1. Расчетная схема осевого где h – допустимая величина износа, мкм;
подшипника скольжения 1 – кольцевая пята;
2 – подпятник J h – линейная интенсивность изнашивания ма териала более изнашиваемой детали (блока цилиндров), мкм/м;
r в бц и r н бц – внутренний и наружный радиусы блока цилиндров, м;
– угловая скорость подвижного элемента, в нашем случае – блока цилиндров, с-1;
k и – ко эффициент использования оборудования, учитывающий интенсивность изме нения нагрузки в процессе работы пары трения.
Для упругого контакта трущихся деталей машин, вызывающего многоцик ловое усталостное изнашивание контактирующих поверхностей согласно ис следованиям Крагельского И.В., Добычина М.Н., Комбалова В.С., Михина Н.М.
и др., линейная интенсивность изнашивания зависит от нормального давления в 1 t контакте, в степени больше единицы J h Ch qa y, где C h – коэффициент, чис ленно равный интенсивности изнашивания при единичном значении номиналь ного давления;
q a – номинальное давление в контакте;
– коэффициент, учи тывающий параметры микрогеометрии изнашиваемой поверхности = (2+1)-1;
t у – параметр кривой фрикционной усталости;
– параметр, характеризующий начальный участок опорной кривой профиля поверхности. В условиях вариа ции нагрузки, согласно исследованиям Крагельского И.В., интенсивность из нашивания можно выразить следующим образом:
t y q 1 t y 1 t y J h var J h Ch qa 1, (3) 2 1 qa где J h – среднее значение линейной интенсивности изнашивания при среднем номинальном давлении;
– поправочный коэффициент, учитывающий влияние колебательности нагрузки;
qa – среднее номинальное давление в контакте;
q – среднее квадратическое отклонение номинального давления.
Подставляя выражение (3) в формулу (2), получаем модифицированную формулу для определения долговечности пары трения «блок цилиндров – рас пределитель» с поправкой, учитывающей переменный характер нагружения:
h L.
1 t y q rн бц rв бц kи (4) 1 t C h qa y 1 t y qa Интенсивность изнашивания при колебаниях нагрузки около среднего значе ния всегда будет больше при сравнении с нагрузкой поддерживаемой на среднем уровне. Значение поправочного коэффициента тем больше, чем выше коэффи циент вариации нагрузки q qa. Следовательно, учет нестационарности нагрузок при усталостном износе приводит к значительным количественным поправкам.
Для определения характеристик изнашивания пары трения «блок цилинд ров – распределитель» можно использовать зависимости, применяемые для расчетов осевого подшипника скольжения. Используем методику расчета изно са осевого подшипника скольжения, представленную Добычиным М.Н., Чичи надзе А.В. и др. Поскольку участки рабочих поверхностей пяты и подпятника, расположенные на разных расстояниях от оси вращения, изнашиваются с раз ной скоростью (у них разные пути трения), условие неразрывности контакта в процессе эксплуатации может быть выполнено лишь с учетом конечной жест кости контакта. Тогда износ в паре «блок цилиндров – распределитель» h за время t определяется по формуле:
t t* V Vh 1 exp * Vh t, h t (5) h t – начальная скорость изнашивания, в момент времени t 0 ;
Vh – ко где Vh нечная скорость изнашивания, при t ;
t* – характерное время;
– параметр, зависящий от величины относительного размера сопряжения.
Таким образом, зная допустимую величину износа h, можно определить время достижения критического состояния для данной пары трения, то есть время выработки ресурса.
В работе был проведен анализ влияния различных параметров внешних воздействий на процесс изнашивания применительно к паре трения «блок ци линдров – распределитель» АПГМ. В результате проведенного анализа, в каче стве значимых параметров режимов нагружения, влияющих на долговечность пары «блок цилиндров – распределитель», при проведении испытаний АПГМ были выбраны давление нагнетания – p, угловая скорость вала гидромашины – и коэффициент использования оборудования – k и, учитывающий интенсив ность изменения нагрузки в процессе работы пары трения. При статическом ха рактере нагружения учитывается частота реверса приложения нагрузки за цикл.
При переменном нагружении коэффициент использования оборудования k и учитывает относительную частоту изменения нагрузки в единицу времени. Для АПГМ с наклонным блоком цилиндров и двойным несиловым карданом в каче стве коэффициента использования оборудования принимаем частоту перебро ски люльки насоса отнесенную к одному переключению в секунду.
В третьей главе приведено аналитическое выражение связи коэффициента ускоренных ресурсных испытаний АПГМ и режимов нагружения при статиче ском и динамическом характере нагружения. Представлена методика определе ния продолжительности ускоренных испытаний АПГМ и ее апробация для гид ромашин №1,5-II. Предложен способ ускоренных испытаний АПГМ и объем ных гидропередач при периодическом нагружении. Приведены методические особенности применения МПА для определения износа деталей гидромашин.
Представлена методика экспериментальных исследований методом ПФЭ влия ния режимов нагружения АПГМ на техническое состояние гидромашин.
Эффективность ускоренных ресурсных испытаний характеризуется коэф фициентом ускорения КУ, равным отношению времени наработки при нор мальных режимах н к длительности работы при ускоренных испытаниях у, защищающих тот же ресурс КУ = н у.
Заменяя в формуле КУ время наработки на долговечность L, получили:
J h ф rн бц rв бц ф kи ф hн L L KУ н н ф, (6) Lу Lф J h н rн бц rв бц н kи н hф н здесь все составляющие с индексом «н» относятся к нормальным режимам ис пытаний, а с индексом «ф» – к форсированным.
Сравнивая параметры форсированных и нормальных испытаний, входящие в формулу, и проводя соответствующие преобразования, получили формулу для определения коэффициента ускорения форсированных испытаний АПГМ при статическом нагружении:
1 t у ф kи ф pф KУ, (7) н kи н pн где p ф и p н – давление нагнетания соответственно при форсированных и нор мальных испытаниях;
ф и н – угловая скорость вала гидромашины при фор сированных и нормальных испытаниях;
k и ф и k и н – коэффициент использова ния оборудования при форсированных и нормальных испытаниях. При стати ческом нагружении учитывается частота реверса нагрузки за цикл.
Для случая, когда нагрузка имеет переменный характер, формула для оп ределения коэффициента ускорения форсированных испытаний примет вид:
1 t y pф 1 t y p k 1 t у ф pф ф иф, KУ (8) н kи н 1 t y pн p 1 t y н pн где pф и pн – средние значения давления нагнетания при форсированных и нормальных испытаниях;
pф и pн – среднеквадратические отклонения дав ления нагнетания при форсированных и нормальных испытаниях соответствен но. При переменном нагружении коэффициенты использования оборудования k и ф и k и н учитывают частоту изменения нагрузки в единицу времени.
Используя формулы (7) и (8), получили выражения для определения про должительности ускоренных ресурсных испытаний АПГМ. Для случая стати ческого нагружения 1 t у p н н kи н у н н (9), p ф kи ф KУ ф а для случая, когда нагрузка имеет переменный характер, – 1 t y pн 1 t y 1 t у k pн pн н н ин.
у н (10) p ф kи ф 1 t y pф KУ ф 1 t y p ф Опираясь на проведенные расчетные и экспериментальные исследования, была разработана методика определения продолжительности ускоренных ис пытаний для АПГМ второй гаммы, включающая следующие шаги:
1) на основании анализа конструкторско-технологической документации оп ределяют характеристики механических свойств материалов пары трения «блок цилиндров – распределитель» и шероховатость изнашивающей поверхности. По справочникам определяют значения параметра кривой фрикционной усталости t y и параметра начального участка опорной кривой поверхности. Далее опре деляют величину показателя степени в формуле (7), если и нормальные, и фор сированные испытания проводятся при одинаковом характере нагружения. Если характер нагружения нормальных и форсированных испытаний различается, то для определения коэффициента ускорения применяют формулу (8);
2) анализируют нормальные режимы испытаний гидромашин и, пропорцио нально циклограмме нагружения, определяют эквивалентные значения пара метров нагружения при нормальных испытаниях, давления нагнетания – p н экв, угловой скорости выходного звена – н экв и относительной частоты перебро ски люльки насоса – k и н экв;
3) исходя из максимально-допустимых значений параметров рабочего ре жима, определяемых техническими условиями на исследуемые гидромашины, а также с учетом возможностей стендового оборудования, назначают форсиро ванные режимы нагружения;
4) по формулам (9) или (10), в зависимости от характера нагружения нор мальных и форсированных испытаний, определяют продолжительность уско ренных испытаний. Назначают продолжительность испытаний, округляя рас четное время до полного количества циклов в большую сторону.
С целью апробации зависимостей (9) и (10) по представленной методике был проведен расчет продолжительности ускоренных испытаний для АПГМ № 1,5-II с последующей экспериментальной проверкой путем проведения срав нительных ускоренных испытаний этих гидромашин в составе объемного гид ропривода.
Исходными данными для оценки коэффициента ускорения испытаний яв ляются материалы пары трения, шероховатость поверхностей и вид технологи ческой обработки, нормальное номинальное давление на контакте, внешние ус ловия трения, температура, смазка. Из справочной литературы были найдены t y = 6,5, = 1,4.
Проанализировав режимы нагружения нормальных ресурсных испытаний рассматриваемых гидромашин, получили эквивалентные значения параметров нагружения pн экв 8,58 МПа, н экв 125,14 рад с и kи н экв 0,188.
Исходя из максимально-допустимых значений параметров гидромашин, с учетом возможностей стендового оборудования, были назначены форсирован ные режимы нагружения pф 12 МПа, ф 312,06 рад с и kи ф 0,25.
Подстановкой полученных значений в формулу (9) определяем расчетную продолжительность ускоренных испытаний у 121,5 час. Окончательно про должительность ускоренных испытаний назначаем путем округления расчетно го времени до полного количества циклов в большую сторону. Принимаем про должительность ускоренных испытаний у = 128 час (16 циклов по 8 часов).
Фактическое значение коэффициента ускорения испытаний в итоге будет КУ = н у = 1000 / 128 7,81.
Основываясь на анализе работоспособности АПГМ автором диссертации в соавторстве с группой специалистов был предложен способ ускоренных испы таний гидропередач и их элементов, защищенный авторским свидетельством на изобретение (а.с. № 1705615 СССР). При разработке способа ускоренных испы таний гидропередач и их элементов были использованы такие принципы уско рения испытаний, как усечение спектра нагрузок и повышение скорости при ложения нагрузок. Суть способа заключается в том, что с помощью переключе ния органа регулирования насоса элементы гидропередачи нагружают перио дически изменяющимся давлением рабочей жидкости. В этом случае происхо дит более интенсивный износ и ускоренная приработка контактирующих эле ментов гидромашин при учащении циклов «разгон – торможение», при этом обеспечивается эквивалентность конечного технического состояния изделия при ускоренных испытаниях и в нормальной эксплуатации.
Для осуществления непрерывного контроля за процессом изнашивания де талей пары трения «блок цилиндров – распределитель» был применен МПА.
Для подготовки и проведения экспериментальных исследований, с целью сокращения их объемов, была проработана методика исследования влияния ре жимов нагружения АПГМ на их техническое состояние методом ПФЭ. В про цессе эксперимента, в качестве главных факторов, влияющих на техническое состояние АПГМ, выделяются наиболее значимые параметры рабочего режима.
Постоянство условий испытаний исключает влияние неучтенных факторов на результаты исследования.
В результате экспериментальной реализации матрицы планирования и вы числения выходных величин находят коэффициенты уравнения регрессии. Да лее проводят статистический анализ полученных результатов эксперимента.
Представленная методика проведения исследований методом ПФЭ была ис пользована при экспериментальном определении влияния режимов нагружения АПГМ на износ пары «блок цилиндров – распределитель» и на величину коэф фициента ускорения ресурсных испытаний.
В четвертой главе приводятся описание объекта исследований, схемы и описания испытательной установки, выбор регистрирующей аппаратуры, ре зультаты проведенных экспериментов, анализ экспериментальных данных, а также сравнение результатов ускоренных и нормальных испытаний АПГМ вто рой гаммы.
Объектом исследований являются АПГМ с наклонным блоком цилиндров и двойным несиловым карданом, насосы переменной производительности типа № 1,5-IIД и гидромоторы постоянного рабочего объема № 1,5-IIМ. Эти гидро машины входят в состав силового следящего гидропривода Д-219-50.
Испытания проводились на стенде, собранном на базе штатного гидропри вода Д-219-50, доукомплектованного необходимой контрольно-измерительной аппаратурой. В качестве нагрузки гидромотора использовались съемные инер ционные диски, устанавливаемые на выходном валу и позволяющие создавать в силовых магистралях различные уровни давлений от 0 до 16 МПа.
Вся контролирующая аппаратура испытательного стенда формировала электрические (аналоговые) выходные сигналы, которые с помощью аналого цифрового преобразователя «L-154» передавались в персональный компьютер для обработки и хранения.
МПА для контроля износа торца блока цилиндров насоса осуществлялся посредством комплекта, содержащего радиометр RTF20046, сцинтилляцион ный измерительный зонд RET27001 и соединительные кабели.
В данной работе решалась задача исследования влияния режимов нагру жения АПГМ на износ торца блока цилиндров гидромашины.
Для удобства статистической обработки при проведении эксперименталь ных исследований формула для определения износа пары трения «блок цилин дров – распределитель» (5) была представлена в виде:
h t A 1 exp B t C t, (11) где коэффициенты A, B и C зависят от параметров режима нагружения.
Исследования проводились методом ПФЭ. Исследовалось влияние трех факторов: давления нагнетания – p;
угловой скорости вала нагрузки – ;
отно сительной частоты переключения люльки насоса – k и, каждый из которых варь ировался на двух уровнях. Следовательно, число опытов было N = 23 = 8.
Исследование объекта велось в окрестностях точки базового режима. За базовый был принят режим с номинальными значениями параметров нагруже ния: p* 10 МПа ;
* 209,3 рад / с ;
ku 0,20. За верхние и нижние уровни па * раметров были приняты соответственно: pВ 12 МПа ;
В 301, 4 рад / с ;
ku В 0,25 ;
pН 8 МПа ;
Н 117,2 рад / с ;
ku Н 0,15.
В качестве теоретического уравнения регрессии было выбрано выражение, учитывающее не только влияние факторов по отдельности, но и их сочетания, которые рассматриваются как независимые и равноценные наряду с другими. В данном исследовании выходными параметрами являются величины коэффици ентов A, B и C в выражении (11) зависимости износа пары трения «блок ци линдров – распределитель» от времени.
В результате математическая модель зависимости износа элементов торце вого распределителя гидромашины от параметров рабочего режима p,, k и и времени работы t приняла вид:
h t A 1 exp B t C t ;
A 10,301;
B 1,33 102 p 2,56 104 2,65 101 ku 6,43 105 p 10 209, (12) 6,68 102 p 10 ku 0,2 1,27 103 209,3 ku 0,2 1,87 10 1;
C 4,18 103 p 8,01 105 8,35 102 ku 2,0 105 p 10 209, 2, 09 102 p 10 ku 0,2 4,01 104 209,3 ku 0,2 5,89 10 2, где h – величина износа, мкм;
p – давление нагнетания, МПа;
– угловая ско рость вала нагрузки, рад/с;
k и – относительная частота переключения органа управления (люльки) насоса;
t – время работы на данном режиме, час.
Адекватность представления результатов эксперимента полученным урав нением регрессии (12) установили с помощью критерия Фишера. Статистиче ская проверка проводилась при 5% уровне значимости.
Графики зависимостей износа от времени испытаний при различных ре жимах нагружения приведены на рис. 2.
Рис. 2. Графики зависимостей износа торца блока цилиндров АПГМ от времени испытаний, при различных режимах нагружения:
1 – p 8 МПа, 117, 2 рад / с, kи 0,15 ;
2 – p 10 МПа, 209,3 рад / с, kи 0, 2 ;
3 – p 12 МПа, 301, 4 рад / с, kи 0, 25 ;
4 – область (доверительный интервал) для ве личины износа торца блока цилиндров насоса, соответствующего состоянию наработки часов при нормальных испытаниях На основе вышеописанного экспериментального материала был проведен анализ влияния параметров режимов нагружения АПГМ на величину коэффи циента ускорения ресурсных испытаний.
Решалась задача определения зависимости коэффициента ускорения испы таний от давления нагнетания, угловой скорости вращения вала гидромашины и относительной частоты переключения люльки насоса. Анализировалась зави симость, представленная выражением (7). Анализ проводился методом ПФЭ.
Данное уравнение было представлено в обобщенном виде:
M p k K L KУ kпопр ф ф и ф, (13) pн н kи н где kпопр – поправочный коэффициент;
K, L, M – показатели степени у соот ветствующих отношений факторов режима нагружения.
Исследуемая зависимость представляет собой степенное выражение трех независимых факторов, имеющее явно нелинейный характер. Для линеаризации выражения (13) его прологарифмировали, и получили k p lg KУ lg kпопр K lg ф L lg ф M lg и ф. (14) kи н н pн Были введены следующие обозначения переменных:
k p lg KУ u;
lg ф x1;
lg ф x2 ;
lg и ф x3 ;
kи н н pн lg kпопр a0 ;
K a1;
L a2 ;
M a и записано линейное уравнение:
u a0 a1 x1 a2 x2 a3 x3.
В качестве плана эксперимента был выбран ПФЭ 23. Значения базового уровня факторов были скорректированы: p* 9,8 МПа ;
* 187,95 рад / с ;
ku 0,19365, а значения верхнего и нижнего уровней параметров остались не * изменными.
В данном исследовании выходным параметром является величина, равная логарифму от коэффициента ускорения испытаний u lg KУ, где KУ определя ется как отношение времени окончания испытаний в базовом режиме t * ко времени окончания испытаний на исследуемом режиме ti, то есть KУ i t * ti.
Согласно расчетам, проведенным во второй главе данной работы, время окон чания испытаний определяется по попаданию величины износа торца блока ци линдров в доверительный интервал 15,0 мкм h 17,1 мкм, соответствующий состоянию наработки насоса 1000 часов в нормальном режиме.
В результате получили зависимость коэффициента ускорения испытаний от параметров нагружения в следующем виде:
0, kи ф ф 2,707 0, p KУ ф kи н (15).
н pн Адекватность представления результатов эксперимента полученным урав нением регрессии (15) установили с помощью критерия Фишера. Статистиче ская проверка проводилась при 5% уровне значимости.
Для установления соответствия ускоренных и нормальных испытаний бы ло проведено сопоставление результатов этих испытаний. По результатам рас четов, проведенных в третьей главе, были назначены форсированные режимы нагружения и определена продолжительность ускоренных испытаний.
Были проведены ускоренные испытания АПГМ с наклонным блоком ци линдров с двойным несиловым карданом № 1,5-II в составе объемного гидро привода продолжительностью 128 часов.
В процессе испытаний контролировали температурный режим, чистоту ра бочей жидкости и периодически проверяли соответствие характеристик гидро машин требованиям технических условий. С помощью МПА контролировали износ торца блока цилиндров насоса. Величина износа, измеренная с помощью МПА после 128 часов ускоренных испытаний, составила 16,34 мкм. По оконча нии испытаний была проведена проверка характеристик гидромашин на соот ветствие требованиям ТУ, а затем разборка гидромашин и обмер элементов хо довых частей. Величина износа торца блока цилиндров составила 16,9 мкм.
Расхождение по величине износа торца блока цилиндров АПН № 1,5-II изме ренного с помощью МПА и методом микрометрирования, составило, примерно, 3,5%. Характер и параметры износа рабочих поверхностей деталей гидромашин соответствовали данным, получаемым при нормальных испытаниях. Результа ты испытаний подтвердили эквивалентность режимов нормальных и ускорен ных испытаний АПГМ с наклонным блоком цилиндров с двойным несиловым карданом второй гаммы, что позволило рекомендовать к использованию разра ботанную методику определения продолжительности ускоренных испытаний.
В приложениях содержатся результаты нормальных испытаний АПГМ вто рой гаммы № 1,5-II за восемь лет эксплуатации, исходные тексты программ для расчетов коэффициентов уравнений регрессии и статистического анализа получен ных результатов экспериментальных исследований методом ПФЭ, реализованных в программе «Mathcad», графики зависимости износа торца блока цилиндров от вре мени при различных параметрах нагружения, акты внедрения результатов работы.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 1. При проведении ускоренных форсированных испытаний АПГМ в каче стве индикатора, характеризующего процесс выработки ресурса АПГМ, выбра на величина износа элементов торцевого распределительного устройства. Ди агностирование технического состояния по величине износа предпочтительно проводить с помощью МПА.
2. Выбраны и обоснованы наиболее значимые параметры режимов нагру жения АПГМ – это давление нагнетания, угловая скорость вращения вала гид ромашины и частота переброски люльки насоса, оказывающие существенное влияние на износ и долговечность пары «блок цилиндров – распределитель».
3. Получена модифицированная формула для определения долговечности узла «блок цилиндров – распределитель» от параметров нагружения АПГМ, по зволяющая учитывать переменный характер нагружения гидромашины.
4. Разработана методика ускоренных испытаний АПГМ, учитывающая па раметры физико-механических характеристик материалов и микрогеметрию контактирующих поверхностей выделенных критичных элементов гидрома шин, позволяющая определять продолжительность таких испытаний.
5. Получено техническое решение для ускорения стендовых испытаний гидромашин и гидропередач, заключающееся в том, что с помощью переклю чения органа регулирования насоса элементы гидропередачи нагружают перио дически изменяющимся давлением рабочей жидкости.
6. Построена математическая модель, позволяющая определять величину износа в паре трения «блок цилиндров – распределитель» от выбранных значи мых параметров режимов нагружения гидромашины и времени работы узла, а также время окончания ресурсных испытаний. Адекватность модели подтвер ждена результатами практических испытаний, расхождение расчетных данных и опытных значений износа торца блока цилиндров не превышало 5%.
7. Получена уточненная зависимость коэффициента ускорения ресурсных испытаний АПН № 1,5-IIД от параметров режима нагружения.
8. Разработана конструкция испытательного стенда на базе объемного электрогидравлического привода II гаммы Д-219-50. В стенде применен ком плект специального измерительного оборудования для контроля износа торца блока цилиндров насоса с помощью МПА.
9. Выполнен расчет продолжительности ускоренных ресурсных испытаний для АПГМ № 1,5-II. Проведены сравнительные ускоренные испытания АПГМ № 1,5-II, коэффициент ускорения составил КУ 7,81. Результаты испытаний подтвердили эквивалентность режимов нормальных и ускоренных испытаний.
10. Результаты диссертационной работы внедрены на ОАО «ВНИИ «Сиг нал», г. Ковров, а также используются в учебном процессе ФГБОУ ВПО «КГТА им.В.А.Дегтярева» в курсах дисциплин «Основы инженерного и научного экс перимента» и «Автоматизация испытаний ГМ».
Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:
Статьи в научных изданиях, рекомендованных ВАК РФ 1. Сергеев, Ю.В. Исследование влияния режимов нагружения аксиально поршневых гидромашин на продолжительность их испытаний / Ю.В. Сергеев, С.А. Воронов, В.К. Кутузов // Сборка в машиностроении, приборостроении. – 2008. – № 6. – С. 38-41 (соискатель – 50%).
2. Воронов, С.А. Экспериментальные исследования поля температур тру щейся поверхности торцевого распределителя аксиально-поршневого гидромо тора / С.А. Воронов, Ю.В. Сергеев // Трение и смазка в машинах и механизмах.
– 2011. – № 5. – С. 37-42 (соискатель – 30%).
3. Сергеев, Ю.В. Методика расчета коэффициента ускорения испытаний гидромашин и ее апробация / Ю.В. Сергеев // Научно-технический вестник По волжья. – 2011. – №5 – С. 237-241.
Статьи и материалы научных конференций 4. Сергеев, Ю.В. Анализ методов ускорения испытаний гидропередач и раз работка методики определения коэффициента ускорения испытаний / Ю.В. Сергеев // Гидропневмоавтоматика и гидропривод – 2005. Сборник науч ных трудов. – Ковров: КГТА, 2006. – С. 206-211.
5. Сергеев, Ю.В. Разработка методики определения коэффициента ускоре ния испытаний гидромашин и ее экспериментальная проверка / Ю.В. Сергеев // Исследование, проектирование, испытание и эксплуатация приборных уст ройств военной техники: материалы Всероссийской научно-технической кон ференции. Владимир, 28-30 мая 2008 г. – М.: Российская академия ракетных и артиллерийских наук, 2008. – С. 141-144.
6. Сергеев, Ю.В. Методика определения коэффициента ускорения испыта ний и формирование режимов нагружения ускоренных испытаний насоса в со ставе гидропривода / Ю.В. Сергеев, С.Ю. Умеренкова // Вооружение Техноло гия Безопасность Управление: материалы IV межотраслевой конференции ас пирантов и молодых ученых. В 3 ч. Ч. 2. – Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А.
Дегтярева», 2009. – С. 52-60 (соискатель – 80%).
7. Сергеев, Ю.В. Метод полного факторного эксперимента в обработке ре зультатов испытаний на изнашивание деталей гидромашин / Ю.В. Сергеев // Вооружение Технология Безопасность Управление: материалы V научно технической конференции аспирантов и молодых ученых. В 6 ч. Ч. 1. – Ковров:
ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2010. – С. 246-257.
8. Сергеев, Ю.В. Исследование износа деталей гидромашин методом по верхностной активации / Ю.В. Сергеев // Гидропневмоавтоматика и гидропри вод – 2010: сб. науч. трудов. – Ковров: ГОУ ВПО «КГТА им. В.А. Дегтярева», 2010, – С. 45-52.
9. Сергеев, Ю.В. Методика ускоренных испытаний гидропередач и их эле ментов и ее экспериментальная проверка / Ю.В. Сергеев // Научные и методи ческие исследования института – техническому и культурному прогрессу: ма териалы XVI научно-технической и научно-методической конференции КТИ. – Ковров: КТИ, 1993. – С. 124-125.
10. Сергеев, Ю.В. Определение параметров режима ускоренных ресурсных испытаний гидромашин с помощью метода поверхностной активации / Ю.В. Сергеев // Гидромашиностроение. Настоящее и будущее: материалы Ме ждународной научно-технической конференции. – М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2004. – С. 60-61.
11. Сергеев, Ю.В. Ускоренные форсированные испытания гидравлических машин и агрегатов / Ю.В. Сергеев, В.К. Кутузов // XVI Туполевские чтения: ма териалы международной молодежной научной конференции. – Казань: КГТУ, 2008. – С. 221-222 (соискатель – 80%).
Авторское свидетельство СССР 12. А.с. № 1705615 СССР, МКИ3 F 15 В 19/00. Способ ускоренных испыта ний гидропередач и их элементов / П.Ю. Балашов, А.Н. Густомясов, В.Ю. Круглов, М.А. Маранцев, Ю.Б. Орлов. А.Ю. Рыбаков, Ю.В. Сергеев. – № 4711455/29;
заявл. 29.06.89;
опубл. 15.01.92, Бюл. № 2. – 2 с. (соискатель – 20%).
Личный вклад соискателя:
[1] – методика ускоренных испытаний гидромашин и рекомендации по формированию режимов испытаний АПГМ;
[2], [11] – выбор и обоснование наиболее значимых факторов при проведении ускоренных испытаний;
[3], [5], [6], [9] – методика определения коэффициента ускорения испытаний АПГМ, проведение испытаний;
[4] – анализ методов ускорения испытаний гидрома шин, определение коэффициента ускорения испытаний;
[7] – результаты экспе риментальных исследований износа в распределительной паре АПГМ методом ПФЭ;
[8], [10] – особенности применения МПА при исследовании износа дета лей гидромашин;
[12] – учет влияния периодического нагружения на ускорение испытаний гидромашин и гидропередач.
Изд. лиц. № 020354 от 05.06.97 г. Подписано в печать 24.10.2011 г.
Формат 60х84/16. Бумага писчая №1. Гарнитура «Таймс». Печать офсетная.
Усл.печ.л. 1,16. Уч.-изд.л. 1,21. Тираж 100 экз. Заказ № 856.
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ковровская государственная технологическая академия имени В.А.Дегтярева» 601910, Ковров, ул. Маяковского, 19.