Научный журнал
Фундаментальные исследования
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

ОЦЕНИВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН СТРЕЛОВОГО ТИПА ПО ИЗМЕНЕНИЮ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ

Козлов В.В. 1 Мокан Д.О. 1 Чирва С.В. 1 Аль-Вароуди У. 1
1 ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского»
В статье представлены результаты исследований по оцениванию работоспособности грузоподъемных машин на основе функционального мониторинга режимных параметров их функционирования. Для оценивания технического состояния объекта исследования предложен показатель работоспособности в виде функции времени и технических параметров машины, измерение которых традиционно подразумевает прекращение эксплуатации, разборку машины и дефектацию ее узлов и деталей. Целью исследования является поиск ресурсосберегающих технологий поддержания требуемого качества агрегатов и систем грузоподъемных машин стрелового типа. Методология исследования основана на имитационном моделировании процесса эксплуатации машины с последующим выявлением связи между ее внутренними техническими параметрами и внешними режимными параметрами функционирования. Выявление таких связей основано на дешифровке осциллограмм внешне доступных параметров с помощью вейвлет-анализа. Результаты работы показали, что для рассмотренной машины информативными внешними параметрами являются давление рабочей жидкости и угловая скорость подъема стрелы. Поэтому оценивание и прогнозирование работоспособности машины можно осуществлять в процессе ее эксплуатации. Таким образом, представлена система функционального мониторинга грузоподъемных машин, обеспечивающая снижение затрат на техническое обслуживание и позволяющая повысить коэффициент готовности.
оценивание
техническое состояние
работоспособность
грузоподъемная машина
Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика. – М.: Машиностроение, 1971. – 672 с.
Гранкин Б.К. Оценивание работоспособности гидравлических машин объемного действия стартовых космических комплексов / Б.К. Гранкин, В.В. Козлов, Д.О. Мокан, В.Е. Прохорович // Приложение к журналу «Мехатроника, автоматизация, управление» управление и информатика в авиакосмических системах. – М.: Новые технологии, 2007. – Вып. 11. – С. 2–12.
Гранкин Б.К. Оценивание работоспособности гидравлических приводов пусковых установок зенитно-ракетных комплексов / Б.К. Гранкин, В.В. Козлов, Д.О. Мокан, У. Аль-Вароуди // Актуальные проблемы защиты и безопасности. Военно-Морской Флот России: сборник трудов XVI Всероссийской научно-практической конференции РАРАН 3-6 апреля 2013. – СПб.: ФГБУ «РАРАН», 2013. – Т. 4. – С. 403–407.
Козлов В.В. Обоснование номенклатуры комплексных показателей качества функционирования системы эксплуатации механического оборудования / В.В. Козлов, И.О. Кукушкин, Д.О. Мокан; ВКА имени А.Ф. Можайского. – М., 2012. – 112 с. – Деп. в ЦСИФ МО РФ 01.06.2012, № В7400.
Козлов В.В., Гранкин Б.К., Сулаберидзе Д.В. Контроль технического состояния зубчатых передач уникальной техники // Вестник МГТУ ГА. – 2009. – Вып. 141. – C. 25–33.
Научная концепция эксплуатации стартовых комплексов космического назначения за пределами назначенных показателей ресурса и срока службы. – СПб.: ВИКА имени А.Ф. Можайского, 1998. – 124 c.
Петров Г.Д. Методологические аспекты обеспечения долговечности механического оборудования стартовых комплексов на основе функционального мониторинга. – СПб.: ВКА им. А.Ф. Можайского, 2005. – 201 с.

В настоящее время уровень технического состояния грузоподъемных механизмов формируется при их производстве или ремонте и поддерживается действиями эксплуатирующих организаций. При этом основное содержание ремонта определяется работами по замене систем и агрегатов, выработавших назначенный ресурс.

Как показывает практика, в ходе реализации ремонта заменяются многие элементы, технический ресурс которых не израсходован полностью, т.е. имеет место факт недоиспользования ресурса [7].

Анализ этих особенностей позволил разработать концепцию эксплуатации [6], при которой применена стратегия, осуществляющая переход от «советской» системы периодического восстановления к индивидуальному оцениванию текущего технического состояния с восстановлением по фактическому состоянию. При этом предполагается выполнение таких ремонтно-профилактических работ, которые обеспечивают работоспособность оборудования, а восстановленный технический ресурс агрегатов и систем соизмерим со сроками назначенных показателей ресурса после проведения капитального ремонта.

Цель исследования заключается в поиске ресурсосберегающих технологий поддержания требуемого качества агрегатов и систем грузоподъемных машин стрелового типа.

В соответствии с ГОСТ Р 27.002-2009 работоспособность понимается как состояние. В статье предлагается представить работоспособность как способность объекта выполнять возложенные на него функции при различных значениях его технических параметров. Такое свойство используется для описания смены технического состояния объекта. Для этого свойства введем показатель работоспособности Jo(t) (от англ. job – работа). Семантика этого свойства позволяет представить концептуальный вид показателя работоспособности как функцию:

kozlov01.wmf (1)

Выполненный авторами для этого показателя, морфологический анализ позволил выявить определяющие технические параметры в (1). Далее был проведен анализ размерности, основанный на π-теореме, который позволил представить выражение для этого показателя

kozlov02.wmf (2)

где πi – комбинации относительных значений, определяющие технические параметры pi, имеющие нулевую размерность; R – назначенный срок службы.

При определении неизвестной константы в соотношении (2) используется номинальное значение определяющих параметров [pi] и величина производственного допуска на i-ый параметр kozlov03.wmf При таком подходе, для времени начала эксплуатации t = t0 перепишем (2) в виде

kozlov04.wmf

откуда следует, что при известных допусках и посадках на производстве

kozlov05.wmf

или

kozlov06.wmf,

при t0 << R,

можно назначить начальное значение [J0] (некий аналог «качества изготовления») и тем самым определить необходимую константу. Тогда соотношение (2) примет вид

kozlov07.wmf

откуда следует, что при изменении в процессе эксплуатации проектных значений технических параметров

kozlov08.wmf

и

kozlov09.wmf

удается оценить значение показателя работоспособности машины в целом.

Разработка модели

Поиск внутренних, недоступных без разборки, технических параметров машины (pi, pj), деградирующих при эксплуатации, может быть заменен определением внешних параметров, доступных для методов неразрушающего контроля (qi, qj) [4]. Наиболее известными аналогами такого перехода являются результаты молекулярно-кинетической теории, где параметры движения молекул заменены внешними, такими как давление и температура. Используя математическую модель функционирования системы машин стрелового типа с гидравлическим приводом, удается выявить связь между изменением внутренних параметров машины и внешними параметрами функционирования. Такая математическая модель состоит из проектной (идеальной) модели, для которой все параметры соответствуют началу эксплуатации, а также математической модели, описывающей процессы деградации конструкционных материалов и рабочей жидкости грузоподъемной машины. Комплексная математическая модель функционирования грузоподъемной машины позволяет имитировать реальные процессы эксплуатации, а также является средством для определения номенклатуры и технических параметров необходимых приборов неразрушающего контроля, которым следует оснастить машину.

Разработанная математическая модель динамики подъема стрелы грузоподъемной машины представляет собой систему дифференциальных уравнений для расчета параметров углового движения стрелы. Она учитывает моменты, участвующие в процессе движения: весовой момент инерции поднимаемой системы J, момент, развиваемый домкратом M2(φ), момент от сил трения в штоке MT(φ), момент от трения в цапфах гидравлического домкрата MTP(φ), момент от колебаний жесткой платформы MC(φ), момент уравновешивания от тормозного гидравлического домкрата MM(φ), а также момент от грузовой нагрузки M1(φ)

kozlov10.wmf (3)

где φ– угол поворота стрелы; ω– угловая скорость движения стрелы; P(t) – давление рабочей жидкости в гидравлической системе привода подъема стрелы; Eg(Р(t),a) – модуль упругости рабочей жидкости; a – процентное содержание воздуха в рабочей жидкости; f – площадь поршня гидравлического домкрата; l0, l – начальное и текущее значения длин поршневой полости домкрата.

Первые два уравнения этой системы решались совместно с уравнением сжимаемости рабочей жидкости, изменение объема V, который в гидравлическом домкрате оценивается по соотношению [1]

kozlov11.wmf

здесь QT(t) – теоретический расход рабочей жидкости, создаваемый насосом; Qутечек(t) – объемный расход рабочей жидкости в уплотнениях домкрата.

Модель деградации технических параметров системы подъема стрелы охватывала процессы старения, коррозии, износа и остаточной деформации элементов машины. Математическая модель деградации представлена линейными зависимостями соответствующих параметров. Такое решение принято на основании проведенных исследований, где факторы деградации описываются экспоненциальными зависимостями (более подробно [2]), т.е. изменения технических параметров машины (pi) должны изменяться в незначительных, назначенных разработчиком диапазонах. В эту модель вошли следующие линейные соотношения.

Объемный коэффициент полезного действия насоса ηфакт = kη∙ηном; kη ∈ 1...0,95.

Эксцентриситет плунжерного гидравлического насоса eфакт = ke∙eном; ke ∈ 1...0,95.

Коэффициент трения в цапфах домкрата ktrфакт = kktr∙ktrном; kktr ∈ 1...1,2.

Радиус цапфы домкрата rpфакт = krp∙rpном; krp ∈ 1...1,1.

Напряжение в смятом уплотнении домкрата (σs)факт = kσ∙(σs)ном; kσ ∈ 1...0,95.

Толщина листовой стали металлоконструкции стрелы δфакт = kδ∙δном; ke ∈ 1...0,95.

Шероховатость зеркала цилиндра RAфакт = kRA∙RAном; kRA ∈ 1...1,1.

Геометрия механизма подъема стрелы (xi)факт = kh∙(xi)ном; ki ∈ 1...1,05; i = 1, 2, 3.

Модуль упругости металла стрелы Eфакт = kEM∙Eном; kEM ∈ 1...0,95.

Модуль упругости резины уплотнений домкрата Epфакт = kEP∙Epном; kEP ∈ 1...0,95.

Модуль упругости рабочей жидкости Egфакт = kg∙Egном; kg ∈ 1...0,95.

Динамическая вязкость рабочей жидкости μфакт = kμ∙μном; kμ ∈ 1...0,95.

Процентное содержание воздуха в рабочей жидкости αфакт = kα∙αном; kα ∈ 1...1,2.

При моделировании процессов функционирования использовались геометрические и режимные параметры, соответствующие реальному объекту исследования. Верификация математической модели выполнена путем сравнения реальных технических параметров, таких как время подъема стрелы и значение давления рабочей жидкости, с модельными, получаемыми в результате численных экспериментов.

Расчеты, выполненные на основе представленной выше математической модели функционирования грузоподъемной машины, показали, что характерные зависимости «внешних» параметров процесса подъема стрелы (угол подъема, угловая скорость и давление рабочей жидкости) имеют колебательный характер. Поскольку прямое оценивание изменения «внутренних» технических параметров системы подъема стрелы по осциллограммам давления рабочей жидкости и угловой скорости подъема не дали положительного результата, то для расшифровки осциллограмм использовались стандартные процедуры спектрального анализа (вейвлет-преобразования). Сущность такой дешифровки состояла в том, что на вейвлет-графиках искались линейные изменения в значениях коэффициентов вейвлет-преобразований, соответствующие линейным изменениям деградирующих технических параметров системы подъема стрелы.

В результате получены следующие линейные зависимости «внутренних» параметров системы подъема и их «внешних» проявлений в вейвлет-графиках осциллограмм давления рабочей жидкости, и угловой скорости подъема, с учетом изменения соответствующего вейвлет-коэффициента осциллограммы:

– изменение модуля упругости уплотнений домкрата;

– изменение трения в цапфах домкрата;

– изменение давление прижатия манжет домкрата;

– изменение толщины листового металла конструкции стрелы;

– изменение жесткости пружин в клапанах насоса;

– изменение эксцентриситета вала плунжерного насоса;

– изменения настройки предохранительного клапана;

– изменение концентрации воздуха в рабочей жидкости;

– изменение КПД насоса и времени подъема стрелы;

– изменение зазора в плунжерных парах насоса.

Выводы

Полученные результаты позволяют оценить фактическое техническое состояние системы подъема стрелы и дать прогнозные оценки динамики деградации системы. Такого рода оценивание основано на том, что между изменением значений физических параметров системы подъема стрелы и значений, соответствующих вейвлет-коэффициентов kozlov12.wmf имеется прямо пропорциональная связь. Для параметров, имеющих рост значений в процессе эксплуатации, она представляется в виде

kozlov13.wmf

Для параметров, имеющих снижение значений в процессе эксплуатации, такая зависимость имеет вид

kozlov14.wmf

что позволяет записать соотношения для внутренних технических параметров машины

kozlov15.wmf

и

kozlov16.wmf,

где kozlov17.wmf kozlov18.wmf – коэффициенты пропорциональности, полученные в результате численных экспериментов.

Таким образом, по результатам дешифровки осциллограмм давления и (или) угловой скорости подъема удается рассчитать численное значение показателя работоспособности

kozlov19.wmf

На основании численных расчетов, с варьированием степени деградации технических параметров, сформирован банк данных по ситуациям деградации внутренних технических параметров системы подъема стрелы и их внешних проявлений.

Дешифрованные осциллограммы информативных «внешних» параметров, полученных при имитационном моделировании и хранящиеся в ситуационном банке данных, позволяют сравнивать их с дешифрованными осциллограммами тех же параметров, измеренных на эксплуатируемом объекте. В результате такого сравнения удается установить значения «внутренних» параметров эксплуатируемой машины без разборки машины и сделать выводы о ее техническом состоянии. Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями, опубликованными в работах [2, 3, 5], в которых авторы исследовали подобные узлы и детали других машин и механизмов.

Рецензенты:

Аверкиев Н.Ф., д.т.н., профессор кафедры, ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» Министерства обороны РФ, г. Санкт-Петербург;

Садин Д.В., д.т.н., профессор кафедры, ФГКВОУ ВПО «Военно-космическая академия имени А.Ф. Можайского» Министерства обороны РФ, г. Санкт-Петербург.


Библиографическая ссылка

Козлов В.В., Мокан Д.О., Чирва С.В., Аль-Вароуди У. ОЦЕНИВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН СТРЕЛОВОГО ТИПА ПО ИЗМЕНЕНИЮ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ИХ ФУНКЦИОНИРОВАНИЯ // Фундаментальные исследования. – 2015. – № 6-1. – С. 25-29;
URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=38387 (дата обращения: 01.12.2021).

Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»
(Высокий импакт-фактор РИНЦ, тематика журналов охватывает все научные направления)

«Фундаментальные исследования» список ВАК ИФ РИНЦ = 1.074