Стендовые ресурсные испытания гидроприводов

(Надежность объемных гидроприводов и их элементов, стр.71)

Важной предпосылкой для решения задачи повышения надежности и долговечности вновь разрабатываемых и модернизи­руемых гидроприводов является широкое применение ресурс­ных испытаний на всех этапах их разработки и серийного производства. Нарушение этого непреложного требования приводит к снижению надежности и эффективности, к частым ремонтам, перерасходу запасных частей и материалов, повышению стои­мости эксплуатации гидроприводов и к преждевременному их списанию. В связи с совершенствованием методов оценки эксплуатационной нагруженности и ее воспроизведением при стендовых ресурсных испытаниях стала возможной непрерыв­ная регистрация любых случайных процессов, в частности запись эксплуатационных нагрузок, ускорений, напряжений, деформаций, скоростей, давлений, температур и т.п. Появилась возможность количественной оценки факторов, влияющих на ресурс гидроприводов как в эксплуатации, так и при стендо­вых ресурсных испытаниях. Доля стендовых испытаний в об­щем объеме испытаний с годами неуклонно возрастает при сокращении доли менее экономичных видов испытаний, напри­мер полигонных, летных и т.д. Надежность отдельных деталей узлов и агрегатов может оцениваться при стендовых испыта­ниях в значительно более короткие сроки и при меньших затратах.

При составлении для гидроприводов программ стендовых ресурсных испытаний циклограммы эксплуатационных режимов обычно осредняют и представляют в виде нескольких длительных режимов с постоянными величинами управляющих сигна­лов, нагрузок, температур рабочей жидкости и окружающей среды. Обычно в программе на каждом режиме задается наработка определенного числа циклов нагружений в функции режимов работы: амплитуды движения выходного звена, движение которого, как правило, является синусоидальным, нагрузки на выходном звене, температур рабочей жидкости и окружающей среды, времени цикла. Стенд ресурсных испытаний гидроприводов включает гидравлический стенд, обеспечивающий подачу в агрегат заданного расхода рабочей жидкости Q под давлением р, систему нагрева рабочей жидкости на входе в гидропривод до температуры t_ж, систему охлаждения рабочей жидкости на сливе из гидропривода — водяной радиатор, пульт контроля режимов и параметров, загрузочный цилиндр для создания нагрузки на выходном звене агрегата и синус-задатчик для гидроприводов с механическим управлением и низкочастотный генератор периодических колебаний для гидроприводов с электрическим управлением для подачи в них управляющего входного сигнала. Скорость и амплитуда движения выходного звена регулируется путем изменения управляющего сигнала от пульта управления. Температура и давление рабочей жидкости, нагрузки на выходном звене, амплитуда и скорость его движения, число циклов нагружения и время цикла записываются на шлейфовом осциллографе и выводятся для визуального контроля на пульт контроля.

В промышленности широко распространены стендовые ресурсные испытания на режимах, близких к эксплуатационным. Возникает тенденция к сокращению длительности ресурсных испытаний. Значение ускоренных методов ресурсных испытания очень велико, так как они являются ключом к получению своевременных и достоверных данных по надежности и долговечности гидроприводов.

МЕТОДЫ УСКОРЕННЫХ РЕСУРСНЫХ ИСПЫТАНИЙ ГИДРОПРИВОДОВ

Цель ускоренных ресурсных испытаний — получение информации о надежности и долговечности гидроприводов в течение времени испытаний меньшего, чем гарантийная долговечность.

Эффективность ускоренных ресурсных испытаний характеризуется коэффициентом ускорения Ку, равным отношению времени наработки ресурса при заданных эксплуатационных режимах к длительности работы при ускоренных испытания , защищающих тот же ресурс

Ку = / .

Методы ускоренных испытаний по жесткости применяемых режимов подразделяют на две категории; испытания на нормальных режимах (метод прогнозирования) и испытания в форсированных режимах.

К методам ускоренных испытаний в нормальных режимах относят: методы прогнозирования, использующие более узкие допустимые пределы изменения параметра (метод условных полей допусков и др.), методы прогнозирования на основе взаимосвязи физических закономерностей процессов, приводящих к отказам, с параметрами изделий, методы прогнозирования, использующие изменение косвенного параметра, однозначно связанного с определяющим параметром (метод сопряженных распределений, метод матричных испытаний и др.), методы, использующие исключение режимов холостых ходов и воспроизведение спектра эксплуатационных нагрузок, максимально влияющих на работоспособность изделий.

К методам ускоренных испытаний в форсированных режимах относят методы, использующие ужесточение режимов испытаний (скорости движения выходного звена, частоты, амплитуды и др.) ужесточение нагрузочных воздействий (нагрузки на выходном звене), ужесточение гидравлических воздействий (температуры и давления рабочей жидкости, применения абразива и рабочих жидкостей с худшими противоизносными свойствами и т.д.), ужесточение внешних механических и климатических воздействий (температуры воздуха, вибраций, ударов, влажности и т.д.).

Выбор метода ускорения испытаний в каждом конкретном случае производится с учетом конструктивных и технологиче­ских особенностей агрегатов данного типа, особенности их производства, условий эксплуатации и стендовой наработки, а также с учетом цели испытаний и их длительности. Рассмотрим более подробно основные методы ускорения стендовых ресурс­ных испытаний гидроприводов.

Известно, что самым простым методом ускорения ресурсных испытаний гидроприводов является проведение испытаний в условиях, когда гидропривод работает более интенсивно во времени (без перерывов и холостых ходов), чем при испыта­ниях в эксплуатационном режиме, что значительно сокращает сроки проведения испытаний. Однако использовать этот ме­тод ускорения можно только после анализа влияния перерывов в работе агрегата па процессы накопления износовых, тепло­вых, усталостных и других повреждений в процессе наработки ресурса в основных конструктивных элементах. В этом случае коэффициент ускорения испытаний можно записать в виде Ку = 1+ / .

Ускорение испытаний па основе применения методов про­гнозирования заключается в том, что время испытаний агрега­та на эксплуатационном режиме меньше, чем защищаемый эти­ми испытаниями ресурс, и по состоянию агрегата после сокра­щенных испытаний делают заключение о надежности и долго­вечности агрегата в течение требуемого ресурса. При этом скорость процессов накопления необратимых изменений в ос­новных конструктивных элементах агрегата принимается по­стоянной, и по величине этой скорости, определенной за время сокращенных испытаний, оценивают техническое состояние аг­регата за время требуемого ресурса.

Методы прогнозирования для стендовых ресурсных испытаний гидроприводов применять не рекомендуется, так как возможности этих методов ограничены тем, что при больших коэффициентах ускорения невозможно фиксировать границы окончательной приработки деталей и узлов, а многократные разборки испытываемых агрегатов для контроля хода процессов накопления необратимых изменений вызывают необходимость повторной приработки, а также тем, что данные методы не могут обеспечить приемлемой точности результатов испытаний из-за малых величин накопления износовых и тепловых повреждений. Кроме того, метод прогнозирования совершенно неприемлем для проведения испытаний в опытном производст­ве, так как требует накопления большого количества статисти­ческих данных о ходе накопления повреждений в процессе на­работки агрегатами ресурса.

Наиболее перспективным для гидроприводов является проведение ускоренных ресурсных испытаний на форсированных режимах.

Рассмотрим принципы построения разработанной авторами методики ускоренных ресурсных испытаний, использующей форсированные режимы (Авторское свидетельство № 379202, «Бюллетень изобретений и товарных знаков», № 19, 1973, и патент США № 3911725, 1975 г.). Основными разрушающими факторами для гидроприводов с посту- пательным движением выходного звена являются накопления износовых, тепловых и усталостных повреждений, поэтому при разработке методики ускоренных ресурсных испытаний необхо­димо обеспечить эквивалентность испытаний на эксплуатационных режимах и режимах ускоренных испытаний по указан­ным разрушающим факторам.

Гидроприводы представляют собой сложные агрегаты с большим количеством разнотипных конструктивных элементов, а так как закономерности изменения скорости износа или старения при ускорении испытаний для различных конструктивных элементов могут значительно отличаться, необходимо для каждого из разрушающих факто­ров выбрать один или несколько критичных (наиболее слабых) по каждому фактору элементов гидроприводов.

На основании анализа результатов эксплуатации и стендо­вых ресурсных испытаний гидроприводов в производстве, а также исследования свойств материалов конструктивных элементов гидроприводов с поступательным выходным звеном при выработке ресурса получено, что критичными элементами («слабыми звеньями») по накоплению износовых и теп­ловых повреждений являются штоковые уплотнения, а по на­коплению усталостных повреждений — силовые элементы штоко-поршневой группы и корпус цилиндра.

Обычно стендовые ресурсные испытания проводят на режи­мах, близких к эксплуатационным и не являющихся предель­ными для гидроприводов по скорости движения выходного зве­на, температуре рабочей жидкости, нагрузке на выходном зве­не и т. п., поэтому стендовые ресурсные испытания можно уско­рить путем форсирования режимов испытаний. Для определе­ния ускоряющих факторов при форсировании испытаний были проанализированы конструктивные особенности гидроприводов, отказы их в эксплуатации и производстве, а также влияние режимов испытаний на накопление основных разрушающих факторов и работоспособность стендового оборудования.

Основными критериями при определении форсированных режимов испытаний являются: возможность обеспечения экви­валентности и автомодельности испытаний на эксплуатацион­ных и форсированных режимах по основным разрушающим факторам, получение максимального коэффициента ускорения испытаний без снижения достоверности результатов испытаний, простота реализации на стенде и минимальная доработка суще­ствующего стендового оборудования и минимальное влияние факторов ускорения на надежность и долговечность стендово­го оборудования.

Приведенным критериям удовлетворяют сле­дующие параметры режима испытаний: скорость движения вы­ходного звена, температура рабочей жидкости и нагрузка на выходном звене гидропривода, поэтому стендовые ресурсные испытания можно ускорить увеличением скорости движения выходного звена, температуры рабочей жидкости и нагрузки на выходном звене.

При этом степень ускорения стендовых ре­сурсных испытаний по скорости движения выходного звена, нагрузке и температуре рабочей жидкости определяется в пер­вую очередь условиями сохранения вида и характера протека­ния процессов износа, теплового старения и накопления уста­лостных повреждений при испытаниях на эксплуатационных режимах и режимах ускоренных испытаний, а затем уже воз­можностями гидропривода и рабочей жидкости: конструктив­ными (по максимальным развиваемым усилиям и скоростям и максимально допустимым температурам материалов конструк­тивных элементов гидроприводов и рабочих жидкостей) и ре­жимными ограничениями (аналитической взаимосвязью на­копления повреждений с параметрами и режимами испытаний).

В связи с изложенным выше методика ускоренных ресурс­ных испытаний гидроприводов построена на основе выделения основных разрушающих факторов (факторов эквивалентности) и критичных (наиболее «слабых») к ним конструктивных эле­ментов, форсирования испытаний одновременно по скорости движения выходного звена, температуре рабочей жидкости и нагрузке на выходном звене в соответствии с аналитическими взаимосвязями режимов и параметров испытаний при одина­ковом накоплении износовых, тепловых и усталостных повреж­дений при эксплуатационных и ускоренных испытаниях. Таким образом, необходимо определить влияние температуры рабочей жидкости, скорости движения выходного звена и нагрузки на выходном звене гидропривода на накопление тепловых, изно­совых и усталостных повреждений в процессе наработки ре­сурса.

Выведем уравнения эквивалентности эксплуатационных и ускоренных режимов по накоплению износовых повреждений.

В наибольшей степени износу под­вержены резиновые и фторопластовые уплотнительные элемен­ты штоковой группы, поэтому при определении условий эквивалентности по износу рассмотрен износ резиновых и фторо­пластовых уплотнений сдвижных соединений выходных звень­ев гидроприводов. Критерием при оценке эквивалентности эксплуатационного и ускоренного режимов принято одинаковое количество изношенного материала уплотнения.

Вывод уравнений эквивалентности по накоплению износовых повреждений произведен на основе уравнений И. В. Крагельского

J= V / L ^.S _a; J= i ^. S_ф/ S_a,

где J — линейная интенсивность износа; L — путь трения; V — объем изношенного материала; S_a — номинальная пло­щадь касания; i — удельный линейный износ; S_ф — фактическая площадь контакта.

Приравнивая правые части этих уравнений, получим

V= i ^. S_ф^. L,

а приравнивая величины V для режимов эксплуатационных и ускоренных испытаний (здесь и ниже индексы «н» и «у» от­носятся соответственно к эксплуатационным и ускоренным ре­жимам испытаний), получим

i _н^. S_фн^. L _н ,= i _у^. S_фу^. L _у.

Так как тол­щина пленки весьма мала и пренебрежимо мало изменяется в зависимости от скорости, то можно принять допущение о равен­стве фактических площадей контакта уплотнений на эксплуа­тационном и ускоренной режиме, т.е S_фн = S_фу. Тогда крите­рий эквивалентности эксплуатационных и ускоренных режимов ресурсных испытаний по накоплению износовых повреждений уплотнениями подвижных соединений выходных звеньев можно представить в виде

i _н^. L = i _у ^. L = const.

Для синусоидального управляющего сигнала при равной амплитуде движения выходного звена при эксплуатационных (А_н) и ускоренных (А_у) испытаниях можно представить это урав­нение в более удобном для практического применения виде, учитывая, что L= ^.V _ср=4А^. n

= , , (1)

где n _н и n _у — количество циклов перемещений выходного звена; V _н и V _у — средние скорости движения выходного звена при ис­пытаниях.

В общем случае износ пар трения зависит более чем от тридцати факторов: режимов работы, физико-химических и теплофизических характеристик материалов пар трения, технологии изготовления, типа рабочих жидкостей, конструктивных особенностей узлов трения и т. д.

В связи с тем, что эксплуатационные и ускоренные режимы испытаний отличаются только скоростью движения выходного звена, температурой рабочей жидкости и нагрузкой на выходном звене, необходимо выразить зависимость удельного износа от этих факторов, т. е. получить аналитическую связь параметров (, n) и режимов (V, t_ж, R) испытаний с накоплением износовых повреждений в процессе наработки ресурса. Принимая во внимание усталостный харак­тер износа уплотнений в гидроприводах, можно считать, что удельный износ сильнее всего зависит от упруго-прочностных свойств, состояния поверхности изнашиваемого материала и силы трения F_TP

i = k_i ^. F^a_тр (2)

где k_i — константа, зависящая от упруго-прочностных свойств материала и состояния поверхности; а — показатель степени кривой усталости резинового уплотнения, постоянный для рези­ны данной марки. Для резин на основе совмещения каучуков СКН-18 и СКН-26 а = 2,4; для резин на основе каучука СКФ-32 а = 3,85; для резин на основе каучука СКЭП а = 4,9.

Зная зависимость силы трения от скорости движения выход­ного звена, можно представить уравнение (2) в виде i = k_i ^. V^-ab. (3)

С. Л. Рыбаловым получена зависимость удельного износа от температуры

i_t= i₀(t_ж)^а1 (4)

где i₀ — удельный износ при заданной начальной температуре трения, нагрузке и скорости движения выходного звена.

Подставляя в уравнение (3) значение из уравнения (4), получим зависимость удельного износа уплотнений подвижных соединений от скорости движения выходного звена и темпера­туры рабочей жидкости

i = k_i ^. V^-ab.t^a1 (5)

Выражая зависимости удельного износа уплотнений для эксплуатационных режимов и режимов ускоренных испытаний с помощью уравнения (4) и подставляя в уравнения (1) полученные значения i _н и i _у, получим

где (6)

Уравнения (6) дают возможность определять длительность и число циклов n_у режимов ускоренных ресурсных испытаний в зависимости от V _у, t_у, t_к из условий соблюдения при эксплуатационных и ускоренных испытаниях одинаковой величины износа уплотнений подвижных соединений выходных звеньев.