Повышение долговечности аксиально-поршневых насосов строительных и дорожных машин на основе моделирования процессов в плунжерных парах

Эффективность и качество выполнения технологического процесса строительными и дорожными машинами зависит от совершенства их рабочих органов и систем управления. Конструктивно заложенный уровень надежности и долговечности систем реализуется при соответствии расчетных параметров эксплуатационным нагрузкам. Элементы строительных и дорожных машин воспринимают эксплуатационные нагрузки переменного характера, величина и интенсивность изменения которых зависят от большого числа как контролируемых, так и случайных факторов.

Работоспособность гидросистем строительных и дорожных машин в значительной степени зависит от функционирования гидравлических насосов. Надежность, долговечность эффективная работа этих агрегатов во многом определяется широким набором разнообразных свойств, явлений и процессов в трибологических элементах, детальное изучение которых стало возможным с получившим в настоящее время интенсивным развитием компьютерных и электронных технологий. В парах трения аксиально-поршневых насосов происходит наиболее интенсивный износ, что существенно и влияет на наработку самих насосов, а так же и на работоспособность всего гидропривода строительных и дорожных машин. На процесс износа влияют конструктивные и динамические параметры пар трения и кинематические параметры рабочей жидкости. На этапе проектирования закладываются основы надежности и долговечности путем выбора рациональных геометрических и силовых параметров. На некоторые из них можно влиять на этапе проектирования, а на некоторые и на этапе эксплуатации. Варьируя этими факторами, можно изменяя их уменьшать или увеличивать интенсивность износа пар трения аксиально-поршневых насосов и соответственно долговечность строительных и дорожных машин.

Несмотря на большое количество работ сделанных в области износа пар трения применительно к плунжерным гидроагрегатам строительных и дорожных машин можно говорить об определенных недоработках в области разработки средств проектирования с использованием основных положений гидродинамики, теории трения и износа. Таким образом, повышение долговечности аксиально-поршневых насосов строительных и дорожных машин на основе моделирования процессов в плунжерных парах является актуальной темой исследования.

Методы исследований. В работе использованы эмпирические и теоретические методы исследования. Решения задач базируются на экспериментальных данных и известных теоретических положениях динамических и триботехнических методов исследований, методах системного анализа, математического моделирования и программирования на ЭВМ в среде Borland Delphi, математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились на специально разработанном стенде с использованием инструментальной среды графического программирования Lab VIEW компании National Instruments, в качестве первичных преобразователей использовались датчики изменения давления ОАО «Орлэкс», Россия. При обработке полученных экспериментальных данных использовались методы математической статистики.

Научная новизна работы и положения, выносимые на защиту: 1. Разработана математическая модель системы «плунжер-втулка» аксиально-поршневого насоса, позволяющая определять кинематические, динамические и трибологические параметры плунжерных пар с учетом инерционных, гидродинамических и диссипативных сил. Предложена основанная на свойстве аддитивности модель расчета коэффициентов трения в плунжерных парах, учитывающая конструктивные и технологические параметры, гидродинамическое давление и параметры рабочей жидкости.

2. Выявлены закономерности влияния переменных эксплуатационных нагрузок, шероховатости поверхностей трения, теплофизиче-ских свойств и чистоты рабочей жидкости гидросистем СДМ на износ, наработку и КПД аксиально-поршневого насоса.

3. Разработаны практические рекомендации и программное обеспечение, позволяющие увеличить наработку плунжерных аксиально-поршневых насосов и методика оценки уровня использования ресурса аксиально-поршневого насоса на основании математического моделирования процессов в плунжерных парах.

Практическая ценность работы заключается в том, что разработанные методики, выявленные закономерности оценки способности системы к безотказной работе и программное обеспечение для расчета динамических, кинематических и трибологических параметров могут быть использованы как на этапе проектирования, так и на этапе эксплуатации аксиально-поршневых насосов гидравлических систем строительных и дорожных машин.

Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертационного исследования используются в учебном процессе Орловского государственного технического университета и Орловского государственного аграрного университета при чтении лекций, проведении практических и лабораторных занятий по соответствующим дисциплинам, дипломном проектировании, выполнении студентами научно-исследовательских работ. Методика расчета долговечности аксиально-поршневых насосов строительных и дорожных машин принята для практического использования Орловско-Курским отделением Московской железной дороги, ОАО «Дормаш».

Обоснованность и достоверность научных положений и выводов, сформулированных в диссертации, обеспечивается корректностью и правильностью постановки задач, обоснованностью используемых теоретических зависимостей и принятых допущений и ограничений, применением известных апробированных математических методовподтверждается качественным и количественным согласованием результатов теоретических исследований с экспериментальными данными, полученными как лично автором, так и другими исследователями.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались на международных, региональных и республиканских научно технических семинарах, конференциях и симпозиумах: международной научно — практической конференции: «Энерго и ресурсосбережение XXI век», первая международная научно-практическая интернет конференция (г. Орел, 2002) — «Прогрессивные технологии в транспортных системах», шестая российская научно-техническая конференция (г. Оренбург, 2003) — Известия ОрелГТУ (г. Орел, 2003) — международная научно-техническая конференция (г. Могилев, 2004) — «Прогрессивные технологии в транспортных системах» (г. Оренбург, 2004) — «Надежность и ремонт машин» научно техническая конференция (г. Гагры, 2004) — международная научно-техническая конференция (г. Могилев, 2005) — «Ресурсосбережение XXI» Международная научно-практическая конференция Санкт-Петербург, 2005 «Надежность и ремонт машин» научно техническая конференция (г. Гагры, 2005).

Автор выражает искреннюю благодарность профессору Рудневу В. К. и профессору Бочарову B.C. за помощь при выборе тематики исследования и в подготовке материалов диссертационной работы.

Выводы по главе:

1. Установлено, что для обеспечения вероятности ресурса работы АПН до капитального ремонта — 0,9−0,8 необходимо обеспечить вероятность ресурса вала-0,99−0,97, радиальных подшипников — 0,95−0,9, прижимной пружины, плунжерной пары — 0,99−0,95, центрального шипа — 0,95−0,9, блока цилиндров и распределителя — 0,99−0,95.

2. Разработана методика, алгоритм и программа для ЭВМ, оценки изменения объемного КПД, расчета ресурса плунжерных гидромашин с учетом конструктивно-кинематических параметров плунжерных пар, параметров поверхности трения, качества рабочей жидкости.

3. Предложена методика расчета требований к долговечности аксиально-поршневых насоса дорожных машин на основе моделирования вероятности работоспособного состояния и оценки риска наступления отказа.

4. Разработана структурная схема АПН, представляющая матрицу риска позволяющая выполнить полную количественную и эффективную оценку риска, для сравнения источников опасности или различных вариантов мер безопасности, чем для составления заключения о степени безопасности системы.

5. Разработаны рекомендации по повышению долговечности и ресурса аксиально-поршневых насосов на этапе проектирования, технологическом этапе, и на этапе изготовления.

Заключение

.

В диссертации решена актуальная научно-практическая задача, состоящая в повышении долговечности строительных и дорожных машин и улучшении эксплуатационных характеристик аксиально-поршневых насосов путем разработки инструментальных средств проектирования основанных на моделировании трибологических процессов в плунжерных парах.

1. Разработана математическая модель системы «плунжер-втулка» аксиально-поршневого насоса дорожных машин, учитывающая инерционные и диссипативные силы, позволяющая установить положения плунжера относительно втулки, его скорость и ускорение в любой момент времени,.

2. Установлена аналитическая зависимость изменения объемного КПД и наработки аксиально-поршневого насоса строительных и дорожных машин, от основных кинематических параметров плунжерной пары и свойств рабочей жидкости, для уточнения его ресурса.

3. Разработана и создана экспериментальная установка с измерительно-вычислительным комплексом для исследования характеристик аксиально-поршневых насосов.

4. Выполнен комплекс экспериментальных исследований и проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных данных, который подтвердил их удовлетворительное согласование.

5. Анализ расчетных значений ресурса и наработки элементов аксиально-поршневого насоса позволяет сделать вывод: при выполнении требований к показателям долговечности элементов можно с вероятностью не менее 0,8 ожидать на практике подтверждения расчетных показателей долговечности аксиально-поршневого насоса в целом.

6. Установлено, что для обеспечения вероятности ресурса работы АПН до капитального ремонта — 0,9−0,8 необходимо обеспечить вероятность ресурса вала-0,99−0,97, радиальных подшипников — 0,95−0,9, прижимной пружины, плунжерной пары — 0,99−0,95, центрального шипа — 0,95−0,9, блока цилиндров и распределителя — 0,99−0,95.

7, Разработана методика, алгоритм и программа для ЭВМ, оценки изменения объемного КПД, расчета ресурса плунжерных гидромашин с учетом конструктивно-кинематических параметров плунжерных пар, параметров поверхности трения, качества рабочей жидкости,.

8. Разработана структурная схема АПН, представляющая матрицу риска позволяющая выполнить полную количественную и эффективную оценку риска, для сравнения источников опасности или различных вариантов мер безопасности, чем для составления заключения о степени безопасности системы.

9, Предложена методика расчета требований к долговечности аксиально-поршневых насоса строительных и дорожных машин на основе моделирования вероятности работоспособного состояния и оценки риска наступления отказа.