Прогнозирование ресурса гидравлических насосов и моторов гидроприводов карьерных экскаваторов при их эксплуатации в условиях низких температур

Подконтрольная эксплуатация гидравлических приводов экскаваторов показала, что загрязненность рабочей жидкости является основной причиной возникновения их неисправностей (до 69%). Наиболее трудоемкими в устранении, приводящими к самым длительным аварийным простоям, являются отказы гидромашин, обусловленные абразивным износом.

Поэтому, с целью повышения коэффициента технической готовности экскаваторов, весьма желательно обеспечить достоверное прогнозирование ресурса насосов и гидромоторов, что позволит реализовать современные технологии планово-предупредительных ремонтов.

В настоящее время прогнозирование эксплуатационного ресурса наиболее точно может быть произведено на основании тестирования степени загрязненности рабочей жидкости [1] с использованием, в качестве эталонных, результатов заводских стендовых испытаний гидроагрегатов, согласно формуле [2]: 

Здесь: T_c(rcs и T_c(ecs) – соответственно долговечность агрегата при реальном и эталонном (стендовых испытаниях) режимах эксплуатации [м.ч]; d_cΣ(ecs) и d_cΣ(rcs), C_(ecs) и C_(rcs), H_hc(ecs) и H_hc(rcs) – соответственно характерный размер [мкм], концентрация [мг/л] и твердость [Н/мм2] эталонного и реального загрязнителя; ^Ψ – показатель степени, равный 1 и 6 в зависимости от вида реализуемого износа.

Данное уравнение получено в предположении постоянства:

абразивных свойств, размеров и формы частиц;

нагрузок и скоростей;

свойств рабочей жидкости;

форм и конструктивных материалов поверхностей трения.

T_c(rcs) = T_{c(ecs )}· [d_cΣ(ecs) /d_cΣ(rcs) ]^Ψ · C_(ecs)/C_(rcs) · H_hc(ecs)/_Hhc(rcs) · [P_c(rcs)/P_c(ecs)]^α · [V_c(rcs)/V_c(ecs)] (2)

Здесь: Pc(rcs) и Pc(ecs) ; Vc(rcs) и Vc(ecs) – соответственно давление в гидросистеме [МПа] и частота вращения [об/мин] валов насосов и гидромоторов в эксплуатации и стендовых испытаниях, α– коэффициент влияния нагрузки, который для гидросистем обычно полагают равным 2,71.

Однако применительно к гидросистемам карьерных экскаваторов, особенно эксплуатирующихся в условиях Севера, формула (2) дает значительную погрешность, обусловленную существенным изменением вязкости жидкости в процессе эксплуатации.

Выполненные нами в условиях Якутии исследования изменения вязкости рабочей жидкости (масло типа Shell Tellus Arctic 32), предназначенных для эксплуатации в расширенном диапазоне температур окружающего воздуха, в зависимости от времени работы карьерного экскаватора РС-5500, позволили установить, что вязкость рабочей жидкости в процессе эксплуатации существенно снижается с ростом наработки экскаватора (рис.1). Установлена расчетная зависимость вязкости рабочей жидкости μf [сСт] от наработки t [ моточас] карьерного экскаватора:

Рис. 1. Экспериментальные данные зависимости вязкости масла Shell Tellus Arctic 32 от наработки карьерного экскаватора PC-5500

Таким образом, модификация уравнения (2) для наших условий может быть достигнута с учетом зависимости деградации критической характеристики насосов и гидромотров (изменения объемных потерь ?Q) в результате воздействия частиц концентрации C и размером dc от вязкости рабочей жидкости μf . Проведя необходимые преобразования, имея в виду, что в гидросистемах карьерных экскаваторов частицы размером более 40 мкм, вызывающие микрорезание, практически отсутствуют, получим новый вид уравнения (2) для прогнозирования долговечности гидроагрегатов при гидроабразивном изнашивании, учитывающее изменение вязкости рабочей жидкости в процессе эксплуатации приводов карьерных гидравлических экскаваторов:

T_c(rcs) = T_c(ecs)· [d_cΣ(ecs) /d_cΣ(rcs) ]^Ψ · C_·(ecs)/_C(rcs) · H_hc(ecs)/H_hc(rcs) · [_Pc(rcs)/P_c(ecs)]^α · [V_c(rcs)/V_c(ecs)] · [ μf_(rcs)⁸ / μf_(ecs)⁸] (4)

Практическое применение данного аналитического соотношения для прогнозирования долговечности агрегатов приводов карьерных экскаваторов требует двух типов информации: об эталонных испытаниях и о режимах нагружения.

Информация первого типа, как правило, доступна из паспортных данных, приводимых заводами изготовителями, которые проводят стендовые ресурсные испытания техники при номинальных параметрах давления, частоты вращения, температуры, вязкости и загрязненности жидкости, причем все перечисленные параметры поддерживаются постоянными с высокой точностью на протяжении всего периода испытаний. На основании этих испытаний изготовитель и назначает номинальный ресурс гидроагрегата, то есть T_c(ecs) , соответствующий величине ΔQ, равной, как правило, 25% номинального потока жидкости.

Информация второго типа должна быть получена индивидуально для каждого типа условий эксплуатации. Так, например, гистограмма нагружения будет, очевидно, зависеть от горногеологических, а гистограмма температуры – от климатических условий эксплуатации (рис. 2). Соответствующие данные можно получить только непосредственно на горном предприятии, с учетом всех локальных особенностей, включая квалификацию персонала. Методология мониторинга состояния систем экскаватора и принцип действия устройств контроля режимов работы карьерных гидравлических экскаваторов заключается в получении достоверной информации при применении технологий непрерывного измерения и записи физических параметров. Инструментом для этого служит постоянный мониторинг оборудования с помощью современных измерительно-информационных комплексов.

Подобный комплекс ИН-МГМ, разработанный с нашим участием и обеспечивающий постоянное измерение параметров режимов работы гидропривода с сохранением данных измерений в собственной памяти, был установлен в привод гидравлического экскаватора РС-5500, эксплуатирующегося на разрезе «Нерюнгринский». Непосредственным результатом измерений, производившихся в течение 734,45 м.ч на протяжении 6 месяцев (февраль-июль), являлись массивы значений давлений и температур, регистрировавшиеся с периодичностью от 1 секунды до 1 минуты, в зависимости от настройки специального информационного накопителя – анализатора физических параметров типа АФПγ (рис. 2), входящего в приборный комплекс ИН-МГМ.

Конструктивным ядром анализатора физических параметров является перепрограммируемый микроконтроллер с восьмиканальным аналого-цифровым преобразователем, снабженным энергонезависимыми часами реального времени, собственной памятью емкостью 512 кБ, последовательным интерфейсом RS232 для связи с ПК или другим устройством, а также аналоговыми и цифровыми входами (выходами) для подключения датчиков.

Информационный накопитель работает в режиме электронного самописца. При этом производится регистрирование сигнала по каждому из аналоговых каналов с заданным интервалом времени и запись этой информации в энергонезависимую память устройства (см. рис.2).

Рис. 2. Анализатор физических параметров АФП? и гистограмма температуры рабочей жидкости в гидроприводе экскаватора РС-5500 в процессе его эксплуатации

Использование комплекса ИН-МГМ позволяет получить не только гистограммы, но и динамическую характеристику нагрузки (рис.3), что позволяет по мере накопления исходных данных повысить точность прогноза, дополнив уравнение (4) коэффициентом динамичности.

Рис. 3.   Фактическая нагрузка на гидропривод экскаватора РС-5500 (по данным 102 часов наблюдений).

Прогнозирование долговечности основных гидроагрегатов с использованием полученных соотношений открывает новые возможности для повышения коэффициента готовности карьерных экскаваторов за счет снижения аварийных простоев, составляющих, как показала подконтрольная эксплуатация техники в АО «Якутуголь» В 2005-2007 г.г., 15-17% от общего количества потерь рабочего времени.

Более того, поскольку карьерные экскаваторы изготавливаются по конкретным заказам, имеется возможность, при производстве новых машин, осуществлять соответствующее прогнозирование на стадии проектирования, и вносить изменения в конструкцию, ограничивая, или, напротив, повышая уровень настройки предохранительных клапанов при недостаточности/избыточности ресурсов гидромашин соответственно.

Литература.

1. Fitch E.C. Fluid contamination control. FES Inc., OK, USA, 1988 – 433 p.

2. Бродский Г.С. Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин. М., «Гемос», 2004, 360 с. с. 54-57.