СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ГИДРОМАШИН И ГИДРОСИСТЕМ ОБЪЕМНОГО ТИПА Российский патент 2010 года по МПК F15B19/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к технологии и контролю испытаний и диагностированию эксплуатации объемных гидромашин и гидросистем, в том числе систем управления и торможения мобильных машин.

Известен способ диагностирования гидромашин и гидросистем объемного типа по гранулометрическому составу загрязненности рабочей жидкости, положенный в основу прибора оперативной диагностики гидросистем (Прибор оперативной диагностики гидросистем. Иванов С.В. М., 1985, 4 с., Деп. в ВИНИТИ № 3447-85.

Диагностирование гидросистемы производится по загрязненности рабочей жидкости с помощью датчика, регистрирующего фотоэлектирческим методом размеры частиц загрязнений.

Недостатком способа является невысокая точность измерения и невозможность определения сжимаемости жидкости и пузырьков нерастворенного газа, находящихся в потоке жидкости и существенно влияющих на определяющие параметры гидросистем, например на их быстродействие.

Известен способ диагностирования путем определения объемного и полного КПД насосов гидроприводов (Техническая диагностика гидравлических приводов. Т.В.Алексеева, В.Д.Бабанская, Т.М.Башта и др. Под общ. ред. Т.М.Башты, М.: Машиностроение, 1989, с.132).

Способ основан на установке теплоизолированного перепускного трубопровода между выходом и входом насоса и измерения параметров потока жидкости, проходящего через этот трубопровод с помощью нагрузочного дросселя, расходомера, датчиков давления и температуры.

Недостатком способа является невысокая точность измерения и невозможность определения сжимаемости жидкости и пузырьков нерастворенного газа, находящихся в потоке жидкости.

Общеизвестно, что наличие пузырьков нерастворенного газа (воздуха в жидкости приводит к увеличению времени запаздывания и снижению быстродействия гидросистем, к снижению производительности насосов, надежности и эффективности машины в целом.

Это происходит в большей степени из-за уменьшения объемного модуля упругости жидкости Е_смi=f(φ), зависящего от объемного содержания нерастворенного газа φ и определяемого по И.А.Немировскому:

где Е_смi - объемный модуль упругости смеси;

φ_i - объемное содержание нерастворенного газа в жидкости;

Е_ж - объемный модуль упругости сплошной рабочей жидкости;

P_0i - начальное давление в полости цилиндра;

P_i - измеренное давление в полости цилиндра в момент времени t_i;

n - количество ходов цилиндра за Δt_i.

Экспериментально подтверждено, что даже незначительное изменение объема газа изменяет объемный модуль упругости жидкости, а это приводит к изменению жесткости, т.е. к увеличению времени запаздывания и снижению быстродействия гидроцилиндра.

Определено, что для рабочей жидкости МГЕ - 10А:

Содержание нерастворенного газа, % Время срабатывания
гидроцилиндра, с 0,45 47,4 1,0 52 1,5 57

В результате производительность гидроцилиндра снижается на 7%.

Известен способ диагностирования гидромашин объемного типа (см. А.С. №1516636, опубл. №39, 1989 г., МПК F16B 19/00), принятый за прототип. Способ заключается в нагружении гидромашины гидравлическим сопротивлением, установленным в нагнетательной магистрали. По изменению перепада температуры между дренажной и сливной магистралями оценивают техническое состояние гидромашины, в частности механические потери и состояние пар трения: подшипников, распределителя, плунжеров и т.д.

Недостатком такого способа является невысокая точность измерения и невозможность определения сжимаемости жидкости и пузырьков нерастворенного газа, находящихся в потоке жидкости.

Задачей предлагаемого изобретения являются расширение функциональных возможностей и повышение эффективности способа диагностирования гидромашин объемного типа в условиях их эксплуатации.

Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в получении высокой точности измерения за счет определения газосодержания жидкости и, как следствие, сжимаемости жидкости, а также возможность диагностирования в процессе эксплуатации гидросистем.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе диагностирования гидромашин и гидросистем объемного типа, заключающемся в том, что гидромашину нагружают гидравлическим сопротивлением, установленным в нагнетательной магистрали, определяют температуру жидкости в сливной и дренажной магистралях и по изменению температуры оценивают техническое состояние, новым является то, что в качестве диагностируемого параметра дополнительно используют электростатический потенциал в трибоэлектрическом устройстве, установленном на выходе гидросопротивления.

Использование в качестве диагностируемого параметра электростатического потенциала в трибоэлектрическом устройстве, установленном на выходе гидросопротивления, позволяет определить сжимаемость жидкости из-за наличия в потоке жидкости пузырьков нерастворенного газа, что дает возможность диагностирования в процессе эксплуатации гидросистем.

Рабочие жидкости на нефтяной основе являются диэлектриками, для которых свойственно возникновение электрических потенциалов при внешних воздействиях (разные виды трения, фазовые превращения при изменении температуры). Обычно такие явления признаются "вредными" и с ними осуществляется борьба. Предлагается не бороться с электризацией и ее проявлениями, а использовать ее полевое воздействие.

При движении жидкости в полости сеток трибоэлектризующего устройства, выполненных из материала, диэлектрическая проницаемость которых выше, чем у исследуемой жидкости, происходит электризация трением.

Наличие пузырьков нерастворенного газа (воздуха) в жидкости (газожидкостной смеси) снижает величину заряда и потенциала, снимаемого с сеток трибозлектризующего устройства в сравнении со сплошной жидкостью.

Величина заряда на сетках рассчитывается по формуле:

где ρ - удельное объемное электрическое сопротивление жидкой среды, Ом м;

S - поверхность, с которой снимается заряд, м²;

Δt - время съема заряда, с;

U - потенциал.

При этом grad U=ΔU/Δr;

где ΔU - разность потенциалов;

Δr - расстояние между сетками-электродами.

Удельное же объемное электрическое сопротивление находится:

для жидкости - ρ_ж = τ/ε_ж ε₀;

для смеси - ρ_см = τ/ε_см ε₀;

где ρ - удельное объемное электирическое сопротивление жидкой среды, Ом м;

τ - время релаксации, одинаковое для жидкости и смеси, с;

ε₀ - абсолютная диэлектрическая постоянная, Ф/м;

ε_ж - диэлектрическая проницаемость жидкости;

ε_см - диэлектрическая проницаемость смеси.

Если диэлектирескую проницаемость воздуха ε_в (с достаточной для практики точностью) принять равной 1,0; а диэлектрическую проницаемость жидкости, например МГЕ-10А, соответственно - 2,3, то по формуле "Лоренца-Лоренца" определим:

ε_см=ε_жy+ε_в(1-y),

где y - объемная доля жидкости, не содержащая воздух, равная 0,7 - для условий проведения опытов.

Тогда ε_см = 1,91. При одинаковых τ и ε₀ из приведенных выше формул видно, что

ρ_см>ρ_ж, что подтвердилось экспериментально. Удельное объемное электрическое сопротивление неаэрированной жидкости оказалось равным 3,93·10^-11 Ом м. Для аэрированной жидкости равно 19,7·10¹¹ Ом м.

Принимая (по условиям проведения экспериментов) Δr, Δt, S постоянными, из формулы, определяемой Δq, видно, что Δq_cм<Δq_ж, т.е. наличие воздуха (газа) в жидкости снижает величину заряда и потенциала ΔU, снимаемого с сеток. Но тогда с учетом изменения температуры Δt по изменению ΔU, снимаемого с сеток, можно судить о наличии определенного количества пузырьков нерастворенного газа (воздуха) в жидкости при соответствующей предварительной тарировке устройств и приборов. Следует отметить, что тарировку приборов по определению параметров трибоэлектризации и соответствующей ей газонасыщенности жидкости нельзя считать существенным недостатком, т.к. для диагностирования, как правило, используют не абсолютные, а относительные параметры.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг.1 представлена схема устройства для диагностирования гидромашин и гидросистем объемного типа; на фиг.2, 3 - результаты сравнительных испытаний; на фиг.4, 5, 6, 7 - тарировочные графики для диагностирования.

Устройство для диагностирования гидромашин и гидросистем объемного типа, с помощью которого реализуется способ, содержит гидролинию 1, соединенную с источником избыточного давления (насосом) 2. В гидролинии 1 расположены регулируемый дроссель 3 и распределитель 4 с электромагнитным управлением, а между ними установлено трибоэлектризующее устройство 5, внутри которого помещены трибоэлектризующие элементы - сетки 6, соединенные с регистрирующим прибором 7. Сетки 6 выполнены из материала, диэлектрическая проницаемость которого выше, чем у исследуемой жидкости. Распределитель 4 соединен гидролиниями 8 с гидроцилиндром 9, на штоке которого закреплен рабочий орган 10 и гидролинией 11 - с баком 12, с которым соединена также дренажная гидролиния 13.

Способ реализуется следующим образом.

Жидкость из бака 2 подается насосом 1 при открытом дросселе 3 на трибоэлектризующие элементы - сетки 6. При движении жидкости в полости сеток, выполненных из материала, диэлектрическая проницаемость которого выше, чем у исследуемой жидкости, происходит электризация трением и электростатический потенциал снимается регистрирующим прибором 7 - киловольтметром с входным сопротивлением не менее 10¹⁰ Ом.

Проходя через распределитель 4 с электромагнитным управлением, жидкость по гидролиниям 8 поступает в ту или иную полость гидроцилиндра 9, а затем по гидролинии 11 - в бак 12. По перепаду температуры жидкости в нагнетательной и дренажной 13 гидролиниях также оценивается техническое состояние гидросистемы, но без учета сжимаемости жидкости.

Результаты сравнительных испытаний представлены на фиг.2, 3.

Определена зависимость потенциала от газосодержания жидкости и ее температуры (фиг.2). Опытным путем также установлено, что величина трибоэлектризации (потенциал - U) возрастает при увеличении перепада давления Р_и на сетках, расхода жидкости Q, температуры жидкости Т и уменьшении размера ячеек сеток d (фиг.3, 4, 5).

Это объясняется тем, что при движении жидкости с большей скоростью соответственно большее количество ионов учавствует в электролитическом механизме образования электростатического заряда на сетках устройства (концентрация же ионов в определенном объеме жидкости одинакова). Способность элементов с мелкими ячейками создавать больший электрический потенциал вызвана также тем, что поверхность разделения фаз: "сетка - жидкость" у этих материалов больше и, соответственно, они могут адсорбировать большее количество ионов определенного знака.

С увеличением температуры жидкости величина электрического потенциала возрастает незначительно для бензина А-76 и существенно для масел: рабочей жидкости МГЕ-10А, моторного масла М-6₃/10-В, проходящих через трибоэлектризующее устройство.

Результаты испытаний для рабочей жидкости МГЕ-10А:

Содержание нерастворенного газа, % Электростатический
потенциал, кВ 0,45 9,9 1,0 7,7 1,5 5,5 Содержание нерастворенного газа,% Объемный модуль
упругости, МПа
при давлении в
цилиндре 7 МПа 0,45 1550 1,0 1470 1,5 1330

Полученные экспериментальным путем данные позволяют построить тарировочные графики для диагностирования гидромашин и гидросистем объемного типа (фиг.6, 7).

Способ предназначен для диагностирования гидромашин и гидросистем объемного типа, в том числе систем управления и торможения мобильных машин. Способ диагностирования гидромашин и гидросистем объемного типа заключается в том, что гидромашину нагружают гидравлическим сопротивлением, установленным в нагнетательной магистрали, определяют температуру жидкости в сливной и дренажной магистралях и по изменению температуры оценивают техническое состояние. В качестве диагностируемого параметра дополнительно используют электростатический потенциал в трибоэлектризующем устройстве, установленном на входе гидросопротивления. Технический результат - повышение точности измерения. 7 ил.

Способ диагностирования гидромашин и гидросистем объемного типа, заключающийся в том, что гидромашину нагружают гидравлическим сопротивлением, установленным в нагнетательной магистрали, определяют температуру жидкости в сливной и дренажной магистралях и по изменению температуры оценивают техническое состояние, отличающийся тем, что в качестве диагностируемого параметра дополнительно используют электростатический потенциал в трибоэлектризующем устройстве, установленном на выходе гидросопротивления.