СПОСОБ ДИАГНОСТИРОВАНИЯ ЗОЛОТНИКОВЫХ ГИДРОРАСПРЕДЕЛИТЕЛЕЙ СЖАТЫМ ВОЗДУХОМ Российский патент 2012 года по МПК F15B19/00 

Способ относится к машиностроению и может быть использован для диагностирования технического состояния распределителей гидроприводов машин любого назначения.

Способ диагностирования технического состояния распределителей сжатым воздухом предназначен для оценки технического состояния сопряжении золотник-корпус (прецизионных пар) распределителей гидропривода машин любого назначения. Способ заключается в измерении расхода сжатого воздуха через зазоры в прецизионных парах золотниковых распределителей и приведении (пересчете) измеренного расхода воздуха к эквивалентной величине утечек рабочей жидкости гидропривода по специальному алгоритму, содержащему зависимости, выведенные заявителем. Способ предполагает наличие установки, содержащей стенд (стол) для установки диагностируемого агрегата, источник сжатого воздуха, запорный кран, редукционный клапан, расходомер сжатого воздуха и два манометра для контроля давления воздуха на входе в диагностируемый агрегат и на выходе из него.

Известен способ диагностирования с помощью сжатого воздуха технического состояния цилиндропоршневой группы (ЦПГ) двигателей внутреннего сгорания (ДВС) (Макаров Р.А., Соколов А.В. Диагностика строительных машин. - М.: Стройиздат, 1984. - 335 с.). Оценка технического состояния ЦПГ происходит по величине скорости падения давления воздуха, вытекающего из полости камеры сгорания ДВС через уплотнение, т.е. между поршневыми кольцами и стенкой цилиндра. Известен способ диагностирования с помощью сжатого воздуха технического состояния аксиально-поршневых насосов (АПН). Оценка технического состояния АПН происходит по величине пульсаций давления воздуха, прокачиваемого через качающий узел АПН (Баран А.П. Диагностирование аксиально-поршневых гидромашин одноковшовых экскаваторов по параметрам внутренней негерметичности. Автореф. дис. … канд. техн. наук: 05.05.04. Ленинградский инж.-строит. ин-т. - Л., 1983. 22 с.).

Недостатками упомянутых способов является тот факт, что методы не имеют универсального характера и применимы для конкретных технических устройств.

Наиболее близким по технической сущности является способ диагностирования при помощи сжатого воздуха золотниковых распределителей гидроприводов строительных погрузчиков (см. Треля Зыгмунт).

Способ реализуется на стенде, к которому подводится сжатый воздух. Стенд содержит запорный кран, редукционный клапан, расходомер сжатого воздуха и манометры для контроля давления воздуха на входе в диагностируемый агрегат и на выходе из него (Совершенствование диагностирования моноблочных золотниковых гидрораспределителей строительных погрузчиков. (Дис. … канд. техн. наук: 05.05.04. - Л., 1988. - 160 с.: ил. - Библиогр.).

При этом способе определяется расход воздуха через зазор в уплотняющем сопряжении золотник-корпус распределителя (Фиг.1 - Схема утечек рабочей жидкости в зазоре сопряжения золотник-корпус гидрораспределителя). Позициями на Фиг.1 обозначены: 1 - корпус распределителя, 2 - золотник, 3 - область низкого давления рабочей жидкости (слив), 4 - зазор сопряжения золотник-корпус и утечки рабочей жидкости через него, 5 - область высокого давления рабочей жидкости (рабочий отвод гидрораспределителя).

Измеренный расход воздуха используется для определения расчетным путем величины расхода (утечек) рабочей гидравлической жидкости (РЖ) через тот же самый зазор. Полученную расчетную величину утечек сравнивают с нормированной техническими условиями или стандартами предельной величиной утечек через зазор в сопряжении, соответствующей предельной величине этого зазора, и таким образом определяют техническое состояние сопряжения золотник-корпус распределителя. Расчетную величину утечек определяют по установленным Зыгмунтом Треля регрессионным зависимостям вида

где Q_νs и Q_ν соответственно расходы жидкости и воздуха через зазор сопряжения; a₀ и a₁ - коэффициенты уравнения регрессии, зависящие от различных факторов, таких как давление и температура сжатого воздуха, продуваемого через зазор, вязкостно-температурные характеристики РЖ, ее давления и некоторых других.

Использование зависимости (1) для производственных нужд, очевидно, предполагает наличие переводной таблицы, в которой измеренным расходам воздуха Q_ν поставлены полученные расчетом расходы жидкости Q_νs.

Недостатками данного способа являются:

- то, что предлагаемые Зыгмунтом Треля расчетные зависимости неадекватно отражают взаимосвязь между расходами РЖ и воздуха через зазор сопряжения. Это происходит потому, что расчетный расход РЖ через зазор Q_νs получают из линейной зависимости (1), которая имеет место в предположении, что течение РЖ и воздуха в зазоре является ламинарным и описывается известными формулами Пуазейля для вязкой капельной жидкости и газа. Эти зависимости имеют вид:

для жидкости -

для газа -

где P_1ж - давление жидкости перед входом в зазор; Р_2ж - давление жидкости на выходе из зазора; d - диаметр золотника гидрораспределителя; b - радиальный зазор в сопряжении; µ_ж - динамическая вязкость жидкости; L - длина зазора; k_э - коэффициент, учитывающий эксцентриситет расположение золотника относительно корпуса гидрораспределителя; P_1в - давление воздуха перед входом в зазор; Р_2в - давление воздуха на выходе из зазора; µ_в - динамическая вязкость воздуха; R - газовая постоянная; Т - абсолютная температура воздуха; ρ_в - плотность воздуха.

При этом плотность воздуха ρ_в есть величина постоянная при заданных P_1ν, P_2ν и Т.

Однако данное предположение не является бесспорным, т.к. при больших зазорах (достигаемых вследствие износа сопряжения), из-за сжимаемости газа (воздуха), его движение вдоль канала зазора становится неравномерным, изменяется его плотность, и, в целом, движение воздуха не подчиняется закону Пуазейля. Следовательно, зависимость Q_νs=f(Q_ν) перестает быть линейной, что вносит существенную погрешность (до 40%) в определение Q_νs и отражается на точности диагностирования;

- полученные Зыгмунтом Треля зависимости не являются универсальными и не могут быть применены для условий, отличных от тех, для которых они получены (давление сжатого воздуха, температурно-вязкостные характеристики и давление РЖ, конструктивные размеры и форма уплотняющих сопряжений золотник-корпус), т.к. именно для этих условий определены коэффициенты линий регрессии а₀ и а₁.

Цель изобретения - повышение точности диагностирования технического состояния гидрораспределителей путем уточненного способа расчета расходов сжатого воздуха Q_ν и рабочей жидкости Q_νs в кольцевых зазорах их золотниковых пар.

Цель изобретения достигается тем, что способ диагностирования золотниковых гидрораспределителей сжатым воздухом, заключающийся в:

а) измерении расхода сжатого воздуха Q_ν через зазор в сопряжении золотник-корпус гидрораспределителя;

б) определении расчетным путем соответствующего расхода (утечек) РЖ Q_νs через тот же зазор;

в) сравнении полученного расчетного расхода (утечек) РЖ с предельной величиной расхода (утечки), установленной нормативными документами (ГОСТами, ОСТами, ТУ заводов-изготовителей и т.п.), дополнен:

а) математическими зависимостями (моделями) течения воздуха в щели, позволяющими определить режим течения этого течения для кольцевого зазора в сопряжении золотник-корпус гидрораспределителя - докритический, критический и закритический;

б) математическими зависимостями (моделями) течения воздуха в щели, позволяющими вычислить расходы воздуха через кольцевой зазор в сопряжении золотник-корпус гидрораспределителя для различных режимов его истечения - докритического, критического и закритического.

в) математической зависимостью (моделью) течения вязкой капельной жидкости в щели, позволяющей вычислить расход РЖ через кольцевой зазор в сопряжении золотник-корпус гидрораспределителя, при этом учитывающей сопротивление на входе в щель;

г) расчетным алгоритмом, определяющим последовательность расчетов математических моделей в п.п. а, б, в и дающим возможность выполнять данные расчеты на ЭВМ.

Математические зависимости (модели) течения воздуха в кольцевом зазоре сопряжения золотник-корпус гидрораспределителя выведены заявителем на основании газодинамической теории движения воздуха в узкой щели при трех режимах его течения - критическом, докритическом и закритическом, и имеют следующий вид.

1. Для критического режима истечения:

где ,; ;

; .

2. Для докритического режима:

где ;

; ; ;

; .

3. Для закритического режима:

где ; .

Математическая зависимость (модель) течения вязкой капельной жидкости в щели, выведенная заявителем и позволяющая вычислить расход РЖ через тот же зазор, при этом учитывающая сопротивление на входе в щель, имеет вид:

Принятые в формулах обозначения:

b - радиальный зазор в сопряжении;

d - диаметр золотника;

k_э - коэффициент, учитывающий эксцентриситет расположение золотника относительно корпуса;

k - показатель адиабаты;

L - длина зазора (щели);

- относительная длина зазора (щели);

µ₀ - динамическая вязкость адиабатически заторможенного газа (воздуха);

µ_в=µ_w - динамическая вязкость воздуха;

µ_ж - динамическая вязкость жидкости;

Q_ν - объемный расход газа (воздуха);

Q - массовый расход газа (воздуха);

Q_νs - объемный расход жидкости через зазор (утечка);

P_o - давление адиабатически заторможенного газа (воздуха) перед входом в зазор;

- среднее полное давление газа (воздуха) внутри сечения щели при входе в нее (в сечении 1-1 (Фиг.2 - Расчетная схема течения газа (воздуха) в узкой щели));

Р_1ν - давление воздуха перед входом в зазор (щель);

P_2ν - давление воздуха на выходе из зазора (щели);

P_1ж - давление жидкости перед входом в зазор (щель);

Р_2ж - давление жидкости на выходе из зазора (щели);

P_н=P_n - давление воздуха в окружающем пространстве;

ρ_в - плотность воздуха;

ρ_ж - плотность жидкости;

R - газовая постоянная;

Т - абсолютная температура воздуха;

Т₀ - абсолютная температура адиабатически заторможенного газа (воздуха);

- критическая скорость воздуха в зазоре;

- относительная скорость движения газа (воздуха);

ν = функция скорости в зазоре (щели);

- местное сопротивление при втекании воздуха в зазор;

ξ_вх - местное сопротивление втеканию РЖ на входе в зазор.

Индексы 1 и 2 при величинах, входящих в формулы, обозначают параметры в сечениях 1-1 и 2-2 (Фиг.2 - Расчетная схема течения газа (воздуха) в узкой щели).

Схема, поясняющая обозначения, приведена на Фиг.2.

Способ диагностирования золотниковых гидрораспределителей сжатым воздухом осуществляется следующим образом.

Для определения технического состояния сопряжений золотник-корпус гидрораспределитель устанавливается на стенд, схема которого представлена на Фиг.3 - Схема измерения расходов воздуха через зазоры сопряжения золотник-корпус гидрораспределителя.

Стенд содержит запорный кран 6, редукционный клапан 7, расходомер сжатого воздуха 8 и манометры 9 и 10 для контроля давления воздуха на входе в диагностируемый агрегат (распределитель) 11 и на выходе из него. Стенд может содержать источник сжатого воздуха 12 или же сжатый воздух может подводиться к нему извне. Избыточное давление воздуха должно находиться в пределах:

- 0,5-0,6 МПа для предварительной продувки гидрораспределителя с целью удаления масляной пленки;

- 0,05-0,3 МПа для продувки воздухом зазора золотник-корпус с целью измерения его расхода.

Рекомендуемый диапазон температур окружающего воздуха - 10-25°С, относительная влажность окружающего воздуха - не более 80%.

Далее для удаления масляной пленки диагностируемый зазор продувается давлением 0,5-0,6 МПа. Затем зазор продувается воздухом под давлением, величина которого должна быть предварительно выбрана из диапазона 0,05-0,3 МПа в зависимости от технологических возможностей предприятия и конструктивных особенностей гидрораспределителя. Определяется расход воздуха. Полученная величина расхода является показателем износа сопряжения золотник-корпус гидрораспределителя. Чем больше износ сопряжения, тем больше зазор в нем и тем больше расход воздуха. Для оценки технического состояния сопряжения важно знать максимальное значение расхода воздуха, соответствующее максимально допустимому зазору, т.е. максимальному износу сопряжения.

Известно, что непосредственное измерение зазоров в сопряжении связано со значительными трудностями, т.к. требует применения дорогостоящего измерительного оборудования и разборки гидрораспределителя. Поэтому для оценки его предельной величины используют предельную величину расхода (утечки) РЖ через зазор, установленную нормативными документами (ГОСТами, ОСТами, ТУ заводов-изготовителей и т.п.). Для перехода от расхода (утечек) РЖ к расходу воздуха используется зависимость (13), численное решение которой (методом дихотомии) при известных значениях d, L, ρ_ж, µ_ж, Р_1ж, Р_2ж, ξ_вх и величины утечки Q_νs позволяет определить предельное значение радиального эквивалентного зазора b.

Необходимые параметры при определении величины эквивалентного зазора, такие как Р_1ж - давление жидкости перед входом в зазор (щель); Р_2ж - давление жидкости на выходе из зазора (щели); ρ_ж - плотность жидкости; µ_ж - динамическая вязкость жидкости, используются с такими значениями, которые устанавливают регламентирующие документы, лимитирующие предельные утечки жидкости.

Далее при известных b, d, L, а также при известных параметрах газа (воздуха) перед щелью (зазором): температуре торможения Т₀, давлении торможения P₀ и вязкости µ₀, определяют основные параметры течения газа вдоль щели и в том числе расходы Q и Q_ν. Для этого вначале следует вычислить Р_0кр по формулам (2) и (1) и тем самым определить режим истечения. В случае Р₀<Р_0кр режим истечения - докритический и параметры течения определяются соотношениями (5), (6) (7). При Р₀>Р_0кр режим истечения - сверхкритический и параметры воздуха определяются по (9), (10), (11) и (12). При критическом режиме параметры истечения определяются соответственно по формулам (1), (2), (3) и (4).

Для наблюдения за динамикой технического состояния зазора сопряжения золотник-корпус целесообразно определить теоретические расходы воздуха для зазоров, не достигших предельной величины. Для этого задают ряд численных значений зазора b с малым шагом, например 0,001 мм, и для них по приведенному выше алгоритму определяют расходы воздуха предельные Q и Q_ν.

Далее составляют таблицу, в которой величинам эквивалентных зазоров b поставлены в соответствие расчетные расходы воздуха, например Q_ν. Измеренные в производственных условиях расходы воздуха сравнивают с ближайшими теоретическими значениями расходов по таблице и по ним, в этой же таблице находят соответствующие значения эквивалентных зазоров. Таким образом, получают представление о величине зазоров реальных. Расходы воздуха, не совпадающие с табличными значениями, интерполируют. Соответственно расходам интерполируют и величины эквивалентных зазоров.

Способ предназначен для диагностирования технического состояния гидрораспределителей. Способ заключается в: измерении расхода сжатого воздуха через зазор в сопряжении золотник-корпус гидрораспределителя; определении расчетным путем соответствующего расхода утечек через тот же зазор; сравнении полученного расчетного расхода утечек с предельной величиной расхода утечки, установленной нормативными документами, и дополнен: математическими зависимостями течения воздуха в щели, позволяющими определить режим течения этого течения для кольцевого зазора в сопряжении золотник-корпус - докритический, критический и закритический; математическими зависимостями течения воздуха в щели, позволяющими вычислить расходы воздуха через кольцевой зазор в сопряжении золотник-корпус для различных режимов его истечения - докритического, критического и закритического; математической зависимостью течения вязкой капельной жидкости в щели, позволяющей вычислить расход через кольцевой зазор в сопряжении золотник-корпус, при этом учитывающей сопротивление на входе в щель; расчетным алгоритмом, определяющим последовательность расчетов вышеуказанных математических моделей и дающим возможность выполнять данные расчеты на ЭВМ. Технический результат - повышение точности диагностирования. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ диагностирования золотниковых гидрораспределителей сжатым воздухом, заключающийся в измерении расхода сжатого воздуха, протекающего через зазор сопряжения золотник-корпус гидрораспределителя, и сравнении измеренного расхода с величиной расчетного расхода, причем расчетный расход воздуха определяется как расход через эквивалентный зазор, отличающийся тем, что расчетный расход воздуха определяется для трех режимов его истечения критического, докритического и закритического, причем расчетные зависимости имеют вид:
для критического режима истечения




где ;

для докритического режима



где


для закритического режима




где
где общие обозначения:
k - показатель адиабаты;
b - эквивалентный радиальный зазор в сопряжении;
- номинальный (расчетный) радиус сопряжения;
d - диаметр золотника;
L - длина зазора (щели);
- относительная длина зазора (щели);
µ₀ - динамическая вязкость адиабатически заторможенного газа (воздуха);
µ_в=µ_w - динамическая вязкость воздуха;
Q_ν - объемный расход газа (воздуха);
Q - массовый расход газа (воздуха);
P₀ - давление адиабатически заторможенного газа (воздуха) перед входом в зазор;
- среднее полное давление газа (воздуха) внутри сечения щели при входе в нее;
P_1ν - давление воздуха перед входом в зазор (щель);
Р_2ν - давление воздуха на выходе из зазора (щели);
P_н=P_n - давление воздуха в окружающем пространстве;
ρ_в - плотность воздуха;
R - газовая постоянная;
Т - абсолютная температура воздуха;
Т₀ - абсолютная температура адиабатически заторможенного газа (воздуха);
- критическая скорость воздуха в зазоре;
- относительная скорость движения газа (воздуха);
ν - функция скорости в зазоре (щели);
- местное сопротивление при втекании воздуха в зазор.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что эквивалентный зазор определяется расчетным путем по величине нормируемых утечек рабочей жидкости через сопряжение золотник-корпус с учетом сопротивления втеканию жидкости на входе в зазор по зависимости

где b - радиальный зазор в сопряжении;
- номинальный (расчетный) радиус сопряжения;
d - диаметр золотника;
L - длина зазора (щели);
µ_ж - динамическая вязкость жидкости;
Q_νs - объемный расход жидкости через зазор (утечка);
Р_1ж - давление жидкости перед входом в зазор (щель);
Р_2ж - давление жидкости на выходе из зазора (щели);
ρ_ж - плотность жидкости;
ξ_вх - местное сопротивление втеканию рабочей жидкости на входе в зазор.

3. Способ по п.1 или 2, отличающийся тем, что при диагностировании соблюдается следующий алгоритм расчетов:
а) по величине нормированной предельной утечки рабочей жидкости через зазор в сопряжении золотник-корпус гидрораспределителя по зависимости (13) определяется предельная величина эквивалентного зазора b в этом же сопряжении;
б) с малым шагом назначаются промежуточные размеры эквивалентных зазоров в диапазоне от номинального до предельного;
в) устанавливают параметры сжатого воздуха перед зазором - температуру торможения Т₀, давление торможения Р₀ и вязкость µ₀;
г) для установленных величин зазоров b при известных конструктивных размерах d и L, а так же также при известных параметрах воздуха перед зазором вычисляют величину Р_0кр по формулам (2) и (1) и тем самым определяют режим истечения;
д) определяют расходы Q и Q_ν и другие параметры течения воздуха вдоль канала зазора, причем в случае Р₀<Р_0кр режим истечения - докритический и параметры течения определяются соотношениями (5), (6), (7); при Р₀>Р_0кр режим истечения - сверхкритический и параметры воздуха определяются по (9), (10), (11) и (12), при критическом режиме параметры истечения определяются соответственно по формулам (1), (2), (3) и (4);
е) составляют таблицу соответствия теоретических расходов воздуха и величин эквивалентных расходов;
ж) производят измерения расхода сжатого воздуха через зазор в сопряжении золотник-корпус гидрораспределителя;
з) с измеренным расходом воздуха через сопряжение золотник-корпус сопоставляют ближайший (-ие) теоретический (-ие) расход (-ы) воздуха из таблицы соответствия, при попадании величины измеренного расхода в интервал таблицы между значениями теоретического расхода значения теоретического расхода интерполируют;
и) с найденным теоретическим расходом воздуха по таблице соответствия сопоставляют ближайшую(-ие) величину(ы) эквивалентного зазора и делается вывод о техническом состоянии сопряжения золотник-корпус гидрораспределителя, причем при попадании величины теоретического расхода воздуха в интервал таблицы между значениями эквивалентного зазора значения эквивалентного зазора интерполируются.