В современном машиностроении для привода рабочих и исполнительных механиз­мов применяются различные их виды: механи­ческий, электрический, пневматический, гид­равлический и др. Вместе с тем можно отме­тить, что на ответственных, работающих в тя­желых режимах машинах и механизмах самое широкое применение находят технические сис­темы с гидравлическим приводом рабочего и исполнительного оборудования. Это благодаря таким его преимуществам, как относительная простота устройства, обслуживания, контроля функционирования, возможность комплексной механизации производственных процессов, вы­сокая степень безопасности труда, хорошие эр­гономические свойства. Благодаря широкому распространению гидравлического привода в машинах и механизмах в различных техниче­ских и промышленных отраслях объективно возникает потребность в контроле техническо­го состояния его элементов, так как имеющийся достаточно большой опыт эксплуатации гид- рофицированной техники позволяет сделать вывод о большом влиянии надежности элемен­тов гидропривода на надежность всей техниче­ской системы (машины, механизма).

Так доля отказов, приходящихся на элементы гидропривода, для машин и механиз­мов, эксплуатируемых в строительной отрасли, в сфере жилищно-коммунального комплекса, на некоторых видах транспортных средств, со­ставляет величину до 60% от общего числа отказов, причем от этой величины более 50% - отказы рукавов высокого давления в напорных магистралях. Для указанных машин вероят­ность безотказной работы колеблется в преде­лах 0,86÷0,73, время наработки на отказ 220÷310 час, интенсивность отказов при экспо­ненциальном распределении (3÷5)× 10^-3×час^-1, что значительно меньше установлен­ных показателей.

Анализ и выбор метода неразру­шающего контроля

Следствием снижения надежности яв­ляется целый комплекс причин, объективных и субъективных, но такое положение обуславли­вает необходимость развития существующих и разработку новых применимых методов опре­деления и оценки технического состояния де­талей, узлов и агрегатов гидравлической системы, причем приоритетными способами следует считать неразрушающие.

Классификация методов неразрушающего контроля (МНК), используемых в различных технических системах представлена на рисунке 1. В настоящее время принято девять основных видов неразрушающего контроля: акустический, радиационный, оптический, радиоволновый, тепловой, магнитный, электромагнитный (вихревых токов), электрический, проникающих веществ. При этом каждый из указанных видов подразделяется на большое количество методов.

Рисунок 1. Классификация методов неразрушающего контроля

Выбор того или иного МНК определя­ется следующими факторами:

-агрегатным состоянием контролируе­мой среды (газообразная, жидкая, твёрдая);

-физическим состоянием контролируе­мой среды (диэлектрик, полупроводник, про­водник, магнит, не магнит);

-видом структуры контролируемой среды (аморфная, слабоанизотропная, сильноанизотропная и т.д.);

-способностью взаимодействовать с проходящим излучением (слабое или сильное поглощение, слабое или сильное рассеяние и т.д.);

-местом контроля (в жидкости, при пе­репадах температур, под давлением и т.д.);

-размерами, конфигурацией и конструк­тивными особенностями объекта контроля (простой или сложной формы, одно- или мно­гослойная, клеевая и т.д.);

-видом решаемой задачи (дефектоско­пия, толщинометрия, диагностика и т.д.).

Все МНК делятся на два класса: методы контроля физико-механических характеристик материалов и методы дефектоскопии.

Принципиальное различие заключается в следующем: первый основан на определение физических параметров с последующей их кор­реляцией с механическими характеристиками материалов. Второй основан на прямом преоб­разовании энергии излучения, отражаемой от дефекта или прошедшей через контролируемую среду.

Конструкция оболочки рукавов высоко­го давления (РВД) является весьма сложным объектом контроля, так как характеризуется существенной неоднородностью структуры, анизотропией свойств, специфическими физи­ческими свойствами: высокая тепло, электро - и звукоизоляция.

РВД относятся к диэлектрикам и явля­ются не магнитопроводными. Поэтому МНК, применяемые при дефектоскопии изделий из металла, например, магнитный, электромагнит­ный (вихревых токов), к ним не применимы.

Эффективность теплового МНК очень низка из-за существенной тепловой инерцион­ности наружного резинового корда.

Не эффективны для контроля РВД так­же высокочастотные ультразвуковые (УЗ) ме­тоды, т.к. ультразвуковые волны с частотой свыше 1 МГц либо не ввести в оболочку РВД из-за сильного поглощения и рассеяния и суще­ственной шероховатостью поверхности, либо они значительно ограничивают диапазон кон­тролируемых толщин.

Радиационные методы более эффектив­ны для контроля плотности или толщины, чем для дефектоскопии, т. к. чувствительность де­фектоскопии данными методами в 3 - 4 раза ниже чувствительности дефектоскопии стали.

Наиболее эффективными при неразру­шающем контроле многослойных материалов являются следующие методы:

1. Низкочастотный УЗ импульсный.

2. Радиоволновой.

3. Инфракрасный оптический.

Основными критериями, обусловивши­ми выбор данных методов контроля, были сле­дующие:

• безопасность для обслуживающего пер­сонала;

• чувствительность контроля;

• точность и воспроизводимость резуль­татов контроля;

• обеспечение высокой производительно­сти контроля;

• сравнительная простота методики кон­троля;

• наличие и возможность использования серийной аппаратуры;

• сравнительно не высокая стоимость контроля;

• возможность использования обслужи­вающего персонала невысокой квалификации.Радиоволновому МНК доступны, толь­ко те многослойные материалы, в которых обо­лочка состоит из материала диэлектрика или плохого проводника. Оболочки, включающие хотя бы один слой проводника (металла), кон­тролю этим методом недоступны.

Для инфракрасного оптического метода материал должен иметь определённую степень прозрачности. Оболочка РВД не прозрачна, т.к. наружной её слой выполнен из резины.

Ни один из методов и приборов не яв­ляются универсальным и не может удовлетво­рять в полном объёме требованиям практики. Можно полагать, что все дефекты разделяются на 4 группы. Дефекты типа нарушения сплошности: раковины, трещины, расслоения, поры и др. относятся к 1 группе. Оценка выявляемости дефектов 1 группы приведены в таблице 1.

Таблица 1. Оценка выявляемости дефектов 1 группы

Из значений оценки (см. табл.) видно, что наиболее подходящим для диагностирова­ния резинометаллической оболочки, каковой является оболочка РВД, будет акустический МНК, так как по причинам, изложенным выше для контроля оболочки РВД, не могут быть ис­пользованы радиоволновой и инфракрасный оптический МНК.

Традиционный УЗ метод отражённого или рассеянного излучения (эхо - метод) нахо­дит широкое применение (около 90 % объектов контролируются этим методом) при дефекто­скопии материалов с малым затуханием УЗ - в диапазоне 1-25 МГц. К числу таких материалов относятся различные сорта стали, титан, алю­миний и др. металлы, а также стекло, керамика, фарфор, жидкие различные вещества. Однако применение этого метода для контроля много­слойной оболочки РВД не представляется воз­можным в связи с высоким рассеянием и зату­ханием упругих волн высокой частоты. Это обусловлено тем, что длина упругих колебаний (0,1-3 мм) соизмерима с размерами элементов структуры материала оболочки РВД. Отраже­ние упругих волн от элементов структуры ма­териала оболочки (резины) создаёт сложные явления взаимодействия упругих волн, обу­словленные их реверберацией, дифракцией и интерференцией.

Контроль состояния оболочки РВД УЗ способом становится возможным только в том случае, когда длина волны упругих колебаний на порядок больше преобладающего размера элементов структуры материала оболочки (ре­зины). Выполнение данного условия возможно в случае использования частотного диапазона в области низких УЗ частот - в диапазоне 20÷200 кГц.

Первые исследования распространения упругих колебаний в материалах без их разру­шения вибрацией гораздо более высоких частот - выше порога слышимости 16÷20*10³ Гц (ультразвук) были проведены в 1927-1928 годах профессором С. Я. Соколовым. Получен­ный им в 1928 году «Патент на устройство для испытания материалов» положил начало разви­тию применение УЗ в современной технике - УЗ дефектоскопии.

Значительный вклад в разработку УЗ МНК в своих работах внесли отечественные специалисты Н. П. Алёшин, Л. М. Бреховских, А. К. Гурвич, И. Н. Ермолов, Л. Г. Меркулов, А. И. Потапов, А. С. Фалькевич, В. Г. Щербинский и многие другие.

В конце 30-х годов в США появляются работы, предлагающие использование МНК для определения динамического модуля упру­гости.

В настоящее время УЗ применяется во многих отраслях техники. Так за рубежом раз­работана система УЗ контроля ISONIC, которая по оценке фирмы Gabi Shoef Ltd., позволяет осуществлять УЗ контроль с гарантией высокой надёжности.

В нашей стране лабораторией механофизики Санкт-Петербургского государственного тех­нологического института (технический универ­ситет) разработаны несколько типов УЗ прибо­ров и пьезоэлектрических преобразователей, работающих на низких УЗ частотах (20^300 кГц) с излучением упругих импульсов малой и регулируемой длительности (от одного периода колебаний и выше) и управляемой диаграммой направленности.

Таким образом, можно сделать вывод, что оптимальным МНК для диагностирования технического состояния многослойной оболоч­ки РВД является акустический МНК, а именно низкочастотный УЗ импульсный метод. Дан­ный МНК остаётся во многих случаях единст­венной альтернативой радио - или рентгено­графии, и выигрывает по показателям чувстви­тельности, себестоимости и безопасности для персонала.

При выборе данного метода необходи­мо учитывать следующие требования:

• обеспечение контроля оболочки РВД с доступом с любой стороны;

• возможность контроля на шероховатой поверхности с неровностями ± 0,5 мм;

• возможность измерения непосредствен­но на элементе в любом его участке;

• контроль, как в процессе изготовления, так и во время эксплуатации;

• точность измерений не ниже 1÷3 %.

Предлагаемый метод нельзя признать низкозатратным, так как диктует необходи­мость применения относительно дорогостояще­го аппаратного обеспечения и привлечения персонала соответствующей квалификации, но может быть признанным перспективным, так как ожидаемое повышение основных показате­лей надежности элементов гидропривода, пре­жде всего рукавов высокого давления, состав­ляет для вероятности безотказной работы - 3 ÷ 5%, наработки на отказ - 20÷40%.

Оценить применимость выбранного ме­тода неразрушающего контроля для диагности­рования рукавов высокого давления возможно прямым счетом на основе результатов экспери­ментального применения или в производствен­ных условиях. Однако можно воспользоваться аналитическими методами.

Прогнозирование остаточного ресурса

Для определения закономерностей из­менения технического состояния машины в це­лом, ее узлов и агрегатов в процессе эксплуата­ции выполняется прогнозирование надежности машин. Различают три этапа прогнозирования: ретроспекцию, диагностику и прогноз. На пер­вом этапе устанавливают динамику изменения параметров машины в прошлом (чаще всего для определения причин отказов, аварий, ката­строф), на втором - определяют техническое состояние элементов в настоящем, на третьем - прогнозируют изменение параметров состояния элементов в будущем.

Специфика жилищно-коммунальной отрасли, где находит применение самый широ­кий спектр специализированных машин (ком­мунальных, строительных, подъемно­транспортных, автомобильного и технологиче­ского транспорта, в большинстве своем осна­щенных гидроприводом) предполагает точ­ность решения задач прогнозирования с по­грешностью не более 10...15% и использование методов прогнозирования, позволяющих полу­чить решение задач в кратчайшие сроки. Мето­ды прогнозирования надежности машин выби­рают с учетом задач прогнозирования, количе­ства и качества исходной информации, харак­тера реального процесса изменения показателя надежности (прогнозируемого параметра).

Анализ структуры потока отказов спе­циализированных машин, оснащенных гидро­приводом рабочего и исполнительного обору­дования, эксплуатируемых в жилищнокоммунальной сфере, позволяет заключить, что более 50% отказов приходится на узлы и агре­гаты гидросистемы, из которых, в свою оче­редь, более 50% составляют отказы рукавов высокого давления (РВД) напорных и соедини­тельных магистралей, происходящие, прежде всего, из-за потери (в силу различных причин) негерметичности оболочек. Эффективность управления работоспособностью парка специа­лизированных машин (СМ) в значительной ме­ре определяется своевременностью и точно­стью прогноза технического состояния РВД, установленных в системе гидропривода СМ.

Прогнозирование технического состоя­ния РВД системы гидропривода может быть успешно реализовано применением средств и методов технической диагностики, причем в качестве одного из наиболее информативных и применимых способов можно признать низко­частотный ультразвуковой импульсный метод неразрушающего контроля.

Под прогнозированием остаточного ре­сурса

РВД понимается определение такого по­казателя надежности, как ожидаемой величины наработки до отказа, т. е. периода использова­ния при которой сохраняется работоспособ­ность РВД. Результаты прогнозирования следу­ет использовать для определения рационально­го (равного или прогрессивного уменьшающе­гося) срока между событиями диагностирова­ния (или контроля). По виду проявления во времени изменения состояния оболочки РВД может быть постепенными или внезапными. Характерными причинами постепенного изме­нения состояния оболочки РВД являются кор­розия, усталостное разрушение, обрыв прово­лок металлического корда оболочки РВД и т.п. Внезапные изменения состояния проявляется в форме прорыва металло-резинового корда обо­лочки РВД. Внезапные изменения состояния являются часто следствием накопления посте­пенных изменений. Упомянутый выше низко­частотный ультразвуковой импульсный метод неразрушающего контроля, как способ диагно­стирования РВД, позволяет своевременно за­фиксировать момент подхода к предельному состоянию, что позволяет избежать внезапных изменений состояния оболочки РВД.

На первоначальном этапе прогнозиро­вание остаточного ресурса РВД производится приближённым по зависимостям, представлен­ным на рис.2. При необходимости это значение корректируется, проводится аналитическое прогнозирование.

Рисунок 2. Прогнозирование остаточного ресурса РВД, устанавливаемых на СМ, по величине амплитуды прошедшего УЗ импульса: 1 – РВД 12; 2 – РВД 16; 3 - РВД 20; 4 – РВД 25; 5 – график P(t)

В действующих нормативных и руково­дящих документах диагностирование РВД при диагностировании гидросистемы (в целом) не предусмотрено, хотя до 50 % отказов гидросис­темы происходит из-за отказов РВД, как было упомянуто выше. Учитывая это, а также реко­мендованную периодичность проведения диагностирования гидросистемы СМ, первое диаг­ностирование оболочки РВД следует проводить при проведении ТО - 2.

Последующее диагностирование РВД производится с учётом определённого остаточ­ного ресурса (при ближайшем к этому времени планового ТО - 2) или по необходимости (сня­тие или постановка СМ на консервацию (при сезонной эксплуатации), передача в другую организацию и т. п.). Таким образом, решение о замене РВД или проведении следующего диаг­ностирования принимается по результатам пер­вого диагностирования.

Выше было сказано, что периодичность контроля технического состояния РВД СМ це­лесообразно совмещать с одним из мероприя­тий системы технического обслуживания и ре­монта (в частности с ТО - 2), однако, следует заметить, что вопрос оптимизация периодично­сти контролей работоспособности, технических обслуживаний и ремонтов СМ достаточно ва­жен и заслуживает отдельных исследований.

Рисунок 3. Алгоритм прогнозирования остаточ­ного ресурса

Наиболее распространенными методами определения периодичности мероприятий сис­темы технического обслуживания и ремонта являются: по допустимому уровню безотказно­сти, по допустимому значению и закономерно­сти изменения параметра технического состоя­ния, технико-экономический, экономиковероятностный, метод статистических испыта­ний.

Предлагаемый способ прогнозирования остаточного ресурса РВД СМ позволяет реали­зовать первый из указанных методов.

Метод определения периодичности контролей работоспособности по допустимому уровню безотказности основан на выборе такой рациональной периодичности, при которой ве­роятность отказа элемента не превышает зара­нее заданной величины (рис. 4).

Рисунок 4. Определение периодичности ТО по допустимому уровню безотказности

Как правило, допустимую вероятность безотказной работы устанавливают исходя из величины гамма-процентного ресурса. По это­му методу периодичности контролей работо­способности t_i < ty.

При применении этого метода (формула (4)) для оптимизации периодичности контролей работоспособности агрегатов и механизмов СМ принимается: для обеспечивающих безопас­ность 0,9÷0,98, для прочих узлов и агрега­тов 0,85÷0,9.

Следует отметить, что на практике оп­ределенная таким образом периодичность ока­зывается значительно меньшей, чем средняя наработка на отказ.

Применение предложенного метода по­зволит не только прогнозировать внезапные отказы элементов гидравлического привода СМ, а именно РВД, экономить дорогостоящую рабочую жидкость, но и прогнозировать оста­точный ресурс РВД, устанавливать время оче­редного диагностирования, принимать решение на дальнейшую эксплуатацию РВД.

П. В. Дружинин, М. Ю. Бабушкин

Источник информации:

03.08.2017