Экспериментальное построение диагностической модели гидравлического цилиндра

Министерство образования и науки Российской Федерации

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования

ПЕРМСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ

ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра "Ракетно-космическая техника и энергетические системы"

направление "Гидравлика и гидравлические машины"

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ПОСТРОЕНИЕ

ДИАГНОСТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ

ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ЦИЛИНДРА

Методические указания к лабораторной работе № 12

для студентов всех форм обучения

Пермь 2017

Рецензент

к. т. н., доцент

(Кафедра "Ракетно-космическая техника

и энергетические системы" ПНИПУ)

,

"Экспериментальное построение диагностической модели ГЦ". Методические указания к лабораторной работе № 12 для студентов всех форм обучения / составители , . / Пермь: Изд-во Перм. нац. исслед. политех. ун-та, 2017г. – 18 с.

Изложены краткие теоретические сведения по объектам и процедуре диагностики состояния гидроцилиндра, построения диагностической модели. Дано описание учебной установки «Диагностика гидропривода ДГП-01», порядок выполнения лабораторной работы и обработки экспериментальных данных.

Иллюстраций 9. Библиография 3 назв. Таблицы 1.

Ó Пермский национальный исследовательский

политехнический университет, 2017 г.

1 ЦелЬ работы

1.1 Экспериментальное построение диагностической модели для диагностирования гидроцилиндров методом временных интервалов.

2 ОСНОВНЫЕ положения и зависимости

2.1. Объект и процедура диагностирования

Объектом диагностирования является гидроцилиндр (ГЦ) объемного гидропривода (ОГП). В процессе эксплуатации привода в ГЦ происходят изменения, приводящие к нарушению герметичности уплотнений поршня. В результате возникают утечки рабочей жидкости (РЖ), которые могут привести к отказу ГЦ, и всего ОГП в целом. Условие отказа ГЦ имеет вид:

где - утечки рабочей жидкости через уплотнение поршня ГЦ;

- предельное значение утечек, устанавливаемое в конструкторской документации.

Диагностирование ГЦ выполняется методом временных интервалов. Процедура диагностирования заключается в измерении диагностического параметра – времени самопроизвольного опускания (усадки) поршня ГЦ под действием груза на установленное расстояние при запертой полости высокого давления. Далее, используя диагностическую модель, определяют утечки РЖ через уплотнения ГЦ - . Путем сравнения (см. рис.1) с допустимым и придельным значениями устанавливают диагноз, т. е. действительное техническое состояние ГЦ и относят его к одному из установленных видов.

состояние нормального функционирования

предотказное состояние

неработоспособное состояние

Рис.1 Циклы технического состояния ГЦ

2.2. Аналитическая диагностическая модель

Утечки рабочей жидкости в ГЦ определяют скорость самопроизвольного опускания (усадки) поршня

, (1)

где - площадь поршня со стороны штока.

Расстояние между датчиками положения груза (рис. 2) выбирается в середине рабочего хода поршня.

Рис.2

На этом участке движение груза является равномерным (), т. к. переходные процессы при страгивании поршня успевают закончиться. В этом случае скорость опускания груза может быть определена по формуле:

, (2)

где - расстояние между датчиками положения груза;

- время опускания груза на установленное расстояние (расстояние между датчиками положения).

Приравнивая выражения (1) и (2), находим:

.

Отсюда получаем

. (3)

Выражение (3) связывает утечки рабочей жидкости через уплотнения поршня ГЦ , которые являются параметром технического состояния ГЦ, со временем , принимаемым в качестве диагностического параметра. Таким образом, соотношение (3) представляет собой диагностическую модель. Качественно эта зависимость изображена на рис. 3.

Рис. 3

Чувствительность диагностического параметра к изменению параметра технического состояния , характеризующего степень износа уплотнений ГЦ, может быть оценена производной:

. (4)

Знак минус в формуле (4) указывает на уменьшении чувствительности к с ростом .

Качественно зависимость (4) представлена на рис.4.

Рис.4

Анализ этой зависимости позволяет установить, что наибольшая чувствительность к наблюдается при малых значениях утечек . Это обстоятельство является весьма полезным для диагностирования ГЦ. Появляется возможность обнаруживать малые износы уплотнения. Однако при этом диагностический параметр может достигать относительно больших величин. Если , то . Действительно, если нет утечек рабочей жидкости через уплотнения ГЦ, то груз самопроизвольно опускаться не будет.

2.3. Экспериментальная диагностическая модель

Диагностическая модель может быть построена экспериментальным путем с использованием учебной установки ГПА-01, которая позволяет реализовать схему ОГП поступательного движения, имитировать утечки РЖ в ГЦ, измерять необходимые параметры. Если диагностическую модель представить в виде связи между безразмерными комплексами (критериями подобия), то ее можно распространить на подобные ГЦ других типоразмеров.

3  УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ

УЧЕБНОЙ УСТАНОВКИ ДГП-01

3.1 Устройство

Учебная установка «Диагностика гидропривода ДГП-01» собрана на базе демонстрационной установки ГПА-01.Она состоит из насосной станции с манометром, источника питания 24 вольта постоянного тока, двух устройств электрического управления, двух перфорированных монтажных панелей для размещения и быстрой фиксации элементов и устройств по гидравлике.

Устройства электрического управления состоят из смонтированных на отдельных коммутационных панелях с мнемосхемами самих устройств и коммутационных контактов. На каждой панели смонтировано:

– по 6 реле:

реле К1 включается кнопкой c фиксацией SB1 и имеет две группы

контактов на переброс;

реле К2 и К3 включаются кнопками без фиксации SB2 и SB3,

соответственно, и имеют по две группы контактов на переброс;

реле К4, К5, К6 включаются подачей напряжения на обмотку реле с шин источника электропитания внешними бесконтактными или контактными управляющими устройствами (датчиками, преобразователями и так далее) и имеет по три группы контактов на переброс;

– генератор импульсов G1,

– счетчик импульсов PC1.

Генератор импульсов G1совместно со счетчиком импульсов PC1 могут использоваться как секундомер.

3.2 Принцип действия

На перфорированной монтажной панели собрана гидравлическая схема, показанная на рис. 5, и электрическая схема управления (Рис. 6).

Учебная установка имеет три режима:

– опускание груза,

– подъем груза,

– усадки поршня гидроцилиндра при замкнутой полости высокого давления (усадка поршня под действием груза с измерением времени усадки и объема "утечки" масла в мерный бак при движении между двумя оптическими датчиками).

Включение установки.

Вилку электрокабеля установки вставить в электророзетку 220 В;

к электрической схеме управления насосной станцией HC1 подведено напряжение 220 В.

Рис.5 Схема гидравлическая принципиальная учебной установки ДГП-01

При кратковременном нажатии кнопки SB4 «пуск», срабатывает электромагнитный пускатель KM1 и своими контактами KM1:2 и KM1:3 включает электромотор MA1, который приводит в движение насос Н1. Насосная станция НС1 создает в напорной магистрали P постоянное давление, которое контролируется манометром МН1. Клапан переливной KП1 обеспечивает постоянное давление масла в напорной гидролинии. Контакты KM1:1 блокируют кнопку SB4 и насос продолжает работать после её отпускания. В цепи электропитания электромотора MA1 установлено электротепловое реле KK1, которое отключит электромотор при повышенном потреблении тока обмотками электромотора.

При переводе выключателей QF1 и Q1 в положение «включено», в электрическую схему панели электрического управления установки подается постоянное напряжение 24В от блока электропитания UG1, светится индикатор HL1 подачи напряжения 24 вольта в схему управления

Учебная установка готова к работе.

3.3  Режимы работы учебной установки.

3.3.1 Режим подъема груза.

Нажать и удерживать кнопку SB2, включается реле К2, которое своими контактами К2:1 включает электромагнит YA1 (ЭМ1) гидрораспределителя Р1, а нормальнозамкнутый контакт К2:2 отключает напряжение + 24 вольта от датчиков оптических и секундомера. Давление масла через клапан обратный КО2 поступает в штоковую область цилиндра Ц1, происходит подъем груза. Масло из поршневой области выдавливается в бак Б1 через дроссель ДР1, которым регулируется скорость подъема груза. При отпускании кнопки SB2 гидрораспределитель Р1 возвращается в исходное состояние, движение масла прекращается и груз остается в поднятом состоянии.

3.3.2 Режим опускания груза.

Нажать и удерживать кнопку SB3, включается реле К3, которое своими контактами К3:1 включает электромагнит YA2 (ЭМ2) гидрораспределителя Р1, а нормальнозамкнутый контакт К3:2 отключает напряжение + 24 вольта от датчиков оптических и секундомера Давление масла через клапан обратный КО1 поступает в поршневую область цилиндра Ц1, происходит опускание груза. Масло из штоковой области выдавливается в бак Б1 через дроссель ДР2, которым регулируется скорость опускания груза. При отпускании кнопки SB3 гидрораспределитель Р1 возвращается в исходное состояние, движение масла прекращается и груз остается в опущенном состоянии.

3.3.3  Режим усадки поршня гидроцилиндра при замкнутой полости

высокого давления.

Нажать кнопку SB1 (с фиксацией положения), включается реле К1, которое своими контактами К1:1 включает электромагнит YA3 (ЭМ3) гидрораспределителя Р2. Поршневая область гидроцилиндра соединяется с первым входом бака мерного БМ1. Поршень цилиндра Ц1 под действием груза начинает опускаться и масло из штоковой области через канал В-Т гидрораспределителя Р2, дроссель ДР3 и гидрораспределитель Р3 выдавливается в бак Б1. Дросселем ДР3 имитируются утечки рабочей жидкости через поршневое уплотнение.

Рис.6 Схема электрическая принципиальная учебной установки ДГП-01

3.3.4  Режим усадки поршня гидроцилиндра при замкнутой полости

высокого давления.

Нажать кнопку SB1 (с фиксацией положения), включается реле К1, которое своими контактами К1:1 включает электромагнит YA3 (ЭМ3) гидрораспределителя Р2. Поршневая область гидроцилиндра соединяется с первым входом бака мерного БМ1. Поршень цилиндра Ц1 под действием груза начинает опускаться и масло из штоковой области через канал В-Т гидрораспределителя Р2, дроссель ДР3 и гидрораспределитель Р3 выдавливается в бак Б1. Дросселем ДР3 имитируются утечки рабочей жидкости через поршневое уплотнение.

При опускании груза до положения - ДО1:1, срабатывает оптический датчик B1 (ДО1), который включает секундомер и реле К4. Реле К4 своим контактом К4:1включает электромагнит YA5 (ЭМ5) гидрораспределителя Р3, а контактом К4:2 через нормальнозамкнутый контакт К5:1 реле К5 ставит себя на самоблокировку. При срабатывании электромагнита YA5 (ЭМ5) гидрораспределителя Р3, масло из штоковой области выдавливается в бак мерный БМ1.

При опускании груза до положения - ДО2:1, срабатывает оптический датчик B2 (ДО2), который выключает секундомер и включает реле К5. Реле К5 своим контактом К5:1разрывает самоблокировку реле К4 и контакты К4:1 выключают электромагнит YA5 (ЭМ5) гидрораспределителя Р3. Гидрораспределитель Р3 возвращается в исходное состояние и масло из штоковой области цилиндра, до полного опускания груза, выдавливается через гидрораспределитель Р3 в бак Б1.

Таким образом, на участке - ДО1:1 – - ДО2:1 опускания груза, производится сбор масла из штоковой области в бак мерный БМ1 и фиксируется время движения груза в этой области.

Для завершения цикла необходимо: привести в исходное положение контакты кнопки SB1, повторным нажатием клавиши, и сбросить показания счетчика секундомера.

4  ОХРАНР ТРУДА ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

НА УЧЕБНОЙ УСТАНОВКЕ ДГП-01

Работа на учебной установке сопряжена с воздействием следующих опасных и вредных производственных факторов:

– опасный уровень напряжения в электрической цепи (220 В, 50 Гц), замыкание которой может пройти через тело человека;

– повышенный уровень шума (электродвигатель, насосы);

– попадание на руки минерального масла.

При выполнении лабораторной работы необходимо соблюдать следующие требования по охране труда:

– не загромождать рабочее место около учебной установки;

– соблюдать осторожность при проведении практического занятия на учебной установке из-за возможного воздействия опасных и вредных производственных факторов;

– следить за целостностью изоляции электрического кабеля и вилки подключения учебной установки;

проверять надежность фиксации сменных элементов на перфорированной монтажной панели;

– следить за отсутствием течи масла в соединениях гидравлической системы учебной установки, гидроаппаратов и мест соединений элементов гидравлических схем гибкими и жесткими трубопроводами;

– не работать на неисправной учебной установке;

собирать гидравлическую и электрическую схемы разрешается при отключенном электродвигателе насоса и отключенном блоке электропитания 24В.

После сборки, разборки и регулирования элементов гидравлической схемы, протирать руки бумажной салфеткой, а затем мыть их с мылом в горячей воде.

К работе с использованием учебной установки разрешается приступать после:

– прохождения инструктажа согласно «Инструкции по охране труда при работе студентов на учебных установках в лаборатории гидравлики и гидромашин

ИОТ-495-2015» и инструкции по пожарной безопасности;

– изучения учебных и методических материалов, разработанных для данной учебной установки;

– изучения руководства по эксплуатации учебной установки.

При пользовании учебной установкой запрещается:

– оставлять без присмотра работающее оборудование;

-  эксплуатировать кабель электропитания с поврежденной или потерявшей защитные свойства изоляцией;

-  пользоваться поврежденными вилками и розетками;

-  тянуть за кабель для отключения электропитания учебной установки от электророзетки (тянуть необходимо за вилку электрокабеля);

-  подавать давление в систему, не проверив надежность присоединения гибких трубопроводов к элементам и устройствам;

-  производить соединение и разъединение гидравлических гибких трубопроводов с элементами и устройствами, если система находится под давлением.

-  помещать руки в зону действия исполнительных механизмов.

Выключите электродвигатель нажатием кнопки “Стоп” при появлении в процессе работы повышенного механического шума или вибраций, утечек рабочей жидкости из системы, запаха дыма.

Лабораторные работы с использованием учебной установки разрешается выполнять в соответствии с настоящим учебно-методическим пособием и только в присутствии преподавателя или учебного мастера.

5  ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

5.1  Расположение органов управления, настройки и измерений.

Расположение органов управления и измерений приведено на общем виде учебной установки рис.7, рис. 8.

5.2 Включение учебной установки.

ВНИМАНИЕ!

Проверьте надежность фиксации быстроразъемных соединений гидроэлементов и гибких трубопроводов.

Рис. 7 Вид спереди

Рис. 8 Вид сбоку

5.2.1 Вставьте вилку электрического кабеля установки в электрическую розетку с заземляющим контактом.

5.2.2 Включите насосную станцию, нажав на кнопку SB4 «Пуск». Проконтролируйте по манометру давление в напорной гидролинии.

5.2.3 Включите блок электропитания 24В, повернув выключатель QF1.

5.2.4 Включите электропитание 24В панели управления, повернув выключатель Q1. Светится красный индикатор HL1.

5.3 Приведение учебной установки в исходное состояние.

5.3.1 Установите вентиль ВН1 в положение закрыто.

5.3.2 Поверните ручку дросселя ДР3 на один оборот против часовой стрелки.

5.3.3 Нажмите кратковременно кнопку SB1 (красная с фиксацией положения). Наблюдайте включение электромагнита YA3 (ЭМ3) гидрораспределителя Р2, по свечению индикатора.

5.3.4 Нажмите и удерживайте кнопку SB3, наблюдайте поступление масла в бак мерный БМ1.

5.3.5 Отпустите кнопку SB3, при наполнении бака мерного БМ1 примерно до отметки 63. Наблюдайте прекращение поступления масла в бак мерный БМ1.

5.3.6 Нажмите повторно кратковременно кнопку SB1 для перевода её в положение выключено.

5.3.7 Переведите дроссель ДР3 в положение "закрыто", поворотом его ручки по часовой стреле до упора (стрелка установится на риску 0 лимба.

5.4 Проведение эксперимента

5.4.1 Установите уровень масла в баке мерном БМ1 на отметку 62, плавным приоткрыванием вентиля ВН1, закройте вентиль.

5.4.2 Нажмите кнопку сброса счетчика импульсов PC1 секундомера, убедитесь, что счетчик обнулен.

5.4.3 Установите ручку дросселя ДР3 в первое, заданное преподавателем, положение, (имитация износа уплотнения поршня цилиндра). Положение ручки дросселя устанавливается стрелкой по рискам лимба.

5.4.4 Нажмите и удерживайте кнопку SB2, происходит подъем груза. Дросселем ДР1 регулируется скорость подъема груза. При отпускании кнопки SB2 груз остается в поднятом состоянии.

5.4.5 Нажмите кратковременно кнопку SB1 (красная с фиксацией положения). Наблюдайте включение электромагнита YA3 (ЭМ3) гидрораспределителя Р2, по свечению индикатора, и опускание груза.

При опускании груза до положения - ДО1:1, наблюдайте срабатывание оптического датчика B1 (ДО1), включение секундомера, включение электромагнита YA5 (ЭМ5) гидрораспределителя Р3 и поступление масла в бак мерный БМ1.

При опускании груза до положения - ДО2:1 наблюдайте срабатывание оптического датчика B2 (ДО2), выключение секундомера и прекращение поступления масла в бак мерный. Груз продолжает опускаться до постановки на основание

5.4.6 Нажмите повторно кратковременно кнопку SB1 для перевода её в положение выключено.

5.4.7 Повторите пункты 5.4.2 – 5.4.6., заданное преподавателем количество раз.

5.4.8 Снимите суммарное показание счетчика в секундах, запишите в таблицу 1.

5.4.9 Определите суммарный объем масла (в делениях), поступившего в мерный бак, по показанию мерной линейки бака (отсчет начинается с отметки 62) и запишите в таблицу 1.

5.4.10 Запишите в таблицу 1 количество проведенных замеров M, при данном установленном положении дроссель ДР3.

5.4.11 Повторите пункты 5.4.1 – 5.4.10 для других, заданных преподавателем, положений ручки дросселя ДР3.

5.5 Выключение учебной установки

5.5.1 Убедитесь, что груз находится в опущенном положении.

5.5.2 Отключите выключателем Q1 электропитание панели электрического управления.

5.5.3 Выключите блок электропитания выключателем QF1.

5.5.4 Выключите насос, нажав откидной шторкой кнопу SB5 «Стоп».

5.5.5  Выдернете вилку сетевого кабеля установки из электрической розетки.

5.5.6 Откройте вентиль ВН1.

5.5.7 Переведите дроссель ДР3 в положение "закрыто", поворотом его ручки по часовой стреле до упора.

6 ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА

Обработку результатов производится в табличной форме.

6.1 Вычислите суммарные объемы утечек через уплотнение поршня в см3, записанные при проведении эксперимента в делениях шкалы бака мерного.

6.2 Вычислите среднеарифметические значения объема утечек через уплотнение поршня

, .

6.3 Вычислите среднеарифметические значения времени усадки поршня

, .

6.4 Определите утечки РЖ в ГЦ по формуле

, .

6.5 Вычислите среднеарифметические значения времени усадки поршня в минутах, с точностью до десятых долей.

6.6 Постройте график зависимости – диагностическую модель, по данным таблицы 1.

Рекомендуемая масштабная сетка формы, для построения диагностической модели ГЦ, приведена на рис. 9.

6.7 Проведите анализ характера изменения полученной зависимости, определите на какие участки можно разбить кривую по относительной крутизне (зависимость величины времени утечки одинакового количества РЖ на разных участках). Сделайте вывод, какой участок полученной диагностической модели ГЦ, предположительно, будет соответствовать техническому состоянию нормального функционирования.

7 СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчёт составляется каждым студентом и должен содержать:

–  титульный лист с названием кафедры, вуза, исполнителя (номер группы, фамилию и инициалы студента);

–  название работы;

–  цель работы;

–  основные теоретические положения;

–  схему гидравлическую учебной установки;

–  основные расчётные формулы и пояснения к ним;

–  протокол испытаний (таблицу 1);

–  диагностическую модель - зависимость ;

–  выводы по работе.

Таблица 1

8 КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Цель технического диагностирования ГЦ.

2.Техническое состояние ГЦ, параметры технического состояния.

3.Номинальное, допустимое и предельное значение параметра технического состояния. Виды технического состояния.

4.Диагностические параметры. Аналитическая диагностическая модель.

5. Порядок построения экспериментальной диагностической модели.

6. Состав и принцип действия учебной установки.

Рис. 9 Рекомендуемая масштабная сетка формы для построения диагностической модели ГЦ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Техническая диагностика гидравлических приводов/ , , и др.; Под общ. ред. . – М.: Машиностроение, 1989. – 264 с.

2., , Красневский диагностика гидросистем: Научное издание.- Мн.: Белавтотракторостроение, 2000. – 120 с.

3. Технические средства диагностирования: Справочник/, , и др.; Под общ. ред. . – М.: Машиностроение, 1989. – 672 с.