Прогнозирование кинетики показателей надежности гидроприводов подъемно-транспортной техники на основе имитационного моделирования потока отказов элементов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Прогнозирование кинетики показателей надежности гидроприводов подъемно-транспортной техники на основе имитационного моделирования потока отказов элементов

В настоящее время объемные насосные гидроприводы нашли широкое распространение в конструкциях практически всех видов транспортно-технологических машин: грузоподъемных кранов, подъемников, машин непрерывного транспорта, строительных, дорожных и коммунальных машин, промышленных роботов, вспомогательного погрузочно-разгрузочного оборудования и т.д. Это обусловлено совокупностью их технико-экономических достоинств и, в ряде случаев, существенных преимуществ перед другими известными типами приводов [1].

Современные гидроприводы состоят из значительного числа отдельных структурных элементов - гидроустройств (объемных гидромашин, гидроаппаратов, кондиционеров рабочей жидкости, гидроемкостей, гидролиний и их фасонных элементов и соединений). Каждый из них характеризуется индивидуальным уровнем надежности и вносит свой вклад в формирование общего уровня надежности гидропривода в целом. Дополнительный вклад также вносят изменение свойств рабочей жидкости и уровень надежности вспомогательных электрических и механических устройств - приводных электродвигателей и передаточных механизмов.

Количественно общий уровень надежности гидропривода удобно характеризовать интенсивностью отказов , так как этот показатель позволяет наглядно учесть индивидуальный вклад каждого -го элемента гидропривода и рабочей жидкости:

,

где - интенсивность отказов (количество в структуре гидропривода) гидромашин, гидроаппаратов, кондиционеров рабочей жидкости, гидроемкостей, гидролиний (типов гидролиний), включая их фасонные элементы и соединения, и механических устройств соответственно; - интенсивность отказов для рабочей жидкости.

Как показывают данные работы подъемно-транспортных машин в условиях нормальной эксплуатации и при достаточно стабильных режимах их функционирования, поток отказов элементов оказывается простейшим с постоянным значением интенсивности отказов как отдельных элементов , так и всего гидропривода [2]. Поэтому в произвольный момент времени эксплуатации (момент времени соответствует вводу машины в работу) вероятность безотказной работы гидропривода выражается с помощью основной формулы надежности:

. (1)

Другие количественные показатели надежности могут быть определены исходя из известных значений вероятности по соответствующим соотношениям или алгоритмам [3].

Зависимость (1) выражает монотонное снижение уровня надежности гидропривода по мере его работы в составе подъемно-транспортной машины. Однако уже при сравнительно небольших наработках машины (свыше 1000…3000 ч) значения вероятности безотказной работы оказываются существенно меньше, чем это следует из анализа данных наблюдений за отказами гидроприводов. Причина - невозможность учета с помощью данной зависимости положительного эффекта того объемного комплекса работ по восстановлению исходных параметров надежности гидропривода, который выполняется в обязательном порядке во время проведения периодических плановых ремонтов и технических обслуживаний подъемно-транспортных машин. В табл. 1 содержатся данные о продолжительности работы грузоподъемных кранов и конвейеров между моментами проведения текущих ремонтов и технических обслуживаний в пределах одного ремонтного цикла . Объем восстановительных операций, проводимых в рамках ремонта или технического обслуживания, регламентирован эксплуатационной документацией. Общие положения по периодичности восстановления работоспособности характерных элементов гидропривода применительно к гидроприводам станочного оборудования и технологических машин приведены в [5].

Таблица 1. Продолжительность работы различных видов подъемно-транспортной техники между ремонтами и техническими обслуживаниями

Восстановление или замена в некоторый момент времени эксплуатации , соответствующий очередному -му ремонту (техническому обслуживанию), какого-либо -го элемента гидропривода (или рабочей жидкости) ведет к повышению его индивидуального уровня надежности и, как следствие, к скачкообразному повышению общего уровня надежности гидропривода. В промежутке между -м и последующим -м ремонтами вероятность безотказной работы гидропривода будет монотонно снижаться, оставаясь, однако, выше тех значений , которые устанавливаются расчетом по зависимости (1). Графически кинетика вероятности безотказной работы гидропривода показана на рис. 1.

Ниже представлена методика, позволяющая прогнозировать кинетику вероятности с учетом проводимых на практике восстановительных мероприятий, регламентируемых эксплуатационной документацией.

В процессе эксплуатации в произвольный момент времени гидропривод может находиться в одном из следующих возможных состояний:

- одном работоспособном состоянии , которое характеризуется нахождением всех элементов в работоспособном состоянии и соответствием свойств рабочей жидкости требованиям эксплуатационной документации;

- одном из нескольких неработоспособных состояний , каждое из которых характеризуется нахождением одного соответствующего -го элемента гидропривода в неработоспособном состоянии при работоспособном состоянии всех остальных.

Таким образом, общее число возможных состояний гидропривода составит

.

Если принять пренебрежимо малой вероятность наступления последующего отказа произвольного -го элемента до момента восстановления после произошедшего отказа -го элемента, то граф возможных состояний и связывающих их переходов при эксплуатации периодически ремонтируемого гидропривода будет выглядеть так, как показано на рис. 2. Количественной характеристикой перехода гидропривода из работоспособного состояния в неработоспособное , вызванного отказом -го элемента, является интенсивность отказов этого элемента. Количественной характеристикой обратного перехода гидропривода из неработоспособного состояния в работоспособное , вызванного восстановлением (заменой) ранее отказавшего -го элемента, является интенсивность восстановления этого элемента.

В отечественной и зарубежной научно-технической литературе содержится значительный объем экспериментальных данных, позволяющих установить числовые значения интенсивности отказов типовых элементов гидропривода и дополнительных электрических и механических устройств [1; 6; 7]. Величины интенсивности восстановления отдельных элементов гидропривода зависят от используемого в процессе эксплуатации подъемно-транспортной техники подхода:

- восстановление (замена) -го элемента проводится по факту его отказа;

- восстановление (замена) -го элемента проводится по рекомендациям или требованиям ремонтной документации и привязано к моментам проведения ремонтов или технических обслуживаний технологической машины.

В первом случае приближенно справедливо следующее выражение:

.

Во втором случае следует ориентироваться на рекомендуемые структуры ремонтных циклов подъемно-транспортной техники различного назначения (табл. 1). В зависимости от объема и перечня элементов гидропривода, подлежащих восстановлению или замене при очередном техническом обслуживании или ремонте, интенсивность их восстановления можно определять согласно одному из следующих соотношений:

- для элементов, заменяемых или восстанавливаемых во время капитальных ремонтов подъемно-транспортной техники,

;

- для элементов, заменяемых или восстанавливаемых во время текущих ремонтов,

;

- для элементов, заменяемых или восстанавливаемых во время технических обслуживаний,

,

где - являющиеся целыми числами (1, 2, …) коэффициенты кратности продолжительности времени между двумя восстановлениями (заменами) элемента гидропривода периодам между капитальными и текущими ремонтами и техническими обслуживаниями соответственно.

Вероятности нахождения гидропривода в произвольный момент времени эксплуатации во всех возможных состояниях могут быть определены с помощью системы уравнений Колмогорова, представляющей собой систему обыкновенных дифференциальных уравнений I порядка. В каждом конкретном случае ее вид определяется структурой графа возможных состояний и переходов. Для графа, представленного на рис. 2, система выражается следующим образом:

, (2)

где - вероятности нахождения гидропривода в соответствующих возможных состояниях.

Для решения системы дифференциальных уравнений (2) необходимо также задать начальные условия, в качестве которых выступает совокупность значений вероятностей в момент ввода гидропривода в эксплуатацию (при =0). Очевидно, что вектор начальных условий имеет вид

. (3)

Система уравнений (2) позволяет прогнозировать кинетику вероятности безотказной работы гидропривода, так как

.

Сумма всех остальных вероятностей выражает вероятность нахождения гидропривода в неработоспособном состоянии :

.

Таким образом, отношение можно рассматривать как относительный индивидуальный вклад отказа -го элемента в снижение общего уровня надежности гидропривода в произвольный момент времени .

Решение системы (2) при начальном условии (3) адекватно характеризует кинетику показателей надежности до момента первого ремонта или технического обслуживания (рис. 1), при котором предусмотрено проведение восстановления элементов гидропривода. В момент времени проводится восстановление (замена) одного или нескольких элементов, вследствие чего вероятности их нахождения в неработоспособном состоянии скачкообразно падают от значения до значения = 0, а вероятность нахождения гидропривода в работоспособном состоянии скачкообразно увеличивается с на величину суммы вероятностей восстановленных элементов. Поэтому с момента времени интегрирование системы дифференциальных уравнений (2) должно осуществляться при новом векторе начальных условий, принимающем следующий вид:

, (4)

где - число элементов гидропривода, планово восстановленных или замененных в момент времени эксплуатации подъемно-транспортной машины .

Аналогично изменяется вектор начальных условий (4) для других моментов времени . Таким образом, процесс прогнозирования кинетики показателей надежности гидропривода при проведении плановых мероприятий по восстановлению (замене) элементов (кривая 2 на рис. 1) сводится к поочередному интегрированию системы уравнений (2) в пределах последовательно расположенных временных интервалов при периодическом переформировании вектора начальных условий (4) в начальной точке каждого такого интервала .

Несмотря на проведение планово-предупредительных ремонтов и технических обслуживаний, в реальных условиях эксплуатации подъемно-транспортных машин наблюдаются случайные отказы элементов гидропривода [7-9]. Они требуют проведения внепланового восстановления или замены отказавших элементов во время ближайших ремонтов или технических обслуживаний гидропривода (рис. 3). Это обстоятельство искажает картину кинетики показателей надежности, так как требует дополнительной соответствующей корректировки векторов начальных условий для моментов времени :

,

где - число случайно отказавших на временном интервале элементов гидропривода, восстановленных или замененных в момент времени эксплуатации .

Вследствие стохастической природы возникновения отказов для каждого конкретного -го гидропривода в течение нормативного срока службы формируется свой индивидуальный поток отказов и, как следствие, свой индивидуальный график вероятности безотказной работы . Расчет графика предусматривает имитационное моделирование потока отказов элементов -го гидропривода в течение нормативного срока службы . С учетом того, что интервал времени между последовательными случайными отказами одного и того же элемента подчиняется экспоненциальному закону распределения [2], первый отказ -го элемента гидропривода произойдет в момент времени, определяемый выражением

,

где - случайная величина, равномерно распределенная на интервале [0, 1] и полученная с помощью генератора случайных чисел.

Выполнение условия

(5)

свидетельствует о том, что отказа рассматриваемого -го элемента в течение всего срока эксплуатации подъемно-транспортной машины не произойдет. Для всех других элементов гидропривода необходимо определить момент времени наступления второго отказа:

,

где - момент времени планового восстановления (замены) элементов, ближайший к моменту времени предыдущего (первого) случайного отказа .

Для элементов, применительно к которым условие (5) не выполняется, необходимо определить момент третьего отказа . Подобные действия повторяются до тех пор, пока момент времени очередного отказа не превысит нормативный срок службы .

Построенный в результате график можно интерпретировать как -ю выборочную реализацию случайного процесса всей совокупности однотипных гидроприводов. Поэтому построение репрезентативного набора из графиков позволяет выявить и проанализировать стохастические характеристики случайного процесса методами теории вероятности, случайных процессов и математической статистики.

Разработанная методика прогнозирования изменения во времени эксплуатации показателей надежности гидроприводов подъемно-транспортных машин была реализована в виде вычислительного комплекса «Кинетика надежности гидропривода». Особенности ее использования для анализа надежности гидроприводов уже эксплуатирующихся технологических машин далее рассмотрены на примере механизма подъема двухбалочного мостового крана с дроссельным регулированием скорости перемещения груза. Принципиальная гидравлическая схема механизма приведена на рис. 4 [10].

В состав гидропривода входят гидромашины (насос 13 и гидромотор 2 постоянной производительности, гидроцилиндр привода тормоза 1), гидроаппараты блока управления 9 (клапаны управления 8 и 10, переливной клапан 11, обратный клапан 5, регулятор потока 4, дроссель регулирования скорости перемещения груза 6 и трехпозиционный гидрораспределитель 7), кондиционер рабочей жидкости (сливной фильтр 12), гидроемкость (гидробак 15), дополнительное оборудование (приводной электродвигатель насоса 14 и механическая передача между электродвигателем 14 и насосом 13). Элементы гидропривода соединяются системой напорных и сливных гидролиний, также имеется всасывающая гидролиния на входе насоса. Конструкция гидролиний включает линейные участки, выполненные из отрезков трубопроводов, и арматуру (фасонные элементы). В гидроприводе используется рабочая жидкость на нефтяной основе.

Исследуемый мостовой кран имеет режим работы А5 (средний режим) и нормативный срок службы = 48000 ч. Исходные данные для расчета приведены в табл. 2.

насосный гидропривод технический надежность

Таблица 2. Данные к расчету кинетики показателей надежности гидропривода механизма подъема двухбалочного мостового крана с дроссельным регулированием и режимом работы А5

Результаты расчета графика изменения во времени вероятности безотказной работы гидропривода в течение первого ремонтного цикла крана (=24000 ч) приведены на рис. 5. Оценка кинетики вероятности по зависимости (1) дает существенно заниженные значения, так как не позволяет учесть восстановительные мероприятия и поэтому непригодна для прогнозирования показателей надежности гидроприводов. На графиках 2 и 3, построенных путем моделирования кинетического процесса повреждения-восстановления функциональных свойств гидроприводов при учете их плановых ремонтов, наблюдаются скачкообразные изменения в моменты времени, равномерно распределенные с периодом 3000 ч. Они соответствуют моментам времени восстановления элементов , причем величина скачка определяется объемом ремонта - количеством и перечнем восстанавливаемых элементов. Каждые 3000 ч предусмотрено восстановление фильтра Ф, каждые 6000 ч дополнительно проводится замена насоса Н, гидромотора М и рабочей жидкости, каждые 12000 ч дополнительно восстанавливаются гидроцилиндр Ц, гидрораспределитель Р и электродвигатель ЭД. Наибольшее значение характерно для момента проведения капитального ремонта, так как он предусматривает максимальный объем восстановительных работ: кроме названных элементов дополнительно восстанавливаются клапаны КП1, КП2, КП3 и КО, регулятор потока РП, дроссель ДР, напорные и сливные гидролинии, их соединения, механическая передача ПМ. Однако капитальный ремонт не позволил достичь исходного значения вероятности безотказной работы гидропривода =1, так как не были проведены восстановительные работы для ряда элементов: гидробака Б, всасывающей гидролинии и арматуры.

Данную методику целесообразно использовать при планировании ремонтно-восстановительных работ гидроприводов подъемно-транспортных машин для оперативной оценки их технической эффективности и обеспечения требуемых показателей надежности.

Список литературы

1. Лагерев, А.В. Проектирование насосных гидроприводов подъемно-транспортной техники/ А.В. Лагерев. - Брянск: БГТУ, 2006. - 232 с.

2. Брауде, В.И. Надежность подъемно-транспортных машин/ В.И. Брауде, Л.Н. Семенов. - Л.: Машиностроение, 1986. - 183 с.

3. Лагерев, А.В. Оценка основных показателей надежности невосстанавливаемых объектов наземных транспортно-технологических средств по результатам наблюдений/ А.В. Лагерев. - Брянск: БГТУ, 2012. - 11 с.

4. Ивашков, И.И. Монтаж, эксплуатация и ремонт подъемно-транспортных машин/ И.И. Ивашков. - М.: Машиностроение, 1991. - 400 с.

5. Свешников, В.К. Станочные гидроприводы/ В.К. Свешников, А.А. Усов. - М.: Машиностроение, 1988. - 512 с.

6. Комаров, А.А. Надежность гидравлических систем/ А.А. Комаров. - М.: Машиностроение, 1969. - 236 с.

7. Никитин, О.Ф. Надежность, диагностика и эксплуатация гидропривода мобильных объектов/ О.Ф. Никитин. - М.: МГТУ, 2007. - 312 с.

8. Сероштан, В.И. Диагностирование грузоподъемных машин/ В.И. Сероштан, Ю.С. Огарь, А.И. Головин. - М.: Машиностроение, 1992. - 192 с.

9. Котельников, В.С. Справочник по техническому обслуживанию, ремонту и диагностированию грузоподъемных кранов/ В.С. Котельников, Н.А. Шишков, А.С. Липатов. - М.: ПИО ОБТ, 1996. - 392 с.

10. Иванченко, Ф.К. Расчеты грузоподъемных и транспортирующих машин/ Ф.К. Иванченко, В.С. Бондарев, Н.П. Колесник. - Киев: Вища шк., 1975. - 520 с.

Размещено на Allbest.ru