zaharov
.pdf3.4. Контроль и испытания гидравлического оборудования |
153 |
Общие требования к гидравлическим испытательным стендам. Под гидравлическим испытательным стендом понимается гидравлическое испытательное оборудование, объединенное в систему и предназначенное для воспроизведения условий испытаний гидроустройств. К условиям испытаний относятся те значения внутренних и внешних факторов и режимы функционирования, которые установлены в ТУ, ОСТах и ГОСТах на испытываемые гидроустройства.
В состав стенда в общем случае входят: приводящий электродвигатель, предназначенный для привода насосов стенда или испытываемого насоса; гидросистемы (совокупность гидроагрегатов, предназначенных для обеспечения функционирования испытываемого гидроустройства в заданных режимах); нагружающие устройства; измерительные приборы и преобразователи и системы управления.
К стендам предъявляются требования по надежности, технологичности, стандартизации и унификации, эргономике и технической эстетике, а также, как к любому испытательному оборудованию – высокие требования промышленной чистоты.
Стенды должны быть заправлены рабочей жидкостью марки, указанной в технических условиях на испытываемое гидрооборудование. Класс чистоты жидкости в стенде должен быть не ниже класса чистоты жидкости по ГОСТ 17216-71 испытываемого гидроустройства. Контроль свойств жидкости необходимо производить согласно техническим условиям, но, как правило, не реже одного раза в три месяца.
Конструкция стенда должна обеспечить доступность к пультам управления, местам регулирования и настройки, а также создавать возможность проведения технического обслуживания его за минимальное время и соответствовать общим требованиям безопасности по ГОСТ 12.2.040-78 и конструктивным требованиям по ГОСТ 17411-91.
Высокие требования предъявляются к метрологическому обеспечению стендов, в задачи которого входят: выбор средств измерений с нормированной точностью; подготовка измерительных приборов к измерениям; контроль условий выполнения измерений; измерение параметров с заданной точностью; проверка и метрологическая аттестация средств измерений.
Стенды должны быть аттестованы. Порядок аттестации испытательного оборудования должен соответствовать ГОСТ 24555-97. Аттестация стендов проводится для определения нормативных точностных характеристик оборудования, их соответствия требованиям норматив-
154 |
Глава 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ |
но-технической документации (НТД) и установления пригодности оборудования к эксплуатации.
К нормативно-точностным характеристикам испытательного оборудования относятся установленные НТД характеристики, определяющие возможности оборудования воспроизводить и поддерживать режимы и условия испытаний в заданных диапазонах, с требуемой точностью и стабильностью, в течение установленного срока.
Испытательные стенды подвергаются первичной, периодической и в случае необходимости внеочередной аттестации. Аттестация стендов должна проводиться в соответствии с государственными и отраслевыми стандартами или методическими указаниями на методы и средства аттестации испытательного оборудования.
Самой сложной и трудоемкой является первичная аттестация стендов. Созданные испытательные стенды представляются на первичную аттестацию вместе с технической документацией, прошедшей метрологическую экспертизу, в состав которой должны входить:
утвержденное техническое задание на разработку (для опытных образцов);
эксплуатационные документы по ГОСТ 2.601-95;
программа и методика первичной аттестации.
К основным эксплуатационным документам относятся: техническое описание; инструкция по эксплуатации и техническому обслуживанию; инструкция по монтажу, пуску, регулировке и обкатке стенда на месте его применения; формуляр; инструкция по технике безопасности и пожарной безопасности.
По разработанной методике испытаний должны быть проведены исследования с целью определения:
возможности испытательного стенда воспроизводить и поддерживать режимы и условия испытаний в заданных диапазонах, с требуемой точностью и стабильностью в течение установленного срока;
действительных значений нормированных точностных характеристик и их соответствия НТД;
погрешностей измерений и регистрации параметров испытательных режимов;
перечня нормированных точностных характеристик, подлежащих проверке в процессе эксплуатации;
методов и средств проведения последующих аттестаций и их периодичности;
3.4. Контроль и испытания гидравлического оборудования |
155 |
выполнения требований безопасности и охраны окружающей среды.
Испытания агрегатов. Виды испытаний. Испытания гидрав-
лических агрегатов – важнейший метод определения их технических возможностей с целью установления ресурса и подтверждения показателей надежности. В зависимости от поставленных целей испытания подразделяются на исследовательские, опытные и серийные. Различают также стендовые, летные и эксплуатационные испытания.
Исследовательские испытания обычно предшествуют всем другим испытаниям. Главная их задача – изучить и проанализировать происходящие в агрегате явления и процессы, определить характеристики, изучить факторы, влияющие на надежность и долговечность агрегата. Проведение исследовательских испытаний – непременное условие разработки принципиально новых конструкций агрегатов авиационного гидропривода. Результаты исследовательских испытаний дают возможность уточнить выдвинутые теоретические положения и расчеты, технические требования на проектируемый агрегат, определить его рабочие параметры и характеристики, а также служат основой для создания новых методов расчета и теоретических обобщений.
Следующим этапом создания новых конструкций являются опытные испытания, цель которых – отработка и доводка новых конструкций. При этом используются результаты, полученные при исследовательских испытаниях, дающих возможность отработать конструкцию агрегата, проверить правильность выбора материалов и технологии изготовления, определить начальный назначенный ресурс агрегата. Зачастую при этом возникает необходимость в проведении специальных испытаний по программам, учитывающим определенные условия эксплуатации, например низкую или высокую температуру окружающей среды.
Опытные испытания гидравлических агрегатов могут проводиться в лабораторных условиях (стендовые испытания), в процессе выполнения специальных летных испытаний ЛА и в процессе его эксплуатации (эксплуатационные испытания). В период проведения опытных испытаний обнаруживаются недостатки конструкции агрегата, которые устраняют до поступления его в серийное производство.
В процессе серийного производства контролируют качество изготовления гидроагрегатов. При этом проводят следующие виды испы-
таний: приемо-сдаточные, периодические, специальные.
156 |
Глава 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ |
Большое значение на этих этапах разработки и производства гидравлических агрегатов имеют стендовые испытания, в процессе которых проводят экспериментальное определение значений выходных параметров и характеристик агрегатов, а также показателей их долговечности и безотказности.
Стендовые испытания агрегатов, проводимые с целью подтверждения показателей долговечности и безотказности, включают в себя испытания ресурсные, на воздействие внешних факторов на прочность.
Ресурсные испытания. Они проводятся для оценки вероятности выработки гидроагрегатами назначенного ресурса Трн, начального назначенного ресурса Трн0 или ресурса до первого ремонта Тр1 (для ремонтируемых агрегатов). Предусматривается одновременное испытание N однотипных агрегатов. Отказавшие во время испытаний агрегаты не восстанавливаются и не заменяются. Испытания прекращают, когда число отказавших агрегатов достигает величины R или при достижении наработки Tи для каждого неотказавшего агрегата в зависимости от того, какое из этих условий выполнено ранее. Если испытания проводятся с целью определения вероятности выработки начального назначенного ресурса Трн0, или ресурса до первого ремонта Тр1, то в большинстве случаев R = 0, т. е. испытания прекращают, если хотя бы один из зачетного числа испытываемых N агрегатов сходит с испытаний.
Если программа ресурсных испытаний предусматривает проведение испытаний по отдельным воздействующим факторам или видам испытаний, то вероятность выработки ресурса по результатам этих испытаний
n
Pн (Tрн ) Piн (Tрн ) , i 1
где Piн (Tрн ) – вероятность выработки ресурса по отдельным воздействующим факторам или видам испытаний.
Вероятность Piн (Tрн ) выработки ресурса по условиям механиче-
ской прочности, прочности и устойчивости к внешним воздействиям, усталостной прочности определяется с учетом характеристик аналогов, если при стендовой отработке были получены удовлетворительные результаты.
3.4. Контроль и испытания гидравлического оборудования |
157 |
Проведенные ресурсные испытания считаются успешными, если значение вероятности выработки ресурса P(Tрн ) , полученное по ре-
зультатам этих испытаний, равно заданному в технических условиях или нормированному уровню вероятности выработки ресурса Pн (Tрн ) ,
или больше его.
Форсированные и ускоренные ресурсные испытания. Важное усло-
вие проведения ресурсных испытаний – обеспечение максимально возможного соответствия между режимами нагружения испытываемых агрегатов и условиями их работы в эксплуатации. Практика проведения таких испытаний показывает, что с увеличением сроков службы агрегатов свыше 2000 л. ч. их ресурсные испытания на режимах, соответствующих реальным условиям эксплуатации, обходятся слишком дорого и сроки проведения становятся малоприемлемыми для производства, так как испытания должны проводиться на большом числе образцов (агрегатов) и в течение длительного времени. Таким образом, очевидна целесообразность проведения форсированных (или ускоренных) ресурсных испытаний.
Форсированные испытания гидравлических агрегатов проводятся при форсированных режимах и выполняются в сравнительно короткое время. При разработке программы и методики форсированных испытаний очень важно выбрать оптимальные режимы нагружения и определить коэффициенты подобия между этими режимами и реальными условиями эксплуатации.
В сущности, метод форсированных испытаний представляет собой разновидность физического моделирования. Действительно, при физическом моделировании характеристики реальной системы оцениваются по результатам, полученным при экспериментальных исследованиях модели. При форсированных испытаниях создается модель реальных условий работы и действующих нагрузок. Таким образом, общность подхода остается в силе, хотя задачи, решаемые с помощью форсированных испытаний, более сложные, чем задачи обычного физического моделирования. Физическое моделирование и соответствующая ему математическая модель основаны на ряде соотношений, представляющих собой безразмерные коэффициенты, характеризующие основные параметры элемента. При форсированных испытаниях этому условию удовлетворяют временные характеристики безотказности элемента или системы, так как безотказность и вероятность отказа являются безраз-
158 |
Глава 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ |
мерными величинами. Вид функции надежности остается неизменным при выражении временных параметров в минутах, часах или других единицах времени.
При нормальных условиях эксплуатации, когда отказы носят случайный характер, для оценки надежности элементов (агрегатов) гидросистемы может быть использован экспоненциальный закон распределения. Вероятность отказа рассматриваемого элемента гидросистемы в этом случае в интервале времени от t до (t + dt).
f(t)dt e t / T d (t /T ) .
Сучетом того, что величины t / T и d (t / T ) ) являются безразмер-
ными, условия работы данного элемента могут быть смоделированы в том случае, если имеет место следующее равенство:
tф /Tф t /T t ,
где tф / Tф – соотношение для форсированных испытаний; t / T – соот-
ношение для реальных условий работы.
Из этих соотношений следует, что меньшему среднему времени безотказной работы Tф соответствует и меньшее время форсирован-
ных испытаний tф ; при этом время форсированных испытаний tф t Tф /T .
По аналогии с физическим моделированием отношение Tф / T
представляет собой коэффициент подобия, устанавливающий соотношение между временем работы в реальных условиях и при форсированных испытаниях. Для агрегатов гидравлической системы надежность является функцией комплекса факторов, обусловливающих действие нагрузки на агрегат.
Введя понятие условной обобщенной нагрузки, можно записать q f1(x, ) ,
где x – частная нагрузка; τ – время.
В свою очередь обобщенная нагрузка является функцией частных нагрузок, обусловленных рабочим давлением, температурным режимом работы гидросистемы, загрязненностью рабочей жидкости и т.д.
3.4. Контроль и испытания гидравлического оборудования |
159 |
Таким образом, при проведении форсированных испытаний можно моделировать любую из этих функций, например повышать рабочее давление в системе, что приведет к росту нагрузок по сравнению с нормальными эксплуатационными; можно форсировать температурные режимы работы или увеличить загрязненность рабочей жидкости. Обобщенная нагрузка может быть записана как функция давления и температуры:
x f2 ( p, t) .
По аналогии с теорией физического моделирования в нашем случае вероятности отказа элемента при обычных условиях работы и в условиях форсированных испытаний могут быть выражены с помощью безразмерного коэффициента ξ, характеризующего обобщенную нагрузку, и коэффициента t, характеризующего время безотказной работы:
q f3 ( , t), qф f4 ( ф , tф ) .
Соответствие коэффициентов определяется следующими равенствами:
ф ; t tф ; f3 f4 .
При обработке результатов, полученных в процессе форсированных испытаний, характеристики безотказности могут быть с помощью коэффициента подобия переведены в реальные характеристики, имеющие место при нормальной эксплуатации агрегата. Правильный выбор коэффициентов подобия способствует существенному сокращению длительности испытаний. Следует, однако, иметь в виду, что при повышенных коэффициентах соответствие между функциями f3 и f4 может нарушиться. В первую очередь это относится к коэффициенту форсирования Kф (превышение нагрузки при форсированных испытаниях над нагрузкой, которая имеет место при нормальной работе эле-
мента): Kф = Аф/Ан.
Между коэффициентом форсирования и средним временем безотказной работы элемента существует определенная функциональная зависимость
Kф T /Tф f4 (x, xф ) .
160 |
Глава 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ |
Вид функции f4 (x, xф ) определяется типом элемента, его конструкци-
ей и комплексом действующих нагрузок.
При разработке программы форсированных испытаний необходимо планировать проведение испытаний при нескольких различных значе-
ниях Kф > 1. |
Отказы или разрушения испытываемых элементов при |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
этом, естественно, будут возникать |
||
Kф |
|
|
|
|
|
значительно быстрее, чем при зна- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
чении коэффициента Kф = 1. По |
||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
результатам |
испытаний |
строится |
3 |
|
|
|
|
|
|
график W = f (Kф) в полулогариф- |
||
|
|
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
|
мической |
системе |
координат |
2 |
|
|
|
|
|
|
(рис. 3.38). |
|
|
|
|
|
|
|
|
При оценке надежности гид- |
|||
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
|
|
|
|
|
роагрегатов по результатам фор- |
||
1 |
|
|
|
|
|
|
сированных |
испытаний |
требуется |
102 |
10 |
104 |
105 |
Wн, W |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
определить, удовлетворяют ли ха- |
||
Рис. 3.38. Зависимость коэффици- |
рактеристики испытанного агрегата |
||||||||
ента |
форсирования |
Kф |
|
от |
требованиям долговечности и без- |
||||
ла циклов повторной нагрузки W |
отказности, в том числе требовани- |
||||||||
ям минимального среднего времени безотказной работы. В этом случае на практике часто достаточно получать одностороннюю оценку, использовав для этой цели плотность вероятности наименьшего времени отказа, полученную при форсированных испытаниях:
|
N 1 |
, |
f1(tф ) Nf1(tф ) P(tф ) |
||
где N – число испытываемых агрегатов; P(tф ) – вероятность безотказ-
ной работы агрегата.
Используя плотность вероятности f1(tф ) для некоторого фиксиро-
ванного времени tф, можно определить интегральную функцию распределения времени первого отказа. Эта функция является одной из характеристик точности результатов, полученных при испытаниях:
tф
Q1(tф ) Nf (x)P(x)dx 1 [P(tф )]N ,
0
3.4. Контроль и испытания гидравлического оборудования |
161 |
или |
Q (t |
) 1 [1 Q(t )]N . |
|
1 ф |
ф |
Следовательно, вероятность отказов при форсированных испытаниях
Q1(tф ) 1 [1 Q1(tф )]1/ N .
Полученное значение вероятности Q1(tф ) характеризует точность результатов. Таким образом, с вероятностью Q1(tф ) можно утвер-
ждать, что для исследуемого элемента время безотказной работы при нормальных условиях эксплуатации будет больше, чем для форсированных испытаний.
Если для форсированных испытаний использовалось N элементов, при этом первый отказ был получен по истечении времени t1ф, то при работе такого же числа элементов в реальных условиях эксплуатации первый отказ возникает через время
t1 Kфt1ф .
Это же соотношение может быть использовано для определения необходимого времени форсированных испытаний при условии отсутствия отказов в эксплуатации в течение заданного времени:
t0ф tмр / Kф .
Необходимое число элементов при этом для получения заданной точности
N lg[1 Q1(tф )] . lg P(tф )
Таким образом, чтобы элемент с вероятностью Q1(tф ) имел для за-
данного периода времени работы в реальных условиях безотказность (вероятность безотказной работы), равную P(tф ) , следует проводить
форсированные испытания N элементов, которые в течение времени испытаний не должны иметь отказов.
Одним из видов форсированных испытаний являются ускоренные ресурсные испытания, методика которых для конкретных типов агрегатов обычно регламентируется отраслевыми стандартами. В качестве
162 |
Глава 3. ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПРИВОДЫ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ |
примера рассмотрим в общих чертах методику определения режимов ускоренных ресурсных испытаний аксиально-поршневых насосов.
Методика ускоренных ресурсных испытаний аксиальнопоршневых насосов (с наклонным диском, с наклонным блоком, с клапанным распределением) применяется на стадиях:
опытного производства (при обработке начального переменного ресурса, при выборе конструктивных и технологических решений, при отработке режимов ускоренных испытаний для серийного производства);серийного производства (при увеличении ресурса, при проведении типовых и периодических испытаний, при проведении конструк-
тивных и технологических усовершенствований).
Методика предусматривает сокращение времени ресурсных испытаний за счет интенсификации процессов, вызывающих изменение технического состояния насосов, путем увеличения: частоты вращения вала, давления нагнетания, температуры рабочей жидкости и окружающей среды, а также за счет сокращения: времени перерывов между срабатываниями узла регулятора подачи, времени работы на минимальной подаче, за счет перехода на режимы работы с максимальной подачей.
Техническое состояние насоса определяется: рабочими характеристиками насоса, подачей, давлением нулевой подачи, пульсацией давления, утечками в дренаже, зазором в парах трения, усадкой пружин, степенью накопления усталостных повреждений силовых элементов, степенью остаточной деформации уплотнений и состоянием поверхностей деталей.
Наибольшему изменению при испытаниях подвергаются резиновые уплотнения и изоляционные материалы (старение материалов), силовые элементы (усталостные повреждения), подвижные элементы (износ поверхностей).
Определение времени и выбор режимов испытаний производится из условий обеспечения работоспособности насоса:
nу n ; |
Pу P |
; Pу |
P |
; t у |
t |
р.ж.пр |
, |
|
пр |
н |
н.пр |
вх |
вх.б.к |
р.ж |
|
|
|
где nу – частота вращения вала насоса при ускоренных испытаниях; nпр – предельно допустимая частота вращения вала; Pну – давление на выходе из насоса при ускоренных испытаниях; Pн.пр – предельно до-