Diagnostika poruch hydraulických zařízení přímočaré hydromotory, čerpadla
Hydraulická zařízení V porovnání s mechanickými zařízeními mají hydraulická tyto výhody a nevýhody: Výhody: Možnost plynulé regulace pohybu Možnost plynulé regulace vyvozené síly Možnost řízení z jednoho místa Snadné ovládání více prvků najednou Nevýhody: Požadavek na přesnou výrobu Požadavek čistoty pracovních orgánů Požadavek na pečlivou údržbu a opravu
1
Požadavky na technický stav hydraulických zařízení Těsnost – naprostá většina poruch hydraulických mechanismů je způsobena netěsnostmi – vnější – vnikání vzduchu, vody, prachu a unikání tlakové kapaliny - vnitřní – kapalina protéká z jedné části systému do druhé, aniž by to bylo z funkčního hlediska žádoucí (manžety, těsnící kroužky …) Absolutní těsnost součástí s přímočarým vratným nebo rotačním pohybem nelze zajistit u hydraulických zařízení. Netěsnosti vznikají opotřebením povrchu součástí, přičemž na velikost opotřebení mají vliv výrobní a provozní podmínky. K omezení netěsnosti se užívají těsnící prvky. Životnost – je ovlivněna kvalitou používané hydraulické kapaliny (kvalita je dána nejen původními vlastnostmi, ale také stupněm znečištění) Nečistoty v pracovní kapalině • Primární – jsou to následky chemických oxidačních procesů při stárnutí kapaliny (látky povahy laků, pryskyřic a dalších organických sloučenin – lepivost a přilnavost ke kovovým povrchům), které vytvářejí usazeniny na vnitřních částech •
Sekundární – nečistoty pronikající do kapaliny zvenčí netěstnostmi a špatně uzavřenými zátkami a odvzdušňovacími otvory (pevné látky (otěr kovových ploch), voda, vzduchové bublinky)
Nečistoty v hydraulických soustavách nečistoty v podobě pevných částic (abrazívní částice) tvoři nejškodlivější složku a jsou také nejrozšířenější v hydraulické kapalině maximální dovolená velikost částic – větší částice se do třecích ploch nedostanou, stejně velké částice způsobují intenzívní abrazívní opotřebení a menší částice působí erozivně (vždy je třeba zohlednit provozní tlak, teplotu a druh použité kapaliny kapalné nečistoty, především voda, působí korozívně ve formě kapének i emulze s olejem vzduch v hydraulických soustavách způsobuje kavitační opotřebení
Důsledky znečištění snižuje se vlivem opotřebení účinnost jednotlivých prvků zvyšují se ztráty energie (uniká v podobě tepla do oleje) – důkladná kontrola chladící soustavy s tím souvisí snížení životnosti hydraulické kapaliny, tvorba laků, kalů, pryskyřic …) katalytická činnost mědi a železa urychluje stárnutí
2
Typické poruchy hydraulických zařízení havarijní poruchy se vyskytují pouze výjimečně – převážně jde o postupné poruchy, poruchy které lze technickou diagnostikou odhalit společným znakem opotřebení čerpadel je snížení výkonu: výkonu •
zubová čerpadla – zvyšuje se axiální vůle, která je však konstrukční úpravou u vysokotlakých čerpadel automaticky vymezována
•
lamelová čerpadla – zde je to obdobné s tím rozdílem, že nečistoty mohou způsobit omezení volného pohybu lamel
•
pístová čerpadla – žádnou kompenzaci nemají a tak se opotřebení přímo projeví na snížení výkonu porucha sací větve čerpadla – přisávání vzduchu a při zvýšeném podtlaku může docházet ke kavitačnímu opotřebení během záběhu čerpadel je zvýšené opotřebení a teplotní namáhání, které může vést až k zadření spolupracujících ploch u rozváděčů se projevuje zejména erozivní opotřebení funkčních ploch poruchy hydromotorů jsou obdobné jako u čerpadel a projeví se na sníženém výkonu (přímočaré hydromotory – nutné kvalitní utěsnění pístnice)
Diagnostické signály mechanismů s přímočarým hydromotorem výkonové parametry – schopnost plnit požadované funkce s určitou účinností vibroakustidcké metody rozbor vzorků hydraulické kapaliny (tribotechnika tribotechnika) Pro posouzení opotřebení nestačí pouze subjektivní ohodnocení, ale je třeba při diagnostických měřeních simulovat takové podmínky, které odpovídají největšímu a nejsložitějšímu zatížení. K tomu slouží celá řada pomocných zařízení, která umožní nastavit potřebnou zatěžující sílu (např. zařízení pro zkoušení hydraulické soustavy traktoru
3
Schéma zkušebního zařízení pro hydraulické soustavy traktorů
1.
přímočarý hydromotor
2.
olejový filtr
3.
hydromotor
4.
pojistný ventil
5.
regulační ventil
6.
tlakoměr
7.
stupnice měřítka dráhy konce ramen
8.
ramena tříbodového závěsu traktoru
F
vnější zatěžovací síla
Výkonové parametry hydraulické soustavy
P
Pg
∆ Pg ∆ Pm
Pm
∆ Pr ∆P
Obrázek: P – příkon hydraulické soustavy, Pg – výkon čerpadla, ∆Pg – ztráta výkonu v čerpadle, ∆Pr – ztráta výkonu v rozváděči, ∆Pm – ztráta výkonu v hydromotoru, ∆P – celkové ztráty soustavy, Pm – výkon hydromotoru
4
Příkon čerpadla
• •
Měření točivého momentu a úhlové rychlosti na vstupním hřídeli čerpadla čerpadla P=M.ω P – příkon čerpadla (W) M – točivý moment na vstupním hřídeli (Nm) ω – úhlová rychlost (rad / s) Tento způsob zpravidla nelze pro diagnostiku použít, protože je obtížné se připojit na vstupní hřídel a také nebývá k dispozici vhodný dynamometr. Měření doby zvedání ramen bez zatížení s použitím stopek za předpokladu: předpokladu: příkon čerpadla je roven teoretickému výkonu (zanedbávají se ztráty) teoretický výkon vypočítáme, když práci při plném zatížení (Fj . h) dělíme teoretickou dobu zvedání ramen stanovenou tak, že ramena zvedneme bez zatížení P = (F (Fj . h) / t0 P – příkon čerpadla (W) Fj – neměřená jmenovitá síla na konci ramen (N) h – měřená kolmá složka zvedání ramen (m) t0 – měřená doba zvedání při odlehčených ramenech (s) Tento způsob je přibližný, protože se zanedbává tření v hydromotoru a stanovený teoretický výkon soustavy je považován za příkon čerpadla (chyba méně než 1%).
Příkon čerpadla Sdružený přístroj se škrtícím ventilem, tlakoměrem a průtokoměrem (nulový tlak kapaliny) P = Q0 . pj Pg – příkon čerpadla (W)
1. 2. 3. 4. 5. 6.
měřené čerpadlo měřicí přístroj tlakoměr regulační ventil teploměr průtokoměr
Q0 - objemový průtok na výstupu z čerpadla (m3 / s) pj - neměřený jmenovitý tlak kapaliny (Pa) Tento způsob je také přibližný, protože se zanedbávají ztráty obtokem čerpadla při téměř nulovém zatížení. zatížení Chyba je opět zanedbatelná. K měření je potřeba zařízení na obrázku s ocejchovaným otáčkoměrem v průtokovém množství.
5
Hydraulický výkon čerpadla Stanoví se při stejném zapojení jako na předchozím obrázku pro 3. způsob stanovení příkonu s tím rozdílem, že je regulačním škrtícím ventilem nastaven jmenovitý tlak kapaliny. Měřit se začíná vždy při otevřeném škrtícím ventilu a jmenovitých otáčkách čerpadla. čerpadla
Pg = Qz . pj Pg - hydraulický výkon čerpadla (W) Qz - měřený objemový průtok na výstupu z čerpadla při jeho seškrcení na jmenovitá tlak (m3 / s) pj - měřený a nastavený jmenovitý tlak kapaliny (Pa)
Měří se při dosažení provozní teploty pracovní hydraulické kapaliny
Výkon hydromotoru Výkon hydromotoru je typickým souhrnným diagnostickým signálem charakterizujícím technický stav soustavy jako celku. Způsob měření je obdobný jako u druhého způsobu měření příkonu čerpadla s tím rozdílem, že zvedací ramena jsou zatížena jmenovitou zatěžovací silou. Pm = (F (Fj . h) / tz Pm – výkon hydromotoru (W) Fj – nastavená jmenovitá síla na konci ramen (N) h – měřená kolmá složka zvedání ramen (m) tz – měřená doba zvedání při jmenovitém zatížení ramen (s) Pro konkrétní typy přímočarých hydromotorů jsou podmínky zkoušky v podobě veličin Fj a h předepsány a je možno tedy výkon vyjádřit přímo časem tz včetně příslušných tolerancí. U rotačních hydromotorů je situace poněkud komplikovanější. Je zde třeba využít některou z výše uvedených měřících metod pro měření spalovacích motorů (např. pojezdové hydromotory – výkon se stanoví na základě akcelerace stroje na zkušební vozovce)
6
Ztráta výkonu v hydromotoru Část výkonu ztracená v hydromotoru v důsledku obtoku těsnících a pracovních elementů tlakovou kapalinou je detailním diagnostickým signálem, který charakterizuje stav hydromotoru. hydromotoru Měření se provádí za klidu při naplněných pracovních prostorů hydromotoru a při jeho zatížení vnější silou na hodnotu jmenovitého zatížení. Například u hydrauliky traktoru se po zvednutí ramen do horní polohy vypne motor traktoru, rozváděč zůstává v horní poloze, vnějším zdrojem je vyvozena zatěžující síla a za předvolenou dobu se měří kolmá složka poklesu ramen. ∆Pm = (F (Fj . ∆h) / tp ∆Pm – ztráta výkonu v hydromotoru (W) Fj – nastavená jmenovitá síla na konci ramen (N) ∆h – měřená kolmá složka poklesu ramen (m) tp – předvolená době měření (s) Obdobně lze měřit ztrátový výkon u hydromotoru rotačního. Obdobným způsobem se na vývodovém hřídeli pomocí páky vytvoří jmenovité zatížení a měří se složka poklesu ramen
Účinnosti Účinnosti se jeví jako vhodnější diagnostický signál než výkony proto, že lze vyjádřit kvantitativně vliv jednotlivých prvků a zaměřit se tak při údržbě a opravě na slabý článek soustavy. soustavy
Celková účinnost
ηQ = ηQg . ηQm . ηQr ηQ - celková účinnost soustavy ηQg - účinnost čerpadla ηQr - účinnost rozváděče ηQm - účinnost hydromotoru ηQ = Pm / P = t0 / tz t0 – měřená doba zvedání při odlehčených ramenech (s) tz – měřená doba zvedání při jmenovitém zatížení ramen (s)
7
Účinnosti Účinnost čerpadla – měří a porovnává se průtok při zatíženém a zcela odlehčeném čerpadle ηQg = Pg / P = Qz / Q0 Qz - měřený objemový průtok na výstupu z čerpadla při jeho seškrcení na jmenovitá tlak (m3 / s) Q0 - objemový průtok na výstupu z čerpadla (m3 / s) Účinnost hydromotoru – stanoví se na základě změřených výšek zdvihu a poklesu ramen a tomu odpovídajících časů Pm Pm 1 1 ηQm = -------- = ---------------- = --------------------- = ----------------------------Pmh (Pm + ∆Pm) 1 + (∆ 1 + (∆ (∆Pm / Pm) (∆h . tz) / (h . tp) ∆h – měřená kolmá složka poklesu ramen (m) tz – měřená doba zvedání při jmenovitém zatížení ramen (s) h – měřená kolmá složka zvedání ramen (m) tp – předvolená době měření (s)
Účinnosti Účinnost rozváděče – je dána hydraulickým odporem zúžených průchodů systémem ventilů a spojovacího potrubí a lze ji stanovit nepřímo takto: ηQr = ηQ / (η (ηQg . ηQm) ηQ - celková účinnost soustavy ηQg - účinnost čerpadla ηQr - účinnost rozváděče ηQm - účinnost hydromotoru
8
Zjednodušené metody měření Z předchozích bodů je zřejmé, že pouze pro stanovení účinnosti čerpadla je zapotřebí průtokoměru. průtokoměru Zjednodušením lze i zde tento drahý měřící prvek vypustit. ηQ
t0
∆ h . tz
t0
∆ h . t0
ηQg = --------- = ------- (1 + ----------- ) = ------ + -----------ηQm
tz
h . tp
tz
h . tp
ηQ - celková účinnost soustavy ηQg - účinnost čerpadla ηQm - účinnost hydromotoru t0 – měřená doba zvedání při odlehčených ramenech (s) tz – měřená doba zvedání při jmenovitém zatížení ramen (s) tp – předvolená době měření (s) ∆h – měřená kolmá složka poklesu ramen (m) h – měřená kolmá složka zvedání ramen (m)
Měřící zařízení bez průtokoměru Využití škrtícího ventilu ocejchovaného v jednotkách průtoku (seškrcuje se na dosažení potřebného jmenovitého tlaku) Do výtlačné větve je zapojen opět škrtící ventil, ale jako průtokoměru slouží například odlehčená pojezdová kola (je však třeba znát průtočnou konstantu) 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7.
měřené čerpadlo měřící přístroj tlakoměr regulační ventil teploměr rozváděč nastavený na plný průtok nezatížený hydromotor
9
Kontrola činnosti regulační části hydraulické soustavy Diagnostický signál charakterizující činnost regulace a ovládání hydraulické soustavy je signálem vícerozměrným. Je signálem nezastupitelným, protože obsahuje i náhodné, zcela neočekávané, poruchy vyžadující údržbářský nebo opravárenský zásah. Kontrola:
• • • • •
protikluzového ventilu rychlost reakce polohové regulace silové regulace smíšené regulace
Příklad diagnostického postupu
V základní části jsou kontrolovány parametry technického stavu hlavních prvků jako jsou čerpadla, rozváděče, hydromotory (posuzuje se těsnost, ekonomika provozu, dispoziční doba provozu).
V další části postupu se kontrolují vlastnosti regulace, samoregulace, samoregulace vnější těsnost (cílem je odhalit náhodnou poruchu v řídících a ovládacích členech).
10
Diagnostika poruch hydraulických zařízení přímočaré hydromotory, čerpadla
11
