CC BY
807
THE ESTIMATION OF THE SOLUTION OF THE SYSTEM OF EQUATIONS IN THE PROBLEM OF CONSTRUCTING THE MODEL OF HYDRAULIC NETWORK
E.D.Agafonov, N.RAntropov
The rapid evaluation of solution of equations in the problem of determining the steady hydraulic network costs are given. The model includes equations compiled in accordance with the laws of Kirchhoffs pipeline network. The case when together with solution of the system it is necessary to specify its coefficients is considered.
Key words: modeling, identification, solution's estimation, nonparametric methods, hydraulic network.
Agafonov Evgeniy Dmitrievich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian Federal University,
Antropov Nikita Romanovich, student, [email protected], Russia, Krasnoyarsk, Siberian State Aerospace University named after M.F. Reshetnev
УДК 62-93
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ СОВРЕМЕННЫХ МЕТОДОВ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ
Чиликин А.А., Трушин Н.Н.
Рассмотрены современные методы диагностики гидросистем и на основе их анализа разработана приоритетная последовательность их использования.
Ключевые слова: диагностика, гидросистема, искусственная нейронная сеть.
Сфера использования гидросистем чрезвычайно велика и постоянно расширяется. Гидропривод применяют в различных отраслях машиностроения для передачи энергии рабочим органам, в качестве исполнительных систем управления машинами и технологическим оборудованием и как самостоятельную следящую систему. Поэтому уверенная эксплуатация является необходимостью при работе с гидросистемами. Под эксплуатацией здесь понимается не только использование оборудования, но также обслуживание и ремонт.
В процессе выполнения рабочих задач свойства гидропривода, отвечающие за производительность его работы, могут изменяться в худшую сторону. Способность объекта сохранять качество в процессе эксплуатации, т. е. осуществлять заданные функции в необходимые временные промежутки, называется надёжностью. Надёжность объекта является важной потребностью на производстве. Её обеспечение является комплексной проблемой и связано не только с эксплуатацией гидропривода, но и с процессом изготовления составляющих его механизмов, их транспортировкой и сборкой.
Но основное испытание гидропривод проходит во время использования. Здесь и проявляются отказы и неисправности системы, поэтому обеспечение её надёжности является важной производственной задачей. Для предупреждения и устранения неисправностей нужно проводить своевременную диагностику гидроприводов. Существует большое количество методов диагностики, но они делятся на два вида: тестовые и функциональные [2]. Они отличаются воздействиями, подающимися на входы объекта. Рассмотрим методы функционального диагностирования, которые проводятся в процессе применения оборудования по прямому назначению.
Первый метод - статопараметрический - наиболее трудоёмкий. Диагностирующими параметрами являются величина утечки рабочей жидкости, давление, коэффициент подачи и её расход. Метод основан на измерении параметров установившегося дросселированного потока рабочей жидкости. Проверка гидросистемы статопараметрическим методом проводится следующим образом (рис. 1). Сначала измеряется подача насоса при минимальном давлении. Далее увеличивают сопротивление последовательно включённого дросселя, что повышает давление на выходе из насоса. Проводится повторная проверка размера подачи на выходе из насоса уже при номинальном давлении. Следует отметить, что испытания должны проводится при одинаковой частоте вращения вала насоса. По полученному результату разницы подач вычисляется коэффициент подачи, по которому судят о величине зазоров в гидрооборудовании и степени износа.
Рис. 1. Гидросхема испытательного стенда, служащего для определения подачи насоса статопараметрическим методом: Н - насос, М - манометр, ДР - дроссель
Статопараметрический метод может использоваться для испытания всех механизмов гидропривода и на данный момент является наиболее распространённым методом диагностики. Для его проведения разработаны переносные и стационарные средства диагностирования гидропривода. Наиболее простым по конструкции является устройство КИ-5473, проверяющее гидросистемы с рабочим давлением до 10 МПа [3].
Преимуществом данного метода является то, что он позволяет провести не только диагностику гидроаппарата, но и его обкатку. А высокая точность данного метода является его явным преимуществом.
Но способ проведений статопараметрической диагностики является его недостатком. Проверка всех механизмов, подключение дополнительных датчиков, отсоединение гидролиний делают процесс испытаний весьма трудоёмким, хотя за последние два десятка лет при производстве техники с гидроприводом её производители заранее устанавливают измерительную аппаратуру. Это позволило несколько снизить сложность проведения испытаний.
Наименее трудоёмким методом диагностики является кинематический метод. Он определяет общее техническое состояние гидропривода по скорости перемещения исполнительных элементов. Согласно этому методу общую оценку состояния гидропривода можно провести визуально, например, при значительном снижении скорости перемещения штока поршня.
Для получения точных данных о перемещении исполнительных элементов данных можно использовать акселерометры. Подключив их к компьютеру и используя специальное ПО, можно получить диаграмму ускорения перемещения рабочих органов механизма при определённой подаче насоса. Но диагностика этим методом не позволит локализовать место появления неисправности.
Метод амплитудно-фазовых характеристик имеет и другое название - метод пульсации давления. Он основан на том факте, что между диагностическим параметром (импульсом нарастания давления) и подачей насоса (объёмным КПД) при постоянном режиме диагностирования существует определённая зависимость. В общем случае интенсивность изменения давления определяется измерением величины и времени нарастания давления [3].
Амплитуда импульса и продолжительность нарастания давления измеряются следующим образом. Гидропривод выводится на определённый режим работы, необходимо задать частоту вращения вала насоса, вязкость рабочей жидкости и давление нагружения. Затем с помощью нагру-жателя резко повышается рабочее давление в напорной гидролинии до определённого значения и измеряется время нарастания давления от исходного значения давления до установившегося. Для снижения погрешности
время, затрачиваемое на изменение проходного сечения дросселя, должно быть строго постоянным.
В простейшем случае для упрощения процесса диагностирования фиксируют величину интенсивности изменения давления путём дифференцирования сигнала, измеряемого в гидролинии давления. Полученный сигнал сравнивается с заданным сигналом, соответствующим номинальной величине интенсивности нарастания давления, и по разности сигналов определяют техническое состояние диагностируемого объекта. Измерение амплитуды пульсаций проводится с помощью осциллографов. На рис. 2 представлен образец осциллограммы пульсации давления в следящем гидроприводе.
Реализация описанного способа может быть осуществлена с помощью устройств, измеряющих время снижения давления в заданном интервале и уровень снижения давления за заданный интервал времени.
Акустический метод применяется для диагностирования внутренней негерметичности гидроагрегатов. Измерения проводятся с помощью высокочувствительных микрофонов, которые в ультразвуковом диапазоне регистрируют шумы рабочей жидкости, протекающей через повреждённые уплотнения. Предварительная тарировка позволяется определить утечки в гидроуплотнителях, клапанах и других элементах гидросхемы. Необходимость тарировки и наличие помех от соседних агрегатов окупаются высокой скоростью этого метода диагностики.
Виброакустический метод диагностики основывается на измерении вибраций объектов диагностирования. В отличие от акустического метода приборы регистрируют шумы не в ультразвуковом, а в более высоком диапазоне - от 500 до 1000 Гц. Виброакустический метод применяют в основном для механизмов с выраженным повторяющимся (циклическим) режимом работы, например, для гидронасосов. Его основное достоинство - это возможность получения информации о работе любого элемента гидропривода, без необходимости его отключения от работы и разборки. Приближенную оценку состояния системы можно проводить по замеренным в ее отдельных точках общим уровням вибраций в долях ускорения силы тяжести g (9,81 м/с ) или в децибелах (дБ). Для измерения общего уровня вибрации применяют пьезоэлектрический измеритель ускорений ПИУ-1М с пьезоэлектрическим датчиком ускорений ПДУ-1 или ИС-313 [4]. Однако при использовании этого метода сложно выделять полезную информацию.
Силовой метод основан на определении усилия, создаваемого исполнительным механизмом. Проводя диагностику этим методом, невозможно получить данные об отдельных механизмах гидропривода или объёме утечек. Проводится оценка только лишь общего состоянии привода. Поэтому этот метод схож с кинетическим. Невысокая точность - главный недостаток силового метода. Преимуществом метода является возможность проведения испытаний без специального оборудования. В некоторых
случаях можно ограничиться визуальным осмотром заготовки после воздействия на неё рабочего механизма, чтобы понять, что давления в гидросистеме недостаточно для работы оборудования.
I
\
\\
\
1 23456789 10 11
\
\ 1
/
Рис. 2. Пример амплитудно-фазовой характеристики силового
следящего гидропривода
Измерение скорости нарастания усилия на исполнительном элементе является усовершенствованием простого силового метода. Для его проведения используются переносные накладные датчики. Скорость получения данных также является преимуществом этого метода диагностики, как и у трёх предыдущих. Однако диагностика гидропривода этим методом не позволяет провести испытания систем с гидромотором.
Современные тенденции в области диагностики неисправностей гидравлических систем приняли искусственные нейронные сети (ИНС) для диагностики недостатков некоторых компонентов системы, таких, как клапаны, приводы, насосы, или датчики. ИНС имеют возможность выполнять распознавание образов и диагностику, которую трудно описать в терминах аналитических алгоритмов диагностики, так как они могут получать входные образы сами по себе.
На рис. 3 представлена схема простой, одноуровневой, нейросети. Принцип работы ИНС заключается в следующем. Сигналы 1 от датчиков поступают на искусственные нейроны 2, которые представляют собой часть обрабатывающей программы, математическую функцию активации или функцию срабатывания. Вычисленный результат своей работы нейрон передаёт на выход функции (3). В большинстве случав результат функций находится в промежутке [0;1], где эти значения соответствуют неисправному и исправному состоянию оборудования. Затем данные от нейрона передаются на систему принятия решения, компьютер, или на второй слой нейронов, если ИНС состоит из нескольких слоёв нейронов.
1
Рис. 3. Схема простой нейросети:
1 - поступающий сигнал; 2 - нейрон; 3 - выход функции
Существует система «весов» числовых значений неисправностей. Компьютер считает сумму поступающих с нейронов чисел и по полученному результату определяет техническое состояние оборудования.
Основной задачей ИНС является определение неисправности оборудования или предсказывание технических проблем по множеству поступающих значений. Для принятия решения должно учитываться большое количество факторов, таких, как вибрация оборудования или вязкость рабочей жидкости. Эти параметры постоянно изменяются, поэтому возможность обучения является первичной необходимостью для ИНС. Отлаженная и обученная ИНС представляет собой надёжный инструмент проведения технической диагностики гидросистем.
Методы статистических решений отличаются от всех вышеперечисленных, которые проводятся с действующим оборудованием и позволяют выявить текущие неисправности какого-либо узла и всей системы в целом. Таким образом, они являются методами диагностики в реальном времени, что приводит к одному их общему недостатку - невозможности или малой вероятности предсказывания качества работы системы. Диагностика, проводимая методами статистических решений, учитывает не только текущее состояние гидросистем, но и частоту появления всех типов отказов, а также параметры состояния агрегатов, при которых отказы возникали.
Одним из таких методов является метод Байеса, разработанный английским математиком XVIII века Томасом Байесом. Суть метода в предсказывании вероятности какого-либо события с учётом того, что другие связанные с ним события уже произошли.
Диагностика проводится следующим образом. Рассматриваемый
гидропривод находится в одном из N состояний гидропривода Д, и существует набор факторов к, которые могут влиять на общее состояние системы, делая её неисправной. Задача данной методики в том, чтобы разработать общее правило, по которому можно предсказывать возможные неисправности, имея данные о текущем отрицательном факторе из множества ki или их совокупности[1].
Для обследования гидропривода и расчёта его технического состояния используют формулу
* Р(Д,) • Р (К )
Р(Д /К*) = N 3 /
£ Р (Д,) • Р( К 7Д)
.=1
где Р(Д./К*) - вероятность диагноза Д; К - комплекс признаков.
В этой формуле каждый комплекс признаков К состоит из подмножества отдельных признаков :
К = (К к2 , к3,.к 3 ,...кз тах).
В свою очередь, отдельно взятый признак к. имеет диапазон значений т, например т. = 1...Я. Таким образом, выражается степень влияния
каждого признака на весь комплекс.
Для упрощения диагностирования используется не диапазон значений, а логическое «в норме» - «не в норме».
В упрощённом виде формула выглядит таким образом:
Р( Дг) = ,
где Ni - количество объектов с выявленным состоянием Б,; N - количество исследуемых объектов.
Таким образом, числитель общей формулы Р(К */Д.) означает вероятность появления комплекса признаков К * у объектов с состоянием Д., а знаменатель Р(К*/Di) является вероятностью события К'* при условии, что событие Di произошло.
Рассчитанные данные состояний гидропривода заносятся в таблицу. Затем для каждой реализации считаются вероятности появления комплекса признаков Р(КуД.). По расчётам всех коэффициентов и вероятностей
принимают решение о том, какая неисправность случилась гидроприводе.
Похожим методом определения неисправности является метод последовательного анализа, его также называют методом Вальда. Он похож на метод Байеса, но отличается тем, что число проверок по группе признаков не устанавливается заранее, а определяется в процессе диагностики [2].
Для случаев, когда априорных статистических данных по отказам и неисправностям недостаточно, рекомендуется использовать методы статистических решений. В этих случаях метод Байеса становится неэффективным и правила принятия решений определяются по условиям минимального среднего риска.
Например, для проведения диагностирования по содержанию примесей в масле в качестве диагностического параметра к принимается содержание примесей. Задача состоит в том, чтобы определить такое количество примесей, когда к < к0 и насос можно считать исправным или количество к > к0 примесей превышает допустимое значение и нужно принимать
решение о замене насоса или рабочей жидкости. В результате задача сводится к двум условиям, такую диагностику называют дифференциальной.
Для проверки свойств рабочих жидкостей используют методы спектрального анализа. При наличии утечек рабочей жидкости следует уделять внимание динамике их увеличения и количественной оценке, т.к. требования, предъявляемые к системам гидроприводов относительно герметичности, минимальной длинны трубопроводов и отсутствия карманов для оседаний продуктов износа, весьма высоки.
Подготовка рабочей жидкости к спектральному анализу в ряде случаев связана с её озолением, выпариванием или вакуумированием. Из-за трудоёмкости и длительности операций по озолению рабочих жидкостей в ряде случаев находят применение способ спектрального анализа без предварительного озоления и фотоэлектрический метод регистрации спектра. При использовании фотоэлектрической установки МФС-3 удаётся проводить анализ сразу на девять элементов. Продолжительность анализа пробы рабочей жидкости не превышает 4 минут.
Способ отличается высокой чувствительностью (чувствительность к содержанию железа, свинца и кремния составляет 0,0001 %, хрома, меди и алюминия - 0,00001 %) и находит применение при анализе рабочих жидкостей.
Недостатком способа является невозможность локализации источника интенсивного износа, если несколько трущихся сопряжений изготовлены из одного металла, поэтому способ может найти широкое применение при оценке общего технического состояния гидропривода и технического состояния рабочих жидкостей.
Вышеперечисленные методы диагностики являются основополагающими при испытании гидросистем. Но их также можно разделить на два больших метода: это диагностика рабочей жидкости из гидросистемы и испытания самих гидроагрегатов (гидронасосов, дросселей или распределителей).
Проанализировав большинство методов диагностики гидросистем, выяснили, что все они имеют преимущества и недостатки (таблица).
Сравнительная таблица методов диагностики гидроприводов
Метод Достоинства Недостатки
Статопараметрический Высокая точность, применим для всех гидроагрегатов Трудоёмкость
Спектральный анализ Высокая точность Невозможно определить источник загрязнения
Кинематический Наименее трудоёмкий Низкая точность
Амплитудно-фазовых характеристик Высокая точность Трудоёмкость, необходимо использовать дополнительных устройств
Акустический Малое время проведения Тарировка и наличие помех
Измерение скорости нарастания усилия на рабочем органе Простота проведения, быстрое получение результата Невозможно определить источник проблемы. Проводится отдельно от основного процесса работы оборудования
Диагностика с помощью искусственной нейронной сети Возможность предсказывания отказов. Высокая точность Сложность проектирования ИНС. Необходимость обучения ИНС
Методы статистических решений Предсказывание возможных неисправностей Диагностика не в реальном времени. Метод слишком трудоёмкий без использования ЭВМ
Методы диагностирования определяют исходя из поставленной перед системой диагностирования задачи [6]. Они должны включать диагностическую модель гидропривода, правила измерения диагностических параметров, порядок их анализа и обработки. Высокая точность является основополагающим фактором при выборе метода диагностики, но ряд причин, таких, как узкие временные рамки или экономический фактор, когда владелец оборудования не имеет возможности на приобретение дополнительных тестовых аппаратов, вынуждает специалистов, занимающихся ремонтом гидроприводов, прибегать к другим способам диагностики, не столь точным, но отвечающим текущим требованиям.
По этим параметрам, методы диагностики можно объединить в две схемы, показывающие приоритет выбора какого-либо метода (рис. 4). В первой схеме показан приоритет выбора метода диагностики при определении неисправности механизмов. Вторая схема отражает выбор метода определения качества рабочей жидкости.
Рис. 4. Схема приоритетного выбора методов диагностики
Повсеместное развитие технологий приводит к развитию гидроприводов и к их усложнению. Модернизируется весь перечень используемых в них гидроаппаратов, что приводит к расширению перечня возможных неисправностей оборудования. Поэтому необходимо постоянно разрабатывать новые или модернизировать уже существующие методы диагностики гидропривода, что не просто устраняет возникающие неполадки, но и успешно предупреждает их. В этой связи диагностика гидросистем на основе нейронных сетей может стать успешным решением современных вопросов диагностики. Она сможет успешно предсказывать появление неисправностей и определять их расположение, что приведёт к снижению времени простоя оборудования при ремонте, а также к снижению экономических затрат.
Список литературы
1. Иноземцев А.Н., Трушин Н.Н. Гидравлика. Основы проектирования и расчета объемного гидравлического привода: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 224 с.
2. Богдан Н.В., Жилевич М.И, Красневский Л.Г. Техническая диагностика гидросистем. Минск: Белавтотракторостроение, 2000. 120 с.
3. Алексеева Т.В., Бабанская В.Д., Башта Т.М. Техническая диагностика гидравлических приводов. М.: Машиностроение. 1989. 264 с.
4. Харазов А.М. Технологическая диагностика гидроприводов машин. М.: Машиностроение, 1979. 112 с.
5. Сырицын Т. А. Эксплуатация и надёжность гидро- и пневмноприводов. М.: Машиностроение, 1990. 248 с.
6. Кондаков Л. А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1982. 216 с.
7. Fault diagnostics of a Hydraulic Power Systems Using an Artificial
Neural Network. URL: http://hyalabdali.kau.edu.sa/Files/320/
Researches/52700 23006.pdf(дата обращения: 23.04.2014).
Чиликин Алексей Александрович, асп., [email protected]. Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Трушин Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., [email protected], Россия, Тула, Тульский государственный университет
COMPARATIVE ANALYSIS OF MODERN METHODS DIAGNOSTICS OF THE CONDITION OF HYDRAULIC SYSTEMS
A.A.Chilikin, N.N.Trushin
Modern methods of diagnostics of hydraulic systems and on the basis of their analysis developed the priority sequence of their use are considered.
Key words: diagnostics, hydraulic system, artificial neural network.
Chilikin Alexei Aleksandrovich, postgraduate, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,
Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected]. Russia, Tula, Tula State University
