Проблемы машиностроения и надежности машин, 2023, № 3, стр. 40-47

В гидравлической системе приводов управления навесными, полунавесными и прицепными орудиями сельскохозяйственных и промышленных тракторов, самоходных почвообрабатывающих и дорожных машин, эксплуатирующихся при большой запыленности применяются шестеренные насосы (НШ) серии А (круглые), предназначенные для нагнетания рабочей жидкости [1–3].

Техническое состояние гидронасосов определяется коэффициентом подачи [4, 5], значение которого для новых насосов составляет 0.92–0.95. За предельное состояние принимается его падение более чем на 40%.

Нормированный 80-процентный гамма-ресурс круглых шестеренных насосов составляет 6000 ч при условии соблюдения правил эксплуатации, технического обслуживания и хранения [6]. Однако в условиях реальной эксплуатации доремонтный ресурс не превышает 1800–2200 ч [7, 8].

Стендовый контроль технического состояния круглых шестеренных насосов, принятых на ремонт, показал [9, 10], что из исследуемой статистической партии 81% эксплуатировались в запредельном состоянии (рис. 1).

Рис. 1.

Функция закона распределения Вейбулла коэффициента подачи насоса: форма – 0.365; масштаб – 5.288; математическое ожидание – 0.342.

Для определения ресурсоопределяющих соединений деталей пар трения круглых шестеренных насосов серии А был проведен многофакторный регрессионный анализ статистической связи между зависимой переменной – коэффициентом подачи насосов (${{\eta }_{Q}}$) и независимыми факторами – износами рабочих поверхностей деталей [11–14].

Оценка значений стандартизированного коэффициента регрессии ${{b}_{i}}$, показывающего силу влияния независимых переменных на зависимую, показала, что наиболее значимое влияние оказывают: 1) износ поверхности цапф ведущей шестерни (${{b}_{i}} = \left| {0.706618} \right|$); 2) износ поверхности цапф ведомой шестерни (${{b}_{i}} = \left| {0.536494} \right|$); 3) износ поверхности подшипниковой полуобоймы под ведомую шестерню (${{b}_{i}} = \left| {0.526533} \right|$); 4) износ поверхности подшипниковой полуобоймы под ведущую шестерню (${{b}_{i}} = \left| {0.40985} \right|$). Таким образом, можно утверждать, что эти детали сопряжений являются ресурсоопределяющими.

Поэтому разработана новая технологическая схема ремонта круглых шестеренных гидронасосов, включающая, расточку под ремонтный размер полуотверстий подшипниковой обоймы и создание на них измененного поверхностного слоя методом электроискровой обработки электродом из медьсодержащего сплава; нанесение на цапфы электроискрового покрытия электродом из среднеуглеродистой легированной стали с последующим шлифованием на размер [10, 15–17].

Важным достоинством применяемого метода является возможность наносить любые токопроводящие материалы, обеспечивая требуемые физико-механические и триботехнические свойства рабочих поверхностей деталей; высокая прочность сцепления металлопокрытия с основой, низкая энергоемкость процесса, простота выполнения технологических операций и др.

При разработке новых технологий надежность отремонтированных агрегатов оценивается по показателям гамма-процентного ресурса, а его эффективность – в сравнении показателей, оцененных в доремонтный период эксплуатации [18].

Целью исследования является определение среднего ресурса круглых шестеренных насосов в условиях эксплуатации, отремонтированных по новой технологии.

Материалы и методы. Оценку надежности гидронасосов в доремонтный и межремонтный периоды эксплуатации проводили по плану [N, U, r] [19]. Задавшись значением доверительной вероятности α = 0.95 и по расчетному коэффициенту $q$ (для новых гидронасосов $q = 1.458$, для отремонтированных $q = 1.398$), приняли требуемое для исследования количество гидронасосов: новых N_н = 33 шт., отремонтированных N_рем = 40 шт.

Тогда при N_н = 33 шт. вероятности безотказной работы P(t) = 0.80 и доверительной вероятности α = 0.95 [19], число отказов r для оценки гамма-процентных показателей ресурса принято 3 штуки [20]. Для N_рем = 40 шт. при тех же значениях вероятности безотказной работы и доверительной вероятности число отказов r – 5 штук.

Новые и отремонтированные гидронасосы после оценки технического состояния на стенде КИ-4815М устанавливались на трактора, занятые на сельскохозяйственных работах. Исследования проведены в период 2011–2022 гг.

Виды выполняемых работ и годовая наработка тракторов представлена в табл. 1. Общая годовая наработка гидронасосов составила 5166–8280 ч со средним значением 6723 ч.

В качестве средств измерения и контроля технического состояния гидронасосов во время эксплуатации использовали: реверсивный расходомер RFIK 120 ABOT (рис. 2), секундомер, запорные устройства А-0/75-4616 320 и металлическую линейку.

Рис. 2.

Реверсивный расходомер RFIK 120 ABOT.

Гидронасосы, функциональные параметры которых превышали предельные, снимались с эксплуатации, при этом фиксировалась их наработка. По достижению количества отказов r остальные, не отказавшие гидронасосы, также снимались с эксплуатации с фиксацией наработки.

Результаты исследований и обсуждение. Гамма-процентный ресурс круглых шестеренных насосов в доремонтный период рядовой эксплуатации.

По результатам контрольных наблюдений за агрегатами по плану [N, U, r] [19] получены следующие исходные данные для оценки показателей ресурса: 30 выборочных значений наработки t ч до цензурирования (Censored) (90.9%) и 3 выборочных значения наработки t ч до отказа (Complete) (9.1%).

Проверка, как крайних, так и любых других смежных точек выборки при N_н = 33 шт. по критерию Ирвина показала, что первая точка информации $t_{{{\text{др}}}}^{1} = 930$ ч является достоверной точкой (λ_оп = 0.04 < λ = 1.1) и ее следует учитывать при дальнейших расчетах, последняя точка информации $t_{{{\text{др}}}}^{{33}}$ = 2490 ч также является достоверной (λ_оп = 0.4 < < λ = 1.6) и ее следует учитывать при дальнейших расчетах. Таким образом, выпадающей наработки нет.

Из приведенного статистического ряда видно, что до наработки 1100 ч отказов агрегатов не было, т.е. параметр положения распределения больше нуля.

С использованием программы “Statistica” [21] методом максимального правдоподобия установлены следующие параметры закона: смещение – ${{t}_{{{\text{см}}}}} = 852$ ч; форма – $b = 2.91$; масштаб – $a = 2083.5$ ч.

Функция вероятности безотказной работы новых гидронасосов, оцененная методом максимального правдоподобия, представлена на рис. 3.

Рис. 3.

Функция вероятности безотказной работы новых гидронасосов: 1 – доверительный интервал; 2 – линия времени отказа гидронасосов.

Результаты сравнения теоретической функции вероятности безотказной работы (рис. 3) с непараметрической оценкой Каплана–Мейера (рис. 4) по критерию Холландера–Прошана показывают, что качество подгонки статистических данных с оцененными параметрами закона распределения Вейбулла не противоречит выдвинутой гипотезе (табл. 2).

Рис. 4.

График вероятности безотказной работы и 95-процентный доверительный интервал, оцененный по методу Каплана–Мейера: 1 – наработка отказавших гидронасосов; 2 – наработка неотказавших гидронасосов.

По параметрам закона с учетом значения коэффициента ${{K}_{b}} = 0.89$ и квантиля распределения закона Вейбулла ${{Н}_{{\text{к}}}}$ = 0.607 определены средний ресурс и 80-процентный гамма-ресурс круглых шестеренных насосов в доремонтный период рядовой эксплуатации.

Гамма-процентный ресурс отремонтированных по новой технологии круглых шестеренных насосов в межремонтный период рядовой эксплуатации.

По результатам контрольных наблюдений по плану [N, U, r] за агрегатами получены следующие исходные данные для оценки показателей ресурса: 35 выборочных значений наработки t ч до цензурирования (Censored) (87.5%) и 5 выборочных значений наработки t ч до отказа (Complete) (12.5%).

Проверка, как крайних, так и любых других смежных точек выборки при N = 40 шт. по критерию Ирвина показала, что первая точка информации $t_{{{\text{мр}}}}^{{\text{1}}} = 400$ ч является выпадающей (λ_оп = 1.27 > λ = 1.1) и ее не следует учитывать при дальнейших расчетах, последняя точка информации $t_{{{\text{мр}}}}^{{{\text{40}}}} = 2930$ ч является достоверной точкой (λ_оп = 0.22 < λ = = 1.6) и ее следует учитывать при дальнейших расчетах. Учитывая, что первая точка информации выпала, дальнейшие расчеты проведены при N = 39 шт. [19, 20].

Из приведенного статистического ряда видно, что до наработки 1190 ч отказов агрегатов не было, т.е. параметр положения распределения больше нуля.

В программе “Statistica” [21] с использованием метода максимального правдоподобия определили параметры закона: ${{t}_{{{\text{см}}}}} = 998$ ч; $a = 2147.3$ ч; $b = 2.77$.

Функция вероятности безотказной работы отремонтированных гидронасосов, оцененная методом максимального правдоподобия, представлена на рис. 5.

Рис. 5.

Функция вероятности безотказной работы отремонтированных гидронасосов: 1 – доверительный интервал; 2 – линия времени безотказной работы гидронасосов.

Сравнение теоретической функции вероятности безотказной работы (рис. 5) с непараметрической оценкой Каплана–Мейера (рис. 6) по критерию Холландера–Прошана показывает, что качество подгонки статистических данных с оцененными параметрами закона распределения Вейбулла не противоречит выдвинутой гипотезе (табл. 3).

Рис. 6.

График вероятности безотказной работы и 95-процентный доверительный интервал, оцененный по методу Каплана–Мейера: 1 – наработка отказавших гидронасосов; 2 – наработка неотказавших гидронасосов.

По установленным параметрам с учетом значения коэффициента ${{K}_{b}} = 0.89$ и квантиля распределения закона Вейбулла ${{Н}_{{\text{к}}}}$ = 0.607 определены средний ресурс и 80-процентный гамма-ресурс круглых шестеренных насосов в межремонтный период рядовой эксплуатации (табл. 4).

Результаты анализа табл. 4 показывают, что отремонтированные по новой технологии гидронасосы НШ серии А имеют средний межремонтный ресурс в условиях реальной эксплуатации в 1.07 раза выше по сравнению с ресурсом в доремонтный период эксплуатации.

Заключение. Полученные результаты оценки среднего ресурса в доремонтный и межремонтный периоды реальной эксплуатации гидронасосов НШ серии А показывают высокую эффективность применения метода электроискровой обработки для восстановления изношенных поверхностей деталей и повышения износостойкости ресурсоопределяющих сопряжений.