Гидромеханические передачи карьерных самосвалов БЕЛАЗ с мехатронной системой управления: диагностирование технического состояния в процессе тестовых испытаний

В.В. Региня, начальник бюро гидромеханических передач ОАО «БЕЛАЗ» управляющая компания холдинга «БЕЛАЗ-ХОЛДИНГ»

Информация о техническом состоянии гидромеханической передачи (ГМП) карьерного самосвала БЕЛАЗ весьма сложна. В процессе эксплуатации ГМП карьерного самосвала возникает необходимость отслеживать отказы различной физической природы: механические и гидравлические, тепловые и электрические. Для решения данных задач специалистами предприятия проводится большая работа в области разработок системы диагностирования ГМП на карьерные самосвалы грузоподъемностью от 30 до 90 т.

Очевидно, что для отражения полного объема информации о работе узлов и систем ГМП приходится учитывать значительное количество диагностических параметров. В связи с этим в процессе разработки было важно определить приоритетные показатели для гидромеханических передач, которые наиболее полно отражают их техническое состояние и в наибольшей степени влияют на их работоспособность.

Источником формирования технических диагнозов, характеризующих состояние ГМП, служит комплекс информации об изменении характеристик диагностических параметров.

Количество информации, поставляемой системе диагностирования, должно быть необходимым и достаточным для достоверной однозначной идентификации режимов работы ГМП и формирования адекватных происходящим процессам диагнозов, обеспечивающих безопасность, надежность, оценку и прогноз технического состояния.

С другой стороны, эффективность работы карьерного самосвала БЕЛАЗ, его производительность и топливная экономичность зависят от согласованной работы двигателя и ГМП.

Отсутствие методик оперативной оценки показателей работы ГМП и двигателя может приводить к значительным потерям рабочего времени при определении и поиске неисправностей, связанных с такими недостатками, как неудовлетворительная тягово-скоростная характеристика самосвала БЕЛАЗ, перегрев ГМП, перегрев двигателя и другое.

Более широкие возможности в диагностировании технического состояния предоставляют гидромеханические передачи с мехатронными системами автоматического управления (МСАУ ГМП). Сегодня такое оборудование устанавливается на некоторых карьерных самосвалах БЕЛАЗ грузоподъемностью 45–60 т (фото 1).

Фото 1 Карьерный самосвал БЕЛАЗ-7555 грузоподъемностью 60 т

Фото 1 Карьерный самосвал БЕЛАЗ-7555 грузоподъемностью 60 т

Мехатронная система автоматического управления гидромеханической передачей представляет собой комплекс взаимодействующих электронных, электрических и гидравлических устройств, предназначенных для управления и диагностирования ГМП.

С помощью датчиков МСАУ получает информацию о скоростном и нагрузочном режимах работы двигателя, кинематических параметрах работы ГМП, положении рычага селектора передач, органов управления рабочей и стояночной тормозных систем, положении грузовой платформы, состоянии гидропривода фрикционов и системы управления гидротрансформатором. Выходные сигналы датчиков поступают в контроллер ГМП и используются для управления, диагностики и мониторинга технического состояния гидромеханической передачи. Необходимая информация выводится на электронную панель приборов, установленную в кабине самосвала (фото 2).Фото 2 Электронная панель приборов самосвала БЕЛАЗ"7555, оснащено МСАУ ГМП

Фото 2 Электронная панель приборов самосвала БЕЛАЗ-7555, оснащено МСАУ ГМП

Основные компоненты МСАУ ГМП представлены на рис. 1. При создании МСАУ ГМП для карьерных самосвалов БЕЛАЗ грузоподъемностью 45–60 т проведена модернизация серийных гидромеханических передач, в которых изменена конструкция фрикционных муфт, а исполнительная система управления фрикционами выполнена в виде блока пропорциональных электрогидравлических клапанов.

Рис. 1 Мехатронная система управления и диагностирования гидромеханической передачи

Рис. 1 Мехатронная система управления и диагностирования гидромеханической передачи

Пропорциональные электрогидравлические клапаны включения фрикционов – это устройства, осуществляющие преобразование электрических сигналов, получаемых от контроллера управления ГМП в поток жидкости с давлением пропорциональным значению сигналов управления.

Информацию о положении педали подачи топлива и частоте вращения коленчатого вала двигателя контроллер ГМП получает по CAN-шине от электронного блока двигателя и использует ее при формировании сигналов на переключение передач, включение и выключение блокировочной муфты гидротрансформатора.

На ГМП установлены три датчика, предназначенные для измерения частот вращения ведущего, диапазонного и ведомого валов ГМП. Сигналы датчиков частоты вращения используются МСАУ для выполнения следующих функций:

- формирование сигналов на переключение передач, включение и выключение блокировочной муфты гидротрансформатора;

- формирование характеристик регулирования давления во фрикционах ГМП;

- контроль проскальзывания включенных фрикционов ГМП;

- отображение на панели индикации частот вращения ведущего, диапазонного и выходного валов ГМП.

В каждой гидролинии, связывающей пропорциональные электрогидравлические клапаны с фрикционами ГМП, установлен датчик давления. Выходные сигналы этих датчиков используются контроллером ГМП по следующему назначению:

- выявить непредусмотренную комбинацию включения фрикционов на передаче и в случае её появления перевести ГМП в аварийный режим управления;

- оценить техническое состояние фрикционов ГМП и исполнительных механизмов МСАУ;

- отобразить на панели индикации уровни давлений в каналах включения фрикционов.

Датчики главного давления ГМП, давления гидротрансформатора, давления смазки, датчик температуры масла в ГМП предназначены для отображения информации на панели индикации и формирования соответствующей диагностической информации.

На панели индикации имеются экран для отображения диагностической информации и экран журнала ошибок. Экран отображения диагностической информации предназначен для вывода дополнительной информации о состоянии мехатронных компонентов МСАУ ГМП.

Экран журнала ошибок предназначен для ведения учета возникающих ошибок и отказов компонентов МСАУ ГМП. При возникновении ошибки в работе системы управления код ошибки заносится в журнал. Впоследствии при проведении технического обслуживания оператор может распознать все произошедшие за данный период работы самосвала ошибки и предпринять меры по устранению причин их возникновения.

В процессе создания МСАУ ГМП проводилась отработка методики диагностирования технического состояния ГМП в процессе тестовых режимов испытания карьерного самосвала. Оценка технического состояния ГМП осуществляется в процессе следующих тестовых проверок:

- тестовые испытания в процессе разгона самосвала с проведением оперативного диагностирования технического состояния механизмов ГМП и системы МСАУ посредством встроенной в МСАУ системы контроля и определением времени разгона до заданной скорости и пути, пройденного за это время;

- тестовые испытания самосвала на стоповом режиме гидротрансформатора.

В процессе оперативного диагностирования оцениваются следующие диагностические параметры:

- контроль уровней давления в главной масляной магистрали ГМП, на входе в гидротрансформатор и в системе смазки;

- контроль параметров характеристик управления давлением во включаемых и выключаемых фрикционах;

- контроль времени буксования фрикционов;

- контроль времени перемещения поршня фрикционов;

- контроль передаточных чисел включаемой и выключаемой передач;

- контроль верхнего предела температуры масла на выходе из гидротрансформатора.

Одновременно должен производиться постоянный мониторинг состояния:

- цепей электромагнитов пропорциональных клапанных устройств;

- сигналов от датчиков частоты вращения валов ГМП;

- засоренности фильтра очистки масла.

Обработка этой информации позволяет своевременно диагностировать неисправности и выполнить ремонт и замену соответствующего компонента.

На основании сигналов, полученных от датчиков давления, установленных в гидравлической системе управления ГМП, можно оценить состояние ее компонентов: гидронасоса, гидроцилиндров фрикционов, гидрораспределителей и соединительных гидромагистралей.

Информация о частотах вращения валов ГМП позволяет оценить состояние фрикционных элементов управления ГМП. МСАУ ГМП оснащена достаточным количеством датчиков для того, чтобы определить скорости скольжения всех фрикционов. С учетом значений этих скоростей можно диагностировать основной вид неисправности ГМП – пробуксовывание фрикционов.

Система оперативного диагностирования в режиме реального времени осуществляет контроль уровней давления в главной масляной магистрали ГМП и в системе смазки, потерь давления на фильтрах очистки масла, контроль времени заполнения гидроцилиндров фрикционов при их включении, времени буксования фрикционов, завершенность их замыкания.

Время заполнения гидроцилиндров фрикционов косвенно характеризует величину износа фрикционных дисков.

Замыкание фрикционов контролируется по совпадению конструктивного и фактического значений передаточного числа, получаемого после включения новой ступени коробки передач ГМП. Если они не совпадают, это означает, что фрикцион не замкнулся и продолжает буксовать, что чревато его перегревом и быстрой поломкой. В этом случае контроллер выдает команду на выключение данного фрикциона, следовательно, и включенной передачи, включая принудительно более низкую передачу, а на экране дисплея появляется информация об аварийном состоянии ГМП. Фактическое передаточное число коробки передач контроллер вычисляет по информации, поступившей от датчиков частоты вращения, установленных на валу турбины гидротрансформатора (ГДТ), выходном и промежуточном валах ГМП.

В то же время некоторые неисправности ГМП не могут быть определены в процессе мониторинга ее технического состояния с отображением результатов на экране дисплея.

Например, повышенные потери энергии во фрикционах, обусловленные короблением и заклиниванием фрикционных дисков; снижение преобразующих свойств ГДТ; износ муфт свободного хода реакторных колес ГДТ; заклинивание этих муфт. Вследствие этих неисправностей снижаются показатели эффективности выполнения транспортной работы (снижается производительность, возрастает удельный расход топлива). При этом ГМП продолжает выполнять свои функции, но параметры ее уже не соответствуют установленным требованиям технической документации. Выявление таких неисправностей требует разработки соответствующих методик проведения диагностирования.

Отработка методики проведения тестовых испытаний по оценке технического состояния ГМП карьерного самосвала БЕЛАЗ осуществлялась на динамической модели, приведенной на рис. 2. Модель учитывает инерционные, упругие и диссипативные свойства системы «двигатель – трансмиссия – самосвал», трансформаторные элементы трансмиссии (гидротрансформатор и зубчатые передачи), фрикционные элементы управления блокировкой гидротрансформатора Фбл и переключением передач Ф1 и Ф2.

Рис. 2 Динамическая модель системы «двигатель – трансмиссия – самосвал»: Jд.н, Jт, Jк.п, Jг.п, Jа – моменты инерции, отображающие инерционные свойства ме3 ханизмов – двигателя, турбины, коробки передач, главной передачи, поступательно движущейся массы автомобиля; ωд.н, ωт, ωк.п, ωг.п, ωа – угловые скорости этих масс; c1, c2 – коэффициенты жесткости элементов трансмиссии; μ1, μ2 – коэффициенты демпфирования механизмов трансмиссии; uк.пij – передаточные числа зубчатых ме3 ханизмов коробки передач; uг.п – передаточное число главной передачи с учетом ко3 лесной передачи; Mд – вращающий момент двигателя на входе ГМП; Mн, Mн – вра3 щающие моменты насосного колеса и турбины ГДТ; MГМП – момент сопротивления холостой прокрутки ГМП; Mc – приведенный суммарный момент сопротивления дви3 жению автомобиля
Рис. 2 Динамическая модель системы «двигатель – трансмиссия – самосвал»: Jд.н, Jт, Jк.п, Jг.п, Jа – моменты инерции, отображающие инерционные свойства ме3 ханизмов – двигателя, турбины, коробки передач, главной передачи, поступательно движущейся массы автомобиля; ωд.н, ωт, ωк.п, ωг.п, ωа – угловые скорости этих масс; c1, c2 – коэффициенты жесткости элементов трансмиссии; μ1, μ2 – коэффициенты демпфирования механизмов трансмиссии; uк.пij – передаточные числа зубчатых ме3 ханизмов коробки передач; uг.п – передаточное число главной передачи с учетом ко3 лесной передачи; Mд – вращающий момент двигателя на входе ГМП; Mн, Mн – вра3 щающие моменты насосного колеса и турбины ГДТ; MГМП – момент сопротивления холостой прокрутки ГМП; Mc – приведенный суммарный момент сопротивления дви3 жению автомобиля

Для оценки возможности использования методики при проведении мониторинга технического состояния механизмов самосвала было выполнено моделирование процесса разгона карьерного самосвала БЕЛАЗ-7555Е как порожнего, так и при полной нагрузке. Коэффициент уровня мощности kχ при моделировании изменялся в пределах ±0,2, т.е. предполагалось снижение или завышение мощности до 20% от номинальной.

Величина коэффициента kГМП увеличения потерь в ГМП варьировалась в пределах от 1 до 3. При этом для оценки влияния потерь мощности в ГМП были приняты во внимание результаты стендовых испытаний ГМП с дефектными фрикционами, когда потери на прокрутку ГМП возрастали в 2–3 раза по сравнению с предельными нормативными значениями.

Рис. 3 Графики зависимостей параметров tν, sν, tм от коэффициента kГМП для порожнего самосвала

Рис. 3 Графики зависимостей параметров tν, sν, tм от коэффициента kГМП для порожнего самосвала

При моделировании движения самосвала вычислялись многие параметры: время преодоления маршрута tм; расход топлива Qм за время tм; средняя скорость движения νср; суммарная энергия двигателя Wд, выработанная за время tм; затраты энергии на преодоление сопротивления качению Wf, преодоление уклонов Wh и сопротивления воздуха Wв; затраты энергии в механизмах трансмиссии. Отдельно выделялись затраты энергии на холостую прокрутку ГМП WГМП, определяемые в основном потерями на трение фрикционных дисков механизмов управления переключением ступеней в коробке передач, и потери в зубчатых зацеплениях Wтр. Предполагалось, что движение осуществляется при полной подаче топлива в двигатель, а его вращающий момент изменяется по внешней скоростной характеристике Me = f (ωд). На рис. 3 приведены графики, полученные для порожнего карьерного самосвала БЕЛАЗ-7555Е при варьировании коэффициента kГМП, а на рис. 4 – при варьировании коэффициента kχ.Рис. 4 Графики зависимостей параметров tν, sν, tм от коэффициента kχ для порожнего самосвала

Рис. 4 Графики зависимостей параметров tν, sν, tм от коэффициента kχ для порожнего самосвала

Полученные при моделировании результаты отображают существенную зависимость времени преодоления маршрута tм, средней скорости движения νср, времени разгона до заданной скорости tν от потерь в ГМП и мощности двигателя. Следовательно, по изменению значений времени разгона до заданной скорости tν и пути sν, пройденного за это время, можно оценивать в эксплуатации техническое состояние ГМП и двигателя самосвала БЕЛАЗ в порожнем или груженом состояниях.

Эти диагностические параметры можно непосредственно определить и фиксировать техническими средствами МСАУ. Отдельно необходимо рассмотреть способы диагностирования технического состояния гидротрансформатора (ГДТ) (рис. 5). Они также основаны на использовании тестовых режимов испытаний. Проводятся два вида тестовых испытаний: разгон и испытание на стоповом режиме ГДТ при заторможенном самосвале. Как показано на рис. 5 ГДТ представляет собой гидравлическую лопастную машину, основными элементами которой являются: насосное 7 и турбинное 4 колеса, колеса 5 и 6 направляющего аппарата (реактора) и система питания, обеспечивающая поддержание давления в рабочей полости, исключающего кавитацию рабочей жидкости, и прокачку рабочей жидкости для отвода выделяемой тепловой энергии и поддержания допускаемой температуры.

Рис. 5 Конструкция гидродинамического трансформатора

Рис. 5 Конструкция гидродинамического трансформатора

Насосное колесо выполняет функцию генератора, преобразуя подводимую к нему механическую энергию двигателя в энергию рабочей жидкости. Турбинное колесо представляет собой гидравлический двигатель, который энергию рабочей жидкости преобразует в механическую энергию.

Колеса реактора 5 и 6 установлены на муфтах свободного хода (МСХ), позволяющих получить более широкую область работы ГДТ с высокими значениями КПД, а также реализовать режим гидромуфты. Насосное колесо 7 карданной передачей связано с валом двигателя. Энергия двигателя передается насосному колесу через входной вал 1, корпус фрикциона блокировки 2 и кожух 3. Турбинное колесо 4 закреплено на входном валу 10 коробки передач.

Муфта свободного хода состоит из обоймы 12 с клиновидными пазами, в которых размещены ролики 13, и опорной ступицы 11 с цилиндрической беговой дорожкой. Опорная ступица МСХ 11 жестко связана с корпусом коробки передач 8 посредством ступицы 9. Каждое колесо реактора жестко связано со своей обоймой МСХ шлицевым соединением. Ролики 13 поджимаются пружинами 15 через толкатели 14. Исправные МСХ обеспечивают стопорение реакторных колес на режиме трансформации вращающего момента и последовательно освобождают эти колеса при соответствующих значениях передаточного отношения ГДТ, позволяя им свободно вращаться в потоке циркулирующей рабочей жидкости по межлопаточным каналам.

Основные неисправности ГДТ: износ и разрушение рабочих поверхностей клиновидных пазов, опорной ступицы 11 и роликов 13 МСХ (бринелирование, питтинг); разрушение лопаточной системы колес ГДТ; заполнение продуктами износа рабочей полости и каналов прокачки рабочей жидкости через ГДТ.

Выход из строя МСХ приводит либо к исключению возможностей своевременного стопорения реакторных колес, либо к заклиниванию роликов МСХ и полной блокировке колес реактора.

Для обоснования диагностического параметра при выявлении неисправностей МСХ проведены испытания гидротрансформатора ЛГ-470Н на специальном стенде с целью определения нагрузочных характеристик ГДТ при отказах МСХ. На рис. 6 приведены характеристики совместной работы двигателя QSX15-600 мощностью 447 кВт при n= 2100 об/мин, применяемого на карьерном самосвале БЕЛАЗ-75450, и полученные нагрузочные характеристики ГДТ ЛГ-470Н.Рис. 6 Характеристики совместной работы двигателя и ГДТ

Рис. 6 Характеристики совместной работы двигателя и ГДТ

Характеристики двигателя Mд = f (nд) построены для трёх состояний: кривая А– с учетом затрат 10% мощности на привод вспомогательного оборудования; кривая B– при снижении мощности на 10% в процессе эксплуатации; кривая C – при снижении мощности на 20%.

Нагрузочные характеристики ГДТ Mн = f (nн) соответствуют исследуемым четырём состояниям: кривая 1 принадлежит штатному исполнению ГДТ; кривая 2 – соответствует отказу МСХ первого реактора; кривая 3 – отказу МСХ второго реактора; кривая 4 – отказу МСХ обоих реакторов.

Диагностировать потерю способности заклинивания МСХ второго реактора можно на режиме разгона самосвала, при котором существенно увеличивается время разгона до заданной скорости tν, и уменьшается путь sν, пройденный за это время. Если же МСХ какого-либо реактора окажется нерасклиненной в процессе разгона самосвала при высоких значениях передаточного отношения iт.н, то эту неисправность можно обнаружить по чрезмерно быстрому нагреву рабочей жидкости на выходе из ГДТ, так как его КПД начнет резко уменьшаться.

Тестовые испытания самосвала на стоповом режиме ГДТ позволяют при использовании возможностей МСАУ определить частоту вращения вала двигателя nд и выявить отказ МСХ второго реактора или снижение нормативных показателей двигателя.

Рассмотренные показатели могут быть определены, зафиксированы и отображены на экране дисплея мехатронной системы управления. При этом не требуется оснащение карьерного самосвала дополнительными средствами измерения. Программа вычисления всех показателей записывается в память контроллера управления ГМП.

Рассмотренная методика проведения диагностирования технического состояния ГМП рекомендуется для использования в автохозяйствах, эксплуатирующих самосвалы БЕЛАЗ. При вводе в эксплуатацию карьерного самосвала БЕЛАЗ с МСАУ ГМП в автохозяйствах проводится первый сеанс проверки по выбранной трассе. Результаты мониторинга записываются в базу данных контроллера и в последующем используются для оценки динамики технического состояния карьерного самосвала.

Применение методики в эксплуатации дает возможность повысить эксплуатационную надежность, снизить затраты на техническое обслуживание и ремонт самосвалов БЕЛАЗ с гидромеханической трансмиссией.

Информационные источники:
1. Тарасик В.П. Диагностирование технического состояния гидромеханической передачи с меха* тронной системой управления карьерного самосвала / В. П. Тарасик, В.В. Региня, Ю.С. Рома* нович // Вестн. Белорус.*Рос. ун*та. 2013. 2 (39). С. 106–118.
2. Диагностирование гидромеханических передач: монография / Н.Н. Горбатенко, А.Н. Егоров, В.В. Региня и др.; под общ. ред. д*ра техн. наук, проф. В.П. Тарасика. Могилёв: Белорус.*Рос. ун*т, 2010. 511 с.
3. Тарасик В.П. Диагностирование технического состояния гидродинамического трансформа* тора карьерного самосвала / В.П. Тарасик, В.В. Региня // Вестн. Белорус.*Рос. ун*та. 2014. №3 (44). С. 68–78.
4. Региня В.В. Гидромеханические передачи самосвалов БЕЛАЗ: конструктивные особенности си* стем автоматического управления и диагностирования / Горный журнал. 2013. №1. С. 69–74.
Ключевые слова: БЕЛАЗ, тестирование, гидромеханические передачи, диагностирование

Журнал "Горная Промышленность"№3 (133) 2017, стр.32