Надежность, диагностика и защита гидроприводов транспортно-технологических машин

А. И. Павлов               А. А. Тарбеев           С. Л. Вдовин 

 
 
 
 
 

НАДЕЖНОСТЬ, ДИАГНОСТИКА  

И ЗАЩИТА ГИДРОПРИВОДОВ 

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ 

МАШИН 

 

Монография 

 
 

Под общей редакцией профессора А. И. Павлова 

 
 
 
 
 

Йошкар-Ола 

ПГТУ 
2017 
 

УДК 62-82:630*37 
ББК  43.904 

П 12 

 
Рецензенты: 
д-р физ.- мат. наук, профессор Марийского государственного университета Г. И. Миронов; 
д-р техн. наук, профессор кафедры транспортно-технологических машин и комплексов Чувашской государственной сельскохозяйственной 
академии С. С. Алатырев; 
д-р техн. наук, зав. кафедрой машин и оборудования лесного комплекса 
Санкт-Петербургского государственного технического университета 
им. С. М. Кирова В. А. Александров 
 
 
 

Павлов, А. И. 

П 12     Надежность, диагностика и защита гидроприводов транспортно
технологических машин: монография / А. И. Павлов, А. А. Тарбеев, С. Л. Вдовин; под общ. ред. проф. А. И. Павлова. – ЙошкарОла: Поволжский государственный технологический университет. 
2017. – 376 с. 
ISBN 978-5-8158-1853-8 

 

Рассмотрены вопросы теории надежности гидроприводов транспорт
но-технологических машин, приспособленность к функциональному и тестовому диагностированию, а также вопросы прогнозирования их технического состояния. Приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований гидроприводов лесных машин и их элементов, которые позволили разработать методы их диагностики. Предложены методы прогнозирования остаточного ресурса рукавов высокого давления, 
гидроцилиндров и гидрораспределителей, а также средства защиты гидропривода от выбросов рабочей жидкости. 

Для научных, инженерно-технических работников, аспирантов и сту
дентов инженерных специальностей вузов. 

УДК 62-82:630*37 

ББК 43.904 

 
ISBN 978-5-8158-1853-8 
© А. И. Павлов, А. А. Тарбеев,  
С. Л. Вдовин, 2017 
© Поволжский государственный 
технологический университет, 2017 

ОГЛАВЛЕНИЕ 

Введение ....................................................................................................... 5 
 
1. НАДЕЖНОСТЬ ГИДРОПРИВОДОВ  

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ........................... 8 
1.1. Определение надежности, общие термины и понятия ............... 10 
1.2. Показатели надежности невосстанавливаемых  

и восстанавливаемых гидроприводов.......................................... 36 

1.3. Надежность гидроприводов с последовательным  

и параллельным соединением элементов .................................... 47 

1.4. Резервирование гидроприводов .................................................... 50 
1.5. Анализ эксплуатационной надежности гидроприводов  

транспортно-технологических машин ......................................... 57 
1.5.1. Оценка эксплуатационной надежности машин  

Харвестер J 1270D  ................................................................. 62 

1.5.2. Оценка надежности машин Харвестер JD 1470F...................... 64 
1.5.3. Оценка надежности машин Форвардер 1710D ......................... 65 
1.5.4. Оценка надежности машин Форвардер 1910F ......................... 66 
1.5.5. Оценка надежности  

валочно-сучкорезно-раскряжевочных машин МЛХ434.......... 67 

1.5.6. Оценка надежности погрузочно-транспортных  

машин МЛПТ-364 .................................................................. 69 

1.6. Основные пути повышения надежности гидроприводов  

транспортно-технологических машин ......................................... 71 

Выводы и задачи исследований ............................................................ 79 

 
2. ДИАГНОСТИКА ГИДРОПРИВОДОВ  

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН  
И ИХ ЭЛЕМЕНТОВ .............................................................................. 83 
2.1. Анализ существующих методов диагностирования  

гидроприводов и их элементов .................................................... 85 

2.2. Теоретические исследования  

динамических свойств гидропривода и его элементов ............ 103 
2.2.1. Математические модели гидроприводов машины 

Харвестер JD 1470F ............................................................... 105 

2.2.2. Исследование рукавов высокого давления  

как объектов тестового диагностирования ............................. 141 

2.3. Экспериментальные исследования рукавов  

высокого давления в лабораторных условиях .......................... 157 

2.4. Методы диагностирования гидропривода и его элементов ..... 175 

2.4.1. Метод тестового диагностирования гидроприводов .............. 175 
2.4.2. Метод диагностирования трубопроводов  

по частоте собственных колебаний ....................................... 178 

2.4.3. Метод диагностирования рукавов высокого давления  

на основе использования их упругих свойств ....................... 181 

 
3. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО СОСТОЯНИЯ  

ГИДРОПРИВОДА И ЕГО ЭЛЕМЕНТОВ ......................................... 184 
3.1. Методика определения вероятности  

отказов элементов гидропривода ............................................... 185 

3.2. Методика определения стратегии замены  

элементов гидропривода ............................................................. 193 

3.3. Прогнозирование технического состояния  

гидрораспределителей ................................................................ 199 

 
4. ЗАЩИТА ГИДРОПРИВОДОВ  

ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН ....................... 206 
4.1. Анализ существующих методов и средств защиты  

гидроприводов от выбросов рабочей жидкости ....................... 206 

4.2. Обосование параметров и разработка технических решений  

средства защиты гидропривода  
от выбросов рабочей жидкости .................................................. 232 
4.2.1. Математическая модель срабатывания защитного средства  

в условиях стационарного потока жидкости  ........................ 252 

4.3. Теоретические исследования гидропривода  

со средством защиты ................................................................... 262 

4.4. Экспериментальные исследования гидропривода  

с защитным средством ................................................................ 320 

4.5. Расчет экономической эффективности  

от внедрения защитного средства .............................................. 332 

Выводы ................................................................................................. 334  

 
Заключение ............................................................................................... 336 

Библиографический список .................................................................... 338 

 
 

ВВЕДЕНИЕ 

Современный этап развития машиностроения предусматривает со
здание машин и оборудования, обладающих высокой производительностью и экономичностью, наносящих минимальный вред окружающей 
среде. В связи с этим к транспортно-технологическим машинам предъявляются такие требования, как малые энергопотребление и материалоемкость, оптимальная компоновка узлов и агрегатов с возможностью их 
унификации и стандартизации, высокий уровень безопасности и удобство управления, применяемость для различных видов технологических 
процессов. Подобным критериям в наибольшей степени соответствуют 
машины, оснащенные гидрофицированным рабочим оборудованием 
[175, 192].  

Широкое применение гидроприводов обусловлено такими их пре
имуществами, как сравнительно малая инерционность, высокая энергоемкость, простота реализации различных компоновочных схем из типовых элементов, возможность получения различных видов движений 
выходных звеньев (прямолинейное, вращательное) при минимальном 
числе передаточных звеньев, сравнительная простота организации дистанционного управления [175, 187, 188]. Тем не менее, как показывает 
опыт эксплуатации лесных, дорожно-строительных, сельскохозяйственных машин, надежность их гидроприводов остается на низком уровне. 
Так, для техники, применяемой в районах с холодным климатом, на 
гидроприводы приходится от 33 до 53,8 % от общего числа отказов 
[365]. Выходу из строя подвержены в первую очередь рукава высокого 
давления (РВД), количество отказов которых составляет 29,7-56 % от 
общего числа неисправностей гидросистемы.  

Вопросы надежности и сохранения работоспособности машин даже 

при их качественном проектировании и изготовлении не сняты с повестки дня, так как до сих пор определение технического состояния 
гидроприводов машин после гарантийного периода вызывает затруднение ввиду недостаточного оснащения предприятий средствами диагностирования и специализированного обслуживающего персонала. 

Как показывает опыт эксплуатации транспортно-технологических 

машин, даже внезапные отказы (например, рукавов высокого давления) 
возникают по ряду причин, которые можно предвидеть и предупредить. 
Поэтому вопросы повышения надежности машин в процессе их эксплуатации путем своевременного определения зарождающейся неисправности являются весьма актуальными.  

Поиск причин неисправностей требует немало времени, особенно 

при отсутствии современных методов диагностики и прогнозирования 
остаточного ресурса гидропривода и его элементов. 

Основными направлениями исследований с целью повышения без
отказности работы гидроприводов являются [186, 187]:  

 техническая диагностика отдельных элементов и гидросистем в 

целом; 

 увеличение их конструктивной прочности и качества изготовления; 
 совершенствование 
методов 
проектирования, 
позволяющих 

учесть наибольшее число факторов, влияющих на техническое состояние узлов и элементов гидрооборудования. 

Указанные меры, тем не менее, не могут обеспечить безотказность 

работы гидроприводов. В особенности это касается таких элементов, 
как рукава высокого давления напорных, отказ которых приводит к выбросам [1, 139, 233, 371] рабочей среды. Поэтому требуется создание 
специальных средств, предотвращающих выброс жидкости без влияния 
на технологические и энергетические показатели гидрооборудования. 

В настоящей работе даны основные определения надежности ма
шин, представлены результаты теоретических и экспериментальных 
исследований, на основании которых были разработаны новые методы 
диагностирования гидропривода и его элементов, новые методы прогнозирования технического состояния элементов гидропривода и определения их остаточного ресурса, а также разработаны эффективные 
средства защиты гидроприводов от выбросов рабочей жидкости. 

Данная научная работа является дальнейшим развитием авторских 

идей и подходов, изложенных в [249]. 

Научная новизна представленных результатов исследований заклю
чается в следующем: 

 предложены способы диагностирования рукавов высокого дав
ления гидроприводов лесных машин и устройства для их осуществления, отличающиеся применением гидроударных воздействий в качестве 
единичных импульсных возмущений при определении их динамических 
параметров; 

 защищено патентом средство защиты гидропривода от выброса 

рабочей жидкости, отличающееся тем, что контроль герметичности 
проводится сравнением значений расхода на двух последовательных 
участках гидролинии с помощью поршневых элементов, взаимно уравновешенных посредством обратной связи; 

 разработана математическая модель функционирования средства 

защиты гидропривода в условиях стационарного потока, отличающаяся 

учетом конструктивных особенностей и конфигурации рабочих звеньев 
устройства; 

 представлена математическая модель функционирования гидро
привода лесной машины, отличающаяся наличием в структуре гидросистемы элементов защитного средства, а также учетом влияния переходных процессов при разгерметизации и расхода рабочей среды на эффективность защиты от выброса жидкости; 

 получены результаты исследования разработанного средства за
щиты гидропривода, отличающиеся отражением показателей эффективности предложенного устройства, превышающих показатели аналогов. 

Практическая значимость работы: 
 представленный метод тестового диагностирования и устройство 

для его осуществления, защищенный патентом РФ, позволяет определить техническое состояние рукавов высокого давления при проведении 
технического обслуживания различных транспортно-технологических 
машин; 

 защищенный патентом РФ метод функционального диагности
рования гидроприводов позволяет определять техническое состояние 
гидропривода в процессе эксплуатации транспортно-технологических 
машин на любом предприятии; 

 Защищенное патентом средство защиты гидропривода обеспечи
вает возможность его установки на однотипные лесные машины в условиях эксплуатации; 

 разработанное техническое решение средства защиты позволяет 

более эффективно сократить выбросы рабочей жидкости и тем самым 
снизить эксплуатационные расходы. 

 
 

НАДЕЖНОСТЬ ГИДРОПРИВОДОВ  
ТРАНСПОРТНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ  
МАШИН 

 

 
 
При проектировании гидроприводов может возникнуть множе
ство научно-технических проблем, одной из них является необходимость повышения качества проектирования, изготовления и эксплуатации. В философском понимании качество – это неотъемлемая от 
гидропривода совокупность признаков, выражающая его специфику 
и отличие от других гидроприводов или явлений, происходящих в 
них при эксплуатации. 

Под качеством гидропривода понимается обычно совокупность 

свойств, определяющих степень его пригодности для использования 
по назначению [1]. У каждого изделия, в том числе и у гидропривода, используемого по назначению, в течение определенного (как 
правило, длительного) периода времени под влиянием различных 
факторов происходит изменение свойств, которые определяют его 
качество. 

Целью гидроприводаявляется успешное его применение по 

назначению, т.е. эксплуатация. Под эксплуатацией гидропривода 
понимают стадию жизненного цикла, на которой реализуется, поддерживается и восстанавливается его качество. Эксплуатация гидропривода включает в себя в общем случае его использование по 
назначению, техническое обслуживание, текущий ремонт, хранение, 
транспортирование. 

Показатели качества 
В общем виде качество гидропривода можно оценивать десятью 

показателями [2]: 

1)  назначением: т.е. способностью выполнять основные функ
ции, обусловливающие область его применения (классификационные, функциональной и технической эффективности, конструктивные, состава и структуры); 

1

2) надежностью (безотказность, долговечность, ремонтопри
годность, сохраняемость и другие показатели); 

3)  безопасностью и эргономикой (способность обеспечивать 

безопасность человека при эксплуатации и потреблении, систему 
взаимодействий человек – изделие); 

4)  экологичностью (уровень вредных воздействий гидроприво
да на окружающую среду при проектировании, производстве и эксплуатации); 

5)  технологичностью (оценивается оптимальность затрат мате
риалов, денежных средств, трудовых и временных ресурсов при изготовлении); 

6)  стандартизацией и унификацией (определяется насыщен
ность гидропривода стандартными, унифицированными и оригинальными составными частями и элементами; 

7)  транспортабельностью 
(устанавливается 
приспособлен
ность машины с гидроприводом к перемещению различными видами 
транспорта); 

8)  патентно-правовыми (оцениваются патентная чистота и па
тентная защита гидропривода и его элементов); 

9)  эстетическими (определяется информационную выразитель
ность, рациональность формы, целостность композиции, стабильность товарного вида и т. п.); 

10) экономическими (рассчитываются затраты на разработку, 

производство и эксплуатацию). 

Абсолютное изменение качества связано с различными про
цессами, действующими на гидропривод и изменяющими свойства 
или состояние материалов, из которых он выполнен, понижающих 
показатели качества элементов гидропривода и вызывающих ее физическое старение. 

Относительное изменение качества связано с появлением но
вых гидроприводов с более совершенными характеристиками. Показатели качества понижаются по сравнению со средним уровнем, 
хотя в абсолютных значениях они могут не измениться, т. е. происходит моральный износ машины (гидропривода). 

Изучению важных проблем в области надежности транспортно
технологических машин занималось много известных российских 
ученых. Так, например, значительный вклад в разработку общего 
методологического подхода к решению вопросов надежности изде

лий машиностроения, машин, систем и их элементов внес А. С. Проников [313]. Исследованию динамики лесных машин посвящены 
работы В. А. Александрова [11, 12], Г. М. Анисимова [16-18], 
Ю. Н. Багина [24-26, 105], A. M. Гольдберга [80], В. П. Ермольева 
[106], А. В. Жукова [110, 111], С. Ф. Орлова [239-242], В. И. Патякина [297], А. И. Павлова [243-259] и других ученых. 

Эксплуатационной надежности гидроприводов посвящены рабо
ты Т. А. Сырицына [353-356], А. Е. Ситникова [330], А. А. Комарова 
[186-187], Ю. А. Беленкова [61], С. И. Абрамова, А. М. Харазова, 
А. В. Соколова [31] и других ученых. 

Проблемы диагностики и надежности гидроприводов находятся 

в фокусе исследований Т. М. Башты [56-60], И. А. Биргера [69-71], 
И. В. Петрова [298], Т. Н. Гриневич [137], Л. А. Кондакова [188], 
Г. П. Дроздовского [149-155] и других. 

Вопросы, возникающие при создании и поддержании качества 

техники, нашли отражение в большом количестве опубликованных 
трудов. Представляет интерес работа О. Ф. Никитина [234], где в 
сжатой форме показаны основные теоретические и практические 
достижения в этой области. Поэтому данная работа была нами взята 
за основу при кратком изложении показателей надежности гидроприводов транспортно-технологических машин. 

1.1. Определение надежности, общие 

термины и понятия  

В процессе эксплуатации гидропривода свойства, определяющие 

его качество, как правило, ухудшаются. Надежностью гидропривода 
называется его способность сохранять качество в процессе эксплуатации, она является интегрирующим показателем качества. Надежность – один из основных показателей качества изделия, проявляющийся во времени и отражающий изменения, происходящие в гидроприводе на протяжении всего времени эксплуатации [1]. 

Под надежностью понимают свойство гидропривода сохранять 

во времени в установленных пределах значения всех параметров, 
характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонта, хранения и транспортирования (ГОСТ 27.002). 

Таким образом, понятие надежности связано не только с безот
казностью, условиями эксплуатации, но и с изменениями, определяемыми временем эксплуатации и вызывающими переход от одного 
качественного состояния в другое в тесной связи с количественными 
изменениями в гидроприводе, и должно включать как количественные, так и качественные аспекты. 

Специфическими особенностями надежности являются: 
а) время, поскольку оценивается изменение начальных пара
метров в процессе эксплуатации машины; 

б) прогнозирование поведения гидропривода с точки зрения со
хранения его выходных параметров (показателей качества). 

С учетом изложенного понятие надежности может быть опреде
лено как свойство технических объектов выполнять в определенных 
условиях эксплуатации и в течение определенного интервала времени все заданные им функции при сохранении значений параметров и 
рабочих характеристик в пределах установленных допусков. 

Количественно надежность может быть определена вероятност
ными критериями и характеристиками. 

В качестве примера рассмотрим проведенные для оценки 

надежности испытания значительного числа N элементов гидропривода в течение времени t (под элементами гидропривода понимаются гидромашины, распределительные устройства, устройства управления, вспомогательные устройства и другие, являющиеся составной 
частью гидропривода). Пусть к концу испытания останется Np = N – п 
работоспособных (не имеющих отказа) элементов и п отказавших. 
Теоретически вероятность события есть Р = lim(n/N), где п – число 
событий, связанных с отказом; N – число испытаний (число повторов комплекса испытаний). Теоретическое значение вероятности 
ограничено, поскольку его можно получить при бесконечном числе 
испытаний и неизменной совокупности условий, определяющих эти 
испытания. Более приемлемым считается определение вероятности 
как некоторой закономерной величины, вокруг которой группируются частоты событий, полученные при достаточно большой серии 
испытаний. 

Изменения внешних воздействий и условий эксплуатации в за
данных (допустимых) пределах, как и режимов работы привода, 
случайны, поэтому время работы t элемента или гидропривода в целом до отказа является случайной величиной. Следовательно, надеж

ность, которая изучает изменение показателей качества во времени, 
является как бы «динамикой качества», его разверткой во времени, 
безопасность является функцией надежности. 

Показатель надежности – это вероятность (объективная воз
можность осуществления чего-либо) определенных событий, обусловленных свойствами гидропривода. Она приобретает количественный (математический) смысл и становится мерой надежности, 
когда возможность проявления какого-либо события оценивается 
числом, устойчивым при неоднократном повторении определенного 
комплекса условий. 

Под термином «надежность» понимается круг условий и меро
приятий, обеспечивающих необходимую продолжительность и безотказность работы систем и объектов с наименьшими затратами 
времени и средств, тем самым ограничивая понятие данного термина. В принципе надежность изучает закономерности изменения показателей качества технических устройств и систем под влиянием 
тех причин, которые приводят только к абсолютным изменениям ее 
свойств, и на основании этого разрабатывает методы, обеспечивающие необходимую продолжительность и безотказность работы 
гидропривода с наименьшими затратами времени и средств. Надежность не рассматривает вопросы достижения определенного уровня 
показателей качества машин – их точности, мощности, КПД, производительности – это задача других наук, а только изменения этих 
показателей с течением времени [7]. 

Наука о надежности на основании прогноза поведения системы 

разрабатывает теорию принятия оптимальных решений для обеспечения требуемого уровня надежности. 

Проблема надежности по своей сути является технической, так 

как она непосредственно связана с процессами проектирования, 
производства и эксплуатации машин и оборудования с гидроприводом. Совокупность общих методов, позволяющих создать технические устройства (гидроприводы) с высокой надежностью и рассчитать их количественные показатели, составляет основу теории 
надежности. 

Условно в проблеме надежности можно выделить два направле
ния: обеспечение надежности и ее контроль (расчет). 

Первое направление основано на известных и ставших уже тра
диционными конструкторских и технологических методах создания