CC BY
12
DOI 10.47737/2307-2873_2020_32_21 УДК 629.025
ИССЛЕДОВАНИЕ ДЕФЕКТОВ И ИЗНОСОВ
ДЕТАЛЕЙ КЛАПАНА УПРАВЛЕНИЯ РУЛЕВОГО МЕХАНИЗМА АВТОМОБИЛЯ КАМАЗ
С. В. Червяков,
А. В. Столяров, канд. техн. наук, доцент, ФГБОУ ВО «МГУ им. Н. П. Огарева»,
ул. Большевистская, д. 68, Саранск, Республика Мордовия, Россия, 430005, E-mail: cabto@mail.ru
Аннотация. Отказ рулевого механизма грузового автомобиля КамАЗ зачастую связан с потерей работоспособности клапана управления. Анализ дефектов клапана показал, что причиной потери работоспособности является повышенный износ кромок золотника и корпуса. Форма изношенных поверхностей представляет собой конус с максимальными зазорами, расположенными ближе к краю кромки. Микрометражные исследования представленных поверхностей на профилографе -профилометре фирмы Тейлор-Хобсон показали, что кромки золотника и корпуса имеют сравнимую степень износа как по радиусу, так и по длине. Среднее значение износов кромок корпуса по длине в 1,1 раза больше среднего износа кромок золотника. Средний радиальный износ кромок корпуса в 1,7 раза больше среднего радиального износа кромок золотника, который равен 0,051 мм. В дальнейшем в ходе проведения исследований было установлено, что износ поверхности кромок золотника не превышает 110 мкм, что позволяет в качестве его технологии восстановления выбрать электроконтактную приварку ленты через промежуточный подслой.
Ключевые слова: клапан, рулевое управление, дефекты, износ деталей, автомобиль КамАЗ.
Введение. Главным элементом системы рулевого управления автомобилей является рулевой механизм. Он служит для уменьшения усилия, прилагаемого к рулевому колесу, смягчает удары, передающиеся от неровностей дороги. Кроме того, одной из его главных функций является повышение безопасности движения. Даже в случае разрыва шины ГУР позволяет со-
хранять контроль за направлением движения.
Анализ источников показал [1, 2], что на рулевое управление приходится более 10 % отказов систем данного автомобиля в гарантийный период. Причем, на рулевой механизм приходится более 67,5% всех отказов системы рулевого управления. Средняя наработка до первого отказа составляет
21961 км. А средняя стоимость его устранения составляет 19 996 рублей.
Наиболее частые отказы системы рулевого управления обусловлены отказами рулевого механизма. Собственные исследования показали, что основной причиной постановки рулевого механизма автомобиля КамАЗ на ремонт является повышенное усилие на рулевом колесе [3], связанное с
потерей работоспособности клапана управления, что, в конечном итоге, приводит к повышению аварийности на дороге, поэтому техническому состоянию рулевого управления автомобилей всегда должно уделяться особое внимание.
Итак, рассмотрим устройство клапана управления, представленного на рисунке 1.
Рис. 1. Устройство клапана управления рулевого механизма автомобиля КамАЗ: 1 -клапан управления в сборе, 2- золотник, 3,6 - пружина реактивная, 4 - плунжер реактивный, 5-шарик-заглушка, 7- плунжер глухого отверстия, 8- пластина стопорная, 9-клапан обратный, 10 - седло низкого давления, 11 - седло высокого давления, 12 - седло предохранительного клапана, 13 - клапан предохранительный, 14 - пружина предохранительного клапана, 15- контргайка, 16- винт регулировочный, 17 - кольцо уплотнительное, 18 - корпус клапана
Клапан управления рулевого механизма служит для распределения потоков жидкости от питающего насоса к соответствующим полостям цилиндров. При вращении рулевого колеса золотник перемещается в продольном направлении относительно корпуса, в этот момент полость цилиндра отсоединяется от слива и подключается к линии нагнетания, в другой полости все происходит в обратном порядке. При возращении рулевого колеса в нейтральное положение золотник переме-
щается в среднее положение, при этом отключаются от линии нагнетания цилиндровые полости, и подключается линия слива.
Входной стендовый контроль поступивших агрегатов в МИП ООО «Агросер-вис» показал, что износы и дефекты деталей клапана управления существенно влияют на межремонтный ресурс [4].
Рекомендации по восстановлению клапана управления рулевого механизма автомобиля КамАЗ в литературе очень мало. Это связано с тем, что в настоящий момент в
руководстве по ремонту завода-изготовителя значится замена данного агрегата в сборе. На ремонтных предприятиях ремонт клапанов управления не проводится, и при ремонте рулевого механизма его заменяют на новый. Однако, по данным сайта shoр.kamaz.ru, цена нового клапана 10 044,98 руб. Это серьезным образом сказывается на себестоимости ремонта рулевого механизма в целом.
Для выбора способа восстановления и разработки эффективной технологии ремонта, необходимо первоначально провести исследование дефектов и размеров из-носов деталей клапана управления. Данная задача является актуальной.
Методика. При выборе способов восстановления наибольшее значение имеет
Дефекты деталей, под
максимальная величина износов поверхностей, форма данных износов, а также материал, из которого изготовлена деталь. Для определения максимальных значений изно-сов нами были проведены микрометражные исследования клапана управления рулевого механизма автомобиля КамАЗ, пришедших на ремонт в МИП ООО «Агросервис» МГУ им. Н.П. Огарёва в количестве 50 единиц, объем выборки определялся согласно [5].
Проведение дефектации и микрометража деталей клапана управления определялись инструментальными методами контроля, указанными в технологической карте № 75 по текущему ремонту КамАЗ [6]. Перечень основных дефектов клапана управления представлен в таблице 1.
Таблица 1
ргшихся исследованиям
Деталь Дефект
Корпус клапана управления Износ поверхности сопрягаемой с золотником
Износ кромок поясков
Золотник Износ поверхности, сопрягаемой с корпусом клапана
Износ кромок поясков
Игла клапана Заусенцы, вмятины, риски на посадочной поверхности
В распределителе исследованиям под- верстия корпуса клапана управления. Схе-вергались наружный диаметр и кромки Аз, мы измерения представлены на рисунке 2. Дз, Ез, Гз поясков золотника, внутренний диаметр и кромки Ак, Дк, Ек, Гк поясков от-
а) б)
Рис. 2. Схема измерения золотника и корпуса клапана управления рулевого механизма КамАЗ
Замер поясков золотника проводился по пяти сечениям (А-А, Б-Б, В-В, Г-Г, Д-Д). Это необходимо для сравнения износов поверхностей 1 и 5, находившихся в регулярном контакте и поверхностей 2 и 4, которые не контактировали с поверхностями корпуса клапана управления. Замер поясков корпуса клапана управления проводился по 4 поверхностям в сечениях А-А, Б-Б, В-В, Г-Г. Измерения всех поверхностей проводились в двух взаимно перпендикулярных плоскостях.
В ходе осмотра на поверхностях 1 и 5 золотника обнаружены следы натирания и рисок, направленных параллельно движению золотника.
Измерения износов кромок золотника и корпуса проводилось с помощью профилографа-профилометра английской фирмы «ТэйлорХобсон», методика представлена в работе [7]. Общий вид профилографа-профилометра представлен на рисунке 3.
Рис. З. Общий вид профилограф-профилометра
Также при помощи осветительного прибора были исследованы дефекты золотниковых отверстий в корпусах клапана.
Состояние рабочей поверхности иглы предохранительного клапана оценивалась визуально. После проведения микромет-ражных исследований была проведена первичная обработка данных и определены из-носы рабочих поверхностей.
Обработка данных микрометража производилась в такой последовательности:
1. Устанавливались условные износы поясков золотника в сечениях А-А и Д-Д (см. рис. 2).
2. Устанавливались условные износы поверхностей корпуса клапана управления. Поверхности 7 и 8 корпуса клапана управления принимались за неизношенные.
3. Устанавливались максимальные значения зазоров клапана управления между поверхностями 1 и 5 золотника и 6 и 9 корпуса.
4. По полученным профиллограммам рассчитывался износ кромки золотника и корпуса.
Статистическая обработка результатов микрометражных исследований проводилась с использованием программы Microsoft Excel и состояла из построения статистического ряда и расчета всех основных показателей.
Результаты. В таблице 2 представлены результаты первичной дефектации. На рисунке 4 представлены износы золотника и корпуса клапана управления.
Таблица 2
Повторяемость дефектов клапана управления рулевого механизма автомобиля КамАЗ
Деталь Дефект детали Допускаемый размер, мм Коэффициент повторяемости дефекта
Корпус клапана управления а) Износ внутренней поверхности, сопрягаемой с золотником - 1,00
б) Износ кромок поясков 38,04 1,00
Золотник а) Износ наружной поверхности, сопрягаемой с корпусом клапана управления 37,99 1,00
б) Износ кромок поясков - 1,00
Игла клапана Заусенцы, вмятины, Риски на посадочной поверхности Не допускаются 0,1
Рис. 4. Износ поясков и кромок золотника (а) и корпуса клапана управления (б)
Пример профиллограммы износа поясков золотника представлен на рисунке 5, база устанавливалась относительно неизношенной
поверхности золотника. Измерения проводились на всей поверхности пояска золотника.
2592цт 251,1 цт
-У \ 8
§
-2000 О 2000 4000 0000 0000 10000 12000 14000 19000^
Рис. 5. Профилограмма пояска золотника Основные статистические характери- зоров в соединениях клапана управления стики распределения износов деталей и за- представлены в таблице 3.
Таблица 3
Основные статистические параметры распределения износов деталей клапана управления
рулевого механизма автомобиля КамАЗ
Параметр Значения, мкм Мат. ожидание, тх Средне-квадратическое отклонение, <гх Коэф. вариации, V Параметры закона Вейбулла
а Ь
Износ поясков золотника 1-80 14.62 15,59 1.066 14,05 1,05
Износ поясков корпуса 0-76 11,2 10,95 0,98 11,29 1,02
Радиальный износ кромок золотника 14-110 51 20,29 0,40 59,67 2,80
Радиальный износ кромок корпуса 43-125 85,3 18,63 0,22 - -
Износ кромок золотника по длине 275-920 617,2 114,23 0,19 - -
Износ кромок корпуса по длине 250-950 659,5 119,64 0,18 - -
В ходе проведённых микрометражных исследований и последующей обработки полученных результатов можно сделать выводы:
а) по износу поясков золотника: максимальные значения износов соответствуют поверхности 1 и 5. На поверхностях 2 и 4 износов не наблюдалось. Износы поверхности 1 в среднем в 1,6 раза меньше, чем на поверхности 5. Максимальный износ наблюдается на поверхности 5 - 75 мм при среднем значении 11,6 мм;
б) пояски корпуса изнашиваются более равномерно, в отличие от поясков золотника. Максимальные износы наблюдаются на 6 и 9 поясках. Максимальный износ наблюдается на поверхности 6 - 76 мм при среднем значении 7,5 мм. Также установлено, что распределение износов отверстий корпуса и поясков золотника подчиняются закону Вейбулла:
(и) = -
а
Ь (и^"1
е
. (1)
V а у
где U - значения максимальных изно-сов, мкм;
в) исследование износов кромок показало, что в процессе работы они приобретают форму конуса, максимальные износы располагаются ближе к краю кромки.
Кромки золотника и корпуса имеют сравнимую степень износа как по радиусу, так и по длине. Среднее значение из-носов кромок корпуса по длине в 1,1 раза больше среднего износа кромок золотника. Средний радиальный износ кромок корпуса в 1,7 раза больше среднего радиального износа кромок золотника, который равен 0,051 мм.
Основные статистические параметры распределения зазоров в золотниковой паре клапана управления ГУР автомобиля КамАЗ представлены в таблице 4.
Таким образом, в ходе проведения исследований нами было установлено, что износ поверхности кромок золотника не превышает 110 мкм, что позволяет нам произвести выбор его технологии восстановления [8].
В настоящее время ремонт гидроусилителей автомобиля КамАЗ проводится заменой изношенных элементов (деталей и уплотнений), с последующей регулировкой зазоров. Распределители покупаются новые, либо ремонтируются изготовлением новых золотников ремонтного размера, с последующей подгонкой отверстия корпуса разворачиванием [9].
Ь
Анализ литературных данных и опыт, накопленный в МИП ООО «Агросервис» Института механики и энергетики МГУ им. Н. П. Огарёва [8, 10, 11], позволили определить оптимальные методы восстановления изношенных поверхностей деталей клапана. К наиболее применимым в данном случае стоит отнести методы электроконтактной приварки
ленты через промежуточный слой из порошкового материала без его расплавления. Этот метод в сравнении с другими имеет более высокую производительность, низкие потери от разбрызгивания присадочного порошка, высокую прочность сцепления и т.д. [12-14].
Таблица 4
Основные параметры распределения зазоров в золотниковой паре клапана управления ГУР
автомобиля КамАЗ
Зазор (+) Интервал значений Математическое ожидание, тх Среднеквадрати-ческое отклонение, <гх Коэффициент вариации, V Параметры закона Вейбулла
по чертежу допускаемый а Ь
+18 +6 +18 6-88 36,9 18,4 0,5 41,86 2,1
Приварку ленты проводят с использованием порошка ПГ-СР2 в качестве промежуточного слоя для снятия остаточных напряжений [15]. Подобранные экспериментальными исследованиями оптимальные режимы нанесения покрытия на золотник методом электроконтактной приварки металлической ленты через промежуточный слои порошка следующие:
1. Частота вращения 5-9 мин-1.
2. Подача 3-5 мм/об.
3. Сила тока 5,0-5,5 кА.
4. Продолжительность импульса 0,06 с.
5. Продолжительность паузы 0,08 с.
Выводы. Анализируя вышесказанное,
можно сделать следующие выводы: золот-
никовая пара клапана управления является ресурсоопределяющим элементом рулевого механизма автомобиля КамАЗ. На основе полученных данных по износам деталей, нами предложен способ восстановления, который позволяет восстановить ресурс клапана управления на уровне нового и возможен для использования в условиях существующих ремонтных производств. Существующие методы их восстановления имеют недостатки, в связи с чем требуется разработка технологии восстановления, удовлетворяющей условиям существующего ремонтного производства.
Литература
1. Печкин М. П., Тузов Н. С. Анализ отказов автомобилей семейства КамАЗ и причины низкой эксплуатационной надежности // Материалы секционных заседаний 59-й студенческой научно-практической конференции ТОГУ. Хабаровск. 2019. С. 143-148.
2. Павлишин С. Г. Обеспечение надежности автомобилей КамАЗ в гарантийный период эксплуатации // Автотранспортное предприятие. 2015. № 2. С. 25 -28.
3. Червяков С. В., Столяров А. В. Неисправности рулевого управления автомобилей семейства КАМАЗ // Энергоэффективные и ресурсосберегающие технологии и системы: материалы Междунар. науч. -практ. конф. Саранск, 2018. С. 300-306.
4. Власов М. В. Повышение долговечности пластинчатых гидронасосов восстановлением изношенных рабочих поверхностей методом электроискровой обработки (на примере пластинчатого гидронасоса 5320 системы ГУР автомобилей системы КамАЗ): автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саранск, 2003. C. 11-12.
5. Снедекор Д. Статистические методы в применении к исследованиям в сельском хозяйстве и биологии. М.: Сельхозгиз, 1961. 267 с.
6. Руководство по техническому обслуживанию и ремонту автомобилей Камаз. Набережные Челны, 2004. С. 106.
7. Мартынов А. В. Совершенствование технологии ремонта гидрораспределителей восстановлением и упрочнением деталей методом электроискровой обработки: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Саранск, 2012. 19 с.
8. Давыдкин А. М. Повышение межремонтного ресурса интегрального рулевого механизма комплексным восстановлением и упрочнением изношенных поверхностей деталей: автореф. дисс. ... канд. техн. наук. Саранск, 2008. 19 с.
9. Червяков С. В., Столяров А. В., Давыдкин А. М. Технологические рекомендации по ремонту рулевых механизмов автомобилей КАМАЗ // Инженерный вестник Дона. 2018. № 4 (51). С. 30.
10. The properties of nanocomposite coatings formed on a steel 20H surface by means of electrospark processing using rod-shaped electrodes of steels 65 G and Sv 08 / F. Kh. Burumkulov, P. V. Senin, S. A. Velichko [at all] // Surface Engineering and Applied Electrochemistry. 2009. № 6. Pp. 455-460.
11. Фомин А. И. Совершенствование технологии восстановления чугунных коленчатых валов электроконтактной приваркой стальной ленты через промежуточный слой: дис. ... канд. техн. наук. Саранск, 2012. С. 35-36.
12. Burak P. I., Latypov R. A. Effect of the intermediate layer on the properties of a coating of 50khfa steel produced by electrical resistance welding. Welding International. 2012. Т. 26. № 7. Pp. 547-549.
13. Фархшатов М. Н. Ресурсосберегающие технологии восстановления деталей сельскохозяйственной техники и оборудования электроконтактной приваркой коррозионностойких и износостойких материалов: автореф. дис. ... д-ра. техн. наук. Саранск, 2007. С. 21-22.
14. Distribution of temperature on the depth of restorable details at electrocontact welding of a steel tape / I. I. Gabitov, R. Saifullin, M. N. Farkhshatov [at all] // International Journal of Civil Engineering and Technology. 2019. Т. 10. № 1. Pp. 2496-2511.
15. Латыпов Р. А. Выбор компактных и порошковых металлических материалов и управление качеством покрытий при упрочнении и восстановлении деталей электроконтактной приваркой: дис. ... д-ра техн. наук. М., 2007. 306 с.
INVESTIGATION OF DEFECTS AND WEAR OF STEERING VALVE PARTS OF KAMAZ VEHICLE
S. V. Chervyakov,
A. V. Stolyarov, Cand. Tech. Sci., Associate Professor Ogarev Moscow State University
68, Bolshevistskaya St., Saransk, Republic of Mordovia, 430005 E-mail: cabto@mail.ru
ABSTRACT
Failure of the steering mechanism of KAMAZ truck is often associated with a performance loss of the control valve. Analysis of valve defects showed that the reason for performance loss is increased wear of the edges of spool and body. The shape of worn surfaces represents a cone with maximum clearance located closer to the end of edge. Micrometric studies of presented
surfaces on a Taylor-Hobson profílometer showed that the edges of spool and body have a comparable degree of wear both in radius and in length. The average wear of body edges along the length is 1.1 times more than the average wear of spool edges. The average radial wear of body edges is 1.7 times more than the average radial wear of spool edges, which is equal to 0.051 mm. Subsequently, in the course of research, it was found that the surface wear of spool edges does not exceed 110 ^m, which makes it possible to select the electrical resistance welding of tape through the intermediate sublayer as its recovery technology. Key words: valve, steering control, defects, wear of parts, KAMAZ vehicle.
References
1. Pechkin M. P., Tuzov N. S. Analiz otkazov avtomobilej semejstva KamAZ i prichiny nizkoj ekspluatacion-noj nadezhnosti (Failure analysis of KAMAZ vehicle family and reasons for low performance reliability), Materialy sekcionnyh zasedanij 59-j studencheskoj nauchno-prakticheskoj konferencii TOGU, Habarovsk, 2019, pp. 143-148.
2. Pavlishin S. G. Obespechenie nadezhnosti avtomobilej KamAZ v garantijnyj period ekspluatacii (Reliability control of KAMAZ vehicles during warranty period of operation), Avtotransportnoe predpriyatie, 2015, No 2, pp. 25-28.
3. Chervyakov S. V., Stolyarov A. V. Neispravnosti rulevogo upravleniya avtomobilei semeistva KAMAZ (Steering malfunctions of KAMAZ vehicle family), Energoeffektivnye i resursosberegayushchie tekhnologii i sis-temy, materialy Mezhdunar. nauch.-prakt. konf., Saransk, 2018, pp. 300-306.
4. Vlasov M. V. Povyshenie dolgovechnosti plastinchatykh gidronasosov vosstanovleniem iznoshennykh rab-ochikh poverkhnostei metodom elektroiskrovoi obrabotki (na primere plastinchatogo gidronasosa 5320 sistemy GUR avtomobilei sistemy KamAZ) (Increase in longevity of hydraulic vane pump by the restoration of working surfaces according to the method of electro-spark machining (in the case of 5320 hydraulic vane pump of hydraulic steering buster system of KAMAZ vehicle system)), avtoref. dis. ... kand. tekhn. nauk. Saransk, 2003, pp. 11 -12.
5. Snedekor D. Statisticheskie metody v primenenii k issledovaniyam v sel'skom hozyajstve i biologii (Statistical methods of research in agriculture and biology), M.: Sel'hozgiz, 1961. 267 p.
6. Rukovodstvo po tekhnicheskomu obsluzhivaniyu i remontu avtomobilei Kamaz (Manual for the maintenance and repair of KAMAZ vehicle), Naberezhnye Chelny, 2004, 106 p.
7. Martynov A. V. Sovershenstvovanie tekhnologii remonta gidroraspredelitelej vosstanovleniem i up-rochneniem detalej metodom elektroiskrovoj obrabotki (Improvement of repair technology of hydraulic distribution valves by the restoration and strengthening of parts according to the method of electro-spark machining): avtoref. dis. kand. tekhn. nauk. Saransk, 2012. 19 s.
8. Davydkin A. M. Povyshenie mezhremontnogo resursa integral'nogo rulevogo mekhanizma kompleksnym vosstanovleniem i uprochneniem iznoshennykh poverkhnostei detalei (Increase in overhaul period of integral steering mechanism by the complex restoration and strengthening of worn-out surfaces of parts), avtoref. diss. . kand. tekhn. nauk, Saransk, 2008, 19 s.
9. Chervyakov S. V., Stolyarov A. V., Davydkin A. M. Tekhnologicheskie rekomendatsii po remontu rulevykh mekhanizmov avtomobilei KAMAZ (Technological guidelines for the repair of steering mechanisms of KAMAZ vehicles), Inzhenernyi vestnik Dona, 2018, No. 4 (51), pp. 30.
10. Burumkulov F. Kh., Senin P. V., Velichko S. A., Ivanov V. I., Ionov P. A. and Okin M. A. The properties of nanocomposite coatings formed on a steel 20H surface by means of electrospark processing using rod-shaped electrodes of steels 65 G and Sv 08, Surface Engineering and Applied Electrochemistry, 2009, No 6, pp. 455-460.
11. Fomin A. I. Sovershenstvovanie tekhnologii vosstanovleniya chugunnykh kolenchatykh valov elektrokon-taktnoi privarkoi stal'noi lenty cherez promezhutochnyi sloi (Improvement of restoration technology of cast iron crankshafts by electrical resistance welding of steel tape thro ugh the intermediate layer), dis. ... kand. tekhn. nauk, Saransk, 2012, pp. 35-36.
12. Burak P. I., Latypov R. A. Effect of the intermediate layer on the properties of a coating of 50khfa steel produced by electrical resistance welding, Welding International, 2012. T. 26, No. 7, pp. 547-549.
13. Farkhshatov M. N. Resursosberegayushchie tekhnologii vosstanovleniya detalei sel'skokhozyaistvennoi tekhniki i oborudovaniya elektrokontaktnoi privarkoi korrozionnostoikikh i iznosostoikikh materialov (Resource -saving technologies for restoring parts of agricultural machinery and equipment by electrical resistance welding of corrosion-resistant and wear-resistant materials), avtoref. dis. ... dokt. tekhn. nauk, Saransk, 2007, pp. 21 -22.
14. Gabitov I. I., Saifullin R., Farkhshatov M. N., Yunusbayev N., Pavlov A. P., Gaskarov I., Fayurshin A., Kunafin A., Islamov L., Masyagutov R. Distribution of temperature on the depth of restorable details at electrocon-tact welding of a steel tape, International Journal of Civil Engineering and Technology, 2019, T. 10, No 1, pp. 2496-2511.
15. Latypov R. A. Vybor kompaktnykh i poroshkovykh metallicheskikh materialov i upravlenie kachestvom pokrytii pri uprochnenii i vosstanovlenii detalei elektrokontaktnoi privarkoi (Selection of compact and powder metallic materials and quality control of coatings during strengthening and restoration of parts by electrical resistance welding), dis. ... dokt. tekhn. nauk, M., 2007, 306 p.
