CC BY
81
ОБЕСПЕЧЕНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ
СОЕДИНЕНИЙ
Пилюшина Г.А., Тяпин С.В. (БГИТА, г. Брянск, РФ)
The hydraulic motionless connections used in a hydrodrive of the wood technics are presented. The reasons of loss of tightness and possible ways of increase of working capacity of the given connections are considered.
При создании современных гидросистем одной из наиболее сложных научно-технических проблем является обеспечение надежной герметичности многочисленных разъемных соединений трубопроводов разного рода.
На практике во многих случаях используются разъемные герметичные соединения с уплотнениями «металл-металл», что связано чаще всего с характеристиками уплотняемых сред. Такие соединения нашли широкое применение в гидросистемах лесозаготовительных машин и изготовляются в следующем конструктивном исполнении: штуцер с уплотняющим конусом и сферический ниппель соединены накидной гайкой (рисунок 1).
1
Рисунок 1 - Гидравлическое разъемное соединение:
1- штуцер; 2- накидная гайка; 3-ниппель
Изготовление таких соединений весьма трудоемкое и дорогостоящее, поскольку к ним предъявляются высокие требования к точности изготовления и качеству поверхности. Вместе с тем условия эксплуатации таких соединений, чаще всего на открытом воздухе, сводит их долговечность к минимуму.
Нержавеющая сталь, используемая в качестве материала для соединения трубопроводов гидравлических систем лесозаготовительных машин, обеспечивает герметичность уплотнения в начале эксплуатации машины. Однако после замены одного или нескольких агрегатов создать герметичность вновь собранных соединений очень трудно. Неровности, оставшиеся на уплотнительных поверхностях после их разборки, образуют зазоры - каналы, по которым рабочая среда перетекает из мест с большим давлением в места с меньшим давлением. Устранить эти каналы можно при помощи взаимного сжатия уплотнительных поверхностей до таких усилий, при которых происходит деформация всех неровностей, что требует
больших, практически трудно осуществимых усилий сжатия. Последнее затрудняет монтаж и регламентные работы на машинах в полевых условиях.
Недостаточная герметичность разъемных соединений является одной из наиболее частых причин отказов в работе лесозаготовительного оборудования, возрастания затрат на его ремонт и обслуживание, потерь тепла и энергии, потерь энергоносителей, возникновения аварийных ситуаций, загрязнений окружающей среды.
Поэтому обеспечение работоспособности и надежности «металл-металлических» разъемных соединений гидроприводов имеет часто решающее значение в проблеме ресурса и безотказности лесозаготовительных машин и механизмов.
Установлено, что утечки гидросистем особо характерны для лесозаготовительной техники, эксплуатирующейся в жестких климатических условиях: при низких температурах, в условиях большой запыленности и значительной влажности атмосферы, неравномерных нагрузках, действующих на исполнительные органы в процессе работы.
Визуальные осмотры и профилографические исследования уплотнительных поверхностей после эксплуатации неподвижных разборных соединений показывают, что основной причиной роста утечки являются пластические деформации, износ уплотнительных поверхностей, которые выражаются в значительной трансформации микропрофиля в продольном и поперечном направлениях. Эти явления особенно проявляются в период затяжки и циклических колебаний температуры в деталях гидравлических соединений.
Нестабильность процессов, происходящих внутри гидропривода, зачастую является причиной возникновения таких явлений, как кавитация и гидравлический удар.
Кавитация возникает при понижении давления в гидроприводе, в результате чего жидкость закипает или из нее выделяется растворенный газ. Полости или пузырьки, заполненные паром, увлекаются потоком в область повышенного давления, то есть в зазоры между ниппелем и штуцером соединения. Здесь пар конденсируется и полости заполненные паром, замыкаются. При конденсации пузырьков пара давление внутри пузырька остается постоянным и равным давлению насыщенного пара, давление же жидкости повышается по мере продвижения пузырька. Частицы жидкости, окружающие пузырек, находятся под действием все возрастающей разности давления жидкости и давления внутри пузырька и движутся к его центру ускоренно. При полной конденсации пузырька происходит столкновение частиц жидкости, сопровождающееся мгновенным местным повышением давления, достигающим сотен мегапаскаль.
Под действием кавитационных процессов происходит повреждение (выщербливание) материала соединений гидропривода. Кроме того, кавитация сопровождается такими явлениями, как шум, треск, удары и вибрации, которые вызваны замыканием полостей, заполненных паром, что в
свою очередь интенсифицирует процессы износа герметизирующих стыков разъемных соединений трубопроводов.
При падении давления в гидросистеме лесозаготовительных машин наблюдается обильное пенообразование. Выделение воздуха из рабочей жидкости может происходить столь быстро, что образуется устойчивая смесь рабочей жидкости и воздуха — пена. При этом на интенсивность пенообразования оказывает влияние содержащаяся в рабочей жидкости вода: даже при ничтожном количестве воды (менее 0,1 % по массе рабочей жидкости) возникает устойчивая пена. Выделяющийся из рабочей жидкости воздух и образующаяся пена - одна из причин снижения жесткости гидропривода и возникновения гидравлического удара.
Гидравлический удар представляет собой колебательный процесс резкого повышения и понижения давления. Изменение давления при этом тесно связано с упругими деформациями жидкости и стенок трубопровода. Это обусловливает появление, микро и макротрещин и интенсифицирует коррозионные процессы в соединении, приводящие к разгерметизации гидропривода.
Такие условия работы гидропривода способствуют интенсификации процессов изнашивания деталей металлических соединений, а при наличии окислительных процессов обусловливают развитие фреттинг-коррозии.
Окисление рабочей жидкости происходит в процессе работы гидропривода и сопровождающееся выпадением из нее смол и шлаков, отложением на поверхности элементов гидропривода тонкого твердого налета, понижением вязкости и изменением цвета жидкости. Окислительный износ связан с активацией окислительных процессов поверхностных слоев сопряженных поверхностей штуцера и ниппеля за счет пластической деформации, повышенной температуры, действия циклических нагрузок и наличия кислорода в рабочей жидкости. То есть при окислительном изнашивании разрушается не материал изнашиваемой детали, а его вторичные структуры, образующиеся в процессе трения.
При фреттинг-коррозии циклические микроперемещения в контакте штуцер-ниппель вызывают локальные тепловые флуктуации, многократное пластическое деформирование, интенсивное накопление дефектов структуры, образование микро- и макротрещин, по которым в глубину от поверхностей диффундирует кислород и другие активные компоненты среды. При этом отделившиеся частицы абразивно воздействуют на поверхность.
Таким образом, представляя износ герметизирующих поверхностей соединений как результат действия совокупности различных факторов и процессов, взаимодополняющих друг друга можно заключить, что степень их влияния различна для отличающихся в существенной мере условий эксплуатации гидропривода. Вместе с тем проведенные ранее исследования не позволяют однозначно определить критерии, на основании которых можно было бы комплексно и достаточно полно установить характер связи герметичности соединений с их физико-механическими или структурными
характеристиками. Также достоверно установлено, что склонность металлических материалов к тому или иному виду изнашивания, особенности и интенсивность его протекания зависят, как от условий эксплуатации, так и от свойств изнашиваемых материалов. Изменяя свойства материала можно в существенной степени влиять на износостойкость герметизирующих поверхностей разъемных соединений.
В то же время выбор конструкционных материалов для деталей разъемных соединений представляет собой наиболее сложную задачу. Это объясняется тем, что к герметизирующим материалам предъявляется комплекс противоречивых, иногда взаимоисключающих требований: пластичность и формоустойчивость, деформативность и износостойкость, обеспечение максимальной площади фактического контакта и минимального трения в герметизируемом соединении, а также множество других.
В процессе изнашивания, усталостного, коррозионного, эрозионного и кавитационного разрушений важную роль играют состояние и свойства тонкого поверхностного слоя деталей машин, от которых зависит характер образующихся вторичных структур и развитие явления структурной приспособляемости материалов в процессе эксплуатации. Формирование этого слоя происходит при окончательной обработке деталей.
В современной практике разработки и эксплуатации разъемных соединений для уменьшения усилия затяжки соединительных элементов широко используют плакирование основного материала прокладки легко деформируемым материалом с остаточной упругой деформацией. Эти методы реализуют при модификации известных конструкций уплотнительных элементов нанесением покрытий из мягких металлов никеля, меди, свинца, серебра, золота, платины, а также фторопласта и других эластомеров.
Для борьбы с фреттинг-износом возможно нанесение на герметизирующие поверхности соединений различных многослойных мягких покрытий, имеющих низкое сопротивление текучести: медь, олово и других. В них возникающие вибрации могут быть поглощены разделяющим слоем пластичных металлов.
В тоже время имеющиеся по этим вопросам разработки требуют дальнейшего развития применительно к реальным условиям работы лесозаготовительных машин.
Кроме того, необходимо в процессе изготовления формировать в сопряженных поверхностных слоях гидравлического соединения благоприятное сочетание функциональных характеристик, обеспечивающих повышение эксплуатационной надежности неподвижного разъемного соединения. Усилия герметизации так же, как и утечка, наряду с геометрией соединения и физико-механическими свойствами его материала зависят от параметров состояния поверхностного слоя контактирующих поверхностей. Следовательно, рациональный выбор методов их окончательной обработки для одних и тех же конструктивных и геометрических параметров соединений обеспечивает
возможность управления требуемыми усилиями герметизации и повышения работоспособности гидравлических соединений.
