CC BY
15
УДК 621.762
ПОРОШКОВОЕ УПЛОТНЕНИЕ СОПРЯЖЕНИЯ ВЕДУЩИЙ ВАЛ - ЛАБИРИНТНАЯ ВТУЛКА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ПЕРЕДАЧИ
© 2011 г. Н.Т. Жердицкий, В.Г. Передерий, Н.Н. Жердицкая, Д.В. Лопаткин
Южно-Российский государственный South-Russian State
технический университет Technical University
(Новочеркасский политехнический институт) (Novocherkassk Polytechnic Institute)
Рассмотрена возможность совершенствования герметизирующего устройства в сопряжении ведущий вал - лабиринтная втулка гидромеханической передачи автобусов фирмы ЛиАЗ за счет использования пористых порошковых разъемных полуколец взамен пружинных чугунных, используемых в настоящее время. При монтаже полукольца устанавливались без зазоров в стыках с натягом во втулке и по торцовым поверхностям канавок, устраняемом в результате приработки, после которой уплотни-тельные элементы будут находиться в бесконтактном сопряжении. Сравнительные стендовые и ходовые испытания показали, что надежность и износостойкость предложенной конструкции герметизирующего устройства выше, чем при использовании старой конструкции с чугунными пружинными кол ь-цами.
Ключевые слова: герметизирующее устройство; пористые порошковые разъемные полукольца; бесконтактное сопряжение.
The considered possibility of the improvement pressurizing device in interfacing leading gross - a labyrinth bushing hydromechanical transmission of bus company LIAZ to account of the use cellular powdered split ring, in lieu thereof spring cast-iron, used at present. At installation split bearing were fixed without clearance in butting with tightness in bushing and on butt surface gouges, which withdraws as a result of wear-ins and sealing elements will be in noncontact interfacing. Comparative stand and sought-after test have shown that reliability and wear capability offered designs pressurizing device above, than when use the old design with cast-iron spring rings.
Keywords: pressurizing device; cellular powdered split ring; noncontact interfacing.
На износостойкость сопрягающихся деталей в машинах влияют многие факторы: используемые материалы, их структура и свойства, качество поверхности, применяемые смазки, конструкция сопряжений, условия эксплуатации и другие.
Практика эксплуатации автобусов ЛиАЗ - 677 показывает, что одним из наименее надежных агрегатов этих автобусов является гидромеханическая передача (ГМП). Основной причиной отказа ГМП является недостаточное давление масла в системе смазки из-за износа деталей большого масляного насоса (БМН, рис. 1), в том числе из-за недостаточной герметичности сопряжения ведущий вал - лабиринтная втулка. При пониженном давлении в системе смазки становится невозможной блокировка гидротрансформатора, увеличивается расход топлива, происходит буксование дисков фрикционов. При сильном износе деталей БМН и недостаточном давлении масла становится невозможным трогание автобуса с места. В этом случае ГМП подлежит ремонту.
Целью настоящей статьи является задача показать целесообразность использования в герметизирующем устройстве (ГУ) пористых порошковых уплотнитель-
ных колец в сопряжении ведущий вал - лабиринтная втулка ГМП автобусов вместо серийных чугунных колец.
Для этого проводились сравнительные испытания ГМП, оснащенных в сопряжениях ведущий вал -лабиринтная втулка фирменным ГУ с пружинными уплотнительными кольцами и порошковыми кольцами, испытания проводили как на специальном стенде, так и ходовые на автобусе.
Фирменное герметизирующее устройство образовано тремя лабиринтными секциями на ведущем валу ГМП (рис. 2 а). Каждая секция представляет собой лабиринт в виде двух канавок, в которых свободно размещены уплотнительные пружинные кольца, изготовленные из серого чугуна, с осевым зазором до 0,02 мм. Зазор в замке кольца после установки его в лабиринтную втулку составляет до 0,5 мм. Между этими секциями по каналам прокачивается масло под давлением до 0,7 МПа. Герметичность достигается за счет контакта пружинных уплотнительных колец с неподвижной лабиринтной втулкой и небольших зазоров между торцевыми поверхностями канавок вала и уп-лотнительных колец. Относительно высокая степень
герметичности имеет место только в начальный период эксплуатации новой ГМП, что было установлено при стендовых испытаниях (рис. 3).
Рис. 1. Большой масляный насос гидромеханической передачи: 1 - уплотнительное кольцо ведущего вала; 2 - ведущий вал; 3 - лабиринтная втулка; 4 - масляный канал
и лабиринтной втулки через каждые 30...35 тыс. километров пробега.
Р, МПа
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
......... ^ 3
У 1
2
б
Рис. 2. Сопряжение вращающийся вал - неподвижная лабиринтная втулка: а - новое сопряжение с использованием пружинных чугунных колец; б - сопряжение с использованием пружинных чугунных колец после пробега 35 тыс. км; в - сопряжение с использованием порошковых уплотнительных колец
При вращении ведущего вала ГМП уплотнитель-ные кольца в момент перепада давления масла при переключении передач прижимаются торцами к стенкам канавок и проскальзывают в лабиринтной втулке. В процессе работы ГМП протекает интенсивный износ уплотнительных колец, лабиринтных канавок ведущего вала и лабиринтной втулки в местах контакта; одновременно происходит снижение давления в каналах подвода масла. Наиболее нагружено первое, ближайшее к герметизируемой полости кольцо; со временем на торцовой поверхности этих колец образуется ступенчатая выработка глубиной до 1 мм (рис. 2 б). Такой же характер износа имеют и лабиринтные буртики вала. Из-за нарушения герметичности при эксплуатации ухудшается работа ГМП в части переключения передач и величины наката автобуса. Для восстановления нормальной работы ГМП требуется замена уплотнительных колец, ремонт ведущего вала
10 20 30 40 50 60 Lx103, км
Рис. 3. Изменение давления масла в ГМП автобусов ЛиАЗ в процессе эксплуатации: 1* - новые ГМП; 2* - с отремонтированным ведущим валом; 3 - с отремонтированным ведущим валом, оснащенным порошковыми уплотнительными кольцами. * Информация по данным работы [1]
В данной статье приведена более совершенная конструкция ГУ, позволяющая повысить его долговечность, уменьшить потери на трение, снизить интенсивность изнашивания и утечки масла через каналы между сопряженными поверхностями. Такой эффект может быть достигнут при использовании бесконтактных герметизирующих устройств. Известно, что подвижные и неподвижные бесконтактные ГУ имеют практически неограниченный ресурс работы и незначительные потери на трение [2, 3].
В новой конструкции герметизирующего устройства в сопряжении вращающийся ведущий вал - неподвижная втулка вместо пружинных чугунных уп-лотнительных колец используются пористые порошковые [4, 5]. Они выполнены разъемными в виде полуколец, изготавливаемые на основе железного порошка ПЖ2М2 (ГОСТ 26802 - 86) с введением в шихту 1,3 % карандашного графита и 2 % медного порошка. После холодного прессования и спекания порошковые заготовки (пористость = 18.20 %) подвергались механической обработке и пропитке маслом. Известно, что пористые спеченные железоуглеродистые материалы обладают эффектом самосмазывания с образованием на поверхности трения граничных слоев смазки [6]. Такие условия являются благоприятными для надежной работы уплотнительных колец. При монтаже полукольца устанавливались без зазоров в стыках с натягом во втулке и по торцовым поверх-
0
а
в
ностям канавок, а по цилиндрической поверхности вала - с зазором (рис. 1 в). Величина натяга полуколец во втулке должна быть большей, чем в лабиринтных канавках для обеспечения их неподвижности в процессе приработки и дальнейшей эксплуатации. Для удобства монтажа при запрессовке ведущего вала с установленными полукольцами лабиринтная втулка подвергается нагреву до 100 °С.
После приработки в результате контактного взаимодействия торцовых поверхностей неподвижных полуколец и лабиринтных канавок вращающегося вала устраняется создавшийся при монтаже натяг с образованием небольшого зазора микронных размеров. По данным работы [7], зазоры в работающих торцовых уплотнениях для обыкновенных пар трения находятся в пределах 0,5 - 2 мкм. А при наличии зазоров в парах трения режим жидкой смазки характеризуется отсутствием контактов микронеровностей и практически нулевой интенсивностью изнашивания. Полученные нами результаты испытаний хорошо согласуются с указанной работой. Таким образом, уплотнительные элементы будут находиться в бесконтактном сопряжении. Это обстоятельство обеспечивает практически неограниченный ресурс работы ГУ с минимальными утечками масла между приработавшимися поверхностями полуколец и лабиринтных канавок вала, когда в работающей передаче создается давление до 0,7 МПа. Долговечность ГУ будет определяться надежностью подшипников, в которых вращается вал.
Сравнительные результаты износостойкости фирменного герметизирующего устройства с использованием чугунных уплотнительных колец, а также порошковых полуколец представлены на рис. 3. Суммарный линейный износ торцовых поверхностей фирменных колец после пробега автобуса 35 тыс. км составил 1,6 мм. Порошковые уплотнительные кольца и буртики после приработки и пробега 45 тыс. км. практически не имели износа.
В рассмотренной конструкции ГУ реализуется принцип синергетики, т. е. самоогранизации оптимального сопряжения неподвижных пористых порошковых уплотнительных полуколец и лабиринтных канавок вращающегося вала с возникновением между ними после приработки зазоров микронных размеров. Следует отметить, что указанная приработка возможна только при использовании в паре трения с натягом пористого порошкового материала, обладающего хорошей податливостью, быстрой прирабатываемостью, маслорудерживающей способностью, низким коэффициентом трения. Применение пары трения из компактных материалов невозможно, так как при установке уплотнительных колец в канавки с натягом и последующем вращении вала происходит схватывание уплотнительных элементов в местах их контакта.
Предлагаемая конструкция ГУ относится к изменяющемуся классу: от контактного при монтаже и в начальный момент работы к бесконтактному после приработки. С учетом рекомендаций по классифика-
ции герметизирующих устройств, приведенных в справочнике по трению [2], предложенное нами устройство для использования на ведущем валу ГМП может быть обозначено ГУП - КБ (подвижное, контактное с изменением на бесконтактное).
Сравнительные испытания проводили как на специальном стенде, так и ходовые на автобусе ЛиАЗ. Результаты испытаний представлены на рис. 3. Стендовые испытания показали, что давление масла в ГМП с отремонтированным ведущим валом, оснащенным порошковыми уплотнительными полукольцами, в начале работы составляет около 0,7 МПа (линия 3). Этот показатель оказывается выше, чем у новой ГМП (линия 1) и отремонтированной с пружинными уплот-нительными кольцами (линия 2). Это различие объясняется тем, что в порошковых уплотнительных кольцах нет зазоров в стыках, а уплотнительные кольца установлены в лабиринтные канавки с натягом, в то время как для пружинных колец обязательно предусматривается наличие указанных зазоров, обеспечивающих их работоспособность.
Еще большее различие давления масла в ГМП наблюдается при ходовых испытаниях, когда в автобусах с пружинными кольцами в зависимости от пробега (рис. 2) интенсивность снижения давления масла намного большая, чем в автобусе с порошковыми уплотнительными кольцами. По этой причине при пробеге автобусов до 35 тыс. км. требуется ремонт ГМП.
За время ходовых испытаний автобуса, оснащенного порошковыми уплотнительными кольцами в ГМП, давление масла по манометру составляло более 0,6 МПа, было примерно постоянным, без колебаний. Автобус имел нормальный разгон, четкое переключение передач, хороший накат, что сопровождалось экономией топлива.
Проведенная контрольная разборка ГМП после пробега 45 тыс. км. показала, что износ порошковых колец и лабиринтных канавок ведущего вала были незначительны. Это свидетельствует о том, что рассматриваемая конструкция ГУ, оснащенного порошковыми уплотнительными кольцами, устанавливаемыми с натягом в лабиринтной втулке и в лабиринтных канавках ведущего вала ГМП, имеет ресурс надежной работы, намного превышающий стойкость фирменного уплотнения с использованием пружинных чугунных колец с разрезами.
Использование пористых порошковых уплотнений для герметизирующего устройства в сопряжении ведущий вал - неподвижная втулка позволяет намного увеличить ресурс надежной работы ГМП за счет отсутствия зазоров в стыках уплотнительных колец, формирования при эксплуатации между поверхностями трения бесконтактного сопряжения и уменьшения утечки масла через микроканалы.
Рассмотренная конструкция герметизирующего уплотнения может использоваться и в других механизмах, имеющих сопряжение вращающейся вал -неподвижная втулка.
Литература
1. Денисов А.С., Кокушкин А.Б. Ремонт гидромеханических передач автомобилей // Автомобильный транспорт. 1998. № 5. С. 38 - 39.
2. Крагельский И.В., Алисин В.В. Трение, изнашивание и смазка : справочник в 2 кн. М., 1979. 357 с.
3. Орлов П.И. Основы констуирования : справочно-методи-ческое пособие. М., 1988. 560 с.
4. Пат. 2210017 РФ МКИ F 16 J 015/16. Уплотнения.
5. Жердицкий Н.Т., Жердицкая Н.Н., Лопаткин Д.В. Особенности трения в сопряжении компактный материал -пористый порошковый материал // Механика и трибология транспортных систем - 2003 : материалы междунар. конгр., 10 - 13 сентября. 2003 г. Ростов н/Д., 2003. С. 341 - 344.
6. Анциферов В.Н., Бобров Г.В., Дружинин Л.К. Порошковая металлургия и напыленные покрытия. М., 1987. 792 с.
7. Кондаков Л.А., Голубев А.И. Уплотнения и уплотнитель-ная техника : справочник. М., 1994. 448 с.
Поступила в редакцию 24 марта 2011 г.
Жердицкий Николай Тимофеевич - д-р техн. наук, профессор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-56-72.
Передерий Владимир Григорьевич - д-р техн. наук, профессор, ректор, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)22-33-44.
Жердицкая Наталья Николаевна - канд. техн. наук, доцент, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-54-86.
Лопаткин Дмитрий Владимирович - аспирант, Южно-Российский государственный технический университет (Новочеркасский политехнический институт). Тел. (8635)25-35-82. E-mail: [email protected]
Zherdickiy Nikolay Timofeevich - Doctor of the Technical Sciences, professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Pollytechnic Institute). Ph. (8635)25-56-72.
Perederiy Vladimir Grigorievich - Doctor of the Technical Sciences, professor, chancellor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Pollytechnic Institute). Ph. (8635)22-33-44.
Zherdickaya Nataliya Nikolaevna - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Pollytechnic Institute). Ph. (8635)25-54-86.
Lopatkin Dmitriy Vladimirovich - postgraduate student, South-Russian State Technical University (Novocherkassk Pollytechnic Institute). Ph. (8635)25-35-82. E-mail: [email protected]
