CC BY
97
ственного университета путей сообщения. Ос- движного состава. Имеет 5 опубликованных ра-новное направление научных исследований - по- бот. E-mail: [email protected] вышение эффективности работы дизелей по-
Статья поступила 07.05.2009г.
УДК 629.113
ВЛИЯНИЕ ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ ГИДРОЦИЛИНДРА НА ТЕХНИКОЭКОНОМИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ГИДРОПРИВОДОВ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ ДОРОЖНЫХ МАШИН
С.Н. Нураков, д-р техн. наук, проф.,
А.К. Томашец, канд. техн. наук, проф., В.В. Савинкин
Аннотация. В данной статье рассмотрены вопросы эффективности и надежности гидропривода, а именно влияние эксплуатационных факторов и физикохимических свойств рабочей жидкости гидросистемы на показатели долговечности гидропривода строительных и дорожных машин (СДМ).
Исследовано влияние величины износа сопряженных деталей гидроцилиндра «шток-цилиндр» на работоспособность гидропривода и технико-экономические и экологические показатели СДМ. Износ гидропривода определялся в зависимости от содержания железа в масле, которое устанавливалось весовым и спектральным способами. В результате испытаний установлено предельно допустимое значение износа геометрических параметров штока гидроцилиндра гидропривода СДМ.
Ключевые слова: гидромеханизмы, предельно-допустимые значения, механические примеси, технико-экономические показатели.
Предисловие
В 1927 году Нильс Бор дал формулировку одного из важнейших принципов квантовой механики - принципа дополнительности: дополнительными в квантовой механики являются пространственно - временная и энергетически - импульсная картины. Этот принцип получил широкое распространение, успешные попытки его применения имеются в машиностроении, психологии, биологии, этнографии, лингвистике и даже литературе [1].
В нашем случае принцип дополнительности проявляется как «система (гидропривод) -подсистема (механизмы) - элемент (детали)». Где каждое звено сложной конструктивнотехнологической системы должно обладать функциональной надежностью, подчиняться единому технологическому регламенту, а закономерности процессов взаимодействия гарантировать бесперебойность общего технологического ритма операций.
Введение
На большинстве строительных и дорожных машинах (СДМ) используется гидравлический тип привода рабочих органов. Широкое
применение гидравлических приводов на СДМ объясняется рядом их преимуществ: относительно малые габариты и масса, плавность хода, приспособленность к различным условиям работы, способность рабочей жидкости компенсировать ударные нагрузки и др.
Однако тяжелые условия эксплуатации СДМ, удаленность от баз и режимы циклически изменяющейся нагрузки отрицательно сказываются на эффективности их использования по причине снижения долговечности одного из основных агрегатов - гидропривода. Значительное влияние на долговечность гидроприводов оказывает техническое состояние такого дорогостоящего и дефицитного механизма, каким является гидроцилиндр.
На масленой поверхности штока гидроцилиндра, работающего в повышенной запыленности и жестких температурных режимах, оседает пыль, капли влаги и частицы грунта. Перемещаясь, шток увлекает их за собой, что приводит к нарушению герметичности манжет и повышенному изнашиванию сопряженных деталей гидропривода. Эти факторы являются причиной снижения безопасности, технико-
экономических показателей СДМ, усталостной прочности деталей гидроцилиндров, изменения проектной геометрии, сокращения сроков службы. Поэтому в процессе эксплуатации СДМ и подъемных машин (ПМ) детали гидропривода наиболее часто подвергаются ремонту.
Предельно допустимые размеры и оптимальные параметры восстановления установлены из практического опыта без достаточного научного обоснования и значительно колеблются в различных технических источниках, поэтому качество ремонта сравнительно низкое, а наработка до очередного ремонта составляет от 30% до 45% от новых.
Эксплуатационные качества гидроприводов СДМ в значительной степени определяются техническим состоянием каждого гидромеханизма, в частности гидроцилиндра.
Вопросами износа деталей механизмов гидропривода занимались многие исследователи. Были выявлены причины, вызывающие износ, на основании которых даны рекомендации по восстановлению отдельных деталей
и сопряжений. Однако износ такого дорогостоящего механизма, каким является гидроцилиндр, в особенности характер и причины износа такого важного сопряжения как «шток-цилиндр», изучен явно не достаточно.
Следовательно, кроме повышения эффективности и культуры ремонтного производства, одной из приоритетных задач стоит исследование влияния эксплуатационных факторов на надежность гидропривода и техникоэкономические показатели СДМ.
Результаты эксплуатационных испытаний деталей гидроцилиндра на износ
В процессе эксплуатационных испытаний исследовались технико-экономические и экологические показатели при эксплуатации СДМ. Контрольные датчики, установленные на гидроприводе СДМ, и контрольноизмерительное оборудование позволяют получить необходимые показатели без каких-либо математических расчетов. Результаты эксплуатационных испытаний сведены в таблицу 1.
Таблица 1 - Влияние износа геометрических параметров на технико-экономические показатели СДМ.____________________________________________________________________
Износ, мм Уменьшение эффективного давления Увеличение расхода топлива Увеличение содержания СО, %
МПа % г/МПа час %
0,08/0,2 2,9 6,8 60,2 12,5 19,0
0,2/0,4 4 9,3 65,7 13,6 25,0
0,5/0,6 5,3 12,3 88,5 18,3 39,0
0,3/0,55 6,0 13,9 115,7 23,9 59,0
Эксплуатационные испытания подтвердили теоретические предположения отрицательного влияния износа геометрических параметров деталей гидроцилиндра на техникоэкономические показатели СДМ.
Диаметральный износ штоков по рабочей длине на 0,4 мм, т.е. износ гидроцилиндра гидропривода, имеющего наработку до первого капитального ремонта, вызывает падение давления в системе на 7,2% и увеличение удельного расхода топлива на 11,4%. При износе штоков по рабочей длине на 0,7-0,8мм давление в гидросистеме и удельный расход топлива изменяются почти в два раза, одновременно с этими показателями резко увеличивается токсичность отработавших газов - с 25% до 59%, превышая допустимые нормы.
Следовательно, предельно допустимым значением износа геометрических параметров штока гидроцилиндра гидропривода СДМ следует считать величину не более 0,4 мм.
Износ гидропривода определялся в зависимости от содержания железа в масле, кото-
рое устанавливалось весовым и спектральным способами в соответствии с ГОСТом 3382 [2]. Перед началом испытаний в гидросистему гидропривода заливалось точное по весу количество масла. Чтобы снимаемое с трущихся деталей железо и механические примеси оставались в картерном масле, испытания проводились без масляного фильтра тонкой очистки. Пробы масла для определения в нем содержащегося железа отбирали через каждые семь часов работы гидропривода. В конце испытания, т.е. через 28 часов, бралась проба для полного анализа масла на наличие механических примесей в соответствии с ГОСТом 6370-83, на определение кинематической и динамической вязкости - с ГОСТом 33-84. На основании спектрального анализа и веса масла отобранного для проб были сделаны расчеты по формуле [2]:
F= Q■ / -^ , -Р,)• / , + 1-1 + /п • к (1)
П П ^ П \Х-.-Я-1 п-1 / П-1 2 п
где Fn - количество железа в масле за п-й этап, г;
Qn - количество масла в картере гидропривода в конце п-го этапа (до отбора очередной пробы), кг;
Qn.1- количество масла в картере гидропривода в конце предыдущего этапа, кг;
Рп_г количество масла в пробе, отобранной в конце предыдущего этапа, г;
^ - концентрация железа в пробе масла в конце данного п-го этапа;
^_і - концентрация железа в пробе масла, отобранной в конце предыдущего п-1 этапа, мг;
Кп - убыль масла из картера вследствие осадки его в узлах за п-й этап.
Количество масла в картере гидропривода перед отбором пробы определяли маслоизмерительным щупом, на котором были нанесены соответствующие деления. После проведения испытания масло из системы сливалось и взвешивалось. По полученным данным (таблица 2) был построен график износа гидропривода в зависимости от износа деталей гидроцилиндра гидропривода СДМ (рисунок 1).
Таблица 2 - Содержание железа в масле гидропривода СДМ.
Износ штока Наличие железа в масле, мг/кг
1 проба 2 проба 3 проба 4 проба
0,08/0,2 0,52 1,25 1,8 2,52
0,2/0,4 0,54 1,4 2,2 2,8
0,5/0,6 0,65 1,5 2,3 3,25
0,3/0,55 0,74 1,65 2,45 3,7
0,4/0,63 1,2 2,4 3,5 4,65
7
14
21
28 час
время испытания
износ штока по диаметру от вершиныы до основания от 0,0 8 до 0,2 мм; .износ штока по диаметру от вершины до основания от 0,2 до 0,4 мм,
■ износ штока по диаметру от вершины до основания от 0,5 до 0,6 мм,
-износ штока по диаметру от вершины до основания от 0,3 до 0,55 мм,
' износ штока по диаметру от вершины до основания от 0,4 до 0,63 мм,
Рис. 1 График износа гидропривода в зависимости от износа деталей гидроцидиндра
Из графика (рисунок 1) видно, что износ гидропривода возрастает при работе с гидроцилиндрами, имеющими большую величину износа сопряженных деталей. Так, при износе штока гидроцилиндра по диаметру от вершины до основания, от 0,4 мм до 0,63 мм, коли-
чество железа в масле увеличилось в два раза.
Результаты анализов на содержание механических примесей и на вязкость масла после испытания гидропривода сведены в таблицу 3, по которым построен график (рисунок 2).
Таблица 3 - Физико-механические свойства масла гидропривода СДМ.
Износ штока
Свеж.масло 0,08/0,2 0,2/0,4 0,5/0,6 0,3/0,55 0,4/0,63
Механические примеси 0,147 0,17 0,19 0,22 0,23 0,25
2 1 Вязкость, мм /с" 10,3 10,4 10,6 10,8 11,0 11,4
00
пз
0,4 5 0,40 0,35 .
0,30 ■ 0,25
0,08/ 0,2 0,2/ 0,4 0,5/ 0,6 0,6/ 0,75 мм
-------вяз кость; п ° - влаг а; - механические примеси
Рис. 2 График изменения физико-химических свойств гидравлического масла
Анализ графика, представленного на рисунке 2, демонстрирующий изменения физико-химических свойств картерного масла, показывает, что с увеличением величины износа штока гидроцилиндра в картерном масле увеличивается содержание, железа механических примесей и влаги, которые ухудшают качество масла и повышают его вязкость.
Результаты испытаний показали, что износ геометрических параметров деталей гидроцилиндра оказывает существенное влияние не только на снижение давления и экономичности, но и на срок службы гидропривода СДМ.
При работе гидропривода с изношенными деталями в гидроцилиндрах происходит нарушение процессов смазки и охлаждения чистой жидкостью. В результате появления зазора в сопряженных деталях гидроцилиндров, нарушения герметичности, тяжелых условий работы, а так же возникающих ударных нагрузок, шток при перемещении увлекает за собой частицы пыли, грунта, абразива в гидросистему привода. В результате насосного действия поршня гидроцилиндра основная масса механических примесей проникает в гидрораспределитель, насос, клапанные механизмы, часть примесей откладывается на стенках цилиндра и верхнем пояске поршня и каналах [3], далее, смешиваясь с маслом, повышает в нем коли-
чество железа и влаги. Таким образом, в состав гидравлического масла будет входить твердая фаза в виде углеродистых веществ, а между трущимися деталями появятся твердые углеродистые частицы. Они нарушают циркуляцию масла, вызывают засорение сеток мас-лоприемников и маслоподводящих каналов, вследствие чего ухудшаются условия смазки. Наличие твердых крупинок в масле повлияет на характер трения. Попадая между трущимися деталями гидропривода, твердая фаза к жидкостному трению прибавляет сухое трение твердых частиц в сопряжениях.
Механические примеси и частицы грунта, обладая плохой теплопроводностью, создают температурные перенапряжения деталей, а также приводят к закоксовыванию, задирам, рискам и нарушению герметичности. Нарушение герметичности гидропривода способствует увеличению утечки жидкости, что приводит к падению давления, увеличению расхода топлива и масла и, как следствие, к интенсивному износу деталей гидропривода.
Заключение
По результатам эксплуатационных испытаний конструктивно-технологической системы СДМ и ПМ, можно сделать следующие выводы:
- по абсолютной величине интенсивность изнашивания испытанных гидроцилиндров согласуется с данными других исследователей, а характер изнашивания сопряжения «шток-цилиндр» для всех гидроцилиндров СДМ и ПМ, по-видимому, является общим;
- конусный износ штока гидроцилиндра по длине от 0,2 до 0,4мм при наработке гидроцилиндра до первого капитального ремонта вызывает падение давления на 7,2%, увеличение удельного расхода топлива - на 11,4% и содержание окиси углерода в отработавших газах - на 26%;
- увеличение износа штоков по рабочей длине на 0,6-0,7 мм вызывает падение давления в гидросистеме на 13,4%, возрастание удельного расхода топлива - на 21,3% и резкое увеличение токсичности отработавших газов с 25% до 59%, превышающее допустимые нормы. Следовательно, предельнодопустимым значением износа геометрических параметров штока гидроцилиндра гидропривода СДМ следует считать величину не более 0,4 мм;
- износ штока ухудшает физикохимические свойства рабочей жидкости, увеличивает содержание железа и примесей в масле в два раза, что приводит к необходимости частой смены масла и его перерасходу. Следовательно, значительно снижается эффективность и долговечность, сокращается срок службы гидропривода СДМ.
Библиографический список
1. Абраменков Д.Э., Абраменков Э.А., Грузин В.В. Методология научного творчества. Учебник. 2е изд., перераб. и доп. - Караганда: Болашак-Баспа, 2007.-337с.
2. ГОСТ 33-82. Нефтепродукты. Метод определения кинематической и расчет динамической вязкости - М.: Госкомитет по стандартам, 2000.-С.248-257.
3. Нураков С.Н., Савинкин В.В. «О разработке методики расчета износа сопряжения шток-цилиндр гидравлических машин» Труды Карагандинского государственного технического университета. №3 (32) Караганда 2008г. 96с.
Impact of deterioration of hydraulic cylinders parts on the technical and economic hy-
draulic drives indices and environmental performance of road machines
S.N. Nurakov, A.K. Tomashets, V.V. Savinkin
In the given article some matters of efficiency and reliability of hydraulic drive are discussed, namely the influence of operational factors and physical, chemical properties of working fluid of hydraulic system on the durability index of hydraulic drive in construction and road machines are considered.
The impact of deterioration quantity of “stock
- cylinder” hydraulic cylinder involving details on the hydraulic drive efficiency and technical, economic and ecological indices of construction and road machines is investigated. Hydraulic drive deterioration is determined according to the content of iron in oil that was calculated by the weight and spectral ways. In the result of all tests the maximum permissible value of geometrical parameters deterioration of construction and road machines hydraulic drive stock was established.
Нураков Серик Нуракович - д-р техн. наук, профессор, заведующий научно-исследовательской лабораторией «Технология, механизация и автоматизация строительных и транспортных процессов» Евразийского Национального университета им. Л.Гумилева. Основное направление научных исследований - Технология производства и ремонта строительных машин. Эксковационно-погрузочные машины с инерционным ротором нижней разгрузки. Имеет 140 опубликованных работ.
Томашец Анатолий Константинович - канд. техн. наук, профессор, заведующий кафедрой «Автомобильный транспорт» Северо-Казахстан-ского государственного университета им. М Ко-зыбаева. Основное направление научных исследований - изучение износа деталей газораспределительного механизма строительных машин. Имеет более 78 опубликованных работ.
Савинкин Виталий Владимирович - старший преподаватель Северо-Казахстанского государственного университета им. М Козыбаева. Основное направление научных исследований - восстановление деталей строительных и дорожных машин с применением высококонцентрированных плазменных источников энергии. Имеет более 17 опубликованных работ. E-mail: [email protected]
Статья поступила 16.03.2009г.
УДК 621.317
ЭЛЕКТРОННЫЙ ИЗМЕРИТЕЛЬ МЕХАНИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТРАНСПОРТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ
А.О. Чугулёв, канд. техн. наук 26 Вестник СибАДИ, выпуск 2 (12), 2009
