Экспериментальные исследования жидкостного трения в подвижном сопряжении шток-направляющая втулка

Экспериментальные исследования жидкостного трения в подвижном сопряжении шток-направляющая втулка

Н.П. Ремарчук*, канд. техн. наук, доц.;

В.А. Дзержинский**, инж.

*Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет;

**АО, Ново-краматорский машиностроительный завод, г. Краматорск

В экскаваторостроении гидропривод занял лидирующее положение в сравнении с другими приводами благодаря более выгодному соотношению мощности и массы машины. При равной мощности масса гидропривода в сравнении с механическим приводом может быть уменьшена до 70% за счет исключения зубчатых передач и канатной системы управления, что позволяет упростить кинематику рабочего оборудования, бесступенчато регулировать в широком диапазоне скорость рабочих движений и обеспечивать заданную траекторию копания ковшом экскаватора. Эффективность использования гидравлических одноковшовых экскаваторов (ОЭ) при выполнении земляных работ на горнодобывающих и строительно-дорожных предприятиях подтверждена накопленным опытом их эксплуатации и многочисленными исследованиями, проведенными в том числе и на Украине. Так, например, удельный показатель, определяемый как отношение эксплуатационной производительности экскаваторов к единице вместимости ковша [1] при разработке взорванных скальных пород, на 20-23% выше аналогичного показателя экскаваторов с механическим приводом, эксплуатируемых в идентичных горнотехнических условиях.

Несмотря на убедительные преимущества объемного гидропривода, применяемого в экскаваторостроении, он требует своего дальнейшего совершенствования. Основными направлениями совершенствования объемного гидропривода являются следующие. К ним относятся такие, как: создание малошумных гидроагрегатов на базе регулируемых насосов и компактных клапанных распределителей с внутренними коммутационными каналами; использование пропорциональных магнитов для сопряжения гидравлических элементов с электронными системами управления; разработка новых материалов для пар трения; получение рабочих жидкостей со стабильными характеристиками; повышение точности изготовления и качества поверхностей трения; повышение точности диагностирования гидросистем машин; - повышение надежности и долговечности гидравлических устройств.

При исследовании надежности гидросистем экскаваторов выявлено, что отказы гидроцилиндров составляют более 40% от общего числа отказов гидропривода. Установлено, что давление в гидроприводе в рабочем режиме взаимосвязано с положением поршня-штока при позиционировании исполнительным оборудованием ОЭ. При этом как рабочее давление, так и фактическое положение поршня по длине гильзы цилиндра являются величинами случайными. На изменение этих параметров влияют грунтовые условия, вид работ, квалификация оператора и ряд других факторов. Исходя из этого, можно отметить, что нагруженность гидроцилиндров ОЭ зависит от процесса взаимодействием рабочего оборудования с разрабатываемой средой [1].

Ввиду дальнейшего увеличения мощности, приходящейся на гидропривод, и в связи с более интенсивной его внешней нагруженностью, проблема повышения надежности гидроцилиндров становится весьма актуальной.

Анализ исследований по повышению надежности гидроцилиндров и цель данной работы

Надежность работы гидрофицированных машин во многом зависит от работоспособности одного из наиболее распространенных элементов гидропривода - силового гидроцилиндра [2,3,4]. Выходы из строя гидроцилиндров, работающих при различных режимах нагружения, были изучены и сгруппированы по характерным отказам. По результатам этих исследований к наиболее существенным отказам следует отнести: значительные местные деформации и разрушения в зоне контакта поршня с гильзой цилиндра и штока с направляющей втулкой; разрушение герметизирующих устройств поршневого и штокового уплотнительных узлов.

Для устранения этих отказов следует развивать ряд направлений по повышению надежности гидроцилиндров, таких, как: снижение работы сил трения в подвижных парах; создание условий для обеспечения жидкостной смазки в подвижных парах трения; исключение гидравлических ударов в крайних положениях поршня по длине гильзы цилиндра; обеспечение оптимального (стабилизированного) температурного режима в узлах трения.

Исходя из анализа отказов гидроцилиндров, целью работы является повышение надежности их работы. Данная цель достигается за счет снижения сил трения в подвижном сопряжении шток-направляющая втулка путем разделения их слоем жидкости.

Снижение сил трения в подвижных сопряжениях гидроцилиндров можно достичь путем разделения трущихся поверхностей слоем жидкости, т.е. применением гидродинамического центрирования. Гидродинамическое центрирование в сопряжении элементов с возвратно-поступательным движением можно осуществить при условии обеспечения конусности одной из поверхностей и образования совместно со второй поверхностью кольцевых конфузорно-диффузорных каналов, а также при наличии вязкой среды в этом сопряжении. При поступательном движении одной из деталей сопряжения вместе с ней происходит вовлечение жидкости в конфузорно-диффузорный кольцевой канал. В результате этого повышается давление жидкости по длине конфузорного в большей степени и меньшей - диффузорного кольцевых каналов, и за счет этого возникает центрирующая сила, способствующая взаимному смещению деталей сопряжения до положения, близкого соосному. При изменении направления движения диффузорный канал становится конфузорным, а конфузорный - диффузорным. Решение задачи гидродинамического центрирования поршня при его произвольном расположении в гильзе цилиндра в основном изучено и приведено в работе [5].

Дальнейшие исследования в этом направлении позволили выявить не - решенные вопросы и представить более точную математическую модель, описывающую процесс гидродинамического центрирования подвижных сопряжений гидроцилиндра [6]. Теоретические исследования показали, что центрирующая сила и сила жидкостного трения в подвижном сопряжении имеют максимальные значения при условии, когда относительный эксцентриситет равен 0,9, а величина клиновидности равна 0,1. По мере увеличения клиновидности поршня и уменьшения величины относительного эксцентриситета центрирующая сила и сила жидкостного трения снижаются.

Из экспериментальных исследований [6] известно, что подвижная пара шток - направляющая втулка в наибольшей степени подвержена одностороннему износу по сравнению с сопряжением поршень - гильза цилиндра. Объясняется это тем, что место приложения радиальной нагрузки для сопряжения поршень - гильза цилиндра изменяется по длине гильзы в процессе перемещения поршня. Для сопряжения шток - направляющая втулка в начальный период работы радиальная нагрузка практически сосредоточена в одной точке, то соответственно это сопряжение в наибольшей степени подвержено износу. Из этого следует, что наиболее ответственным узлом гидроцилиндра является сопряжение шток -направляющая втулка.

С использованием результатов теоретических и экспериментальных исследований разработаны более совершенные конструкции поршневого [7] и штокового [8] уплотнительных узлов гидроцилиндра, которые защищены патентами Украины. Конструкции штоковых уплотнительных узлов с некоторыми изменениями приведены на рис.1.

Отличием представленных конструкций штоковых уплотнительных узлов гидроцилиндров (см. рис. 1а и 1б) является создание условий для обеспечения строго направленного движения жидкости в кольцевых конфузорно-диффузорных каналах (см. рис.1а) и при самоорганизации движения жидкости в этих каналах (см.рис.1б).

Для подтверждения возникновения жидкостного трения в сопряжении шток-направляющая втулка разработана идентичная конструкция этого узла, отличием которой является то, что центрирование штока обеспечивается при его перемещении только в одном направлении (вправо), и выполнен узел сквозным с герметизацией штока уплотнительными устройствами с обеих сторон (см. рис.2). При этом давление в сопряжении шток-направляющая втулка атмосферное. Контроль давления в зазоре осуществлялось по высоте подъема столба жидкости в прозрачном эластичном трубопроводе с внутренним диаметром 3мм. Проведенными испытаниями подтверждено (визуально) возрастание давления в сопряжении шток-направляющая втулка.

Перемещение штока в имитаторе штокового узла гидроцилиндра осуществлялось приводным гидроцилиндром гидравлической установки. При этом регулирование скорости обеспечивалось изменением расхода жидкости, подводимой к приводному гидроцилиндру.

Проведения дальнейших исследований по установлению влияния скорости штока и вязкости жидкости при различной клиновидности кольцевых зазоров с применением теории планирования экспериментов позволят выявить процессы, которые реальное происходят в сопряжении шток - направляющая втулка гидроцилиндра.

Установлено, что наиболее нагруженным узлом гидроцилиндра является штоковый уплотнительный узел. Экспериментально подтверждено явление повышения давления в зазоре сопряжения шток-направляющая втулка. Характер распределения давления по длине зазора соответствует теоретическому распределению.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Алексеева Т.В., Колосов С.В., Мелешко В.М., Федорченко Н.П. Диагностирование гидропривода строительных и дорожных машин//Строительные и дорожные машины.-1983.-№12.-С. 23-24

Дзержинский В.А. Анализ отказов и пути снижения нагруженности гидроцилиндров экскаваторов//Вісн. Східноукр. держ. ун-ту. - 2000.-№6(28).-С. 236-239.

Ничке В.В., Ремарчук Н.П. Исследование надежности гидроцилиндров землеройных машин//Надежность строительных машин и оборудования предприятий промышленности строительных материалов. - Ростов-на-Дону:РИСИ, 1980.-С. 67-74.

Пат. 40871А. Україна, MKB E02F9/22, F15J9/02. Гідравлічний привід робочого органа екскаватора / Дзержинський В.О., Хорунжий В.Д. (Україна).-4 Ил.; Опубл. 15.08.2001.- Бюл. № 7. - 4 с.

Пат. 49331А. Україна, MKB E02F9/22, F15В15/22. Гідравлічний привід робочого органа екскаватора / Дзержинський В.О., Хорунжий В.Д., Токарев О.З., Ремарчук М.П. (Україна).- Ил.; Опубл. 16.09.2002.- Бюл. № 9.- 4с.

Ремарчук Н.П. Повышение надежности силовых гидроцилиндров машин для земляных работ: Автореф. дис…к.т.н.:05.05.04/ХАДИ. - Харьков, 1985. -17 с.

Ремарчук Н.П., Дзержинский В.А. Применение гидродинамического центрирования в сопряжениях гидроцилиндров экскаваторов//Вестник ХГАДТУ. -Харьков.-2001.-№14 -С. 46-51

Штейнцайг В.М. Интенсификация открытых горных работ с применением мощных карьерных одноковшовых экскаваторов. - М.: Наука, 1990.-142с.