автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Влияние эксплуатационных повреждений на работоспособность гидроцилиндров и способы повышения их надежности, применительно к одноковшовым строительным экскаваторам

Введение

1. Состояние вопроса и задачи исследований в области эксплуатационной надежности гидроцилиндров одноковшовых строительных экскаваторов

1.1. Конструктивно-технологические особенности деталей гидроцилиндров рабочего оборудования строительных экскаваторов . ^

1.2. Анализ влияния повреждений основных деталей гидроцилиндров на их герметичность

1.3. Анализ исследований количественной оценки дефектов и повреждений деталей гидроцилиндров.

1.4. Анализ и выбор критериев предельного состояния гидроцилиндров экскаваторов

2. Экспериментальные исследования повреждений и отказов деталей гидроцилиндров рабочего оборудования экскаваторов в условиях эксплуатации

2.1. Исследование факторов, влияющих на изменение работоспособности гидроцилиндров в процессе эксплуатации

2.2. Исследование отказов гидроцилиндров вследствие предельного изгиба штоков

2.3. Исследование факторов, влияющих на выход из строя уплотнителей гидроцилиндров .^

3. Исследование влияния повреждений основных деталей гидроцилиндров на их герметичность и нагрузочную способность.

3.1.Анализ нарушения геометрических характеристик гидроцилиндра при накоплении повреждений в его основных деталях

3.2.Определение предельных параметров технического состояния деталей гидроцилиндров по их нагрузочной способности

3.3.Исследование влияния износа центрирующих деталей гидроцилиндров на контактное давление уплотнителей

3.4.Исследование влияния повреящений деталей уплот-нительного узла на герметизирующую способность уплотнителя

4. Экспериментальные исследования работоспособности основных деталей гидроцилиндров и способы повышения их надежности

4.Х.Моделирование цроцесса изменения герметичности уплотнительных узлов при наличии повреждений штока и нацравляющей втулки

4.2.Исследование процесса повреждений уплотнителей и црогнозирование их технического состояния

4.3.Разработка средств для определения технического состояния деталей гидроцилиндров безразборным способом

4.4.Разработка средств для определения технического состояния и ремонта гидроцилиндров на ремонтно 139 эксплуатационных базах.

5. Расчет экономической эффективности внедрения результатов исследования. 5Л.Расчет экономической эффективности от использования методики определения технического состояния гидроцилиндров и средств диагностирования.

5.2.Расчет оптимальной периодичности ремонта и замены деталей гидроцилиндров

5.3.Расчет годовой экономической эффективности от использования устройства для правки штоков гидроцилиндров

Решениями ХХУ1 съезда КПСС в области промышленности строительства, наряду с увеличением единичных тельных и дорожных эффективности их эксплуатации. Эффективность запных отказах и при проведении технических ремонтов. Снижение простоев обеспечивается за машин, предусмотрено дальнейшее и могцностей строиповышение эксплуатации маобслуживании счет и шин зависит от продолжительности вынужденных простоев при внеприменения надежных средств и методов определения технического состояния,а также методов прогнозирования ресурса агрегатов. Опыт эксплуатации одноковшовых гидравлических экскаваторов показал, что являются одним из наименее надежных гидравлических агрегатов гидроцилиндры рабочего оборудования. Около 40 отказов агрегатов гидросистемы приходится на эти гидроцилиндры. Это свидетельствует о недостаточной эксплуатационной надежности гидроцилиндров. Отсутствие методов прогнозирования работоспособности гидроцилиндров по техническому состоянию основных деталей (што ков, направляющих втулок, поршней и гильз) приводит к тому,что замена уплотнителей зачастую не улучшает технического состоя ния гидроцилиндра. Отсутствие норм предельного состояния па раметров основных деталей и отсутствие средств определения их значительтехнического состояния приводит к неправильной оценке периодичности ремонта и замены деталей гидроцилиндров, что ров. Эффективность эксплуатации экскаваторов но снижает эффективность эксплуатации гидравлических экскаватово многом зависит для от оснащенности ремонтно-эксплуатационных баз средствами рабочего оборудования. проведения технических обслуживании и ремонтов гидроцилиндров б Настоящая работа посвящена исследованию влияния эксплуатационных повреждений на техническое состояние Целью настоящей основных деталей и на работоспособность гидроцилиндров в целом. работы является увеличение ресурса гидроцилиндров рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов. Для достижения указанной цели необходимо было решить следующие задачи: на основании ний выявить детали и разработать анализа интенсивности накопления повреждеопределить их параметры, лимитирующие работоспособность гидроцилиндров; методику и математическую модель предельного состояния гидроцилиндра по нагрузочной способности в зависимости от технического состояния основных деталей; разработать методику прогнозирования ресурса дров по герметизирующей способности; разработать средства для безразборного гидроцилиндров. диагностирования гидроцилинI. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССВДОВАНИЙ В ОБЛАСТИ ЭКСПЛУАТАЦИОННОЙ НДЦЕШНОСТЙ ЩЦРОЦИЛЙНДРОВ ОДНОКОВГОВБК СТРОИТЕЛЬ НЫХ ЭКСКАВАТОРОВ I.I. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ДЕТАЛЕЙ ГВДРОЦЙЛИНДРОВ РАБОЧЕГО ОБОРУДОВАНИЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ ЭКСКАВАТОРОВ Гидроцилиндры рабочего оборудования строительных экскаваторов работают в тяжелом эксплуатационном режиме, поэтому к ним предъявляются повышенные конструктивные и технологические требования. В настоящее время у нас в стране и за рубежом наибольшее распространение на строительстве получили полноповоротные гид равлические одноковшовые экскаваторы с рабочим давлением 16... 26 МПа и ходом штока гидроцилиндров О,8...1,5 м. В дальнейшем требования к гидроцилиндрам возрастут при ожидаемом переводе гидросистем экскаваторов на режим 28...32 Ш а Общие технические требования к гидроцилиндрам устанавливает ГОСТ 16514-79, согласно которому рабочие поверхности деталей гидроцилиндров должны быть износостойкими, коррозионно-стойкими или иметь защитные покрытия. В качестве защитных покрытий штоков и гильз цилиндров отечественного производства наиболее часто применяются хромовые покрытия X 36 тв. ГОСТ 9791-68. У зарубежных машин толщина хромового покрытия колеблется в цределах 20...40мкм. Согласно техническим требованиям к качеству деталей гидроцилиндров дефекты на рабочих поверхностях штоков и гильз цилиндров не допускаются. К таким дефектам относятся раковины, выкрашивание хрома, трещины и отслаивание покрытия.Штоки гйдроцилиндров изготавливают из стальных поковок 30 ХГСА, 40Х или 45. Перед шлифовкой производят поверхностную закалку до НВС 38...40. Гильзы цилиндров изготавливают из бесшовных горячекатных труб по ГОСТу 8732-78 из сталей 35 и 45 или легированных сталей ЗОХГСА и I2XI8H9T. Поршни гидроцилиндров изготавливают из сталей 35 и 45 с наплавляемым бронзовым покрытием Бр0ЦС5-5-5 ГОСТ 613-65 и БрАШ-П-4-4. Восстановление изношенных поверхностей производят методом |1аплавки теми же материалами,из которых выполнено покрытие. Применение антифрикционных покрытий позволяет значительно снизить расход дорогостоящих материалов. Поверхности поршней и направляющих втулок гидроцилиндров, поставляемых в СССР из Чехословакии, покрывают слоем полиамидной смолы, после ндрах направляющие втулки 71 Высокие требования предъявляются к шероховатости поверхностей штоков и гильз цилиндров. По данным О.Ф.Никитина /66/ на ружная поверхность штоков должна быть обработана по посадке 6$ с шероховатостью не более у?=0,05 мкм, а рабочая поверхность гильз цилиндров должна быть обработана по посадке Hg с шероховатостью Roi-Ofl мкм. В настоящее время штоки гидро цилиндре в отечественного производства обрабатывают по посадке j с шероховатостью /?д =Ю, 32... 0,16 мкм, а гильзы по посадке Но с шероховатостью л Д «О,63...О,32 мкм. Штоки гидроцилиндров, поставляемых из Чехословакии для экскаваторов 3-й размерной рабатывают по посадке fg с гильзы по посадке H Q С шероховатостью п(Х =0,4 мкм. группы, обшероховатостью /?а=0,4 мкм, а выработки этого слоя детали заменяют на новые. На отечественных гидроциливыполнены цельными из бронз БрОиС-5-55 и БрАШ-П-4-4, а подшипники проушин из сталей 18ХГТ ГОСТ 4543- Для обработки внутренней поверхности гильз цилиндров прии раскатыменяются различные методы: шлифование, хонингование вание поверхности шариками или роликами. Наиболее эффективным методом является раскатывание, повышающее хгрочность поверхностных слоев материала с уменьшением шероховатости. Технические характеристики гидроцилиндров рабочего оборудования отечественных строительных экскаваторов приведены в приложении I таблицах 1,1; 1,2; 1,3, гидроцилиндров Чехословакии НВ 160/80 и гидроцилиндров экскаваторов фирмы СйЬвЪрЬвваъ там же в таблицих 1,4 и 1,5. Приведенные технические характеристики соответствуют типовой конструктивной схеме гидроцилиндра представленной на рис. I.I. Из приведенных технических характеристик дроцилиндров рукояти следует, что у гиэкскаваторов 3-й и 4-й размерных rpyipi ход штока намного больше, чем у гидроцилиндров стрелы и ковша, следовательно и путь трения в подвижных сопряжениях гидроцилиндра рукояти намного больше. Копание поворотом рзгкояти вызывает большие динамические нагрузки сравнению с другими в деталях гидроцилиндра рукояти по гидроцилиндрами рабочего оборудования согк его деласно работе /88/. Следовательно гидроцилиндр рукояти работает в более тяжелых условиях и требования предъявляемые талям должны быть более жесткие. В таблицах 1.6; 1.7; 1.8 приложения I приведены техническ отклонем кие требования к качеству деталей гидроцилиндров при их изготовлении. Наиболее жесткое требование предъявляется нию формы поверхности штока (непрямолинейность на длине 0,5 должна быть не более 0,0310"®м) и к отклонению расположения рабочей поверхности направляющей втулки (радиальное биение не более 0,04- 10"м). В настоящее время в качестве уплотнителей для гидроцилинд!S в каучуке нитрила акриловой кислоты). Увеличение содержания нитрила в каучуке повышает маслостойкость, теплостойкость и прочность резин, но снижает их морозостойкость /30/.Кроме того, чем больше в молекулах каучука группы нитрила,тем меньше происходит набухание каучука в нефтепродуктах.Например, если набухание каух1ука СКН18- в данной жидкости принять за 100, то набухание каучука манжет,применяе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ.

I.Анализ статистических данных показал, что одним из наименее надежных гидравлических агрегатов одноковшовых строительных экскаваторов являются гидроцилиндры рабочего оборудования, на которое приходится около 40% отказов. Установлено, что около 70$ отказов гидроцилиндров происходит по причине выхода из строя уплотнителей, 24%-изгиба штоков, 45^-образование задиров на рабочих поверхностях штоков и гильз, 1,5%-обрыва поршней и про -у шин .

2.Анализ зарубежных и отечественных литературных источников показал, что научные работы, направленные на повышение работоспособности гидроцилиндров посвящены только уплотнителям и не рассматривают сопряженные с ними детали.

3. На основании статистических исследований установлено,что преждевременная потеря работоспособности гидроцилиндров во многих случаях вызвана повреждениями их основных деталей-штоков, нап -равляющих втулок, поршней, гильз и подшипников проушин. На основании обследования гидроцилиндров рабочего оборудования одноковшовых экскаваторов на ремонтно-эксплуатационных базах с по-1 мощью разработанных автором устройств установлены основные виды повреждений деталей: абразивные риски на штоках и гильзах, задиры и изгиб штоков, износ направляющих втулок, поршней и подшипников проушин.

4. Проведенные автором теоретические исследования процесса заклинивания поршня в гильзе гидроцилиндра показали, что изгиб штока является основной причиной, вызывающей образование за-диров на поверхности штока и гильзы, приводящей к обрыву проушин и поршня. Отсюда следует, что оценку технического состояния гидроцилиндров следует производить не только по герметизирующей способности уплотнителей, но также и по нагрузочной способности гидроцилиндра.

5. Из анализа характера отказов гидроцилиндров установлено, что на герметизирующую способность уплотнителей решающее влияние оказывают повреждения поверхностей штоков и гильз в виде абразивных рисок и износ центрирующих деталей - поршней и направляющих втулок.

Нагрузочная способность гидроцилиндра зависит от величины стрелы прогиба штока и износа центрирующих деталей.

6. Анализ параметров повреждений показал, что эпюра распределения износа по периметру центрирующих деталей имеет овальную форму. Геометрия оси штока после деформации имеет форму , которая аппроксимируется функцией Вейбулла с параметрами В-1,94;

X =656.

7. На основании теоретических исследований нарушения геометрических характеристик гидроцилиндра при износе центрирую -щих деталей и изгибе штока обоснованы диагностические параметры тП и Сп » которые дают возможность оценивать величину износа центрирующих деталей безразборным методом. Параметр j"п преде- ^ тавляет собой линейное отклонение штока в плоскости, перпендикулярной оси гильзы, при перемещении штока из одного 1файнего положения в длугое.

Параметр Сп представляет собой стрелу прогиба выдвинутой части штока.

8. На основании установленной связи между структурными и диагностическими параметрами разработана математическая модель, алгоритм и программа инженерного расчета гидроцилиндра на нагрузочную способность, позволяющая определять предельное состояние гидроцилиндра по этому критерию.

9. Для оценки герметизирующей способности и определения предельного состояния уплотнителя предлагается в известное уравнение расхода утечек дополнительно ввести два параметра: ^ и М , а также контактное давление с учетом износа центрирующих деталей.

Параметр *\j/ характеризует геометрические характеристики микроканалов износа уплотняемых поверхностей, а параметр tf -процесс релаксации напряжений в материала уплотнителя.

10. На основании результатов экспериментальных исследований процесса развития и накопления повреждений в основных деталях гидроцилиндра разработана математическая модель герметичности уплотнительного узла, которая позволяет определить ресурс гидроцилиндра в зависимости от параметров повреждений уплотняемых поверхностей, износа центрирующих деталей и давления рабочей жидкости.

11. По результатам теоретических и экспериментальных исследований разработана инженерная методика прогнозирования ресурса гидроцилиндров по критерию герметизирующей способности и построена номограмма, облегчающая ее практическое использование.

12. На основании полученных значений параметров предельного состояния деталей гидроцилиндров получены зависимости, определяющие оптимальную периодичность предупредительного ремонта деталей по критерию минимальных текущих затрат на эксплуатацию гидроцилиндров экскаваторов.

13. Для определения параметров повреждений безразборным методом предложены приспособления: устройство для измерения размеров абразивных повреждений и устройство для определения величины износа центрирующих деталей. Методика и приспособления внедрены в УМ-334 40 треста "Главзапстроя" с экономическим эффектом 3,2 тыс.рублей в год.

14. Разработан гидротестер ГТ-4 для диагностирования гидроцилиндров по внутренней негерметичности. Гидротестер внедрен в УМ-4 Главленинградстроя с экономическим эффектом 3,5 тыс.рублей в год.

15. Разработано устройство для правки штоков гидроцилиндров. Устройство внедрено на заводе Дорожно-строительных машин треста Стройиндустрия г.Фрунзе с экономическим эффектом 2,0 тыс.рублей в год.

16. Общий годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований составил 114,35 рублей на один экскаватор .

1. Абрамов Е.И., Колесниченко К.А., Маслов В.Г. Элементы гидро-цривода. - Киев: Техника, 1977, 320 с.

2. Аврущенко Б.Х.,Ратнер Б.В. Особенности химической релаксации напряжения в резиновых уплотнителях при возвратно-поступательном движении. Каучук и резина. НИИРП, 1970, №10,с.36-38.

3. Аврущенко Б.Х. Резиновые уплотнители. л.:Химия, 1978, 136с.

4. Алексеева Т.В. Машины для земляных работ.- М. Высшая школа, 1964, 106 с.

5. Алексеева Т.В., Мальцева Н.А. Целесообразность применения различных методов технической диагностики гидроцилиндров землеройных агрегатов.- В кн.: Гидропривод и системы управления землеройнотранспортных машин.-Сб.тр.СибАДИ,Омск, 1974,с.103-107.

6. Алексеенко П.Д., Григорьев А.В., Баран А.П., Фролов И.О.Диагностирование гидроприводов экскаваторов.Л.: ЛДНТП, 1984.

7. Алексеенко П.Д., Григорьев А.В., Кобзов Д.Ю.,Фролов И.О. Стенд для диагностирования гидроцилиндров.-Информ. листок №300-84, л.: ЛенЦНТИ, 1984.

8. Алексеенко П.Д., Баран А.П., Фролов И.О. Устройство для диагностирования гидропривода.-Информ.листок №1014-83,Л.: ЛенЦНТИ, 1983 .

9. Алексеенко П.Д. Исследование процесса изнашивания уплотнителей гидроцилиндров экскаваторов.-Дисс.канд.,Л.:ЛИСИ, 1970 , 148 с.

10. Астахов М.Ф. Справочная книга по расчету самолета на проч -ность.- М.:0боронгиз, 1954, 378 с.

11. Аржанов П.А., Браун Э.Д. К воцросу определения зазоров в узлах трения мощных гидравлических цилиндров.- В кн.: Решение задач тепловой динамики и моделирования трения и износа.-М.: Наука, 1980, с.151.

12. Афлятонов А.З. Исследование системы очистки рабочей жидкости экскаваторов с гидравлическим приводом. Дисс.канд.,Л.: ЛИСИ, 1969, 160 с.

13. Баран А.П., Фролов И.О. Диагностирование гидроцриводов одноковшовых строительных экскаваторов.-В кн.:Повышение эффективности использования машин в строительстве: Межвуз, сб.тр. -Л.: ЛИСИ, 1983, с.104-113.

14. Бартенев Г.М. Труды Ш Всесоюзной конференции по трению и износу в машинах, т.2 -АН СССР, I960, 7-14 с.

15. Бартенев Г.М., Лаврентьев В.В. Трение и износ полимеров.-M.s Химия, 1972, 240 с.

16. Бедрин С.Ф. Расчеты гидроцилиндров на устойчивость и проч -ность. Вестник машиностроения. 1981, F7, 32 с.

17. Беленков Ю.А., Нейман В.Г. Надежность объемных гидроприво -дов и их элементов.-М.: Машиностроение, 1977, 167 с.

18. Башта Т.М. Вопросы надежности гидравлических систем летательных аппаратов. Сб.тр.-Киев, 1975, с.149.

19. Борисов В.Н., Каверзин С.В. Влияние способа обработки зеркала гидроцилиндра на износ уплотнителей.- В сб.КПИ, Красноярск, 1967, с.16-18.

20. Борисов В.Н., Каверзин С.В. О механизме износа уплотнителей. Известия Вузов. Машиностроение, 1969, №2, 17 с.

21. Вайс!фанц В.М. Повышение эффективности использования машин для землеройных работ в условиях жаркого климата.-М.: Стройиздат, 1983, 84 с.22