Повышение долговечности восстановленных деталей элементов гидропривода строительно-дорожных машин

В соответствии со стратегическим планом развития экономики Российской Федерации на 2005;2015 годы выделено одним из приоритетных направлений — индустриально-инновационное развитие и создание высоких технологий [1].

Актуальность проблемы. Большой объем строительных работ в России и Казахстане обуславливает интенсивную эксплуатацию техники, что ужесточает требования к ее надежности и долговечности с минимизацией затрат на эксплуатационные расходы. Повышенные нагрузки на технику приводят к значительному снижению эксплуатационных характеристик при одновременном отставании уровня ремонтного производства. Как отмечено в трудах ведущих ученых России и Казахстана, Грязнова Б. Т., Машкова Ю. К., Поле-щенко К.Н., Гаркунова Д. Н., Шарпеева Ю. П., Нуракова С., Кабашева Р. А, Кадырова А. С, обеспеченность ремонтного производства запасными частями является главным фактором повышения технической готовности парка строительных и дорожных машин (СДМ). Расширение производства новых запасных частей связано с увеличением материальных и трудовых затрат. Вместе с тем около 75% деталей, выбраковываемых при капитальном ремонте СДМ, являются ремонтопригодными [2,3,4].

Поэтому целесообразной альтернативой расширению производства запасных частей является вторичное использование изношенных деталей, восстанавливаемых в процессе ремонта СДМ и их агрегатов. Из ремонтной практики известно, что большинство выбракованных по износу деталей теряют не более 1−2% исходной массы. При этом прочность деталей практически сохраняется. Известно, что 75% деталей элементов гидропривода выбраковывают при износах, не превышающих 0,4 мм, и они могут быть вторично использованы после восстановления. С позиции воспроизводства машин экономическая целесообразность ремонта обусловлена возможностью повторного использования большинства деталей как годных, так и предельно изношенных после восстановления. Это позволяет осуществлять ремонт в более короткие сроки с меньшими затратами металла по сравнению с затратами при изготовлении новых деталей [5]. Поэтому на данном этапе единственным путем продления срока службы СДМ является их ремонт.

На дорожно-строительных (СДМ) (например, ЭО-3322А), сельскохозяйственных (СХМ) и автотракторных машинах (ATM) широкое распространение получили гидравлические приводы.

Тяжелые условия эксплуатации СДМ, удаленность от баз и режимы циклически изменяющейся нагрузки отрицательно сказываются на эффективности их использования по причине снижения долговечности гидропривода. Значительное влияние на долговечность гидропривода оказывает техническое состояние одного из дорогостоящих и наиболее интенсивно изнашивающихся элементов, каким является гидроцилиндр.

Поскольку он работает в циклически изменяющихся нагрузках, в разных условиях эксплуатации и температурном режиме, сопряжения «шток-цилиндр» испытывают удары при подъеме и опускании, сопротивление ветра, изменение распределения нагрузки, что снижает срок службы гидроцилиндров. Работая в повышенной запыленности, на масленой поверхности штока гидроцилиндра оседает пыль, капли влаги и частицы грунта. Перемещаясь, шток увлекает их за собой, что приводит к нарушению герметичности манжет, появлению задиров, рисок, тем самым, загрязняя рабочую жидкость гидросистемы и способствуя повышенному изнашиванию сопряженных деталей гидропривода и как следствие интенсивной утечки жидкости. Эти факторы являются причиной снижения безопасности, изменения проектной геометрии и усталостной прочности деталей гидроцилиндров, снижения эффективность и долговечность гидроприводов вцелом.

Существующие технические условия на контроль и сортировку деталей при ремонте не учитывают изменение проектной геометрии деталей и единого способа восстановления определенной группы деталей. Поэтому в процессе эксплуатации СДМ и подъемных машин (ПМ) детали гидроцилиндра чаще подвергаются ремонту, но из-за низкого качества восстановления их наработка до очередного ремонта достигает всего около 45% от ресурса новых. В результате потребность в ремонте возрастает в 2−2,5 раза в сравнении с нормативными.

По данным исследований E.JI. Воловика и И. В. Крагельского, износ различных групп деталей СДМ и ПМ находится в пределах 0,1+10мм. При этом около 85% деталей имеют износ до 0,6 мм. Износ поверхности деталей распределяется примерно следующим образом:

— цилиндрических — 52%;

— трещин и изломов — 9%;

— нарушение геометрической формы — 13% от общего числа.

Анализ износа элементов гидропривода СДМ показывает, что на долю гидропривода приходится около 45% отказов от общего числа агрегатов СДМ, на долю гидроцилиндров до 28% от общего числа отказов. Одной из наиболее интенсивно изнашиваемых деталей гидроцилиндра является шток, по его причине происходит около 31% отказов.

Величины предельно-допустимых износов геометрических параметров и оптимальные режимы восстановления установлены из практического опыта без достаточного научного обоснования, а в действующих технических условиях контроля значительно колеблются, что подтверждает важность решаемых в диссертации задач. Поэтому установление характера износа деталей гидропривода СДМ и их влияние на эффективную работу и долговечность СДМ являются актуальной задачей.

Вопросам износа деталей элементов гидропривода посвящены научные труды ряда исследователей, в том числе выдающихся ученых России и Казахстана Машкова Ю. К., Клока А. Б., Гаркунова Д. Н., Шевеля В. В., Поле-щенко К.Н., Бершацкого Л. И., Буше H.A., Нуракова С. Н., Костецкого Б. И., Крагельского И. В, Дунаева П. Ф., Тарана М. В. Проникова A.C. и др., которыми выявлены причины вызывающие износ, и даны рекомендации по восстановлению отдельных деталей и сопряжений. Однако износ деталей такого дорогостоящего элемента, каким является гидроцилиндр, изучен еще недостаточно, в частности, характер и особенности износа такого важного сопряжения как «шток-втулка цилиндра».

Поверхность штока гидроцилиндра гидропривода СДМ изнашивается неравномерно. Наибольшему износу подвергается участок у основания штока при максимальном его выходе, что соответствует второму и третьему поясу, затем по периферии к рабочему органу износ уменьшается.

Неравномерный износ штока приводит к конусообразности и смещению базовой оси. Влияние износа и смещение проектного расположения деталей элементов гидропривода приводит к падению давления в гидросистеме до 10% и снижению объемного КПД гидроцилиндра до 25%, что оказывает значительное влияние на эксплуатационные характеристики гидропривода и эффективность СДМ в целом. До сих пор не установлены значения допустимых износов детали гидроцилиндра гидропривода, при которых дальнейшая эксплуатация СДМ становится не эффективной.

Одним из важных факторов, определяющих актуальность восстановления гидроцилиндров, является рост цен и уровень инфляции. Темпы роста цен на насосы и гидроцилиндры колеблются от 12 до 17% в год.

В России и Казахстане вопросами ремонта занимались многие научно-исследовательские институты и высшие учебные заведения: МАДИ, СибА-ДИ, ОМГТУ, НГТУ, КазАДИ, КазАТК, КарГУ, КарГТУ, и другие. В основу восстановления деталей гидроцилиндров легли сварочные процессы — наплавка и напыление с добавлением в дугу присадочных материалов.

Теоретические и практические результаты восстановления и ремонта отражены в работах ведущих ученых России и Казахстана: Патона Э. О., Рыка-лина H.H., Ефремова В. В., Зеленкова Г. И., Казарцева В. И., Шарпеева Ю. П., Нураковой A.C., Бисекена А. Б., и др. [6,7,8,9,10,11,12]. Рядом авторов поставлены и решены задачи повышения работоспособности деталей с применением мощных электродуговых источников тепла, плазмы и применение специальных электродов и порошковых материалов, для сварки разнородных материалов: сталь-кремний, сталь-молибден, сталь-никель и т. п. [13,14,15,16,17,18,19,20,21].

Способы восстановления деталей условно делятся на две группы: с износом не более 0,6 мм и с износом более 0,6 мм. Согласно классификации восстанавливаемых деталей СДМ по конструктивно-технологическим признакам [21], сопряжение «шток-цилиндр» относится к V группе с износом 0,35-Ю, 7 мм. К ним применяют наплавку под слоем флюса в защитных средах, плазменное напыление, осталивание и др.

В современной практике ремонтные предприятия располагают большим количеством способов восстановления деталей, которые применяют для устранения многих дефектов — износов, механических повреждений, трещин, потери проектной геометрии и др. Для восстановления одной и той же детали пригодны несколько способов, часто равноценных по своим технико-экономическим показателям.

Выбору способа восстановления деталей посвящены работы В.И. Казер-цева, В. А. Шадричева, М. А. Масино, И. С. Левитского, В. М. Кряжкова, В. Л. Воловика, В. И. Черноиванова и других [22,23,24,25,26]. При выборе рационального способа применительно к восстановлению конкретной детали необходимо знать их технологические возможности нанесения покрытий на изношенные поверхности и характерные особенности. Поэтому обоснование оптимального способа восстановления детали или группы деталей является важной и сложной задачей, которую следует решать в комплексе технических, организационных и экономических вопросов.

Среди многообразия способов восстановления деталей гидроцилиндров широкое распространение получил способ плазменного напыления [24,25]. Как показывают результаты анализа технико-экономических показателей способов восстановления, плазменное напыление наряду с преимуществами имеет некоторые недостатки. К основным недостаткам относят поры, растрескивание покрытия, неудовлетворительная прочность сцепления и перегрев детали. Результаты аналитических исследований показали, что электротермическим процессам и их закономерностям уделяется недостаточное внимание, вследствие чего качество восстановления находится не на должном уровне, снижая износостойкость и усталостную прочность деталей. Перечисленные факторы указывают на важность научного обоснования предельно-допустимого износа деталей, оптимальных режимов восстановления и способа восстановления. Способы решения этой проблемы изложены в диссертационной работе.

Цель работы: повышение долговечности гидроцилиндров СДМ, на основе установления наиболее нагруженных участков деталей гидроцилиндров, обоснования их предельно-допустимой величины износа и разработки рекомендаций по технологическому процессу восстановления деталей гидроцилиндра.

Поставленная цель определила следующие задачи:

1. Изучить причины и характер изменения геометрии сопряженных деталей гидроцилиндра СДМ, под действием нагрузок.

2. Разработать методику расчета износа деталей гидроцилиндров от напряжений изгиба и создать технические средства для испытания гидроцилиндров на износостойкость.

3. Научно обосновать способ и оптимальные технологические параметры восстановления сопряженных деталей гидроцилиндра «шток — цилиндр» и исследовать физико-механические свойства восстановленного слоя.

4. Экспериментально установить влияние изменения геометрии сопряженных деталей гидроцилиндра на их долговечность и технико-экономические характеристики СДМ, разработать критерий оценки допустимого износа сопряжения.

Объектом исследования является сопряжение «шток-цилиндр» гидроцилиндра СДМ.

Предметом исследования является закономерности процессов взаимодействия внутри системы сопряжения «шток-цилиндр» гидроцилиндра.

Методы исследования: в работе применялись методы математического анализа, теоретической механики, математической статистики, метод многофакторного эксперимента, физических экспериментов и технико-экономической оценки.

Достоверность полученных результатов подтверждена адекватностью математических моделей и результатов экспериментальных исследований, техническими и экономическими показателями гидроприводов СДМ, достаточным объемом экспериментов и удовлетворительной сходимостью аналитических расчетов с экспериментальными данными.

Научная новизна определяется следующим:

1. Исследованы закономерности процессов взаимодействия внутри системы сопряжение «шток — цилиндр» гидроцилиндра и установлена аналитическая зависимость износа и дефектов гидроцилиндра от напряжений изгиба.

2. Получена математическая модель режимов плазменного напыления и определены физико-механические свойства микроструктуры покрытия, позволяющие повысить долговечность восстанавливаемых деталей.

3. Разработан критерий оценки оптимального срока службы и соответствие его предельному износу деталей гидроцилиндра.

Личный вклад автора заключается в формировании идеи, постановке цели и задач исследования, выполнении теоретических и экспериментальных исследований и анализе их результатов, разработке методики и обосновании основных технологических параметров восстановления проектной геометрии деталей гидроцилиндра, разработке новой конструкции плазмотрона, разработке критерия оценки допустимых пределов изменения, оптимальных технологических параметров восстановления деталей гидроцилиндра СДМ, экономической оценки оптимального срока службы. Все результаты диссертационной работы получены автором самостоятельно, в них не содержатся научные идеи и результаты, не принадлежащие автору.

Практическая ценность работы. Разработана методика расчета износа деталей гидроцилиндра учитывающая действие напряжений изгиба, стенд для испытания гидроцилиндров на износ (предварительный патент № 2008/1275.1), конструкция плазмотрона с встроенным многокомпонентным дозатором, конусносуживающейся насадкой и фокусирующим соленоидом, обеспечивающая высокое качество восстановления деталей гидроцилиндров СДМ (предварительный патент № 2008/0778.1). Разработан состав порошковой смеси, обеспечивающий при плазменном напылении высокую твердость, износостойкость до 74% и прочность до 87%, от новых деталей гидроцилиндров «Плазменное покрытие металлов» (инновационный патент № 21 589).

Реализация результатов работы. Результаты теоретических и экспериментальных исследований реализованы при разработке технической документации по технологии восстановления гидроцилиндров в условиях ТОО «Ремплазма» и расчете износа СДМ в условиях ТОО «ДОРОЖНИК», СУ-808, используются в учебном процессе Северо-Казахстанского государственного университета им. М. Козыбаева для подготовки инженерных кадров по специальностям «Подъемно-транспортные, строительные и дорожные машины и оборудование» и «Транспорт, транспортная техника и технологии».

На защиту выносятся:

1. Методика расчета деталей гидроцилиндра СДМ на износ и аналитическая зависимость износа от напряжений изгиба.

2. Математическая модель режимов плазменного напыления, конструкция плазмотрона и состав порошковой композиции.

3. Результаты экспериментальных исследований влияния микроструктуры покрытия и концентраций внутренних напряжений на износостойкость сопряженных деталей гидроцилиндров СДМ, а также на срок их службы.

4. Значение предельно допустимого износа и его влияние на изменение суммарных удельных затрат.

Апробация. Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и одобрены на международных научно-практических конференциях в Северо-Казахстанском университете им. М. Козыбаева (г.Петропавловск, 2005;2006 гг.), Евразийском Национальном университете им. Л. Гумилева (г.Астана, 2005;2006 гг.), Санкт-Петербургском государственном политехническом университете (г.Санкт-Петербург, 2007 г.), Карагандинском государственном университете им. Е. А. Букетова (г.Караганда, 2007 г.), в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии (г. Омск, 2007 г.), Казахском автодорожном институте им. Л. Гончарова (г. Алматы, 2008 г.), Карагандинском государственном техническом университете (Караганда, 2008 г.), Центрально-казахстанском научно-исследовательском институте «Болашак» (г.Караганда, 2008 г.), в Сибирской государственной автомобильно-дорожной академии «IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых» (г. Омск, 2009 г.), на технических советах ТОО «РЕМПЛАЗМА». На заседаниях кафедры «Автомобильный транспорт и объединенном семинаре университета СКГУ им. М. Козыбаева г. Петропавловск, 2009 г, расширенном заседании кафедры «Эксплуатация дорожных машин» и объединенном научном семинаре СибАДИ (г. Омск, 2009 г).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 работ, в том числе 13 работ в материалах международных научных конференций, 2 статьи в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, 1 инновационный патент.

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований диссертационной работы заключаются в следующем:

1. Обзор и анализ предшествующих исследований позволил сделать вывод о том, что вследствие тяжелых условий эксплуатации СДМ элементы гидропривода подвержены интенсивному износу, среди которых гидроцилиндры являются наиболее напряженными элементами в силовом отношении, на долю которых приходится до 28% общего числа отказов.

2. Установлены наиболее нагруженные участки деталей гидроцилиндров, изучены причины и характер изменения геометрии сопряженных деталей гидроцилиндра СДМ.

3. Разработана методика инженерного расчета износа сопряжения «шток-цилиндр» от напряжений изгиба и получена аналитическая зависимость, которая показала, что интенсивность изнашивания штока в его III поясе на 20−30% выше, чем в I, и возрастает при увеличении напряжений изгиба. Максимальные напряжения концентрируются в области критического сечения при наклоне гидроцилиндра менее 45° и наибольшем выходе штока.

4. Обоснован способ восстановления штока гидроцилиндра — плазменное напыление.

5. Получена математическая модель технологических параметров и состава порошка, позволяющая повысить качество плазменного напыления и увеличить ресурс деталей до 28%, что составляет 6500 мч.

6. Разработана конструкция плазмотрона, позволяющая увеличить скорость плазменной струи до 1800 м/с, скорость частиц порошка до 200−320 м/с, создать эффект турбулентности и сфокусировать плазменную струю до 3−4°.

7. Экспериментальными исследованиями установлено, что износ сопряжения «шток-цилиндр» гидроцилиндра более 0,4 мм приводит к снижению объемного КПД гидроцилиндра на 22% и увеличению минимальных удельных расходов до 50 руб./ч (250тенге/ч).

Заключение

.

На основе теоретических и комплексных экспериментальных исследований закономерностей процессов изнашивания гидроцилиндров и плазменного напыления, выявлена степень влияния статических нагрузок, режимных параметров плазменного напыления на физико-механические свойства восстанавливаемых деталей гидроцилиндров, изложены научно-обоснованные технические решения, внедрение которых вносит значительный вклад в повышение эффективности ремонта и долговечности СДМ и ПМ, имеющий важное значение для экономики страны.