Анализ конструкции и перспективы развития гидропривода возвратно-поступательного действия

МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

Кобзов Д.Ю., Плешивцева С.В., Жмуров В.В. УДК 621.225.2

АНАЛИЗ КОНСТРУКЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОПРИВОДА

ВОЗВРАТНО-ПОСТУПАТЕЛЬНОГО ДЕЙСТВИЯ_

Из существующих ныне тенденций развития строительного и дорожного машиностроения, совпадающих в какой-то степени с зарубежным опытом, особо можно выделить рост единичных мощностей машин и их полную либо частичную гидрофикацию наряду с повышением качества и надежности.

Применительно к гидроцилиндрам привода рабочего оборудования машин, увеличение их единичных мощностей, кроме всего прочего, неразрывно связано с повышением уровня давления рабочей жидкости гидросистем, увеличением скорости перемещения штока и его хода, а, следовательно, размеров гидроцилиндров, и, зачастую, интенсивности использования во времени.

Негативным проявлением этого, применительно к гидроцилиндрам повышенного типоразмера, является резкое увеличение эксплуатационных нагрузок, ухудшение условий и режима функционирования, а, вслед за этим, неизбежное многогранное снижение их надежности, как комплексного свойства технических объектов — в лучшем случае. В худшем — не исключена вероятность создания заранее неработоспособного гидроцилиндра. Все вышеизложенное в полной мере качественно отражено и количественно проиллюстрировано, например, в работах отечественных и зарубежных исследователей.

Анализ кинематических особенностей гидрофицированных технических объектов, работающих в условиях, обозначенных объективными требованиями и субъективными намерениями потребителей, позволил сделать следующие заключения.

Во-первых, рассматриваемые схемы либо уже применяются, либо могут быть использованы в качестве привода рабочего об-

орудования гидропривода возвратно-поступающего действия (ГВПД).

Во-вторых, 39,7% из них содержат один гидроцилиндр, 27,6% - два, 18,4% - три, 11,7% -четыре и 2,6% - пять. То есть, более 60% схем является многозвенными, в большинстве которых функционирование как минимум одного гидроцилиндра прямо или косвенно влияет на рабочий процесс, режим работы и параметры нагружения остальных.

В-третьих, в процессе работы привода всего 9,2% гидроцилиндров не изменяют своего пространственного расположения. Из них 7% приходится на долю схем с одним гидроцилиндром, а оставшиеся 2,2% - с двумя.

В-четвертых, в большинстве из них при функционировании гидроцилиндра в опорах его корпуса (85,6%) и штока (88,6%) наблюдается силовой поворот либо вращение элементов сопряжения.

В-пятых, в 75,4% случаев гидроцилиндр с другими элементами привода образует треугольник, а в 22,2% - многоугольник.

И, наконец, наибольшее распространение из всего многообразия типов гидроцилиндров (Рис.1) имеют гидроцилиндры одно- и многостороннего действия с односторонним штоком. Это же подтверждается отечественными [1] и зарубежными [2] справочными данными об ассортименте серийного и единичного выпуска гидроцилиндров различных типоразмеров, в соответствии с которыми доля поршневых гидроцилиндров двухстороннего действия (Рис.2(9), 3(17) — 3(20)) составляет 85%, одностороннего действия с односторонним штоком (Рис. 3(7)) — 1%, двустороннего действия с двусторонним штоком (Рис. 3(10)) - 0,5%, плунжерных - 10% (Рис. 3(5)), телескопических (Рис. 3(6, 8)) — 1% и момен-

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

Рис. 1. Классификация гидроцилиндров

тных гидроцилиндров (Рис. 3(11), 3(12)) — 2,5%.

Из всего вышеизложенного можно заключить, что:

- в качестве предмета дальнейших исследований работоспособности и надежности гидроцилиндров рабочего оборудования гидропривода возвратно-поступающего действия целесообразно принять гидроцилиндр двустороннего действия с односторонним штоком, как самый распространенный, наиболее сложный и обобщающий пример;

- рассматривать конкретный гидроцилиндр следует в совокупности с другими элементами привода;

- исследуя отдельно каждый гидроцилиндр многозвенного рабочего оборудования ДСМ, необходимо учитывать влияние на рабочий процесс, режим работы и параметры нагружения остальных;

- следует принимать во внимание изменение его пространственного расположения, что позволит описать статическое и динамическое нагружение гидроцилиндра;

Рис. 3. Варианты исполнения опорных элементов корпуса гидроцилиндра.

- необходимо учитывать возникновение в опорах гидроцилиндра крутящего момента, вызванного силовым поворотом или вращением элементов сопряжения, что даст возможность уточнить и кинематические нагрузки.

Проведенный анализ позволил выявить 36 схем возможного эксплуатационного на-гружения гидроцилиндров (Рис. 5), распространяющиеся на любые реальные технические объекты, вместо ранее известных [5,6] 8-ми.

Итак, в настоящее время в качестве гидродвигателей возвратно-поступательного действия гидрофицированного рабочего оборудования машин широко применяются гидроцилиндры двустороннего действия с односторонним штоком. Их классификация и назначение, устройство и виды исполнения, принцип действия и условия применения, а также схемы кинематического включения и гидравлического подключения достаточно

Рис. 2. Варианты исполнения опорных элементов штока гидроцилиндра.

Рис. 4. Варианты традиционного крепления гидроцилиндра на машину.

МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

ши оо оо ©

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

подробно изложены в трудах отечественных [1,3] и зарубежных ученых [4].

Варианты исполнения опорных элементов штока и корпуса таких гидроцилиндров, а также схемы традиционного закрепления их на рабочем оборудовании машин иллюстрируется рисунками 4-5. При этом наиболее предпочтительным креплением по данным источников [1,2] для гидроцилиндров, совершающих пространственное перемещение при их собственной работе, считается на проушинах (51,7%) и цапфенное (9,4%), а для стационарных — с закладными деталями (17,8%) и на лапах (5,9%).

Конструирование и изготовление гидроцилиндров ГВПД осуществляется в соответствии с требованиями ГОСТ 16514-798 и ГОСТ 17411-81, а также введенного в Ми-нстроймаршев 1981 году отраслевого стандарта ОСТ 22-1471-79, отражающего требования ГОСТов, стандартов и рекомендаций по стандартизации [7].

Параметры гидроцилиндров оговариваются стандартами ГОСТ 6540-68, ГОСТ 12445-80, ГОСТ 12447-80 и ГОСТ 16516-80. При этом, ГОСТ 6540-68 и ГОСТ 12447-80 соответствуют международным стандартам ISO 3322 и ISO 2944 в части номинальных давлений, ГОСТ 6540-68 - ISO 3320 в части диаметров цилиндров до 400 мм по основному ряду и в части диаметров штоков до 360 мм, ГОСТ 6540-68 - ISO 4393 в части ходов поршня по основному ряду. Основные значения диаметров цилиндров и штоков, а также ходов поршня, выходящие за пределы указанных рядов, следует выбирать в соответствии с требованиями ГОСТ 12445-80 и ГОСТ 6636-69.

В соответствии с ГОСТ 6540-68 (Рис.5) гидроцилиндры различных типоразмеров выпускаются по основным параметрам: по номинальному давлению р, по ходу поршня z, по его диаметру D1, по соотношению ф площадей давления и по скорости перемещения штока z'. Полученные распределения полностью согласуются с основными техническими характеристиками наиболее распространенных гидроцилиндров ГВПД [7]. Более того, как ясно из источника [8], особый интерес должны представлять гидроцилиндры с номинальным давлением 20...23 МПа (Рис. 6), устанавливаемые на многозвенное рабочее оборудование одноковшовых гидравлических экскаваторах IV-VII размерных групп (рис. 7), из которых до 90% оборудованы обратной лопатой [9].

Рис. 6. Распределение выпускаемых гидроцилиндров по основным параметрам.

Отдельно можно отметить, что с ростом типоразмера гидроцилиндров, например, с повышением хода ъ штока, наблюдается увеличение диаметра D1 поршня (Рис. 8), что объективно вызвано необходимостью повышения жесткости гидроцилиндра.

Гидроцилиндры ГВПД являются одним из наименее надежных агрегатов гидропривода. На их долю приходится большая часть отказов гидропривода — до 37%, а их фактическая наработка на отказ в 2-3 раза ниже гарантируемой заводом-изготовителем [10]. Конечно, часть гидроцилиндров и, главным образом, отдельных малонагруженных узлов и деталей, все же отрабатывает назначенные ресурсы, что создает впечатление о больших сроках службы гидроцилиндра в целом.

МЕХАНИКА. ТРАНСПОРТ. МАШИНОСТРОЕНИЕ

Рис. 7. Распределение выпускаемых моделей гидравлических экскаваторов и номинального давления в их гидросистемах по размерным группам.

Проведенный ВНИИСтройдормаш обследования одноковшовых гидравлических строительных экскаваторов Ш-У типоразмер-ных групп в реальных условиях эксплуатации показали, что общий процент выходов из строя гидроцилиндров для них достигает 80% [11]. При этом одной из основных причин отказов гидроцилиндров называется разгерметизация уплотнительных узлов [12], из которых на долю штокового узла приходится 52% [11], а поршневого — 40% [13]. До 24% всех отказов гидроцилиндров связывают с повреждениями штока и 10% отказов приходится на гильзу цилиндра [14].

Также были выявлены следующие повреждения гидроцилиндров и их элементов:

Рис. 8. Распределение выпускаемых гидроцилиндров по диаметру поршня в зависимости от хода штока.

- повреждение штока: износ поверхностей штока, образование на ней очагов коррозии, рисок, царапин, задиров и вмятин, искривление штока, срыв резьбы;

- повреждение корпуса: появление эллип-сности и конусности, образование на уплотняемой поверхности рисок, царапин и задиров, трещин и разрыв корпуса;

- повреждения направляющих втулок и поршней: неравномерный по периметру износ трущихся поверхностей, образование на них царапин и задиров;

- повреждения уплотнителей всех назначений: старение материала, неравномерный по периметру и ширине уплотнителя износ герметизирующих поверхностей, появление на них рисок и царапин, разрыв уплотнителя;

- повреждения подшипников проушин: износ поверхностей скольжения, частичное или полное разрушение составляющих;

- повреждение головки — срыв резьбы;

ИРКУТСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПУТЕЙ СООБЩЕНИЯ

- повреждение проушины штока — срыв резьбы, обрыв проушин.

Таким образом, надежность гидроцилиндров ГВПД на сегодняшний день оставляет желать много лучшего, процент отказов большой и его снижение происходит медленно. Дальнейшее повышение уровня рабочего давления в гидросистемах и рост типоразмеров гидроцилиндров еще более обостряет проблему их надежности.

В связи с вышеизложенным существующие научные основы создания гидроцилиндров с заданным уровнем надежности и ресурсом работоспособности больше представляется необходимыми в той или иной степени, но ни коим образом не достаточным.

В дальнейшем же, создание надежных и работоспособных гидроцилиндров ДСМ повышенного типоразмера, основные характеристики которых лежат за пределами старой количественно-качественной определенности, требует разработки научных основ и практических рекомендаций, свойственных новому качеству с присущими только ему закономерностями и мерой.

БИБЛИОГРАФИЯ

1. Гидро- и пневмопривод и его элементы. Рынок продукции: Каталог/Коллектив составителей. — М., Машиностроение, 1992.

- 232 с.

2. 36-th Annual Designer's Guide: To fluid power products — Cylinders//Hudraulics &Pneumatics, USA, 1992, January. Pp. 84-86.

3. Элементы гидропривода: Справоч-ник/Е.И. Абрамов, К.А. Колесниченко, В.Т. Маслов. Изд. 2-е, перераб. и доп. — Киев: «Техшка», 1977. — 320 с.

4. Буренин В.В. Герметизация подвижных соединений гидроцилиндров строительных и дорожных машин//Строительные и дорожные машины, 1993, №6. С. 22-25.

5. Seals: design and performance/Society of Automotive Engineers, Inc. — Warrendale,

PA ,USA, 1986, February. pp. 52-61.

6. Gu Ming Xin. Объемный гидропривод. — Пекин: Издательство центрального радиотехнического университета, 1986. — 493 с.

7. Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин. — М.: Машиностроение, 1983. — 301 с.

8. Холодов А.М. Анализ основных параметров гидравлических экскаваторов//Стро-ительные и дорожные машины, 1992, №4. С. 4.

9. Шамонин А.С., Милош М. Основные тенденции развития современного эскавато-ростроения. Деп. в МАШМИР№13 — сд92, М., 1992. — 17 с.

10. Гаркави Н.Г., Бардышев О.А., Тесленко Н.Г. Обеспечение эксплуатационной надежности работы строительных машин зимой. — Л.: ЛДНТП, 1980. — 23 с.

11. Провести исследование и разработать предложения по повышению надежности и эксплутационных качеств одноковшовых экскаваторов. Часть 2. Экскаваторы с гидравливческим приводом ЭО-3322А, ЭО-4121, ЭО-4123, ЭО-5122, ЭО-6121, ЭО-4121А: Отчет о НИР/ВНИИСДМ, М., 1977. — 248 с.

12. Кондрашов П.М. Исследование работоспособности уплотнителей гидроцилиндров рабочего оборудования строительных машин при рабочем давлении до 50 МПа: Дисс. к.т.н./ЛИСИ, Л., 1980. — 122 с.

13. Баранов А.П., Фролов И.О. Диагностирование гидроприводов одноковшовых строительных экскаваторов//Повышение эффективности использования машин в строительстве: Сб. тр./ЛИСИ, Л., 1983. С. 104-113.

14. Фролов И.О. Влияние эксплутационных повреждений на работоспособность гидроцилиндров и способы повышения их надежности, применительно к одноковшовым строительным экскаваторам: Дисс. к.т.н./ЛИСИ, Л., 1984. — 221 с.