Модернизация уплотнений поршня гидроцилиндров

Аннотация

В данном дипломном проекте были затронуты вопросы работы гидропривода одноковшового экскаватора четвертой размерной группы ЭО 4225, выполняется модернизация гидросистемы, осуществляется подбор гидроаппаратов.

Реферат

Модернизация гидропривода одноковшового экскаватора ЭО 4225

Цель проекта — борьба с пульсациями давления и негативными вибрациями в гидроприводе машины.

В процессе работы рассмотрено влияние температуры рабочей жидкости на параметры и характеристики гидравлического привода. Произведен патентный поиск гидроаккумуляторов и уплотнений поршня гидроцилиндров. Выполнены прочностные расчеты и гидравлический расчет гидропривода одноковшового экскаватора. Существующая методика гидравлического и теплового расчетов гидропривода адаптирована к программе MathCAD. Также были выполнены расчеты виброизоляторов и экономический расчет.

Техническое предложение

Целью дипломного проекта является модернизация гидропривода одноковшового экскаватора четвертой размерной группы ЭО 4225. Разработка заключается в следующем: установка нового устройства — гидроаккумулятора, модернизация уплотнений поршня гидроцилиндров.

Гидравлический привод применяется на дорожно-строительных, подъемно-транспортных, сельскохозяйственных, лесозаготовительных и лесохозяйственных, мелиоративных, транспортных и других самоходных машинах различного технологического назначения. Основные преимущество гидропривода: плавность и равномерность движения рабочих органов, возможность получения больших передаточных отношений, возможность бесступенчатого регулирования скоростей в широком диапазоне. А также простота преобразования вращательного движения в возвратно-поступательное и возвратно-поворотное, малый момент инерции, обеспечивающий быстрое реверсирование, легкость стандартизации и унификации основных элементов, небольшой вес и малые габариты гидрооборудования. Высокий КПД, мгновенность передачи командных импульсов, простота предохранительных устройств и их высокая надежность; легкость управления и регулирования, самосмазываемость оборудования также относятся к преимуществам гидропривода.

Гидравлический привод применяется на многих машинах: экскаваторах, бульдозерах, автогрейдерах, скреперах, валочно-трелевочных и валочно-пакетирующих машинах. Установлено на погрузчиках, автокранах, зерноуборочных машинах. Также для привода рабочего оборудования, колесного или гусеничного движителя, выносных опор и рулевого управления. В настоящее время около 90% самоходных машин различного технологического назначения оснащено гидроприводом. В дальнейшем процент гидрофицированных машин еще более увеличится.

В настоящее время в нашей стране так же, как и в зарубежных странах, практически невозможно назвать такую отрасль промышленности или сельского хозяйства, в которых не применялся бы гидропривод. 1]

Гидроприводом оснащено большинство лесных, дорожно строительных и мелиоративно-строительных машин.

1. Общая часть

1.1 Назначение и техническая характеристика машины Полноповоротный одноковшовый универсальный гидравлический экскаватор на гусеничном ходу тракторного типа ЭО-4225 изготавливается в соответствии с ГОСТ 17 343–71 и предварительно разрыхленных скальных и мерзлых грунтов IV категорий с величиной кусков не более 400 мм, в диапазоне температур окружающей среды от минус 40 до плюс 40 град.С.

Экскаватор используется для разработки карьеров, рытья котлованов, траншей, каналов, а также для погрузки грунта и сыпучих материалов.

Специальные рабочие органы: гидромолот, клещевой захват и рыхлитель, позволяют производить вскрышные работы на мерзлых и скальных грунтах.

Конструкция экскаватора предусматривает возможность работать со следующими видами сменного рабочего оборудования: обратная лопата, обратная лопата с моноблочной стрелой, обратная лопата с удлиненной рукоятью, оборудование прямого копания, оборудование прямая лопата унифицированная с обратной лопатой, грейфер, грейфер многочелюстной, грейфер с удлинителем, грейфер для глубоких колодцев, рыхлитель, гидромолот, оборудование захватно-клещевого типа с трезубым рыхлителем.

Конструкция ходовой части предусматривает возможность установки уширенных башмаков, что обеспечивает снижение удельного давления на грунт и улучшает условия передвижения и работы экскаватора на слабых и переувлажненных грунтах.

Экскаватор состоит из трех основных частей: тележки, состоящей из гусеничного хода и ходовой рамы; опорно-поворотного устройства; поворотной платформы с механизмами и агрегатами гидросистемы и рабочего оборудования.

Опорной базой экскаватора является тележка. Привод тележки осуществляется механизмом передвижения. На тележку через поворотную роликовую опору опирается поворотная платформа, вращение которой осуществляется механизмом поворота. Базовые узлы экскаватора и рабочее оборудование изготовлены из низколегированных сталей.

Силовая установка состоит из дизельного двигателя и гидронасоса, установлена в задний части поворотной платформы.

Рабочее оборудование включает в себя: стрелу, рукоять и ковш. Гидроцилиндры приводят в действие рабочее оборудование. Гидромоторы осуществляют привод механизма поворота, поворотной платформы и механизма передвижения экскаватора. Управление рабочими органами и передвижением осуществляется с помощью рычагов и педалей механизма гидроуправления расположенного в кабине оператора.

Конструкция кабины машиниста также включает в себя системы отопления, вентиляции, кондиционирования, что обеспечивает нормальные условия работы оператора.

1.2 Принципиальная гидравлическая схема экскаватора Гидравлический привод экскаватора является сложной функциональной системой, в которой использованы различные по назначению гидравлические устройства, обеспечивающие требуемые условия работы экскаватора.

Принципиальная схема гидропривода экскаватора определяет полный состав элементов и связей между ними и дает детальное представление о принципах работы экскаватора.

Одной из основных задач современного отечественного экскаваторостроения является правильный выбор схемы гидропривода. К гидроприводу экскаватора предъявляется ряд требований: правильный выбор механических характеристик; обеспечение стабильной работы в переходных режимах; обеспечение необходимых скоростей рабочего движения; получение наилучших энергетических показателей; достижение наибольших значений КПД элементов привода; обеспечение удобства управления; обеспечение достаточной долговечности.

Признавая необходимость выполнения этих требований, нужно отметить, что применение любой схемы гидропривода может быть признано рациональным, если она:

обеспечивает выполнение экскаватором необходимых технологических операций при проведении земляных и скальных работ;

обеспечивает наиболее высокие технико-экономические показатели экскаваторов.

Гидропередачи отдельных механизмов должны обеспечивать следующие требования:

такую продолжительность рабочих операций, которая соответствовала бы минимальной продолжительности рабочего цикла экскаватора, отвечающего требованиям стандартов;

рабочие усилия и скорости экскаватора в соответствии с требованиями стандартов;

минимальные затраты энергии и максимальный КПД при выполнении рабочих операций;

ограничение максимальных скоростей и ускорений;

ограничение динамических нагрузок до минимально возможных;

независимость действия и возможность совмещения не менее трех рабочих операций;

надежность и долговечность;

безопасность работы;

нормальную работу машины при таких условиях: температуре окружающего воздуха от — 45 до 45 °C; тряске, вибрации, воздействии центробежных сил, крене и дифференте; запыленности окружающего воздуха;

10) долговечность всех агрегатов, уплотнений, шлангов и других элементов гидропривода; возможность регулирования, наладки и мелкого ремонта в условиях эксплуатации; возможность плавного бесступенчатого регулирования скоростей всех приводов;

11) плавное трогание и остановку машины.

Гидравлическая схема экскаватора насыщена гидроэлементами и функциональные связи между ними очень сложны. Поэтому при изучении назначения элементов гидропривода и их взаимодействия схему разобьем на составные части.

Как было сказано, гидропривод состоит из гидропередачи, системы гидроуправления и вспомогательных устройств. На эти составные части разобьем гидросхему и рассмотрим устройство всех элементов в их взаимодействии как в составных частях гидросхемы, так и в полной гидросхеме.

Рабочая жидкость из гидробака 1 насосом 59 или 57 (секциями, А и В) подается к гидрораспределителям 36 и 50 с гидроуправлением. При нейтральном положении золотников гидрораспределителей напорные линии гидронасоса соединены со сливом. Рабочие полости гидроцилиндров и гидромоторов поворота и хода заперты.

От секции, А насоса 59 или 57 рабочая жидкость поступает в распределитель 36, а от секции В — в распределитель 50.

Секция 24 через центральный коллектор 19 управляет левым гидромотором 28 механизма передвижения, а секция 48 правым гидромотором.

Секция 30 управляет подачей второго потока, в распределитель 50 для получения ускоренного движения подъема стрелы, рукояти и ковша. Секция 33 управляет гидромотором механизма поворота экскаватора влево и вправо.

Секция 34 управляет движением гидроцилиндра ковша 43 при включении педалей блока 52. Сливная крышка 35 служит для объединения сливных и переливного каналов гидрораспределителя в один канал, который соединен отводом со сливной магистралью.

Золотник 44 управляется педалью блока 52 и служит для опускания стрелы под действием собственного веса при нейтральном положении секции 45, и обеспечивает «плавающее» положение рабочего оборудования, необходимое при производстве планировочных и зачистных работ.

Золотник опускания стрелы 44, крепится к рабочей секции 45. Опускание стрелы может производится также принудительно на режиме насоса путем включения золотника 45 на опускание стрелы. Для обеспечения плавного опускания стрелы на режиме насоса в поршневом трубопроводе гидроцилиндров стрелы установлен дроссель 38.

Промежуточная секция 46 необходима для совмещения двух рабочих операций, выполняемых от одного гидрораспределителя 50 подъема или опускания стрелы с поворотом рукояти или ковша по последовательной схеме. При совмещении указанных операций рабочая жидкость, сливающая из штоковых или поршневых полостей гидроцилиндров стрелы, поступает через обратный клапан промежуточной секции 47 или 49 в гидроцилиндры рукояти или ковша. Секция 47 управляет движением гидроцилиндра рукояти в трубопроводе штоковой полости которого, установлен дроссель 42, который служит для предотвращения резкого опускания рукояти под собственным весом.

Секция 49 управляет движением гидроцилиндра ковша 43.

Напорная секция 23 распределителей имеет предохранительный клапан, отрегулированный на давление 28 МПа, который предотвращает перегрузку насоса 59 (секции, А и В) при включении золотника стрелы, рукояти или ковша не позволяет течь рабочей жидкости в обратном направлении.

Перепускные клапаны блока перепускных клапанов 25 и 31, установленные на рабочих секциях 24, 33 и 48, разгружают гидромоторы от пиковых давлений при торможении или разгоне.

Предохранительные клапаны блока перепускных клапанов 25, установленные на рабочих секциях хода, отрегулированы на давление 25 МПа, а клапаны секции 33 механизма поворота — на давление 160 МПа и запломбированы.

Предохранительные клапаны 37 разгружают полости гидроцилиндров, трубопроводы и гидрораспределители от чрезмерных реактивных давлений в запертых полостях гидроцилиндров, возникающих при копании ковшом. Клапаны отрегулированы на давление 40 МПа.

Предохранительный клапан 20 защищает от перетяжки гусеничные ленты ходового механизма во время движения и настроен на давление 28 МПа.

Предохранительные клапаны 9 защищают от перегрузки насосы 4 и 7, и настроены на 35 МПа.

Обратные клапаны 39 предназначены для подачи потока рабочей жидкости в одном направлении от сливной линии к поршневой полости гидроцилиндров стрелы 40 или штоковой полости гидроцилиндра рукояти 41 в том случае когда в этих полостях гидроцилиндров создается разрежение в случае срабатывания предохранительных клапанов 37. Они установлены в трубопроводах.

В сливной линии установлены линейные фильтры 14, и калорифер с вентилятором. Привод вентилятора осуществляется от гидромотора 8, питаемого шестеренным гидронасосом 7, установленном на ДВС 58.

Предохранительный клапан 12 установленный в гидросистеме параллельно калориферу 10, предотвращает повышение давления перед калорифером при низкой температуре рабочей жидкости.

Для механизированной заправки жидкостью основного бака 1 и гидросистемы имеется распределитель 66, при переключении которого соединяется заправочная емкость 2 с гидронасосом 7, который подает ее через фильтры 63 в бак 1.

Для управления золотниками рабочих секций 24, 30, 33, 34, 45, 47, 48 и 49 в кабине машиниста на пульте установлены блоки гидроуправления 55, 53 и 52, которые при включении дают гидравлический сигнал на включение золотника гидрораспределителя. В кабине машиниста установлено 5 блоков управления из них три рычажных и два педальных.

Для питания блоков управления, нульустановителя гидронасоса 59 и тормозов механизма поворота и хода служит вспомогательная гидросистема, состоящая из шестеренного насоса установленного на ДВС, гидроклапана 9, манометра 13 и пневмогидроаккомулятора 6.

Давление в гидросистеме контролируется по показаниям манометров 13, 17 и 18, включаемых кранами 15 и 16. Для защиты манометров 13 и 18 от повреждения в их линии установлен демпфер 11 который успокаивает колебания рабочей жидкости. Для сообщения гидробака 1 с атмосферой установлен клапан-сапун 62, который поддерживает в баке избыточное давление для ускоренной подачи рабочей жидкости в насос 59 или 57. На сливном трубопроводе бака 1 крепится датчик температуры, который дает электрический сигнал на указатель температуры рабочей жидкости, установленный в кабине машиниста.

Для предотвращения утечек рабочей жидкости из гидросистемы, в случае обрыва трубопровода предусмотрена установка реле уровня масла 60 которое сигнализирует о понижении уровня масла в баке 1 ниже критического, путем подачи электрического сигнала на электроуправляемый золотник 61 для снятия давления управления. При этом рабочее движение экскаватора прекращается, а насос 59 с нульустановителем понижает подачу рабочей жидкости в напорную линию до минимального количества.

При заполнении масляного бака 1 до необходимого уровня сигнализатор уровня масла включает электроуправляемый золотник и подает давление в систему управления экскаватором. В гидросистеме установлен пневмогидроаккомулятор 6 с обратным клапаном 5, который обеспечивает накопление энергии рабочей жидкости и позволяет поддерживать необходимое рабочее давление в системе управления в моменты включения двух золотников блоков управления и подачу сигнала на регулятор насоса 59. Обратный клапан 5 запирает поток жидкости в обратном направлении.

При остановке двигателя за счет накопленной энергии жидкости в пневмогидроаккомуляторе можно произвести включение золотника опускания рабочего оборудования. Для гидропривода механизмов экскаватора, может использоваться, как основной вариант, гидронасос 59 с нульустановителем и нерегулируемый гидромотор хода 28, и запасной вариант, гидронасос 57 без нульустановителя и регулируемый гидромотор хода 29.

Работа гидросистемы натяжения гусениц.

Гидравлическая система обеспечивает натяжение и сдавание гусениц при попадании твердых предметов между гусеничной лентой и ведущим или натяжным колесом. Натяжение гусеничных лент осуществляется автоматически, путем отвода части рабочей жидкости, подаваемой на механизм передвижения. При включении привода хода рабочая жидкость от гидрораспределителей через коллектор 9 по трубопроводам 8 подается на гидромоторы 6 хода, приводя их во вращение. При включении любого гидромотора, независимо от направления, рабочая жидкость через систему клапанов «ИЛИ» 7 и 11 и через обратный клапан 12 попадает на блок клапанов 3, а от него по трубопроводам 2- к гидроцилиндрам 1 натяжения гусениц, автоматически приводя их в натяжку. Обратный клапан 12 блокирует слив рабочей жидкости из гидроцилиндров натяжения при отключении привода хода, то есть удерживает гусеницы в натянутом состоянии, когда механизм передвижения не работает. В случае чрезмерного повышения давления в гидроцилиндрах натяжения гусениц, например при попадании твердых предметов между гусеничной лентой и натяжным или ведущим колесом (стопорная нагрузка), давление превысит величину настройки предохранительного клапана 4, и в блоке клапанов 3, клапан 4 откроется и рабочая жидкость из гидроцилиндров 1 натяжения через бачок 5 (гаситель давления) по дренажному трубопроводу 10 гидромоторов хода через коллектор 9 сбросится в бак рабочей жидкости 14. Дроссель 13, установленный в клапане 12, снимает динамические перегрузки на гидроцилиндры натяжения при включении привода хода.

1.3 Влияние температуры рабочей жидкости на работоспособность и эффективность гидрофицированной машины Виды внешних воздействий на работу гидропривода. Эффективность работы гидравлического привода определяется объемным КПД и подачей насосов, потерями энергии на трение в гидрооборудовании и потерями давления в гидросистеме, интенсивностью изнашивания деталей и связанную с ней долговечностью гидрооборудования, сроком службы рабочей жидкости. Эти параметры в конечном итоге определяют время цикла, производительность и эффективность использования гидрофицированной машины. Установление качественной и количественной зависимостей параметров гидропривода от температуры и определение на их основе оптимального теплового режима, представление на их основе оптимального теплового режима является сложной технической задачей.

Климатические условия эксплуатации влияют на работоспособность и эффективность гидропривода в основном через состояние рабочей жидкости, определяемое ее вязкостью, содержание механических примесей, газов и влаги, а также модулем упругости. Кроме того, климатические условия влияют на изменение зазоров в сопряжениях гидрооборудовании, условиях взаимодействия поверхностей трения, физико-механические свойства деталей, нагрузки на гидродвигателях. Все перечисленные факторы, действуя одновременно, усиливают влияние друг на друга и, в конечном итоге определяют качественную и количественную зависимости параметров и характеристик гидропривода от климатических условии эксплуатации.

Как известно, рабочие жидкости передают энергию от насоса по трубопроводам к гидравлическим двигателям, обеспечивая смазку поверхностей трения, защиту деталей от коррозии, отвод тепла и удаление продуктов износа из зон трения. Таким образом, за счет рабочей жидкости осуществляется функционирование гидрооборудования, поэтому состояние жидкости во многом определяет эффективность гидравлического привода.

В качестве рабочих жидкостей в гидроприводах самоходных машин применяют минеральные масла с различными улучшающими их эксплуатационные свойства присадки. Наибольшее распространение получили: в гидроприводах с аксиально-поршневыми насосами МГ-15 В (ВМГЗ зимнее), МГЕ-46 В (МГ-30 летнее), МГ-20 (для стационарных установок в закрытых помещениях); в гидроприводах с шестеренными насосами М-8В2 (зимнее) и М-10В2 (летнее). Как уже отмечалось, рабочие жидкости в современных гидроприводах эксплуатируются в широком диапазоне температур — от минус 50 до плюс 100 °C при давлении в напорной гидролинии до 32 МПа и разрежении во всасывающей гидролинии до 0,03 МПа. Жидкость контактирует с полимерами, цветными и черными металлами, на которых в связи с износом отсутствуют защитные — описные пленки, на жидкость воздействуют длительные вибрации, в гидросистему попадают из окружающей среды влага и абразивные частицы. Все это создает весьма неблагоприятные условия эксплуатации и сокращает срок службы рабочей жидкости.

Прежде всего, срок службы жидкости зависит от интенсивности и химического разложения, которое происходит в результате окисления масла кислородом воздуха. Каталитическое воздействие при этом оказывает температура, нерастворенный воздух и абразивные частицы. Повышение температуры после плюс 40 °C на каждые 8−10 °С ускоряет интенсивность окисления масла в два раза.

Процесс окисления и окислительной полимеризации под воздействием высокой температуры (выше плюс 60 °С) является основным фактором старения масла, при котором выделяются и выпадают в осадок органические кислоты и асфальто-смолистые вещества.

Процесс окисления особенно активен при наличии в жидкости гидросистемы растворенного и эмульгированного воздуха. Так, при адиабатическом сжатии воздушно-масляной эмульсии, например, до 7 МПа температура воздуха в микроскопическом пузырьке повышается до 700 °C (с начальной температуры 0 °С). Такая высокая температура учитывает множество микроскопических пузырьков, резко интенсифицирует в локальных зонах процессы карбонизации масла.

За один цикл от всасывания до слива в гидробак рабочая жидкость претерпевает различные по характеру нагрузки. Во всасывающей гидролинии на жидкость воздействует разрежение, которое способствует интенсивному выделению кавитации. В насосах, особенно шестеренных, на жидкость воздействует чрезвычайно высокое контактное давление. В течение небольшого времени (10−5 с) контактное давление может достигать2· 103МПа.

При прохождении жидкости под давлением с высокой скоростью через каналы и зазоры направляющей и регулирующей гидроаппаратуры и другие местные сопротивления происходит многократная деформация (смятие) жидкости. Этот процесс усиливает вибрации трубопроводов и гидропривода в целом, происходящая под действием реверсирования и пульсации потока жидкости. Деформация жидкости в конечном итоге вызывает механическую деструкцию масла, которая сопровождается уменьшением вязкости, ухудшением смазывающих свойств и потемнением масла. По требованиям ряда зарубежных фирм, изготавливающих самоходные машины, рабочая жидкость полежит замене при изменении вязкости на ±10% по отношению к первоначальной. Наличие механических примесей (загрязнений) в гидросистеме способствует увеличению окисления масла, особенно в момент образования частиц износа, когда повышены их поверхностно-активные свойства. В качестве основных источников и причин загрязнений рабочей жидкости необходимо выделить следующее: загрязнение гидросистемы в период изготовления гидрооборудования и сборки гидроприводов; загрязнение гидросистемы в процессе заправок и дозаправок рабочей жидкостью в условиях эксплуатации; загрязнение гидросистемы в процессе эксплуатации машины.

При строгом соблюдении правил эксплуатации гидрофицированных машин основное количество механических примесей в рабочей жидкости появляется в результате износа и коррозии деталей гидрооборудования. Как при абразивном, так и при усталостном изнашивании взаимодействующих поверхностей насосов, гидродвигателей, распределителей и регулирующих гидроаппаратов происходит отделение микрообъемов металла, которые в последствии сортируются жидкостью по гидросистеме.

Содержание загрязнений растет на каждом этапе транспортировки рабочей жидкости от нефтеперерабатывающего завода и заправочной станции. Оно также увеличивается после заправки жидкости в гидросистему по мере наработки машины, а затем уровень загрязнений стабилизируется.

За счет насыщения рабочей жидкости воздухом происходит уменьшение ее объемной упругости, возникает интенсивное пенообразование, а в конечном итоге появляется кавитация в гидронасосах. Процесс интенсивного пенообразования начинается при вязкости жидкости 300· 10−6 м2/с, что для масла МГ-15 В (ВМГЗ) соответствует минус 23 °C.

Влага в рабочей жидкости приводит к образованию стойкой воздушной масляной эмульсии, в результате чего ухудшаются смазывающие свойства масел, происходит их интенсивное окисление, повышается трение, более интенсивно протекает коррозия и кавитационные явления.

Под действием влаги происходит помутнение рабочей жидкости, по нормам зарубежных фирм допустимое содержание влаги в гидросистемах строительных машин составляет примерно 0,1% по весу.

Таким образом, в рабочих жидкостях гидросистем самоходных машин всегда присутствуют механические примеси, влага, адсорбированные и нерастворенный воздух, и под влиянием их, а также под влиянием температуры, давления, вибрации, химически агрессивных поверхностей деталей гидрооборудования минеральные масла претерпевают значительные изменения, что отрицательно сказывается на их физико-механических свойствах, а в конечном итоге работоспособности и эффективности гидравлического привода.

1.3.1 Влияние температуры на трение в гидрооборудовании Трение в гидрооборудовании оказывает существенное влияние на работоспособность гидравлического привода. Например, повышение силы трения в гидродвигателях (гидроцилиндрах и гидромоторах) снижает полезные усилия на штоке и валу, тем самым уменьшает грузоподъемность или усилие резания грунта. Повышение силы трения в насосах увеличивает потребную мощность ДВС, что приводит к перерасходу топлива и снижению ресурса двигателя. Повышение силы трения в плунжерах распределителей увеличивает усилия на рукоятках и педалях управления, что повышает утомляемость оператора и ухудшает эргономические показатели машины. Повышение силы трения в направляющей и регулирующей гидроаппаратуре снижает ее быстродействие. В конечном итоге повышение сил трения снижает производительность машины, увеличивается износ сопряженных деталей и сокращает ресурс гидрооборудования.

Рассмотрим причины увеличения силы трения уплотнений при положительных и отрицательных температурах. Увеличение силы трения при температуре ниже 0 °C связано прежде всего с повышением сил внутреннего трения, которые характеризуются предельным напряжением сдвига одного слоя жидкости относительно другого.

Увеличение силы трения при температурах выше плюс 20 °C обусловлено одновременным ростом гистерезисной и адгезионной составляющих силы трения. С повышением температуры повышается эластичность резины, вследствие чего растет фактическая площадь контакта и увеличивается адгезионная составляющая силы трения. Улучшение эластичности резинового уплотнения приводит к увеличению глубины деформируемого поверхностного слоя, так как уменьшается сопротивление внедрению шероховатостей твердой поверхности цилиндра.

Увеличение глубины деформируемого слоя повышает гистерезисные потери в уплотнительном элементе. Суммарное увеличение двух составляющих объясняет повышение силы трения при положительных температурах. Кроме того, на повышение силы трения значительное влияние оказывает вязкость масла. С уменьшением вязкости защитные свойства масла ослабевают, и в зоне контакта уплотнения происходит разрыв масляной пленки, образуются зоны сухого трения, на которых увеличивается молекулярные взаимодействие контактирующих поверхностей, т. е. повышается адгезионная составляющая трения.

1.3.2 Влияние температуры на потери давления в гидрооборудовании и трубопроводах При низких температурах резко снижаются полезные усилия на рабочих органах гидрофицированных машин, что оказывается на их грузоподъемности и производительности. Главной причиной этого являются потери давления в гидрооборудовании, трубопроводах и всасывающей гидролинии насосов. Эти потери вызываются трением жидкости о стенки трубопроводов и каналов гидооборудования; деформацией потока жидкости, вызываемой завихрениями в местных сопротивлениях, изменением скорости и направления потока; инерцией вязкой жидкости. На преодоление этих сил затрачивается энергия, которая определяет потери давления в гидросистеме. Эти потери увеличиваются при увеличении вязкости жидкости и могут привести не только и снижению полезных усилий на выходные звенья когда давления жидкости в гидродвигателях недостаточно даже для холостого перемещения рабочего оборудования. Такая ситуация нередко наблюдается при температурах ниже минус 25 °C в гидроприводах с шестеренными насосами, в которых используется моторное масло М-8В2. Следует отметить, что механизм потерь давления во всасывающей и напорной гидролиниях имеет некоторое различие. Если во всасывающем трубопроводе потери давления связаны с трением и инерцией вязкой жидкости, то в напорном и сливном трубопроводах — с трением и деформацией потока жидкости.

Это различие объясняется характером движения жидкости: во всасывающем трубопроводе направление потока постоянно, ответвлений нет, изгиб меньше, ограничена и скорость потока; в напорном трубопроводе поток разветвляется на несколько частей, на его пути встречается большое количество изгибов и местных сопротивлений, при переключении направляющей и регулирующей гидроаппаратуры происходит изменение направления и реверсирование потока, за счет повышенных скоростей (5 м/с и более) наблюдаются завихрения.

Хотя по величине потери давления в напорных гидролиниях значительно выше, чем во всасывающих, последние оказывают более существенное влияние на работоспособность гидравлического привода.

Конструкция всасывающего трубопровода и месторасположения гидробака на машине оказывают влияние на кавитацию. Чем меньше диаметр, больше шероховатость внутренней поверхности и количества изгибов трубопровода, чем ниже расположен гидробак по отношению к насосу, тем раньше, начинается кавитация. Исключить или значительно уменьшить гидравлические потери во всасывающем трубопроводе можно на стадии проектирования гидропривода, применяя следующие конструктивные мероприятия:

— увеличение диаметра и уменьшение длины трубопровода;

— уменьшение количества и величины местных сопротивлений;

— уменьшение шероховатости внутренней поверхности трубопровода;

— применение всасывающих патрубков коноидальной формы;

— расположение гидробака выше всасывающей линии насоса;

— применение гидробаков с внутренним давлением выше атмосферного;

— установка дополнительного насоса подпитки;

— оптимизация температуры (вязкости) рабочей жидкости.

1.3.3 Влияние климатических условий на эксплуатационную производительность гидрофицированных машин Применение гидрофицированных самоходных машин в северных районах сдерживается исключительно низкой эффективностью гидравлического привода в зимний период. Например, бульдозер не мог осуществлять планировку снега при температуре воздуха минус 24 °C, даже через час с момента пуска машины. Причинами этого явились неуправляемое движение отвала при действии внешней нагрузки и недостаточное усилие резания. Аналогичная картина наблюдается и при работе других машин. На практике в Восточной Сибири, Якутии на дальнем Востоке часто для поддержания работоспособности гидропривода на определенном уровне в суровых климатических условиях двигатели машин не глушат с ноября по март месяц. Это ведет к перерасходу топлива, преждевременному износу двигателя и гидронасоса, загрязнению окружающей среды. Из всех факторов, определяющих климатические условия, наибольшее влияние на технико-экономические показатели оказывает температура. Остальные факторы влияют опосредованно через температуру. Например, при увеличении скорости ветра, существенно изменяются условия теплообмена гидропривода с окружающей средой и уменьшается температура рабочей жидкости. При увеличении прочности разрабатываемого грунта, ухудшении состояния дорог или повышении глубины снежного покрова ухудшается режим работы гидропривода, т. к. возрастают нагрузки на гидродвигатель, что в свою очередь, приводит к повышению давления в гидросистеме и увеличению температуры рабочей жидкости.

Таким образом, температура окружающей среды и рабочей жидкости является главным фактором, определяющим технико-экономические показатели гидрофицированных машин.

Нами выделено три основных направления, по которым температура воздействует на гидравлический привод. Под влиянием температуры (в диапазоне от минус 50 °C до плюс 80 °С) значительно изменяется состояние рабочей жидкости: в сотни и тысячи раз повышается вязкость, увеличивается плотность, повышаются загрязненность и содержание влаги. За счет насыщения жидкости газо-воздушной фазой, уменьшаются модуль объемной упругости и скорость распространения импульса, увеличиваются динамическая податливость и коэффициент объемного расширения. При изменении температуры происходит изменение величины зазоров в подвижных соединениях и натягов в неподвижных. За счет деформации и изменения размеров деталей происходит повышение сил трения или защемления подвижных элементов в направляющей и регулирующей гидроаппаратуре, подсос воздуха во всасывающей гидролинии и насыщение рабочей жидкости воздухом. Все это вызывает ухудшение динамики гидропривода и металлоконструкции, заклинивание гидроаппаратуры, разрушение гидрооборудования.

Изменение температуры оказывает отрицательное влияние на физико-механическое свойство материалов гидрооборудования, особенно полимеров. Изменяется характер контакта поверхностей трения, повышается сила трения и износ деталей гидрооборудования.

1.4 Методы повышения эффективности работы гидропривода Проблема повышения эффективности гидравлического привода решается на стадии его проектирования, изготовления и эксплуатации.

1.4.1 Применение материалов повышенной прочности для изготовления ответственных деталей гидрооборудования В качестве примера этого направления повышения работоспособности можно отметить применение более стойких металлов в насосах, регулирующей и направляющей гидроаппаратуре для изготовления деталей, подверженных кавитационной эрозии. Применение хладностойких сталей для изготовления штоков и проушин гидроцилиндров, валов насосов и гидромоторов, применение прочных и морозостойких полиуретановых и резинотканевых уплотнений гидрооборудования, которые имеют высокую прочность, сохраняют достаточную эластичность в широком диапазоне температуры и не подвержены интенсивному старению и вулканизации.

1.4.2 Применение новых, более совершенных конструкций гидрооборудования Даже небольшие изменения конструкции существующего гидрооборудования позволяют повысить их работоспособность при экстремальных температурах. Например, применение эластичных прокладок и изменение посадок в соединении штуцер-корпус распределителя позволяет уменьшить низкотемпературное разрушение последнего. Уменьшение концентраторов напряжений на валу насосов и гидромоторов также позволяет сократить их поломки в период пуска при прецизионных соединениях направляющей и регулирующей аппаратуры. Применение соответствующих посадок в гидроаппаратуре исключает случаи низкотемпературного защемления подвижных элементов в зазорах и тем самым предотвращает возможные аварийные ситуации.

1.4.3 Разработка современных гидравлических систем Применение рациональной разводки гидравлической системы, уменьшение протяженности и изгибов всасывающей, напорной и сливной гидролиний за счет рационального расположения гидрооборудования на машине, использования электрогидравлического способа управления и объединения функций двух-трех гидроаппаратов в одном позволяет уменьшить потери энергии в гидролиниях и увеличить полезные усилия на гидродвигателях при низких температурах окружающей среды и рабочей жидкости. К этому методу следует отнести, например, использование гидрозамков или дросселей с обратными клапанами, предназначенных для исключения быстрого самопроизвольного опускания рабочего оборудования, применения вторичных предохранительных клапанов, а также клапанов с различными логическими функциями. Кроме того, существенно повысить работоспособность гидрофицированных машин можно применением регулируемых аксиально-поршневых насосов с так называемым ноль-установителем, который при пуске насоса автоматически уменьшает угол наклона блока цилиндров и тем самым обеспечивает минимальную подачу жидкости.

Это позволяет уменьшить типовые давления в период пуска и, как следствие, крутящий момент на валу, что в конечном итоге исключает задиры и заклинивание в поршневой группе насоса. Таким образом, прогрев двигателя внутреннего сгорания и разогрев рабочей жидкости в гидросистеме могут быть осуществлены при минимальной подаче насоса и минимальных нагрузках.

1.4.4 Применение маловязких рабочих жидкостей Всесоюзным научно-исследовательским институтом нефтяной промышленности (ВНИИНП) совместно с Всесоюзным научно исследовательским и проектно-конструкторским институтом промышленных гидроприводов и гидроавтоматики ВНИИ гидропривод и Всесоюзный научно-исследовательский и институтом строительного и дорожного машиностроения (ВНИИстройдормаш) разработаны гидравлические масла ВМГЗ и МГ. Эти масла созданы с целью уменьшения номенклатуры рабочих жидкостей, обеспечения работоспособности гидроприводов самоходных машин, эксплуатируемых на открытом воздухе в различных климатических условиях. Применение этих масел, особенно в гидросистемах с аксиально-поршневыми насосами, позволило расширить географическую зону эксплуатации и отказаться от двенадцати сортов масел, использовавшихся ранее. Длительный период эксплуатации гидрофицированных машин показал, что масла ВМГЗ и МГ обладают хорошими эксплуатационными свойствами: обеспечивают защиту металлических поверхностей трения от задиров и износа, удовлетворительно предотвращают коррозию, слабо образуют смолистые осадки, имеют хорошие антипенные свойства.

Однако необходимо отметить, что маловязкие минеральные масла при температурах выше плюс 35 °C не обеспечивают достаточную защиту поверхностей трения, что приводит к повышенным внутренним и наружным утечкам рабочей жидкости, что, в свою очередь, снижает объемный КПД гидронасосов и гидромоторов и производительность гидрофицированных машин.

1.4.5 Повышение уровня технического обслуживания Анализ длительного опыта эксплуатации гидрофицированных самоходных машин показывает, что уровень технического обслуживания является важным фактором повышения эффективности. Причем для машин, эксплуатируемых в суровых климатических условиях, тщательность и своевременность технического обслуживания особенно необходима.

1.4.6 Оптимизация теплового режима гидропривода Это направление следует считать наиболее радикальным, т. к. оно позволяет решить проблемы работоспособности гидропривода в комплексе. Оптимальный тепловой режим дает возможность уменьшить потери давления жидкости в гидросистеме и потери на трение в гидрооборудовании увеличить долговечность гидрооборудования, повысить объемный КПД и производительность машин; исключить кавитацию и ее отрицательные последствия. Кроме того, регулирование температуры способствует сохранению химической стабильности рабочей жидкости, уменьшает наружные утечки, а главное, позволяет использовать в гидроприводе одно масло в течение всего года. Все это достигается с помощью искусственного поддержания температуры (вязкости) минерального масла в оптимальном диапазоне, граничные температуры которого зависят от конструкции гидропривода и марки используемой рабочей жидкости. Для регулирования температуры рабочей жидкости в гидросистему вводится дополнительное устройство, которое при низких температурах за счет специальных подогревателей или тепла, выделяемого двигателем внутреннего сгорания, способствует интенсивному разогреву масла, а при высоких температурах увеличивает теплообмен гидропривода с окружающей средой за счет ввода дополнительных поверхностей теплоотдачи, обдува гидросистемы, применения масляных радиаторов.

Следует помнить, что все шесть рассмотренных методов повышения работоспособности гидропривода ни в коем случае не исключают и не заменяют полностью друг друга, а органично сочетаются между собой. Поэтому при проектировании гидроприводов машин, предназначенных для эксплуатации в районах с суровым и резко континентальным климатом, необходимо учитывать возможность сочетания всех методов.

В заключение необходимо отметить, что в настоящее время предпусковой разогрев рабочей жидкости находит широкое применение на отечественных и зарубежных машинах.

2. Патентный поиск

2.1 Описание принципиальных схем авторских свидетельств и патентов

2.1.1 Конструкция гидропневмоаккумулятора (Ас 1 325 202 А1 СССР, F 15 В 1/04, 1980) представлена на рисунке 2.1.1.

Рисунок 2.1.1 — Конструкция гидропневмоаккумулятора с поплавковым разделителем сред Гидропневмоаккумулятор (см. рисунок 2.1.1) содержит поплавковый разделитель 1, установленный в корпус 2 с образовании газовой 3 и жидкостной 4 полостей, и отсечной клапан 5, затвор 6 которого размещён на разделителе, а седло 7 на штуцере 8 подвода жидкости.

Особенность представленной конструкции гидропневмоаккумулятора заключается в повышении его надёжности. Надёжность повышена путём адаптации к работе в условиях смещения корпуса от его вертикальной оси. Выбираем данную модель ввиду новизны и большей чем в остальных конструкциях надежности.

2.1.2 Конструкция гидропневмоаккумулятора (Ас 1 809 177 А1 СССР, F 15 В 1/04, 1977) представлена на рисунке 2.1.2.

Рисунок 2.1.2 — Гидропневмоаккумулятор Данная конструкция гидропневматического аккумулятора содержит: 3-верхняя полусфера, 7-нижняя полусфера; 4,5-фигурные кольца, 8-резиновая мембрана, 6 — резиновое уплотнительное кольцо, 1-штуцер подвода давления газа; 2-резиновое кольцо трубчатой формы, 9-штуцер подвода и отвода жидкости.

Особенность изобретения заключается в том, что обе половины корпуса гидропневмоаккумулятора выполнены из одинаковых штампованных заготовок в виде полусфер 3 и 7 механически обработанных на краях, а затем сваренных в конце сборки. Полусферы сжимают сферический поясок из двух одинаковых фигурных колец 4 и 5, между которыми по периферийной кольцевой канавке зажата мембрана 8, образующая газовую и гидравлическую полости.

Со стороны корпуса в пояске имеется разгрузочная проточка, сообщающая через канал, выполненный в конце пояска, с газовой полостью гидропневмоаккумулятора, а со стороны гидравлической полости в сферическом пояске в кольцевой проточке установлено уплотнительное кольцо. Штуцер для подвода газа снабжён кольцевой канавкой, глухим осевым отверстием с выходящими из него сквозными боковыми отверстиями и резиновым кольцом трубчатой формы, закреплённым одним концом в кольцевой канавке штуцера и герметизирующим его боковые отверстия.

К числу достоинств данной конструкции можно отнести повышенную надёжность, которая достигнута выполнением пояска в виде двух фигурных колец 4 и 5 (см. рисунок 2.1.2), на одной стороне которых выполнены уступы, а на другой стороне в торцах выполнены кольцевые канавки. Также к достоинствам можно отнести простоту изготовления и сборки конструкции и повышение герметичности подвода газа в газовую полость гидропневмоаккумулятора.

Данная конструкция вновь разработанной уступает в следующем: повышенные габаритные показатели, что повлияло бы на возможность установки в гидроприводе станка.

2.1.3 Конструкция гидропневмоаккумулятора (Ас 361 583 Япония, F 156 1/02, 1968) представлена на рисунке 2.1.3

Гидропневмоаккумулятор (см. рисунок 2.1.3) содержит корпус 1 и закреплённый в нём эластичный разделитель 2, изготовленный из резины. Отверстие 3 в корпусе сообщает жидкостную полость гидропневмоаккумулятора с магистралью гидросистемы. В отверстии 3 закреплено седло 4 запорного клапана. На нижнем конце разделителя расположен жёсткий затвор 9 клапана, взаимодействующий с седлом 4. Заодно с затвором выполнен закрытый цилиндр 10 жидкостного амортизатора, в котором размещён поршень 8. Между внутренней поверхностью цилиндра и поршня имеется кольцевой зазор 11. Шток 7 проходит через центральное отверстие в торцовой стенки цилиндра 10с зазором 12. Поршень разделяет полость цилиндра на штоковую 10 и бесштоковую 14 полости, заполняемые рабочей жидкостью из полости гидропневмоаккумулятора.

Рисунок 2.1.3 — Конструкция гидропневмоаккумулятора Достоинства этого гидропневмоаккумулятора заключается в особенностях его конструкции. Наличие жидкостного двухполостного амортизатора обеспечивает более полное опорожнение жидкостной полости при вытеснении жидкости, смягчения удара при посадке затвора на седло клапана, а также предотвращение неправильной деформации разделителя.

Данная конструкция вновь разработанной уступает в следующем: сложность изготовления, повышенные требования при сборке, а также увеличенное время на опорожнение жидкостной полости.

2.1.4 Конструкция гидропневмоаккумулятора (Ас 386 156 СССР, F 15 В 1/04, 1971) представлена на рисунке 2.1.4

Рисунок 2.1.4 — Конструкция гидропневмоаккумулятора Данная конструкция гидропневмоаккумулятора содержит: корпус 1, эластичную диафрагму 2, выпускной клапан 3, запорный конус 4, седло 5, пружину 6, штуцер 7, разгрузочные канавки 8 и 9, стопорное кольцо 10, направляющий стержень.

Подобный гидропневмоаккумулятор отличается выбранного тем, что на одной из взаимодействующих поверхностей впускного клапана или эластичной диафрагмы выполнены разгрузочные канавки. Такое выполнение гидропневмоаккумулятора позволяет предотвратить присасывания диафрагмы и клапана при отсутствии противодавления жидкости и тем самым повысить его долговечность.

Данная конструкция уступает выбранной нами в следующем: сложность при сборке и изготовлении, большие массогабаритные показатели, что ограничивает диапазон его применения. Большая вероятность неполного опорожнения. Большое время срабатывания и разрядки.

2.1.5 Конструкция гидропневмоаккумулятора (Ас 108 605 СССР, F 15 В 1/04, 1956) представлена на рисунке 2.1.5

Рисунок 2.1.5 — Конструкция шарового гидропневмоаккумулятора Шаровой гидропневмоаккумулятор (см. рисунок 2.1.5) состоит из корпуса 1, резиновой диафрагмы 2, разделяющей воздушную 3 и гидравлическую камеры 4 и сферического козырька 5.

Шаровой гидропневмоаккумулятор отличается тем, что с целью устранения неполной разрядки, над сливным отверстием гидравлической камеры установлен сферический козырёк с мелкими отверстиями.

Данная конструкция вновь разработанной уступает в следующем: большие габариты и замедленную реакцию диафрагмы на ударное повышение давления.

2.2 Описание принципиальных схем авторских свидетельств и патентов на уплотнения гидроцилиндров В мировой практике накоплен большой опыт применения силовых гидроцилиндров в качестве исполнительных элементов гидроприводов. Наряду с определенными преимуществами по сравнению с механическим, электрическим и пневматическим приводами, гидропривод имеет и некоторые недостатки, к которым в первую очередь следует отнести сложность обеспечения герметичности подвижных соединений, особенно соединений поршня и штока (с возвратно — поступательным движением). Несмотря на то, что узлы уплотнений подвижных соединений занимают сравнительно небольшую часть гидроцилиндра, именно от них зависит безотказная работа последнего, а также дальнейшее развитие гидропривода в направлении увеличения скоростей, температур и давлений, повышения надежности и экологической безопасности. В связи с этим ведущие области в области уплотнительной техники отечественные и зарубежные фирмы проводят широкие теоретические и экспериментальные исследования, на основании которых разрабатывают и выпускают уплотнения отличающиеся улучшенными характеристиками.

2.2.1 Уплотнение (Пат. 5 197 746 США. МКИ F16j 15/46) поршня гидроцилиндра, разработанное фирмой Leber Corp. (США) рис. 2.2.1

Рисунок 2.2.1 (Пат. 5 197 746 США. МКИ F16j 15/46) поршня гидроцилиндра, разработанное фирмой Leber Corp (США) отличается большим ресурсом Оно состоит из разрезного металлического пружинного кольца 2 и упругого резинового кольца 3 круглого поперечного сечения. В кольцевой канавке трапецевидного поперечного сечения с одной наклонной боковой стенкой поршня 1 размещается кольцо 3. которое деформируется при установке и обеспечивает начальное поджатие кольца 2 к внутренней поверхности корпуса гидроцилиндра. Под действием давления рабочей жидкости в полости корпуса гидроцилиндра резиновое кольцо 3 вдавливается в зазор между дном кольцевой канавки поршня 1 и скошеннойвнутренней поверхностью кольца 2, обеспечивая повышение контактного давления в подвижном соединении и увеличение герметизирующей способности уплотнения.

2.2.2 Уплотнение (А.С. 1 829 865 СССР, МКИ F16j 15/00) штока гидроцилиндра, рис. 2.2.2

Рисунок 2.2.2 Уплотнение (А.С. 1 829 865 СССР, МКИ F16j 15/00) штока гидроцилиндра Надежно работает при давлении до 250 МПа. Оно состоит из двух колец: 1 (из шести частей) и 6 (из трех частей), которые стягиваются браслетными пружинами 3 и 4; при этом обеспечивается как плотное прилегание частей колец друг другу, так и колец в целом к штоку 7 гидроцилиндра. Кольца 1 и 6 установлены в полости, образованной расточкой в корпусе 5 и крышкой 2 на рабочих поверхностях колец выполнены кольцевые пазы, а и б трапецеидального поперечного сечения, заполненные антифрикционным материалом спеченным с основным материалом колец. Кольца 1 и 6 изготовляют из антифрикционного материала (например, из бериллиевой бронзы), твердость и прочность которого значительно превышает твердость и прочность антифрикционного материала (например, оловянистой бронзы), заполняющего кольцевые пазы, а и б.

Под действием давления р рабочей жидкости кольца 1 и 6 дополнительно прижимаются к поверхности штока 7; задний торец кольца 1 прижимается к крышки 2, внутренние торцы 1 и 6 прижимаются одно к другому, обеспечивая надежную герметизацию подвижного и неподвижных соединений.

2.2.3 Уплотнение (Пат. 2 062 377 РФ, МКИ F16j 15/18) поршня гидроцилиндра, рис. 2.2.3

Рисунок 2.2.3 Уплотнение (Пат. 2 062 377 РФ, МКИ F16j 15/18) поршня гидроцилиндра Состоит из пакета притертых по боковым поверхностям одинаковых пружинных разрезных колец 7, изготовленных из металлов и неметаллических материалов, обладающих достаточной жесткостью с концентрическими наружной и внутренней поверхностями.

Пакет колец 7 установлен на обойму 4 из эластичного материала, например резины, расположенную в канавке поршня 6. Для обеспечения высокой герметичности подвижного соединения поршня 6 с корпусом 5 разрезы сопрягаемых колец 7 установлены со смещением на 90°. Для сжатия колец 7 в осевом направлении предусмотрена пластичная пружина 3, сила сжатия которой регулируется с помощью поджимной гайки 2, навинчиваемой на резьбу штока 1. Боковые поверхности колец 7 сопрягаются между собой, образуя полость а, в которые вытесняется материал обоймы 4 в виде кольцевых выступов б, обеспечивая некоторую подвижность колец 7. Таким образом обеспечивается высокая степень герметичности в подвижном соединении между кольцами 7 и внутренней поверхностью корпуса 5, а также в неподвижном соединении между наружной поверхностью обоймы 4 и кольцами 7. Описанное уплотнение отличается большим сроком службы.