CC BY
0
ЭФФЕКТИВНОСТЬ И ЭКСПЛУАТАЦИОННАЯ НАДЕЖНОСТЬ СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННОЙ ТЕХНИКИ
УДК 620.179.12
ОБОСНОВАНИЕ МЕТОДОВ УЛУЧШЕНИЯ И ОЦЕНКИ КРИТЕРИЕВ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГИДРОНАВЕСНЫХ СИСТЕМ ТРАКТОРОВ
Володько Олег Станиславович, канд. техн. наук, доцент, зав. кафедрой «Тракторы и автомобили», ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная 2.
E-mail: [email protected]
Бажутов Денис Николаевич, инженер научно-исследовательской лаборатории кафедры «Тракторы и автомобили», ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная 2.
E-mail: [email protected]
Молофеев Максим Валерьевич, аспирант кафедры «Тракторы и автомобили», ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная 2.
E-mail: [email protected]
Назарова Надежда Владимировна, канд. техн. наук, доцент кафедры «Механика», Самарский ГУПС.
446442, г. Самара, 1-й Безымянный пер., д. 18.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: критерий, работоспособность, гидросистема, фильтрование, изнашивание, ресурс.
Целью работы является методологическое обоснование способов улучшения и оценки критериев работоспособности тракторных гидравлических систем. Исходя из поставленной цели исследования были определены следующие задачи - обосновать методологические этапы исследования критериев оценки работоспособности основных элементов гидронавесной системы; оценить эффективность модернизации тракторной гидросистемы с использованием центробежного очистителя и альтернативной рабочей жидкости на растительной основе. Обоснована структура гидросистемы в форме основных элементов: гидравлическая жидкость с бифункциональной ролью смазочного материала и рабочей жидкости, насосные, распределительно-регулирующие, силовые и соединительные элементы. Предложены аддитивный показатель работоспособности гидравлической системы и метод его определения. Представлен анализ элементов гидросистемы и методология оценки их работоспособности. Рассмотрены методические вопросы использования растительно-минеральной смеси в качестве рабочей жидкости, повышения уровня её фильтрования, а также улучшения герметичности гидравлической системы. Определены рациональный состав альтернативной рабочей жидкости, технологические размеры и режимы работы центробежного очистителя жидкости. Анализ процесса центробежной очистки гидравлической рабочей жидкости с целью определения основных конструкционных и технологических параметров на основе метода конечных элементов позволил рассчитать рациональные размеры ротора центрифуги (диаметр D = 148 мм. высота Н = 137 мм). При этом учитывались характерные размеры абразивных частиц, поступающих в рабочую жидкость, а также структура ультрадисперсных добавок с целью повышения трибологических свойств растительно-минеральной смеси. Годовой экономический эффект модернизации гидросистемы может составить до 7,0 тыс. руб. на один трактор типа МТЗ-82.
Современные технические системы, многочисленными представителями которых являются мобильные энергетические средства (автомобили, тракторы, комбайны и другие специализированные машины), включают широкий комплекс механических, электрических, гидравлических, пневматических и других составляющих. Надежность и четкое взаимодействие данных составляющих определяет уровень работоспособности системы в целом
В сельскохозяйственных тракторах все более широкое развитие получает гидравлическая составляющая в форме гидропривода силовых механизмов, гидромеханических передач и гидравлических навесных систем для управления навесными и прицепными машинами и орудиями [1, 2].
Актуальность повышения надежности элементов гидронавесной системы и ее работоспособности определяется напряженностью по срокам полевых работ, широким интервалом изменения нагрузочных и скоростных режимов работы, климатических условий и высоким уровнем запыленности воздуха.
Анализ нормативных документов (ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения») и результатов исследований [3, 4], позволяют выделить техническую сущность понятий «надежность» и «работоспособность», а также трибологических параметров функционирования тракторной гидронавесной системы. Если надежность в технике подразумевает «свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования», то работоспособность - это состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям научно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации.
Таким образом, работоспособность технической системы в сравнении с её надежностью дополняется готовностью выполнять заданные функции с учетом наличия необходимых внешних факторов. Однако в обоих случаях определяющими критериями, характеризующими ресурс технической системы, являются параметры режимов трения, смазывания и изнашивания.
Современный подход к оценке данных процессов базируется на анализе триботехнической системы ресурсоопределяющих сопряжений, сборочных единиц и механизмов.
Цель исследований - методологическое обоснование способов улучшения и оценки критериев работоспособности тракторных гидронавесных систем.
Рабочая гипотеза исследования основана на улучшении критериев работоспособности гидросистемы путем использования альтернативной растительно-минеральной рабочей жидкости на основе рапсового масла и модернизации метода её очистки центробежным фильтром с порционным легированием трибологи-ческими присадками.
Задачи исследований - обосновать методологические этапы исследования критериев оценки работоспособности основных элементов гидронавесной системы; оценить эффективность модернизации тракторной гидросистемы с использованием центробежного очистителя и альтернативной рабочей жидкости на растительной основе.
Материалы и методы исследований. Обзор литературных источников свидетельствует о том, что в прошлом веке и начале нового столетия в анализе функционирования и исследования режимов трения, смазывания и изнашивания сформировались научные направления и понятия: химмотология, трибология, триботехника, трибосопряжение, триботехническая система, которые базируются на исследованиях таких ведущих отечественных и зарубежных ученых, как Б. В. Дерягин, Н. П. Петров, П. А. Ребиндер, И. В. Крагель-сктй, Б. И. Костецкий, А. И. Петрусевич, М. М. Хрущев, Н. А. Буше, Д. Н. Гаркунов, Д. Г. Громаковский, Д. С. Коднир, В. В. Матвеев, А. П. Уханов, А. В. Чичинадзе, Р. М. Матвеевский, Ф. Боуден, Г. Польцер, О. Рейнольде, Д. Тейбор и др.
Трибологическая система, характеризующая часть свойств любой технической системы, рассматривает трибологическое взаимодействие четырех основных составляющих: контакт двух поверхностей трения деталей ресурсоопределяющего сопряжения, масло и окружающая среда трибосопряжения. В гидронавесной системе сельскохозяйственных тракторов масло выполняет не только роль смазочной среды в трибосопря-жениях, но и роль рабочей жидкости, т.е. бифункциональную роль в работе гидросистемы. Это повышает требования к физико-химическим и трибологическим свойствам масел в аспекте улучшения параметров надежности и работоспособности гидросистемы [5].
Методика данного исследования включает анализ и выбор рациональных критериев, достаточных и необходимых для оценки работоспособности тракторной гидронавесной системы, и способов её повышения с учетом реальных условий эксплуатации.
Анализ работы элементов гидронавесной системы (гидравлических и силовых) направлен на обоснование приведенного критерия работоспособности гидросистемы с учетом значимости параметров отдельных элементов.
Основными элементами системы являются:
- гидравлическая жидкость, выполняющая бифункциональную роль смазочного материала для поверхностей трения и рабочей жидкости в цилиндрах силовых устройств с критерием работоспособности Рм;
- насосные элементы, обеспечивающие необходимое и стабильное рабочее давление жидкости на всех режимах работы системы с критерием работоспособности Рн,
- распределительно-регулирующие элементы, управляющие режимами работы системы с критерием работоспособности Рр;
- силовые элементы (цилиндры, механизмы навески, прицепы и т.д.), исполняющие основные силовые функции системы с критерием работоспособности Рс;
-соединительные элементы (шланги, патрубки, штуцеры и т.п.), обеспечивающие гидравлическую взаимосвязь всех элементов системы с критерием работоспособности Рш.
В качестве аддитивного показателя работоспособности можно принять сумму приведенных критериев работоспособности элементов гидросистемы (Pre):
Ргс — Рм ■ ОСм + Рн ■ ССН + Рр • ССр + Рс • ССс + Рш • осш, (1)
где Рм, Рн, Рр, Рс, Рш- критерии работоспособности отдельных элементов системы;
ам, ан, ар, ас, аш - уровень значимости критериев соответствующих элементов (по характеристикам отказов, ресурса и др.).
Выражение (1) характеризует определенные задачами исследования методологические этапы оценки комплексного влияния основных элементов гидросистемы на предусмотренные в ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» показатели ее работоспособности. Данная оценка требует широкой и всесторонней базы экспериментальных данных взаимосвязи критериев основных элементов гидравлической системы.
Приведенные критерии Рн, Рр, Рс и Рш, с учетом их уровня значимости, характеризуют работоспособность элементов системы, связанную с изнашиванием деталей, снижением рабочего давления и параметров выполняемых операций, нарушением взаимосвязи элементов системы.
Приведенный критерий рабочей жидкости (Рм) характеризуется напряженностью эксплуатационных условий и интенсивностью изменения физико-химических и трибологических свойств (старение рабочей жидкости). В гидравлических системах сельскохозяйственной техники в качестве рабочей жидкости широко используется минеральное масло: гидравлическое или, в большинстве случаев, моторное.
Напряженность работы гидравлической жидкости в системе зависит от потребляемой мощности насоса (А/н), среднего рабочего давления в силовом цилиндре (Рц), частоты рабочих режимов в системе (пр) и объема рабочей жидкости (V/n), что можно выделить удельным безразмерным показателем:
Р„ ■ пр
НР = ц (2)
V -N
*м 1У н
Показателем изменения физико-химических и трибологических свойств рабочей жидкости в первую очередь выступает скорость изнашивания ресурсоопределяющих сопряжений в основных элементах системы. При этом изменяются вязкость, кислотное и щелочное число жидкости, снижается содержание и эффективность присадок, повышаются концентрация механических примесей и интенсивность абразивного изнашивания.
В данной работе основное внимание для развития метода аддитивной оценки работоспособности тракторных гидросистем уделено анализу результатов использования альтернативной растительно-минеральной рабочей жидкости с обоснованием рационального состава и режимов работы.
Исследование режимов работы тракторных гидросистем позволяет выделить ряд эффективных направлений повышения их работоспособности.
■ Использование растительно-минеральных смесей на основе рапсового масла в качестве альтернативной гидравлической рабочей жидкости. По данным исследований [6, 7] растительно-смазочная композиция, содержащая 88,9% рапсового масла + 3,7% присадки ДФ-11 +3,2% присадки ЭФО +4,2% мелкодисперсного графита, по трибологическим характеристикам соответствует товарным минеральным маслам М-ЮГг и МГЕ-46В, используемым в гидравлических системах сельскохозяйственной техники.
Оценка критериев работоспособности гидросистемы за период наработки 1000 моточасов, на примере тракторов МТЗ-82, показала, что их изменение не выходило за пределы допустимых значений (табл. 1).
Приведенные результаты исследований позволяют сделать вывод о возможности и перспективах использования растительно-минеральных смесей на основе рапсового масла в качестве рабочей жидкости в гидравлических системах сельскохозяйственных тракторов. При этом, учитывая быструю биоразлагаемость растительных компонентов рабочей жидкости в почве, представляется возможность сохранить плодородие почвы.
Таблица 1
Изменение показателей работоспособности гидросистемы_
Наименование показателя Значения параметров а
до испытаний после испытаний допустимое
Подача насоса, л/мин 45 43 30 0,13
Давление открытия клапанов, МПа: - возврата золотника - предохранительного 12,0 13,9 со со т-" со 9,0-12,0 12,5-14,5 0,04 0,01
Время подъема / опускания, с 3,5/1,5 3,6/1,5 4,0/2,0 0,03
Усадка поршня цилиндра, мм 14 15 25 0,09
Примечание: а-уровень изменения показателей работоспособности гидросистемы.
■ Повышение уровня фильтрования гидравлической рабочей жидкости центробежным очистителем в нагнетательной линии с использованием клапана - делителя потока и обогащением жидкости противоизнос-ными присадками [6]. Эффективность данного технического решения заключается в повышении ресурса основных элементов гидросистемы за счет «реализации непрерывного процесса очистки рабочей жидкости центробежным фильтром с одновременным улучшением её трибологических характеристик введением необходимой концентрации модифицированного ультрадисперсного порошка графита (меди)».
Рациональный уровень фильтрования целесообразно оценивать по данным аналитических расчетов процесса центробежной очистки рабочей жидкости методом конечных элементов в программе вычислительной гидродинамики (СРО). По результатам исследований [7] размеры центрифуги для гидросистемы трактора типа МТЗ-82 характеризуются высотой Н = 137 мм и диаметром 0 = 148 мм ротора. При этом должны быть учтены размеры трибологических добавок в жидкости и характерные для условий эксплуатации размеры абразивных частиц.
■ Улучшение герметичности и снижение воздухообмена емкости рабочей жидкости с окружающей средой. Воздухообмен при работе гидросистемы вызван перемещением жидкости в системе, что способствует проникновению абразивных частиц во внутренний объем системы и абразивному изнашиванию деталей насосных и распределительно-регулирующих элементов. Эффективными методами решения данной проблемы являются совершенствование конструкции уплотнений, улучшение работы сапунов и оборудование гидросистемы компенсатором герметичности [8].
Таким образом, обобщая выделенные направления повышения работоспособности тракторных гидросистем можно определить основные методы их модернизации:
- использование растительно-минеральной смеси на основе рапсового масла в качестве рабочей жидкости в гидросистеме;
- применение центробежной очистки рабочей жидкости с порционным её легированием ультрадисперсными модификаторами трения пропорционально напряженности работы жидкости в системе;
- обеспечение герметичности элементов системы, исключение утечек жидкости и попадание в неё абрази-
Результаты экспериментальных исследований [9] показали, что разработанный состав рабочей жидкости на основе рапсового масла соответствует требованиям, предъявляемым к гидравлическим маслам и способствует снижению изнашивания поверхностей трения. Эффективной является центробежная очистка рабочей жидкости на уровне нагнетательной линии системы с порционным добавлением ультрадисперсных модификаторов трения пропорционально напряженности работы жидкости. Расчетами определены рациональные конструктивные параметры центрифуги (высота ротора Н = 137 мм и диаметр 0 = 148 мм) для гидросистемы трактора типа МТЗ-82 с учетом характеристики механических (абразивных) примесей. Годовой экономический эффект модернизации гидросистемы составляет 7,0 тыс. руб. на один трактор.
Заключение. Аналитически обоснованы методологические этапы исследования критериев оценки работоспособности на основе рациональных методов и способов улучшения режимов работы основных элементов гидронавесной системы: рабочая жидкость; насосные, распределительные, силовые и соединительные элементы. Определены задачи экспериментальных исследований работы элементов тракторной гидронавесной системы с целью накопления базы данных для оценки показателя напряженности работы гидравлической жидкости и приведенных критериев элементов системы.
Библиографический список
1. Галин, Д. А. Оценка работоспособности и повышение долговечности объемного гидропривода ГСТ-90 : дис. ... канд. техн. наук: 05.20.03 / Галин Дмитрий Александрович. - Саранск, 2007. - 224 с.
2. Рылякин, Е. Г. Повышение работоспособности гидросистемы трактора терморегулированием рабочей жидкости : дис.... канд. техн. наук: 05.20.03 / Рылякин Евгений Геннадьевич. - Пенза, 2007. - 150 с.
3. Володько, О. С. Методические основы исследований надежности и работоспособности технических систем / О. С. Володько, А. Г. Ленивцев II Известия Самарской ГСХА. - Самара, 2013. - №3. - С. 40-44.
4. ГОСТ 27.002-89. Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения. - Введ. 1990-01-07. - М. : Изд-во стандартов. - 24 с.
5. Чичинадзе, А. В. Трение, износ и смазка (трибология и триботехника) / А. В. Чичинадзе, Э. М. Берлинер, Э. Д. Браун [и др.]; под общ. ред. А. В. Чичинадзе - М.: Машиностроение, 2003. - 576 с.
6. Бажутов, Д. Н. Повышение качества очистки и улучшение трибологических характеристик рабочей жидкости тракторных гидросистем / Д. Н. Бажутов, Г. А. Ленивцев II Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - Самара, 2009. - №3. - С. 49-51.
7. Ленивцев, Г.А. Аналитическая оценка влияния размерных параметров центрифуги на степень очистки масел / Г. А. Ленивцев, Д. Н. Бажутов II Известия Самарской государственной сельскохозяйственной академии. - Самара, 2013.-№3,-С. 44-49.
8. Бродский, Г. С. Обоснование, выбор параметров и разработка систем фильтрации рабочих жидкостей для гидро-фицированных горных машин : дис.... д-ра техн. наук: 05.05.06 / Бродский Григорий Семёнович. - М., 2006. - 370 с.
9. Улучшение уровня очистки и трибологических свойств рабочих жидкостей при эксплуатации тракторных гидросистем : отчет о НИР / ВНТИЦентр; исполн.: Ленивцев Г. А., Володько О. С., Молофеев М. В. [и др.]. - М. : ВНИПИОАСУ, 2012. - 137 с. - № ГР 01.201062609. - Инв. № 02.201352396.
УДК 620.179.112:075.8
ВЛИЯНИЕ ГЕРМЕТИЧНОСТИ НА ИЗНАШИВАНИЕ РЕСУРСООПРЕДЕЛЯЮЩИХ ДЕТАЛЕЙ ТРАНСМИССИЙ ТРАНСПОРТНЫХ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ МАШИН
Ленивцев Александр Геннадьевич, канд. техн. наук, доцент кафедры «Механизация, автоматизация и электроснабжение строительства», ФГБОУ ВПО Самарский ГАСУ.
443001, г. Самара, ул. Молодогвардейская, 194.
E-mail: [email protected]
Бухвалов Артем Сергеевич, инженер научно-исследовательской лаборатории кафедры «Тракторы и автомобили», ФГБОУ ВПО Самарская ГСХА.
446442, Самарская область, п.г.т. Усть-Кинельский, ул. Учебная, 2.
E-mail: [email protected]
Ключевые слова: надежность, работоспособность, герметичность, трибосистема, абразив.
В статье рассмотрены методы улучшения герметичности внутренних полостей трансмиссий машин путем использования рациональных уплотнений и компенсатора герметичности, обеспечивающих снижение уровня абразивного изнашивания ресурсоопределяющих деталей. Цель исследования - снижение скорости абразивного изнашивания деталей и увеличения срока службы трансмиссионного масла обоснованием метода и режима воздухообмена трансмиссии с окружающей средой. Обоснованы взаимосвязи основных параметров трибосистемы и предложены мероприятия, направленные на снижение скорости абразивного изнашивания. Рассмотрены способы улучшения герметичности трансмиссий. Определены параметры компенсатора герметичности для трансмиссий основных сельскохозяйственных тракторов. Рациональные объемы компенсаторов герметичности для тракторов составляют: для МТЗ-80 - 22,4 1 а3 м3, для Т-4А - 20,9-103m3, для ДТ-75М - 18,6-1^1^, для К-701 - 17,1-Ш3 м3, для Т-150 - 15,2-Ш3 м3. Стендовые и эксплуатационные сравнительные испытания трансмиссий трактора Т-4А показали, что установка компенсатора герметичности позволяет повысить срок службы масла в 1,4-1,7 раза и снизить износ деталей на 7-9% по сравнению с базовым вариантом трансмиссии. Применение централизованной смазочной системы с центробежной очисткой обеспечивает снижения скорости изнашивания деталей в 1,5-1,8 раза и увеличение срока службы масла в 2-3 раза в сравнении с картерной смазкой разбрызгиванием. Эффективными мерами улучшения режима смазывания трансмиссий является повышение герметичности узла установкой рациональных конструкций сальников, манжет, уплотнений, прокладок и применением компенсатора герметичности. Рациональным является сочетание и качественная реализация данных мероприятий с учетом особенностей конструкции и условий эксплуатации машин.
Надежность и работоспособность трансмиссий колесных и гусеничных машин, составляющих основу многих технологических средств в транспорте, строительстве и сельском хозяйстве, определяются скоростью изнашивания ресурсоопределяющих деталей агрегатов и сборочных единиц. Показатели надежности и работоспособности трансмиссии в данном аспекте зависят от конструктивно-технологических параметров, определяющих потенциальные свойства конструкции, и эксплуатационных факторов, влияющих на изменение данных свойств с учетом условий работы: нагрузочно-скоростные режимы, климатические условия, качество технического обслуживания и др, При характерных для трансмиссий машин неустановившихся нагрузках и скоростях, широком интервале изменения температурных условий и запыленности окружающей среды требуются рациональные режимы смазывания поверхностей трения деталей, включающие способ смазывания,
