Підвищення ресурсу гідроприводів транспортних машин електрообробкою робочих рідин

Размещено на http://www.allbest.ru/

Підвищення ресурсу гідроприводів транспортних машин електрообробкою робочих рідин

локальний електростатичний поле гідропривід

Вступ

На сучасному етапі розвитку України серед транспортних машин (ТМ) найширше розповсюдження отримав об'ємний гідропривід робочих органів і, як показує досвід експлуатації, на нього доводиться значна частка відмов, внаслідок чого знижується ресурс машин і збільшуються витрати на технічне обслуговування та ремонт.

В останні десятиріччя інтенсивно проводяться дослідження в області дії силових полів на протизносні властивості рідких змащувальних середовищ. Аналіз відомих науково-дослідних робіт показав, що протизносні властивості робочих рідин (РР) можна поліпшити шляхом їх обробки електростатичним полем (ЕП). В результаті в структурі РР відбуваються зміни, що сприяють ефективному формуванню адсорбційних плівок на поверхнях тертя основних вузлів гідроприводів робочих органів ТМ.

В роботі висунута гіпотеза про формування локальних електростатичних полів на продуктах зносу, значення напруженості яких багаторазово перевищують значення напруженості зовнішнього поля, що дозволяє інтенсифікувати процес покриття продуктів зносу оболонкою поверхнево-активних речовин (ПАР). В результаті цього знижується швидкість зносу, що приводить до підвищення ресурсу гідроприводів ТМ.

Актуальність теми. На сьогоднішній день однією з актуальних проблем є енергозбереження при експлуатації ТМ. Ця проблема може бути вирішена декількома шляхами, одним з яких, як показує аналіз відомих дослідницьких робіт в даній області, є підвищення ресурсу гідроприводів робочих органів ТМ. Ресурс можна підвищити за рахунок інтенсифікації адсорбційних процесів на поверхнях тертя гідроприводів обробкою РР зовнішнім ЕП.

Зв'язок з науковими програмами, планами і темами. Дисертаційна робота відповідає програмі «Підвищення надійності і довговічності машин і конструкцій», наведеної в постанові Верховної Ради України №2750 від 16.10.92 з подальшими доповненнями і злагоджена з Концепцією та Програмою реструктуризації на залізничному транспорті, затвердженої постановою Кабінету Міністрів України №769 від 02.06.1998; науковому напряму Української державної академії залізничного транспорту, науково-дослідній роботі по державній бюджетній темі № 8/4 - 04Б від 01.01.2004 «Дослідження і розробка пристроїв для підвищення строків служби олив та протизносних властивостей дизельних палив», номер державної реєстрації - 0104U003234.

Мета і задачі дослідження. Метою даної роботи є підвищення ресурсу вузлів тертя гідроприводів транспортних машин обробкою робочої рідини електростатичним полем.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні задачі:

- встановити закономірність зміни ресурсу гідроприводів ТМ залежно від швидкості зношування вузлів тертя;

- розробити фізичні основи формування адсорбційних плівок на продуктах зносу в умовах обробки РР гідроприводів ТМ зовнішнім ЕП;

- розробити математичну модель формування оболонок ПАР на продуктах зносу в умовах інтенсифікації адсорбційних процесів під впливом ЕП;

- розкрити механізм формування граничних змащувальних шарів на поверхнях вузлів тертя гідроприводів ТМ при обробці РР зовнішнім ЕП;

- експериментальним шляхом встановити вплив обробки РР зовнішнім ЕП на ресурс вузлів тертя гідроприводів ТМ;

- встановити фактичне збільшення ресурсу гідроприводу в експлуатаційних умовах при обробці РР ЕП.

Об'єкт дослідження - вузли тертя гідроприводів ТМ з використанням РР на нафтовій основі.

Предмет дослідження - протизносні властивості РР в умовах їх обробки зовнішнім ЕП.

Методи дослідження - дослідження впливу обробки РР зовнішнім ЕП на ресурс гідроприводів ТМ проводилося на базі теорії надійності, математичної статистики, методу системного аналізу, сучасних положень фізики, триботехніки, механіки.

При проведенні експериментальних досліджень використовувалися основи теорії планування і обробки експериментальних даних, методи математичної статистики.

Наукова новизна отриманих результатів.

1. Встановлена закономірність підвищення ресурсу вузлів тертя гідроприводів ТМ при обробці РР зовнішнім ЕП залежно від розмірів продуктів зносу в діапазоні до 5мкм.

2. Розкрито механізм формування локальних полів на продуктах зносу при обробці РР зовнішнім ЕП.

3. Вперше розроблено механізм формування граничних змащувальних шарів на поверхнях тертя гідроприводів в умовах обробки РР ЕП.

Практичне значення отриманих результатів.

1. Поліпшення протизносних властивостей РР гідроприводів ТМ шляхом її обробки зовнішнім ЕП дозволило підвищити ресурс пар тертя аксіальнопоршневих насосів в 1,5-2 рази.

2. Основні положення дисертаційної роботи включені в плани реалізації ТОВ «МАСТ» шляхом використання обробки ЕП РР, які виробляє ТОВ «МАСТ» і що використовуються в гідроприводах та гідропередачах залізничного транспорту з метою поліпшення протизносних властивостей РР в процесі експлуатації.

3. Основні результати теоретичних і експериментальних досліджень використовуються в учбовому процесі за фахом 7.090214 «Підйомно-транспортні, будівельні, дорожні, меліоративні машини і обладнання» Української державної академії залізничного транспорту.

4. Впровадження в експлуатаційних умовах розробленого способу підвищення ресурсу гідроприводів дозволяє отримати річний економічний ефект на одну колійну машину ПУМ-1М - 45354 тис. грн.

Особистий внесок здобувача. В роботах, опублікованих із співавторами, здобувачем особисто були отримані наступні розробки і наукові результати, які представлені до захисту: проведено аналіз складу продуктів зносу вузлів тертя гідроприводів ТМ [2], проведено аналіз формування адсорбційного шару залежно від топографії поверхонь тертя [1], розроблено математичну модель формування локальних електростатичних полів на продуктах зносу в умовах обробки РР зовнішнім ЕП [4], розкрито механізм формування оболонок молекул ПАР на продуктах зносу [5], розроблено фізичні основи формування у вузлах тертя змащувального шару, що включає продукти зносу з оболонкою ПАР [3].

Апробація результатів дисертації. Результати роботи докладалися і обговорювалися:

- на 65, 66, і 67-й міжнародних науково-технічних конференціях кафедр Української державної академії залізничного транспорту та фахівців залізничного транспорту і підприємств (Харків, 2003-2005);

- на Міжнародній науково-технічній конференції «Вібрація машин: вимірювання, зниження, захист» (Донецьк, 2005);

- повністю результати дисертаційної роботи докладалися на розширеному засіданні кафедри «Будівельні, колійні і вантажно-розвантажувальні машини», УкрДАЗТ в 2005р. з участю членів спеціалізованої вченої ради.

Публікації. По результатами дисертації опубліковано 5 наукових робіт в спеціалізованих виданнях, затверджених ВАК України. Отримано висновок державного департаменту інтелектуальної власності України про установку дати подачі заявки на винахід.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, основних результатів та висновків, списку використаної літератури і додатків. Загальний об'єм роботи - 150 сторінок, у тому числі: 102 сторінки основного тексту, 21 таблиці по тексту, 36 рисунків по тексту, список використаної літератури, що містить 131 найменувань, 11 додатків на 22 сторінках.

У вступі обґрунтовано актуальність підвищення ресурсу гідроприводів ТМ шляхом інтенсифікації адсорбційних процесів на продуктах зносу і поверхнях тертя обробкою РР зовнішнім ЕП. Сформульовано мету і задачі дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність, подано загальну характеристику роботи.

В першому розділі проаналізовано вплив швидкості зношування вузлів тертя на ресурс гідроприводів ТМ. Вивчено склад і структуру продуктів зносу та їх вплив на ресурс гідроприводів ТМ. Встановлено, що одним з шляхів підвищення протизносних властивостей РР є її обробка зовнішнім ЕП.

Шляхом аналізу проведених досліджень встановлено, що значна частка відмов в роботі ТМ доводиться на гідравлічний привід. Причому, до 80% відмов гідроприводів доводиться на аксіальнопоршневі насоси. Ресурс таких насосів обмежений граничним значенням коефіцієнта подачі (КП), зниження якого обумовлено зношуванням поверхонь вузлів тертя. Пари тертя насоса працюють періодично в режимі граничного змащення, при якому швидкість зношування відносно велика. Вирішальна роль з погляду зносу в таких вузлах тертя належить не лише властивостям поверхонь тертя, але й адсорбційній плівці, що формується зі складу РР.

Склад РР є багатокомпонентним змащувальним середовищем, в яке входять: базова олива, присадки та продукти забруднень. Як показали результати досліджень, до 45% забруднень складають продукти зносу поверхонь тертя. По своєму мінералогічному складу ці продукти є металами (Fe, Cu, Mg, Ni, Zn), а також їх оксидами та окислами. Кількість частинок зносу може досягати 10¹² од. в 1см³. Продукти зносу мають різноманітну форму, а їх розміри коливаються в широкому діапазоні. В роботі як допущення приймаються продукти зносу у формі кулі. Основну їх кількість складають частинки розміром до 5 мкм. Крім того, продукти зносу володіють підвищеною щільністю енергетичних центрів, тому вони адсорбують на своїй поверхні молекули ПАР. У ряді робіт відзначено, що частинки зносу відносяться до вторинних продуктів і виконують частково роль протизносних присадок.

Проведені дослідження в області використовування силових полів з метою поліпшення протизносних властивостей РР показали, що позитивний ефект спостерігається при використовуванні ЕП. Проте в цих дослідженнях не розкрито механізм дії таких полів на вторинні продукти (частинки зносу) пар тертя та їх впливу на ресурс гідроприводів ТМ.

В другому розділі розроблено теоретичні основи підвищення ресурсу вузлів тертя гідроприводів ТМ, а також механізм формування оболонок ПАР на частинках зносу в умовах обробки РР зовнішнім ЕП. Розроблено фізико-математичну модель взаємодії продуктів зносу, покритих оболонкою ПАР, з поверхнями тертя.

Ресурс гідроагрегатів ТМ визначається швидкістю зношування їх вузлів тертя і може бути встановлений з наступної залежності:

,

де SФ - фактична площа контакту в поршневій групі, м²;

tgб - тангенс кута нахилу кривої, що характеризує швидкість зносу;

N - навантаження в контакті, Н;

н - коефіцієнт, залежний від виду зносу;

НВ - твердість матеріалу, що зношується;

з₀ - об'ємний ККД аксіальнопоршневого насоса на початку експлуатації, %;

зmin - нижня межа об'ємного ККД, %;

Із залежності (1) виходить, що за інших рівних умов ресурс вузлів тертя гідроприводів ТМ пропорційний фактичній площі контакту S_Ф. В умовах обробки РР ЕП відбувається інтенсифікація адсорбційних процесів на продуктах зносу і на поверхнях тертя, тому продукти зносу покриваються оболонкою ПАР. Схема розподілу напруженості по поверхні частинки зносу при

Рис. 1. Частинка зносу в ЕП

її попаданні в електростатичне поле наведена на рис.1. В результаті перерозподілу поверхневих зарядів формується локальне ЕП. Використовуючи закон Гауса, знаходимо величину напруженості цього поля:

де ц - потенціал напруженості локального поля;

Е0 - напруженість зовнішнього поля, В/м;

R - радіус сферичної частинки зносу, м;

r - радіус-вектор з початком координат в центрі сфери, м;

И - кут між лінією дії зовнішнього поля і радіус-вектором, град.

Проте реальні поверхні частинок зносу не є абсолютно гладкими. Вони мають мікронерівності, які можна надати у вигляді набору сходинок, розмір яких сумірний з розміром граней кристалів (рис.2). Використовуючи закон еквіпотенціальних поверхонь, напруженість локального поля на поверхні частинки описується виразом:

,

де r_лок - радіус локальної мікронерівності, м.

Із залежності (3) виходить, що на частках зносу формуються локальні поля, напруженість яких пропорційна співвідношенню .

Рис.2. Сферична частинка зносу з східчастою поверхнею

На рис.3 показана зміна локальної напруженості поля на поверхні частинки відповідно до залежності (3).

Рис. 3. Напруженість електричного поля на частинці зносу

В результаті можна зробити наступні висновки, що після обробки РР гідроприводів ТМ зовнішнім ЕП в її структурі відбуваються зміни: продукти зносу покриваються оболонкою ПАР (рис.4), і згідно адсорбційним процесам такі частинки можна уявити у вигляді диполів, дипольний момент яких достатньо великий. Електричний дипольний момент продукту зносу, покритого оболонкою ПАР, можна визначити по отриманій залежності:

де q -заряд однієї молекули ПАР, q ? 1,61·10^-19, Кл;

SПАР - площа, що займає одна молекула ПАР на поверхні, SПАР ? 21·10^-20, м²;

р - дипольний момент молекули ПАР, в середньому рівний 10^-29, Кл·м;

k - постійна Больцмана, k = 1,38·10^-23, Дж/К;

Т - температура робочої рідини, К.

Рис. 4. Частинка зносу покрита оболонкою молекул поверхнево-активних речовин:

1 - розподіл ПАР по поверхні частинки зносу;

2 - мономолекулярний шар ПАР;

3 - частинка зносу;

4 - молекула ПАР.

З розрахунків по залежності (4) виходить, що дипольний момент частинки зносу, покритої оболонкою, значно перевищує дипольний момент мономера ПАР. Циркулюючи разом з потоком РР, продукти зносу, покриті оболонкою ПАР, потрапляють в зазори вузлів тертя, і в умовах конкурентної фізичної адсорбції такі частинки в першу чергу адсорбуються на поверхнях тертя, що призводить до збільшення фактичної площі контакту пар тертя (рис.5).

Рис. 5. Змащувальний шар на поверхнях тертя в умовах електрообробки робочої рідини

Враховуючи залежність (1), співвідношення ресурсів вузлів тертя гідроагрегатів з використанням електрообробки РР Т_о та без неї Т_бо можна надати у вигляді:

,

де S_бо, S_о - фактична площа контакту до і після обробки РР ЕП відповідно, м².

В результаті електрообробки РР відбувається зміна фактичної площі контакту. Контакт поверхонь тертя у разі заповнення западин між мікронерівностями продуктами зносу (рис.5) відбувається в основному не по мікронерівностях, а по оболонках ПАР. Дане фізичне явище призводить до зменшення адгезійної складової тертя і питомого контактного тиску, що приводить до зниження швидкості зношування і підвищення ресурсу вузлів тертя гідроагрегатів ТМ.

З урахуванням площ фактичного контакту, а також мікрогеометрії поверхонь тертя і розмірів продуктів зносу залежність (5) набуває вигляд:

,

де t - крок між мікронерівностями, м;

d - діаметр частинки зносу, м;

R_m - радіус вершин мікронерівностей, м.

Із залежності (6) виходить, що обробка РР з частинками зносу досліджуваного діапазону зовнішнім ЕП дозволяє збільшити ресурс пар тертя гідроприводів ТМ в діапазоні 1,9-4,4 рази.

На рис. 6 показана залежність ресурсу поршневих пар гідроприводів ТМ від розмірів частинок зносу при обробці РР зовнішнім ЕП при значеннях t = 11мкм, Rм = 8мкм (усереднені значення для поверхні поршнів насосів).

Рис. 6. Співвідношення ресурсів поршневих пар гідроприводів транспортних машин при електрообробці робочої рідини та без неї в залежності від розмірів частинок зносу

Третій розділ включає програму, методику та результати експериментальних досліджень швидкості зношування залежно від розмірів продуктів зносу в умовах обробки РР зовнішнім ЕП.

Для проведення експериментальних досліджень була розроблена установка (рис.7), що забезпечує режими навантаження, відповідні режимам роботи реальних пар тертя гідроагрегатів ТМ.

Рис. 7. Схема лабораторної установки для випробування зразків по схемі „ролик-колодка»:

1 - колодка; 2 - ролик; 3 - кювета з РР; 4 - зливний патрубок; 5 - бак; 6 - насос; 7 - перепускний клапан; 8 - манометр; 9 - пристрій для обробки РР ЕП; 10 - нагрівальний елемент; 11- терморегулятор, 12 - регульований дросель, 13 - гідравлічний фільтр.

Матеріали зразків 1 і 2 (рис.7) при випробуваннях відповідали матеріалам реальних пар тертя (колодка - бронза Бр.АЖН10-4-4, ролик - сталь 18ХГТ). Обробка РР ЕП здійснювалася за допомогою пристрою коаксіального типу, параметри якого приймалися згідно рекомендаціям, розробленим раніше професором Є.М. Лисіковим. Тонкість фільтрації РР забезпечувалась за допомогою гідравлічного та паливного фільтрів ФГМ-1 і ST-308. Клас чистоти РР - чотирнадцятий, як найбільш розповсюджений при експлуатації ТМ.

Програма досліджень передбачала проведення двохчинникового експерименту з обробкою РР ЕП і без неї відповідно до теорії планування експериментальних досліджень.

На рис.8 показана залежність, по якій видно, що електрообробка РР приводить до зниження швидкості зношування в цілому в 1,84 - 4,74 рази в залежності від розмірів продуктів зносу (в діапазоні 3-5мкм) і змін тиску в контакті (в діапазоні 7,29-8,33 МПа). Із збільшенням розмірів частинок зносу ефект від обробки знижується і в досліджуваному діапазоні складає 3,94- 3,28 рази.

Звертає на себе увагу той факт, що із зростанням контактного тиску ефект від обробки РР ЕП збільшується.

Рис.8. Зміна швидкості зношування залежно від тонкості фільтрації при тиску в контакті Р = 8,33 МПа

Проведені експериментальні дослідження підтверджують основні теоретичні положення, розроблені в другому розділі.

На рис.9 згідно результатів теоретичних і експериментальних досліджень показані співвідношення швидкостей зношування з обробкою РР ЕП і без неї в залежності від розмірів часток зносу.

Як видно з рис.9, максимальне відхилення результатів теоретичних і експериментальних досліджень не перевищує 12%.