Размещено на http://www.allbest.ru/

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ

ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ПОДІЛЛЯ М. ХМЕЛЬНИЦЬКИЙ

УДК 621.81.004

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

ПІДВИЩЕННЯ НАДІЙНОСТІ ЦИЛІНДРО-ПОРШНЕВИХ ПАР ТЕРТЯ АКСІАЛЬНО-ПОРШНЕВИХ ГІДРОМАШИН І ЕКСПРЕСНЕ УСУНЕННЯ ВІДМОВ, ВИКЛИКАНИХ ЇХНІМ ЗНОСОМ

Спеціальність: 05.02.04 - Тертя та зношування в машинах

ЄВДОКІМОВ ДМИТРО ВАДИМОВИЧ

Хмельницький - 2003

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі Теорії механізмів і машин та деталей машин Одеського національного морського університету Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник:

Олійник Микола Васильович, доктор технічних наук, професор, Одеський національний морський університет, завідувач кафедри Теорії механізмів і машин та деталей машин.

Офіційні опоненти:

Кузьменко Анатолій Григорович, доктор технічних наук, професор, Технологічний університет Поділля, завідувач кафедри надійності та зносостійкості машин;

Соловйов Станіслав Миколайович, кандидат технічних наук, професор, Український державний морський технічний університет, м. Миколаїв, завідувач кафедри суднового машинобудування.

Провідна установа: Національний авіаційний університет Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Захист відбудеться "11" грудня 2003 р. о 10 год. на засіданні спеціалізованої вченої заради Д 70.052.02 при Технологічному університеті Поділля за адресою: 29016, м. Хмельницький, вул. Інститутська, 11, 3-й учбовий корпус.

З дисертацією можна ознайомитися в бібліотеці Технологічного університету Поділля за адресою: м. Хмельницький, вул. Кам'янецька, 110/1.

Автореферат розісланий 13.10. 2003 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук, професор Калда Г.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Проблемам підвищення надійності вузлів тертя машин завжди приділяється належна увага. Це пояснюється не тільки необхідністю вирішення перспективних питань, пов'язаних з розвитком нової техніки, але й актуальністю задач, що нагромадилися в даний час, по модернізації, ремонту і продовженню працездатного стану застарілих або таких, що відмовили з різних причин і особливо через знос, виробів машинобудування. Серед цих виробів важливе місце посідають аксіально-поршневі гідромашини, частка яких сягає майже п'ятдесяти відсотків від загального обсягу парку гідравлічних насосів і моторів, що випускаються. Такі гідромашини широко використовуються у будівельно-дорожніх машинах, сільгоспмашинах, піднімальних стаціонарних і пересувних кранах, у тому числі й у суднових машинах і механізмах.

При цьому тільки через надмірний знос і підвищені через збільшені зазори витоки у прецизійних циліндро-поршневих парах 27 відсотків аксіально-поршневих гідромашин відправляють у ремонт з одночасною необхідністю швидкої заміни гідромашин, що відмовили, на нові. Однак при їх відсутності, що в існуючих умовах трапляється дуже часто, відбувається зупинка машин і механізмів, у які вбудовано аксіально-поршневі мотори і насоси, з відповідними великими економічними втратами. Циліндро-поршневі пари аксіально-поршневих гідромашин, що відмовили через підвищений знос, при виготовленні яких застосовують технологічні процеси прецизійної обробки циліндричних поверхонь отворів блоків гідроциліндрів і поршнів можуть бути відремонтовані лише в умовах спеціалізованих заводів, але не в умовах невеликих стаціонарних, пересувних польових чи суднових майстерень. Тим часом, якби це було можливо, то ліквідація відмов через збільшення внаслідок зносу зазорів у циліндро-поршневих парах гідромашин була б виконана з найменшими втратами.

У зв'язку з викладеним, виникає актуальна проблема триботехніки розробити на науковій теоретичній і експериментальній основі засоби, що дозволяють в умовах, максимально наближених до експлуатаційних, не тільки ліквідувати відмови гідромашин через збільшення внаслідок зносу зазорів у циліндро-поршневих парах, але й одночасно домогтися підвищення їх надійності і робочих характеристик.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами і темами. Дисертація виконувалася відповідно до перспективного плану науково-дослідних робіт Одеського державного морського університету на 1995-2000 роки по пріоритетному напрямку "Екологічно чиста енергетика і ресурсозберігаючі технології", програмою "Підвищення надійності і довговічності машин і конструкцій", і темою, включеною в План держбюджетних перспективних конкурсних робіт Міністерства освіти і науки України, затвердженою вченою радою ОДМУ 18.12.1996 р., з наступним продовженням і розширенням, що також відповідає Програмі стабілізації і розвитку морського і річкового транспорту України до 2005 року (§ 4.3.3), затвердженій Кабінетом Міністрів України від 09.07.1998 р. і Указом Міністра транспорту України від 13.11.1998 р.

Мета і задачі досліджень. Одержати теоретичні й експериментальні наукові результати, на основі яких розробити триботехнічні засоби, що підвищують надійність і робочі характеристики циліндро-поршневих пар аксіально-поршневих гідромашин і дозволяють експресно усувати в неспеціалізованих умовах відмови викликані їх зносом.

Для досягнення поставленої мети вирішувалися наступні задачі:

шляхом вивчення причин і обмірювання циліндро-поршневих пар гідромашин, що відмовили при експлуатації, визначити закономірності зміни розмірів їхніх поверхонь тертя і відтворити аналогічні при випробуваннях у лабораторних умовах;

запропонувати головну ідею про необхідність обґрунтованого конструювання додаткових трибоелементів до поршнів, одержати рівняння, що дозволяють розрахувати епюри деформацій цих елементів і показати можливості управління закономірностями зміни розмірів елементів шляхом введення коригувальних пристроїв;

сконструювати трибоелементи поршнів такими, що здатні диференційно або незалежно реагувати на зміну тиску і температури мастила й активно зменшувати знос, зазори і витоки при їх установці у зношені отвори блоків гідроциліндрів з підвищенням робочих характеристик;

довести ефективність розроблених нових деформованих трибоелементів поршнів з диференційним принципом дії для вирішення проблеми експресного відновлення працездатності з підвищенням робочих характеристик циліндро-поршневих пар гідромашин;

удосконалити методи і засоби для проведення лабораторних досліджень пар тертя на знос і витоки.

Об'єкт дослідження: процеси і закономірності, що характеризують особливості роботи трибоелементів у складі циліндро-поршневих пар тертя аксіально-поршневих гідромашин, сконструйованих для підвищення їх надійності, робочих характеристик і для експресної ліквідації відмов, викликаних зносом.

Предмет досліджень: сполучені у парі зі зношеними в різному ступені або новими отворами блоків циліндрів деформовані пружно чи пластично трибоелементи поршнів нового типу з диференційним принципом реагування в залежності від змін діючих факторів і призначені для підвищення надійності, робочих характеристик таі експресного усунення відмов, викликаних зносом циліндро-поршневих пар аксіально-поршневих гідромашин, з підвищенням їх робочих характеристик.

Методи дослідження - теоретичні й експериментальні з визначенням зносу, епюр деформацій розроблених нових трибоелементів різних типів, зазорів і витоків у парі під дією змінюваних тисків, температур і матеріалів як на лабораторних зразках, так і на гідромашинах.

Наукова новизна отриманих результатів. Запропоновано обґрунтований теоретично і підтверджений експериментально новий підхід до рішення проблеми підвищення надійності вузлів тертя ковзання й експресної ліквідації у неспеціалізованих умовах відмов, що виникають внаслідок зносу прецизійних циліндро-поршневих пар аксіально-поршневих гідромашин, з одночасним управлінням їх робочими характеристиками шляхом використання розроблених трибоелементів диференціального принципу дії.

Отримано рівняння деформації трибоелементів, які обґрунтовують необхідність зміни нульової деформації їх вільного контуру до необхідних значень, що коригують вплив профілю зносу контртіл, коефіцієнтів конусності і величини зазорів з диференціальним урахуванням тисків і температур, що дозволило на науковій основі вперше розробити принципові схеми таких трибоелементів стосовно до поршнів гідромашин.

Установлено закономірності зношування, що показують вплив на профіль робочих поверхонь отворів циліндрів комбінованих поршнів з деформованими пружно чи пластично трибоелементами. На їхній основі запропоновано коригувати в процесі тертя профіль зносу робочих поверхонь отворів для одержання найбільш ефективного результату по зносостійкості, витоках та об'ємному ККД циліндро-поршневої пари.

Визначено реакцію диференційно деформованих трибоелементів нового типу на роздільні зміни тисків і температури мастила. Показано, що при їх застосуванні витоки в зазорах знижуються у 5-10 разів, аж до мінімальних значень і навіть при падінні тиску з ростом температури мастила з одночасним підвищенням зносостійкості контр тіл від 25 % до 2-х разів. Ця здатність нових трибоелементів проявляється в досить широкому діапазоні вихідно великих зазорів аж до 60-80 мкм і приводить до стабільних високих значень об'ємного ККД.

Експериментальне порівняння ефективності роботи диференційно деформованих трибоелементів поршнів двох типів дозволило установити, що пластично деформовані пластмасові елементи здатні перекривати у два-три рази більші вихідні зазори у парі поршень-циліндр, ніж пружно деформовані металеві. Показано, що завдяки своїм властивостям обидва типи трибоелементів здатні виконувати функції активних компенсаторів зносу і підвищувати робочі характеристики пар тертя. Установлено, що для підвищення трибохарактеристик поверхонь бронзових блоків гідроциліндрів і сталевих поршнів у пластмасові трибоелементи з капролону та фторопласту слід вводити добавки у вигляді графіту, дисульфіду молібдену та цинку, склад яких розроблено.

Розроблено оригінальні наукові методики й установки, що дозволяють здійснювати експериментальні дослідження деформацій, зносу і витоків при випробуваннях циліндро-поршневих пар.

Практичне значення отриманих результатів. На основі отриманих теоретичних і експериментальних результатів розроблені і перевірені нові конструкції поршнів, конкретизовані по параметрах до серійних гідромашин 210.25 і АПН-200 і що включають деформируемые пружно чи пластично комбіновані трибоелементи, що диференційно коригують кільцевий зазор у циліндро-поршневих парах від прикладеного тиску до 350 МПа і температури мастила до 95 °С. Розроблені конструкції трибоелементів за своїм принцом дії можуть бути застосовані і для інших гідромашин та виробів машинобудування.

З огляду на ефективну здатність розроблених трибоелементів поршнів реально зменшувати аж до кількох мікрометрів зазори, що утворилися через знос у циліндро-поршневих парах, і знижувати тим самим у багато разів витоки мастила навіть у випадку підвищення температури при зменшенні його тиску пропонується їх практично використовувати як компенсатори зносу і засіб підвищення робочих характеристик вузлів тертя з одночасним підвищенням зносостійкості контр тіл від 25 % до кількох разів і отриманням високих значень ККД.

Показано, що застосування поршнів, оснащених компенсаторами з диференціальним принципом роботи, відкриває реальну практичну можливість експресного ремонту гідромашин, що відмовили, шляхом простої установки таких комбінованих поршнів у зношені отвори блоків гідроциліндрів без застосування прецизійних видів обробки в умовах спеціалізованих заводів.

Вперше пропонується створення ремонтного комплекту поршнів з вихідними, а не збільшеними діаметрами, але оснащених деформованими трибоелементами з диференціальним принципом дії, що дозволяє при їх установці у зношені або прослаблені отвори блоків циліндрів не тільки відновлювати працездатність пар і тим самим ліквідувати відмови, але й значно поліпшити їх робочі характеристики, такі як зносостійкість і ККД порівняно з серійними заводськими. Застосування таких поршнів можливо не тільки при ремонті, але й у нових аксіально-поршневих гідромашинах, що показала перевірка у виробничих умовах.

Розроблено оригінальний малогабаритний пересувний випробувальний стенд, який дозволяє в умовах невеликих майстерень, включаючи суднові, здійснювати дефектацію і контроль якості ремонту аксіально-поршневих гідромашин різної продуктивності й типорозмірів, що робить його деякою мірою універсальним.

Апробація результатів роботи. Основні результати роботи представлялися на ІV Міжнародній науково-технічній конференції "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин" (м. Хмельницький, 2001 р.); Міжнародній науково-технічній конференції "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин" (м. Хмельницький, 2000 р.); Міжнародній конференції по передових технологіях ТМС'99 (Молдова, Кишинів, 1999), на конференції по триботехнології машинобудування (Миколаїв, 2000) і на звітних конференціях Одеського державного морського університету.

Публікації. Основні результати дисертації опубліковано у 14 роботах, включаючи тези доповідей.

Структура й обсяг дисертації. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, висновків, списку використаних джерел і додатка. Робота виконана на 130 сторінках тексту, містить 97 малюнків, 6 таблиць, містить список використаних джерел з 120 найменувань і додатки.

На захист виноситься весь комплекс отриманих результатів досліджень, що підтверджують їхню актуальність, новизну, наукову цінність і практичне значення, що в сукупності вирішує поставлену мету і сформульовані задачі для її досягнення. гідравлічна експресне усунення відмова

Особистий внесок здобувача. Дисертація містить лише ті наукові і практичні результати, що особисто отримані здобувачем. Вибір теми, постановка задач і обговорення результатів досліджень виконувалися разом з науковим керівником.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

Вступ розкриває сутність і стан наукової проблеми та її значущість, підстави і вихідні дані для розробки тими, обґрунтування необхідності проведення дослідження, дається загальна характеристика дисертації. Підкреслюється, що обраний напрямок дослідження та тема розробляються вперше, а отримані результати відрізняються новизною.

Перший розділ присвячений питанням обґрунтування вибору напрямку досліджень, теми дисертаційної роботи, об'єктів, мети і задач. На основі аналізу літературних джерел і стану проблеми підвищення надійності вузлів тертя машин конкретизується тема дисертації, загальна методика і засоби для здійснення експериментів. Наводяться дані щодо похибок вимірювання, вірогідності отриманих результатів з коротким викладом методів розрахунку, включаючи математичне планування експериментів і побудову кривих.

Основний висновок по першому розділу полягає в тому, що обрана тема дисертації актуальна, у вибраному ракурсі не досліджувалася, має наукову і практичну новизну, але вимагає для свого здійснення проведення взаємо залежних теоретичних і експериментальних робіт на зразках і реальних гідромашинах з розробкою і створенням необхідних засобів для випробувань.

Рис. 1. Профіль зносу дзеркала циліндра (а) і поршня (б): 1, 4, 6 - циліндра; 2, 3, 5, 7 - поршня; 1 - знос циліндра у парі з поршнем з пружним елементом і проточеною спідницею; 2 - поршень з проточеною спідницею без елемента; 3 - знос поршня з проточеною спідницею і пружним елементом; 4 - знос отвору при роботі із заводським поршнем (16 МПа, АМГ-10, 1000 год.); 5 - знос заводського поршня у блоці; 6 - знос циліндра із заводським поршнем (АМГ-10 + 2 % олеїнової кислоти); 7 - знос поршня по п. 6.

У другому розділі розглядаються закономірності змін при зношуванні профілів поверхонь отворів і поршнів, що формуються в процесі експлуатації гідравлічних аксіально-поршневих гідромашин. Для одержання необхідних результатів на гідромашинах, що відмовили, проводилися виміри розмірів отворів у блоках гідроциліндрів і поршнів, як по їх діаметрах, так і по твірних з наступною статистичною обробкою даних і побудовою профілю зносу робочих поверхонь. Крім збору таких даних було здійснено експериментальні дослідження зносу в лабораторних умовах поршнів і втулок і поршнів у комплекті з блоками гідроциліндрів. Для проведення випробувань було розроблено відповідну методику і сконструйовано або модернізовано необхідні установки і вимірювальні засоби. Основною метою таких досліджень на гідромашинах, що відмовили, і лабораторних зразках було одержання порівнянних між собою закономірностей зносу обраних об'єктів. У результаті проведених вимірів величин зносу поршнів і отворів у блоках гідроциліндрів, виконаних після їх різного експлуатаційного наробітку в складі аксіально-поршневих гідромашин, а також випробувань пар тертя поршень-втулка в лабораторних умовах, отримано ідентичні епюри зносу цих контртіл по довжині твірних і в різних перетинах з урахуванням положення поршня в циліндрі. Ці дані прийнято за вихідні для розвитку досліджень. Наприклад, епюри зношування 4, 5 дзеркала циліндра та поршнів на рис. 1.

Шляхом обробки епюр зносу поршнів і отворів блоків циліндрів і втулок та відповідних розрахунків показано, що при русі зношеного поршня в такому самому отворі змінюються величини і знак коефіцієнта конусності, що необхідно враховувати при оцінці ефективності роботи ущільнювальних поверхонь циліндро-поршневої пари

Зроблено висновок, що для одержання науково обґрунтованих даних, що дозволяють підвищити надійність вузлів тертя, ліквідувати відмови через знос пар поршень-блок циліндрів з одночасним поліпшенням їх робочих характеристик, треба в першу чергу зосередити увагу на ущільнювальній зоні поршнів. Крім того, ущільнювальну зону поршня варто робити не твердою, а з розмірами, що активно змінюються і конусністью в залежності від зовнішніх умов і ступеня наробітку циліндро-поршневої пари.

Рис. 2. Деформація пружного трибоелемента: 1 - теоретична без відтискання елемента від стінки; 2 - теоретична с урахуванням протитиску; 3 - експериментальна без температурної вставки; 4 - експерименттальна крива з температурною вставкою при 70 ?С. (10 МПа для кривих 1-4)

В третьому розділі наведено результати теоретичних і експериментальних досліджень щодо вибору і конструювання триботехнічних засобів, здатних змінювати зазори, які утворюються між поршнем і дзеркалом циліндра через їхнє зношування. Визначено принципову можливість зменшення зазорів, що утворилися через знос, у циліндро-поршневих парах гідромашин шляхом використання пружних металевих трибоелементів і розглянуто варіанти схем їх деформування. Виведено теоретичні залежності, що дозволяють аналітично розрахувати епюри деформації елементів з урахуванням особливостей обраних схем їх навантаження й основних конструктивних параметрів.

Так, у випадку відсутності тиску мастила між дзеркалом циліндра і зовнішньою поверхнею оболонки її деформація має вид кривої 1 на рис. 2.

При урахуванні тиску, що відтискає трибоелемент або оболонку від циліндра, її деформація підкоряється іншій закономірності, що виражається теоретично кривою 2. Однак ця більш імовірна схема деформування приводить до відсутності деформацій на кінці вільного контуру оболонки, що, мабуть, буде позначатися на коефіцієнті конусності і зазорах. Крім того, ці величини повинні залежати від профілю поверхні отвору. Для підтвердження теоретичних висновків було експериментально визначено епюри деформацій пружних елементів у стаціонарних і динамічних умовах для випадків їх комплектації з поршнями в отворах з циліндричними і зношеними стінками. Показано принципову відповідність теоретичних епюр деформації цих елементів експериментальним, що видно при порівнянні кривих 2 і 3 на рис. 2. Деякі зміни їх форми і величини залежать від положення пружного елемента у зношеному отворі і режиму роботи пари.

Аналіз епюр деформацій пружних елементів дозволив висловити головну ідею про необхідність активного управління прогином вільного контуру цих елементів. Запропоновано теоретичні варіанти незалежного прикладання сил, що диференційно змінюють епюри деформації пружних елементів. Отримано узагальнене рівняння (1), яке дозволяє виконувати розрахунки епюр деформації елементів з урахуванням незалежності впливу тиску рідини і температури.

; (1)

Другий доданок у формулі (1) характеризує деформацію елемента від температурної вставки, спрямовану на підняття його вільного контуру. При q_t = K₁?K₂ маємо:

, (2)

; ; ;

р - тиск олії; r - середній радіус елемента; h - товщина стінки;

E і? - модуль пружності і коефіцієнт Пуассона;

;

; .

Тут індекс "в" відноситься до матеріалу вставки, а індекс "с" - до пружного елемента із сталі,? - коефіцієнт температурного розширення. У результаті враховується дія тиску відтискання елемента від стінки циліндра, і коригується деформація вільного контуру елемента з урахуванням незалежності прояву температурного фактору. Таке теоретичне рішення відкриває реальні шляхи для створення деформованого трибоелементу нового типу, але потребувало дослідної перевірки. В результаті проведених експериментів при різних тисках і температурах мастила у статичних і динамічних умовах показана здатність запропонованого комбінованого пружного трибоелементу нового типу (рис. 3 б) до збільшення деформації вільного контуру з відповідним зменшенням крайового зазору і зміною коефіцієнта конусності. Порівняно з практично нульовою деформацією вільного контуру елемента без температурної вставки трибоелемент диференціального типу має істотну перевагу, що видно з кривої 4 на рис. 2.

Рис. 3. Вирізнювальні особливості заводського поршня (а) з пружним елементом (б) і пластичним (в) трибоелементами диференціального принципу дії: 1 - сферична голівка шатуна; 2 - спідниця поршня; 3 - голівка; 4 - пружний елемент; 5 - опорна і захисна втулка; 6 - температурна вставка; 7 - стрижні; частина трибоелементу, що реагує на температуру (8) і тиск (9).

Головними показниками, що мають визначати ефективність функціонування такої системи, повинні бути здатність трибоелементів компенсувати зазори від зносу контртіл, знижувати витоки і підвищувати зносостійкість поверхонь тертя.

В четвертому розділі наведено результати досліджень, що розкривають питання про вплив деформованих трибоелементів поршнів на закономірності зміни зносу чи профілю отворів гідроциліндрів. Розглянуто також шляхи підвищення довговічності комбінованих циліндро-поршневих пар.

Установлено, що наявність пружного деформованого елемента в торцевій частині поршня сприяє, незважаючи на його розкриття під тиском робочої рідини, зменшенню зносу контр тіл до 25 %. Крім такого комбінованого трибоелементу з пружною оболонкою було також вперше запропоновано і випробувано трибоелемент диференціального принципу дії з пластмасовим заповненням (див. рис. 3 в). Незважаючи на різні конструкції обидва типи трибоелементів мають загальну особливість - здатність незалежно реагувати на тиск і температуру масла.

Експериментально доведено, що шляхом підбору пластмас, наповнювачів, зміни їхньої площі і тиску на бронзову поверхню отвору можна не тільки збільшити зносостійкість циліндро-поршневої пари у декілька разів, але й формувати більш раціональний профіль їх робочих поверхонь. При цьому найбільш ефективним (рис. 4) виявився розроблений (рис. 3в) деформований пластмасовий елемент на основі фторопласта чи капролону, що містить добавки графіту, дисульфіду молібдену і цинку.

Прагнення розкрити додаткові шляхи керування процесами самополіпшення профілів контр тіл привело до проведення ряду досліджень. Так, експериментально показано, що поверхнево-активні речовини, введені в гідравлічні масла, приводять до зменшення у декілька разів зносу контртіл циліндро-поршневої групи з відповідним випрямленням епюр зносу, у тому числі в крайових зонах (див. рис. 1, епюри 6, 7). Наявність абразивних часток в мастилі з поверхнево-активними речовинами хоча і приводить до збільшення зносу контртіл, але меншою мірою, ніж без активних домішок. Для зменшення зносу і радіальних зазорів у крайовій зоні на виході поршня з циліндра запропоновано трохи скоротити довжину виступаючої за межі отвору спідниці робочої поверхні поршня, зменшивши її діаметр на 0,5 мм. Експериментально підтверджено позитивний вплив такого заходу на епюри зносу контр тіл (див. рис. 1, епюри 1-3) і особливо при наявності трибоелементу (епюри 1, 3).

Рис. 4. Порівняльна оцінка трибоелементів: пластичні вставки підсумовуючого (1) і диференціального (2) принципу дії (вплив зазору при 20 °С, 20 МПа, АМГ-10); 3 - пружний диференціальний трибоелемент (вплив температури при зазорі 20 мкм, 16 МПа); 4 - диференціальна пластична вставка (вплив температури при зазорі 40 мкм, 26 МПа); 5 - по аналогії з умовами кривої 3, але елемент без температурної вставки; 6 - за аналогією з умовами кривої 3, але при зазорі 30 мкм. Стрілки вказують шкали по витоках.

В результаті показано, що епюрами зношування циліндро-поршневих пар можна керувати з метою підвищення їх довговічності.

П'ятий розділ містить результати теоретичних і експериментальних досліджень довговічності і властивостей циліндро-поршневих пар з трибоелементами з урахуванням профілю і величини зазору, що утворився між поверхнями тертя внаслідок зносу.

Показано, що з ростом температури мастила ефективність роботи пружних елементів (див. рис. 4, крива 5) знижується, що порушило питання про необхідність розробки нових комбінованих трибоелементів диференціального типу, вільних від такого істотного недоліку. У зв'язку з цим, вперше запропоновано і розроблено оригінальні конструкції комбінованих деформованих трибоелементів, що диференційно чи незалежно реагують на зміни тиску і температури мастила (див. рис. 3, б, в). Оцінено основні властивості і порівняльну ефективність роботи двох типів трибоелементів, які функціонують за принципом деформації пружних сталевих оболонок чи в результаті деформації пластмас. Деякі відомості, що підтверджують це наведено на рис. 4.

Шляхом експериментального дослідження зношених циліндро-поршневих пар установлено, що комбіновані вставки з пластмас здатні перекривати у декілька разів більші кільцеві зазори, ніж сталеві елементи (рис. 4, крива 2). Ефективність функціонування комбінованих трибоелементів двох типів підтверджено не тільки проведеними розрахунками і лабораторними експериментами, але й випробуванням на гідромашинах типу 210.25 при різних температурах і вихідних зазорах у парах.

Рис. 5. Вплив трибоелементів на знос, витоки і об'ємний ККД цилиндро-поршневої пари після експресного ремонту і тривалої експлуатації у складі гідромашин 210.25 (16 МПа, 1500 об/хв., 80 °C, АМГ-10, що було в експлуатації, блок із зносом 30 мкм): 1-3 - сумарний знос контр тіл відповідно: з новим поршнем без трибоелемента; з пружним і з пластичним трибоелементом; 4-6 - за аналогією з 1-3 - витоки; 7-9 - об'ємний ККД.

Крім порівняно швидкоплинних досліджень тривалістю до 20 годин було здійснено і тривалі (1500 год.) стендові випробування гідромашин з визначенням зносу контртіл, витоків у циліндро-поршневих парах і об'ємного ККД. У першій серії тривалих випробувань гідромашини були укомплектовані поршнями з двома типами трибоелементів і новими заводськими блоками циліндрів, що створювало немов би аналогію нової заводської продукції, що надсилається споживачу. У другій серії випробувань гідромашини проходили експресний ремонт, під час якого у зношені до 30 мкм отвори гідроциліндрів вставляли шляхом простої заміни поршні з трибоелементами (рис. 5). Обидві серії випробувань тривали по 1500 год. і дозволили установити, що застосування поршнів з пружними трибоелементами диференціального принципу дії знижує знос контр тіл до 25 %, а з пластмасовими компенсаційними елементами - у 2 рази, у зв'язку з чим час експлуатації гідромашин, оцінюваний за довговічністю згаданих вузлів тертя, може бути збільшений у декілька разів із збереженням високих робочих параметрів по витоках, ККД, що видно з кривих 3, 6 і 9. При цьому виявлена парадоксальна властивість трибоелементів з пластмасовим заповненням і добавками до останнього ефективно компенсувати зазори від зносу в циліндро-поршневих парах і підтримувати високі значення об'ємного ККД незалежно від зносу або часу експлуатації до кількох тис. год. після експресного ремонту (криві 6, 9 на рис. 5) навіть при використанні гідравлічного масла, що вже було в експлуатації.

Таким чином, поршні із згаданими трибоелементами дають можливість здійснення відновлювального експрес-ремонту в "польових" умовах, у невеликих майстернях або на суднах у рейсі з одночасним підвищенням довговічності і робочих характеристик. Для швидкого усунення відмов через знос циліндро-поршневих пар у неспеціалізованих умовах необхідно мати набір поршнів з трибоелементами диференціального принципу дії, виготовлених не за збільшеними, а за номінальними розмірами для серійних заводських поршнів. Така заміна поршнів не вимагає обробки отворів у блоках циліндрів, яка може бути здійснена лише на спеціалізованих заводах, але дозволяє істотно підвищити робочі параметри гідромашин, ефективність їх ремонту із збільшенням у декілька разів тривалості їх експлуатації.

ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

1. Вперше запропоновано обґрунтований теоретично й експериментально підтверджений новий підхід до вирішення актуальної проблеми експресного усунення у неспеціалізованих чи експлуатаційних умовах відмов, викликаних надмірним збільшенням через знос зазорів і витоків у циліндро-поршневих парах аксіально-поршневих гідромашин, з одночасним підвищенням їх робочих характеристик і терміну служби.

2. Визначено принципову можливість зменшення утворених при зношуванні в процесі експлуатації змінних зазорів у циліндро-поршневих парах гідромашин шляхом використання розроблених трибоелементів диференціального принципу дії і розглянуто варіанти схем їх деформування.

3. Теоретичний і експериментальний аналіз епюр деформацій пружних трибоелементів дозволив визначити нову головну ідею про необхідність активного управління величиною прогину їх вільного контуру. Запропоновано теоретичні варіанти незалежного прикладання сил, що диференційно змінюють епюри деформацій пружних елементів. Отримано узагальнене рівняння, що дозволяє виконувати розрахунки епюр деформацій трибоелементів з урахуванням незалежності впливу тиску рідини і температур.

4. Установлено вплив епюр зношеності контртіл циліндро-поршневої пари, величини і знаку коефіцієнта конусності, наявності і типу трибоелементів та положення поршня в отворі блоку циліндрів на тиск робочої рідини у змінному зазорі.

5. На основі теоретичних і експериментальних результатів уперше запропоновано і розроблено комбіновані трибоелементи поршнів диференціального принципу дії, що незалежно реагують на зміни тиску і температури мастила. Здійснено порівняльну оцінку ефективності роботи двох типів комбінованих трибоелементів, які функціонують шляхом деформацій пружних сталевих оболонок або пластмас. Показано, що трибоелементи диференціального принципу дії здатні компенсувати наслідки зносу і зменшувати у декілька разів витоки при підвищенні температури масла з навіть одночасним зниженням його тиску.

6. Установлено, що епюрами зносу контртіл можна керувати для утворення більш раціональних шляхом використання поршнів з деформованими трибоелементами, зменшенням діаметра частини довжини спідниці поршня, додаванням присадок поверхнево-активних речовин до гідравлічного масла і застосуванням пластмасових деформованих вставок з капролону або фторопласту, що містять у композиції графіт, дисульфід молібдену та цинк, що у декілька разів знижує знос контртіл.

7. Під час тривалих випробувань циліндро-поршневих пар у складі аксіально-поршневих гідромашин з новими або зношеними до 30-40 мкм отворами у блоках гідро циліндрів установлено, що розроблені пружні трибоелементи диференціального принципу дії здатні зменшувати знос контр тіл до 25 %, а з пластмасовим заповненням - вдвічі, у зв'язку з чим тривалість експлуатації може збільшена у декілька разів.

8. Трибоелементи поршнів з пружною сталевою оболонкою і температурною вставкою здатні працювати у зношених до 30-40 мкм отворах циліндрів, тоді як трибоелементи з пластмасовим заповненням ефективно функціонують при зазорах внаслідок зносу до 80 і більше мкм. Навіт при такому великому зносі реальні кільцеві зазори у парі з урахуванням деформації трибоелементів стають настільки малими, що приводить до багатократного зниження витоків і значного підвищення об'ємного ККД.

9. Здатність трибоелементів диференціального принципу дії з пластмасовим заповненням підтримувати високі робочі характеристики по витоках і ККД незалежно від зносу робочих поверхонь в широких межах при більшій тривалості роботи навіть при їх установці у зношені блоки циліндрів, дозволяє їх рекомендувати при експресному ремонті у неспеціалізованих умовах з акцентуванням не стільки на часі експлуатації, як на довгостроковому збереженні робочих параметрів гідромашин.

10. З метою експресного усунення відмов з одночасним підвищенням робочих характеристик циліндро-поршневих пар гідромашин і їх довговічності вперше пропонується створення і застосування ремонтного комплекту поршнів, оснащених деформованими трибоелементами диференціального принципу дії, які слід використовувати шляхом простої установки їх у зношені отвори блоків циліндрів без спеціалізованих засобів заводської прецизійної обробки отворів. Їх застосування ефективне і для нових аксіально-поршневих гідромашин, що підтверджено перевіркою у виробничих умовах на експериментальних машинах і актами про впровадження та наміри впровадження.

11. Розроблено оригінальний малогабаритний пересувний стенд, що дозволяє в умовах невеликих майстерень, включаючи суднові, здійснювати дефектацію і контроль якості ремонту аксіально-поршневих гідромашин різної продуктивності і типорозмірів, що робить його деякою мірою універсальним.

12. Для здійснення досліджень розроблено або удосконалено методики і засоби випробування і вимірів, що дозволило визначати деформації трибоелементів, одержувати епюри зносу поверхонь при різних умовах випробувань лабораторних зразків і заводських деталей, вимірювати витоки мастила при різних температурах і тисках.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗДОБУВАЧА ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Евдокимов Д.В. Повышение износостойкости и рабочих характеристик цилиндропоршневых пар аксиально-поршневых гидромашин путём использования трибо-элементов // Проблемы техники. - 2003. - № 1. - С. 13-22.

2. Евдокимов Д.В. Сравнительная оценка эффективности функционирования цилиндропоршневых пар аксиально-поршневых гидромашин, оснащенных поршнями с активными компенсаторами зазоров разных типов // Проблемы трибологии (Problems of Tribology). - 2002. - № 1. - С. 160-167.

3. Евдокимов Д.В. Возможность использования эффекта Ребиндера для управления эпюрами износа цилиндропоршневых пар аксиально-поршневых гидромашин // Проблемы техники. - 2002. - № 3. - С. 170-178.

4. Евдокимов Д.В. Повышение рабочих характеристик цилиндропоршневых пар без восстановления размеров изношенных отверстий в блоках цилиндров гидравлических аксиально-поршневых гидромашин // Проблемы трибологии (Problems of Tribology). - 2001. - № 2. - С. 62-65.

5. Евдокимов Д.В. Влияние коэффициента конусности и компенсаторов износа на утечки в изношенных цилиндропоршневых парах гидромашин //Вісник Одеського державного морського університету. - Одеса. - 2000. - № 5. - С. 96-102.

6. Евдокимов Д.В. Передвижной стенд для дефектации и ремонта судовых гидравлических аксиально-поршневых насосов в условиях рейса //Збірник наукових праць УДМТУ. - Миколаїв. - 2000. - № 3 (369). - С. 138-141.

7. Евдокимов Д.В. Влияние профиля износа пары поршень-цилиндр судовых аксиально-поршневых гидромашин на эпюры давления //Судовые энергетические установки: научн. техн. сб. - Одесса: ОГМА. - 1999. - № 4. - С. 28-31.

8. Евдокимов Д.В. Повышение эффективности работы компенсаторов износа цилиндропоршневых пар применительно к аксиально-поршневым гидромашинам //Вісник Одеського державного морського університету. - Одеса. - 1999. - № 4. - С. 20-24.

9. Евдокимов Д.В., Олейник Н.В. Корректирование профиля износа отверстий цилиндров аксиально-поршневых гидромашин //Тема. - 1999. - № 3. - С. 71-74. (Євдокиімов Д.В. - розробка, експеримент, аналіз).

10. Евдокимов Д.В. Восстановление работоспособности цилиндропоршневых пар аксиально-поршневых гидромашин в условиях судовых мастерских //Techologii Moderne. Calitate. Restructurare. - Chisinau: Universitatea Tehnica a Moldavei. - 1999. - C. 281-283.

11. Евдокимов Д.В. Улучшение рабочих характеристик прецизионной пары поршень-втулка путем использования подвижных вставок //Вісник Одеського державного морського університету. - Одеса. - 1998. - № 2. - С. 3-6.

12. Евдокимов Д.В. К вопросу повышения эффективности работы компенсаторов износа прецизионных пар поршень-цилиндр // Тема. - 1998. - № 8. - С. 41-44.

13. Евдокимов Д.В. Повышение рабочих характеристик цилиндропоршневых пар без восстановления размеров изношенных отверстий в блоках цилиндров гидравлических аксиально-поршневых гидромашин //Міжнародна наукова-технічна конференція "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2001)". Тези доповідей. - Хмельницький, 2001. - С. 55.

14. Евдокимов Д.В. Повышение рабочих характеристик цилиндропоршневых пар аксиально-поршневых гидромашин путем использования компенсаторов износа //Міжнародна наукова-технічна конференція "Зносостійкість і надійність вузлів тертя машин (ЗНМ-2000)". Тези доповідей. - Хмельницький, 2000. - С. 52.

АНОТАЦІЯ

Євдокімов Д.В. Підвищення надійності циліндро-поршневих пар тертя гідромашин та експресне усунення відмов, викликаних їхнім зносом. - Рукопис.

Дисертація на здобуття вченого ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.02.04. - Тертя та зношування у машинах. - Технологічний університет Поділля, Хмельницький, 2003.

У роботі розглянутий обґрунтований теоретично й експериментально підтверджений новий підхід до вирішення актуальної проблеми експресного усунення у неспеціалізованих чи експлуатаційних умовах відмовлень, викликаних, внаслідок зношування, надмірним збільшенням зазорів і витоків у циліндро-поршневих парах аксіально-поршневих гідромашин, з одночасним підвищенням їхніх робочих характеристик без обов'язкового використання при відновленні прецизійних видів обробки зношених отворів блоків гідроциліндрів. Визначено закономірності зміни профілів зношування контактуючих поверхонь, зазорів, величин і знака коефіцієнта конусності, тисків і витоків при різних положеннях поршня в циліндрі і терміну наробітку пари. На основі отриманих розрахункових і експериментальних закономірностей запропоновано та сконструйовано вузли тертя з елементами, що спеціально деформуються пружно чи пластично, підсумовуючого та диференціального принципу дії. Встановлені на поршнях, ці елементи здатні зменшувати зазори у зношених блоках гідроциліндрів, виявляючи здатність у багато разів знижувати витоки навіть при підвищених температурах мастила і при малих робочих тисках. З ростом тиску мастила і температури їхня ефективність зростає. Показано шляхи керування робочими характеристиками таких комбінованих пар тертя, включаючи підвищення терміну їхньої служби, що перевірено на модельних зразках і експериментальних гідромашинах, і рекомендовано для впровадження.

Ключові слова: тертя, зношування, надійність, відмовлення, циліндро-поршневі пари, гідромашини, трибоелементи, експресне відновлення.

АННОТАЦИЯ

Евдокимов Д.В. Повышение надежности цилиндро-поршневых пар трения аксиально-поршневых гидромашин и экспрессное устранение отказов, вызванных их износом. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.02.04 - Трение и изнашивание в машинах. - Технологический университет Подолья, Хмельницкий, 2003.

В работе рассмотрен обоснованный теоретически и экспериментально подтвержденный новый подход к решению актуальной проблемы экспрессного устранения в неспециализированных или эксплуатационных условиях отказов, вызванных вследствие износа чрезмерным увеличением зазоров и утечек в цилиндро-поршневых парах аксиально-поршневых гидромашин, с одновременным повышением их рабочих характеристик без обязательного использования при восстановлении прецизионных видов обработки изношенных отверстий блоков гидроцилиндров. Определены закономерности изменения профилей износа контактирующих поверхностей, зазоров, величин и знака коэффициента конусности, давлений и утечек при различных положениях поршня в цилиндре и времени наработки пары. На основе этих закономерностей определена принципиальная возможность уменьшения образовавшихся из-за износа в процессе эксплуатации переменных зазоров в цилиндро-поршневых парах гидромашин путем использования сконструированных узлов трения с упругими металлическими элементами суммирующего принципа действия и рассмотрены варианты схем их деформирования. Выведены теоретические зависимости, позволяющие аналитически рассчитать эпюры деформаций этих узлов трения с учетом особенностей выбранных схем их нагружения и входных параметров.

Теоретический и экспериментальный анализ эпюр деформаций таких упругих трибоэлементов позволил принять новую ведущую идею о необходимости активного управления величиной прогиба их свободного контура. В результате предложены теоретические варианты независимого приложения сил, дифференциально изменяющих эпюры деформаций упругих элементов. Получено обобщенное уравнение, позволяющее выполнять расчеты эпюр деформаций элементов с учетом независимости влияния давления жидкости и температур. На такой теоретической и экспериментальной основе впервые предложены и сконструированы комбинированные узлы трения поршней с дифференциальным принципом действия, которые независимо реагируют на изменения давления и температуры масла. Оценены основные свойства и сравнительная эффективность работы двух типов комбинированных трибоэлементов, функционирующих путем деформаций упругих стальных оболочек или пластмасс. В отличие от металлических или пластмассовых элементов, суммирующих деформации от давлений и температур, элементы дифференциального типа способны уменьшать во много раз утечки при повышении температуры масла с одновременным снижением его давления. При таких режимах работы элементы суммирующего принципа деформирования не столь эффективны, особенно стальные, так как показывают возрастание утечек с уменьшением давления при повышенных температурах. Показано, что эпюрами износа отверстий можно управлять с целью образования более рациональных путем использования поршней с деформируемыми трибоэлементами, уменьшением диаметра части длины юбки поршня, добавлением присадок поверхностно активных веществ к гидравлическому маслу и применением пластмассовых деформируемых вставок из различных композиций. В связи с этим разработана композиция на основе капролона или фторопласта, содержащая графит, дисульфид молибдена и цинк, которая в несколько раз снижает износ отверстий в бронзовых блоках не только в средней части, но и в краевых зонах. Установленные на поршнях элементы дифференциального типа, уменьшают зазоры в изношенных блоках гидроцилиндров, проявляя способность во много раз снижать утечки даже при повышенных температурах масла и при малых рабочих давлениях. С ростом давления масла и температуры их эффективность возрастает. Показаны пути управления рабочими характеристиками таких комбинированных пар трения скольжения, включая повышение срока их службы, что проверено на модельных образцах и экспериментальных гидромашинах.

С целью экспрессного устранения отказов, вызванных с одновременным повышением рабочих характеристик цилиндро-поршневых пар гидромашин впервые предлагается создание и применение ремонтного комплекта поршней, оснащенных деформируемыми трибоэлементами дифференциального принципа действия путем простой их установки в изношенные отверстия блоков цилиндров без использования специализированных средств заводской прецизионной обработки отверстий. Их применение эффективно и для новых аксиально-поршневых гидромашин, что подтверждено проверкой в производственных условиях на экспериментальных машинах и актами о намерениях внедрений.

Ключевые слова: трение, износ, надежность, отказы, цилиндро-поршневые пары, гидромашины, трибоэлементы, экспрессное восстановление, работоспособность.

SUMMARY

Yevdokimov D.V. Increase of reliability of the hydromachines cylinder-piston friction pairs at express elimination of failures caused by their wearing.

Thesis on competition of the scientific degree of the Candidate of Engineering Science by the specialty 05.02.04. - Friction and Wear in Machines. - Technological University of Podolye, Khmelnitskiy, 2003.

In the thesis there is considered the theoretically substantiated and experimentally affirmed new approach to the solution of an actual problem of express elimination in unspecialized or operating conditions of failures caused, due to wearing, by excessive increase of gaps and leakage in precise cylinder-piston pairs of the axial-piston hydromachines, with simultaneous increase of their performance characteristics without mandatory usage at recovery of the precise types of processing of worn openings of the hydraulic cylinder blocks. There are determined the regularity of the contacting surfaces wear profiles changes, gaps, values and sign of the conicity factor, pressure and leakage at different positions of the piston in the cylinder, and operating time of a pair.

On the basis of obtained computational and experimental regularities there are suggested special friction assemblies, of the summarizing and differential principle of operation, being deformed elastically or plastically. Being mounted on the cylinder pistons, they are capable to reduce gaps in worn blocks of hydraulic cylinders, showing ability to reduce leakage many times as large even at heightened oil temperatures and at small specified pressures. With increase of oil pressure and temperature their efficiency also increases. The ways of control of performance characteristics of such combined pairs, including prolongation of their service-life, are outlined, that being checked on model samples and experimental hydromachines, and is recommended for implementation.

Keywords: friction, wear, reliability, failures, cylinder-piston pairs, hydromachines, tribo-elements, express recovery.

Размещено на Allbest.ru