Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 7
1.1. Влияние условий работы машин на надежность гидропривода...7
1.2 Основные показатели, надежности гидроприводов 14
1.3 Исследование абразивного изнашивания 19
1.4 Использование электрообработки рабочих жидкостей для улучшения их противоизносных свойств 22
1.5. Выводы, цели и задачи исследования 27
Глава 2. Теория износа плунжерных гидроагрегатов 29
2.1 Аналитическое определение объемного КПД плунжерной пары 29
2.2 Математическая модель износа плунжерных пар 32
2.3 Теоретические основы методики определения ресурса плунжерных пар гидромашин 44
2.4. Выводы 50
Глава 3. Экспериментальное исследование влияния электрообработки на повышение ресурса гидроагрегатов 51
3.1 Цели, задачи и методика исследования 51
3.2 Влияние температуры и времени релаксации на смазочную способность рабочих жидкостей при их электрообработке 68
3.3 Влияние электрообработки рабочих жидкостей на ресурс гидроагрегатов 74
3.4 Выводы 81
Глава 4 Практические рекомендации и оценка эффективности результатов исследования 83
4.1 Методика инженерного расчета плунжерных пар гидроагрегатов на износ 83
4.2 Оценка эффективности результатов исследования 90
4.3 Выводы 97
Результаты и выводы 98
Литература
- Исследование абразивного изнашивания
- Математическая модель износа плунжерных пар
- Влияние температуры и времени релаксации на смазочную способность рабочих жидкостей при их электрообработке
- Оценка эффективности результатов исследования
Исследование абразивного изнашивания
Такое строение обеспечивает слою достаточную прочность за счет его молекулярного притяжения. Образовавшаяся пленка способна выдерживать высокую нагрузку, а большая длина цепей молекул позволяет им под влиянием скольжения несколько наклоняться и изгибаться, снижая трение. Прочность пленки зависит от наличия в ней активных молекул, их количества и качества.
Минеральные смазочные материалы являются механической смесью неактивных углеводородов и всегда имеют включения органических кислот, смол и других поверхностно-активных веществ [55, 56]. Рабочие жидкости на нефтяной основе на 85...98 % состоят из базового масла, свойства которого улучшают введением присадок. Полярные молекулы компонентов базовых масел определяют многие свойства последних. Несмотря на незначительное содержание именно они придают маслам высокие смазывающие свойства.
Механизм противоизносного действия рабочих жидкостей на нефтяной основе проявляется при рассмотрении процесса взаимодействия их с поверхностями трения. Поверхность металлических деталей представляет собой комбинацию полярных активных и амофильных участков [57]. Для характеристики твердой поверхности используют термин - поверхностное состояние. Оно определяется наличием локализованных вблизи поверхности электронных энергетических уровней, особенно уровней, способных обмениваться или делиться электронами и нелокализованными энергетическими зонами в объеме твердого тела. Локализованные энергетические уровни на поверхности твердого тела могут возникать вследствие разрушения периодичности кристаллической решетки.
Другой причиной возникновения локализованных электронных энергетических уровней могут быть примеси на поверхности металла. Поверхность металла, таким образом, обладает значительной свободной энергией, которая определяется расположенными на поверхности атомами со свободными радикалами, незамещенными связями, создающими силовое электростатическое поле. Энергия межатомных связей в металле составляет 209...418 кДж/молъ, а энергия межмолекулярных связей масел - 4.18-8.37 кДж/молъ [58, 59]. Поэтому агрегаты молекул вблизи поверхности металла распадаются и адсорбируются на ней. Образовавшаяся на поверхности металла тонкая масляная пленка способна выдерживать давление до 100 МПа. Однако силовое поле металлической поверхности ослабевает пропорционально 3...4-Й степени расстояния от нее. Поэтому считают, что влияние поля поверхности металла распространяется на сотни и тысячи ангстрем. Д.М. Толстой, А.С. Ахматов [55] установили, что толщина масляной пленки составляет до 1 мкм. С другой стороны, СМ. Захаров [54] считает, что для исключения контактирования твердых поверхностей пар трения толщина масляного слоя должна превышать KP=Rav+Ki (1-2) Увеличить толщину масляной пленки, а, следовательно, улучшить про-тивоизносные свойства рабочих жидкостей можно введением соответствующих присадок. Это в настоящее время и является основным направлением улучшения свойств смазочных материалов.
По химическому составу присадки представляют собой производные различных органических соединений - алкинов, аминов, дитиофосфорных, ди-тиокарбоминовых, салициловых кислот и некоторых других веществ. Молеку 26 лы присадок состоят из одной или нескольких полярных групп и одной или нескольких неполярных. Полярные группы обуславливают адсорбцию молекул поверхностно-активных присадок на границе между маслом и металлом. Поскольку все присадки являются поверхностно-активными веществами, то независимо от своего функционального назначения они влияют на смазочную способность масла. Однако введение присадок заметно увеличивает стоимость смазочных материалов, к тому же под действием множества факторов присадки "срабатываются", что и влечет за собой замену смазочной жидкости.
Учитывая электрическую природу образования масляной пленки на поверхностях трения, представлялось целесообразным увеличить толщину пленки путем электрообработки рабочей жидкости. Обрабатывая жидкость в электростатическом поле, представляется возможным увеличить заряд поверхностно-активных молекул и тем самым усилить их связь с металлическими поверхностями трения. Эти соображения и легли в основу разработки соответствующего способа и устройства [60], [61]. Принимая во внимание сложность происходящих процессов, их малую изученность, представлялось необходимым изучить происходящие явления при электрообработке рабочих жидкостей экспериментальным путем.
Такое исследование провел В.Б. Косолапов [43]. Результаты его исследования сводятся в основном к следующему. При электрообработке рабочей жидкости заметно увеличивается толщина масляной пленки. Основными факторами, влияющими на увеличение толщины масляной пленки являются, величина напряжения подаваемого на электроды и скорость движения рабочей жидкости в межэлектродном пространстве. Установлены оптимальные параметры электрообработки жидкости. Разработано устройство для электрообработки. Проведенные стендовые испытания аксиально-плунжерных гидронасосов показали, что электрообработка рабочей жидкости позволяет увеличить срок службы насосов в 1.8...2 раза. В целом накопленный им экспериментальный материал подлежит последующей математической обработке. Вместе с тем нельзя не отметить, что В.Б. Косолапов проводил эксперименты лишь с одной рабочей жидкостью, им не изучено влияние температуры рабочей жидкости, влияние релаксации заряда молекул на толщину масляной пленки, поскольку известно, что термическая стойкость пленки относительно невысока. Именно эти пробелы предполагается восполнить в данной работе.
Математическая модель износа плунжерных пар
В качестве рабочей жидкости использовалось масло И-Г-А-32. Для обеспечения при экспериментах требуемой чистоты рабочей жидкости использовалась маслоочистительная установка УМЦ-901 А и естественный загрязнитель, отобранный из баков эксплуатирующихся экскаваторов.
Последний использовался при доведении чистоты рабочей жидкости, обусловленной планом экспериментов. Контроль чистоты рабочей жидкости осуществлялся в соответствии с рекомендациями ВНИИГидропривода [73, 74]. Испытания насосов проводились при установившейся температуре рабочей жидкости равной 50С. Рис. 3.6. Общий вид стенда Рис. Здесь, кроме ранее обозначенных величин, Т - температура рабочей жидкости. В.Б. Косолапов [43] изучал зависимость объемного КПД гидронасосов от концентрации механических примесей и напряжения на электродах устройства, при ее электрообработке. Электрообработка рабочей жидкости осуществлялась так же, как при лабораторном эксперименте (подраздел 3.1). Эксперименты ставились при скорости движения рабочей жидкости в обрабатывающем устройстве 6 м/с. Зависимость объемного КПД от названных факторов имеет вид:
В. Здесь, кроме обозначенных величин, И - величина напряжения подаваемого на электроды устройства для электрообработки рабочей жидкости. Сопоставление расчетных данных по изменению объемного КПД гидронасосов от наработки с приведенными выше результатами экспериментальных исследований позволяют ввести соответствующую корректировку, учитывающую смазочную способность рабочей жидкости. Все ранее проведенные исследования указывают на решающее влияние на скорость тнтливаШйР концентрации механических примесей.
В.Б. Косолапов показал, что при прочих равных условиях существенное влияние на интенсивность износа оказывает смазывающая способность рабочей жидкости, оцениваемая толщиной масляной пленки, адсорбируемой на поверхности трения. Вследствие этого корректировка расчетных зависимостей должна учитывать два фактора: смазывающую способность рабочей жидкости, определяемую толщиной масляной пленки hc и концентрацию механических примесей s в рабочей жидкости. Согласие опытных данных расчетам может быть достигнуто соблюдением условия тэ=Кстр , (ЗЛ2) где тэ, тр - соответственно скорость изнашивания,определяемая экспериментальными данными, и скорость иэдашивания определяемая расчетным путем; кс - коэффициент смазки, учитывающий толщину масляной пленки и концентрацию механических примесей в рабочей жидкости.
Коэффициент смазки кс (hc є) может быть от искомых факторов представлен в виде полинома второго порядка кс = а0 + ахху + а2х2 + аъх\ + а х\ + а5х1х2 , (3.13) где ao...as - искомые коэффициенты уравнения регрессии; X], х2 - кодированные значения факторов соответственно для величин є и К Поиск искомых коэффициентов может быть осуществлен проведением машинного эксперимента при реализации двухфакторного ортогонального плана второго порядка (табл. 3.2).
Пределы варьирования факторов выбираем следующим образом. Со 67 гласно данным работы [43], толщина масляной пленки колеблется в диапазоне 1...1.8 мкм, нижний предел соответствует не обработанной рабочей жидкости, верхний - для обработанной при оптимальных режимах. Рекомендуемый для работы гидропривода диапазон классов частоты рабочей жидкости составляет [74] 12... 14-й класс, что соответствует концентрации механических примесей 0.005...0.008 %. Сказанное и определило уровни варьирования факторов (табл. 3.5).
Для указанных уровней и сочетаний факторов, определяемых планом эксперимента (см. табл. 3.2), значения величины кс устанавливают следующим образом. Как показано выше, коэффициент смазки: Кс = т„ т, (3.14) Из положений второй главы следует, что скорость шнашивания плунжерных пар определяется соотношением: т = (1- ) Л -р2 Пп (3.15) где t - наработка насоса в ч.; /и - вязкость рабочей жидкости; dn,ln,l- соответственно диаметр, длина и ход плунжера; пв - частота вращения вала насоса; Р], Р2 - давление рабочей жидкости перед плунжером и за ним; rjH ,7] - начальное и текущее значение объемного КПД насоса. Данное соотношение может быть использовано для определения величин тэ и тр. Для известных конструктивно-кинематических параметров испытываемых гидронасосов, режимов нагружения, свойств рабочей жидкости для конкретного значения величины t по экспериментальным зависимостям устанавливается величина пэ и далее по равенству (3.15) определяется величина тэ.
Значения величины тр определяется согласно методу, разработанному во второй главе. Исходные данные, принятые в расчетах, помещены в подразделе 2.3. Для оценки влияния толщины масляной пленки на величину кс использовалась зависимость (3.11). Здесь согласно принятым уровням варьирования факторов устанавливалась толщина масляной пленки, и затем определялось соответствующее ей напряжение на электродах. Найденная величина напряжения подставлялась в равенство (3.11), по которому и определялась величина лэ. Расчетное значение величины л в зависимости от толщины масляной пленки устанавливалась пропорционально соответствующему изменению от толщины пленки величины лэ. Расчеты велись для наработки насоса, равной 500 ч. {t 500 ч.). При такой наработке устанавливается относительно стабильная интенсивность износа плунжерных пар и, с другой стороны, она соответствует наибольшему числу отказов в работе гидропривода (см. рис. 1.2).
Влияние температуры и времени релаксации на смазочную способность рабочих жидкостей при их электрообработке
Проведенными экспериментальными исследованиями установлены закономерности влияния времени релаксации противоизносных свойств и температуры на противоизносные свойства рабочих жидкостей при их электрообработке. С увеличением времени релаксации толщина масляной пленки электро-обработанных рабочих жидкостей уменьшается. Через 30...60 мин. эффект от электрообработки жидкости практически исчезает.
С ростом температуры рабочих жидкостей толщина масляной пленки уменьшается. При росте температуры от 20С до 75С толщина масляной пленки уменьшается в 5...1 раз. Вместе с тем отношение толщины масляной пленки для электрообработанных жидкостей к толщине масляной пленки необработанных жидкостей практически не зависит от температуры и при оптимальных режимах электрообработки составляет 1.4... 1.8. Большие значения соответствуют рабочим жидкостям, имеющим большую вязкость.
Установлена математическая зависимость толщины масляной пленки от режимов электрообработки - напряжения на электродах и скорости движения жидкости. Максимальный рост толщины масляной пленки достигается при напряжении на электродах - 1120 В, скорости жидкости - 6,2 м/с.
В соответствии с разработанной методикой обработки экспериментальных данных установлена математическая зависимость для коэффициента, учитывающего смазочную способность рабочих жидкостей при проведении расчетов на износ. Коэффициент смазочной способности масла уменьшается с ростом толщины масляной пленки и увеличивается с ростом концентрации механических примесей. Величина коэффициента лежит в диапазоне 0.25...0.8. Аналитические расчеты изменения объемного КПД гидронасосов, определения их ресурсов с учетом коэффициента смазочной способности рабочей жидкости удовлетворительно согласуются с данными экспериментальных исследований. Расхождение между опытными и расчетными данными не превышают 16%.
Отношение ресурса гидронасосов, работающих на электрообработан-ных рабочих жидкостях, к ресурсу насосов, работающих на необработанных жидкостях, находится практически в прямой зависимости от отношения толщины масляной пленки для электрообработанных и необработанных жидкостей. При оптимальных режимах электрообработки рабочих жидкостей увеличение ресурса гидронасосов составляет 1.4... 1.8 раза. При этом меньшее значение роста ресурса соответствует большей концентрации механических примесей в рабочей жидкости.
Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований позволяют разработать следующую методику расчета ресурса плунжерных пар гидроагрегатов.
Для проведения расчета необходимо иметь исходные данные о величинах параметров приведенные в табл. 4.1.
Важнейшими характеристиками для выполнения расчетов являются твердость поверхностей износа по Бринеллю, НВ. В конструкторских документах используются и другие показатели твердости. Данные позволяющие перейти от других показателей твердости к твердости по Бринеллю, приведены в табл. 4.3 и 4.4. Между твердостью по Бринеллю и временным сопротивлением 7в имеется связь: для меди ав = (0,34...0,48)НВ, латуни ав = (0,41...0,4)НВ, алюминия ств= (0,37 ...0,4)НВ, легированной стали ав = 0,33 ИВ. Данные о рельефе микронеровностей при различных видах обработки поверхностей трения содержит табл. 4.2 [41].
При работе пар трения происходит приработка их поверхностей. Однако шероховатости поверхностей трения не исчезают, а устанавливается "равновесная шероховатость" [40]. В ходе приработки преимущественно уменьшается максимальная высота выступов микронеровностей, увеличивая радиус округления их вершин, что ведет к увеличению фактической площади контакта поверхностей трения. Другие характеристики микропрофиля поверхностей трения изменяются мало, поэтому в дальнейшем при расчетах следует использовать данные табл.4.2.
Оценка эффективности результатов исследования
Разработана методика оценки ресурса плунжерных пар гидроагрегатов на износ при электрообработке рабочих жидкостей, позволяющая определить ресурс плунжерных гидроагрегатов, скорость их изнашивания, изменение объемного КПД от наработки. Приведены необходимые данные по техническим свойствам используемых материалов и микрогеометрии поверхностей трения для различных видов механической обработки. Провидение расчетов возможно с применением ЭВМ.
Предложены аналитические зависимости для ориентировочной оценки ресурса и скорости шнашивания плунжерных пар гидроагрегатов, учитывающие их конструктивно-кинематические параметры.
Для широко используемых в строительной технике плунжерных гидромашин, усредненная интенсивность износа плунжерных пар составляет (0,39...4)10 2 мкм/ч. Меньшие значение интенсивности износа соответствует 12 классу чистоты рабочей жидкости при ее электрообработке, большее значение - 14 классу чистоты рабочей жидкости без электрообработки.
Оценка экономической эффективности результатов работы выполнена применительно к широко используемому в практике гидравлическому экскаватору ЭО-4121. Экономический эффект от использования электрообработки рабочей жидкости образуется за счет увеличения ресурса гидроагрегатов и увеличения производительности машины. Годовой экономический эффект составляет 180...370 тыс. руб., приложение 3. Большее значение эффекта соответствует оптимальным режимам электрообработки рабочей жидкости. Результаты и выводы.
На основе проведенного исследования сформулированы следующие результаты и выводы.
1. Аналитическая зависимость объемного КПД плунжерных гидромашин с учетом основных параметров плунжерной пары, вязкости рабочей жидкости, перепада давлений на плунжере, частоты его работы, величины начального зазора, скорости изнашиванияілунжерной пары и ее наработки позволяет определить ресурс гидромашин.
2. Разработаны математические зависимости для определения интенсивности износа плунжерных пар, учитывающие их конструктивно-кинематические параметры, параметры поверхности трения, рабочей жидкости и механических примесей. Математические зависимости описывают процесс износа при дроблении абразивных частиц в зазоре, разрушения их при потере циклической прочности и прохождении частиц через зазор в плунжерной паре без их разрушения. Применительно к плунжерным гидромашинам, широко используемым в строительной технике, преимущественно реализуются две расчетные схемы: первоначально износ плунжерных пар осуществляется при дроблении абразивных частиц в зазоре, затем при потере ими циклической прочности.
3. Применительно к широко используемым в практике рабочим жидкостям гидроприводов строительных и дорожных машин экспериментально установлены закономерности изменения толщины масляной пленки на поверхностях трения от времени релаксации и температуры при оптимальных режимах электрообработки рабочих жидкостей. Показано, что эффект электрообработки жидкостей исчезает через 30...60 мин. С ростом температуры рабочей жидкости толщина масляной пленки существенно снижается. Вместе с тем отношение толщины масляной пленки для элек-трообработанных жидкостей к толщине пленки для необработанных жидкостей практически не зависит от температуры последних и составляет 1,4... 1,8. Большие значения соответствуют жидкостям, имеющим большую вязкость. 4. Установлена зависимость толщины масляной пленки от режимов электрообработки, согласно которой оптимальными являются: напряжение на электродах - 1120 В, скорость движения жидкости в межэлектродном пространстве -6.2м/с.
5. На основе экспериментальных исследований установлена математическая зависимость коэффициента смазочной способности рабочих жидкостей от толщины масляной пленки и концентрации механических примесей, величина которого находится в диапазоне 0,25...0,8. Чем чище рабочая жидкость и больше толщина масляной пленки, тем меньше коэффициент и лучше смазочная способность рабочей жидкости. Сопоставление расчетов по изменению объемного КПД ресурса плунжерных гидромашин, проведенное с учетом коэффициента смазочной способности рабочей жидкости, с опытными данными показывает, что расхождение между ними лежит в пределах 5-16 %. Показано, что ресурс плунжерных гидромашин практически находится в прямой зависимости от толщины масляной пленки и при электрообработке рабочих жидкостей может быть увеличен в 1,4... 1,8 раза.
6. Разработана методика, алгоритм и программа для ЭВМ оценки изменения объемного КПД, определения ресурса плунжерных гидромашин в зависимости от конструктивно-кинематических параметров плунжерных пар, параметров поверхности трения, рабочей жидкости и механических примесей. Всего учитывается 26 параметров, включая пять новых, введенных в процессе исследования. Предложена также инженерная методика для оценки ресурса плунжерных гидромашин.
7. Показано, что реализация оптимальных режимов электрообработки рабочей жидкости на одном гидравлическом экскаваторе четвертой размерной группы обеспечивает за счет повышения производительности машины и снижения трудоемкости ремонта гидроагрегатов получение годового экономического эффекта в размере 180...370 тыс. руб.
На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований представляется возможным сформулировать следующие направления дальнейших работ: используя положения о механизме абразивного износа и разработанные теоретические положения, целесообразно построить расчетные оценки ресурса сопряжений других агрегатов машин, подверженных абразивному износу; эффект повышения толщины масляной пленки при элекгрообработ-ке рабочих жидкостей целесообразно теоретически и экспериментально изучить применительно к другим эксплуатационным материалам (топливу, моторным и трансмиссионным маслам).
