TRACTOR’S HYDRAULIC SYSTEM EFFICIENCY DIAGNOSTIC CRITERIA JUSTIFICATION

Full Text

Работоспособность тракторной гидронавесной системы основана на её надежности или, по ГОСТ 27.002-89, свойстве объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, ремонтов, хранения и транспортирования. Данное свойство обосновывается при проектировании, обеспечивается при изготовлении, поддерживается в процессе эксплуатации и восстанавливается при ремонте машины, как технической системы в период её жизненного цикла. В этот период можно выделить три вида источников воздействий энергетического характера, влияющих на техническое состояние системы: - внутренние источники энергии, связанные с рабочими процессами, протекающими в системе и сопряжениях деталей; - действие энергии окружающей среды (внешние условия эксплуатации, включая операторов по управлению, техническому обслуживанию и ремонту системы); - потенциальную энергию элементов системы конструктивно-технологического характера, обеспечивающую достаточный уровень работоспособности технической системы. Для ремонтируемых и неремонтируемых элементов, как правило, устанавливаются предельные состояния как отдельных элементов, так и технической системы в целом. Эти предельные состояния оцениваются диагностическими критериями работоспособности системы. Актуальность исследования методов оценки уровня работоспособности гидронавесных систем тракторов сельскохозяйственного назначения обусловлена расширением функций гидросистем, повышением нагрузочных и скоростных режимов работы, а также разнообразием и постоянным конструктивным совершенствованием основных элементов. Важное практическое значение имеет обоснование рациональных путей повышения работоспособности гидронавесных систем улучшением трибологических параметров поверхностей трения ресурсоопределяющих сопряжений [1, 2]. Цель исследований - обосновать рациональные диагностические критерии оценки работоспособности тракторной гидронавесной системы, учитывающие особенности её основных элементов. Задачи исследований - аналитически оценить рациональные критерии и методы повышения работоспособности отдельных элементов гидронавесных систем и установить их взаимосвязь; методологически определить направление экспериментальной оценки диагностических критериев работоспособности гидросистемы с учетом улучшения трибологических параметров сопряжений в основных элементах системы. Материалы и методы исследований. Для выбора и обоснования рациональных критериев, необходимых и достаточных для оценки работоспособности, была выбрана гидронавесная система трактора МТЗ-1221.2 Минского тракторного завода, включающая характерные функциональные элементы (рис. 1). Рис. 1. Характерные функциональные элементы гидронавесной системы трактора МТЗ-1221.2: 1 - масляный насос; 2 - маслобак; 3 - масляный фильтр; 4 - гидрораспределитель; 5 - силовой регулятор; 6 - соединительные шланги; 7 - гидроцилиндр Работоспособность каждого из элементов гидронавесной системы в процессе эксплуатации характеризуется следующими приведенными критериями: КМ - критерий рабочей жидкости гидронавесной системы, выполняющей одновременно функцию смазочного материала для обеспечения повышения ресурса узлов и сопряжений системы; КН - критерий насосных элементов гидросистемы, обеспечивающих поддержание необходимого рабочего давления в системе, оцениваемых таким показателем как коэффициент объемной подачи, выступающим критерием работоспособности [3]; КР - критерий распределительно-регулирующих элементов, выполняющих функцию управления в гидросистеме гидравлическими потоками при помощи внешнего воздействия; КС - критерий силовых элементов гидравлической системы, обеспечивающих преобразование энергии потока гидравлической рабочей жидкости в механическую энергию выходного звена; КШ - критерий соединительных элементов системы, обеспечивающих гидравлическую взаимосвязь всех составляющих тракторной гидросистемы. Диагностический обобщенный критерий оценки работоспособности тракторной гидронавесной системы КГС включает сумму всех приведенных критериев её элементов: КГС = КМ · bМ + КН · bН + КP · bP + КC · bC + КШ · bШ, (1) где КМ, КН, КР, КС, КШ - приведенные критерии оценки работоспособности элементов гидросистемы; bМ, bН, bР, bС, bШ - коэффициенты уровня значимости каждого из приведенных критериев соответствующих элементов системы. Методическое и экспериментальное обоснование диагностического обобщенного критерия работоспособности тракторной гидронавесной системы КГС является перспективной задачей научных исследований в создании широкой базы экспериментальных данных особенностей и взаимосвязи приведенных критериев основных элементов системы. При этом выделяются две характерные группы приведенных критериев. Диагностической основой критериев силовых КС и соединительных КШ является работоспособность корпусных деталей, манжет, сальников и других соединительных и уплотнительных средств. Уровень их значимости определяется своевременной заменой сменных деталей. В основе работоспособности рабочей жидкости КМ, насосных КН и распределительных КР элементов лежат триботехнические процессы (трение, смазывание и изнашивание ресурсоопределяющих деталей). Уровень значимости критериев КН и КР определяется скоростью изнашивания рабочих поверхностей трения, что влияет на диагностический характер показателей данных элементов системы, где главным является изменение рабочего давления жидкости на разных участках системы. Уровень значимости критерия КМ может быть оценен таким трибологическим параметром как диаметр пятна износа DИ, определяемый на машинах трения. Иными словами, приведенный критерий рабочей жидкости характеризуется напряженностью эксплуатационных условий и интенсивностью изменения ее физико-химических и трибологических свойств. Рациональный уровень критерия КМ гидравлической рабочей жидкости в значительной мере определяется её трибологическими свойствами, характеризующими взаимосвязь критериев КМ, КН, КР. В гидравлических системах сельскохозяйственных тракторов масло выполняет не только роль смазочной среды в трибосопряжениях, 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 гидравлической системы [4, 5]. Перспективными в данном направлении являются использование и центробежная очистка альтернативной растительно-минеральной смазочной композиции (РМСК) на основе рапсового масла с комплексом присадок [6, 7, 8]. Для расчёта практического использования обобщенного критерия работоспособности тракторной гидросистемы при ее диагностике в процессе работы трактора необходимо преобразовать уравнение (1) в следующую зависимость: (2) где ДИО и ДИ - начальное и текущее значения диаметра пятна износа на машине трения; VНО, VРО, VН, VР - начальные и текущие скорости изнашивания деталей насоса и распределителя по содержанию продуктов износа в рабочей жидкости соответственно; РО - начальное значение давления масла на разных участках гидросистемы. РН, РР, РШ, РС - текущие значения давления масла на разных участках гидросистемы; n - число диагностируемых элементов системы. Начальные значения параметров принимаются по технической характеристике тракторной гидросистемы и трибологическим свойствам рабочей жидкости. В связи с преобладанием трения скольжения в сопряжениях основных элементов гидронавесной системы целесообразно добавление графита в качестве присадки к РМСК при эксплуатации гидронавесной системы. Данная проблема решается установкой специальных графитовых щёток на роторе центробежного очистителя, прижимаемых к колпаку центробежными силами. На рисунке 2 представлен горизонтальный разрез центробежного масляного фильтра с расположением графитовых щеток 1 на наружной поверхности крышки 4 ротора 3, закреплённых при помощи винтов 5. Рис. 2. Центробежный масляный фильтр с дозатором присадки: 1 - графитовые щетки; 2 - корпус; 3 - ротор; 4 - крышка; 5 - винты; 6 - колпак Для оценки антифрикционных свойств РМСК как альтернативной рабочей жидкости гидравлической системы был произведён анализ влияния концентрации и размера частиц графита на изменение диаметра пятна износа DИ на четырехшариковой машине трения МАСТ-1. Исследования проводились согласно методике полного факторного эксперимента 32. При проведении испытаний параметром оптимизации был диаметр пятна износа шариков DИ, а двумя входными регулирующими факторами - диаметр частиц графита d и его концентрация по массе C, соответственно. Для обработки результатов исследований использовались программы MathCad 15.0 и Statistica 12.0. Факторы, интервалы и уровни их варьирования на основном, нижнем и верхнем уровнях представлены в таблице 1. Результаты исследований. При анализе процесса добавления графита в РМСК после проведения расчетов с доверительной вероятностью α = 0,95 получено уравнение регрессии в следующем виде: (3) где DИ - диаметр пятна износа, мм; d - диаметр частиц графита, мкм; C - концентрация графита, %. Таблица 1 Интервалы, факторы и уровни варьирования Интервалы и уровни варьирования Факторы диаметр частиц графита х1, мкм концентрация графита х2, % Нижний уровень, Хi = -1 10 0,2 Основной уровень, Хi = 0 30 0,6 Верхний уровень, Хi = 1 50 1,0 Интервал варьирования, li 20 0,4 В результате обработки полученных данных построена поверхность отклика, показывающая изменение диаметра пятна износа в зависимости от диаметра частиц графита и его концентрации (рис. 3). Исходя из экспериментальных данных, установлено, что рациональная концентрация графита составляет С = 0,75 % по массе, а минимальный диаметра пятна износа DИ при такой концентрации обеспечивается частицами диаметром d = 30 мкм. Дальнейшее повышение концентрации С в рапсовом масле не оказывает значительного влияния на уменьшение диаметра пятна износа. С учетом рекомендаций [6] разработан рациональный состав РМСК в качестве рабочей жидкости: 92,35% рапсового масла + 3,7% присадки ДФ-11 + 3,2% присадки ЭФО + 0,75% мелкодисперсного графита. Рис. 3. Поверхность отклика, характеризующая влияние концентрации С и диаметра частиц d графита на диаметр пятна износа DИ Проведенный анализ изменения показателей работы отдельных элементов гидронавесной системы позволил определить рациональные критерии работоспособности и оценки технической характеристики системы: - диаметр пятна износа DИ для оценки трибологических свойств рабочей жидкости, как критерий её работоспособности; - скорость изнашивания деталей гидросистемы; - содержание продуктов изнашивания в рабочей жидкости; - коэффициент объёмной подачи, время повышения и падения давления, утечки рабочей жидкости с учетом типов и характеристик основных насосных и распределительно-регулирующих элементов, характеризующих изменение давления рабочей жидкости на разных участках гидросистемы; - время подъема подъемного механизма с установленной нагрузкой, время оседания нагрузки и ограничительного клапана цилиндра. Заключение. Поисковыми лабораторными и стендовыми исследованиями установлено повышение ресурса сопряжений основных элементов гидросистемы до 15-20% при использовании альтернативной РМСК на основе рапсового масла в комплексе с дозатором присадки при соответствующем снижении экологической загрязненности почвы. Определены рациональные значения концентрации С = 0,75% по массе и размера частиц d = 10-30 мкм графита в составе смазочной композиции и возможность снижения скорости изнашивания деталей в 1,2-1,4 раза. Анализ изменения показателей гидросистемы, характеризующих диагностический критерий её работоспособности при работе в течении 1000 моточасов до замены рабочей жидкости, свидетельствует об их незначительном (2,0-9,1%) отклонении от технических требований. Расчетное значение приведенного критерия работоспособности по формуле (2) составило КГС = 0,92 при допустимом его значении 0,35-0,40 с учетом предельных характеристик системы. Взаимосвязь критериев отдельных основных элементов гидронавесной системы является методической основой для дальнейших исследований и создания базы экспериментальных данных, обеспечивающих оценку уровня значимости отдельных составляющих и обобщенного диагностического критерия с учетом особенностей конструкции и режимов эксплуатации тракторной гидросистемы.

About the authors

O S Volodko

FSBEI HVE Samara SAA

Email: volodko-75@mail.ru
cand. of techn. sciences, associate prof., head of the department «Tractors and Lorries» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

M V Molofeev

FSBEI HVE Samara SAA

Email: max19899891@yandex.ru
post-graduate student of the department «Tractors and Lorries» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

A S Buhvalov

FSBEI HVE Samara SAA

Email: fleischwolf@list.ru
cand. of techn. sciences, engineer of research laboratory «Improving the reliability and efficiency of mechanical systems» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

D N Bazhutov

FSBEI HVE Samara SAA

Email: bazhutov@yandex.ru
engineer of research laboratory «Improving the reliability and efficiency of mechanical systems» 446442, Samara region, settlement Ust’-Kinelskiy, Uchebnaya, 2 str

References

Supplementary files