IMPROVING METHODS JUSTIFICATION AND PERFORMANCE CRITERIA EVALUATION OF TRACTORS HYDRAULIC SYSTEMS

Full Text

Современные технические системы, многочисленными представителями которых являются мобильные энергетические средства (автомобили, тракторы, комбайны и другие специализированные машины), включают широкий комплекс механических, электрических, гидравлических, пневматических и других составляющих. Надежность и четкое взаимодействие данных составляющих определяет уровень работоспособности системы в целом В сельскохозяйственных тракторах все более широкое развитие получает гидравлическая составляющая в форме гидропривода силовых механизмов, гидромеханических передач и гидравлических навесных систем для управления навесными и прицепными машинами и орудиями [1, 2]. Актуальность повышения надежности элементов гидронавесной системы и ее работоспособности определяется напряженностью по срокам полевых работ, широким интервалом изменения нагрузочных и скоростных режимов работы, климатических условий и высоким уровнем запыленности воздуха. Анализ нормативных документов (ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения») и результатов исследований [3, 4], позволяют выделить техническую сущность понятий «надежность» и «работоспособность», а также трибологических параметров функционирования тракторной гидронавесной системы. Если надежность в технике подразумевает «свойство объекта сохранять во времени в установленных пределах значения всех параметров, характеризующих способность выполнять требуемые функции в заданных режимах и условиях применения, технического обслуживания, хранения и транспортирования», то работоспособность - это состояние объекта, при котором значения всех параметров, характеризующих способность выполнять заданные функции, соответствуют требованиям научно-технической и (или) конструкторской (проектной) документации. Таким образом, работоспособность технической системы в сравнении с её надежностью дополняется готовностью выполнять заданные функции с учетом наличия необходимых внешних факторов. Однако в обоих случаях определяющими критериями, характеризующими ресурс технической системы, являются параметры режимов трения, смазывания и изнашивания. Современный подход к оценке данных процессов базируется на анализе триботехнической системы ресурсоопределяющих сопряжений, сборочных единиц и механизмов. Цель исследований - методологическое обоснование способов улучшения и оценки критериев работоспособности тракторных гидронавесных систем. Рабочая гипотеза исследования основана на улучшении критериев работоспособности гидросистемы путем использования альтернативной растительно-минеральной рабочей жидкости на основе рапсового масла и модернизации метода её очистки центробежным фильтром с порционным легированием трибологическими присадками. Задачи исследований - обосновать методологические этапы исследования критериев оценки работоспособности основных элементов гидронавесной системы; оценить эффективность модернизации тракторной гидросистемы с использованием центробежного очистителя и альтернативной рабочей жидкости на растительной основе. Материалы и методы исследований. Обзор литературных источников свидетельствует о том, что в прошлом веке и начале нового столетия в анализе функционирования и исследования режимов трения, смазывания и изнашивания сформировались научные направления и понятия: химмотология, трибология, триботехника, трибосопряжение, триботехническая система, которые базируются на исследованиях таких ведущих отечественных и зарубежных ученых, как Б. В. Дерягин, Н. П. Петров, П. А. Ребиндер, И. В. Крагельсктй, Б. И. Костецкий, А. И. Петрусевич, М. М. Хрущев, Н. А. Буше, Д. Н. Гаркунов, Д. Г. Громаковский, Д. С. Коднир, В. В. Матвеев, А. П. Уханов, А. В. Чичинадзе, Р. М. Матвеевский, Ф. Боуден, Г. Польцер, О. Рейнольдс, Д. Тейбор и др. Трибологическая система, характеризующая часть свойств любой технической системы, рассматривает трибологическое взаимодействие четырех основных составляющих: контакт двух поверхностей трения деталей ресурсоопределяющего сопряжения, масло и окружающая среда трибосопряжения. В гидронавесной системе сельскохозяйственных тракторов масло выполняет не только роль смазочной среды в 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 гидросистемы [5]. Методика данного исследования включает анализ и выбор рациональных критериев, достаточных и необходимых для оценки работоспособности тракторной гидронавесной системы, и способов её повышения с учетом реальных условий эксплуатации. Анализ работы элементов гидронавесной системы (гидравлических и силовых) направлен на обоснование приведенного критерия работоспособности гидросистемы с учетом значимости параметров отдельных элементов. Основными элементами системы являются: - гидравлическая жидкость, выполняющая бифункциональную роль смазочного материала для поверхностей трения и рабочей жидкости в цилиндрах силовых устройств с критерием работоспособности РМ; - насосные элементы, обеспечивающие необходимое и стабильное рабочее давление жидкости на всех режимах работы системы с критерием работоспособности РН; - распределительно-регулирующие элементы, управляющие режимами работы системы с критерием работоспособности РР; - силовые элементы (цилиндры, механизмы навески, прицепы и т.д.), исполняющие основные силовые функции системы с критерием работоспособности РС; - соединительные элементы (шланги, патрубки, штуцеры и т.п.), обеспечивающие гидравлическую взаимосвязь всех элементов системы с критерием работоспособности РШ. В качестве аддитивного показателя работоспособности можно принять сумму приведенных критериев работоспособности элементов гидросистемы (РГС): (1) где РМ, РН, РР, РС, РШ - критерии работоспособности отдельных элементов системы; αМ, αН, αР, αС, αШ - уровень значимости критериев соответствующих элементов (по характеристикам отказов, ресурса и др.). Выражение (1) характеризует определенные задачами исследования методологические этапы оценки комплексного влияния основных элементов гидросистемы на предусмотренные в ГОСТ 27.002-89 «Надежность в технике. Основные понятия. Термины и определения» показатели ее работоспособности. Данная оценка требует широкой и всесторонней базы экспериментальных данных взаимосвязи критериев основных элементов гидравлической системы. Приведенные критерии РН, РР, РС и РШ, с учетом их уровня значимости, характеризуют работоспособность элементов системы, связанную с изнашиванием деталей, снижением рабочего давления и параметров выполняемых операций, нарушением взаимосвязи элементов системы. Приведенный критерий рабочей жидкости (РМ) характеризуется напряженностью эксплуатационных условий и интенсивностью изменения физико-химических и трибологических свойств (старение рабочей жидкости). В гидравлических системах сельскохозяйственной техники в качестве рабочей жидкости широко используется минеральное масло: гидравлическое или, в большинстве случаев, моторное. Напряженность работы гидравлической жидкости в системе зависит от потребляемой мощности насоса (NН), среднего рабочего давления в силовом цилиндре (РЦ), частоты рабочих режимов в системе (nР) и объема рабочей жидкости (VМ), что можно выделить удельным безразмерным показателем: (2) Показателем изменения физико-химических и трибологических свойств рабочей жидкости в первую очередь выступает скорость изнашивания ресурсоопределяющих сопряжений в основных элементах системы. При этом изменяются вязкость, кислотное и щелочное число жидкости, снижается содержание и эффективность присадок, повышаются концентрация механических примесей и интенсивность абразивного изнашивания. В данной работе основное внимание для развития метода аддитивной оценки работоспособности тракторных гидросистем уделено анализу результатов использования альтернативной растительно-минеральной рабочей жидкости с обоснованием рационального состава и режимов работы. Исследование режимов работы тракторных гидросистем позволяет выделить ряд эффективных направлений повышения их работоспособности. § Использование растительно-минеральных смесей на основе рапсового масла в качестве альтернативной гидравлической рабочей жидкости. По данным исследований [6, 7] растительно-смазочная композиция, содержащая 88,9% рапсового масла + 3,7% присадки ДФ-11 + 3,2% присадки ЭФО +4,2% мелкодисперсного графита, по трибологическим характеристикам соответствует товарным минеральным маслам М-10Г2 и МГЕ-46В, используемым в гидравлических системах сельскохозяйственной техники. Оценка критериев работоспособности гидросистемы за период наработки 1000 моточасов, на примере тракторов МТЗ-82, показала, что их изменение не выходило за пределы допустимых значений (табл. 1). Приведенные результаты исследований позволяют сделать вывод о возможности и перспективах использования растительно-минеральных смесей на основе рапсового масла в качестве рабочей жидкости в гидравлических системах сельскохозяйственных тракторов. При этом, учитывая быструю биоразлагаемость растительных компонентов рабочей жидкости в почве, представляется возможность сохранить плодородие почвы. Таблица 1 Изменение показателей работоспособности гидросистемы Наименование показателя Значения параметров α до испытаний после испытаний допустимое Подача насоса, л/мин 45 43 30 0,13 Давление открытия клапанов, МПа: - возврата золотника - предохранительного 12,0 13,9 11,6 13,8 9,0-12,0 12,5-14,5 0,04 0,01 Время подъема / опускания, с 3,5/1,5 3,6/1,5 4,0/2,0 0,03 Усадка поршня цилиндра, мм 14 15 25 0,09 Примечание: α - уровень изменения показателей работоспособности гидросистемы. § Повышение уровня фильтрования гидравлической рабочей жидкости центробежным очистителем в нагнетательной линии с использованием клапана - делителя потока и обогащением жидкости противоизносными присадками [6]. Эффективность данного технического решения заключается в повышении ресурса основных элементов гидросистемы за счет «реализации непрерывного процесса очистки рабочей жидкости центробежным фильтром с одновременным улучшением её трибологических характеристик введением необходимой концентрации модифицированного ультрадисперсного порошка графита (меди)». Рациональный уровень фильтрования целесообразно оценивать по данным аналитических расчетов процесса центробежной очистки рабочей жидкости методом конечных элементов в программе вычислительной гидродинамики (CFD). По результатам исследований [7] размеры центрифуги для гидросистемы трактора типа МТЗ-82 характеризуются высотой Н = 137 мм и диаметром D = 148 мм ротора. При этом должны быть учтены размеры трибологических добавок в жидкости и характерные для условий эксплуатации размеры абразивных частиц. § Улучшение герметичности и снижение воздухообмена емкости рабочей жидкости с окружающей средой. Воздухообмен при работе гидросистемы вызван перемещением жидкости в системе, что способствует проникновению абразивных частиц во внутренний объем системы и абразивному изнашиванию деталей насосных и распределительно-регулирующих элементов. Эффективными методами решения данной проблемы являются совершенствование конструкции уплотнений, улучшение работы сапунов и оборудование гидросистемы компенсатором герметичности [8]. Таким образом, обобщая выделенные направления повышения работоспособности тракторных гидросистем можно определить основные методы их модернизации: - использование растительно-минеральной смеси на основе рапсового масла в качестве рабочей жидкости в гидросистеме; - применение центробежной очистки рабочей жидкости с порционным её легированием ультрадисперсными модификаторами трения пропорционально напряженности работы жидкости в системе; - обеспечение герметичности элементов системы, исключение утечек жидкости и попадание в неё абразива. Результаты экспериментальных исследований [9] показали, что разработанный состав рабочей жидкости на основе рапсового масла соответствует требованиям, предъявляемым к гидравлическим маслам и способствует снижению изнашивания поверхностей трения. Эффективной является центробежная очистка рабочей жидкости на уровне нагнетательной линии системы с порционным добавлением ультрадисперсных модификаторов трения пропорционально напряженности работы жидкости. Расчетами определены рациональные конструктивные параметры центрифуги (высота ротора Н = 137 мм и диаметр D = 148 мм) для гидросистемы трактора типа МТЗ-82 с учетом характеристики механических (абразивных) примесей. Годовой экономический эффект модернизации гидросистемы составляет 7,0 тыс. руб. на один трактор. Заключение. Аналитически обоснованы методологические этапы исследования критериев оценки работоспособности на основе рациональных методов и способов улучшения режимов работы основных элементов гидронавесной системы: рабочая жидкость; насосные, распределительные, силовые и соединительные элементы. Определены задачи экспериментальных исследований работы элементов тракторной гидронавесной системы с целью накопления базы данных для оценки показателя напряженности работы гидравлической жидкости и приведенных критериев элементов системы.

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

D N Bazhutov

FSBEI HVE Samara SAA

Email: bazhutov@yandex.ru
engineer of research laboratory 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

N V Nazarova

Samara SUMC

Email: max19899891@yandex.ru
cand. of techn. sciences, associate professor of the department «Mechanics» 446442, Samara, lane Bezymyannyi, 1-nd, 18

References

Supplementary files