ОБОСНОВАНИЕ ПЕРСПЕКТИВЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ КОМПОЗИТНЫХ МАТЕРИАЛОВ ДЛЯ ТРИБОСИСТЕМ ГИДРООБЪЁМНОЙ ТРАНСМИССИИ АКСИАЛЬНО-ПОРШНЕВОГО ТИПА ГСТ-90 (ГСТ-112) ЗЕРНОУБОРОЧНОГО КОМБАЙНА

 

RATIONALE PROSPECTS COMPOSITE materials FOR tribosystems hydrostatic transmission axial piston type GST-90 (GST-112) Combine Harvesters

 

Кобец А.С., Армашов Ю.В., Бедин А.С., Когут И.М.

(ДГАУ, г. Днепропетровск, Украина)

Kobets A.S., Armashov Y.V., Bedin A.S., Kogut I.M.

(Dnipropetrovsk state agrarian university, Ukraine)

 

Проанализирована работа гидрообъёмных передач ГСТ-90, ГСТ-112. Рассматриваются пути повышения показателей их технического уровня путем изготовления отдельных деталей подвижных соединений из углепластика на основе фенилона.

 

Analyzed the work hydrostatic transmissions GTS-90 GTS-112. Are considered ways to improve the performance of their technical level by making the individual components of mobile compounds of CFRP based on phenylon.

 

Ключевые слова: гидростатическая трансмиссия, узлы трения, углепластики

Keywords: hydrostatic transmission, friction units, CFRP.      

 

Опыт серийного производства, эксплуатации и сервисного обслуживания гидрообъёмных передач аксиально-поршневого типа ГСТ-90 (ГСТ-112) определил основные сопряжения агрегатов, которые определяют её низкую эксплуатационную надежность и относительно низкий КПД, а именно: латунный распределитель – стальной распределитель; башмаки поршней – опорные поверхности опоры и упора гидронасоса и гидродвигателя; поршни – втулки блоков цилиндров гидронасоса и гидродвигателя.

Причинами нарушения гидростатической смазки в узлах трения гидрообъёмной трансмиссии являются: недостаточная жесткость узла люльки и определенные формы колебаний, обусловленные её установкой на цапфах при  помощи конических подшипников; воздействие на башмаки плунжеров с прижимным диском значительных центробежных и инерционных сил, особенно на транспортных режимах движения комбайна; перекос одной рабочей поверхности относительно другой, вызывающий высокое контурное давление и разрушение масляного шара, что приводит к дополнительным утечкам масла через опоры поршневых пар и, как результат, к износу деталей сопряжений.

Изменение цвета некоторых деталей сопряжений возникает вследствие действия высоких температур и  химических реакций на поверхностях деталей, изготовленных из цветных металлов, – башмаков поршней, втулок блоков цилиндров, латунного распределителя – и, как результат, приводит к износу и деформации этих деталей.

Использование в конструкциях гидрообъёмных трансмиссий специальных композитных материалов, и в первую очередь для изготовления динамично нагруженных деталей пар трения, имеет первоочередное значение [2,3,4,6].  Для этого ведутся научные исследования по замене традиционных материалов деталей сопряжений «латунь (бронза) – сталь (чугун)» на «композит (на основе термопластического углепластика) – сталь» [3,4].

Для улучшения эксплуатационных свойств термопластических углепластиков используют наполнители, наиболее эффективными из которых признаны углеродные волокна. Исследования деталей изготовленных из полиамидов с различным содержанием углеродных волокон [3,4], показали, что они по удельным показателям прочности и жесткости приближаются к металлическим конструкционным материалам, а по износостойкости превышают серийные аналоги более чем в 4-5 раз. Введение в полимеры беспрерывных или дискретных углеродных волокон позволяет создать новый тип  конструкционных материалов – углепластиков. Углепластики отличаются от известных конструкционных материалов соединением таких свойств как высокая удельная прочность и жесткость, низкие коэффициенты линейного термического расширения и трения, высокая износостойкость и стойкость к действию агрессивных сред и термических нагрузок.  Эти свойства отвечают материалам деталей сопряжений гидрообъёмных передач.

В исследованиях предусматривается использование термопластических углепластиков на основе фенилона (предел текучести сжатия – 245-305 МПа, твердость – 67-69 НRа, теплопроводность – 0,27-0,55 Вт/м·К, коэффициент трения – 0,15-0,20).  Для улучшения  характеристик в композицию вводятся различные целевые наполнители: графит, дисульфид молибдена и др. Экспериментальные вкладыши  пар трения, изготовленные из углепластиков, в процессе испытаний показали высокие относительные показатели износостойкости даже при отсутствии смазки [3,4]. Модернизация конструкции гидрообъёмной передачи ГСТ-90, на примере насоса НП-90, приведен на  рис.1.

В результате анализа проведенных исследований по замене пар трения деталей узлов «металл – металл (биметалл)» на «металл – термопластический углепластик» были внесены конструкционные изменения  в сопряжениях агрегатов гидрообъёмной трансмиссии. Вместо стального опорного диска люльки 4 (рис. 2, а) вводится опорный диск 5, изготов­ленный из углепластика,  на основе фенилона (рис. 2, б), что позволило заменить материал сопря­женного с ним башмака поршня, изготавливаемого из латуни, на сталь (рис. 2, д).

При действии значительных рабочих усилий и составляющих центробежных и инерционных сил при определенных скоростных режимах и разры­ве масляного шара на рабочих поверхностях де­талей возникают значительные силы трения, что является источником некоторых форм колебаний люльки, и приводит к повышению температуры дета­лей и их вибрации, и, как результат, к износу де­талей узлов. Поэтому нами предлагается также  замена конических роликовых  подшип­ников цапф на подшипники скольжения из углепластика (рис. 1, а, поз.2).

Рисунок 1- Конструктивные направления усовершенствования гидронасоса:

а) люлька насоса: 1 – цапфа; 2 – композитная втулка подшипника; 3 – стальная втулка подшипника; 4 – люлька; 5 – опорная пластина люльки;    б) опорная пластина люльки; в) блок цилиндров с втулками: 1 – блок; 2 – композитная втулка; г) индивидуальная композитная втулка блока цилиндров;    д) стальной башмак поршня блока цилиндров

 

Экспериментальный подшипник включает наружное стальное кольцо 3 и внутреннее коническое кольцо 2, изготовленное из углепластика.   Конус  сопряженных поверхностей составляет 20°±5ˊ. Внешние стальные кольца подшипников запрессованы в посадочные отверстия люльки, а внутренние, из углепластика, напрессованные на цапфу 1, которая установлена в посадочные отверстия корпуса насоса (рис.1, а). Регулировка  предварительного натяжения в подшипниковых уз­лах осуществляется при помощи прокладок между  корпусом  и  цапфой  (как и в базовой конструкции). Опорная пластина (рис. 2, б) из углеплас­тика  запрессовуется в гнездо люльки с натягом (рис. 1, а, поз.5).

Разработан также вариант установки  кольца  3 люльки (рис. 1, а; рис. 2, поз. 1) из композитного материала. Это даст возможность уменьшить количество деталей узла установки люльки на цапфах, повысить его жесткость и эксплуатационную надежность.

Что касается гидродвигателя, то в его конструкции дополнительно на упоре 1 (рис. 3) при помощи специального клея и фиксирующе­го кольца 2 предусматривается установка опорной пластины 3 из углепластика. Это также дает возможность замены латунного башмака поршня двигателя на башмак, изготовленный из стали,  и этим значительно сократит интенсивность отказов и удешевит изготовление трансмиссии (рис. 1, д). Повышению надежности и долговечности также будет способствовать замена латун­ных втулок блока цилиндров гидронасоса и гидродвигателя на втулки, изготовленные из углепластика (рис. 1, в, поз. 2).

Эту работу предлагается выполнять по двум технологическим вариантам установки втулок. Первый вариант технологии предусматривает формирование одновременно девяти втулок 2 (рис. 1, в) в  блоках цилиндров. Для этого производится  специа­льная подготовка отверстий под втулки с предварительным нанесением шара специального клея. Формирование втулок выполняется в специальном устройстве при помощи технологических поршней при их центрировании и размерах, учитывающих усадку углеплас­тика [3, 4].

 

Рисунок 2- Вариант конструкции установки люльки на цапфах:

1 – кольцо из композитного материала; 2 – цапфа; 3 – люлька

 

Второй вариант технологии – это отдельное фор­мирование втулок из углепластика и последующая их запрессовка в отверстия блока цилиндров (рис. 1, г). Последующая механическая обработка втулок может быть исключена за счет селективного подбора поршней.

 

 

Рисунок 3- Упор:

1 – упор; 2 – фиксирующее кольцо; 3 – опорная пластина из углепластика.

         Использование в конструкции гидрообъемных передач композитных материалов позволит: исключить материалы деталей пар трения из цветных металлов, уменьшить коррозионные процессы, коэффициенты трения в сопряжениях узлов; значительно снизить расход масла для питания гидростатических подшипников и повысить объемный КПД агрегатов; уменьшить инерционные и центробежные силы, улучшить условия работы прижимных пружин насоса и гидродвигателя; повысить жесткость установки люльки на цапфах корпуса насоса; удешевить изготовление и ремонт агрегатов трансмиссии и др.

Список использованных источников

1.Армашов Ю.В. Випробування сільськогоспода техніки на надійність: навч.посібник/ Ю.В.Армашов, П.К.Охмат.-Дніпропетровськ:ДДАУ.-2002.-219с.

2. Абрадушкин А.М. К расчету объемных гидротрансмиссий самоходных сельхозмашин /А.М.Абрадушкин // Тракторы и сельхозмашины. - 1980. - №2. - С.8.

3. Буря О.І. Підвищення технічного рівня гідрооб’ємної трансмісії шляхом удосконалення конструкції та використання композитних матеріалів / О.І. Буря, Ю.В. Армашов, А.С. Бедін // Композитные материалы. - Днепропетровск: ДГАУ,2009. -Т.3. -№1.-С.53.

5.  Т.М. Башта. Объемные гидравлические приводы/ Т.М. Башта, И.Э. Зайченко и др.-М.:Машиностроение,1969.- 628с.

6. Ткаченко В.А. Повышение долговечности тяжелонагруженных деталей аксиально-поршневых машин путем подбора материала / В.А.Ткаченко, Г.Б.Герман//Тракторы и сельхозмашины. - 1983. - №2. - С.29.