Determination of Nominal Dimensions and Permissible Variations in Dimensions of Critical Parts of Foreign Machinery Units

Full Text

Введение

В период 2005–2015 гг. Российская Федерация активно закупала энергонасыщенную и высокопроизводительную технику зарубежного производства. В гарантийный период эксплуатации, в среднем 3–5 лет, проблемы с техническим обслуживанием и ремонтом вышедшей из строя техники решали дилерские центры производителей. По истечении гарантийного периода с техническим обслуживанием и ремонтом возникали сложности. Дилерские центры частично решают обозначенную проблему: осуществляют замену (продажу) новых агрегатов или необходимых запасных частей за большую стоимость. Однако в большинстве случаев, не имея достаточных финансовых средств, проблему технического обслуживания и ремонта в постгарантийный период решали собственными силами и средствами эксплуатирующих организаций.

Введение в 2014–2022 гг. санкций привело к существенному сокращению импорта новых агрегатов и запасных частей для технического обслуживания и ремонта. Из-за этого большинство дилерских центров закрылось. Это серьезно обострило ситуацию с техническим обслуживанием и ремонтом зарубежной техники. Выход видится в разработке новых технологий технического обслуживания и ремонта зарубежной техники или адаптации существующих отечественных технологий. Однако без технической (конструкторской) документации, являющейся коммерческой тайной заводов-изготовителей, решить данную задачу невозможно. Поэтому актуальным является исследование, направленное на определение номинальных значений размеров и допускаемых отклонений ответственных деталей агрегатов зарубежной техники.

Одной из наиболее сложных и дорогостоящих систем в современной энергонасыщенной зарубежной технике является привод ходовой части, включающий в свое конструктивное исполнение сложные аксиально-поршневые гидроагрегаты: гидронасос и гидромотор. Данные гидроагрегаты образуют единую замкнутую систему – объемный гидропривод, от технического состояния которого во многом зависят надежность и эксплуатационные показатели техники.

По результатам проведенных ранее исследований установлены наиболее распространенные в РФ модели объемных гидроприводов: ОАО «Пневмостроймашина», Россия, и Hydrosila, Украина, (модели ГСТ-90, ГСТ-112 и PVH/MFH-112) – 65,7 %; Sauer-Danfoss, Германия, – 24,5 % (90R100 и 90M100); Eaton, США, – 3,4 % (6423-618 и 6433-113); Linde, Германия, – 5,4 % (BMV 70R и BMF75); Bosch Rexroth, Германия, – 0,99 % (AA4VG90 и A2FM90)¹.

Объемный гидропривод PVH/MFH-112 компании Hydrosila является отечественным аналогом объемного гидропривода ГСТ-90, -112 производства ОАО «Пневмостроймашина». Данные гидроприводы детально изучены, есть конструкторская документация, известны технологические зазоры в ответственных соединениях, определены причины потери их работоспособности, разработаны технологические рекомендации по их диагностированию, техническому обслуживанию и ремонту².

В настоящее время интерес для исследования представляют зарубежные объемные гидроприводы. Мало данных о причинах потери их работоспособности, они существенно отличаются в конструктивном исполнении отдельных деталей и соединений. Наиболее распространенным зарубежным производителем в РФ является компания Sauer-Danfoss с объемным гидроприводом серии 90 (гидронасос марки 90R100 и гидромотор 90M100)³. Этот гидропривод выбран в качестве объекта исследований.

Цель исследования – определить номинальные значения размеров и допускаемые отклонения деталей в ресурсолимитирующих соединениях объемного гидропривода зарубежного производства.

Обзор литературы

Объемный гидропривод компании Sauer-Danfoss серии 90 нашел широкое применение в конструкциях отечественной и зарубежной техники сельскохозяйственного (Acros 530, 580; Torum 740; RSM-161; RSM-1401)⁴ [1], дорожно-строительного (Volvo Construction G-900; Ammann AV 70X; Case 885 B AWD; Doosan DX255NLC-5) [2–6] и коммунального (JCB 4CX ECO; МКСМ-800; Nilfisk City Ranger 3500; ПУМ-5021) назначения [7–13].

Критерием предельного состояния (критерием оценки работоспособности) объемного гидропривода является снижение величины объемного КПД (η_об) гидронасоса/гидромотора на номинальных режимах работы более чем на 20 % от нормативного (паспортного) значения⁵ [1–4].

В исследованиях отмечено, что ресурсолимитирующими соединениями, вносящими значительный вклад в снижение величины объемного КПД гидроприводов ГСТ Hydrosila, являются «поршень – втулка»; «золотник – корпус», «распределитель 1 – распределитель 2» гидронасоса/гидромотора объемного гидропривода. Для восстановления работоспособности данных гидроприводов существует технология ремонта⁶. Восстановить изношенные детали аналогичных соединений зарубежных объемных гидроприводов, например Sauer-Danfoss, не представляется возможным, прежде всего, из-за отсутствия данных о номинальных конструкторских размерах и допускаемых отклонениях деталей и значениях технологических зазоров в соединениях.

В настоящее время для определения размеров ответственных деталей в машиностроении используют два подхода: статистический и расчетно-аналитический.

Статистический подход позволяет определить среднее значение размеров деталей и допускаемых отклонений в исследуемых соединениях агрегата на основании сбора, обработки и анализа большой выборки новых деталей. Определение количества деталей для проведения исследований осуществляют с доверительной вероятностью 0,80–0,95⁷. Достоинство данного метода заключается в высокой точности получаемых результатов [14; 15]. Недостаток метода – в сложности его реализации, связанной с необходимостью большого количества новых исследуемых деталей [16–19].

Расчетно-аналитический подход основан на методе размерного анализа деталей путем построения и решения размерных цепей соединения. В качестве достоинства авторы отмечают простоту, наглядность и доступность данного метода без применения сложного математического аппарата и 100-процентную вероятность попадания допусков исследуемых деталей в заданные пределы [20–22].

Недостаток метода обусловлен необходимостью наличия некоторого количества исходных данных для расчета. Например, при отсутствии величин зазоров в соединениях объемного гидропривода определить номинальные размеры и допускаемые отклонения исследуемых деталей данным методом невозможно.

Таким образом, можно сделать вывод, что ни один из существующих методов не позволяет достигнуть заявленную цель. Поэтому предлагается применить комплексный подход – комбинацию экспериментальных исследований (стендовые испытания) и метода размерного анализа. Стендовые испытания нового объемного гидропривода Sauer-Danfoss позволят установить величины зазоров в соединениях, а размерный анализ достоверно определить значения номинальных размеров и допускаемых отклонений деталей ресурсолимитирующих соединений.

Материалы и методы

Контроль технического состояния объемного гидропривода Sauer-Danfoss проводят по наиболее важным параметрам диагностирования: подача/расход рабочей жидкости, рабочее давление, крутящий момент, температура рабочей жидкости и КПД (полный, гидромеханический и объемный). При этом величина объемного КПД является критерием оценки работоспособности диагностируемого объекта.

Объемные КПД отдельных гидроагрегатов (гидронасоса η^н_об.пр. / гидромотора η^м_об.пр.) объемного гидропривода определяются исходя из следующих выражений:

η^н_об.пр. = (η^н_об.нов. – 0,2 · η^н_об.нов.) = (0,95 – 0,2 · 0,95) = 0,76,       (1)

η^м_об.пр. = (η^м_об.нов. – 0,2 · η^м_об.нов.) = (0,95 – 0,2 · 0,95) = 0,76,       (2)

где η^н_об.нов. = 0,95 – объемный КПД нового гидронасоса; η^м_об.нов. = 0,95 – объемный КПД нового гидромотора.

Таким образом, падение объемного КПД ниже предельного значения (η_об.пр. = 0,76) говорит о том, что объемный гидропривод непригоден к дальнейшей эксплуатации вследствие больших утечек рабочей жидкости из-за износов деталей и увеличения зазоров в его соединениях.

Для определения влияния на работоспособность (величину объемного КПД) объемного гидропривода значений износов деталей и зазоров в соединениях проводили серию стендовых испытаний на специализированном стенде с гидравлическим нагружающим устройством, разработанным в рамках реализации программы «У.М.Н.И.К.» (Фонд содействия инновациям, проект № 0038566, № гос. рег. 12454ГУ/2017)⁸. Параметры диагностирования испытуемых объемных гидроприводов контролировали с помощью разработанного специализированного программного обеспечения (свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2019614369) в режиме реального времени. Контролируемые параметры сравнивали с регламентированными, установленными заводами-изготовителями.

Стендовые испытания разделили на две группы. Первая группа включала в себя однофакторные (пассивные) эксперименты. Вторая группа – многофакторные (активные) эксперименты.

Однофакторный эксперимент проводили для трех значимых соединений объемных гидроприводов Hydrosila и Sauer-Danfoss. Первый этап посвящен влиянию на объемный КПД зазора в соединении «поршень – втулка». Эксперимент начинали от технологического (минимального по конструкторской документации) зазора z = 25 мкм для нового объемного гидропривода Hydrosila с шагом 10–15 мкм до падения величины КПД ниже предельного значения. Увеличения зазора добивались механической обработкой рабочих поверхностей поршней. Для объемного гидропривода Sauer-Danfoss значение технологических зазоров неизвестно, поэтому принимали минимальные значения, полученные перекомплектовкой новых деталей, z = 10 мкм. Величины зазоров и износы деталей в других соединениях испытуемых объемных гидроприводов принимались постоянными, равными минимальным значениям, полученным перекомплектовкой новых деталей или соответствующим шероховатости их поверхностей.

Второй этап посвящен влиянию на объемный КПД зазора в соединении «золотник – корпус». Эксперимент начинали от минимального технологического зазора z = 8 мкм для нового объемного гидропривода Hydrosila с шагом 4–15 мкм до падения величины КПД ниже предельного значения. Увеличения зазора добивались механической обработкой рабочих поверхностей золотников. Для объемного гидропривода Sauer-Danfoss значение технологических зазоров неизвестно, поэтому принимали минимальные значения, полученные перекомплектовкой новых деталей, z = 4 мкм. При этом износы в соединениях «распределитель 1 – распределитель 2» (Hydrosila) и «блок с напайкой – распределитель» (Sauer-Danfoss) испытуемых объемных гидроприводов принимались постоянными, равными минимальным значениям, соответствующим шероховатости поверхностей новых деталей. Зазоры в соединениях «поршень – втулка» (Hydrosila и Sauer-Danfoss) соответствуют минимальным значениям, полученным перекомплектовкой новых деталей.

Третий этап посвящен влиянию суммарной площади износа в соединении «блок с напайкой – распределитель» (Sauer-Danfoss) и «распределитель 1 – распределитель 2» (Hydrosila) на объемный КПД гидронасоса. Площади износов распределителей определяли по профилограммам, полученным с использованием профилографа-профилометра «Тэйлор Хобсон»⁹.

Во второй группе стендовых испытаний проводили многофакторный эксперимент по методике, представленной в других работах¹⁰. Цель эксперимента заключалась в получении регрессионных моделей влияния значимых факторов на параметр оптимизации – объемный КПД при номинальных значениях рабочего давления. Определение значений износа деталей и зазоров в ресурсолимитирующих соединениях зарубежного объемного гидропривода Sauer-Danfoss, соответствующих величинам объемного КПД нового гидропривода 0,95 и 0,98, проводили оптимизацией регрессионных моделей методом крутого восхождения¹¹.

На основе найденных значений зазоров выполнили расчет номинальных размеров и допускаемых отклонений деталей ресурсолимитирующих соединений методом размерного анализа [16–22].

Схемы ресурсолимитирующих соединений объемного гидропривода Sauer-Danfoss представлены на рисунке 1.

 

 

 

Рис. 1. Схемы ресурсолимитирующих соединений объемного гидропривода Sauer-Danfoss:
а) соединение «поршень – втулка» гидропривода Sauer-Danfoss;
b) соединение «золотник – корпус» гидропривода Sauer-Danfoss

Fig. 1. Schemes of critical parts connections that affect efficiency of the volumetric hydraulic drive
Sauer-Danfoss: a) connection “piston – sleeve” in the hydraulic drive Sauer-Danfoss;
b) connection “spool – case” in the hydraulic drive Sauer-Danfoss

 

Данные соединения однотипные, состоят из двух составляющих звеньев и замыкающего звена (см. рис. 2).

 

Рис.  2.  Общая схема размерной цепи соединений:

А₁ – диаметр отверстия в корпусной детали (блоках цилиндров, задней крышке); А₂ – диаметр вала (поршня или золотника)

Fig.  2.  General scheme of the dimensional chain of connections:

А₁ – diameter of the hole in the body part (cylinder blocks, back cover); А₂ – diameter of the shaft (piston or spool)

 

В рассматриваемых размерных цепях известны предельные значения замыкающих и номинальные размеры составляющих звеньев, следовательно, решалась прямая задача размерной цепи. При этом использовали метод полной взаимозаменяемости и способ расчета максимума-минимума, чтобы требуемая точность зазоров в соединениях обеспечивалась при самых неблагоприятных сочетаниях составляющих звеньев без каких-либо дополнительных операций в виде подбора или пригонки.

Расчет звеньев проводился на основании РД 50-635-87 в следующей последовательности:

1. Определили нижнее А_0н и верхнее А_0в предельные отклонения замыкающих звеньев.
2. Нашли координаты середины А_0с полей допусков замыкающих звеньев согласно следующему выражению:

        $A_{0\text{c}}=\frac{A_{0Н}+A_{0В}}{2}.$         (3)

3. Далее определили поля допусков замыкающих звеньев T₀:

         $T_0=A_{0В}-A_{0Н}.$         (4)

4. Нашли среднее число единиц допуска составляющих звеньев α_с:

         ${\alpha }_{С}=\frac{{Т}_0}{i_{з1}+i_{з2}}.$           (5)

где i_з1 и i_з2 – единица допуска составляющих звеньев по ГОСТ 25347-82¹².

5. По полученным значениям α_с определяем квалитеты составляющих звеньев, назначаем основные отклонения по ГОСТу¹³. Далее проводили проверочный расчет.
6. Определили допуск замыкающего звена с учетом принятых составляющих звеньев T₀^пров:

        ${Т}_0^{пров}=T_1+T_2.$         (6)

где Т₁ и Т₂ – допуски звенев 1 и 2.

7. Назначения допусков проверяли исходя из выполнения условия:

      $T_0\ge T_0^{пров}$ 

Расчет размерных цепей с корректирующими звеньями проводился в следующей последовательности.

8. Если проверочные условия не выполняются, то прибегают к решению размерных цепей с корректирующими звеньями, расчет включал в себя следующие шаги:

– в качестве корректирующих звеньев назначались звенья А_2кор;

– определяли допуск корректирующего звена T_2кор:

      T_2кор = T₀ + T₁.                (7)

– по полученным значениям допусков назначались квалитеты корректирующих звеньев и величины предельных отклонений (основные отклонения звеньев прежние);

– находили допуск замыкающих звеньев с учетом допусков корректирующих звеньев $T_{0кор}^{пров}$ :

       $T_{0кор}^{пров}=T_1+T_{2кор}.$      (8)

– проверяли правильность назначения допусков с учетом корректирующих звеньев.

 

Результаты исследования

Результаты первой группы стендовых испытаний объемных гидроприводов представлены на рисунках 3–5.

На рисунке 3 представлено изменение величины объемного КПД η_об для зарубежных объемных гидроприводов Sauer-Danfoss и Hydrosila от зазоров в соединении «поршень – втулка».

 

 

Рис. 3. Изменение объемного КПД ηоб от зазора в соединении «поршень – втулка» z_пор:
η_об.нов. – максимальное значение объемного КПД при минимальном технологическом зазоре
в соединении нового гидропривода Hydrosila; 0,76 – предельное значение объемного КПД;
1 – зазор, соответствующий η_об.нов. для гидропривода Sauer-Danfoss (z_{пор.нов.1} = 15 мкм);
2 – зазор, соответствующий η_об.нов. для гидропривода Hydrosila (z_{пор.нов}.₂ = 25 мкм);
1' – зазор, соответствующий η_{об.пред.} для гидропривода Sauer-Danfoss (z_{пор.пред.1'} = 97 мкм);
2' – зазор, соответствующий η_{об.пред.} для гидропривода Hydrosila (z_{пор.пред.2'} = 140 мкм)

Fig. 3. Change in the volumetric efficiency caused by a clearance in the connection “piston – sleeve”
z_пор: η_об.нов. – maximum value of volumetric efficiency with a minimum technological clearance in the
connection of the new hydraulic drive Hydrosila; 0.76 – limit value of volumetric efficiency;
1 – clearance corresponding to η_об.нов. for hydraulic drive Sauer-Danfoss (z_{пор.нов.1} = 15 μm);
2 – clearance corresponding to η_об.нов. for hydraulic drive Hydrosila (z_{пор.нов.2} = 25 μm);
1' – clearance corresponding to η_{об.пред.} for hydraulic drive Sauer-Danfoss (z_{пор.пред.1'} = 97 μm);
2' – clearance corresponding to η_{об.пред.} for hydraulic drive Hydrosila (z_{пор.пред.2'} = 140 μm)

 

Анализируя рисунок, можно сделать вывод, что при максимальном значении величины объемного КПД η_об.нов. величина зазора в соединении «поршень – втулка» для объемных гидроприводов Sauer-Danfoss и Hydrosila составляет z_{пор.нов.1} = 15 мкм и z_{пор.нов.2} = 25 мкм соответственно. Предельное значение величины объемного КПД объемных гидроприводов Sauer-Danfoss и Hydrosila наблюдается при следующих величинах зазора: z_{пор.пред.1'} = 97 мкм и z_{пор.пред.2'} = 140 мкм соответственно.

На рисунке 4 представлено изменение величины объемного КПД η_об для зарубежных объемных гидроприводов Sauer-Danfoss и Hydrosila от зазоров в соединении «золотник – корпус».

 

 

 

Рис. 4. Изменение объемного КПД η_об от зазора в соединениях «золотник – корпус» z_з.к.:
η_об.нов. – максимальное значение объемного КПД при минимальном технологическом зазоре
в соединении нового гидропривода Hydrosila; 0,76 – предельное значение объемного КПД;
1 – зазор, соответствующий η_об.нов. для гидропривода Sauer-Danfoss (z_{з.к.нов.1} = 5 мкм);
2 – зазор, соответствующий η_об.нов. для гидропривода Hydrosila (z_{з.к.нов.2} = 8 мкм);
z_{з.к.пред.} – предельное значение зазора в соединениях z_{з.к.пред.} = 250 мкм

Fig. 4. Change in the volumetric efficiency caused by the clearance in the critical parts connections
“spool – housing” z_з.к.: η_об.нов. – maximum value of volumetric efficiency with a minimum technological
gap in the connection of the new hydraulic drive Hydrosila; 0.76 – limit value of volumetric efficiency;
1 – clearance corresponding to η_об.нов. for hydraulic drive Sauer-Danfoss (z_{з.к.нов.1} = 5 μm);
2 – clearance corresponding to η_об.нов. for hydraulic drive Hydrosila (z_{з.к.нов.2} = 8 μm);
z_{з.к.пред.} – limit value of the clearance in the connections z_{з.к. пред.} = 250 μm

 

Анализируя рисунок, можно сделать вывод, что при максимальном значении величины объемного КПД η_об.нов. величина зазора в соединении «золотник – корпус» для объемных гидроприводов Sauer-Danfoss и Hydrosila составляет z_{з.к.нов.1} = 5 мкм и z_{з.к. нов.2} = 8 мкм соответственно. Предельное значение величины объемного КПД объемных гидроприводов Sauer-Danfoss, Hydrosila не наблюдается, поэтому для исследуемых объемных гидроприводов принимаем предельное значение величины зазора в соединении z_{з.к.пред.} = 250 мкм.

На рисунке 5 представлено изменение величины объемного КПД η_об для зарубежных объемных гидроприводов Sauer-Danfoss и Hydrosila от суммарной площади износа в соединениях.

 

 

Рис. 5. Изменение объемного КПД η_об от суммарной площади износа в соединении «блок с напайкой – распределитель» и «распределитель 1 – распределитель 2»: S_сум: η_об.нов. – максимальное значение объемного КПД при минимальной площади износа в соединении нового гидропривода Hydrosila; 0,76 – предельное значение объемного КПД; 1 – суммарная площадь износа, соответствующая η_об.нов. для гидропривода Sauer-Danfoss (S_сум = 0,001 мм2); 2 – суммарная площадь износа, соответствующая η_об.нов. для гидропривода Hydrosila (S_сум = 0,002 мм2); 1' – суммарная площадь, соответствующая η_{об.пред.} для гидропривода Sauer-Danfoss (S_{сум.пред.1'} = 0,086 мм2); 2' – суммарная площадь износа, соответствующая η_{об.пред.} для гидропривода Hydrosila (S_{сум.пред.2'} = 0,128 мм2)

Fig. 5. Change in volumetric efficiency caused by the total area of wear in the connection “block with solder – distributor” and“distributor1 – distributor 2” S_сум: η_об.нов. – maximum value of volumetric efficiency with a minimum wear area in the connection of the new hydraulic drive Hydrosila; 0.76 – limit value of volumetric efficiency; 1 – total wear area corresponding η_об.нов. for hydraulic drive Sauer-Danfoss (S_сум = 0.001 mm2); 2 – total wear area corresponding η_об.нов. for hydraulic drive Hydrosila (S_сум = 0.002 mm2); 1' – total wear area corresponding η_{об.пред.} for hydraulic drive Sauer-Danfoss (S_{сум.пред.1'} = 0.086 mm2); 2' – total wear area corresponding η_{об.пред.} for hydraulic drive Hydrosila (S_{сум.пред. 2'} = 0.128 mm2)

 

Анализируя рисунок, можно сделать вывод, что то при максимальном значении величины объемного КПД η_об.нов. величина суммарной площади износа в соединении «блок с напайкой – распределитель» (Sauer-Danfoss) и «распределитель 1 – распределитель 2» (Hydrosila) составляет S_сум1 = 0,001 мм² и S_сум2 = 0,002 мм² соответственно. Предельное значение величины объемного КПД объемных гидроприводов Sauer-Danfoss и Hydrosila наблюдается при следующих величинах суммарной площади износа: S_{сум.пред.1'} = 0,086 мм² и S_{сум.пред.2'} = 0,128 мм² соответственно.

Следует отметить, что с увеличением износов и зазоров в соединениях для всех гидроприводов происходит резкое падение величины объемного КПД. Наибольшее падение объемного КПД наблюдается у объемного гидропривода Sauer-Danfoss. По нашему мнению, это связано с величиной рабочего давления в линиях объемного гидропривода: чем выше давление, тем интенсивнее происходит утечка рабочей жидкости и в результате наблюдается резкое падение объемного КПД гидроагрегата.

Проведенные эксперименты позволили определить диапазоны изменения зазоров для дальнейших исследований.

По результатам многофакторного эксперимента получены регрессионные модели, описывающие связь объемного КПД зарубежных гидроприводов Sauer-Danfoss и Hydrosila с износами деталей и зазорами в соединениях:

– для Hydrosila:

    ${\eta }_{ОБ.1}=\mathrm{1,0326}-\mathrm{1,5742}\cdot S_{СУМ}-\mathrm{1,165}\cdot {10}^{-3}\cdot z_{ПОР}-5\cdot {10}^{-4}\cdot z_{\text{з.к}.}-\mathrm{5,29}\cdot {10}^{-3}\cdot S_{СУМ}\cdot z_{ПОР},$  (9)

– для Sauer-Danfoss:

  ${\eta }_{ОБ.2}=\mathrm{1,0186}-\mathrm{2,5948}\cdot S_{СУМ}-\mathrm{2,267}\cdot {10}^{-3}\cdot z_{ПОР}-\mathrm{6,3}\cdot {10}^{-4}\cdot z_{\text{з.к.}}-\mathrm{7,41}\cdot {10}^{-3}\cdot S_{СУМ}\cdot z_{ПОР}.$ (10)

Адекватность полученных регрессионных моделей проверяли по критерию Фишера. При значимости q = 5 % и степени свободы N_1,ad =3 и  N_2,ad = 16 получено критическое значение F_кр = 3,24 (согласно методике, изложенной в РДМУ 109-77). Расчетное значение критерия Фишера для объемных гидроприводов Hydrosila и Sauer-Danfoss составило: F₁ = 3,103 (F₁ = 3,103 < F_кр = 3,24) и F₂ = 2,931 (F₂ = 2,931 < F_кр = 3,24) соответственно. Так как расчетное значение меньше критического, гипотеза об адекватности полученных моделей принимается. Таким образом, полученные регрессионные модели адекватно описывают взаимосвязь факторов с объемным КПД.

Установлено, что наиболее значимыми факторами, влияющими на объемный КПД гидропривода Sauer-Danfoss, являются: суммарная площадь износа S_сум в соединении «блок с напайкой – распределитель»; зазор в соединении «поршень – втулка» z_пор; зазор в соединении «золотник – корпус» z_з.к. и комбинация факторов: суммарная площадь износа в соединении «блок с напайкой – распределитель» и зазор в соединении «поршень – втулка». Данные соединения объемного гидропривода являются ресурсолимитирующими.

Для определения соответствия величин объемного КПД значениям износа деталей и зазоров в соединениях зарубежных гидроприводов Hydrosila и Sauer-Danfoss проводили оптимизацию регрессионных моделей (9) и (10) методом крутого восхождения. Результаты оптимизации представлены в таблицах 1, 2.

 

Таблица 1 Результаты оптимизации регрессионной модели (9) для объемного гидропривода Hydrosila

Table 1 Results of regression model optimization (9) for volumetric hydraulic drive Hydrosila

 

Параметр / Parameter	Sсум, мм2 / Sсум, µm	zпор, мкм / zпор, µm	zз.к, мкм / zз.к, µm	Объемный КПД ηоб / Volumetric efficiency ηоб
bi	–1,57420	–0,001656	–0,0005	‒
biЧ	–0,09917	–0,095220	–0,0605	‒
l	0,00001	0,300000	0,1400	‒
Опыты на линии восхождения / Experiments on the line of ascent
1	0,00200	25,0	8,00	0,983787
2	0,00201	25,3	8,14	0,983200
…	…	…	…	…
57	0,00256	41,8	15,84	0,950863
58	0,00257	42,1	15,98	0,950274
59	0,00258	42,4	16,12	0,949685

 

Таблица 2 Результаты оптимизации регрессионной модели (10) для объемного гидропривода Sauer-Danfoss

Table  2 Results of regression model optimization (10) for volumetric hydraulic drive Sauer-Danfoss

 

Параметр / Parameter	Sсум, мм2 / Sсум, µm	zпор, мкм / zпор, µm	zз.к, мкм / zз.к, µm	Объемный КПД ηоб / Volumetric efficiency ηоб
bi	–2,59480	–0,002267	–0,00063	‒
biЧ	–0,11027	–0,092947	–0,07717	‒
l	0,00002	0,300000	0,20000	‒
Опыты на линии восхождения / Experiments on the line of ascent
1	0,00100	15,0	5,0	0,978726
2	0,00102	15,3	5,2	0,977864
…	…	…	…	…
33	0,00164	24,6	11,4	0,951082
34	0,00166	24,9	11,6	0,950217
35	0,00168	25,2	11,8	0,949352

 

Результаты оптимизации регрессионной модели для объемного гидропривода Hydrosila показали, что значения КПД η_об = 0,95 соответствуют верхним технологическим зазорам в соединениях, а КПД η_об = 0,98 – нижним технологическим зазорам. Полученные результаты коррелируют с конструкторской документацией и паспортными данными, установленными заводом-изготовителем, что подтверждает достоверность полученных результатов¹⁴.

Применив данный подход к объемному гидроприводу Sauer-Danfoss, определим верхние (максимальные при КПД η_об = 0,95) и нижние (минимальные при КПД η_об = 0,98) технологические зазоры в ресурсолимитирующих соединениях.

Результаты оптимизации позволили получить номинальные значения минимальных износов и технологических зазоров в соединениях нового объемного гидропривода Sauer-Danfoss (S_сум = 0,001 мм², z_пор = 15 мкм и z_з.к. = 5 мкм при η_об = 0,97) и максимальных износов и технологических зазоров при η_об = 0,95 (S_сум = 0,00166 мм², z_пор = 24,9 мкм и z_з.к. = 11,6 мкм).

Полученные результаты являются исходными данными для расчета номинальных значений размеров и допускаемых отклонений деталей ресурсолимитирующих соединений объемного гидропривода Sauer-Danfoss.

Для суммарной площади износа соединения «блок с напайкой – распределитель» объемного гидропривода Sauer-Danfoss в качестве максимального технологического зазора между плоскими стенками принимается значение, равное суммарному отклонению от плоскостности для рассматриваемых поверхностей деталей. Данное значение соответствует величине суммарной шероховатости зоны уплотнения соединения и составляет 0,2 мкм.

Результаты расчетов по соединениям z_пор и z_з.к. объемного гидропривода Sauer-Danfoss приведены в таблице 3.

 

Таблица  3 Результаты расчета размерных цепей способом максимума-минимума

Table  3 Results of calculation of dimensional chains by the maximum-minimum method

 

 

Этапы / Stages	Обозначение параметра / Parameter designation	Лимитирующие соединение / Limiting connections
		zпор	zз.к.
1	А0н, мкм / А0н, µm	15	5
	А0в, мкм / А0в, µm	25	12
2	А0с, мкм / А0с, µm	20	8,5
3	Т0, мкм / Т0, µm	10	8
4	iз	1,31	0,90
	αс	3,82	3,89
5	IT (квалитет) / IT (accuracy degree)	4	4
	Т1 и Т2, мкм / Т1 and Т2, µm	6	4
	Основное отклонение звена А1 / Main deviation links А1	22,7Н	9,5Н
	Основное отклонение звена А2 / Main deviation links А2	22,7h	9,5h
	Поле допуска звена А1, мм / Tolerance field links А1, mm	22,7+0,006	9,5+0,004
	Поле допуска звена А2, мм / Tolerance field links А2, mm	22,7–0,006	9,5–0,004
Проверочный расчет / Verification calculation
6	Т0пров, мкм / Т0пров, µm	12	8
7	Проверка условия / Condition testing	10 < 12	7 < 8
		Не выполняется / The condition is not met	Не выполняется / The condition is not met
Расчет размерных цепей с корректирующими звеньями А2кор / Calculation of dimensional chains with corrective links А2кор
8	Расчетное значение Т2кор, мкм / Calculated value Т2кор, µm	4	3
	IT (квалитет) / IT (accuracy degree)	3	3
	Принятое значение Т2кор, мкм / Accepted value Т2кор, µm	4	2,5
	Поле допуска звена А2кор, мм / Tolerance field links А2кор, mm	22,7–0,004	9,5–0,0025
	мкм /  µm	10	6,5
	Проверка условия / Condition testing	10 = 10	7 > 6,5
		Выполняется / The condition is  met	Выполняется / The condition is  met

 

 

Методом размерного анализа установлены номинальные значения размеров и допускаемые отклонения деталей в ресурсолимитирующих соединениях для нового объемного гидропривода Sauer-Danfoss серии 90:

– диаметр отверстия в блоке цилиндров под поршень 22,7^+0,006 мм;

– диаметр поршня 22,7_–0,004 мм;

– диаметр отверстия в задней крышке под золотник 9,5^+0,004 мм;

– диаметр золотника 9,5_–0,0025 мм.

Таким образом, в работе предложен и реализован комплексный подход к определению номинальных размеров и допускаемых отклонений ответственных деталей агрегатов зарубежной техники, включающий комбинацию экспериментальных исследований (стендовые испытания) и метода размерного анализа.

Обсуждение и заключение

Поставленная цель достигнута. Проведенные исследования позволили определить номинальные значения размеров и допускаемые отклонения деталей, а также величины технологических зазоров в ресурсолимитирующих соединениях нового зарубежного объемного гидропривода Sauer-Danfoss серии 90. Полученные результаты являются основой для разработки технологии восстановления работоспособности и повышения долговечности агрегатов объемного гидропривода зарубежного производства.

 

 

¹           Пьянзов С. В. Совершенствование стенда и методики для контроля технического состояния объемных гидроприводов сельскохозяйственной техники : дис. ... канд. тех. наук. Саранск, 2021. 318 с.

²           Там же ; Галин Д. А. Оценка работоспособности и повышение долговечности объемного гидропривода ГСТ-90 : дис. ... канд. тех. наук. Саранск, 2007. 224 с. ;  Земсков А. М. Технология повышения долговечности объемного гидропривода (на примере ГСТ-112) : дис. ... канд. тех. наук. Саранск, 2014. 295 с.

³           Пьянзов С. В. Совершенствование стенда и методики...

⁴           Там же ; Галин Д. А. Оценка работоспособности и повышение долговечности... ;  Земсков А. М. Технология повышения долговечности..

⁵           Там же.

⁶           Там же.

⁷           Пьянзов С. В. Совершенствование стенда и методики...

⁸           Там же.

⁹           Земсков А. М. Технология повышения долговечности...

¹⁰          Там же ; Пьянзов С. В. Совершенствование стенда и методики...

¹¹          Земсков А. М. Технология повышения долговечности...

¹²          ГОСТ 25347-82. Основные нормы взаимозаменяемости. Единая система допусков и посадок. Поля допусков и рекомендуемые посадки. М. : ИПК Издательство стандартов, 1982. 54 с.

¹³          Там же.

¹⁴          Пьянзов С. В. Совершенствование стенда и методики...

 

About the authors

Pavel A. Ionov

National Research Mordovia State University

Email: resurs-ime@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0001-9794-0071
ResearcherId: S-7146-2018

Head of the Technical Service Machines Chair, Cand.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Petr V. Senin

National Research Mordovia State University

Email: senin53@mail.ru
ORCID iD: 0000-0003-3400-7780
ResearcherId: H-1219-2016

First Vice-Rector, Dr.Sci. (Engr.), Professor

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Sergey V. Pyanzov

National Research Mordovia State University

Author for correspondence.
Email: serega.pyanzov@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0002-5845-1635
ResearcherId: B-1548-2019

Senior Lecturer of the Technical Service Machines Chair, Cand.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Nikolay V. Rakov

National Research Mordovia State University

Email: nikolaymgu@yandex.ru
ORCID iD: 0000-0003-3687-9371
ResearcherId: ABF-2838-2020

Associate Professor of the Technical Service Machines Chair, Cand.Sci. (Engr.)

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St., Saransk 430005

Alexander M. Zemskov

National Research Mordovia State University

Email: zam503@mail.ru
ORCID iD: 0000-0002-1489-6077
ResearcherId: S-7748-2018

Cand.Sci. (Engr.), Associate Professor of the Chair of Technical Service of Machines,

Russian Federation, 68 Bolshevistskaya St.,Saransk 430005

References

Supplementary files