АНАЛИЗ ПРИЧИН ОТКАЗОВ ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ

 

Пилюшина Г.А., Прусс Б.Н. (БГИТА, г. Брянск, РФ)

 

Conditions of operation timber loader equipped are considered by hydraulic manipulators, the reasons of refusals of technological systems and probable ways of their elimination are determined.

 

Развитие научно-технического прогресса в лесном комплексе России невозможно без  создания  высокоэффективной техники, оснащенной гидроманипуляторами, сочетающей в себе  новые  технические решения, обеспечивающие высокую производительность и надежность, снижение материалоемкости, энергозатрат, уменьшающей вредное воздействие на окружающую среду и оператора.

Опыт создания надежных и долговечных машин показывает, что безотказность и работоспособность лесозаготовительной техники и оборудования обуславливаются как конструкторско-технологическими, так  и производственно-эксплуатационными факторами. Без анализа ряда факторов, таких как  природно-климатические условия, действующие нагрузки, температурные и  почвенно-грунтовые условия работы, загрязнения, воздействие активных сред, невозможно производить работоспособную и качественную лесозаготовительную технику.

Особенность эксплуатации лесозаготовительных машин заключается в использовании их в течение всего года с двумя сезонными перерывами в жестких климатических условиях. При этом максимальная  нагрузка 60-70% работы лесозаготовительных машин приходится на зимний период с отрицательными температурами  до – 40º С  и ниже. В зимнее время, от трех до четырех месяцев, машины работают в снегу, глубина которого достигает 1000 мм. В весенне-летний период машины работают в условиях  большой захламленности и увлажненности, глубина жидкой грязи может достигать 0,5 м.  В предзимний период движение лесозаготовительных машин  происходит по замерзшему твердому грунту, что увеличивает коэффициент динамичности  в 1,5- 2 раза.

Циклическая работа  сопряжена с большим количеством переходных процессов. Контакт с деревом при валке, пакетировании, обрезке сучьев, движении с пачкой и без нее вызывают  большие динамические нагрузки на все системы лесозаготовительных машин. При этом на динамическую нагруженность технологического оборудования лесозаготовительной машины  существенно влияют  условия эксплуатации: пересеченный рельеф местности, пни,  выступающая над поверхностью корневая система, физико-механические  свойства грунта, предмет труда, ветровая нагрузка [1]. 

Немаловажное влияние на причину выхода из строя лесозаготовительной техники оказывают обрабатываемые деревья. Непосредственный контакт и окружение ветвями, подростом, стволами растущих и пнями поваленных деревьев вызывают многочисленные повреждения, и требует специальной защиты всех элементов машины особенно гидрооборудования. Кроме того, породный состав и таксационные характеристики  лесосеки различаются большим диапазоном  (до 10 и больше) весовых и геометрических характеристик, встречается определенное число  «нерасчетных деревьев и сучьев», контакт с которыми обычно приводит к аварии.

  Кроме того, техническое обслуживание лесозаготовительных машин сопряжено с определенными трудностями из-за  суровых климатических условий, отдаленности от ремонтной базы, недостаточности средств технического обслуживания и не всегда достаточной подготовленности обслуживающего персонала.

Опыт эксплуатации лесозаготовительной техники и оборудования показывает, что все повреждения и отказы лесозаготовительных машин можно разделить на отказы металлоконструкции и отказы гидросистемы. При этом отказы металлоконструкции лесозаготовительных машин, как правило, подразделяются на четыре вида: остаточная деформация, вязкий излом, усталостный излом  и хрупкий излом.

Отыскание причин возникновения повреждений по причине остаточной деформации, обычно не вызывает особого труда. Остаточная деформация приводит к изменению геометрической формы  детали или узла и сопровождается удлинением, изгибом, вмятиной и т.д. Количество таких повреждений особенно велико при работе лесозаготовительных машин в захламленной  и неподготовленной лесосеке. Чаще повреждаются нижние части транспортной машины (колесной или гусеничной) от воздействия пней, валежника, камней и элементы кабины, капота, ограждения.

Основной причиной отказа при вязком изломе чаще всего являются перегрузки вследствие резкого нарушения производственной эксплуатации лесозаготовительного оборудования. При вязком изломе отказ  происходит внезапно из-за потери прочности. Разрушение при этом сопровождается значительной макропластической деформацией. При этом поверхность излома не имеет характерного кристаллического блеска (матовая). На площадке разрушения имеются скосы, строчечные неровности, волокнистость.

При усталостном изломе отказ происходит постепенно в связи с длительным воздействием многократно повторяющихся нагрузок, сопровождающимся образованием трещины. Поверхность излома имеет характерные зоны постепенного развития трещины, ускоренного развития излома и зону долома. Причинами отказа являются пониженная прочность материала, длительное действие знакопеременной нагрузки, наличие концентраторов напряжений (надрезы, неметаллические включения, макротрещины).

Отказ по причине хрупкого излома  происходит внезапно при незначительной макропластической деформации. Поверхность излома перпендикулярна направлению максимальных растягивающих напряжений и имеет кристаллическое строение часто с рубцами, лучеобразно расходящимися из зоны начала разрушения. Причинами таких отказов являются хладоломкость стали, дефекты термической обработки, наличие значительных ударных нагрузок, низкое качество материала (повышенное содержание фосфора, водорода). При этом вероятность безотказной работы будет определяться сопротивлением металла хрупкому разрушению, скоростью его изменения в зависимости от  окружающей среды.

На гидравлическую систему  приходится более половины всех отказов лесозаготовительных машин и основными причинами, повлекшими отказ являются: загрязнения рабочей жидкости, нарушение герметичности соединений, повышенный износ  сопряженных подвижных элементов, низкая квалификация  обслуживающего персонала [2].

Это связано, прежде всего, с тем, что гидропривод технологического оборудования лесозаготовительных машин, содержащий гидролинии значительной протяженности (до 10 м), подвержен воздействию факторов жесткого климата. Отрицательная температура (ниже – 40°С) и ветровой обдув обусловливает нарушение смазывающей способности масла, уменьшает упругость резиновых уплотнений, и вызывает кавитацию вследствие большого разрежения на всасывании в насос.

Особенно опасно повышение температуры внутри гидросистемы (выше 50-70°С), из-за  деформации металлических трубопроводов, что приводит к дросселированию рабочей  жидкости, к недопустимому снижению вязкости масла, нарушению условий смазки, потере упругости уплотнений вследствие старения, увеличению утечек через зазоры. Последнее повышает выделение тепла в гидросистеме вследствие дросселирования масла в зазорах, что дополнительно снижает объемный КПД гидросистемы и из-за увеличения упругости насыщенных паров приводит к кавитации.                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 

Основные неисправности гидроприводов возникают из-за нарушения  герметичности в местах соединений, разрушения резиновых уплотнительных колец, разрыва рукавов. На металлических  трубопроводах  вследствие вибрации и других видов нагрузок появляются трещины. А при механических повреждениях вмятины и перегибы, что нарушает работу гидросистемы. Нарушение герметичности во всасывающих гидромагистралях приводит к обильному пенообразованию из-за подсоса воздуха. Нарушение плотности в гидромагистралях  высокого давления ведет к подтеканию, а  при разрывах - к выходу гидросистемы  из строя и большим потерям дорогостоящей рабочей жидкости.

Анализ отказов гидравлических систем лесозаготовительных машин позволил выявить причины потери работоспособности отдельных узлов, например, в аксиально-поршневых насосах и гидродвигателях отказ наступает в результате износа сферической поверхности и искривления шатунов, износа торцевых поверхностей, поршневых отверстий и посадочных мест в блоке, износа шеек валов, центрального шипа, шлицевых и посадочных мест, износа поршней; в шестеренных насосах – в результате износа внутренней поверхности и посадочных мест корпуса и крышек, износа втулок; в лопастных насосах – в результате износа торцевой поверхности статоров и дисков, износа лопастей, цапф, торцов и пазов в роторах. К наиболее изнашиваемым местам в гидроцилиндрах относятся: внутренняя и торцевая поверхность корпуса цилиндров, торцы и посадочные поверхности крышек, посадочная поверхность направляющих втулок, наружная поверхность плунжеров и поршней, резьбовые соединения и уплотнения.

Повышенный износ подвижных сопряженных элементов гидроприводов в зимнее время зачастую происходит из-за наличия конденсата в системе, в связи, с чем уплотнения гидроцилиндров примерзают к стенкам, поэтому в момент страгивания поршня гидроцилиндра возникают  большие силы трения.

Опыт эксплуатации гидравлических систем свидетельствует о том, что около 30% всех отказов связано с нарушением работоспособности прецизионных пар, выполняющих функции регуляторов, распределителей, вытеснительных элементов. Практически на деталях каждой прецизионной пары гидравлических агрегатов, нормально отработавших гарантийный ресурс, при исследованиях технического состояния выявляются различные повреждения рабочих поверхностей, проявляющихся чаще всего в виде царапин.

Помимо указанных видов повреждений в приводах лесозаготовительных машин значительную долю составляют отказы, вызванные загрязненностью рабочей жидкости механическими примесями в процессе производства и монтажа привода, а также при заправке. При работе привода в жидкость непрерывно поступают продукты изнашивания сопрягаемых деталей. При хранении загрязняющие вещества выделяются в результате окислительных процессов между жидкостями и присадками, применяемыми для улучшения эксплуатационных свойств рабочей жидкости. При загрязнении рабочей жидкости наблюдается интенсивное изнашивание распределительных устройств насосов, в результате чего снижается объемный КПД. При движении жидкости с большой скоростью загрязнения в виде твердых частиц действуют на поверхности деталей подобно абразивной эмульсии. С течением времени увеличиваются зазоры, уменьшаются перекрытия, изменяются коэффициенты расходов дросселей и сопл. При увеличении утечек жидкости из-за изнашивания элементов привода уменьшаются жесткость системы и скорость движения исполнительных органов.

Таким образом, все отказы лесозаготовительных  машин и оборудования  можно  классифицировать  по причинам  возникновения на этапах их проектирования, изготовления и  эксплуатации. В то же время, очевидно, что проблема безотказности и долговечности лесозаготовительных машин напрямую связана с вопросами трения и изнашивания.

В современном машиностроении большое внимание уделяется повышению долговечности деталей машин в условиях изнашивания. Существует и разрабатывается много конструктивных и технологических методов повышения износостойкости деталей и узлов.

Повышение долговечности и работоспособности может быть достигнуто, как за счет оптимизации эксплуатационных условий работы лесозаготовительной техники, так и параметров, определяющих сопротивляемость материалов изнашиванию, выбора конструкционного материала, обладающего высокими эксплуатационными характеристиками, и целесообразного назначения способов и режимов  упрочняющего воздействия на поверхностные слои изнашиваемых деталей.

Однако эффективность этих методов  применительно к лесозаготовительным машинам не достаточно изучена. Для решения этих задач необходимо выявить действующие механизмы изнашивания, определить степень их влияния на те или иные процессы, происходящие как в поверхностных слоях деталей,  так и в самих деталях.

 

Литература

1.      Александров В.А. Динамические нагрузки  в лесосечных машинах. – Л.: Изд-во Ленингр. Ун-та, 1984 – 152 с.

2.      Ерахтин Д.Д., Багин Ю.И.. Гидросистемы лесозаготовительных машин (эксплуатация и ремонт). – М.: Лесн. пром-сть, 1979. – 200 с.