Methods of improving the reliability of dump trucks hydraulic system

Full Text

В настоящее время в Кузбассе при добыче угля в основном применяется открытый спо- соб. При транспортировке горных масс и полезных ископаемых используются карьерные ав- тосамосвалы. В условиях континентального климата Кемеровской области техника работает в широком диапазоне температур окружающей среды, что негативно влияет на безотказность работы систем карьерных автосамосвалов, в частности, гидросистем рулевого управления и подъема-опускания платформы. Одним из основных элементов гидросистем карьерного автосамосвала является шесте- ренный насос типа НШ, предназначенный для нагнетания рабочей жидкости к исполнитель- ным механизмам, а именно, к рулевому управлению и механизму подъема-опускания плат- формы автосамосвала. Данные насосы подвергаются воздействию различных факторов: кли- матические условия, интенсивность эксплуатации, качество проведения технического об- служивания и т.д. Оценить комплексное влияние всего многообразия факторов проблема- тично. Поэтому, при изучении вопроса прогнозирования надежности работы гидросистемы автосамосвалов и, в частности, насосов шестеренных типа НШ необходимо использовать си- стемный подход описания проблемы, т.е. представить рассматриваемую задачу в виде ин- формационной системы знаний и закономерностей. Для определения требований к системе и ее функциям, а затем для разработки системы, которая соответствует заданным требованиям и исполняет заданные функции, была использована методология структурного анализа SADT (Structured Analysis & Design Technique) [1]. Решению этой задачи соответствует смешанная методология стандарта IDEF0 и IDEF3. Функцией высшего порядка в данной структурной модели является «Сохранение рабо- тоспособности насосов шестеренных типа НШ в процессе эксплуатации». Для нее определе- ны и описаны основные взаимодействия (стрелки), которые активируют основную функцию структурной модели (рисунок 1). Рисунок 1. Структурная модель «Сохранение работоспособности насосов шестеренных типа НШ в процессе эксплуатации» В качестве ресурсов приняты данные о параметрах новых шестеренных насосах типа НШ, влиять на качество изготовления которых потребитель не в состоянии. Нормативные документы и контроль технического состояния насоса в процессе эксплуатации через систе- му ТО влияют на основную функцию через уровень квалификации персонала. Конечный продукт - разработка методики повышения надежности работы шестеренных насосов типа НШ. В качестве механизмов исполнения функции принята эксплуатация шестеренных насо- сов типа НШ. После декомпозиции модели (рисунок 2) были определены четыре основные подфунк- ции, которые оказывают влияние на работоспособность шестеренного насоса типа НШ: физико-химические свойства рабочих жидкостей; техническое состояние транспортного средства; условия эксплуатации транспортного средства; окружающая среда. Рисунок 2. Декомпозиция по основным подфункциям При дальнейшем анализе подфункций становится очевидным, что техническое состоя- ние транспортного средства в основном зависит от условий эксплуатации и соблюдения пра- вил проведения технического обслуживания, которые прописаны в соответствующих норма- тивных документах. Отступать от их требований недопустимо, т.к. это может повлечь за со- бой выход из строя шестеренного насоса, вследствие чего может произойти отказ гидроси- стемы рулевого управления и подъема-опускания платформы кузова автосамосвала. Исходя из этого, прогнозирование выхода из строя шестеренного насоса по условиям эксплуатации и системе технического обслуживания становится невозможным. Рассмотрев условия эксплуатации автосамосвала (рисунок 3), можно сделать вывод, что на данную подфункцию, прежде всего, влияют интенсивность эксплуатации и квалифи- кация водителей. На квалификацию водителей повлиять сложно, т.к. в нее входит достаточно много условий, личных качеств человека и т.д. Другими словами, соблюдая правила поведе- ния за рулем автосамосвала, а также, не нарушая требований нормативных документов, во- дитель добьется главной функции структурной модели - сохранение работоспособности ше- стеренных насосов типа НШ для карьерных автосамосвалов. На интенсивность эксплуатации автосамосвала (рисунок 4), в свою очередь, влияют: длина ездки, масса перевозимого груза, скорость движения по маршруту. Максимальная масса перевозимого груза и скорость движения заложены в соответ- ствующих нормативных документах и не являются переменными величинами в функцио- нальной модели. В отношении сохранения работоспособности шестеренного насоса, повлиять можно лишь на длину ездки и время работы автосамосвала. Разумеется, чем короче дли- на ездки и меньше время работы автосамосвала, тем больше будет его срок эксплуатации. Но сокращение длины ездки предусматривает проектирование новых технологических участков дорог, тем самым ведет к большим материальным затратам, что не выгодно любому пред- приятию. Поэтому, дальнейшие исследования по данным показателям носят косвенный ха- рактер. Рисунок 3. Декомпозиция подфункции «Условия эксплуатации транспортного средства» Рисунок 4. Декомпозиция подфункции «Интенсивность эксплуатации» Проанализировав следующую подфункцию «Окружающая среда» (рисунок 5) следует сказать, что основным показателем, влияющим на работоспособность шестеренного насоса, является температура окружающей среды. Она же, в свою очередь, оказывает влияние на подфункцию «Физико-химические свойства рабочих жидкостей» (рисунок 1). Существует множество физико-химических показателей рабочей жидкости (рисунок 6), влияющих на надежность любой гидросистемы. Основными показателями, влияющими на работу шестеренных насосов типа НШ для карьерных автосамосвалов, являются: кинемати- ческая вязкость, вспениваемость, агрессивность рабочей жидкости. Рисунок 5. Декомпозиция подфункции «Окружающая среда» Также стоить отметить, что на техническое состояние гидросистем рулевого управле- ния и подъема-опускания платформы влияют те же параметры, что представлены на рисунке 6, но с добавлением еще одного параметра: «кинематическая вязкость рабочей жидкости». Естественно, что отклонение показателей кинематической вязкости от допустимых значений приводит к неудовлетворительной работе гидравлических систем карьерного автосамосвала. Рисунок 6. Декомпозиция подфункции «Физико-химические свойства рабочих жидкостей» Кинематическая вязкость зависит от стабильности рабочей жидкости к разным темпе- ратурам: температуре окружающей среды и рабочей температуре в гидросистеме (рисунок 7). При этом техническое состояние гидросистемы рулевого управления и механизма подъ- ема и опускания платформы также должно соответствовать норме. Рисунок 7. Декомпозиция подфункции «Кинематическая вязкость» В итоге, после анализа данной структурной модели, выяснилось, что большинство па- раметров, влияющих на все четыре подфункции, пересекаются, т.е. оказывают влияние друг на друга и непосредственно на сами подфункции. Также оказалось, что основными парамет- рами, влияющими на надежность работы гидросистемы карьерных автосамосвалов, являют- ся: кинематическая вязкость, температура рабочей жидкости, температура окружающей сре- ды. В результате проведенной декомпозиции структурной модели можно сделать вывод, что основным фактором, влияющим на надежность гидросистемы, является кинематическая вязкость рабочей жидкости. Исходя из выше изложенного, для дальнейших исследований были поставлены следу- ющие задачи: провести анализ условий эксплуатации гидросистемы карьерных автосамосвалов в широ- ком диапазоне температур окружающей среды; изучить физико-химические свойства гидравлических масел, применяемых в гидросисте- ме карьерных автосамосвалов; разработать предложения по корректировке вязкости гидравлического масла в гидроси- стеме карьерных автосамосвалов для определенных условий эксплуатации. Автосамосвалы БелАЗ, на которых проводился анализ условий эксплуатации гидроси- стемы, работают в Прокопьевско-Киселевском угольном районе. В гидравлической системе опрокидывающего механизма и рулевого управления автосамосвала БелАЗ-7547 для нагне- тания рабочей жидкости используются насосы шестеренные НШ50А-3 в количестве трех штук. В качестве рабочей жидкости в гидросистеме автосамосвала с насосами НШ исполь- зуются минеральные масла или их смеси, обеспечивающие номинальную вязкость 30-70 мм2/с [2], а минимальную - 15 мм2/с [3] при интервале температур рабочей жидкости от 0 до 80 °С. В качестве рабочей жидкости рекомендуются следующие масла: масло гидравлическое МГЕ-46В при температуре окружающего воздуха выше -10 °С; масло гидравлическое ВМГЗ при температуре окружающего воздуха выше -55 °С; масло гидравлическое ВМГЗ-С при температуре окружающего воздуха выше -60 °С; масло гидравлическое марки А - в качестве заменителя при температуре окружающего воздуха выше -30 °С. В настоящее время на автосамосвалах БелАЗ часто используется гидравлическое масло марки А ввиду его относительно низкой стоимости. Однако во время эксплуатации карьер- ных автосамосвалов БелАЗ при положительных температурах окружающей среды, ухудша- ется работа вплоть до отказа гидравлической системы опрокидывающего механизма и руле- вого управления. Происходит это вследствие изменения кинематической вязкости масла при повышении температуры. Согласно ТУ 38.1011282-89 [4] гидравлическое масло марки A рекомендовано для зим- ней эксплуатации. В условиях Прокопьевско-Киселевского угольного района положительная температура стабильно держится с мая по сентябрь (таблица 1), достигая максимумов в июле [5]. Таблица 1 Среднемесячная температура воздуха на высоте 10 метров от поверхности земли, °C Месяц Минимум Максимум Среднее значение за 22 года Январь -17,811 -10,747 -14,233 Февраль -17,546 -8,9429 -13,210 Март -13,142 -3,1226 -7,8747 Апрель -4,1825 5,0134 0,6530 Май 6,2138 16,704 11,335 Июнь 11,018 21,821 16,509 Июль 14,240 24,707 19,448 Август 12,034 22,239 17,014 Сентябрь 5,9038 14,334 10,143 Октябрь -0,2816 5,9306 2,6412 Ноябрь -10,436 -3,844 -7,0409 Декабрь -16,118 -9,2417 -12,636 Среднее значение за год -2,4103 6,3426 1,9808 Замеры температуры рабочей жидкости в гидравлической системе карьерного автосамосвала БелАЗ-7547 производились прибором «Пирометр RaytekMT6» при температуре окружающей среды от 14 до 30 °C. При проведении полевых исследований [6] температурных режимов гидросистемы ав- тосамосвалов БелАЗ-7547 получены результаты, представленные на рисунке 8. Рисунок 8. Зависимость температуры рабочей жидкости от температуры окружающей среды Проведенные исследования не позволили выявить ярко выраженной зависимости изменения температуры рабочей жидкости в гидросистеме автосамосвалов БелАЗ от температуры окружающей среды. Можно сделать вывод, что температура рабочей жидкостизависит, прежде всего, от интенсивности работы автосамосвала, а температура окружающей среды влияет лишь на скорость охлаждения гидросистемы. В ходе дальнейшего исследования проводились измерения вязкости образца гидравли- ческого масла марки A в диапазоне температур от 40 до 90 °C. Измерения проводились со- гласно ГОСТ 6258-85 [7]. Результаты исследований представлены в виде графика (рисунок 9). Рисунок 9. Зависимость вязкости гидравлического масла марки А от температуры: 1 - зависимость вязкости масла от температуры; 2 - рекомендуемая вязкость масла для насосов НШ50А-3; 3 - минимально допустимая вязкость масла для насосов НШ50А-3 Исследования показали, что оптимальная для работы насоса НШ 50А-3 вязкость образ- ца находится в диапазоне температур до +48 °C, а допустимая - +48…+68 °С. При рабочей температуре масла +70 °С кинематическая вязкость составляет 14,6 мм2/с. Рекомендуется использовать гидравлическое масло марки А в чистом виде до температуры не более +60 °С, что соответствует температуре окружающей среды + 15…+ 18 °С. Очевидно, что при температурах окружающей среды выше + 20°C необходимо переходить на более вязкие сорта гид- равлических масел, что сопряжено с увеличением расходов на эксплуатацию техники. Руководством ООО «Вахрушевская автобаза», г. Киселевск, было предложено исполь- зовать в качестве загущающей добавки моторное масло Optimum Diesel SAE 15W-40, ис- пользуемое предприятием в системе смазки двигателей автосамосвалов БелАЗ. При проведении лабораторных испытаний проб гидравлической жидкости марки А с различным содержанием загущающего компонента были получены результаты, представ- ленные в на рисунке 10. Вязкость полученных образцов определялась прибором «Вискози- метр Энглера ВУ-М-ПХП». Исследования показали, что температура рабочей жидкости в гидросистеме автосамо- свала БелАЗ при температуре окружающей среды от +25 до +30 °C практически не превыша- ет 80 °C. Для обеспечения вязкости не менее 15 мм2/с при температуре рабочей жидкости гидро- системы не выше +80 °C можно рекомендовать рабочую смесь в составе: 70% гидравличе- ского масла марки А и 30% моторного масла Optimum Diesel SAE 15W-40. На основе отчетной документации ООО «Вахрушевская автобаза» было выявлено, что доливы в гидросистему автосамосвала БелАЗ-7547 гидравлического масла марки А в период эксплуатации составляют от 10 до 30 литров в месяц. При повышении температуры окружающей среды рекомендуется постепенно повышать вязкость масла в гидросистеме путем долива моторного масла Optimum Diesel SAE 15W-40 в Кинематическая вязкость, сСт объеме 15 л / мес., начиная с марта. Температура, °C Рисунок 10. Зависимость вязкости рабочей жидкости от процентного содержания моторного масла Optimum Diesel SAE 15W-40: 1 - 100% моторное масло Optima 15W-40; 2 - 90% моторное масло Optima 15W-40; 3 - 80% моторное масло Optima 15W-40; 4 - 70% моторное масло Optima 15W-40; 5 - 60% моторное масло Optima 15W-40; 6 - 50% моторное масло Optima 15W-40; 7 - 40% моторное масло Optima 15W-40; 8 - 30% моторное масло Optima 15W-40; 9 - 20% моторное масло Optima 15W-40; 10 - 10% моторное масло Optima 15W-40; 11 - 100% гидравлическое масло марки А; 12-- минимально допустимая вязкость (30 мм2/с) согласно нормативному документу [2]; 13 - минимально допустимая вязкость (15 мм2/с) согласно нормативному документу [3] При необходимости долива свыше 15 л / мес. в период с марта по май рекомендуется использовать смесь из гидравлического масла марки А и моторного масла Optimum Diesel SAE 15W-40, в которой доля моторного масла Optimum Diesel SAE 15W-40 составляет 15 литров. В период с июня по август для долива и замены масла в гидросистеме рекомендуется использовать смесь в соотношении 30 % - моторного масла Optimum Diesel SAE 15W-40 и 70 % - гидравлического масла марки А [8]. В таблице 2 приведен график корректировки вязко- сти масла марки А в гидросистеме автосамосвалов БелАЗ. Таблица 2 График корректировки вязкости масла марки А в гидросистеме автосамосвалов БелАЗ Месяц Январь Февраль Март Апрель Май Июнь Июль Август Сентябрь Октябрь Ноябрь Декабрь Ср. знач. пературы за 22года, °C -14,233 -13,210 -7,8747 0,6530 11,335 16,509 19,448 17,014 10,143 2,6412 -7,0409 -12,636 Рекомендуемые доливы Принятые обозначения: Гидравлическое масло марки А Моторногомасло Optimum Diesel SAE 15W-40 Смесь:30 % - моторного масла Optimum Diesel SAE 15W-40 и 70 % гидравлического масла марки А Предложенные мероприятия по повышению надёжности работы гидросистемы автоса- мосвалов БелАЗ были апробированы в ООО «Вахрушевская автобаза» в 2014 …2015 гг. и дали положительный результат. Сократилось количество доливов масла в гидросистему, ста- ла стабильной работа гидросистем рулевого управления и подъема-опускания платформы.

About the authors

A. V Kuznetsov

Branch of Kuzbass State Technical University in Prokopyevsk

Email: Barsk-81@yandex.ru

A. V Shalkov

Branch of Kuzbass State Technical University in Prokopyevsk

Email: Barsk-81@yandex.ru

References

Supplementary files