Линейные направляющие для телескопических стрел

1. Введение: назначение направляющих систем телескопических стрел

Телескопические стрелы являются основным рабочим оборудованием современных мобильных кранов грузоподъемностью от 4 до 250 тонн и более. Согласно действующему ГОСТ 22827-2020, телескопическая стрела относится к категории основного рабочего оборудования кранов стреловых самоходных. Данный стандарт заменил ранее действовавший ГОСТ 22827-85 и введен в действие с 1 июня 2021 года. Конструкция состоит из нескольких выдвижных секций, которые вкладываются друг в друга и перемещаются относительно друг друга при изменении длины стрелы.

Направляющие скольжения секций стрелы представляют собой линейные подшипники скольжения, обеспечивающие плавное перемещение выдвижных секций при телескопировании. Эти элементы воспринимают значительные нагрузки на излом, создаваемые массой поднимаемого груза и собственным весом конструкции. Качество направляющих систем напрямую влияет на безопасность эксплуатации крана, точность позиционирования груза и ресурс стрелового оборудования.

2. Конструкция телескопической стрелы и узлы скольжения

Телескопическая стрела состоит из основания (корневой секции), выдвижных секций и механизма телескопирования. Количество секций определяется грузоподъемностью крана: при грузоподъемности до 10 тонн устанавливается двухсекционная стрела, при большей грузоподъемности - трех-, четырехсекционные и более сложные конструкции.

Основные профили сечения секций

Расположение направляющих элементов

Направляющие элементы (плиты скольжения, скользуны, ползуны) устанавливаются в зонах контакта между секциями:

Верхние направляющие воспринимают нагрузки от прогиба стрелы и обеспечивают центрирование секций в вертикальной плоскости. Нижние направляющие несут основную массовую нагрузку от секций и груза. Боковые направляющие обеспечивают поперечную устойчивость и предотвращают скручивание конструкции.

3. Типы направляющих систем линейного перемещения

В конструкциях телескопических стрел применяются две основные системы направляющих: скольжения и качения. Каждая система имеет свои преимущества и ограничения, определяющие область применения.

Направляющие скольжения

Направляющие скольжения работают по принципу полужидкостного или граничного трения между сопряженными поверхностями. Преимуществами данного типа являются простота и компактность конструкции, высокая нагрузочная способность, хорошие демпфирующие свойства. К недостаткам относятся большие потери на трение и непостоянство сил трения при различных скоростях перемещения.

Направляющие качения

Направляющие качения используют тела качения (ролики, шарики) для уменьшения сопротивления перемещению. Роликовые направляющие обеспечивают значительно меньший коэффициент трения (0,001-0,01 против 0,1-0,4 у направляющих скольжения), но требуют более сложной конструкции и защиты от загрязнений.

Комбинированные системы

В современных конструкциях телескопических стрел часто применяются комбинированные системы, сочетающие полимерные накладки скольжения с роликовыми опорами. Такой подход позволяет использовать преимущества обоих типов направляющих: высокую нагрузочную способность скольжения и низкое трение качения.

4. Полимерные накладки скольжения

Полимерные накладки (плиты скольжения, скользуны) являются наиболее распространенным типом направляющих элементов в телескопических стрелах. Они устанавливаются между стенками металлических сегментов и воспринимают значительные контактные нагрузки.

Конструктивные особенности

Накладки изготавливаются в виде пластин толщиной от 5 до 30 мм и крепятся к несущим элементам секций с помощью болтовых соединений или специальных прижимных устройств. Конструкция должна обеспечивать возможность регулировки зазора между секциями и замены изношенных элементов без полной разборки стрелы.

Материалы полимерных накладок

Основными материалами для изготовления накладок скольжения являются конструкционные полимеры с улучшенными трибологическими свойствами:

Полиамид PA6 и PA66

Полиамиды относятся к наиболее распространенным материалам для направляющих скольжения. PA6 (капролон) обладает коэффициентом трения 0,35-0,42 по стали в условиях сухого хода при давлении 0,05 МПа и скорости 0,6 м/с. Материал характеризуется высокой механической прочностью, жесткостью и износостойкостью. Температурный диапазон применения составляет от -40 до +100 градусов Цельсия (кратковременно до +140 градусов).

PA66 отличается более высокой термостойкостью (до 115 градусов при длительной эксплуатации) и меньшим водопоглощением. Антифрикционные марки PA66 с добавлением дисульфида молибдена имеют коэффициент трения 0,15-0,30.

Сверхвысокомолекулярный полиэтилен (СВМПЭ)

СВМПЭ (PE-1000, PE-UHMW) обладает низким коэффициентом трения (0,09-0,17 по полированной стали без смазки в сухих условиях, 0,05 - в водной среде) и высочайшей износостойкостью. Молекулярная масса материала составляет около 4 000 000 г/моль, что обеспечивает уникальные механические свойства. Рабочий диапазон температур составляет от -200 до +80 градусов (кратковременно до +100 градусов).

Полимеры iglidur (igus)

Специализированные полимерные материалы iglidur разработаны для работы без смазки в условиях сухого трения. В состав материала входят армирующие компоненты и твердые смазочные вещества, распределенные в теле полимера. Материал iglidur X способен работать при температурах до +250 градусов и выдерживать нагрузки до 52 МПа даже при температуре 200 градусов. Материал iglidur G является универсальным решением для средних нагрузок и температур.

5. Роликовые опоры и направляющие

Роликовые опоры применяются в конструкциях телескопических стрел для снижения сопротивления при выдвижении секций и восприятия радиальных нагрузок. Они могут использоваться как самостоятельные направляющие элементы или в комбинации с накладками скольжения.

Конструкция роликовых опор

Роликовая опора состоит из ролика (цилиндрического или бочкообразного), оси вращения, подшипникового узла и кронштейна крепления. Ролики изготавливаются из закаленной стали, полиуретана или полиамида в зависимости от условий нагружения.

Типы роликов по материалу

Подшипниковые узлы роликов

В роликовых опорах применяются подшипники качения различных типов: радиальные шариковые, роликовые конические, игольчатые. Выбор типа подшипника определяется величиной и направлением нагрузок, скоростью вращения и условиями эксплуатации. Приведенный коэффициент трения подшипников качения составляет 0,001-0,02 в зависимости от типа и условий работы.

Для тяжелонагруженных роликов рекомендуется применение конических роликовых подшипников, способных воспринимать комбинированные радиально-осевые нагрузки. В менее нагруженных узлах допускается использование радиальных шариковых подшипников или скользящих втулок из антифрикционных материалов.

6. Материалы направляющих элементов

Требования к материалам

Материалы направляющих элементов телескопических стрел должны удовлетворять комплексу требований: низкий коэффициент трения, высокая износостойкость, достаточная прочность на сжатие, стойкость к атмосферным воздействиям, температурная стабильность размеров.

Сравнительный анализ полимерных материалов

Модифицированные материалы

Для улучшения трибологических характеристик базовые полимеры модифицируются добавками твердых смазок: графита, дисульфида молибдена (MoS2), политетрафторэтилена (ПТФЭ). Такие модификации снижают коэффициент трения на 30-50% и повышают износостойкость.

Стеклонаполненные полиамиды (PA6-GF30, PA66-GF30) с содержанием стекловолокна до 30% применяются в случаях, когда требуется повышенная размерная стабильность и жесткость. Однако такие материалы обладают более высоким абразивным воздействием на сопрягаемую поверхность.

7. Износ направляющих: причины и диагностика

Механизмы износа

Износ направляющих элементов телескопических стрел происходит под действием нескольких механизмов: абразивного износа, адгезионного износа, усталостного износа и коррозионного воздействия.

Абразивный износ возникает при попадании на контактные поверхности твердых частиц (песок, пыль, продукты коррозии). Он является основной причиной износа в условиях эксплуатации на открытом воздухе и характеризуется образованием рисок и борозд на поверхности.

Адгезионный износ развивается при недостаточной смазке и проявляется в переносе материала с одной поверхности на другую. В парах трения полимер-металл частицы полимера могут переноситься на металлическую поверхность, формируя пленку переноса.

Признаки износа

Методы диагностики

Диагностика состояния направляющих элементов включает визуальный осмотр, измерение зазоров и контроль геометрических параметров. Зазоры между секциями измеряются щупом в нескольких точках по длине сопряжения. Измерение толщины накладок производится штангенциркулем после демонтажа.

8. Критерии замены направляющих элементов

Количественные критерии

Замена направляющих элементов производится при достижении предельных значений износа, установленных производителем оборудования или нормативной документацией. Основным критерием является уменьшение толщины накладки на 50% от номинального значения или увеличение зазора до предельно допустимой величины.

Качественные критерии

Помимо измеряемых параметров, замена направляющих производится при обнаружении следующих дефектов: сквозных трещин в накладках, выкрашивания или отслаивания материала, глубоких рисок и задиров на поверхности (более 5% площади), деформации или разрушения крепежных элементов.

Порядок замены накладок

Замена полимерных накладок производится в следующей последовательности: фиксация стрелы в горизонтальном положении, демонтаж крепежных элементов, извлечение изношенной накладки, очистка и контроль посадочной поверхности, установка новой накладки с соблюдением требуемых зазоров, затяжка крепежа с контролем момента, проверка функционирования механизма телескопирования.

9. Техническое обслуживание и смазка

Периодичность обслуживания

Техническое обслуживание направляющих элементов выполняется в соответствии с регламентом, установленным производителем крана. Типичная периодичность: ежесменный осмотр, еженедельная смазка при интенсивной эксплуатации, ежемесячный контроль зазоров, ежегодный детальный осмотр с измерениями.

Смазочные материалы

Для смазки направляющих скольжения телескопических стрел применяются специализированные пластичные смазки. Особенности трибологии пары сталь-полимер определяют специфические требования к смазочным материалам.

В паре трения сталь-полимер традиционные противоизносные и противозадирные присадки на основе серы и фосфора малоэффективны, поскольку они работают только при контакте с металлической поверхностью. Полимерные поверхности химически инертны к действию таких присадок.

Требования к смазкам для направляющих

Альтернативные методы снижения трения

В качестве альтернативы пластичным смазкам применяются антифрикционные твердосмазочные покрытия на основе ПТФЭ. Такие покрытия наносятся на металлические поверхности секций и образуют тонкий сухой износостойкий слой. Преимущества данного метода: отсутствие вытеснения смазки при высоких контактных давлениях, защита от коррозии, устранение скачкообразного движения.

10. Вопросы и ответы