Содержание
Введение
Втулки крепления ковша экскаватора представляют собой критически важные элементы подшипников скольжения, обеспечивающие подвижное соединение рабочего оборудования с рукоятью и стрелой. Эти компоненты работают в экстремальных условиях, подвергаясь интенсивным ударным нагрузкам, абразивному износу от попадания пыли и грязи, а также значительным контактным давлениям при выполнении землеройных операций.
Рабочая смена экскаватора может длиться от рассвета до глубокой ночи, что создает высокие требования к износостойкости узлов крепления. При этом особенностью эксплуатации строительной техники является необходимость выполнения ремонтных работ непосредственно на объекте, в полевых условиях, без возможности использования стационарного оборудования.
Конструкция и назначение втулок
Втулка крепления ковша представляет собой цилиндрическую деталь с осевым отверстием, выполняющую роль подшипника скольжения. В конструктивном отношении втулки изготавливаются как сплошные монометаллические детали или в виде свертных биметаллических элементов с антифрикционным покрытием.
Типы втулок по конструкции
В узлах крепления ковша применяются следующие основные типы втулок:
| Тип втулки | Конструктивные особенности | Область применения |
|---|---|---|
| Гладкая цилиндрическая | Простая цилиндрическая форма без дополнительных элементов | Соединения ковш-рукоять |
| С буртиком (фланцевая) | Наличие опорного буртика для осевой фиксации | Узлы с осевыми нагрузками |
| Сферическая | Сферическая наружная поверхность для компенсации перекосов | Узлы с угловыми смещениями |
| Свертная разрезная | Разрезная конструкция с упругим зажимом | Упрощенный монтаж в полевых условиях |
Функциональное назначение
Втулки в узлах крепления ковша выполняют несколько критически важных функций. Они обеспечивают снижение коэффициента трения в подвижных соединениях, распределяют нагрузку по большей площади контакта, защищают базовые элементы конструкции от износа и позволяют проводить замену изношенных элементов без демонтажа основных деталей.
Важно: Втулки имеют специальное отверстие для подвода смазочного материала. При установке критически важно обеспечить совпадение этого отверстия с масляным каналом в корпусе детали. Несоблюдение этого требования приводит к перегреву узла и ускоренному износу.
Материалы изготовления
Выбор материала втулки определяется условиями эксплуатации, величиной нагрузок и требованиями к долговечности. Для узлов крепления ковша экскаватора применяются различные группы материалов, каждая из которых обладает специфическими свойствами.
Стальные втулки
Легированные конструкционные стали являются наиболее распространенным материалом для изготовления втулок крепления тяжелого оборудования. Наибольшее распространение получили стали марок 40Х и 45, а также их зарубежные аналоги.
| Марка стали | Химический состав | Твердость после термообработки | Применение |
|---|---|---|---|
| Сталь 40Х | 0.4% C, 1% Cr | 28-45 HRC | Стандартные условия эксплуатации |
| Сталь 45 | 0.45% C | 40-55 HRC | Высокие механические нагрузки |
| Сталь 18ХГТ | 0.18% C, 1% Cr, 1% Mn, Ti | 58-62 HRC (поверхность) | Повышенная износостойкость |
| Сталь 30ХГСА | 0.3% C, Cr, Mn, Si | 35-50 HRC | Динамические нагрузки |
Бронзовые втулки
Бронзы и медные сплавы применяются в узлах, где требуется снижение коэффициента трения и хорошая прирабатываемость. Основные типы бронз включают оловянистые марки (БрОЦС, БрО10Ф1), алюминиевые бронзы и безоловянные композиции.
Преимуществами бронзовых втулок являются низкий коэффициент трения в паре со сталью (0.08-0.10), хорошая прирабатываемость поверхностей, высокая коррозионная стойкость и способность работать в условиях ограниченной смазки. К недостаткам относятся меньшая прочность по сравнению со сталью, высокая стоимость материала и склонность к схватыванию при недостаточной смазке.
Металлополимерные втулки
Современные металлополимерные втулки представляют собой композиционный материал, состоящий из стальной основы с нанесенным слоем бронзы и антифрикционного покрытия на основе фторопласта или полиэфирэфиркетона.
Характеристики металлофторопластовых втулок
Диапазон рабочих температур: от -200°C до +250°C
Коэффициент трения: 0.04-0.09
Удельное рабочее давление: 20-30 МПа
Износ при сухом трении по стали: 4×10⁻³ мм³/см²×км
Условия эксплуатации и механизмы износа
Втулки крепления ковша экскаватора работают в чрезвычайно тяжелых условиях, характеризующихся комбинированным воздействием множественных факторов износа.
Ударные нагрузки
При выполнении землеройных работ узлы крепления ковша подвергаются значительным ударным нагрузкам, возникающим при внедрении зубьев в грунт, разрушении твердых включений и транспортировке груза. Пиковые нагрузки могут многократно превышать номинальные значения, что требует высокой усталостной прочности материала втулок.
Абразивный износ
Абразивный износ является одним из доминирующих механизмов разрушения втулок в узлах крепления ковша. Мелкие твердые частицы грунта, пыль и песок проникают в зазоры подшипников скольжения, где захватываются смазочным материалом и вызывают интенсивное изнашивание рабочих поверхностей.
| Источник абразива | Характеристики частиц | Механизм износа | Меры защиты |
|---|---|---|---|
| Пыль окружающей среды | Размер 5-50 мкм, кварц | Микрорезание поверхности | Уплотнения, защитные чехлы |
| Продукты износа деталей | Металлические частицы 10-100 мкм | Задиры, царапины | Фильтрация смазки, замена масла |
| Грунт при работе | Песок, глина с твердыми включениями | Абразивное истирание | Регулярная очистка узлов |
| Загрязненная смазка | Комплексные загрязнения | Комбинированный износ | Контроль чистоты смазочных материалов |
Признаками абразивного износа втулок являются матовая поверхность рабочих дорожек, появление продольных рисок и канавок, потемнение смазочного материала и увеличение радиального зазора в соединении.
Влияние условий эксплуатации
Интенсивность износа втулок существенно зависит от типа обрабатываемого грунта. Работа в песках и абразивных материалах приводит к ускоренному износу в 2-3 раза по сравнению с эксплуатацией в глинистых грунтах. Высокая влажность способствует коррозионному износу стальных втулок и вымыванию смазочного материала. Температурные колебания вызывают изменение зазоров в соединениях и влияют на вязкость смазки.
Термическая обработка втулок
Термическая обработка стальных втулок является критически важным этапом производства, определяющим их эксплуатационные характеристики. Правильно проведенная термообработка обеспечивает оптимальное сочетание твердости поверхности, прочности сердцевины и вязкости материала.
Процесс закалки
Закалка стальных втулок выполняется с целью повышения твердости и износостойкости рабочих поверхностей. Процесс включает три основных этапа: нагрев до температуры аустенизации, выдержку при заданной температуре и ускоренное охлаждение.
Режимы закалки для основных марок сталей
Сталь 40Х:
Температура закалки: 840-860°C
Выдержка: 10-15 минут (1.5-2 мин/мм толщины)
Охлаждение: в масле
Твердость: 55-59 HRC
Сталь 45:
Температура закалки: 840-860°C
Выдержка: соответствует толщине сечения
Охлаждение: в воде или масле
Твердость: 40-56 HRC
Отпуск после закалки
После закалки втулки обязательно подвергаются отпуску для снятия внутренних напряжений и достижения оптимального комплекса механических свойств. Различают три основных вида отпуска в зависимости от требуемых характеристик.
| Вид отпуска | Температура | Структура | Твердость | Применение |
|---|---|---|---|---|
| Низкий | 150-250°C | Мартенсит отпуска | 58-63 HRC | Поверхностная закалка ТВЧ |
| Средний | 350-500°C | Троостит отпуска | 35-45 HRC | Втулки с повышенной упругостью |
| Высокий | 550-650°C | Сорбит отпуска | 25-35 HRC | Оптимальный комплекс свойств |
Поверхностная закалка токами высокой частоты
Для втулок крепления ковша часто применяется поверхностная закалка токами высокой частоты, обеспечивающая твердую износостойкую поверхность при вязкой сердцевине. При нагреве ТВЧ температура может достигать 880-920°C, а скорость нагрева составляет 250-500°C/сек. Глубина закаленного слоя регулируется параметрами тока и составляет обычно 2-5 мм для втулок диаметром 40-80 мм.
Преимущества закалки ТВЧ
Высокая твердость поверхности (58-62 HRC) при вязкой сердцевине обеспечивает износостойкость и устойчивость к ударным нагрузкам. Минимальные деформации детали благодаря локальному нагреву позволяют сохранить точность размеров. Короткое время цикла термообработки делает процесс экономически эффективным, а отсутствие обезуглероживания поверхности сохраняет свойства материала.
Стандарты и нормы
Проектирование, изготовление и контроль качества втулок подшипников скольжения регламентируется рядом национальных и международных стандартов.
Основные стандарты на втулки
| Обозначение стандарта | Наименование | Область применения |
|---|---|---|
| ГОСТ ИСО 3547-1-2006 | Подшипники скольжения. Втулки свертные. Часть 1. Размеры | Свертные втулки для строительной техники |
| ГОСТ ИСО 4379-2006 | Подшипники скольжения. Втулки из медных сплавов | Бронзовые втулки |
| ГОСТ ИСО 2795-2001 | Подшипники скольжения. Металлокерамические втулки | Спеченные порошковые втулки |
| ГОСТ 28774-90 | Подшипники скольжения. Втулки свертные с антифрикционным слоем | Металлополимерные композитные втулки |
| ГОСТ 4543-2016 | Металлопродукция из конструкционной легированной стали | Технические условия на стали для втулок |
Требования к точности изготовления
Точность геометрических размеров втулок критически важна для обеспечения правильной посадки и работы подшипникового узла. Внутренний диаметр втулки после запрессовки обычно выполняется по полю допуска H7 или G7. Наружный диаметр для запрессовки изготавливается с натягом 0.03-0.06 мм относительно посадочного отверстия. Допуск соосности внутреннего и наружного диаметров не должен превышать 0.02-0.03 мм. Шероховатость рабочей поверхности составляет Ra 0.8-1.6 мкм для обеспечения хорошей прирабатываемости.
Критерии выбора втулок
Правильный выбор втулок для узлов крепления ковша экскаватора требует комплексного учета условий эксплуатации, характера нагрузок и требований к долговечности.
Расчет рабочих параметров
При выборе втулок необходимо рассчитать основные эксплуатационные параметры, включая удельное давление в подшипнике и скорость скольжения.
Расчет удельного давления
p = F / (d × l)
где p - удельное давление, МПа
F - радиальная нагрузка, Н
d - внутренний диаметр втулки, мм
l - длина втулки, мм
Расчет скорости скольжения
v = π × d × n / (60 × 1000)
где v - скорость скольжения, м/с
d - диаметр пальца, мм
n - частота поворота, об/мин
Допустимые значения параметров
| Материал втулки | Удельное давление, МПа | Скорость скольжения, м/с | Произведение pv, МПа×м/с |
|---|---|---|---|
| Сталь 40Х закаленная | до 50 | до 0.5 | до 5 |
| Бронза БрОЦС | до 25 | до 1.0 | до 10 |
| Металлофторопласт | до 30 | до 0.5 | до 3.5 |
| Баббит БК2 | до 15 | до 5.0 | до 25 |
Учет условий эксплуатации
При выборе материала втулок необходимо учитывать конкретные условия работы экскаватора. Для работы в абразивных грунтах рекомендуются закаленные стальные втулки с твердостью не менее 45 HRC. В условиях ограниченной смазки предпочтительны металлополимерные втулки с антифрикционным покрытием. При высоких ударных нагрузках оптимальны втулки из стали с высоким отпуском, обеспечивающие сочетание прочности и вязкости. Для узлов с хорошей централизованной смазкой эффективны бронзовые втулки.
Системы смазки
Эффективная смазка втулок крепления ковша является критическим фактором, определяющим их долговечность и работоспособность узла в целом.
Функции смазочного материала
Смазка в подшипниках скольжения выполняет множество важных функций. Она снижает коэффициент трения между пальцем и втулкой с 0.3-0.5 до 0.04-0.10, отводит тепло от зоны трения, предотвращая перегрев деталей, защищает поверхности от коррозии и удаляет продукты износа из рабочей зоны, предотвращая абразивный износ.
Типы применяемых смазочных материалов
| Тип смазки | Характеристики | Температурный диапазон | Применение |
|---|---|---|---|
| Литиевая смазка | Водостойкая, универсальная | от -30°C до +120°C | Стандартные условия |
| Кальциевая смазка | Хорошая водостойкость | от -20°C до +80°C | Влажные условия |
| Молибденовая смазка | Высокие противозадирные свойства | от -30°C до +150°C | Тяжелые нагрузки |
| Графитовая смазка | Высокая несущая способность | от -20°C до +200°C | Экстремальные нагрузки |
Система централизованной смазки
На современных экскаваторах применяется система централизованной смазки, обеспечивающая автоматическую подачу смазочного материала ко всем узлам крепления. Смазка подается через специальные масленки, установленные на корпусах деталей, и распределяется по каналам к рабочим поверхностям втулок. Периодичность смазки определяется условиями эксплуатации и обычно составляет 8-10 часов работы.
Критически важно: При установке втулок необходимо обеспечить совпадение смазочного отверстия во втулке с масляным каналом в корпусе. Несовпадение приводит к работе узла без смазки, перегреву и быстрому выходу из строя.
Технология замены в полевых условиях
Особенностью эксплуатации строительной техники является необходимость выполнения ремонта непосредственно на объекте, без возможности использования стационарного прессового оборудования.
Признаки необходимости замены
Замена втулок требуется при появлении следующих признаков износа: увеличение люфта в соединении более 0.5 мм, появление характерного стука при работе, нагрев узла крепления выше 80°C, утечка смазочного материала из соединения и видимые повреждения уплотнений.
Подготовка к замене
Перед началом работ необходимо тщательно очистить узел от грязи и старой смазки, освободить рабочую зону от навесного оборудования, подготовить необходимый инструмент и приспособления, а также обеспечить безопасные условия работы с применением опор и фиксаторов.
Выпрессовка изношенных втулок
Существует несколько методов извлечения изношенных втулок в полевых условиях.
Метод 1: Термический способ
На изношенную втулку наваривается петля из арматуры или приваривается временная рукоять. После нагрева места посадки газовой горелкой втулка извлекается с помощью рычага или вытягивается. Преимущества метода: не требует специального оборудования, быстрое выполнение. Недостатки: возможное повреждение посадочного места, требуется сварочное оборудование.
Метод 2: Механическое выбивание
Используется старый палец или специальная оправка в качестве выколотки. Удары наносятся кувалдой через деревянную прокладку для защиты инструмента. Выбивание ведется с противоположной стороны установки. Преимущества: простота, не требует дополнительного оборудования. Недостатки: риск повреждения посадочного места, трудоемкость при плотной посадке.
Метод 3: Резьбовой съемник
Изготавливается простое приспособление из длинного болта М16-М20, двух упорных шайб и силовой гайки. Болт проходит через втулку, с одной стороны упирается в корпус детали, с другой гайка создает усилие выпрессовки. Преимущества: контролируемое усилие, минимальный риск повреждений. Недостатки: требуется изготовление приспособления.
Подготовка посадочного места
После извлечения старой втулки необходимо тщательно очистить посадочное отверстие от остатков смазки, грязи и продуктов коррозии. Поверхность проверяется на наличие задиров, вмятин и следов износа. При необходимости посадочное место обрабатывается мелкой шкуркой для удаления заусенцев. Критически важно проверить размеры отверстия микрометром для обеспечения правильного натяга.
Запрессовка новых втулок
Установка новых втулок может выполняться несколькими способами в зависимости от доступного оборудования.
Метод охлаждения втулки
Новая втулка охлаждается в жидком азоте или сухом льде до температуры -40...-80°C. При охлаждении диаметр втулки уменьшается на 0.08-0.12 мм, что позволяет установить ее в отверстие практически без усилия. После установки втулка нагревается до температуры окружающей среды, расширяется и создает требуемый натяг. Преимущества: минимальное усилие установки, отсутствие риска повреждений. Недостатки: требуется жидкий азот или сухой лед.
Метод запрессовки с нагревом корпуса
Базовая деталь нагревается до температуры 150-180°C с помощью газовой горелки или индукционного нагревателя. Новая втулка быстро устанавливается в расширенное отверстие. После остывания обеспечивается требуемый натяг. Внимание: нагрев должен быть равномерным, избегать перегрева, который может привести к деформациям.
Метод механической запрессовки
Используется гидравлический пресс или резьбовое приспособление, аналогичное применяемому при выпрессовке. Втулка устанавливается с помощью оправки, диаметр которой соответствует внутреннему диаметру втулки. Усилие запрессовки составляет 5-15 тонн в зависимости от размеров втулки и величины натяга.
Финишные операции
После установки втулок выполняются следующие операции: проверка правильности установки по глубине посадки, совмещение смазочного отверстия втулки с каналом в корпусе, очистка внутреннего отверстия от возможных заусенцев, нанесение смазки на рабочую поверхность и установка пальца с проверкой легкости вращения.
Важно: При установке втулок на ковше обязательно обращайте внимание на совмещение смазочного отверстия. Маркировка или метка на втулке должна совпадать с масляным каналом корпуса.
Часто задаваемые вопросы
Оптимальная твердость зависит от условий эксплуатации. Для работы в абразивных грунтах рекомендуется твердость 45-55 HRC, обеспечивающая высокую износостойкость. При преимущественно ударных нагрузках предпочтительна твердость 35-45 HRC, обеспечивающая лучшую вязкость и сопротивление усталостному разрушению. Для узлов с хорошей смазкой и умеренными нагрузками достаточна твердость 28-35 HRC.
Периодичность замены втулок зависит от интенсивности эксплуатации и условий работы. В нормальных условиях ресурс составляет 2000-3000 моточасов. При работе в абразивных грунтах срок службы сокращается до 1000-1500 моточасов. Основным критерием является увеличение люфта в соединении более 0.5 мм. Рекомендуется проводить контрольные измерения зазоров каждые 500 моточасов работы.
Замена стальных втулок на бронзовые возможна при соблюдении определенных условий. Бронзовые втулки обладают лучшими антифрикционными свойствами и могут работать в условиях ограниченной смазки. Однако их применение ограничено максимальным удельным давлением 25 МПа, что может быть недостаточно для тяжелонагруженных узлов крепления ковша большегрузных экскаваторов. Также необходимо учитывать, что палец должен быть закален до твердости не менее 50 HRC для работы в паре с бронзовой втулкой.
Несовпадение смазочного отверстия с каналом является критической ошибкой монтажа, которая приводит к работе узла без смазки. Необходимо немедленно демонтировать втулку и установить ее в правильном положении. Некоторые втулки имеют специальную метку для ориентации при установке. Если метка отсутствует, перед запрессовкой следует временно установить втулку и отметить правильное положение. Работа узла без смазки даже в течение нескольких часов приводит к перегреву и необратимому повреждению втулки и пальца.
Величина натяга для стальных втулок составляет обычно 0.03-0.06 мм. Для алюминиевых корпусов натяг может быть уменьшен до 0.02-0.04 мм из-за большей податливости материала. Недостаточный натяг приводит к проворачиванию втулки в посадочном месте и быстрому износу. Чрезмерный натяг может вызвать деформацию втулки и уменьшение внутреннего диаметра, что затруднит установку пальца. Обязательно измеряйте диаметры отверстия и втулки перед запрессовкой для контроля фактического натяга.
Замена большинства втулок крепления ковша может выполняться без полного демонтажа стрелы. Достаточно отсоединить гидроцилиндры и опустить навесное оборудование на землю или специальные опоры. Для доступа к втулкам необходимо извлечь фиксирующие пальцы. В полевых условиях замена выполняется с использованием простейших приспособлений - сварочного аппарата, кувалды, оправок. Некоторые узлы требуют частичной разборки для обеспечения доступа, но полный демонтаж стрелы требуется крайне редко.
Выбор смазки зависит от условий эксплуатации. Для стандартных условий рекомендуются литиевые смазки универсального применения. В условиях высоких нагрузок эффективны молибденовые или графитовые смазки с противозадирными присадками. При работе в условиях повышенной влажности предпочтительны кальциевые водостойкие смазки. Важно использовать смазки класса вязкости NLGI 2, обеспечивающие оптимальное сочетание текучести и несущей способности. Периодичность смазки составляет обычно 8-10 моточасов работы в нормальных условиях и 4-6 моточасов при работе в запыленной среде.
Ускоренный износ при регулярной смазке обычно вызван попаданием абразивных частиц в рабочую зону. Основные причины: повреждение или износ уплотнений, позволяющих грязи проникать в соединение; загрязнение смазочного материала при хранении или нанесении; недостаточная очистка узлов перед смазкой; использование загрязненного шприца для смазки. Также быстрый износ может быть вызван недостаточной твердостью пальца (менее 45 HRC), что приводит к его интенсивному истиранию и образованию продуктов износа. Рекомендуется проверить состояние уплотнений и качество смазочного материала.
Полезные материалы по теме подшипников и втулок
Для более глубокого понимания вопросов эксплуатации подшипниковых узлов строительной техники рекомендуем ознакомиться со следующими материалами:
Связанные товары и решения
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
- Атлас дефектов подшипников: питтинг, фреттинг, бринеллирование и ложное бринеллирование — описание, фото, причины и методы профилактики
- SKF vs Китайские подшипники: Можно ли заменить в критичном узле 2025
- Анализ масла подшипников: предиктивная диагностика по металлам износа 2025
- Подшипники шариковые радиальные INA
- Станочные подшипники ZKL
- Роликовые подшипники FAG
- Роликовые подшипники 360 мм
- Роликовые подшипники ISB
- Роликовые подшипники 420 мм
- WD-40 для подшипников. Может ли заменить индустриальную смазку?
- Роликовые подшипники SKF
- Подшипники NSK
- Подшипники роликовые радиальные сферические KOYO
- Подшипники роликовые радиально-упорные(конические) NKE
Заключение
Втулки крепления ковша экскаватора являются ответственными элементами конструкции, определяющими надежность и долговечность рабочего оборудования. Правильный выбор материала втулок с учетом условий эксплуатации, качественная термическая обработка, своевременное обслуживание и профессиональная замена при износе обеспечивают длительную безаварийную работу техники. Применение современных материалов и технологий позволяет значительно увеличить межремонтные интервалы и снизить эксплуатационные затраты.
Отказ от ответственности: Данная статья носит исключительно информационно-ознакомительный характер и предназначена для инженерно-технических работников. Информация представлена на основе общепринятых технических стандартов и практик. Автор не несет ответственности за возможные последствия применения описанных технологий и рекомендаций. Перед выполнением работ необходимо ознакомиться с документацией производителя оборудования и соблюдать требования действующих нормативных документов. Ремонтные работы должны выполняться квалифицированным персоналом с соблюдением правил техники безопасности.
Источники
При подготовке статьи использовались следующие авторитетные источники:
- ГОСТ ИСО 3547-1-2006 «Подшипники скольжения. Втулки свертные. Часть 1. Размеры»
- ГОСТ ИСО 4379-2006 «Подшипники скольжения. Втулки из медных сплавов»
- ГОСТ ИСО 2795-2001 «Подшипники скольжения. Металлокерамические втулки»
- ГОСТ 1080-2013 «Сталь углеродистая качественная конструкционная»
- ГОСТ 4543-2016 «Металлопродукция из конструкционной легированной стали. Технические условия»
- ГОСТ 28774-90 «Подшипники скольжения. Втулки свертные с антифрикционным слоем на основе полиацетала»
- Технические справочники по материалам подшипников скольжения
- Документация производителей строительной техники (Caterpillar, Komatsu, Volvo, Hitachi)
- Специализированные научные публикации по триботехнике и износу материалов
Вы можете задать любой вопрос на тему нашей продукции или работы нашего сайта.
