Сферические наконечники для штоков гидроцилиндров

Введение: назначение сферических наконечников штоков

Сферические наконечники штоков гидроцилиндров представляют собой шарнирные узлы, обеспечивающие подвижное соединение штока с исполнительным механизмом. Их основная функция состоит в передаче усилия от гидроцилиндра к рабочему органу машины при одновременном обеспечении углового перемещения соединяемых элементов в нескольких плоскостях.

В конструкции экскаваторов и погрузчиков гидроцилиндры испытывают знакопеременные нагрузки растяжения и сжатия. При работе стрелы, рукояти и ковша возникают отклонения от соосности, которые компенсируются сферическими наконечниками. Без этих элементов жесткое соединение привело бы к возникновению изгибающих моментов, преждевременному износу уплотнений и деформации штока.

Применение сферических наконечников позволяет решить следующие технические задачи: компенсация несоосности при монтаже гидроцилиндра, восприятие угловых перемещений в процессе работы механизма, передача радиальных и осевых нагрузок без возникновения концентраторов напряжений, обеспечение трех степеней свободы в шарнирном соединении.

Конструкция и принцип работы

Основные конструктивные элементы

Сферический наконечник штока состоит из корпуса с резьбовым хвостовиком и встроенного сферического подшипника скольжения. Корпус имеет форму проушины с цилиндрическим отверстием, в которое запрессован или вклеен сферический подшипник. Резьбовой хвостовик служит для соединения наконечника со штоком гидроцилиндра.

Сферический подшипник скольжения состоит из внутреннего кольца с выпуклой наружной поверхностью и наружного кольца с вогнутой внутренней поверхностью. Сферические поверхности колец сопряжены между собой, что обеспечивает возможность углового перемещения. Допустимый угол наклона зависит от серии и размера подшипника, составляя от 3 до 22 градусов относительно оси согласно ГОСТ 3635-78.

Типы конструкций

По конструктивному исполнению различают наконечники с внутренней резьбой (тип SI, GIR) и наружной резьбой (тип SA, GAR). Наконечники с внутренней резьбой ввинчиваются непосредственно на резьбовой конец штока. Наконечники с наружной резьбой крепятся в ответную резьбовую втулку или проушину механизма.

По наличию системы смазки выделяют обслуживаемые наконечники с масленкой или каналами для подвода смазки и необслуживаемые самосмазывающиеся конструкции. Обслуживаемые исполнения требуют периодического пополнения смазочного материала через пресс-масленку, необслуживаемые работают весь срок службы без дополнительной смазки.

Материалы и пары трения

Комбинации материалов контактных поверхностей

Выбор материалов пары трения определяет эксплуатационные характеристики наконечника: грузоподъемность, износостойкость, температурный диапазон работы и требования к смазке. Наиболее распространены три типа пар трения.

Коэффициенты трения

Коэффициент трения определяет энергетические потери в шарнирном узле и влияет на износ контактных поверхностей. Для пары сталь/сталь при наличии смазки коэффициент трения составляет 0,08-0,15. Пара сталь/бронза со смазкой характеризуется коэффициентом 0,10-0,15. Самосмазывающиеся пары сталь/PTFE обеспечивают коэффициент трения 0,03-0,25 в зависимости от нагрузки и скорости скольжения (данные SKF). Минимальные значения достигаются при высоких удельных нагрузках и низких скоростях скольжения.

Самосмазывающиеся наконечники

Принцип самосмазывания

Самосмазывающиеся сферические наконечники содержат антифрикционный слой на основе политетрафторэтилена (PTFE, тефлон). Этот материал обладает низким коэффициентом трения и способностью переносить тонкие слои полимера на сопряженную поверхность, образуя разделительную пленку. Благодаря этому эффекту обеспечивается работа узла без внешней смазки. В начальный период приработки происходит перенос материала PTFE на контактную поверхность, после чего достигаются характерные низкие значения трения и износа.

Типы самосмазывающихся покрытий

Применяются несколько технологий создания самосмазывающегося слоя. Трехслойный композит состоит из стальной основы, промежуточного слоя спеченной оловянной бронзы и рабочего слоя PTFE-композиции. Тканевый композит включает армирующую ткань из стекловолокна или синтетических нитей с PTFE-связующим.

Стандарты и нормативная база

Отечественные стандарты

Производство шарнирных подшипников в России регламентируется ГОСТ 3635-78 (ИСО 6124/1-82, ИСО 6124/2-82, ИСО 6124/3-82, ИСО 6125-82). Стандарт является действующим (ограничение срока действия снято протоколом N 3-93 Межгосударственного Совета по стандартизации). Стандарт устанавливает типы подшипников, требования к материалам, размерам, допускам и методам испытаний. Кольца подшипников изготавливаются из стали марок ШХ15, ШХ15СГ по ГОСТ 801-78 с твердостью 59-65 HRC.

По ГОСТ 3635-78 установлены следующие типы подшипников для подвижных соединений: Ш - без отверстий и канавок для смазки; ШС - с отверстиями и канавками для смазки во внутреннем кольце; ШС...К - с отверстиями и канавками во внутреннем и наружном кольцах; ШСШ...К - с отверстиями в широком внутреннем кольце. Для неподвижных соединений применяется тип ШМ без отверстий для смазки. Установлены две степени точности: первая (с индексом 1) и вторая (без маркировки).

В 2022 году введен ГОСТ 34869-2022 (ISO 20015:2017) "Подшипники шарнирные. Метод расчета статической и динамической грузоподъемности", устанавливающий методику определения нагрузочной способности.

Международные стандарты

Международная классификация сферических подшипников скольжения и шарнирных наконечников определена стандартами серии ISO 12240. ISO 12240-1:1998 описывает радиальные сферические подшипники скольжения (заменил ISO 6124/1, 6124/3, 6125). ISO 12240-4:1998 - шарнирные наконечники (rod ends). Европейский стандарт DIN 648 заменен на DIN ISO 12240-4. Размерные серии E, G и K определены для различных требований по грузоподъемности и монтажному пространству.

Типоразмеры и размерные серии

Размерный ряд по ГОСТ 3635-78 (серия Е)

Отечественные шарнирные подшипники выпускаются с внутренним диаметром от 4 до 300 мм. Для гидроцилиндров экскаваторов и погрузчиков наиболее востребованы типоразмеры с внутренним диаметром 20-80 мм. В таблице приведены данные для подшипников серии Е (основная серия) при числе повторных нагружений не более 5000.

Размерные серии по DIN ISO 12240-4

Международная классификация предусматривает серии K (стандартная, широкая головка) и E (узкая головка). Серия K отличается увеличенной шириной проушины и повышенной грузоподъемностью. Серия E применяется при ограниченном монтажном пространстве. Типоразмеры охватывают диапазон резьбы от M5 до M64.

Критерии выбора наконечников

Расчет нагрузочной способности

При выборе типоразмера наконечника необходимо учитывать величину и характер нагрузки. Статическая грузоподъемность C0 определяет допустимую нагрузку при неподвижном шарнире или редких перемещениях. Динамическая грузоподъемность C соответствует нагрузке при качательном движении с определенной частотой. Методика расчета грузоподъемности шарнирных подшипников установлена ГОСТ 34869-2022 (ISO 20015:2017).

Факторы выбора

При подборе сферического наконечника учитываются следующие параметры: максимальная радиальная нагрузка от усилия гидроцилиндра, осевая составляющая нагрузки при наклоне шарнира (не более 10% от радиальной по ГОСТ 3635-78), частота качательных движений, требуемый угол отклонения, температурный режим эксплуатации, наличие ударных нагрузок, требования к обслуживанию.

Применение в экскаваторах и погрузчиках

Точки установки сферических наконечников

В конструкции одноковшового экскаватора сферические наконечники устанавливаются на гидроцилиндрах стрелы, рукояти и ковша. Как правило, наконечник монтируется на конце штока, а сферический подшипник аналогичной конструкции - в проушине задней крышки гидроцилиндра. Такая схема обеспечивает компенсацию угловых перемещений при изменении положения рабочего оборудования.

На фронтальных погрузчиках сферические наконечники применяются в гидроцилиндрах подъема стрелы и поворота ковша. Дополнительно шарнирные подшипники устанавливаются в гидроцилиндрах рулевого управления погрузчиков с шарнирно-сочлененной рамой.

Особенности эксплуатации

Гидроцилиндры экскаваторов работают в условиях высоких нагрузок, ударных воздействий, загрязненной среды и широкого диапазона температур. Для тяжелых режимов работы применяются сферические наконечники с парой трения сталь/сталь и регулярным смазыванием. Интервал смазки зависит от интенсивности эксплуатации и составляет от 50 до 250 моточасов.

Современные самосмазывающиеся наконечники с PTFE-покрытием находят применение в узлах с умеренными нагрузками или при затрудненном доступе для обслуживания. Их преимущество - отсутствие необходимости пополнения смазки в течение всего срока службы, что снижает трудоемкость технического обслуживания.

Диагностика износа

Признаки неисправности

Износ сферических наконечников проявляется следующими симптомами: увеличенный люфт в шарнирном соединении, стук при реверсе гидроцилиндра, неравномерное движение штока, повышенный нагрев узла, утечка смазки из-под уплотнений подшипника.

Визуальный осмотр позволяет выявить механические повреждения корпуса, коррозию, деформацию проушины, износ посадочного отверстия под палец. Измерение радиального зазора в подшипнике проводится с помощью индикатора часового типа при фиксированном пальце.

Технология замены

Подготовительные операции

Замена сферического наконечника штока выполняется при демонтированном гидроцилиндре или непосредственно на машине при наличии доступа. Перед началом работ необходимо сбросить давление в гидросистеме, зафиксировать рабочее оборудование от самопроизвольного перемещения, очистить узел от загрязнений.

Последовательность замены

Операция замены включает следующие этапы:

1. Демонтаж пальца крепления наконечника к рабочему органу. Палец выпрессовывается после удаления стопорных элементов (шплинтов, пружинных колец).

2. Отвинчивание наконечника от штока. При затрудненном отвинчивании применяется нагрев резьбового соединения до 150-200C или предварительная обработка проникающей смазкой. Используется накидной или рожковый ключ соответствующего размера.

3. Осмотр резьбы штока на предмет повреждений. При наличии забоин, смятия витков резьба восстанавливается плашкой или шток подлежит ремонту.

4. Нанесение резьбового герметика средней прочности на резьбу штока. Герметик предотвращает самоотвинчивание и коррозию резьбы.

5. Навинчивание нового наконечника с контролем момента затяжки. Момент затяжки определяется диаметром резьбы и классом прочности.

6. Установка пальца крепления и стопорных элементов. При необходимости палец заменяется вместе с наконечником.

Замена сферического подшипника в проушине

Сферический подшипник в проушине гидроцилиндра или наконечника фиксируется пружинным стопорным кольцом. Для замены подшипника необходимо удалить стопорное кольцо специальными щипцами, выпрессовать изношенный подшипник и запрессовать новый. Запрессовка выполняется с усилием на наружное кольцо подшипника во избежание повреждения сферических поверхностей.

Вопросы и ответы

Заключение

Сферические наконечники штоков являются ответственными элементами шарнирных соединений гидроцилиндров строительной и дорожной техники. Правильный выбор типа наконечника с учетом нагрузок, условий эксплуатации и требований к обслуживанию обеспечивает надежную работу гидропривода. Своевременная диагностика износа и замена наконечников по регламенту предотвращают аварийные отказы оборудования.