Содержание статьи
Введение
Сферические головки штоков представляют собой критически важные компоненты гидравлических цилиндров строительной и дорожно-строительной техники, в частности экскаваторов. Эти элементы обеспечивают шарнирное соединение штока гидроцилиндра с элементами рабочего оборудования, компенсируя угловые смещения и обеспечивая надежную передачу усилий при сложных траекториях движения.
В условиях эксплуатации экскаваторов сферические наконечники штоков подвергаются экстремальным нагрузкам, включающим радиальные, осевые и комбинированные усилия, а также работу в загрязненной среде с высоким содержанием абразивных частиц. Правильный выбор типа наконечника и его грамотная эксплуатация напрямую влияют на ресурс гидроцилиндра и безопасность работы машины.
Конструкция и назначение сферических головок
Основные конструктивные элементы
Сферическая головка штока состоит из корпуса с внутренним или наружным резьбовым соединением и запрессованного в него сферического подшипника скольжения. Конструкция обеспечивает возможность углового перемещения внутреннего кольца подшипника относительно корпуса головки, что критично важно для компенсации несоосности при монтаже и работе гидроцилиндра.
Внутреннее кольцо сферического подшипника имеет выпуклую сферическую наружную поверхность, а наружное кольцо выполнено с вогнутой сферической поверхностью. Такая конструкция позволяет воспринимать радиальные, осевые и комбинированные нагрузки при наличии углового смещения между осями штока и корпуса цилиндра.
Функциональное назначение
Основные функции сферических головок штоков включают передачу механических усилий от штока гидроцилиндра к элементам рабочего оборудования, компенсацию угловых смещений в процессе работы, снижение концентрации напряжений в местах крепления штока и обеспечение надежности шарнирного соединения при воздействии динамических и ударных нагрузок.
В гидроцилиндрах экскаваторов сферические головки устанавливаются как на штоковом конце для соединения с рабочим оборудованием, так и на корпусе цилиндра для крепления к раме машины. Допустимый угол наклона головки зависит от конструкции и типоразмера подшипника, обычно составляя от 6 до 15 градусов.
Серии сферических наконечников штоков
Серия GIR-DO
Серия GIR-DO представляет собой наконечники штоков с внутренней резьбой, предназначенные для ввинчивания непосредственно на шток гидроцилиндра. Конструкция включает запрессованный сферический подшипник скольжения с парой трения сталь-сталь, требующий периодического обслуживания и смазки через пресс-масленку.
Корпус наконечника изготавливается из конструкционной стали с последующей термической обработкой для обеспечения необходимой прочности. Серия широко применяется в гидроцилиндрах среднего и тяжелого класса строительной техники, обеспечивая высокую радиальную грузоподъемность при сравнительно компактных габаритах.
Серия GIKR
Серия GIKR включает наконечники с наружной резьбой для навинчивания на внутреннюю резьбу штока. Различают две основные модификации по типу крепления сферического подшипника в корпусе. Модификация PW предусматривает фиксацию подшипника стопорным кольцом, что упрощает замену подшипника при техническом обслуживании. Модификация PB использует запрессовку подшипника с последующей фиксацией, обеспечивая повышенную жесткость соединения.
Наконечники серии GIKR характеризуются увеличенным углом поворота и применяются в узлах с повышенными требованиями к компенсации несоосности, например в шарнирах стрелы и рукояти экскаваторов.
Серия SI
Серия SI представляет собой головки штоков с внутренней резьбой и необслуживаемым сферическим подшипником. Внутренняя поверхность скольжения подшипника выполнена из композитных материалов на основе политетрафторэтилена с бронзовой подложкой, обеспечивающих работу без дополнительной смазки на протяжении всего срока службы.
Модификация SIA используется для правой резьбы, SIL для левой резьбы. Необслуживаемые наконечники особенно востребованы в труднодоступных местах, где периодическое обслуживание затруднено, а также в условиях с высокой запыленностью.
Серия SA
Серия SA аналогична серии SI по конструкции необслуживаемого подшипника, но имеет другие геометрические параметры корпуса и применяется в специфических конструкциях гидроцилиндров. Модификации SAA и SAL отличаются направлением резьбы и наличием дополнительных уплотнений.
| Серия | Тип резьбы | Обслуживание | Угол поворота | Применение |
|---|---|---|---|---|
| GIR-DO | Внутренняя | Требуется | 6-10 градусов | Тяжелая техника |
| GIKR-PW | Наружная | Требуется | 8-12 градусов | Шарниры стрелы |
| GIKR-PB | Наружная | Требуется | 8-12 градусов | Высоконагруженные узлы |
| SI (SIA/SIL) | Внутренняя | Не требуется | 6-13 градусов | Труднодоступные места |
| SA (SAA/SAL) | Внутренняя | Не требуется | 6-13 градусов | Компактные конструкции |
Типы резьбовых соединений
Внутренняя резьба
Наконечники с внутренней резьбой навинчиваются непосредственно на резьбовой конец штока гидроцилиндра. Такая конструкция обеспечивает компактность соединения и позволяет использовать стандартные штоки без дополнительной механической обработки. Внутренняя резьба может выполняться по метрическому стандарту или в дюймовой системе в зависимости от производителя техники.
Наружная резьба
Головки с наружной резьбой навинчиваются на внутреннюю резьбу в штоке цилиндра. Этот вариант требует специальной обработки штока с выполнением внутренней резьбы, но обеспечивает повышенную жесткость соединения и меньшие габариты по диаметру.
Материалы и покрытия
Материалы корпуса
Корпуса сферических головок изготавливаются из конструкционных легированных сталей. Наиболее распространенные марки включают европейскую сталь 42CrMo4 (стандарт DIN), соответствующую американской AISI 4140 и японской JIS SCM440. Российским аналогом является сталь 40Х или 38ХА по ГОСТ 4543.
После механической обработки корпуса подвергаются термической обработке с закалкой и отпуском для получения оптимального сочетания твердости и пластичности. Твердость поверхности корпуса в зоне запрессовки подшипника составляет 35-45 HRC.
Материалы подшипников скольжения
В обслуживаемых наконечниках применяются сферические подшипники с парой трения сталь-сталь. Внутреннее кольцо изготавливается из подшипниковой стали с закалкой до твердости 58-64 HRC, наружное кольцо из конструкционной стали с твердостью 52-58 HRC.
Необслуживаемые подшипники используют композитные антифрикционные материалы. Наиболее распространена конструкция с бронзовым наружным кольцом, на внутреннюю поверхность которого нанесен слой политетрафторэтилена толщиной 0.2-0.4 мм.
Защитные покрытия
Для защиты от коррозии корпуса наконечников подвергаются фосфатированию с последующим нанесением масляной консервации или окрашиванию. В условиях повышенной агрессивности среды применяется цинковое покрытие толщиной не менее 10 мкм.
Расчет по радиальной нагрузке
Статическая грузоподъемность
Статическая грузоподъемность определяется как максимальная радиальная нагрузка, которую может выдержать неподвижный подшипник без остаточных деформаций. Для сферических подшипников скольжения расчет основан на площади проекции контактной поверхности и допустимом контактном напряжении.
Формула статической грузоподъемности:
C₀ = A × σдоп
где:
A - площадь радиальной проекции контактной поверхности, мм²
σдоп - допустимое контактное напряжение, МПа
Допустимые напряжения для подшипников скольжения:
Для пары сталь-сталь (статическая нагрузка): σдоп = 250-350 МПа
Для пары сталь-сталь (динамическая нагрузка): σдоп = 80-120 МПа
Для композитных материалов PTFE: σдоп = 100-200 МПа
Площадь радиальной проекции:
A = 0.91 × T × DB
где T - ширина подшипника (мм), DB - диаметр сферы (мм)
Учет комбинированной нагрузки
При одновременном действии радиальной и осевой нагрузок эквивалентная радиальная нагрузка рассчитывается по формуле:
Pэкв = X × Fr + Y × Fa
где:
Fr - радиальная нагрузка, кН
Fa - осевая нагрузка, кН
X, Y - коэффициенты радиальной и осевой нагрузки
Для сферических подшипников скольжения типовые значения:
X = 1.0
Y = 0.7-1.5 (зависит от угла наклона и конструкции)
Пример расчета
Исходные данные:
Гидроцилиндр стрелы экскаватора массой 20 тонн
Максимальное усилие штока: F = 250 кН
Угол наклона штока: α = 45 градусов
Расчет:
1. Радиальная составляющая: Fr = 250 × 0.707 = 177 кН
2. Осевая составляющая: Fa = 250 × 0.707 = 177 кН
3. Эквивалентная нагрузка: Pэкв = 1.0 × 177 + 1.0 × 177 = 354 кН
4. Требуемая грузоподъемность: C₀ ≥ 1.5 × 354 = 531 кН
Подбор сферических головок
Критерии выбора
При выборе сферической головки штока необходимо учитывать максимальное усилие штока, угловые смещения в процессе работы, условия эксплуатации и возможность проведения технического обслуживания, требования по габаритным размерам и совместимость с резьбовыми соединениями штока.
Коэффициенты безопасности
| Условия работы | Коэффициент безопасности | Рекомендации |
|---|---|---|
| Статическая нагрузка | 1.5-2.0 | Опоры аутригеров |
| Медленные колебания | 2.0-2.5 | Цилиндры рукояти |
| Динамические нагрузки | 2.5-3.0 | Цилиндры ковша |
| Ударные нагрузки | 3.0-3.5 | Гидромолоты |
Обслуживание и смазка
Периодичность обслуживания
Обслуживаемые наконечники с парой трения сталь-сталь требуют регулярной смазки через пресс-масленку. В нормальных условиях смазывание производится каждые 50-100 моточасов работы. При работе в загрязненной среде интервал сокращается до 25-50 моточасов.
Применяемые смазки
Для смазки сферических подшипников применяются пластичные смазки на литиевой или полимочевинной основе с противозадирными присадками. Рекомендуемые марки включают литиевые смазки консистенции NLGI 2-3, например Литол-24 или импортные аналоги.
Признаки износа
Контроль состояния включает проверку люфтов при покачивании штока, осмотр на наличие трещин корпуса, измерение температуры подшипника после работы. Увеличенный люфт более 1-2 мм указывает на износ подшипника и необходимость замены.
Применение в экскаваторах
Гидроцилиндры стрелы
Цилиндры подъема стрелы работают преимущественно в режиме подъема и опускания с относительно небольшими угловыми перемещениями. Для этих узлов применяются обслуживаемые наконечники серий GIR-DO или GIKR с высокой статической грузоподъемностью.
Гидроцилиндры рукояти
Цилиндры рукояти подвергаются более сложному нагружению с частыми колебательными движениями. В этих узлах предпочтительно применение необслуживаемых наконечников серий SI или SA.
Гидроцилиндры ковша
Цилиндры ковша работают в наиболее тяжелых условиях с высокими динамическими нагрузками и ударами при копании. Для этих узлов применяются усиленные наконечники с повышенными коэффициентами запаса прочности.
| Узел экскаватора | Тип нагрузки | Рекомендуемая серия | Особенности |
|---|---|---|---|
| Стрела (подъем) | Статическая | GIR-DO, GIKR-PB | Высокие нагрузки |
| Рукоять | Динамическая | SI, SA, GIKR-PW | Большой угол качания |
| Ковш | Ударная | GIR-DO усиленная | Абразивная среда |
Связанные товары и решения
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
Часто задаваемые вопросы
Основное различие в типе резьбового соединения. GIR-DO имеет внутреннюю резьбу и навинчивается на наружную резьбу штока. GIKR имеет наружную резьбу и устанавливается во внутреннюю резьбу штока. GIKR обычно имеет больший угол поворота (8-12 градусов против 6-10 у GIR-DO).
Обслуживаемые наконечники (GIR-DO, GIKR) имеют более высокую грузоподъемность, но требуют регулярной смазки каждые 50-100 моточасов. Необслуживаемые (SI, SA) не требуют обслуживания и эффективны в труднодоступных местах, но их грузоподъемность ниже на 30-40 процентов.
Расчет начинается с определения максимального усилия штока. Усилие раскладывается на радиальную и осевую составляющие. Эквивалентная нагрузка вычисляется по формуле: P = X × Fr + Y × Fa. К полученной нагрузке применяется коэффициент безопасности 1.5-3.5. Требуемая статическая грузоподъемность C₀ должна быть больше или равна произведению эквивалентной нагрузки на коэффициент безопасности.
В нормальных условиях рекомендуется смазывание каждые 50-100 моточасов работы. При работе в запыленной среде интервал сокращается до 25-50 моточасов. После контакта с водой или химически активными веществами требуется внеплановое смазывание.
Основные признаки: увеличенный радиальный люфт более 1-2 мм, появление трещин на корпусе, деформация или срыв резьбы, повышенная температура подшипника более 80 градусов, следы протечки смазки, затрудненное качание головки или заедания, посторонние шумы и стуки.
В обычных гидроцилиндрах с односторонним штоком применяется только один наконечник. Направление резьбы выбирается так, чтобы исключить самоотвинчивание. При моменте против часовой стрелки применяется правая резьба, при моменте по часовой стрелке - левая.
При превышении допустимой нагрузки происходит пластическая деформация контактных поверхностей, увеличение зазоров и появление люфта. Критические последствия включают разрушение подшипника с заклиниванием штока, срыв резьбы, образование трещин в корпусе с возможным внезапным разрушением под нагрузкой. Это представляет серьезную опасность для оператора.
Применяются пластичные смазки на литиевой или полимочевинной основе консистенции NLGI 2-3, работающие в диапазоне от минус 40 до плюс 120 градусов. Рекомендуются: литиевые универсальные смазки типа Литол-24, смазки с дисульфидом молибдена для высоконагруженных узлов, полимочевинные смазки для повышенных температур. Не рекомендуется смешивание различных типов смазок.
Заключение
Сферические головки штоков гидроцилиндров являются критически важными элементами гидравлических систем строительной техники. Правильный выбор серии наконечника с учетом типа резьбы, условий эксплуатации и нагрузок обеспечивает надежную и долговременную работу гидравлического оборудования экскаваторов.
При подборе необходимо руководствоваться расчетом эквивалентной нагрузки с применением соответствующих коэффициентов безопасности, учитывать специфику конкретного узла машины и обеспечивать регулярное техническое обслуживание обслуживаемых типов наконечников.
Источники
1. Свешников В.К., Усов А.А. Станочные гидроприводы. Справочник. М.: Машиностроение, 1988.
2. Каталог SKF. Сферические подшипники скольжения, наконечники штоков и втулки. SKF Group, 2024.
3. Каталог INA/FAG. Spherical plain bearings and rod ends. Schaeffler Technologies AG, 2023.
4. ГОСТ ИСО 12301-95. Подшипники скольжения. Методы контроля геометрических показателей и показателей качества материалов.
5. Техническая документация ASAHI SEIKO. Spherical Plain Bearings Technical Catalog, 2024.
6. Технические каталоги Durbal. Hydraulic rod ends and spherical plain bearings. Durbal GmbH, 2024.
7. New Hampshire Ball Bearings. Load Ratings for Rod End and Spherical Bearings. Engineering Reference, 2024.
8. AST Bearings. Spherical Plain Bearings - Life and Load Ratings. Technical Documentation, 2024.
9. Чмиль В.П. Гидро- и пневмоприводы строительной, дорожной и коммунальной техники. СПб.: Лань, 2019.
10. National Precision Bearings. Spherical Plain Bearing Engineering. Technical Reference, 2024.
