Содержание статьи
Введение
Шарнирные головки (наконечники) гидроцилиндров представляют собой специализированные механические соединения, обеспечивающие подвижное крепление штоков гидроцилиндров к исполнительным механизмам. Эти компоненты имеют критическое значение для функционирования гидравлической системы подъемно-транспортного оборудования, включая автомобильные и гусеничные краны, экскаваторы и другую строительную технику.
Основная задача шарнирных головок состоит в компенсации угловых и осевых перекосов, возникающих при работе гидравлического привода, при этом обеспечивая передачу значительных усилий без создания изгибающих моментов на шток цилиндра. Согласно ГОСТ 30362.1-96, шарнирные соединения гидроцилиндров классифицируются по типу крепления, конструкции и материалам пары трения.
Конструкция и принцип работы
Основные элементы шарнирной головки
Шарнирная головка включает несколько ключевых компонентов. Наружный корпус с резьбовым хвостовиком обеспечивает соединение со штоком гидроцилиндра или с проушиной. Сферический подшипник скольжения, состоящий из внутреннего и наружного колец, создает самоцентрирующееся соединение, способное воспринимать угловые перемещения. Уплотнительные элементы защищают рабочие поверхности от загрязнений и потери смазочного материала. Система смазки, включающая масленку или полость с твердой смазкой, обеспечивает работоспособность узла.
Принцип самоцентрирования
Сферическая поверхность скольжения позволяет кольцам шарнирного подшипника поворачиваться относительно друг друга в пределах конструктивно заложенных углов. Типичный диапазон угловых перемещений для шарнирных головок гидроцилиндров составляет 10-15 градусов в каждую сторону от оси. Данная возможность самоустановки исключает возникновение изгибающих напряжений в штоке при работе гидроцилиндра в условиях несоосности точек крепления.
Типы шарнирных соединений гидроцилиндров
В соответствии с ГОСТ 30362.1-96 и практикой машиностроения выделяют несколько основных типов шарнирных креплений гидроцилиндров:
| Обозначение | Тип крепления | Область применения |
|---|---|---|
| МР3 | Задняя несъемная проушина | Гидроцилиндры подъема стрелы, аутригеры |
| МР4 | Задняя съемная проушина | Ремонтопригодные узлы |
| МР5 | Задняя несъемная проушина с шарнирным подшипником | Гидроцилиндры с высокими нагрузками |
| МР6 | Задняя съемная проушина с шарнирным подшипником | Гидроцилиндры среднего класса нагрузки |
| МТ4 | Промежуточные цапфы | Гидроцилиндры выдвижения секций стрелы |
Проушины с шарнирными подшипниками по ГОСТ 3635-78 обеспечивают наибольший ресурс и надежность соединения в условиях динамических нагрузок и переменных направлений усилий.
Типы резьбы шарнирных наконечников
Классификация по типу резьбы
Шарнирные головки различаются по типу резьбового соединения, что определяет способ их монтажа. Головки с внутренней резьбой устанавливаются на шток с наружной резьбой, что обеспечивает защиту резьбы штока от повреждений и позволяет использовать контргайку для фиксации. Головки с наружной резьбой накручиваются на полый шток или втулку с внутренней резьбой, применяются в стесненных условиях монтажа. Правая резьба является стандартным исполнением для большинства применений. Левая резьба используется в специальных случаях для предотвращения самоотвинчивания при вращательных нагрузках.
Стандарты резьбовых соединений
ГОСТ 25020-84 устанавливает типы и размеры присоединительных резьб штоков и плунжеров гидро- и пневмоцилиндров. Стандарт определяет метрическую резьбу с крупным шагом как основной тип соединения. Стандартные размеры резьбы включают M8, M10, M12, M14, M16, M18, M20, M22, M24, M27, M30, M33, M36, M39, M42, M45, M48, M52, M56, M60, M64.
| Размер резьбы | Типичная область применения | Диапазон усилий, кН |
|---|---|---|
| M6 - M10 | Легкие пневмоцилиндры, малые гидроцилиндры | до 15 |
| M12 - M16 | Гидроцилиндры среднего класса | 15 - 50 |
| M20 - M30 | Гидроцилиндры грузоподъемной техники | 50 - 100 |
| M33 - M48 | Гидроцилиндры кранов средней грузоподъемности | 100 - 200 |
| M52 - M64 | Гидроцилиндры тяжелых кранов | более 200 |
Параметры резьбового соединения
Длина резьбы определяется из условия обеспечения необходимой площади контакта витков. Согласно ГОСТ 25020-84, различают короткие резьбы для соединений без контргайки и длинные резьбы для соединений с контргайкой и регулировкой. Класс точности резьбы для шарнирных головок обычно соответствует 6H для внутренней резьбы и 6g для наружной резьбы.
Самосмазывающиеся материалы
Необходимость применения самосмазывающихся подшипников
Традиционные шарнирные подшипники с парой трения сталь-по-стали требуют регулярного смазывания для поддержания работоспособности. В условиях эксплуатации строительной техники это создает ряд проблем: ограниченный доступ к точкам смазки, работа в агрессивных средах с высоким уровнем загрязнения, необходимость частого технического обслуживания.
Самосмазывающиеся материалы решают эти проблемы, обеспечивая необслуживаемую работу шарнирного соединения на протяжении всего срока службы. Такие материалы содержат твердые смазочные компоненты в структуре композита, которые постепенно высвобождаются на поверхность трения в процессе работы.
Основные типы самосмазывающихся композитов
Металлофторопласт (MU-материалы)
Металлофторопласт представляет собой многослойную структуру, состоящую из стальной основы толщиной 0,25-2,70 мм, слоя спеченной бронзы толщиной 0,20-0,35 мм и приработочного слоя PTFE с дисульфидом молибдена толщиной 0,01-0,04 мм. Материал характеризуется следующими параметрами: допустимое давление до 35 МПа, коэффициент трения 0,03-0,15, диапазон рабочих температур от -50 до +150 градусов Цельсия, максимальная скорость скольжения 2,5 метра в секунду.
Композиты на бронзовой основе с графитом
Графитированные бронзовые втулки производятся методом порошковой металлургии. В матрице из оловянистой бронзы создаются поры, заполненные графитом или дисульфидом молибдена. Содержание графита составляет 2,5-15 процентов по массе. Материал обеспечивает допустимое давление до 50 МПа, коэффициент трения 0,08-0,20, работоспособность при температурах от -60 до +250 градусов Цельсия.
Композиты PTFE с армированием
Политетрафторэтилен с армированием стекловолокном, углеродным волокном или бронзовым порошком образует износостойкую композитную структуру. Характеристики включают допустимое давление до 20 МПа, очень низкий коэффициент трения 0,02-0,10, работоспособность от -100 до +260 градусов Цельсия, высокую химическую стойкость.
| Тип материала | Максимальное давление, МПа | Коэффициент трения | Температурный диапазон, °С | Относительный ресурс |
|---|---|---|---|---|
| Сталь-по-стали (со смазкой) | до 100 | 0,10-0,15 | от -40 до +120 | базовый |
| Металлофторопласт MU | до 35 | 0,03-0,15 | от -50 до +150 | в 5-10 раз выше |
| Бронза с графитом | до 50 | 0,08-0,20 | от -60 до +250 | в 4-8 раз выше |
| PTFE армированный | до 20 | 0,02-0,10 | от -100 до +260 | в 3-6 раз выше |
| Сталь-бронза-PTFE (комбинированный) | до 40 | 0,05-0,12 | от -50 до +150 | в 8-12 раз выше |
Особенности эксплуатации самосмазывающихся подшипников
Самосмазывающиеся шарнирные подшипники требуют соблюдения определенных условий эксплуатации для достижения заявленного ресурса. Нагрузка должна быть преимущественно однонаправленной, так как переменные знакопеременные нагрузки снижают ресурс на 30-50 процентов. Скорость относительного перемещения колец ограничена значениями 0,1-0,5 метра в секунду. При превышении допустимого давления происходит интенсивный износ антифрикционного слоя.
Пример применения
В гидроцилиндрах подъема стрелы автомобильного крана грузоподъемностью 25 тонн применяются шарнирные головки с подшипниками на основе металлофторопласта. Диаметр сферического подшипника составляет 80 мм, расчетное давление 25 МПа. При частоте циклов подъема-опускания стрелы 500 циклов в смену, ресурс значительно превышает ресурс подшипников сталь-по-стали.
Подбор шарнирных головок по нагрузке
Расчет нагрузок на шарнирное соединение
Подбор шарнирной головки начинается с определения расчетного усилия на штоке гидроцилиндра. Для гидроцилиндра с односторонним штоком при прямом ходе (выдвижение штока) усилие определяется формулой: F = (π × D² / 4) × p × η, где D - диаметр поршня в метрах, p - рабочее давление в МПа, η - КПД гидроцилиндра (обычно 0,95-0,98).
При обратном ходе (втягивание штока) эффективная площадь уменьшается на площадь штока: F = (π × (D² - d²) / 4) × p × η, где d - диаметр штока в метрах.
Расчетный пример
Гидроцилиндр с диаметром поршня D = 125 мм и диаметром штока d = 80 мм работает при давлении p = 20 МПа. Определим усилия при прямом и обратном ходе.
Прямой ход:
F₁ = (3,14 × 0,125² / 4) × 20 × 0,96 = 0,0123 × 20 × 0,96 = 236 кН = 24,1 тонн
Обратный ход:
F₂ = (3,14 × (0,125² - 0,080²) / 4) × 20 × 0,96 = 0,0073 × 20 × 0,96 = 140 кН = 14,3 тонн
Для данного гидроцилиндра требуется шарнирная головка, рассчитанная на динамическую нагрузку не менее 24 тонн с коэффициентом запаса 1,5-2,0.
Учет динамических коэффициентов
Статический расчет не учитывает динамические нагрузки, возникающие при работе крана. Необходимо применять коэффициенты динамичности, зависящие от режима работы оборудования. Для легкого режима работы (менее 500 циклов в смену) коэффициент динамичности составляет 1,25-1,5. Средний режим работы (500-2000 циклов в смену) требует коэффициента 1,5-2,0. Тяжелый режим работы (более 2000 циклов в смену) предполагает применение коэффициента 2,0-2,5.
Выбор типоразмера по каталогу
После определения расчетной нагрузки с учетом коэффициентов безопасности производится выбор шарнирной головки по каталогу производителя. Основные параметры выбора включают диаметр сферического подшипника, размер и тип резьбы, допустимую радиальную нагрузку, максимальный угол поворота, тип материала пары трения.
| Внутренний диаметр, мм | Наружный диаметр, мм | Динамическая нагрузка, кН | Статическая нагрузка, кН | Типичная резьба |
|---|---|---|---|---|
| 20 | 42 | 48 | 30 | M20×1,5 |
| 25 | 47 | 62 | 38 | M24×2 |
| 30 | 55 | 78 | 48 | M30×2 |
| 35 | 62 | 95 | 60 | M36×2 |
| 40 | 68 | 114 | 75 | M39×2 |
| 50 | 90 | 180 | 120 | M48×2 |
| 60 | 105 | 250 | 170 | M56×2 |
Применение в автомобильных и гусеничных кранах
Специфика работы гидроцилиндров кранов
Гидроцилиндры кранов работают в особо тяжелых условиях, характеризующихся высокими динамическими нагрузками, значительными угловыми перемещениями, воздействием вибраций и ударов, работой в широком диапазоне температур и загрязненной среде. Шарнирные головки в таких системах должны обеспечивать надежную работу при постоянно изменяющихся нагрузках и условиях эксплуатации.
Основные узлы применения шарнирных головок
Гидроцилиндры подъема стрелы
Эти гидроцилиндры воспринимают максимальные нагрузки при подъеме груза и стрелы. Шарнирные головки должны обеспечивать угол поворота до 15 градусов для компенсации изменения угла наклона стрелы. Рекомендуется применение самосмазывающихся подшипников на основе металлофторопласта или композита сталь-бронза-PTFE. Расчетная нагрузка определяется с коэффициентом запаса не менее 2,5.
Гидроцилиндры выдвижения секций стрелы
Телескопические секции стрелы требуют применения специальных шарнирных соединений с уменьшенными габаритами. Условия работы характеризуются высокими осевыми нагрузками и ограниченными радиальными. Применяются проушины с подшипниками уменьшенной высоты, часто с увеличенным углом поворота до 20 градусов.
Гидроцилиндры выносных опор (аутригеров)
Аутригеры обеспечивают устойчивость крана при работе. Гидроцилиндры работают преимущественно в режиме фиксации под нагрузкой с минимальными перемещениями. Шарнирные головки должны выдерживать длительные статические нагрузки. Допускается применение классических подшипников сталь-по-стали с регулярным смазыванием.
Типичная конфигурация для автомобильного крана 25 тонн
Гидроцилиндр подъема стрелы: диаметр поршня 160 мм, диаметр штока 100 мм, ход 1200 мм, давление 25 МПа, шарнирная головка с внутренним диаметром 60 мм с металлофторопластом.
Гидроцилиндр выдвижения секции: диаметр поршня 100 мм, диаметр штока 63 мм, ход 2500 мм, давление 25 МПа, шарнирная головка с внутренним диаметром 40 мм с PTFE композитом.
Гидроцилиндр аутригера: диаметр поршня 125 мм, диаметр штока 80 мм, ход 600 мм, давление 20 МПа, шарнирная головка с внутренним диаметром 50 мм сталь-бронза.
Требования к грузоподъемности шарнирных соединений
Согласно нормам проектирования грузоподъемного оборудования, шарнирные головки гидроцилиндров кранов должны проектироваться с учетом следующих требований. Статический запас прочности по допустимому давлению в подшипнике должен составлять не менее 2,0 для самосмазывающихся материалов и не менее 1,5 для подшипников сталь-по-стали. Динамический запас по грузоподъемности принимается не менее 1,5-2,0 в зависимости от режима работы крана.
Монтаж и замена шарнирных головок
Подготовка к монтажу
Перед установкой шарнирной головки необходимо выполнить следующие операции. Проверить соответствие резьбы штока и головки калибрами или резьбомерами. Очистить резьбу штока от загрязнений, старого уплотнителя и коррозии. Осмотреть сферические поверхности подшипника на отсутствие повреждений и задиров. Проверить комплектность уплотнительных элементов.
Последовательность монтажа головки с внутренней резьбой
Нанести на резьбу штока анаэробный фиксатор резьбы средней прочности для предотвращения самоотвинчивания. Навернуть шарнирную головку на шток вручную до упора, контролируя отсутствие перекоса. Дотянуть головку динамометрическим ключом с моментом согласно рекомендациям производителя. Установить контргайку при наличии и затянуть ее с рекомендуемым моментом. Проверить люфт в шарнирном соединении, который не должен превышать 0,1-0,2 мм.
Признаки необходимости замены
Шарнирная головка подлежит замене при обнаружении следующих дефектов. Увеличенный люфт в шарнирном соединении более 0,5 мм свидетельствует о критическом износе сферических поверхностей. Появление трещин на корпусе головки или проушине требует немедленной замены. Повреждение резьбы, препятствующее надежному соединению, недопустимо. Следы коррозии и питтинга на рабочих поверхностях снижают несущую способность. Деформация уплотнений и утечка смазки ускоряют износ подшипника.
Технология замены шарнирной головки
Замена выполняется в следующей последовательности. Снизить давление в гидросистеме до нуля и зафиксировать механизмы от непроизвольного перемещения. Отсоединить гидроцилиндр от точек крепления на раме и исполнительном органе. Извлечь палец из проушины шарнирной головки. Отвернуть контргайку и саму головку, при заклинивании допускается нагрев до 100-120 градусов Цельсия для облегчения демонтажа. Очистить резьбу штока щеткой и растворителем, при необходимости восстановить резьбу метчиком. Установить новую головку согласно процедуре монтажа.
Часто задаваемые вопросы
Выбор зависит от конструкции штока гидроцилиндра и условий монтажа. Головки с внутренней резьбой предпочтительнее, так как они защищают резьбу штока от повреждений и позволяют использовать контргайку для надежной фиксации. Такая конструкция обеспечивает более высокую надежность соединения и упрощает замену головки при необходимости. Головки с наружной резьбой применяются в случаях, когда шток выполнен полым или когда габаритные ограничения не позволяют использовать головку с внутренней резьбой.
Самосмазывающиеся подшипники не требуют регулярного смазывания в процессе эксплуатации, что является их основным преимуществом. Однако при первоначальной установке рекомендуется нанести тонкий слой совместимой смазки для защиты при транспортировке и начальной приработке. В процессе работы твердые смазочные материалы, входящие в состав композита, постепенно переносятся на поверхность трения и обеспечивают необходимую смазку. Дополнительное смазывание может потребоваться только при работе в экстремальных условиях с высоким уровнем загрязнения или при превышении расчетных нагрузок.
Расчет начинается с определения максимального усилия на штоке гидроцилиндра по формуле F = (π × D² / 4) × p × η, где D - диаметр поршня, p - рабочее давление, η - КПД цилиндра. К полученному значению применяют коэффициент динамичности в зависимости от режима работы: 1,25-1,5 для легкого режима, 1,5-2,0 для среднего, 2,0-2,5 для тяжелого. Затем по каталогу производителя выбирают головку с допустимой динамической нагрузкой, превышающей расчетную. Также необходимо проверить соответствие размера резьбы диаметру штока и убедиться, что угол поворота подшипника достаточен для условий работы гидроцилиндра.
Момент затяжки зависит от размера резьбы и материала штока. Общая рекомендация составляет 60-80 процентов от максимально допустимого момента для данного размера резьбы. Для резьб M20-M30 это обычно 150-300 Нм, для M30-M48 - 300-800 Нм, для M48-M64 - 800-1500 Нм. Точные значения указываются производителем гидроцилиндра или шарнирной головки. Затяжка должна выполняться динамометрическим ключом с контролем момента. Недостаточная затяжка приводит к самоотвинчиванию в процессе работы, а чрезмерная - к повреждению резьбы или деформации корпуса головки.
Классические шарнирные подшипники с парой трения сталь-по-стали могут применяться на кранах при условии обеспечения регулярного смазывания. Они обеспечивают высокую грузоподъемность и могут работать при давлениях до 100 МПа. Однако для гидроцилиндров подъема стрелы и выдвижения секций, работающих в тяжелых условиях с высокой частотой циклов, предпочтительнее использовать самосмазывающиеся подшипники. Это обусловлено сложностью доступа к точкам смазки, работой в загрязненной среде и необходимостью снижения трудозатрат на техническое обслуживание. Для аутригеров, работающих преимущественно в режиме фиксации, допустимо применение подшипников сталь-по-стали с периодическим смазыванием.
Ресурс самосмазывающихся подшипников существенно зависит от материала пары трения и условий эксплуатации. Самосмазывающиеся подшипники обеспечивают ресурс в 5-10 раз выше по сравнению с классическими подшипниками сталь-по-стали при соблюдении расчетных нагрузок и скоростей. Подшипники на основе металлофторопласта демонстрируют наилучшие показатели ресурса. Композиты на бронзовой основе с графитом также обеспечивают высокий ресурс при работе в условиях высоких температур. PTFE композиты с армированием оптимальны для применений с низкими нагрузками и высокими требованиями к коэффициенту трения. Реальный ресурс может отличаться в зависимости от режима работы, качества сборки и условий эксплуатации. При превышении допустимых нагрузок или скоростей ресурс может снизиться в 2-3 раза.
Шарнирные головки должны храниться в закрытых помещениях при температуре от +5 до +25 градусов Цельсия и относительной влажности не более 80 процентов. Головки с самосмазывающимися подшипниками следует хранить в индивидуальной упаковке для защиты от загрязнений. Резьбовые поверхности должны быть защищены консервационной смазкой. Головки с подшипниками сталь-по-стали требуют более тщательной консервации с периодической проверкой состояния не реже одного раза в 6 месяцев. При длительном хранении более 2 лет рекомендуется проверка работоспособности подшипников перед установкой. Недопустимо хранение головок под прямыми солнечными лучами или вблизи источников тепла, что может привести к деградации полимерных компонентов самосмазывающихся подшипников.
Шарнирные головки для кранов проектируются с учетом специфических условий работы грузоподъемного оборудования. Они рассчитаны на более высокие динамические нагрузки с коэффициентами безопасности не менее 2,0-2,5, в то время как для промышленных гидроцилиндров достаточно 1,5. Головки для кранов обеспечивают больший угол поворота подшипника, обычно 12-15 градусов против 8-10 градусов для стандартных применений. Материалы пары трения выбираются с учетом работы в условиях вибраций, ударных нагрузок и широкого диапазона температур. Конструкция уплотнений усилена для работы в загрязненной среде строительных площадок. Размеры резьбовых соединений часто увеличены для обеспечения дополнительного запаса прочности при динамических нагрузках.
Каталог шарнирных головок
Связанные товары и решения
Для эффективной работы оборудования рекомендуем также рассмотреть:
- Шарнирные головки ASAHI
- Шарнирные головки IKO
- Шарнирные головки IKO с внешней резьбой
- Шарнирные головки IKO с внутренней резьбой
- Подшипники шарнирные INA
- Шарнирные подшипники ZKL
- Шарнирные наконечники
- Шарнирные наконечники Fluro
- шарнирные наконечники 10 мм
- шарнирные наконечники 100 мм
- шарнирные наконечники 12 мм
- шарнирные наконечники 14 мм
- шарнирные наконечники 15 мм
- шарнирные наконечники 16 мм
- шарнирные наконечники 17 мм
Отказ от ответственности
Данная статья носит исключительно ознакомительный и информационно-справочный характер. Материал подготовлен на основе технических стандартов, научных публикаций и документации производителей оборудования, актуальных на момент публикации.
Информация, представленная в статье, не является руководством к действию и не может служить заменой профессиональных инженерных расчетов, проектной документации или рекомендаций производителей конкретного оборудования. Все расчеты, подбор компонентов и проектирование гидравлических систем должны выполняться квалифицированными специалистами с использованием актуальных нормативных документов.
Автор и правообладатель не несут ответственности за любые прямые или косвенные последствия, возникшие в результате использования информации из данной статьи, включая, но не ограничиваясь: выход оборудования из строя, производственные аварии, материальный ущерб, травмы персонала.
Перед выполнением любых работ по подбору, монтажу, эксплуатации или ремонту гидравлического оборудования необходимо руководствоваться действующими стандартами, технической документацией производителя, правилами охраны труда и техники безопасности.
Технические характеристики, номенклатура продукции и стандарты могут изменяться без предварительного уведомления. Перед принятием решений рекомендуется уточнять актуальную информацию у производителей и поставщиков оборудования.
Источники
ГОСТ 30362.1-96 (ИСО 6022-81) - Гидроприводы объемные. Гидроцилиндры с односторонним штоком на номинальное давление 25 МПа. Присоединительные размеры.
ГОСТ 25020-84 - Гидро- и пневмоцилиндры. Присоединительные резьбы штоков и плунжеров.
ГОСТ 6540-68 - Гидроцилиндры и пневмоцилиндры. Ряды основных параметров.
ГОСТ 3635-78 (ИСО 6124/1-82; ИСО 6124/2-82; ИСО 6124/3-82; ИСО 6125-82) - Подшипники шарнирные. Технические условия.
ГОСТ 30010-93 (ИСО 6099-85) - Гидроприводы объемные и пневмоцилиндры. Условные обозначения монтажных размеров и типов креплений.
Техническая документация производителей подшипников SKF, FAG, NSK, NTN, ASAHI по самосмазывающимся шарнирным подшипникам и материалам пар трения.
Справочники по гидроприводам и гидравлическому оборудованию: расчет и конструирование гидроцилиндров, проектирование узлов гидравлических систем.
Научные публикации по трибологии и материаловедению самосмазывающихся композитов: исследования износостойкости металлофторопласта, бронзографитовых материалов и PTFE-композитов.
Технические каталоги производителей грузоподъемного оборудования с техническими характеристиками гидроцилиндров и методиками расчета нагрузок.
