Шарнирные наконечники гидроцилиндров экскаватора

Введение

Гидравлические цилиндры стрелы, рукояти и ковша экскаватора подвергаются интенсивным переменным нагрузкам в процессе эксплуатации. Для обеспечения надежного шарнирного соединения между штоком гидроцилиндра и элементами рабочего оборудования применяют специализированные шарнирные головки с встроенными сферическими подшипниками скольжения. Эти узлы обеспечивают компенсацию угловых отклонений, восприятие комбинированных нагрузок и длительный срок службы в условиях высоких динамических нагрузок, характерных для землеройной техники.

Шарнирные наконечники гидроцилиндров представляют собой готовые к установке механические узлы, включающие проушину и сферический подшипник скольжения. В конструкции экскаваторов такие узлы устанавливаются как на штоковой части гидроцилиндра, так и на корпусе гильзе, обеспечивая двухстороннее шарнирное крепление. Современные шарнирные головки изготавливаются с применением самосмазывающихся материалов, что снижает требования к техническому обслуживанию и повышает ресурс работы в условиях загрязнения абразивными частицами.

Конструкция и назначение шарнирных головок

Основные элементы конструкции

Шарнирная головка гидроцилиндра состоит из двух основных компонентов: проушины и сферического подшипника скольжения. Проушина представляет собой стальную деталь, которая крепится к штоку или гильзе гидроцилиндра посредством резьбового соединения или сварки. Для гидроцилиндров с малым диаметром штока применяют сварку трением, обеспечивающую высокую прочность соединения без термической деформации.

Сферический подшипник скольжения состоит из наружного и внутреннего колец со сферической рабочей поверхностью. Благодаря такой геометрии подшипник способен компенсировать угловые отклонения и перекосы, возникающие при работе гидроцилиндра. Внутреннее кольцо подшипника устанавливается на палец, соединяющий гидроцилиндр с элементом рабочего оборудования, а наружное кольцо закрепляется в проушине.

Функциональное назначение

Шарнирные головки в гидроцилиндрах экскаваторов выполняют несколько критически важных функций. Первоочередная задача обеспечение подвижного соединения между гидроцилиндром и элементами рабочего оборудования при наличии угловых отклонений. В процессе работы экскаватора угол между осями цилиндра и рабочего органа постоянно изменяется, что требует применения самоустанавливающихся шарнирных соединений.

Вторая важная функция восприятие и передача высоких рабочих усилий. Гидроцилиндры экскаваторов работают при давлении 20-35 МПа, создавая усилия до нескольких десятков тонн. Шарнирные подшипники скольжения должны выдерживать эти нагрузки без заклинивания и чрезмерного износа. Третья функция обеспечение свободного монтажа и демонтажа при проведении ремонтных работ, что особенно важно для быстрой замены гидроцилиндров в полевых условиях.

Типы шарнирных наконечников

Классификация по способу монтажа

Шарнирные головки для гидроцилиндров классифицируются по нескольким признакам. По способу монтажа различают головки с наружной резьбой и с внутренней резьбой. Головки с наружной резьбой навинчиваются на наружную резьбу штока гидроцилиндра, что упрощает замену при износе подшипника. Головки с внутренней резьбой вворачиваются во внутреннюю резьбу штока, обеспечивая более компактное соединение.

По типу резьбы шарнирные головки изготавливаются с правой или левой резьбой. Применение левой резьбы позволяет предотвратить самоотворачивание головки при вращательном движении штока. В конструкциях гидроцилиндров экскаваторов преимущественно используют правую резьбу с дополнительной фиксацией контргайкой.

Классификация по типу подшипника

По конструкции сферического подшипника различают обслуживаемые и необслуживаемые шарнирные головки. Обслуживаемые головки имеют канавки и отверстия для подачи смазки, требуют периодического обслуживания через пресс-масленки. Рабочие поверхности таких подшипников выполнены по схеме сталь по стали, что обеспечивает высокую износостойкость и способность выдерживать пиковые нагрузки.

Необслуживаемые самосмазывающиеся шарнирные головки не требуют периодической смазки в течение всего срока службы. Их рабочие поверхности выполнены с применением антифрикционных материалов на основе политетрафторэтилена. Такие головки особенно эффективны в условиях высокого загрязнения, характерного для землеройной техники, поскольку попадание абразивных частиц с смазочным материалом исключается.

Материалы рабочих поверхностей

Пара трения сталь-сталь

В обслуживаемых шарнирных подшипниках применяют пару трения сталь по стали. Внутреннее кольцо изготавливают из высокопрочной легированной стали с последующей термообработкой до твердости 58-62 HRC. Наружное кольцо выполняют из конструкционной стали с твердостью рабочей поверхности 55-60 HRC. Такая комбинация обеспечивает высокую износостойкость и способность выдерживать контактные напряжения до 400-500 МПа.

Подшипники со скольжением сталь по стали характеризуются высокой нагрузочной способностью и применяются в условиях тяжелых статических нагрузок, ударных нагрузок или нагрузок переменного направления. В гидроцилиндрах экскаваторов такие подшипники устанавливают на цилиндры стрелы, воспринимающие максимальные рабочие усилия. Критическим условием их работы является обеспечение регулярной смазки через пресс-масленки, установленные в проушине.

Самосмазывающиеся композиции на основе PTFE

Необслуживаемые шарнирные подшипники используют антифрикционные материалы на основе политетрафторэтилена. Наиболее распространенная конструкция покрытие внутренней поверхности наружного кольца слоем PTFE, армированного медной нитью или другими наполнителями. Коэффициент трения чистого PTFE по стали составляет 0,04-0,08, что значительно ниже, чем у пары сталь-сталь с граничной смазкой.

В условиях высоких нагрузок применяют модифицированные композиции фторопласта. Фторопласт Ф4К20 содержит 20 процентов коксового наполнителя, что увеличивает прочность при сжатии и повышает износостойкость в 600 раз по сравнению с ненаполненным PTFE. Композиция Ф4К15М5 содержит 15 процентов кокса и 5 процентов дисульфида молибдена, что обеспечивает износостойкость в 1000 раз выше чистого фторопласта и в 1,6 раза выше Ф4К20, а также снижает коэффициент трения в 1,2 раза.

Характеристики самосмазывающихся материалов

PTFE обладает уникальными трибологическими свойствами благодаря особенностям молекулярной структуры. Молекулярная цепь состоит из атомов углерода, полностью окруженных атомами фтора, что обеспечивает химическую инертность и низкое поверхностное трение. Материал сохраняет работоспособность в диапазоне температур от -200 до +260 градусов Цельсия, не требует жидкостной смазки и устойчив к воздействию большинства химических веществ.

Основное ограничение композиций на основе PTFE подверженность ползучести под статической нагрузкой. При длительном воздействии высоких нагрузок происходит постепенная деформация полимерного слоя, что может привести к увеличению зазоров в шарнире. По этой причине самосмазывающиеся подшипники применяют преимущественно на гидроцилиндрах рукояти и ковша, работающих в режиме частых колебательных движений с относительно невысокими статическими нагрузками.

Восприятие нагрузок

Виды воспринимаемых нагрузок

Шарнирные подшипники скольжения в гидроцилиндрах экскаваторов воспринимают комбинированные нагрузки: радиальные, осевые и их сочетания. Радиальная нагрузка действует перпендикулярно оси пальца и возникает от усилия, создаваемого гидроцилиндром. В гидроцилиндре стрелы экскаватора массой 20 тонн радиальная нагрузка на шарнирный подшипник штока может достигать 300-500 кН при подъеме груза.

Осевые нагрузки возникают из-за несоосности элементов и боковых усилий при работе рабочего органа. Сферическая форма рабочей поверхности подшипника позволяет воспринимать осевые нагрузки в обоих направлениях. Способность к восприятию осевых нагрузок зависит от ширины внутреннего кольца подшипники с широким внутренним кольцом имеют большую площадь контакта и допускают более высокие осевые нагрузки.

Угловые отклонения и самоустановка

Критическим параметром шарнирных подшипников является допустимый угол поворота. Этот параметр определяет максимальное угловое отклонение, при котором подшипник может работать без заклинивания и чрезмерного износа. Для стандартных шарнирных подшипников согласно ГОСТ 3635-78 допустимый угол составляет несколько градусов, для подшипников с широким внутренним кольцом типа ШСШ допустимый угол увеличен.

В гидроцилиндрах экскаваторов угол между осями цилиндра и рабочего органа изменяется в широких пределах. При работе ковша угловое отклонение может быть значительным, что требует применения подшипников с соответствующим углом самоустановки. Недостаточный угол самоустановки приводит к концентрации контактных напряжений на краях рабочей поверхности, ускоренному износу и возможному заклиниванию шарнира.

Динамические и ударные нагрузки

В процессе работы экскаватора шарнирные подшипники подвергаются динамическим нагрузкам. При внедрении зубьев ковша в грунт возникают ударные нагрузки, превышающие статические в 1,5-2 раза. Пиковые давления в гидросистеме при срабатывании предохранительного клапана могут кратковременно превышать номинальное на 20-30 процентов, что создает дополнительные нагрузки на шарнирный подшипник.

Для работы в условиях ударных нагрузок применяют шарнирные головки усиленной конструкции с подшипниками из закаленной стали. Материал колец проходит объемную закалку до твердости 60-62 HRC с последующим отпуском для снятия внутренних напряжений. Такая термообработка обеспечивает сочетание высокой твердости рабочей поверхности с достаточной вязкостью сердцевины, что предотвращает хрупкое разрушение при ударах.

Подбор по диаметру штока

Основные принципы подбора

Подбор шарнирной головки осуществляется исходя из диаметра штока гидроцилиндра и величины рабочих нагрузок. Внутренний диаметр сферического подшипника должен соответствовать диаметру пальца в шарнирном соединении. Стандартный ряд диаметров штоков гидроцилиндров экскаваторов включает значения 70, 80, 90, 95, 100, 110, 120 мм, что соответствует стандартным размерам шарнирных подшипников по ГОСТ 3635-78.

При выборе типоразмера необходимо учитывать соотношение между диаметром штока и диаметром пальца. Обычно диаметр пальца составляет 0,6-0,8 от диаметра штока. Для гидроцилиндра со штоком диаметром 100 мм применяют палец диаметром 70-80 мм, что соответствует шарнирному подшипнику ШС 70 или ШС 80. Недопустимо применение пальца завышенного диаметра, так как это приводит к ослаблению сечения штока и возможной его поломке.

Проверочный расчет на нагрузочную способность

После предварительного выбора типоразмера проводят проверочный расчет статической грузоподъемности. Статическая грузоподъемность определяет максимальную нагрузку, при которой остаточная деформация на рабочих поверхностях не превысит допустимых значений. Для обеспечения надежности коэффициент запаса статической грузоподъемности должен составлять не менее 2,0-2,5 для нормальных условий работы.

Для динамически нагруженных шарниров проверяют динамическую грузоподъемность. Этот параметр характеризует способность подшипника выдерживать переменные нагрузки в течение заданного числа циклов. Для гидроцилиндров экскаваторов, работающих в интенсивном режиме, расчетный ресурс принимают 10000-15000 часов работы, что соответствует миллионам циклов нагружения.

Учет условий эксплуатации

При подборе шарнирных головок необходимо учитывать специфические условия эксплуатации землеройной техники. Работа в запыленной атмосфере, попадание абразивных частиц, воздействие влаги и агрессивных веществ влияют на ресурс шарнирных соединений. Для условий высокой запыленности предпочтительны необслуживаемые подшипники с уплотнениями, предотвращающими попадание загрязнений в зазор между кольцами.

Температурный режим работы также влияет на выбор материала рабочих поверхностей. В условиях низких температур ниже минус 30 градусов Цельсия следует применять подшипники из низкотемпературных сталей, сохраняющих вязкость при отрицательных температурах. Самосмазывающиеся подшипники на основе PTFE работоспособны при температурах от минус 60 до плюс 250 градусов Цельсия, что делает их предпочтительными для эксплуатации в суровых климатических условиях.

Стандарты и технические требования

ГОСТ 3635-78 на шарнирные подшипники

Основным нормативным документом для шарнирных подшипников в гидроцилиндрах является ГОСТ 3635-78 "Подшипники шарнирные. Технические условия". Стандарт распространяется на разъемные шарнирные подшипники, предназначенные для восприятия радиальных и комбинированных нагрузок в подвижных и неподвижных соединениях. Стандарт полностью соответствует международным стандартам ISO 6124/1, ISO 6124/3, ISO 6125.

Подшипники типа ШС имеют отверстия и канавки для смазки во внутреннем кольце. Подшипники типа ШСП дополнительно имеют прорезь на наружном кольце для облегчения монтажа. Подшипники типа ШСЛ имеют разлом наружного кольца в продольном направлении, что упрощает установку и замену без разборки смежных узлов. Индекс К в обозначении указывает на наличие канавок для смазки как на внутреннем, так и на наружном кольце. Тип ШСШ...К имеет широкое внутреннее кольцо, обеспечивающее увеличенный угол самоустановки.

Международные стандарты

Шарнирные подшипники и головки также регламентируются международными стандартами. Стандарт ISO 12240 устанавливает размеры и обозначения сферических подшипников скольжения. Стандарт DIN 24338 определяет размеры проушин и проушинных креплений для гидроцилиндров. Соответствие продукции этим стандартам обеспечивает взаимозаменяемость с импортными компонентами.

Европейский стандарт устанавливает технические требования к гидравлическим компонентам, включая размеры шарнирных креплений. Стандарт ISO 6020-2 регламентирует размеры монтажных элементов гидроцилиндров, включая размеры резьбы для крепления проушин. Соблюдение этих стандартов критически важно для обеспечения совместимости при ремонте и модернизации импортной техники.

Требования к точности изготовления

ГОСТ 3635-78 устанавливает две степени точности для шарнирных подшипников: первую и вторую. Подшипники первой степени точности имеют более жесткие допуски на размеры и форму рабочих поверхностей. Осевой и радиальный зазоры между кольцами подшипников первой степени точности обеспечивают минимальные люфты в шарнирном соединении.

Отклонение от сферичности рабочих поверхностей регламентируется стандартом и не должно превышать установленных значений. Шероховатость рабочих поверхностей должна быть не более Ra 0,63 мкм для обслуживаемых подшипников и Ra 0,32 мкм для необслуживаемых с PTFE покрытием. Высокие требования к точности обусловлены необходимостью равномерного распределения контактных напряжений по всей сферической поверхности.

Особенности монтажа и эксплуатации

Монтаж шарнирных головок

Монтаж шарнирной головки на шток гидроцилиндра требует соблюдения определенной технологии. Резьбовое соединение должно быть затянуто с моментом, обеспечивающим надежную фиксацию без перетяжки. Типичный момент затяжки для головок с резьбой М80-М100 составляет 400-600 Н·м в зависимости от типоразмера и конструкции. После затяжки обязательно устанавливают контргайку для предотвращения самоотворачивания при вибрациях и динамических нагрузках.

Сферический подшипник устанавливают в проушину с определенным натягом. Посадка наружного кольца в проушину обычно выполняется по системе вал-отверстие с натягом, обеспечивающим неподвижность кольца в корпусе проушины. Для монтажа подшипника проушину нагревают до температуры 80-100 градусов Цельсия, что обеспечивает тепловое расширение отверстия и облегчает установку. Охлаждаясь, проушина создает необходимый натяг.

Смазка обслуживаемых подшипников

Обслуживаемые шарнирные подшипники требуют регулярной смазки через пресс-масленки. Периодичность смазки зависит от интенсивности работы и условий эксплуатации. Для экскаваторов, работающих в нормальных условиях, смазку подают каждые 50-100 моточасов. В условиях высокой запыленности или влажности интервал сокращают до 25-50 моточасов.

Для смазки применяют литиевые или кальциевые консистентные смазки с противозадирными присадками. Рекомендуются смазки класса NLGI 2-3 с температурой каплепадения не ниже 180 градусов Цельсия. При подаче смазки через пресс-масленку необходимо продолжать нагнетание до появления свежей смазки из уплотнений, что указывает на полное вытеснение загрязненной смазки из зазора. Объем подаваемой смазки составляет 5-15 кубических сантиметров в зависимости от размера подшипника.

Контроль технического состояния

Периодический контроль состояния шарнирных соединений включает проверку радиального и осевого зазоров. Увеличение зазора указывает на износ рабочих поверхностей. Наличие люфта в шарнире приводит к ударным нагрузкам на подшипник и ускоренному разрушению. При обнаружении недопустимого зазора необходима замена изношенных элементов.

Признаками износа шарнирного подшипника являются повышенный шум при работе гидроцилиндра, затрудненное перемещение штока, нагрев шарнирного узла. Визуальный контроль после демонтажа позволяет оценить характер износа: равномерный износ по всей поверхности указывает на нормальную работу, локальный износ или питтинг на перегрузку или недостаточную смазку.

Типичные неисправности и их устранение

Основной причиной преждевременного выхода из строя шарнирных подшипников является недостаточная смазка. При работе всухую происходит интенсивный абразивный износ стальных поверхностей с образованием задиров. Температура в зоне контакта может достигать 200-300 градусов Цельсия, что приводит к отпуску закаленных поверхностей и потере твердости. Для предотвращения такой ситуации необходимо строго соблюдать регламент смазки.

Вторая распространенная неисправность попадание абразивных частиц в зазор между кольцами подшипника. Абразивный износ приводит к быстрому увеличению зазора и появлению люфтов. Для защиты от загрязнений применяют уплотнения манжетного типа, установленные на торцах наружного кольца. При повреждении уплотнений необходима их немедленная замена для предотвращения попадания загрязнений.

Часто задаваемые вопросы

Ознакомьтесь с нашим ассортиментом шарнирных головок: