ВВЕДЕНИЕ
Надежность, работоспособность и долговечность гидромеханических систем (ГМС) топливопитания авиационных двигателей определяются динамическими нагрузками, действующими в их элементах и агрегатах [1, 2, 3, 4, 5]. Причинами возникновения динамических нагрузок являются механические колебания (вибрации) элементов конструкции ГМС и пульсация рабочей жидкости [6, 7, 8]. Центральным элементом ГМС является перекачивающий узел, обеспечивающий требуемые параметры расхода рабочей жидкости. В настоящее время в исполнительных органах механизмов и машин в качестве перекачивающего узла широко применяются шестеренные насосы. Это объясняется простотой их конструкции, надежностью и долговечностью работы в тяжелых эксплуатационных условиях, высокими массогабаритными характеристиками, малой трудоемкостью изготовления, удобством обслуживания, а также, в отличие от других типов объемных насосов, возможностью непосредственного их соединения с приводными механизмами [2, 9, 10, 11].
Однако, наряду с большим количеством достоинств, шестеренные насосы, как и все другие механизмы на основе зубчатых колес, обладают очень существенным недостатком - наличием угловых колебаний шестерен насоса относительно их вращения, причиной которых является ограниченная точность изготовления и сборки составляющих насос деталей. Данные колебания создают значительные динамические нагрузки как на конструктивные элементы насоса, так и ГМС в целом; а на высоких частотах вращения, наряду с пульсацией давления рабочей жидкости, являются одной из причин появления кавитации, приводящей к выходу из строя ГМС топливопитания авиационного двигателя.
По данным ОАО «ОМСКАГРЕГАТ» (г. Омск), одного из ведущих предприятий РФ по производству шестеренных насосов для авиацион-
ной техники, их ресурс в 2-3 раза ниже ресурса авиационного двигателя. Например, для двигателя Д-36 эксплутационный ресурс составляет 12 тыс. часов, а ресурс шестеренного насоса, работающего в составе ГМС топливопитания двигателя составляет 4 тыс. часов, т.е. общий ресурс такой сложной и дорогой системы, которой является система топливопитания авиационного двигателя, ограничивается ресурсом шестеренного насоса, который конструктивно прост и сравнительно дешев. Анализ возвращенных на ОАО «ОМСКАГРЕГАТ» для ремонта дефектных насосов показывает, что наработка на отказ возвращенных агрегатов, изготовленных по одной и той же технологии, на одном и том же оборудовании, одним и тем же инструментом, эксплуатируемых в сопоставимых условиях, имеют разброс от 250 до 3250 часов, т.е. более, чем в 10 раз. Практика показала, что основными причинами дефектов возвращенных шестеренных насосов являются:
- раскрытие контакта рабочих профилей зубьев шестерен;
- срез рессоры ведущей шестерни;
- повышенный износ подпятников и подшипниковых опор.
В то же время выходной контроль, который осуществляется по рабочим характеристикам шестеренного насоса (производительность, выходное давление и др.), показывает полное соответствие практически всех насосов паспортным данным.
Настоящая работа, посвященная анализу причин типовых дефектов шестеренных насосов, а также разработке мероприятий, позволяющих предотвратить их появление, является актуальной.
Целью настоящего исследования является повышение ресурса работы шестеренных насосов за счет устранения причин появления их основных дефектов.
В соответствии с целью ставятся следующие задачи исследования:
1) Провести анализ реального состояния шестеренного насоса в сборе и оценить действующие нагрузки на его конструктивные элементы.
2) Выявить условия возникновения причин, основных отказов шестеренных насосов.
3) Разработать мероприятия по устранению причин отказов шестеренных насосов на стадии сборки.
Научная новизна работы заключается в том, что на основе век-торно-вероятностного анализа погрешностей изготовления и сборки шестеренных насосов определены реальные нагрузки, действующие на его конструктивные элементы. На основе анализа возможных вариантов сборок шестеренного насоса показано, что в определенном диапазоне величины коэффициента перекрытия зубчатого зацепления насоса работа разгрузочных канавок, предназначенных для сброса давления рабочей жидкости из межзубного пространства, не эффективна. Выявлено, что даже при допустимых значениях углов монтажного перекоса шестерен насоса, происходит значительный рост момента сил трения в паре "торцы зубьев шестерен - подпятник", который приводит к росту приводного крутящего момента, действующего на рессору ведущей шестерни насоса.
Практическая ценность работы заключается в том, что теоретические и экспериментальные исследования легли в основу методики контроля качества сборки шестеренных насосов, с целью исключения причин появления типовых дефектов на стадии сборки. Методика прошла апробацию и внедрена на ОАО «Омскагрегат».
Основные положения работы докладывались на международной и российской конференциях: "Управление качеством: теория, методология, практика", Саранск, 2003; "Динамика систем, механизмов и машин",
Омск, 2004. По теме диссертации опубликовано 6 работ, в том числе 1 рукопись научно-технического отчета.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов, списка литературы из 111 наименований и изложена на 144 страницах машинописного текста, включая 47 рисунков и 13 таблиц.
Во введении дана общая характеристика работы и отмечена ее актуальность. Здесь же рассмотрены причины возникновения типовых дефектов шестеренных насосов авиационного назначения, возвращенных для ремонта на ОАО «ОМСКАГРЕГАТ» (г. Омск).
В первой главе на основе анализа опубликованных работ выявлено общее состояние вопросов, охватывающее: технологические задачи изготовления и сборки шестеренных насосов; а также задач, направленных на повышение надежности, работоспособности и долговечности шестеренных насосов, используемых в гидромеханических системах. По литературным источникам выделены основные направления исследований, направленные на повышение надежности, работоспособности и долговечности шестеренных насосов. Приведены общепринятые методики оценки нагруженного состояния конструктивных элементов шестеренных насосов. Проведена статистика и анализ причин возникновения типовых дефектов шестеренных насосов авиационного назначения, возвращенных для ремонта на ОАО "Омскагрегат" (г. Омск). Поставлена цель исследования и обозначены задачи.
Во второй главе на основе векторно-вероятностного представления погрешностей изготовления и монтажа конструктивных элементов насоса проведена оценка реального положения рабочих осей и перекосов шестерен насоса.
Третья глава посвящена анализу реальных нагрузок, действующих на конструктивные элементы шестеренного насоса в реальных ус-
с:
ловиях его работы и эксплуатации.
ю
'.*
Четвертая глава посвящена разработке мероприятий, направленных на повышение качества сборки шестеренных насосов. Приведена методика, позволяющая выявить - на стадии сборки - причины, приводящие к отказам шестеренных насосов.
Основные положения, выносимые на защиту:
1) Методика, позволяющая оценить реальное положение рабочих осей и угол монтажного перекоса шестерен насоса с целью определения реальных нагрузок, действующих на конструктивные элементы шестеренного насоса.
2) Математические модели и расчетные зависимости, описывающие нагруженное состояние конструктивных элементов насосов, позволяющие объяснить условия возникновения причин основных отказов шестеренных насосов.
3) Экспериментальная методика, позволяющая на стадии сборки шестеренных насосов устранить причины возникновения отказов шестеренных насосов и повысить ресурс их работы.
и
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ 1.1. Конструктивные особенности шестеренных насосов
Основной отличительный признак шестеренного насоса - наличие зубчатого зацепления. Отсюда, по схемным и конструктивным признакам шестеренные насосы можно классифицировать: насосы с внешним и внутренним зацеплением шестерен; насосы с шестернями прямозубыми, косозубыми и с шевронным зубом; одноступенчатые и многоступенчатые по числу давления; однопоточные и многопоточные по количеству параллельных потоков рабочей жидкости в насосе, и др. [12,13,14].
Ввиду простоты изготовления, эксплуатации, обслуживания и ремонта, наибольшее распространение среди шестеренных насосов получили двухро-торные насосы с внешним зацеплением и эвольвентным профилем и одинаковым числом зубьев шестерен [13, 15, 16]. Насосы такого типа могут развивать рабочее давление до 15-20 МПа при широком диапазоне вязкости рабочей жидкости (1... 800) 'IО"6 м2/с.
Типовой набор комплектующих конструктивных элементов на примере шестеренного насоса типа НШ приведен на рис. 1.1. Основные конструктивные особенности шестеренных насосов связаны с наличием зубчатого зацепления, которое должно отвечать специфике объемных гидромашин, а именно [11,17]:
1) малая продолжительность двухпарного зацепления зубьев шестерен для уменьшения вредного влияния рабочей жидкости, запираемой в межзубном пространстве;
2) для обеспечения подачи рабочей жидкости при заданных габаритах выбирается минимальное число зубьев шестерен, которое достигается за счет увеличения модуля зубьев и введением значительной коррекции;
12
3) высокие требования к величине торцевого зазора и взаимной параллельности торцов зубьев шестерен и подпятников (компенсаторов) для обеспечения объемного коэффициента полезного действия насоса, который является главным его показателем.
Рис. 1.1. Типовые конструктивные комплектующие шестеренного
насоса: 1 - корпус; 2 - подшипниковые опоры; 3 - уплотнения;
4 - подпятники; 5 - ротор ведущей шестерни с рессорой;
6 - ротор ведомой шестерни; 7 - крышка корпуса.
Необходимо отметить, что с одной стороны - шестеренные насосы обладают общими недостатками объемных гидронасосов [18, 19, 20, 21]:
- чувствительность к механическим примесям в перекачиваемой рабочей жидкости;
- пульсация нагнетаемого рабочего давления и неравномерность подачи рабочей жидкости;
п
- повышенная виброакустическая активность (причем, существует однозначная связь между пульсационнои производительностью шестеренных насосов и уровнем его акустического шума).
С другой стороны, шестеренные насосы обладают специфическими недостатками, связанными с их конструктивными особенностями:
- наличие зубчатого зацепления в насосе обуславливает характерные свойства, присущие зубчатым механизмам [22, 23];
- износ и увеличение зазоров в торцевых уплотнениях шестерен, торцевых и осевых зазорах уплотнений подшипников, и т.д. в процессе эксплуатации насоса, что приводит к увеличению внутренних утечек рабочей жидкости насоса, и, как следствие - уменьшение объемного КПД насоса [24, 25];
- дополнительные динамические и радиальные нагрузки на подшипники, из-за периодического запирания рабочей жидкости в межзубном пространстве шестерен во время процесса перекачки, которые также ведут к увеличению виброакустической активности шестеренных насосов [26, 27].
1.2. Исследования, направленные на повышение надежности шестеренных насосов
Существует ряд традиционных для шестеренных насосов направлений исследования, цель которых повышение их надежности: исследования, изучающие пути снижения пульсационнои производительности насоса (выбор оптимальных конструктивных схем, изучение условий возникновения кавитации, и др.) с целью снижения их общей виброакустической активности [19, 20, 21]; исследования направленные на уменьшение внутренних утечек и повышение объемного КПД (оптимальное проектирование уплотнений, разгрузочных и перепускных каналов, выбор и разработка материалов уплотнений, изучение условий износа уплотнений и перетекания РЖ в уплотнениях и каналах, и т.д.) [17,25,28].
14
Важным направлением является исследование технологических вопросов изготовления, сборки и ремонта шестеренных насосов, которое важно с точки зрения обеспечения их заданной надежности и работоспособности. В литературе отражены вопросы, направленные на решение производственно-технологических задач, возникающих при эксплуатации серийно освоенных шестеренных насосов (изготовление и восстановление изношенных деталей насосов; общие вопросы ремонта, регламента их технического обслуживания и испытания; и т.п.) [16, 28, 29, 30, 31]; конкретные технологические вопросы изготовления и ремонта (восстановления) насосов [32, 33, 34, 35]. Методам контроля технологического процесса сборки посвящена работа [36], в которой рекомендуется ввести простую разновидность поэлементной селективной сборки шестерен насоса. Метод заключается в следующем: перед сборкой, все шестерни проходят проверку на точность в двухпрофильном зацеплении с образцовым зубчатым колесом на межцентромере, с отметкой на шестерне самого толстого зуба и самой широкой впадины; затем, при сборке, самый толстый зуб одной шестерни собирается с самой широкой впадиной другой шестерни. Отмечается, что такой прием равносилен сборке насоса из шестерен как минимум на одну степень точнее согласно нормам кинематической точности по ГОСТ 1643-81 [37]. Однако в этой работе не рассматривается, какое влияние на общее качество сборки шестеренных насосов оказывают точность изготовления и сборки деталей и конструктивных элементов, ориентирующие шестерни в корпусе насоса (например, точность изготовления отверстий в корпусе, точность изготовления и качество сборки втулок подшипников, качество сборки шестерен в корпусе на подшипниковых узлах, и т.д.).
Количественной оценке точности изготовления и монтажа обычных цилиндрических передач с эвольвентным зацеплением зубьев посвящена обширная литература [37-46]. Вопросы, рассмотренные в упомянутой литературе можно условно разделить на две большие задачи: анализ точности изготовления зубчатых колес, степень которой может быть оценена посредством измерения кинематической погрешности зубчатого колеса в отдельности или зуб-
15
чатой передачи в целом [37, 47-49]; и, анализ точности сборки зубчатых колес в передаче на основе расчета допусков составляющих деталей [38, 39, 50, 51]. Однако в приложении к шестеренным насосам такие расчеты, которые учитывали бы особенности зубчатого зацепления шестеренного насоса (а именно: требование минимально допустимого значения коэффициента перекрытия ?а и требование к строгой взаимно параллельной установке торцов шестерен между подпятниками) отсутствуют.
Вопросы, связанные с конкретным математическим описанием точности изготовления элементов шестеренного насоса и анализом размерных цепей его сборочных узлов, рассмотрены в работах [36, 38, 52-55]. Однако при этом не отражено влияние точности изготовления элементов шестеренного насоса и качества их сборки на ресурс насоса в целом.
Как упоминалось ранее, многолетняя практика эксплуатации ГМС показала, что среди агрегатов и деталей гидросистем и гидропривода наименее надежными и недолговечными являются насосы, в том числе шестеренные [56]. Поэтому задачи, связанные с условиями эксплуатации, диагностирования и прогнозирования работы насосов гидросистем, имеют важное прикладное значение. Для шестеренных насосов эти вопросы также нашли свое отражение. В работах [24, 57-60] рассмотрены задачи, связанные с регистрации и исследованием рабочих параметров шестеренных насосов; в [59, 61-63] приведены экспериментальные и статистические исследования условий эксплуатации или работы шестеренных насосов. Эти работы направлены в основном на изучение и обеспечение заданных условий эксплуатации насосов, которые могут рассматриваться в качестве исходных данных для оценки ресурса насоса.
Другими важными направлениями исследования являются: диагностика и определение диагностических признаков, определяющих работоспособность (ресурс) шестеренных насосов [54, 64-68]; определение износа конструктивных элементов [33, 69-71]; анализ конкретных отказов шестеренных насосов во время их эксплуатации [72, 73]; построение моделей прогнозирования работо-
16
способности [24, 71, 74, 75]. В работах [24, 54, 60, 76, 77] рассмотрены общие вопросы, направленные на увеличение надежности, долговечности и работоспособности шестеренных насосов.
В работах [16, 72] отмечается также, что шестеренные насосы, работающие при одних и тех же условиях эксплуатации, могут иметь широкий разброс по ресурсу. При этом установлена связь между сочетаниями погрешностей изготовления и монтажа насоса и межосевым расстоянием шестерен.
Необходимо отметить, что работ, в которых приведены конкретные анализы дефектов, методические указания и рекомендации для технологических условий изготовления, ремонта и испытаний шестеренных насосов - для обеспечения заданного ресурса - практически нет. Поэтому в дальнейшем более подробно будут рассмотрены задачи, связанные с обеспечением требуемого ресурса работы шестеренных насосов.
1.3. Методы оценки ресурса работы шестеренных насосов
Работы, посвященные вопросам оценки надежности и обеспечения требуемого ресурса шестеренного насоса, базируются в основном на методах теории вероятности и математической статистики [25, 62, 63, 59, 61, 71, 78]. В работах прослеживаются два способа опытной оценки количественных характеристик надежности: по результатам специальных (ускоренных) испытаний [25, 78]; и по результатам наблюдений исследуемого объекта в реальных условиях эксплуатации [71, 79]. Первый способ оценки характерен для условий проектирования оборудования, второй - для доводки оборудования в условиях текущего его производства.
В работах Барышева В.И. [25, 78] рассмотрены ускоренные испытания шестеренных насосов для гидросистем тракторов и дорожных машин, а также экспресс-методы оценки их эксплуатационной долговечности (ресурса) в моточасах работы насоса. Моделирование ускоренных испытаний насосов проводилось в условиях искусственного загрязнения рабочей жидкости или в ус-
17 |
