Математичне моделювання продуктивності екскаватора з урахуванням параметрів адсорбованого шару пар у трибосполученнях аксіально-поршневого насоса
DOI:
https://doi.org/10.33216/1998-7927-2025-295-9-31-41Ключові слова:
гідропривод екскаватора, аксіально-поршневий насос,, адсорбований шар ПАР, знос, об’ємний ККД, продуктивністьАнотація
Ефективність роботи гусеничних гідравлічних екскаваторів значною мірою залежить від ефективності гідравлічної системи, насамперед від об'ємної продуктивності аксіально-поршневого насоса, що живить робоче обладнання. Під час тривалої експлуатації поверхні тертя насосної пари (блок циліндрів – розподільна шайба, поршень – циліндр) піддаються зношуванню, що призводить до збільшення внутрішніх витоків і поступового зниження об'ємної продуктивності, а отже, і продуктивності машини. Сучасні гідравлічні рідини для будівельної техніки містять протизносні присадки на основі поверхнево-активних речовин (ПAР), які фізично адсорбуються на мікроскопічних нерівностях металевих поверхонь і утворюють тонкий захисний шар. Ця адсорбована плівка частково компенсує шорсткість поверхні, збільшує фактичну площу контакту, зменшує локальні контактні напруження в основі нерівностей і, таким чином, уповільнює знос. Однак товщина цієї плівки не є постійною: вона зменшується під час роботи екскаватора через зниження концентрації ПAР під впливом механічних навантажень і температури. Щоб компенсувати це явище, в практиці експлуатації гідравлічних машин робоча рідина періодично замінюється за планом, відновлюючи таким чином концентрацію ПАР до початкового рівня. У статті пропонується вдосконалена математична модель, в якій товщина плівки ПАР описується експоненційним законом. При цьому відновлення властивостей гідравлічної рідини за фіксований проміжок часу враховується шляхом введення функції зміни товщини плівки ПАР в вираз для розрахунку ефективного трибологічного зазору, пов'язаного з моделлю змін витоку в насосному агрегаті осьового поршневого насоса. На цій основі визначається залежність зміни об'ємного ККД насоса від часу роботи екскаватора та частоти заміни гідравлічної рідини. На цій основі отримано залежність об'ємного ККД насоса від часу його роботи і, в кінцевому підсумку, залежність продуктивності екскаватора від часу його роботи з урахуванням частоти заміни гідравлічної рідини в гідравлічному приводі.
Модель параметризована для гідравлічного екскаватора класу CAT 320 з об'ємом ковша 0,75 м³ (два насоси продуктивністю 215 л/хв, робочий тиск до 35 МПа) і може бути використана для обґрунтування вибору гідравлічних рідин та інтервалів технічного обслуговування гідравлічних приводів у будівельній та дорожній техніці.
Посилання
1. A complete analysis of axial piston pump leakage and output flow ripples / J. M. 1. Bergadà та ін. Applied Mathematical Modelling. 2012. Т. 36, вип. 4. С. 1731–1751. URL: https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.09.016.
2. Zawistowski T., Kleiber M. Gap flow simulation methods in high pressure variable displacement axial piston pump. Archives of Computational Methods in Engineering. 2017. Т. 24. С. 519–542. URL: https://doi.org/10.1007/s11831-016-9180-5.
3. Ivantysyn J., Ivantysynova M. Hydrostatic pumps and motors: Principles, design, performance, modelling, analysis, control and testing : monograph. New Delhi : Tech Books International, 2003. 512 с.
4. Войтов В. А. В. А. Конструктивна зносостійкість вузлів тертя гідромашин. Частина II : методологія моделювання граничного змащення в гідромашинах.. Харків : Центр Леся Курбаса, 1997. 152 с.
5. Hamrock B. J., Schmid S. R., Jacobson B. O. Fundamentals of fluid film lubrication : 2nd ed.. Boca Raton : CRC Press, 2004. 728 с. URL: https://doi.org/10.1201/9780203021187.
6. Noria Corporation. Tribology explained. Noria Corporation. Lubrication (Machinery Lubrication). URL: https://www.machinerylubrication.com/ tribology-31340..
7. Israelachvili J. N. Intermolecular and surface forces. San Diego : Academic Press, 2011. 674 с. ISBN 978‐0‐12‐391927‐4.
8. Michael P. W., Mettakadapa S., Shahahmadi S . An adsorption model for hydraulic motor lubrication. 2015. Т. 138, вип. 1. (Article ; т. 011801). URL: https://10.1115/1.4031139.
9. Zhang J., Meng Y . Boundary lubrication by adsorption film. 2015. Т. 3, вип. 2. С. 115–147. URL: https://doi.org/10.1007/s40544-015-0084-4.
10. Spikes H. Friction modifier additives. Tribology Letters. 2015. Т. 60, вип. 1. С. 1–26. URL: https://10.1007/s11249-015-0589-z.
11. Stålgren J. J. R., Eriksson J., Boschkova K. Adsorption and frictional properties of surfactant assemblies at solid surfaces. Journal of Colloid and Interface Science. 2001. Т. 234, вип. 1. С. 1–10.
12. Stålgren J. J. R. J. J. R. Adsorption of surfactants at the solid–liquid interface : автореф. дис. … д-ра / Royal Institute of Technology (KTH). Stockholm, 2002..
13. Lu K., Wang X., Qu J. Adsorption behavior and lubrication mechanism of surfactants on metal surfaces. Tribology International. 2021. Т. 157. (Article ; т. 106861). URL: https://10.1016/j.triboint.2021.106861.
14. Somasundaran P., Krishnakumar S. Adsorption of surfactants and their mixtures at solid–liquid interfaces. Advances in Colloid and Interface Science. 2000. Т. 88, вип. 2. С. 179–208. URL: https://doi.org/10.1016/S0001-8686(00)00045-2.
15. Аврунін Г. А., Кириченко І. Г., Самородов В. Б. Гідравлічне обладнання будівельних та дорожніх машин : підручник. Харків : ХНАДУ, 2016. 438 с.
16. Berendsen Fluid Power. What loss of efficiency tells you about hydraulic pump and motor wear. Berendsen Fluid Power. URL: https://berendsen.com.au/. /understanding-hydraulic-pump-motor-efficiency.
17. Manring N. D. Hydraulic control systems : 2nd ed. Hoboken : Wiley, 2020. 432 с.
18. Bergada J. M., Watton J., Ebrahimi A. A complete analysis of axial piston pump leakage and lubricating interfaces. Applied Mathematical Modelling. 2012. Т. 36, вип. 11. С. 5498–5513. URL: https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.12.032.
19. Shorbagy A., Ivantysyn R., Weber J. Holistic analysis of the tribological interfaces of an axial piston pump – focusing on the pump’s efficiency. Chemical Engineering & Technology. 2023. Т. 46, вип. 1. С. 1–9. URL: https://doi.org/10.1002/ceat.202200450.
20. Косолапов В. Б., Литовка С. В. Определение зазора в сопряжении «поршень–втулка» аксиально-поршневого насоса гидропривода мобильных машин с учетом толщины смазочной пленки рабочей жидкости. Интерстроймех – 2010 : материалы междунар. Науч.-техн. Конф. Белгород, 2010. Т. 1. С. 213–219.
21. Косолапов В. Б., Литовка С. В. Влияние параметров смазочной пленки рабочей жидкости на ресурс гидропривода мобильных машин. Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. Т. 128 : Серія «Проблеми надійності машин та засобів механізації сільськогосподарського виробництва. С. 256–260.
22. Yin W., Yu Y., Zhao Y. Volumetric efficiency degradation prediction of axial piston pump based on friction and wear test. Processes. 2024. Т. 12, вип. 3. (Article 424). URL: https://doi.org/10.3390/pr12030424.
23. Лысиков Е. Н., Косолапов В. Б., Воронин С. В. Надмолекулярные структуры жидких смазочных сред и их влияние на износ технических систем : монография : монография. Харьков : ЭДЭНА, 2009. 274 с.
24. Totten G. E. G. E. Handbook of lubrication and tribology. Boca Raton : CRC Press, 2006. Т. 1 : Application and maintenance. 213 с.
25. Minfray C., Martin J.-M., Esnouf C. A multi-technique approach of tribofilm characterisation. Thin Solid Films. 2008. Т. 516, вип. 12. С. 4106–4112.
26. Косолапов В. Б., Литовка С. В. Экспериментальные исследования толщины смазочной пленки рабочей жидкости гидропривода в процессе эксплуатации мобильных машин. Интерстроймех – 2010 : материалы междунар. Науч.-техн. Конф. Белгород, 2010. Т. 1. С. 209–212.
27. Maruyama T., et al. In situ quantification of oil film formation and breakdown using electrical impedance. Tribology Transactions. 2018. Т. 61, вип. 6. С. 1051–1061. URL: https://doi.org/10.1080/10402004.2018.1468519.
28. Косолапов В. Б., Літовка С. В. Оцінка впливу частоти заміни рідини гідроприводу трансмісії на техніко-економічні показники сільськогосподарських машин. Вісник Харківського національного технічного університету сільського господарства імені Петра Василенка. 2010. Т. 2, вип. 95. С. 225–229.
29. Caterpillar Inc. 320 Hydraulic Excavator. Technical specifications. Hydraulic system – maximum flow 429 L/min; maximum pressure 35 000 kPa. Caterpillar Inc. URL: https://www.cat.com/en_MX/products/new/equipment/excavators/medium-excavators/126534.html.
30. Caterpillar Inc. 320 Hydraulic Excavator. Product brochure and specifications. Bucket capacities and working ranges. Caterpillar Inc. URL: https://www.foleyinc.com/wp-content/uploads/2025/02/320-gc-next-gen-brochure.pdf.
