ИССЛЕДОВАНИЕ ПРИЧИН ВЫХОДА ИЗ СТРОЯ ОПОРНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ КАРЕТКИ И ПОДВИЖНОЙ МАЧТЫ ДИЗЕЛЬНЫХ АВТОПОГРУЗЧИКОВ

Компания Linde
Material Handling является одним из ведущих мировых производителей вилочных
погрузчиков и складской техники. В Европе компания представлена брендами Linde
и Fenwick (Франция) и занимает ведущее положение на рынке. [1].

В процессе длительной
эксплуатации дизельных вилочных погрузчиков «Linde» модели H30D на предприятии выявлены
множественные однотипные поломки нижних опорных роликов каретки и подвижной
секции грузоподъемной мачты. Выявленные разрушения можно объединить в следующие
группы:

1.                
Разрушение внутреннего кольца опорного
ролика, которое проявляется множественными паутинообразными трещинами и сколами
(Рис. 1 а). На внешней стороне кольца, в зоне беговых дорожек имеются вмятины
от шариков диаметром до 2,5 мм. Расположение вмятин и трещин совпадает по
сектору кольца.

2.                
Разрушение наружного кольца опорного
ролика, которое проявляется в том, что кольцо лопается в одном или нескольких
местах (Рис. 1 б).

3.                
Вырыв оси опорного ролика. Внешний вид
зоны разрушения оси опорного ролика практически на всех осмотренных каретках и
подвижных секциях грузоподъемных мачт имеет одинаковые формы и направления
развития трещин (Рис. 1 в). Поверхность излома гладкая и направлена вертикально
по расположению к мачте или каретке. Данный излом свидетельствует о том, что разрушение
происходит за длительное время при воздействии изгибающих знакопеременных сил,
что свидетельствует о сходстве и постоянстве причин поломки.

         а)                         б)                                   в)

Рисунок 1.  Выявленные
разрушения опорных элементов

Основными
причинами поломки могло послужить:

1.                
Использование некачественных материалов
или несоответствующих требованиям прочности при действующих нормативных
нагрузках.

2.                
Превышение нормативных нагрузок при
эксплуатации погрузчика.

С целью
определения прочностных характеристик материалов используемых в конструкции
опорных роликов каретки и подвижной секции грузоподъемной мачты проведены
измерения твердости и получены следующие результаты:

1.                
Палец (ось) опорного ролика – 200…250 НВ.

2.                
Наружное кольцо опорного ролика – НRC
(48…50).

3.                
Внутреннее кольцо опорного ролика – НRC
(37…39).

Для определения
марок применяемых материалов проведены лабораторные испытания и измерения
химического состава по ГОСТ 18895-97 «Сталь. Метод фотоэлектрического
спектрального анализа» образцов деталей грузоподъемной мачты дизельного
погрузчика «Linde».

Согласно
результатам испытаний, химический состав:

1.             
Материал пальца (оси) опорного ролика
определен как сталь марки 09Г2 – сталь конструкционная низколегированная,
применяется для сварных конструкций узлов грузоподъемных машин и экскаваторов,
работающих при температуре от -40 до +45°С.

2.             
Материал наружного кольца опорного ролика
определен как сталь марки 75ХМ, 75ХМФ, ШХ15 – сталь конструкционная
легированная, может быть применена при изготовлении колец подшипника.

3.             
Материал внутреннего кольца опорного
ролика определен как сталь марки 25ХГСА, 30ХГСА – сталь конструкционная
легированная, может быть применена при изготовлении колец подшипника.

По результату
исследования ясно, что используемые материалы могут применяться для
изготовления деталей узла опорного ролика.

В процессе
исследования установлено, что опорный ролик по каталогу Linde имеет шифр
L0009249475, представляет собой шариковый радиально-упорный двухрядный
подшипник с заявленной динамической грузоподъемностью – 33,98кН и статической
грузоподъемностью – 25,74кН.

При подъеме и
транспортировке груза на вилы действует сила Q (Рис.1) которая в свою очередь
передается на опорные ролики каретки и грузоподъемной мачты. Значение величины
Q напрямую влияет на работоспособность опорного ролика.

         а)                                                               б)

Рисунок 2. Схема
воздействия груза (а) и схема действующих нагрузок (б)

Для определения
силы, действующей на нижний опорный ролик, построим схему нагрузок (Рис.2) и
через реакции опор и моменты сил определим ее зависимость от Q.

Из условия, что:
∑М=0, ∑R=0, а R₂+R₃=R₂₃ –
результирующая реакция двух верхних опорных роликов, получим уравнение реакции
нижнего опорного ролика:

                                                                            (1)

По
паспорту грузоподъемность погрузчика определена как 3000кг (30кН). Подставив
значение в выражение (1), получим значение нагрузки на нижний опорный ролик и
сравним с его статической грузоподъемностью (ролик работает как неподвижная
опора при перевозке груза). R1=20,6 кН < 25,74кН – Нагрузки не превышают
допустимых пределов.

В связи с тем, что
на многих рассмотренных каретках и подвижных секциях грузоподъемных мачт
выявлены однотипные разрушения (вырыв пальца опорного ролика), определим силу,
действующую на опорный ролик при которой происходит разрушение.

Для оси круглого
сечения условие прочности на изгиб определено по формуле:                                                                             (2)

где: М —
изгибающий момент в опасном сечении, [Н∙мм];

W=πd³/32,
осевой момент сопротивления для круглого сечения[мм3].

Из уравнения (2)
выразим нагрузку, при которой происходит разрушение оси.

R > [σ_изг]πd³/832,
[Н], Для стали 09Г2 из которой изготовлена ось опорного ролика [σ_изг]=150МПа.
Из расчета следует, что разрушение оси опорного ролика происходит при
воздействии силы R>36,23кН.

Учитывая, что при
транспортировке груза опорный ролик работает как статическая опора, а его
заявленная статическая грузоподъемность составляет 25,74кН, то превышение
нагрузки достигает более чем на 10,49кН, что приводит к разрушению внутреннего
и наружного кольца опорного ролика.

В реальных
условиях при транспортировке происходят колебательные движения груза,
соответственно сила Q суммируется из веса самого груза и динамических сил,
возникающих из-за разнонаправленных ускорений во время движения погрузчика:

,
[Н]                                                                           (4)

где: m – масса
перевозимого груза, [кг], g- ускорение свободного падения, [м/с²], a-
вертикальные ускорения, возникающие во время движения погрузчика, [м/с²].

Если исключить
возможность превышения допустимой массы поднимаемого груза при эксплуатации, то
можно определить значение действующего на груз ускорения, возникающего во время
движения погрузчика при котором начинается разрушение опорного ролика.

 [м/с2]                                                                               (5)

Вертикальные
ускорения движения груза возникают при наезде погрузчиком на неровности дороги.

Для определения
возникающего вертикального ускорения зададим условие, что при наезде на
неровность колесо не пробуксовывает и не теряет угловую скорость, которая
связана с линейной скоростью погрузчика зависимостью:

[c-1]                                                                                (6)

где: r – радиус
колеса, [мм], V – скорость погрузчика в момент наезда на неровность, [м/с],
φ – угол поворота колеса, [рад], t – время за которое произошел поворот
колеса на угол φ, [с].

[град]                                                                                 (7)

где: β – угол
поворота колеса в градусах, [град].

Сопоставив
выражения (6) и (7) выразим время, за которое колесо наедет на неровность:

 [c]                                                                                      (8)

Равноускоренное
движение определяется как отношение изменения скорости к промежутку времени, за
которое это изменение произошло

 [м/с2]                                                                           (9)

В момент касания
колеса с неровностью задается начальная вертикальная скорость оси колеса V_в1,
которая определяется по зависимости:

 [м/с]                                                                               (10)

где: h – высота
подъема оси колеса при наезде на неровность, [м].

При наезде на
препятствие вертикальная скорость оси колеса V_в2 становится равной
нулю. Выражение (9) примет вид:

 [м/с2]                                                                              (11)

Рисунок 4. Схема наезда
колеса на неровность

Пользуясь схемой
Рис.4, выразим угол β поворота колеса при наезде на неровность:

 [град]                                                                     (12)

После
преобразования выражения (11) получим зависимость:

 [м/с2]                                                         (13)

На Рис.5
представлен график зависимости вертикального ускорения от высоты подъема оси
колеса при наезде на неровность при различных скоростях движения погрузчика.

Рисунок
5. График зависимости вертикального ускорения

Из графика видно,
что при наезде колеса на неровность дороги во время движения погрузчика со
скоростью более 4,5 км/ч возникают критические вертикальные ускорения более чем
8 м/с² которые приводят к резкому, более чем двукратному увеличению
нагрузки на опорные ролики и ось, что в свою очередь приводит к разрушению
материалов конструкции. Также следует отметить, что статическая
грузоподъемность подшипника имеет низкий коэффициент запаса прочности
25,74/20,6=1,25, что также приводит к частому разрушению опорных роликов.

Литература:

1. https://www.linde-mh.ru/o-kompanii

2. Сопротивление
материалов: учеб. пособие / Под ред. Н. А. Костенко. — 3-е изд., перераб. и
доп. — М.: Высшая школа, 2007. — 488 с.

3. Буланов
Э.А. Решение задач по сопротивлению материалов: учебное пособие / Э. А.
Буланов. — 2-е изд., испр. — М. Бином. Лаборатория знаний, 2005. — 207 с.