PL233272B1 - Urządzenie do nagniatania powierzchni wewnętrznych cylindrów siłowników hydraulicznych, zwłaszcza w górniczej obudowie zmechanizowanej - Google Patents

Abstract

Urządzenie do nagniatania powierzchni wewnętrznych cylindrów siłowników hydraulicznych charakteryzuje się tym, że zbudowane jest z wału napędowego (6), na którego końcówce osadzona jest wirująca oprawa (3) zamknięta pokrywą (7) z luźno umieszczonymi co najmniej dwoma bijakami (1) z końcówkami roboczymi (2), które na pobocznicy posiadają nacięcia w postaci spiralnych rowków, natomiast przestrzeń pod bijakami (1) napełniana jest cieczą chłodząco - smarującą (10) pełniącą funkcję sprężyny hydraulicznej, poprzez otwory (5) wykonane w pierścieniach (4 i 4a) pod bijakami (1).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest urządzenie do nagniatania powierzchni wewnętrznych cylindrów siłowników hydraulicznych, zwłaszcza w górniczej obudowie zmechanizowanej, mające zastosowanie do obróbki wykańczającej powierzchni wewnętrznych cylindrów hydraulicznych, siłowników wykonawczych stosowanych w układach hydrauliki siłowej, zwłaszcza cylindrów stojaków hydraulicznych sekcji obudowy zmechanizowanej stosowanych powszechnie w górnictwie węgla kamiennego.

Siłowniki hydrauliczne stosowane w układzie podpornościowym sekcji obudowy zmechanizowanej są narażone na szczególnie duże obciążenie zmienne występujące zwłaszcza w wyrobiskach zagrożonych występowaniem wstrząsów górotworu i tąpań. Niezawodność siłowników stosowanych w układzie podpornościowym sekcji ma istotny wpływ na bezpieczeństwo stanowiskowe i procesowe w wyrobisku eksploatacyjnym. Wynikają stąd szczególnie wysokie wymagania bezpieczeństwa odnośnie do wytrzymałości zmęczeniowej i sztywności tych siłowników. Równocześnie cylindry siłowników muszą cechować się dobrymi właściwościami plastycznymi, gdyż ich ewentualne zniszczenie eksploatacyjne nie może mieć charakteru kruchego pękania skutkującego natychmiastową utratą podporności. Powierzchnie wewnętrzne cylindrów współpracują z pierścieniami uszczelniającymi, z czego wynika wymaganie wysokiej odporności tej warstwy wierzchniej na zużycie ścierne.

Hydraulicznym czynnikiem roboczym w układzie podpornościowym sekcji obudowy zmechanizowanej jest emulsja olejowo-wodna o zawartości wody, wynoszącej do 97%. Wynika stąd wymaganie dostatecznej odporności elementów stojaka hydraulicznego na korozję. Zużycie cierne i korozyjne powierzchni wewnętrznej cylindra hydraulicznego jest często przyczyną wycieku emulsji olejowo-wodnej, co oprócz kosztów uzupełniania ubytków czynnika roboczego w układzie hydraulicznym skutkuje zanieczyszczeniem wód kopalnianych i urobku, trudnym do pominięcia ze względów ekologicznych.

Obecnie obróbka powierzchni wewnętrznej cylindra siłownika polega na toczeniu oraz szlifowaniu. Powoduje to, że mikronierówności obróbcze są ukierunkowane obwodowo, co sprzyja zużyciu ściernemu elastomerowych pierścieni uszczelniających, których ruch względem powierzchni cylindra odbywa się w kierunku prostopadłym do mikronierówności obróbczych. Jest to sytuacja szczególnie niekorzystna z punktu widzenia zużycia ściernego i oporów ruchu. Z tego względu pożądane jest uzyskanie odpowiedniej jakości powierzchni wewnętrznej cylindrów z korzystnym ukształtowaniem mikroreliefu powierzchni roboczych, co ułatwi smarowanie i zminimalizuje zużycie.

Wszystkie opisane efekty mogą być uzyskane poprzez zastosowanie obróbki zgniotem powierzchniowym o odpowiedniej intensywności. Ponadto ten rodzaj obróbki spowoduje usunięcie drobin materiałów ściernych, które w trakcie szlifowania mogły wniknąć w strukturę warstwy wierzchniej wewnętrznej powierzchni cylindra. Obróbka zgniotem powierzchniowym jest również szczególnie przydatna w procesie regeneracji cylindra.

W przypadku siłowników stosowanych w obudowie zmechanizowanej szczególne trudności uzyskania wymaganej intensywności obróbki zgniotem powierzchniowym wynikają z tego, że cylindry wykonane są za stali stopowych chromowych poddanych obróbce cieplnej w celu uzyskania dużej twardości powierzchni, co utrudnia uzyskanie wymaganej wielkości zgniotu, równocześnie występują ograniczenia dotyczące dostępności wewnętrznej powierzchni cylindrów o stosunkowo dużej długości, wielokrotnie większej od średnicy wewnętrznej cylindra.

Dotychczas znane są urządzenia do nagniatania powierzchni wewnętrznych cylindrów hydraulicznych wykorzystujące na ogół statyczne oddziaływanie na obrabianą powierzchnię elementów nagniatających w postaci stalowych kulek lub rolek.

Szeroki przegląd znanych konstrukcji urządzeń do obróbki nagniataniem, w tym również dynamicznym zawiera książka: W. Przybylski „Technologia obróbki nagniataniem” WNT Warszawa 1987. Urządzenia te umożliwiają uzyskanie dostatecznie dużej intensywności nagniatania wymaganej w przypadku cylindrów siłowników hydraulicznych górniczej obudowy zmechanizowanej. Również praca: S. Szulc, A. Stefko „Obróbka powierzchniowa części maszyn” WNT Warszawa 1976 opisuje schemat kulownicy str. 197 i urządzenia do młotkowania str. 199. Są to jednak urządzenia nieprzydatne do przedmiotowego zastosowania.

W artykule opublikowanym w materiałach konferencji „Technologia obróbki poprzez nagniatanie”, Bydgoszcz 1980 r., na str. 236-246 opisano urządzenie do obróbki skrawaniem połączonej z nagniataniem naporowym cylindrów za pośrednictwem kulek stalowych. Na str. 253-255 zaprezentowano głoPL 233 272 B1 wicę rolkową do obróbki wykańczającej i gładkościowej powierzchni wewnętrznych cylindrów hydraulicznych. Omawiane urządzenia nie zapewniają wymaganej intensywności umacniania powierzchni roboczych cylindrów stosowanych w górniczej obudowie zmechanizowanej.

Z polskiego opisu patentowego PL139508 znane jest urządzenie do nagniatania dynamicznego powierzchni zewnętrznych przedmiotów walcowych, ponadto z innego polskiego opisu patentowego PL150864 znane jest urządzenie do umacniania metodą pneumokulowania przedmiotów metalowych. W urządzeniach tych energia uderzenia stalowych kulek umacniających nadawana jest sprężonym powietrzem, co sprawia, że mają one ograniczone możliwości uzyskiwania dużej gęstości powierzchniowej nagniatania, uniemożliwiając uzyskanie wymaganej energii i stopnia zgniotu powierzchniowego.

Generalnie wszystkie urządzenia nagniatające wykorzystujące stalowe kulki i sprężone powietrze natrafiają na próg wzrostu efektywności. Zwiększenie masy kulek, a więc ich średnicy prowadzi do zmniejszenia maksymalnej wartości naprężenia stykowego, gdyż zwiększa się pole powierzchni kontaktu. Zmniejsza się ponadto graniczna prędkość uderzenia kulek wskutek istnienia fizykalnych ograniczeń dotyczących nadawania dużej prędkości stalowej kulce za pomocą strumienia powietrza wypływającego z dyszy.

Niedogodnością rozwiązań, w których stosowane jest nagniatanie naporowe rolkami nagniatającymi nie pozwala na uzyskanie pełnych efektów umocnienia zgniotem powierzchniowym wymaganych w omawianym zastosowaniu.

Celem wynalazku jest uniknięcie występujących wad i skonstruowanie urządzenia do nagniatania powierzchni wewnętrznej cylindrów, które umożliwiałoby uzyskanie pełnych efektów umocnienia powierzchni wewnętrznej cylindrów hydraulicznych przez uzyskanie większej głębokości zgniotu powierzchniowego w porównaniu głębokością zgniotu uzyskiwaną za pomocą znanych urządzeń oraz zabezpieczenie, poprzez efektywne chłodzenie, przed relaksacją naprężeń własnych i rekrystalizacją struktury warstwy wierzchniej poddanej zgniotowi.

Cel ten osiągnięto poprzez zastosowanie elementów umacniających, które wywołują bardziej skoncentrowane naciski stykowe przy dodatkowym wykorzystaniu efektu uderzenia hydraulicznego oraz zapewnieniu efektywnego chłodzenia bezpośrednio w miejscu występowania wzrostu temperatury wskutek pracy odkształcenia plastycznego.

Urządzenie do nagniatania powierzchni wewnętrznych cylindrów według wynalazku charakteryzuje się tym, że zbudowane jest z wału napędowego, na którego końcówce osadzona jest wirująca oprawa zamknięta pokrywą z luźno umieszczonymi co najmniej dwoma bijakami z końcówkami roboczymi, które na pobocznicy posiadają nacięcia w postaci spiralnych rowków, natomiast przestrzeń pod bijakami napełniana jest cieczą chłodząco - smarującą pełniącą funkcję sprężyny hydraulicznej, poprzez otwory wykonane w pierścieniach i pod bijakami.

Przedmiot wynalazku został przedstawiony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym Fig. 1 przedstawia przekrój podłużny głowicy urządzenia, Fig. 2 przekrój poprzeczny głowicy ilustrujący jej współpracę z powierzchnią wewnętrzną obrabianego cylindra, zaś Fig. 3 sposób osadzenia bijaków w oprawie.

Urządzenie według wynalazku zbudowane jest z wału napędowego (6), na którego końcu osadzona jest wirująca oprawa (3) zamknięta pokrywą (7) z luźno umieszczonymi co najmniej dwoma bijakami (1) z końcówkami roboczymi (2), które na pobocznicy posiadają nacięcia w postaci spiralnych rowków (11). Przestrzeń pod bijakami napełniana jest cieczą chłodząco-smarującą pełniącą funkcję sprężyny hydraulicznej poprzez otwory (5) wykonane w pierścieniach (4) i (4a) pod bijakami. Do wnętrza oprawy (3) zamkniętej pokrywą (7) i uszczelką (9) ciecz chłodząco-smarującą (10) może być dostarczana pod ciśnieniem o minimalnej wartości, wynoszącej 30 kPa, poprzez drążony wał napędowy (6) o dużej sztywności poprzecznej. Bijaki (1) wykonane są ze stali stopowej hartowanej lub węglików spiekanych.

Działanie urządzenia

Podczas wirowania oprawy (3) bijaki (1) uderzają kolejno swoimi końcówkami roboczymi (2) w powierzchnię wewnętrzną obrabianego cylindra (8). Pod wpływem uderzenia bijaki (1) cofają się w głąb oprawy (3) wywołując, wskutek uderzenia hydraulicznego, dynamiczny wzrost ciśnienia cieczy chłodząco-smarującej (10) w przestrzeni pod bijakami (1), skutkujący zwiększeniem siły nagniatania i chwilowym wypływem porcji cieczy smarująco-chłodzącej (10) na zewnątrz tarczy, co powoduje chłodzenie i smarowanie obrabianej strefy cylindra (8) i końcówki roboczej (2) bijaka (1). Ciecz chłodzącosmarującą (10) pod bijakami (1) pełni funkcję sprężyny hydraulicznej, której sztywność zależy od luzów osadzenia bijaków (1) w oprawie (3), średnicy otworów (5) i ich oporu hydraulicznego. Dodatkowo opór

PL 233 272 B1 hydrauliczny wszystkich otworów (5) może być jednocześnie regulowany poprzez obrót pierścienia regulacyjnego (4a) względem pierścienia (4). Wykorzystując opisane możliwości regulacyjne oraz dobierając prędkość wirowania oprawy i jej dosunięcie do obrabianej powierzchni, można w szerokim zakresie regulować siłę nagniatania bijaków. Po wyjściu ze strefy uderzenia bijaki, wskutek działania siły odśrodkowej i ciśnienia cieczy, przemieszczają się w skrajne zewnętrzne położenie.

Ciecz chłodząco-smarująca (10) wypływając na zewnątrz oprawy (3) może być odbierana na końcu/końcach obrabianego cylindra (8) i zawracana do układu zasilającego w obiegu zamkniętym. Obrabiany cylinder (8), oprócz obrotu wokół swojej osi, jest przemieszczany wzdłuż tej osi celem obróbki powierzchni wewnętrznej cylindra na wymaganej długości. Alternatywnie urządzenie nagniatające może być również przemieszczanie wzdłuż osi cylindra. Dzięki chłodzeniu strefy nagniatania odbierane jest ciepło, na które zamienia się praca odkształcania plastycznego. Smarowanie nagniatanego elementu służy polepszeniu jakości powierzchni i zmniejsza możliwość wystąpienia defektów powierzchniowych. Dzięki spiralnym rowkom (11) naciętym na pobocznicy bijaków (1) (Fig. 3), po każdym uderzeniu bijaka (1) i wypływie cieczy chłodząco-smarującej (10) na zewnątrz, następuje niewielki obrót bijaka (1) wokół własnej osi, co sprzyja efektywnemu chłodzeniu i smarowaniu oraz zapewnia równomierność zużycia końcówek roboczych (2) bijaków (1) wskutek stale zmieniającej się strefy kontaktu końcówki (2) z obrabianą powierzchnią. Bijaki (1) należy wykonać ze stali o ze stali stopowej hartowanej lub korzystnie z węglików spiekanych.

W wyniku obróbki powierzchni wewnętrznej cylindrów (8) urządzeniem według wynalazku następuje pokrycie obrobionej powierzchni bardzo gęstym układem mikroodcisków plastycznych o kształcie owalnym, co powoduje ukształtowanie w warstwie wierzchniej stanu naprężeń własnych ściskających. Taki stan naprężeń własnych w bardzo efektywny sposób polepsza wytrzymałość zmęczeniową cylindrów. Wzrasta również twardość warstwy powierzchniowej i zwiększa się sztywność kontaktowa, co w istotny sposób podnosi odporność obrabianej powierzchni na zużycie ścierne. Mikrorelief powierzchni roboczych cylindrów, uzyskany w wyniku obróbki, służy poprawie warunków smarowania w kontakcie powierzchni roboczych z uszczelnieniami. Mikrokieszenie smarne utworzone na powierzchni cylindra umożliwiają bardziej efektywne oddziaływanie drobin oleju/emulsji olejowo-wodnej na powierzchnię roboczą cylindrów, co znacznie polepsza odporność korozyjną tak obrobionej powierzchni stalowego elementu.

Dzięki zwiększonej odporności ściernej i korozyjnej wzrasta efektywność działania siłowników, zmniejszają się opory ruchu oraz zmniejszona jest możliwość wystąpienia wycieków. Sprzyja to wzrostowi niezawodności eksploatacyjnej siłowników stosowanych w sekcjach obudowy zmechanizowanej, co poprawia warunki bezpieczeństwa użytkowania obudowy zmechanizowanej.

Urządzenie według wynalazku może być wykorzystane do umacniania powierzchni innych elementów maszynowych o podobnej postaci konstrukcyjnej, w różnych zastosowaniach technicznych.

Claims (1)

1. Zastrzeżenie patentowe

   1. Urządzenie do nagniatania powierzchni wewnętrznych cylindrów siłowników hydraulicznych, znamienne tym, że zbudowane jest z wału napędowego (6), na którego końcówce osadzona jest wirująca oprawa (3) zamknięta pokrywą (7) z luźno umieszczonymi co najmniej dwoma bijakami (1) z końcówkami roboczymi (2), które na pobocznicy posiadają nacięcia w postaci spiralnych rowków (11), natomiast przestrzeń pod bijakami (1) napełniana jest cieczą chłodząco-smarującą (10) pełniącą funkcję sprężyny hydraulicznej, poprzez otwory (5) wykonane w pierścieniach (4) i (4a) pod bijakami (1).