Рабочие жидкости гидравлических систем

Теплоемкость и теплопроводность рабочих жидкостей

Удельная теплоемкость однородной жидкости - это отношение количества теплоты к массе жидкости и разности температур (или отношение теплоемкости к массе):

. (7.38)

Для минеральных масел до 100 (373 К) с=1880…2090 Дж/кг.

Теплопроводность однородной жидкости - это отношение теплового потока к площади поверхности, нормальной к тепловому потоку и градиенту температур (или отношение поверхностной плотности теплового потока к градиенту температур):

, (7.39)

где - тепловой поток, Вт;

S - площадь поверхности, м;

- градиент температуры, К/м;

- поверхностная плотность теплового потока.

Для минеральных масел .

Температуры застывания, вспышки, воспламенения, самовоспламенения и пожаровзрывобезопасность рабочих жидкостей

Температура застывания - это температура, при которой масло густеет настолько, что при наклоне пробирки на 45 его уровень в течение 1 минуты остается неизменным. Температура эксплуатации гидропривода должна быть выше температуры застывания на 10…17.

Температура вспышки (ГОСТ 6356-75) - это температура, при которой пары масла, нагреваемого в открытом или закрытом тигле, образуют с окружающим воздухом смесь, вспыхивающую при поднесении к ней пламени. Максимальная температура нагрева рабочей жидкости на нефтяной основе должна быть на 10…15 ниже температуры вспышки в открытом тигле.

Пожароопасность эксплуатации гидропривода с горючей рабочей жидкостью определяется температурным режимом его работы. Жидкости подразделяются на легковоспламеняющиеся (ЛВЖ), горючие, трудногорючие и негорючие НГЖ. ЛВЖ в качестве рабочих жидкостей не применяют. Нефтяные масла относятся к категории горючих жидкостей (при температуре вспышки 65…120 - к категории III, при температуре вспышки свыше 120 - к категории IV).

Существуют две наиболее вероятные причины пожароопасных ситуаций. Первая возникает при аварии гидросистемы, когда рабочая жидкость может распыляться под высоким давлением и попадать на раскаленные поверхности некоторых элементов. При этом происходит разложение и окисление горючих и даже трудногорючих жидкостей, в результате чего при определенной температуре возможно самовоспламенение в среде воздуха. Температура самовоспламенения зависит от условий тепломассообмена и других причин, поэтому не является строго определенной для каждой жидкости. В связи с этим за температуру самовоспламенения принимают минимальную температуру поверхности, при которой происходит воспламенение жидкости в стандартных условиях, например, по ГОСТ 13920-68. В отличие от температуры вспышки температура самовоспламенения относительно мало зависит от плотности и молекулярной массы масла и находится в пределах 225…280 для масел от МГЕ-4А до вязкого. Вблизи гидропривода, работающего с горючими маслами, недопустимо размещение элементов с температурой поверхности выше 0,8 (т.е. практически выше 200).

Другой вероятной причиной пожароопасной ситуации является образование горючей паровоздушной смеси в помещении (отсеке), где находится гидропривод и имеются внешние источники воспламенения, например, электрические контакторы. Для вспышки или взрыва паровоздушной смеси количество кислорода в смеси должно быть не менее 10% по объему. Теоретически необходимое для горения соотношение смеси паров с воздухом или другим окислителем называется стехиометрическим. Практически имеется определенная область концентраций, при которой смесь может воспламеняться от источника зажигания с последующим распространением горения от источника по объему смеси. Граничные концентрации этой области называют нижним и верхним концентрационными пределами. Им соответствуют нижний и верхний температурные пределы воспламеняемости. При концентрации паров в смеси ниже горение от источника не распространяется, так как имеющийся в смеси избыток воздуха поглощает выделяющуюся теплоту и препятствует горению. При концентрации паров более горение от источника не распространяется из-за недостатка кислорода в смеси. Связь между концентрационными и температурными пределами области воспламенения определяется отношением давления насыщенного пара к атмосферному давлению в отсеке. Объемные концентрации паров в смеси: и , где и - давление насыщенного пара соответственно при и .

Концентрационные пределы области воспламенения и указывают иногда в технических условиях на масло. В требованиях к производственным помещениям следует указывать безопасные концентрации , где - коэффициент, равный 2 - 20 в зависимости от вероятности образования горючей смеси и наличия источников воспламенения.

Наиболее благоприятны условия эксплуатации гидропривода на открытых площадках и в хорошо вентилируемых отсеках машин. В этом случае могут быть допущены более высокие рабочие температуры масла. Допустимый предел температуры масла при работе гидропривода зависит также от наличия в гидроприводе внутренних полостей, заполняемых паровоздушной смесью, которая при температуре масла становится взрывопожароопасной. В этих полостях не допускается размещение возможных источников воспламенения (например, электрические цепи, способные образовать при обрыве искру).

Кислотность масел. Стабильность против окисления

Химическая стабильность рабочих жидкостей оценивается кислотным числом (КОН), которое определяет количество миллиграммов едкого калия, нейтрализующего 1 г масла.Усвежего масла без присадок КОН равен 0,1 -0,2 мг, при введении присадок эта величина удваивается, а при эксплуатации повышается до 0,5 - 0,6 мг. Предельным кислотным числом считается 1,5 мг, после чего масло подлежит замене. Стабильность против окисления определяется по ГОСТ 981-75, 5985-79 или ГОСТ 11362-76.

Химическое разложение жидкости происходит в результате окисления ее кислородом воздуха, каталитическое действие при этом оказывает температура. Повышение температуры на каждые 8 - 10удваивает окисление минерального масла. Особенно интенсивно жидкость окисляется при наличии в ней растворенного воздуха и механических примесей. Для увеличения срока эксплуатации рабочих жидкостей за счет снижения ее химического разложения при проектировании гидросистемы необходимо:

- стремиться к уменьшению рабочей температуры жидкости;

- обеспечивать надежную фильтрацию жидкости;

- стремиться к уменьшению контакта с воздухом в гидробаке;

- обеспечивать защиту гидросистемы от попадания в нее воздуха и влаги.

Термоокислительные процессы в базовом масле являются основной причиной егостарения. Они происходят во всем объеме масла в виде комплекса сложных многостадийных реакций углеводородов вследствие присутствия в нем кислорода (атмосферного, растворенного в жидкости, а также находящегося в молекулах взаимодействующих веществ).

Процесс окисления включает следующие стадии. Первой стадией является инициирование молекул тепловой энергией (усиливаемое при механических и радиационных воздействиях), которое может приводить к диссоциации и разрыву химических связей с образованием свободных радикалов (радикалы представляют собой части молекул, на конце которых имеется неспаренный электрон). Дальнейшие стадии представляют собой взаимодействие активированных фрагментов молекул один с другим и с другими молекулами в виде цепной реакции автоокисления: радикалы интенсивно реагируют с кислородом, образуя радикалы перекисей , которые в свою очередь реагируютс исходными молекуламиуглеводородов (), образуя углеводородные радикалы и молекулы гидроперекисей .

При высоких температурах и в присутствии катализаторов, особенно металлов с переменной валентностью (медь, железо, свинец и др.), попадающих в жидкость с загрязнениями, гидроперекиси разлагаются. В результате процесса окисления образуются вода, смолы, кислоты, сложные эфиры, увеличивающие кислотную реакцию масла.

Цепная реакция автоокисления значительно замедляется при наличии в масле антиокислительных присадок. Эти присадки подразделяют на три группы в зависимости от того, на какой стадии процесса окисления они наиболее активны. Например, вводимый в масла ионол относится к ингибиторам группы III; он реагирует с радикалами перекисей, образуя неактивные радикалы и стабильные продукты. Аналогично действие ингибиторов других типов, прерывающих цепную реакцию автоокисления превращением активных радикалов и гидроперекисей в стабильные продукты [24].

Смазочные свойства масел

Смазочные свойства масел - это общее название нескольких свойств масел, влияющих на процессы трения и изнашивания трущихся поверхностей в машинах. Основными из них являются следующие свойства: антифрикционные, влияющие на величину трения (коэффициент трения) трущихся деталей; противоизносные, влияющие на уменьшение износа трущихся поверхностей при умеренных нагрузках; противозадирные, предохраняющие трущиеся поверхности отзадира и заедания в условиях высоких нагрузок и высоких температур. Для улучшения смазывающих свойств к нефтяной основе добавляются противоизносные и противозадирные присадки, в состав которых входят высокомолекулярные жирные кислоты, органические синтезированные соединения, содержащие серу, фосфор, хлор.

Смазывающая способность масел (маслянистость) характеризуется способностью обеспечивать на поверхности металла прочную пленку, препятствующую непосредственному контакту сопряженных деталей. Смазывающая способность масел приобретает большое значение при граничной смазке. В условиях граничной смазки масла, имеющие более высокую маслянистость, обеспечивают наименьшее трение и износ, а также предотвращают заедание трущихся деталей. Наиболее распространенные способы оценки смазывающей способности масел - механические испытания их на приборах и машинах трения. В зависимости от типа машины трения и от методики испытания смазочные свойства масел могут быть выражены различными показателями: коэффициентом трения, нагрузкой или температурой, под действием которых разрушаются масляная пленка или даже трущиеся поверхности, износом трущихся деталей.

Трибосопряжение в зависимости от режима смазки может работать фактически без износа (гидродинамический или жидкостный режимы смазки) и в условиях изнашивания (полужидкостный или смешанный и граничный режим смазки). Смазочный материал (рабочая жидкость) также определяет потери на трение в трибосопряжениях (потери мощности машин и механизмов в результате трения). Порядок величин коэффициентов трения: гидродинамическая смазка - 0,001…0,005; граничная смазка - 0,01…0,1.

В случае гидродинамической или жидкостной смазки малое трение обеспечивается наличием несущего гидродинамического слоя масла, полностью разделяющего поверхности трения, образование которого определяется объемными или вязкостными свойствами масла (внутреннее трение), геометрией деталей узла трения, скоростью и нагрузкой, объемной температурой, а антифрикционные свойства материалов трибосопряжения имеют второстепенное значение.

Наибольшее проявление антифрикционных и противоизносных свойств материалов трибосопряжений происходит в условиях граничной смазки. Граничная смазка представляет собой такой вид смазки, который определяется не объемными вязкостными свойствами смазочного материала, а специфическим взаимодействием смазочного материала и твердого тела в результате физической адсорбции, хемосорбции или химической реакции. При граничном, а также полужидкостном режимах смазки проявляются антифрикционные и противоизносные свойства смазочных материалов, именно в этих условиях можно выявить триботехнические характеристики масел и присадок, предназначенных для снижения износа и трения трибосопряжений.

Существенное уменьшение трения и изнашивания трущихся тел в условиях граничной смазки наблюдается при образовании на их поверхности адсорбционного слоя молекул поверхностно-активных веществ (ПАВ), присутствующих в смазочных материалах. Образование в этих условиях прочных граничных слоев и пластифицированных поверхностей трения (эффект П.А.Ребиндера) доказаны многочисленными работами, послужившими основой современных представлений о трении, изнашивании и смазке твердых тел.

Свойства граничного слоя значительно отличаются от свойств смазочного материала, составляющего объемный слой. Молекулы ПАВ и их ассоциаты, входящие в граничный смазочный слой, образуют на металле достаточно прочный и гибкий ворс, принимающий на себя контактную нагрузку. Такие слои обладают анизотропией механических свойств, выдерживают высокие нормальные нагрузки и имеют низкое сопротивление к действию касательных напряжений. Ориентация полярных компонентов смазочного материала относительно поверхности металла происходит во времени и распространяется, как правило, на значительные расстояния. Толщина граничного слоя зависит от нагрузки, скорости перемещения, состава и свойств смазочного материала и может варьировать от нескольких до 400 - 500 молекулярных слоев и, в зависимости от среднего размера молекулы, может составлять 0,5 - 0,8 мкм.

Продолжительные и высокие нагрузки (температуры) приводят к возникновению схватывания и задира отдельных участков поверхностей трения. Предотвращение задира в таких режимах трения зависит в основном от химических процессов, протекающих на поверхности металла и приводящих к химическому модифицированию его тонкого слоя. Высокие температуры и местные перегревы микроучастков поверхности (локальные температуры могут достигать 1000 и более) ускоряют химические реакции с металлом серо-, хлор- и фосфорсодержащих присадок и продуктов их превращений, присутствующих и накапливающихся в смазочном материале. При этом на поверхности металла образуются сульфиды, хлориды и фосфиды, а также другие химические соединения, формирующие поверхностные пленки, препятствующие схватыванию и задиру металлических поверхностей и обладающие низким сопротивлением срезу.

Развиваются и другие направления получения прочных, постоянно возобновляемых граничных слоев, защищающих металл от износа и задира. К ним относятся избирательный перенос и трибополимеризация. Явление избирательного переноса, связанное с формированием на поверхности металла тончайших пленок меди и других мягких металлов, позволяет в некоторых случаях добиться минимального износа («эффект безызносности») за счет образования на трущихся поверхностях металлоплакирующей пленки и автокомпенсации износа. Эффект трибополимеризации заключается в образовании при трении на поверхностях прочных защитных полимерных пленок из вводимых в смазочный материал мономеров или олигомеров, используемых в качестве присадок.

В таблице 7.8 приводятся данные о смазочной способности и максимальной температуре применения смазок.

Таблица 7.8

Смазочная способность и максимальная температура применения смазок

Смазки	Нефтяное масло	Полиэтилсилоксановое масло
	Противоизнос-ные и противозадир-ные свойства *	Максималь-наятемперату-ра применения,	Противоизнос-ные и противозадир- ные свойства *	Максимальная температура применения,
Кальциевые: Гидратированные	4	70	-	-
Комплексные	5	150	4	170
	4	110	-	-
Безводные	3	110	2	125
Натриевые Литиевые:	3	125	2	130
Обычные	5	160	3	170
Комплексные Алюминиевые :	4	70	-	-
Обычные	5	160	4	170
Комплексные	3	170	1	170
Силикагелевые	3	150	1	150
Бентонитовые	5	200	4	300**
Пигментные Полимочевинные	4	200	3	230
* Условно принято: 1 - очень плохие, 2- плохие, 3-средние, 4- хорошие, 5-очень хорошие. ** Для смазок на полиметилфенилсилоксанах

8. Загрязнения рабочих жидкостей

Наиболее частыми видами загрязнений рабочих жидкостей гидроприводов являются:

- механические примеси, содержащие абразивные частицы (кварц, полевой шпат), попадающие в гидросистемы из окружающей среды, а также продукты износа пар трения;

- вода, проникающая в жидкость вместе с атмосферным воздухом через неплотности соединений узлов и в результате промывки гидросистем смазочно-охлаждающими жидкостями (СОЖ);

- воздух или другой газ.

В последние годы вопрос содержания воздуха и воды в рабочих жидкостях, особенно в минеральных маслах, стал привлекать все большее внимание специалистов, занятых созданием гидрооборудования и эксплуатацией промышленных гидроприводов. Все работы, связанные с исследованиями по определению влияния этих примесей на характеристики гидросистем и минеральных масел, указывают на отрицательное влияние воздуха и воды на функционирование гидросистем. Становится все более очевидным, что при создании современных гидрофицированных машин с высокими динамическими и прочностными параметрами, в том числе приводов с большим объемом рабочей жидкости в исполнительных механизмах, необходимо не только учитывать сам факт наличия воздуха и воды, но и предусматривать меры по поддержанию их содержания на минимальном уровне. Столь же актуальны вопросы продления срока службы минеральных масел, на которые присутствующие воздух и вода оказывают окислительное воздействие. При наличии этих примесей в масле на нефтяной основе ускоренно растут кислотное число и число омыления, интенсивно разрушаются легирующие присадки, ухудшается деэмульгирующая способность и повышается пенообразование. В этих условиях масло значительно быстрее, чем это предусмотрено техническими условиями на эксплуатацию гидрооборудования (до 25-30% времени установленного ресурса), теряет свои служебные свойства, что отрицательно сказывается на работе элементов гидрооборудования. В частности, происходит повышенный износ трущихся поверхностей, наблюдаются случаи заклинивания золотниковых пар и заращивание дросселирующих щелей лакообразнымиотложениями. В масле образуются продукты окисления и старения, закупоривающие поры фильтроэлементов.

Наличие в рабочей жидкости растворенного и особенно нерастворенного воздуха заметно снижает выходные параметры гидрооборудования и гидросистемы в целом, такие, как коэффициент подачи насоса, расходные характеристики дросселирующих устройств, быстродействие, точности позиционирования и равномерность перемещения исполнительного гидродвигателя.

Помимо этого, воздух и пары воды в зонах переменного давления усиливают кавитационную эрозию деталей насосов и гидроаппаратуры, значительно повышают шум и вибрацию гидросистемы, способствуют повышению температуры рабочей жидкости и возможности самовоспламенения масла. В настоящее время в нормативно-технической документации на рабочие жидкости гидросистем не приводятся данные по растворимости газов (воздуха) и не лимитируется их содержание как в растворенном, так и в нерастворенном (дисперсном) состоянии. Оговаривается только отсутствие воды в состоянии поставки. На практике же вследствие использования негерметичной тары при транспортировке и хранении минеральных масел присутствует определенное количество воды и воздуха. Предельное содержание растворенной воды обычно не превышает десятых долей процента в зависимости от типа минерального масла. Однако при повышении температуры растворимость воды увеличивается. Содержание воды, находящейся в жидкости в виде эмульсии, особенно высокой дисперсности, может достичь нескольких процентов.

Время, в течение которого происходит насыщение рабочей жидкости воздухом, зависит от площади поверхности раздела, приходящейся на единицу объема, степени возмущенности жидкости на этой поверхности, давления, коэффициента диффузии, коэффициента поверхностного натяжения на границе газ-жидкость и от шероховатости поверхностей деталей гидрооборудования. Условия выделения растворенного воздуха зависят, в основном, от тех же факторов, что и насыщение, но дополнительно - от наличия активных центров газовыделения, которыми являются включения механических примесей и микропузырьков газа. Однако выделение происходит интенсивнее, чем насыщение, в результате турбулентности потока жидкости в каналах гидросистемы и их вибрации. Иногда считают, что растворенный воздух, в отличие от нерастворенного, практически не влияет на свойства рабочих жидкостей. Однако независимое рассмотрение этих двух состояний воздуха нельзя признать правомочным, поскольку они в работающем приводе находятся в динамическом равновесии. Это объясняется последовательным переходом воздуха из растворенной фазы в нерастворенную и наоборот - при прохождении им зон и участков пониженного и повышенного давления. Данные об объемном содержании нерастворенного воздуха пока что не однозначны. Принято считать, что в масле действующей гидросистемы содержится от 0.5 до 5 %, а в отдельных случаях до 10-15% нерастворенного воздуха от общего объема жидкости.

Вода проникает в минеральные масла вместе с воздухом через фильтр-сапун. Кроме того, вода часто попадает в масло вследствие негерметичности теплообменных аппаратов и небрежного хранения его в негерметичной таре. Растворимость кислорода в жидкости на 40-50% больше, чем растворимость атмосферного воздуха. Это в значительной степени усиливает процесс окисления масла. Кроме того, в присутствии растворенного кислорода ряд металлов, из которых изготовлены отдельные элементы гидросистемы, а также окислы этих металлов действуют, как катализаторы окислительного процесса, происходящего в масле.

Наличие воздуха приводит к значительному снижению объемного модуля упругости жидкости, а также к увеличению вязкости. Это оказывает существенное влияние на показатель гидродинамической несущей способности масляной пленки. Повышение вязкости масла в сочетании с дисперсной фазой воздуха способствует седиментации пузырьков, взаимодействующих друг с другом, что приводит к расслоению жидкости в резервуаре на три условных слоя: верхний - пена, средний - жидкость, насыщенная пузырьками и нижний - полностью дегазированная жидкость. Пена, взаимодействуя с продуктами окисления масла, образует устойчивые эмульсии, которые удаляются только методом флотации или центрифугированием, поскольку пористые фильтроэлементы ими быстро заиливаются. Эти эмульсии превращаются со временем в вязкие включения, откладываются на прецизионных парах, нарушая их нормальную работу. Известно, что при адиабатическом сжатии воздушных пузырьков в зонах повышенного давления возникают местные температуры порядка 1100-15000С. Считается, что основной причиной старения масел является именно этот фактор, приводящий к термическому крекингу масла.

Отрицательное влияние на эксплуатационные свойства минеральных масел оказывает присутствие в них даже незначительного количества воды. Специальными исследованиями была доказана несовместимость легирующих присадок с водой. В частности, при добавлении воды в стенд, имитирующий схему станка с ЧПУ, наблюдались интенсивные отложения (на фильтре из нержавеющей стали с тонкостью очистки 30 мкм) лака и шлаков, которые появляются вследствие окисления масла. Было также установлено, что лаки, образуемые в присутствии воды, намного крепче пристают к поверхности деталей и не смываются потоком жидкости. Процессы старения масла, связанные с наличием в нем воды, носят взаимосвязанный и прогрессирующий характер. Так, при старении масла ухудшается его деэмульгирующая способность, что способствует беспрепятственному участию воды в окислительных процессах. Присутствие воды и воздуха активизирует процессы трения за счет снижения антиизносных и антикоррозионных свойств, что приводит к значительному износу деталей гидрофицированных устройств и преждевременному выходу их из строя.

По мнению В.А. Рокшевского, присутствие пузырьков воздуха увеличивает вязкость масла, что ухудшает его смазывающие свойства и приводит к разрыву сплошности масляной пленки. Кроме того, увеличенное содержание воздуха усиливает кавитационные процессы и приводит к эрозии поверхностей деталей, расположенных в зонах схлопывания пузырьков. Установлено, что 10% случаев выхода из строя аксиально-поршневых насосов в составе 140 приводов металлорежущих станков и строительных машин являлись следствием кавитации. Кавитационная эрозия, как показали расчеты и непосредственные измерения, вызвана высокими местными давлениями, достигающими 150-200 МПа и температурами порядка 1000-15000С. На интенсивность кавитационного разрушения влияют свойства рабочих жидкостей, давление и температура. Исследования показали, что паровая кавитация значительно активнее вызывает эрозию поверхностей деталей гидрооборудования, чем смыкание газовых пузырьков. Наличие воды, кроме того, активизирует износ деталей гидрооборудования. Вода, совместно с растворенным в жидкости кислородом, вызывает химические реакции, которые усиливают процессы трения за счет снижения антиизносных и антикоррозионных свойств масел. Это подтверждено исследованиями по определению влияния незначительного количества воды в маслах классов Н и HL на износ деталей пластинчатого насоса фирмы Wickers (Англия) типа V-104С (см. табл. 1.10.1), а также испытаниямибыстроходного поршневого насоса высокого давления (см. табл. 1.10.2).

Наличие в жидкости нерастворенного воздуха приводит к недозаполнению рабочих камер насосов и снижению их производительности. Подсчитано, например, что при 5% содержании этой фазы объемный КПД насоса при давлении 20 МПа уменьшается примерно на 10%.

Воздух интенсифицирует кавитацию в дроссельных элементах гидрооборудования, что сопровождается снижением их расходных характеристик. Исследования по определению «критических» (срывных) режимов работы дросселирующих устройств на макетах насадок и моделях золотника и клапана с коническим запорным элементом на минеральных маслах, содержащих воздух, проведены в МВТУ им. Н.Э.Баумана. При небольших сечениях трубопроводов (особенно в местах промежуточных соединений) вследствие указанных причин могут образовываться воздушные пробки, и тогда движение газо-жидкостной фазы приобретает прерывистый (импульсный) характер. В процессе работы гидропривода газосодержание постоянно возрастает до некоторого равновесного состояния, определяемого свойствами жидкости и условиями эксплуатации привода. Последнее обстоятельство понижает жесткость гидросистем, приводит к прерывистому движению выходных звеньев, может вызвать нарушение устойчивости против автоколебаний и ухудшает динамические характеристики гидравлических следящих систем. Сжимаемость жидкости, обусловленная присутствием воздуха в быстродействующем приводе, увеличивает время срабатывания исполнительных механизмов. Это подтверждается исследованиями, проведенными во ВНИИгидропривод на машине литья под давлением модели 711А07. Привод эксплуатировался на огнестойкой жидкости «Промгидрол», имеющей низкий модуль упругости из-за наличия в ней 6% нерастворенного воздуха. В результате времяподпрессовки увеличилось на 15-20%, что привело к остыванию металла в прессформе и снижению качества изделия - образованию неплотностей в отливке и раковин. Сжимаемость жидкости, заполняющей рабочий объем исполнительного механизма, вызывает дополнительные затраты мощности, необходимой на ее сжатие. С увеличением рабочего объема гидродвигателя и скорости его срабатывания потери мощности увеличиваются. Например, при использовании рабочей жидкости с объемным модулем упругости Еж=1406 МПа в приводе с частотой срабатывания 100 Гц и гидроцилиндром с ходом 240 мм потеря мощности составила примерно 5 кВт на каждые 5,8 см2 площади поршня при давлении в системе 2 МПа.

Воздух и вода усиливают высокочастотные колебания давления в каналах гидрооборудования и трубопроводах, что способствует повышению шума при работе гидросистемы. В последнее время проводились многочисленные исследования по влиянию воды в минеральных смазочных маслах на выносливость металлов в процессе усталостных испытаний (при циклическом нагружении). Однако единого взгляда на природу и степень влияния воды не сложилось. Основными моделями, объясняющими снижение выносливости металлов в присутствии воды, являются адсорбционная модель, основанная на эффекте П.А.Ребиндера, и модель коррозии под напряжением. Представляется важным тот факт, что многими исследователями недооценивается влияние кавитационных процессов, по-видимому, имеющих место в процессе испытаний на выносливость металлов.

Установлено, что в 70% случаев отказы элементов гидросистем вызываются содержанием в масле механических примесей. Основными источниками механических загрязнений являются:

- остатки производства и ремонта гидромашин и аппаратуры (стружка, отделившиеся заусенцы); остатки при изготовлении и сборке гидролиний (окалина, брызги металла при сварочных работах);

- продукты изнашивания деталей;

- продукты старения уплотнений и деструкции жидкости;

- воздушная пыль.

К нежелательным компонентам в составах масел относятся также непредельные углеводороды, азотистые и ряд сернистых соединений, асфальто-смолистые вещества, образующиеся в маслах в результате попадания в них воды, полициклические углеводороды с короткими боковыми цепями (нафтеновые, ароматические), а также твердые углеводороды (парафины и церезины).

Согласно многим литературным данным, наибольший износ пар трения вызывают частицы, по величине соизмеримые с величиной зазоров. Частицы меньшего диаметра в небольшой концентрации могут даже уменьшить износ, действуя как подшипники при трении. Частицы большего диаметра, но не намного превышающие величину зазоров, вследствие микродеформации пар трения и теплового воздействия, возникающего при трении, проникают в зазоры и дробятся в них, вызывая максимальную интенсивность изнашивания. Результаты исследований, проведенных в лаборатории гидроприводов КамПИ, показали, что максимальный срок службы аксиально-поршневых гидромашин в условиях оптимальной нагрузки наблюдается при концентрации механических примесей около 0,02% (по массе), если тонкость фильтрации не ниже 1 мкм. Достаточно высокий ресурс у гидромашин был бы и при полном отсутствии абразива, хотя подобное предположение при современном уровне технологии изготовления пар трения маловероятно. При содержании механических примесей в масле свыше 0,05% начинается катастрофическое изнашивание пар трения гидромашин, а срок их службы при этом уменьшается как минимум в 3 раза.

Таким образом, задача повышения надежности объемных гидромашин, особенно высоконагруженных, во многом сводится к достаточно эффективной очистке рабочих жидкостей.

9. Очистка и регенерация рабочих жидкостей

Наряду с нормами на промышленную чистоту рабочих жидкостей в нормативно-технической документации действуют и требования к промышленной чистоте. Нормы промышленной чистоты являются базовыми, предельными и укрупненными показателями, установленными на относительно длительный период на различные группы изделий. Требования к промышленной чистоте - это, как правило, частные допустимые уровни загрязнений на определенных стадиях жизненного цикла деталей, узлов, рабочей жидкости, гидропривода.

По технико-экономическим соображениям требования к чистоте составляющих элементов изделия могут отличаться от установленной нормы промышленной чистоты на изделие, но изделие в целом по промышленной чистоте должно соответствовать установленной норме. Для этого предпринимаются определенные меры на разных технологических циклах. В отдельных случаях требования к промышленной чистоте жидкости, в отличие от норм, записываются в виде номинальной или абсолютной тонкости ее фильтрации.

Нормы и требования к промышленной чистоте указывают в технических требованиях к жидкостям при их поставке, транспортировании и хранении; в требованиях к эксплуатации гидроприводов; в технологической документации по изготовлению и ремонту гидроприводов, а также в картах технического уровня и качества.

Существующие рекомендации по нормам промышленной чистоты жидкостей для отдельных видов агрегатов и гидроприводов общего машиностроения приведены в табл. 9.1[26].



Таблица 9.1

Рекомендуемые нормы промышленной чистоты рабочих жидкостей

Наименование устройств, оборудования	Номинальное давление, МПа	Класс чистоты, не грубее
1	2	3
Насосы и гидромоторы шестеренные и пластинчатые	До 2,5 От 2,5 до 6,3 Свыше 6,3	14 13 12
Насосы и гидромоторы аксиально-поршневые с торцовым распределением	До 20 Свыше 20	12 11
С клапанным распределением	До 20 Свыше 20	14 13
Гидроцилиндры	До 20 Свыше 20	13 12
Поворотные гидродвигатели	До 20	12
Гидроаппаратура (кроме дросселирующих гидрораспределителей)	До 32	12
Дросселирующие гидрораспределители	До 32	11
Пневмогидроаккумуляторы: поршневые мембранные и баллонные	До 32 До 32	12 Не регламентируются
Системы и устройства для гибкихавтомати- зированных производств	До 32	10
Тяжелые станки (прокатные станы, сталеплавильное оборудование, литейное оборудование): много сервогидравлики сервогидравлики немного, но имеется про- порциональное управление	От 15 до 20	7…8 8…9
Прессы и штамповочные станки с гидрозажимами, гидроудерживателями, с гидроподачей на основных и вспомогательных операциях: высокой точности нормальной точности	От 20 до 25	7…8 8…9
Инструментальные станки и автоматические линии	До 4 До 10	8…9 7…8
Станки для литья под давлением	До 20	8…9
Литьевые прессы для пластмасс	От 15 до 20	8…9
Роботы и манипуляторы, контрольное и испытательное оборудование	-	7…8
Гидроприводы мощностью 5…10 кВт, высокой точности (прецизионные станки с программным управлением с гидроприводом на базе дросселирующих распределителей)	-	10
Гидроприводы мощностью 10 кВт, высокой точности (прецизионные станки с программным управлением с гидроприводом на базе дросселирующих распределителей	-	11
Гидропривод мощностью до 50 кВт общемашиностроительного применения	-	12
Гидропривод мощностью свыше 50 кВт общемашиностроительного применения	-	13
Гидропривод объемный транспортного машиностроения на базе аксиально-плунжерных машин (передачи, трансмиссии)	От 20 до 45	8…10

Так как затраты на обеспечение чистоты гидросистем могут достигать значительных размеров, то уже на стадии проектирования конструктор должен задавать в чертежах технически и экономически обоснованные требования и операции, направленные на снижение или предупреждение загрязнения. Это означает, что на стадии проектирования следует рассчитывать эффективность затрат при создании и эксплуатации гидросистемы с целью выбора оптимального уровня загрязнения и назначать требования и операции, обеспечивающие этот уровень при изготовлении и эксплуатации. Оптимальным должен считаться уровень наибольшего загрязнения гидросистемы, при котором она может работать без нарушения характеристик, снижения безотказности и ресурса, вызываемых загрязнителем.

Если говорить о механических (твердых) загрязнениях, то количество удаляемых фильтром загрязнений примерно уравновешивается количеством загрязнений, поступающих в рабочую жидкость. В этом случае система «фильтр - загрязнитель» находится в состоянии, близком к уровню равновесия. Очевидно, что для нормальной работы гидросистемы уровень равновесия должен быть ниже уровня, который допускают агрегаты и узлы гидросистемы. Для уменьшения количества загрязнений, генерируемых системой, конструктору следует применять агрегаты и узлы с низкими характеристиками генерирования загрязняющих частиц (например, агрегаты, спроектированные для работы при относительно высоких уровнях загрязнений; трубопроводы с минимальным количеством соединений и короткие, насколько это возможно, и т.п.).

Для обеспечения очистки гидросистемы после монтажа или ремонта необходима ее промывка, что следует предусмотреть еще на стадии конструирования (предусмотреть точки промывки, не допускать в гидросистеме глухих зон, где могут собираться загрязнения, и добиваться, насколько возможно, простоты конструкции трубопровода) [41].

Конструктор должен разработать инструкцию по промывке с указанием необходимого оборудования, места подсоединения промывочного оборудования и допустимого уровня загрязнения (класса чистоты). Для уменьшения количества побочных продуктов химических реакций применяемые в системе конструкционные материалы, в том числе и уплотняющие, должны быть совместимы с рабочей жидкостью, а сама рабочая жидкость должна отвечать условиям работы гидросистемы как по температурному, так и по силовому нагружению.

Когда необходимо управлять уровнем загрязнения в системе, например, при промывке, обычном контроле, в эксплуатации или для обеспечения диагностики отказов, следует предусмотреть точки отбора проб, где пробы рабочей жидкости можно отбирать без внесения дополнительного загрязнения. Место отбора проб следует устанавливать в точке, где течение жидкости является турбулентным, т.е. непосредственно за соединением, агрегатом или на некотором расстоянии за фильтром.

Наконец, конструктору следует выбрать фильтр для гидросистемы, т.е. обосновать основные параметры фильтра, устанавливаемого в гидросистему для поддержания заданного уровня загрязнения. Выбор фильтра, как и назначение допустимого уровня загрязнения, до сих пор остается сложной инженерной задачей.

Показатель тонкости фильтрации (эффективности) фильтра является одним из основных при выборе фильтрующего материала или фильтрующего элемента. При выборе тонкости фильтрации хотя и ориентируются в основном на чувствительность к загрязнению используемых агрегатов, учитывают также интенсивность поступления загрязнения извне; полнопоточную или частичную фильтрацию рабочей жидкости в гидросистеме; срок службы фильтра, наиболее приемлемый для данной гидросистемы.

Тонкость фильтрации фильтра обычно выражается в микрометрах и может быть номинальной, средней или абсолютной. Определение номинальной тонкости фильтрации, как наиболее распространенного показателя, не стандартизовано, а между номинальной и абсолютной тонкостью фильтрации нет строго постоянного соотношения, т.к. оно изменяется в зависимости от материала и метода измерения [41].

Выбор тонкости фильтрации с учетом чувствительности агрегатов к загрязнению не всегда возможен из-за отсутствия по ряду агрегатов данных испытаний на абразивную износостойкость. Поэтому, как было указано выше, о чувствительности агрегатов к загрязнению судят по рабочему давлению и характерному зазору в парах трения. Требуемую чистоту или тонкость фильтрации рабочей жидкости связывают с допустимым давлением в гидросистеме (см. п. 8), поскольку имеется определенная его взаимосвязь с износостойкостью агрегатов и величиной характерных зазоров. В первую очередь это касается требований к номинальной (98%) тонкости фильтрации, показатель которой условно принимается за минимальный размер удаляемых из жидкости частиц.

Некоторые специалисты тонкость фильтрации рабочей жидкости определяют не только по рабочему давлению, но и по наличию в системе гидроусилителей, как элементов, наиболее чувствительных к механическим загрязнениям. Отдельные рекомендации по обеспечению требуемой чистоты за счет совместного применения в промышленных гидросистемах различных фильтров приведены в табл. 9.

Таблица 9.2 Рекомендации по обеспечению требуемой чистоты с применением различных фильтров

Рабочее давление, МПа	Тонкость фильтрации, мкм	Контрольная промывка гидросистемы
	Воздуш- ный (сапун)	Заливной	На всасы- вании	На сливе	На парал- лельном потоке (на 10% расхода)
До 1,3	5	40	200	80	40	Не требуется
До 5,0		25	100	40	25
До 12,5	3	15	60	25	15	Требуется
До 20,0	1	10	25	15	10
До 35,0		5	15	10	5

Таблица 9.3

Рекомендации по тонкости фильтрации в зависимости от рабочего давления

Гидросистема	Рабочее давление, МПа	Тонкость фильтрации, мкм
Без гидроусилителей	Свыше 7,0	25
С механически управляемыми гидроусилителями с небольшим коэффициентом усилия, применяемые для управления скоростью или положением, с предохра- нительными клапанами, регуляторами расхода, клапанами-пилотами и другой аппаратурой, имеющей зазоры до 2,5 мкм	До 14,0	10…15
С электрогидравлическими гидроусилителями с большим коэффициентом усиления и рабочими зазорами менее 2,5 мкм	До 21,0	2,5…5
Без гидроусилителей	До 35,0	10

Данные таблиц 9.2 и 9.3 взяты из проспектов и каталогов фирм «Катерпиллер», «Комацу», «Фиат-Аллис», «Интернэшнл Харвестер», «Виккерс», «Рексрот», «Даути», «Плесси», «Хидрексо».

Существующие различия в требованиях к тонкости фильтрации объясняются не только некоторой условностью понятия номинальной тонкости фильтрации, но и другими причинами. Одна из них заключается в том, что в определенных условиях износ агрегатов или нарушение их функциональной работоспособности в большей степени обусловливается не размерами частиц, а их содержанием. Поэтому все чаще используют рекомендации, относящиеся не к тонкости фильтрации, а к допустимому классу чистоты в зависимости от эксплуатационного давления в гидросистеме и вида гидрооборудования.

По результатам практического применения фильтров в таблице 9.4 приведены следующие обобщенные рекомендации по тонкости фильтрации различных фильтров, применение которых обеспечивает требуемый класс чистоты [26]:

Таблица 9.4

Рекомендуемая тонкость фильтрации для достижения требуемого класса чистоты

Требуемый класс чистоты	Рекомендуемая тонкость фильтрации, мкм
	На заправоч- ной линии	На напорной линии	На сливной линии	Воздушного (сапуна)
7,8	3	3	3	1
8,9	5	5	5	1
9,10	8…10	5…8	8…10	2
11,12	10…13	8…10	10…13	3
13	10…15	10…13	10…15	3
14	15…25	10…15	15…20	3
15	25…40	15…20	20…25	5
16	63…80	20…25	25…40	5
17	125	25…40	63…80	5

Выбор размера фильтра (фильтрующего элемента) в значительной степени определяется его гидравлической характеристикой и грязеемкостью. Однако, если рассматривать гидросистему в целом, то размеры фильтра и его грязеемкость должны определяться не только расходом через фильтр, но и объемом рабочей жидкости в гидросистеме, а также степенью и интенсивностью ее загрязнения. Так, с целью получения удовлетворительного срока службы фильтрующего элемента в стационарных гидросистемах часто следуют правилу: фильтр должен иметь пропускную способность, равную не менее 1/3 емкости резервуара или не менее, чем в 2,5 раза превышающую подачу насоса [26].

Выбор места установки фильтра определяется, в частности, тем, открытый или закрытый контур имеет гидросистема; какое количество частиц загрязнения поступает извне, генерируется самой гидросистемой и т.п. Поэтому выбор места установки фильтра - компромиссное решение, а установка фильтра, как на линии всасывания, так и на линиях нагнетания или слива имеет положительные и отрицательные стороны [26].

Требуемая промышленная чистота гидропривода на этапе эксплуатации наиболее эффективно достигается через реализацию ряда мероприятий. В частности, на предприятиях целесообразно иметь службу промышленной чистоты, обеспечивающую плановый контроль промышленной чистоты горюче-смазочных материалов, рабочих мест, гидроприводов оборудования и машин, а также выпускаемой продукции. Служба промышленной чистоты должна разрабатывать карты чистоты, методы и средства контроля и обеспечения чистоты; периодически пересматривать, как правило, в сторону ужесточения, нормы и требования к промышленной чистоте.

Сложнее всего обеспечивать требуемую промышленную чистоту гидроприводов мобильных машин и, в первую очередь, автомобилей, тракторов, сельскохозяйственных и дорожно-строительных машин. В этом случае требуется дополнительное оборудование: специализированные подвижные мастерские типа «Гидросервис», оснащенные как диагностическим оборудованием, так и оборудованием для очистки, обезвоживания и контроля состояния рабочей жидкости, типа СОГ-904, УМЦ-901А, СЦ-1,5, СМ1-3000 и т.п.

Стационарные пункты (профилактории) технического обслуживания для этой техники можно оснащать следующим оборудованием:

- для наружной мойки - моечной струйной или насосной установкой типа ОМ-830 или пароводоструйной очистительной установкой типа ОМ-3360;

- для механизированной заправки рабочей жидкости - маслораздаточными колонками типа 367МЗ или 397А, установками 3119А и ОР/4957 ГоиНИТИ, маслораздаточным баком 131-1ГАРО, комплексом ОРГ-1468 заправочного инвентаря, установками СОГ-904, УМЦ-901А и т.п.;

- для очистки рабочих жидкостей и масел - маслоочистительными машинами ПСМ1-3000 и СМ1-3000, сепараторами СЦ-1,5 или ПСМ-2, установками СОГ-904 и УМЦ-901А, резервуарами-отстойниками РСМ4-013, 704-1-13, 704-1-14 и т.п.;

- приборами контроля жидкостей ПКЖ-902, ПКЖ-904 или ФЭС-112, анализатором РСМ4-017 и т.п.

Практика эксплуатации гидрофицированной техники установила ряд общих правил, основными из которых являются следующие.

При эксплуатации гидропривода необходимо строго руководствоваться инструкцией по эксплуатации и техническому обслуживанию гидроприводов и, в первую очередь, выполнять следующие правила:

- заправлять и дозаправлять гидропривод только предварительно очищенной и подвергнутой контролю рабочей жидкостью с чистотой, соответствующей требованиям инструкции;

- постоянно контролировать состояние уплотнений и соединений, немедленно устранять подтекание рабочей жидкости;

- не допускать переработку уплотнениями установленного на них ресурса;

- проводить своевременное периодическое обслуживание фильтров. Менять фильтрующие элементы после каждых смены масла, обслуживания или ремонта гидропривода;

- не допускать промывку и повторное использование сменных фильтрующих элементов типа «Реготмас»;

- техническое обслуживание гидроприводов машин и оборудования следует производить только специализированными звеньями или высококвалифицированными специалистами [26].

При соблюдении необходимых требований к чистоте гидросистемы удается повысить надежность гидроприводов и уменьшить эксплуатационные расходы в среднем на 50%. Повышение тонкости фильтрации рабочей жидкости в гидросистеме с 25 до 5 мкм увеличивает ресурс насосов в 10 раз и гидроаппаратуры - в 5 - 7 раз. Однако фильтрация (или другие средства очистки) обеспечивает наибольший эффект лишь при комплексном соблюдении требований по типам применяемых масел, правилам их хранения и транспортирования, качеству очистки и герметизации гидросистем, регламентам их эксплуатации.

Для предварительной оценки степени загрязненности может применяться метод, при котором на белую бумагу с хорошим влагопоглощением наносится несколько капель масла из работающего гидропривода. При свежем масле образуется светлое желтое пятно, а по мере загрязнения цвет пятна становится более темным, причем на бумаге хорошо видны частицы грязи. Содержание воды может оцениваться по результатам кипячения пробы (если мутное масло становится прозрачным, значит, имеется вода и использование масла недопустимо). Для количественной оценки степени загрязненности в настоящее время существует большое количество разнообразных приборов, в том числе портативных.

Фильтры обеспечивают в процессе эксплуатации гидропривода необходимую чистоту масла, работая в режимах полнопоточной (рис. 4.1, а-в) или пропорциональной (рис. 4.1, г-ж) фильтрации во всасывающей, напорной или сливной линиях гидросистемы. Фильтры могут оснащаться средствами визуальной или электрической индикации загрязненности, а также перепускным клапаном. Наличие последнего позволяет защитить фильтроэлемент от разрушения, однако часто приводит к опасному заблуждению - уверенности эксплуатационников в чистоте гидросистемы в то время, как фильтр практически не работает. Поскольку фильтр эффективно защищает лишь элемент гидросистемы, установленный непосредственно после фильтра, а остальные элементы защищены частично, в схемы фильтрации обычно включают комбинацию фильтров, установленных на разных линиях гидросистемы: всасывающей и напорной (рис. 4.1, з); всасывающей и сливной (рис. 4.1, и); напорной и сливной (рис. 4.1, к); всасывающей, напорной и сливной (рис. 4.1, л).

Рис. 5. Схемы установки фильтров в гидросистемах

При выборе типа фильтра и места его установки следует учитывать, что приемные (всасывающие) фильтры ухудшают всасывающую способность насосов, поэтому их тонкость фильтрации обычно составляет 80…160 мкм (грубая очистка). Всю гидросистему (за исключением насоса) защищают напорные фильтры, однако они отличаются повышенной материалоемкостью, а следовательно, стоимостью. Сливные фильтры исключают возможность попадания загрязнений (в том числе продуктов износа гидроагрегатов) в бак и во многих случаях являются предпочтительными. Для высоконадежной защиты наиболее ответственных узлов гидропривода (например, дросселирующих гидрораспределителей) непосредственно перед ними устанавливаются напорные фильтры без перепускного клапана с фильтроэлементом, выдерживающим полный перепад давлений.

Рекомендуемая пропускная способность полнопоточных напорных и сливных фильтров - не менее 1/3 объема гидробака в 1 мин.Когда через фильтр может проходить дополнительный поток рабочей жидкости (из аккумулятора, при работе дифференциального цилиндра и т.д.), пропускная способность должна соответственно увеличиваться. Впрочем, в пределах имеющегося для размещения фильтра рабочего пространства всегда лучше устанавливать фильтр с запасом по пропускной способности и грязеемкости.

Как уже было отмечено, чистота гидросистемы прямо связана с ее герметичностью, поскольку замена или доливка рабочей жидкости всегда сопровождается внесением дополнительных загрязнений. Установлено, что в состоянии поставки рабочие жидкости даже лучших инофирм имеют классы чистоты не выше 17/16 по ISO 4406, поэтому в процессе заправки гидросистем рекомендуется использовать специальные агрегаты обслуживания, обеспечивающие тонкую очистку заливаемой рабочей жидкости; возможна также заправка через сливной фильтр или фильтр рециркуляционного контура [22].

Литературные данные свидетельствуют о нежелательности установки гидравлической аппаратуры на всасывающей линии насосов в связи с повышением риска возникновения кавитационного режима. Тем не менее, многие объемные насосы технологического оборудования укомплектованы приемными сетчатыми фильтрами, работающими на всасывающих линиях насосов.

Нами были экспериментально апробированы три варианта установки фильтров в гидравлической системе стенда КИ-4815М с тремя аксиально-поршневыми насосами PVB-15 фирмы «Vickers» (рис.6, а, б, в).

Рис.6. Варианты установки фильтров

Стендовые испытания насосов проводились в следующих условиях. Нагрузка на каждый насос составляла 4 МПа; температура рабочей жидкости (ИГП-30) поддерживалась равной . Время работы каждого насоса составило 30 часов. Физико-химические свойства рабочейжидкости находились в пределах ТУ.

На всасывающих линиях насосов были установлены приемные фильтры ФВСМ32-80/0,25 с, а на напорных линиях - щелевые фильтры 40-63-1 ГОСТ 21329-7. Расход рабочей жидкости в процессе испытаний составлял 40 л/мин.

В начале и конце испытаний с девяти поршней каждого насоса снимались профилограммы шероховатости их прямолинейной (цилиндрической) части с помощью профилометра «Talisurf-4». Кроме того, после промывки и просушки поршни взвешивались также в начале и конце испытаний. Шероховатость поршней определялась с помощью профилограмм поверхности по средним арифметическим отклонениям профиля Ra, а величина износа поршней - по убыли их веса.

В таблицах 9.5-9.7 приводятся результаты испытаний насосов PVB-15 при различных вариантах установки фильтров.

По варианту «а» общая убыль веса поршней составила 0,15335 г; шероховатость снизилась в среднем на 0,042 мкм.

По варианту «б» общая убыль веса поршней составила 0,03895 г; шероховатость поверхности снизилась в среднем на 0,057 мкм.

Таблица 9.5

Результаты испытаний насоса PVB-15 с установкой фильтра по варианту «а»