Эксплуатации гидропривода в условиях севера реферат

Обновлено: 04.07.2024

Широкое применение гидравлического привода в различных машинах и в промышленном оборудовании является общей тенденцией современного машиностроения, основанном на известных преимуществах гидропривода, позволяющих улучшить их технико-экономические показатели. Однако эти преимущества относятся в основном к условиям эксплуатации при умеренных температурах окружающей среды.

Ранее выпускаемые отечественной промышленностью машины для строительства карьеров, механизации разработки угольных и рудных месторождений, горно-химического и строительного сырья и других полезных ископаемых не были приспособлены для эксплуатации в суровых природнокли-матических условиях Сибири и Северо-Востока страны, для которых характерны низкие температуры в течение длительного периода и сильные ветры со снегом. При этом низкая температура окружающего воздуха оказывает наиболее существенное влияние на работоспособность и безотказность машин с гидроприводом. Это вызвано, прежде всего, повышением вязкости холодной рабочей жидкости (РЖ), следствием которой являются: повышение потерь давления (гидравлическое сопротивление потоку) и силы трения в подвижных соединениях; затруднения с пуском гидропривода и продолжительный процесс нагрева РЖ до стабилизации теплового режима гидравлической системы. Например, вязкость гидравлического масла МГ15В, имеющего температуру застывания —65°С, при температуре —50°С повышается в 400 раз по сравнению с температурой при +50°С. Гидравлическое масло МГЕ46В с температурой застывания —35°С, уже при температуре —15°С достигает вязкости 4000 сСт, что является верхним пределом прокачиваемости для пластинчатых насосов; при температуре —5°С вязкость этого масла составляет 2000 сСт — предельное значение для аксиально-поршневых насосов.

Следовательно, эффективность работы гидропривода следует рассматривать в зависимости от температуры с учетом эксплуатационных свойств гидравлических масел. Свойства индустриальных масел (ИС-12, И-12А, ИС-20, И-20А) с температурой застывания —15°С, а также трансформаторного, не имеющего смазывающих и других свойств, не пригодны для эксплуатации машин с гидроприводом при низких температурах, так как они созданы для другого целевого назначения. Масла для автотракторных дизелей типа М-8Г2 и М-10Г2 имеют температуру застывания —15_—25°С и применяются в тракторных гидросистемах только в летний период. Вследствие изложенных особенностей продолжительность рабочего цикла землеройных и планировочных машин с гидроприводом увеличивается и, соответственно, уменьшается их производительность в период запуска. Установленная при эксплуатации в зимний период продолжительность разогрева РЖ в гидросистемах машин до установившейся температуры приведена на рис. 1.

В начальный период при запуске двигателя в условиях низких температур насосы работают с низким объемным КПД. Соответственно снижается производительность машин, а продолжительность разогрева РЖ в гидросистеме до наступления теплового равновесия значительно увеличивается. В течение первых 100 мин. и более было измерено разрежение во всасывающих гидролиниях машин (т.е вакуум — давление значительно ниже атмосферного) от 0 до 0.02 МПа (0.002 кгс/см2).

В приведенных на рис. 1 графиках наглядно показано интенсивное повышение температуры масла в гидросистемах циклично работающих машин до наступления равновесного теплового состояния (от 40 до 60 мин.). Исключением оказалась гидросистема автогрейдера (4), у которого стабильное тепловое состояние наступило через 100 мин вследствие большой протяженности трубопроводов гидросистемы и, соответственно, значительной поверхности их охлаждения.

Отказы в работе машин часто возникают из-за несоответствия свойств уплотнений и рукавов высокого давления условиям эксплуатации. При низких температурах резиновые уплотнения теряют упругие свойства и давление на контактной поверхности уменьшается или совсем исчезает. По данным исследований [3] для многих марок резин контактное давление сохраняет свою начальную величину лишь до температуры —15_—25°С. Дальнейшее понижение температуры приводит к резкому уменьшению контактного давления, при температуре —40_—45°С контактное давление полностью исчезает, появляются наружные утечки масла.

Длительный опыт эксплуатации машин с гидроприводом в условиях низких температур на Крайнем Севере, в Якутии и на Дальнем Востоке показал, что 60% отказов связано с уплотнениями: часто разрываются гибкие резинометаллические и резинотканевые рукава, особенно в местах соединения рукавов с металлическими наконечниками, нарушается герметичность и появляются наружные утечки РЖ. Дополнительно расходуются не только РЖ, но и дизельное топливо, так как для поддержания в работоспособном состоянии машины с гидроприводом
в суровых климатических условиях эксплуатационники не глушат ДВС с ноября по март месяц [5].

В объемном гидроприводе горных машин, эксплуатируемых на открытом воздухе при широком диапазоне изменения окружающей температуры, наибольшее влияние на работоспособность насоса - основного агрегата гидросистемы, определяющего работоспособное состояние всей машины, оказывает величина гидравлического сопротивления (потерь давления) во всасывающей гидролинии насоса. Именно она создает недостаточное заполнение рабочего объема насоса в процессе всасывания, которое зависит в наибольшей мере от вязкости масла, а также от скорости потока, внутреннего диаметра и длины всасывающей гидролинии.

После внедрения в практику машиностроения (с 01.01.71 г.) требований ГОСТ 15150-69, устанавливающий исполнения, категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования изделий в части воздействия климатических факторов внешней среды, положение с созданием машин, пригодных для эксплуатации при низких температурах, существенно изменилось. При изготовлении изделий машиностроительные заводы обязаны в условное обозначение типа (марки) изделия дополнительно вводить буквы и цифры, обозначающие вид климатического исполнения: УХЛ - для районов с умеренным и холодным климатом, У -умеренный, ХЛ - холодный, М - умеренно-холодный морской.

На рис. 2 приведен график зависимости вязкости рекомендуемых для применения гидравлических масел от их температуры. Результаты выполненных экспериментальных исследований гидрооборудования при низких температурах в лаборатории климатических испытаний ЦНИП ВНИИ-стройдормаша [1] показали:

- повышенные потери давления РЖ в гидросистеме, которые возрастают в 3-4 раза при температуре -30°С и до 10-15 раз при температуре от -50°С до -58°С по сравнению с потерями давления при +40. +50°С;

- пониженный объемный и гидромеханический КПД, особенно в период запуска оборудования в работу;

- гидромеханические потери мощности увеличиваются на 15-37% относительно номинальных значений для МГ15В при температуре ниже -40.. .-45°С;

- ориентировочные значения вязкости РЖ, определяющие нижний предел ее применения и обеспечивающие минимально необходимую прокачивае-мость, не должны превышать 4500-5000 сСт для шестеренных насосов (при частоте вращения 1500 об/мин); 3500-4500 сСт для пластинчатых насосов (при частоте вращения 1450 об/мин); 1800-2000 сСт для аксиально-поршневых (при частоте вращения 1000 об/мин).
Упомянутая выше прокачиваемость является весьма важным комплексным критерием, определяющим характеристику насоса и эксплуатационные свойства применяемого гидравлического масла МГ15В (ВМГЗ ТУ 38.101479-00), обеспечивающих работоспособность гидропривода. Прокачиваемость следует определять по величине критической температуры, за пределами которой наступает разрыв сплошности потока и начинает нарушаться или прекращаться подача гидравлического масла.

Исследованиями [1] установлены пределы работоспособности насосов в зависимости от температуры, на основании которых в табл. 1 приведены технически обоснованные рекомендации по применению гидравлических масел, специально созданных для объемных гидро-
приводов.

На рис. 3 в графическом виде приведены зависимости объемного ^у и полного ^н КПД насосов от изменения температуры (соответственно вязкости) гидравлического масла МГ15В при номинальном значении давления нагнетания и частоты вращения насосов. Из приведенных на рис. 3 зависимостей следует, что в зоне наиболее низких температур (-55. -40°С) резко уменьшается объемный КПД из-за незаполнения маслом рабочего объема насоса вследствие чрезмерно высокого гидравлического сопротивления потоку в коротком участке всасывающей магистрали, хотя уровень масла в баке был выше оси насоса на ~0.5 м.

На следующем участке графика в пределах от -43 до -35°С работа для некоторых насосов сопровождается шумом, характерным для явлений кавитации и пульсациии потока, несмотря на приемлемое значение объемного КПД (>90%). Учитывая интенсивный нагрев масла за короткое время, этот участок быстро переходит в стабильный режим, с устойчивой работой насосов, пригодной для длительной эксплуатации. В табл. 1 приведены температурные пределы для кратковременной работы (период запуска) и длительной (не ограниченной временем) работы.

Из рис. 3. видно, что шестеренные насосы обладают лучшей прокачивае-мостью. Однако они наиболее чувствительны к изменению вязкости, имеют меньший температурный диапазон высокого и стабильного КПД, особенно при положительных температурах. Аксиально-поршневые насосы обладают худшей по сравнению с шестеренными насосами прокачивае-мостью при низких температурах в период запуска, но менее чувствительны к изменению вязкости гидравлического масла и имеют наиболее широкий диапазон стабильного и более высокого КПД. В частности, аксиально-поршневые насосы (гидромоторы) 210.20; 310.20; 310.28; 310,56; 310,112 и др. устойчиво работают при изменении вязкости от 8 до 1200 сСт. Это соответствует температуре гидравлического масла от +60°С до -40°С.

Разные предельные значения вязкости гидравлического масла МГ15В для разных типов насосов объясняются и конструктивными особенностями. В частности: для аксиально-поршневых
насосов - размером и конфигурацией всасывающего тракта (в обобщенном виде - гидравлическим сопротивлением потоку), зазорами в качающем узле и между блоком цилиндров и распределителем; для шестеренных насосов -определяется зазорами между зубчатыми шестерням с двух сторон и боковыми стенками по периметру корпуса насоса, а также между зубчатыми шестернями, находящимися в зацеплении. По данным заводов-изготовителей шестеренные насосы типа НШ имеют объемный КПД 0.92-0.94, а общий (полный) 0.83-0.85 на дизельном масле; аксиально-поршневые типа 310. имеют объемный КПД 0.95, а общий -0.91 на гидравлическом масле МГ15В.

Приведенные на рис. 3 зависимости характерны для разомкнутых (открытых) гидросистем, у которых бак с рабочей жидкостью установлен выше оси насоса на 0.5 м и более, т.е. существует статический напор во всасывающей гидролинии.

Мощность в период запуска должна быть выбрана с запасом в пределах 1.15-1.4 от номинального значения в зависимости от типа установленного насоса.

Наибольшие значения общего КПД аксиально-поршневых насосов типа 210., 310., на гидравлическом масле МГ15В соответствуют установившемуся тепловому режиму (от -10 до +55°С) для многих гидросистем машин.

Для увеличения предела прокачиваемости РЖ по уровню ее вязкости следует рекомендовать организациям, эксплуатирующим мобильные машины при низких температурах, уменьшать частоту вращения ДВС для привода насосов, особенно в период их запуска. Эксперименты показали, что при уменьшении частоты вращения пластинчатого насоса на 40% диапазон устойчивой работы насоса по уровню
вязкости РЖ увеличивается от 600-700 сСт до 2000-2100 сСт, т.е. примерно в 3 раза.

При уменьшении частоты вращения аксиально-поршневого насоса 11М №5 на 40% диапазон устойчивой работы по уровню вязкости РЖ увеличился в 2.5 раза (от 400 до 1000 сСт), предел прокачиваемости - в 2 раза.

Зависимость частоты вращения аксиально-поршневых насосов типа 210. в режиме самовсасывания от вязкости гидравлического масла МГ-15В показана на рис. 4. Из графиков видна зависимость подачи насосов от частоты вращения для различных типоразмеров насосов в зависимости от вязкости масла.

Насосы с меньшим рабочим объемом способны работать при большей скорости вращения. Однако характерное для всех насосов снижение подачи наступает примерно при одинаковом значении кинематической вязкости -2500-2600 сСт. Работа всех насосов при вязкости выше 2600 сСт происходит при незаполненных рабочих камерах насосов и сопряжена с кавитацией.

Длительный рабочий режим для насосов можно создавать только после достижения вязкости гидравлического масла, при которой обеспечивается полное заполнение рабочего объема насосов.

Для надежной эксплуатации объемного гидропривода в условиях холодного климата (ХЛ) рекомендуется применять аксиально-поршневые регулируемые насосы с наклонным диском и со встроенным подпиточным насосом типа М4РV21-M5PV115 (12 типоразмеров), с рабочим объемом от 21 до 115 см3, номинальным давлением от 25 до 38 МПа, обеспечивающим прокачивание гидравлического масла без статического напора во всасывающей гидролинии.

Из графика на рис. 4 следует, что гидравлическое масло МГ15В для аксиально-поршневых насосов можно применять как всесезонное в широком диапазоне изменения температуры воздуха и без предварительного подогрева.

Применение только двух основных сортов гидравлических масел МГ15В и МГЕ46В обеспечивает работоспособность и надежную эксплуатацию мобильных машин и сокращение дополнительных затрат, связанных с изготовлением, транспортировкой и хранением большого ассортимента нефтепродуктов, в т.ч. уменьшает загрязнение гидросистем при смене сезонных гидравлических масел.
Другие марки масел могут применяться после официального подтверждения их пригодности изготовителем гидрооборудования или поставщиком, гарантирующим работоспособность и технический ресурс. Поэтому необходимо требовать от поставщика гидравлических масел сертификат, удостоверяющий его качество.

Заливать гидравлические масла в гидросистему необходимо с помощью фильтрующих устройств с тонкостью очистки 10 мкм.

В гидросистемах мобильных машин, длительно эксплуатируемых в условиях холодного климата, не рекомендуется устанавливать фильтры во всасывающей гидролинии. Они создают дополнительное сопротивление потоку и при температуре масла МГ15В ниже —25_—30°С в фильтрах тонкостью фильтрации 25—40 мкм открываются переливные клапаны и масло поступает на слив в бак гидросистемы.

При необходимости применять всасывающие фильтры с переливным клапаном необходимо увеличить пропускную способность фильтров не менее трехкратной номинальной подачи насоса. Это позволит также увеличить грязеемкость фильтро-элементов и периодичность их замены при загрязнении.

Следует иметь ввиду, что в процессе эксплуатации машин с гидроприводом при нагретом масле в баке и низкой температуре окружающего воздуха происходит конденсация влаги из воздуха. Конденсированная влага накапливается в виде капельной жидкости на стенках бака и поступает в гидросистему. Наличие воды в гидравлическом масле не только вызывает коррозию, но резко повышает температуру застывания. Поэтому наравне с принятием мер по соблюдению расфасовки, доставки в герметичной таре, обусловленных ГОСТ 1510-60, небходимо при доливке масла в бак исключить возможность попадания воды в гидросистему. При выполнении технического ухода необходимо пере-одически отвинчивать сливные пробки и сливать со дна бака накопившиеся осадки воды и механические примеси.

Для ускорения подготовки горных машин с гидроприводом к работе и для более эффективной их эксплуатации при оптимальной температуре, соответствующей наиболее высокому значению общего (полного) КПД, целесообразно предусмотреть теплоизоляцию баков для гидравлического масла и трубопроводов.

3. ЮА. Носов. Влияние низких температур на работоспособность уплотнений, труды МАИ., вып. 117, Оборонгиз, 1959.

4. В.А. Васильченко Особенности расчета гидросистем строительных и дорожных машин, работающих при низких температурах. ЦНИИТЭстроймаш, М., 1971.

5. С.В. Каверзин, В.П. Лебедев, ЕА. Сорокин. Обеспечение работоспособности гидравлического привода при низких температурах.

Широкое применение гидравлического привода в самой разной технике и промышленном оборудовании является общей тенденцией современного машиностроения. Это связано с известными преимуществами гидропривода, позволяющего улучшать технико-экономические показатели машин. Однако все эти преимущества в основном относятся к условиям эксплуатации при умеренных температурах.

Машины c гидрооборудованием, выпускавшиеся до 1971 года отечественной промышленностью, не были приспособлены для эксплуатации в суровых климатических условиях Сибири, Крайнего Севера и Северо-Востока. Для этих регионов характерны низкие температуры в течение длительного периода, вечномерзлые грунты и обильные снегопады с сильным ветром.

Именно низкая температура воздуха оказывает наиболее существенное влияние на работоспособность и безотказность машин с гидроприводом. Прежде всего это связано с повышением вязкости холодной рабочей жидкости (РЖ) после длительного перерыва в работе, более 7. 8 ч. При воздействии низких температур на гидравлику увеличиваются потери давления, так называемое гидравлическое сопротивление потоку, и силы трения в подвижных соединениях, затрудняется пуск гидропривода, процесс нагрева РЖ до стабилизации теплового режима гидравлической системы становится более продолжительным. Например, вязкость гидравлического масла МГ-15В, температура застывания которого –65 °С, при –50 °С повышается в 400 раз по сравнению с вязкостью при температуре +50 °С. Вязкость гидравлического масла МГЕ-46В с температурой застывания –35 °С при –15 °С равна 4000 сСт – это верхний предел прокачиваемости для пластинчатых насосов, а вязкость 2000 сСт при –5 °С – предельное значение для аксиально-поршневых насосов.

Эффективность работы гидропривода оценивают с учетом эксплуатационных свойств гидравлических масел в зависимости от температуры. Так, индустриальные трансформаторные масла ИС-12, И-12А, ИС-20, И-20А с температурой застывания –15 °С, не имеющие смазывающих свойств, не пригодны для эксплуатации машин с гидроприводом при низких температурах. Они созданы для другого целевого применения. Температура застывания масел М-8Г2 и М-10Г2 для автотракторных дизелей –15. –25 °С, и их применяют в тракторных гидросистемах только в теплый период года. С учетом таких особенностей продолжительность рабочего цикла землеройно-планировочных машин с гидроприводом увеличивается, и соответственно уменьшается их производительность в период пуска.

При пуске двигателя в условиях низких температур в начальный период насосы работают с низким объемным КПД. Соответственно снижается производительность машин, а продолжительность разогрева РЖ в гидросистеме до наступления теплового равновесия значительно возрастает. В первые 100 мин и даже более наблюдается разрежение во всасывающих гидролиниях машин (т. е. вакуум – давление значительно ниже атмосферного) от 0 до 0,02 МПа (0,002 кгс/см 2 ).

На графике (рис. 1) показано интенсивное повышение температуры масла в гидросистемах циклично работающих машин до наступления равновесного теплового состояния (от 40 до 60 мин). Исключением оказалась гидравлическая система автогрейдера, у которого стабильное тепловое состояние наступило через 100 мин по причине большой протяженности трубопроводов гидросистемы и поверхности их охлаждения.

Из-за несоответствия свойств уплотнений и рукавов высокого давления условиям эксплуатации порой возникают даже отказы. При низких температурах резиновые уплотнения теряют упругие свойства, и давление на контактной поверхности снижается или его совсем нет. Для многих марок резин контактное давление сохраняет первоначальное значение лишь до –15. –25 °С. Дальнейшее понижение температуры приводит к резкому падению контактного давления, которое при –40. –45 °С полностью исчезает, и тогда появляются наружные утечки масла.

Опыт эксплуатации машин с гидроприводом в условиях Крайнего Севера, в Якутии и на Дальнем Востоке показал, что 60% отказов связано с уплотнениями – часто разрываются гибкие резинометаллические и резинотканевые рукава, особенно в местах соединения с металлическими наконечниками. Дополнительно расходуется не только РЖ, но и дизельное топливо, так как для поддержания в работоспособном состоянии машины с гидроприводом в суровых климатических условиях эксплуатационники не глушат двигатели с ноября по март.

Применение специальных низкотемпературных сортов гидравлических масел и уплотнений не устранило всех трудностей при эксплуатации. Значительное охлаждение вызывает температурные деформации изделий, нарушение посадки и изменение физико-химических свойств применяемых материалов – пластичности, объема, линейных размеров и др. Эта проблема является многофакторной и поэтому технически сложной, ведь работоспособное состояние мобильных машин с гидроприводом должно обеспечиваться в широком диапазоне температур: от –60 °С в Антарктике до более чем +40 °С в районах с сухим тропическим климатом.

При повышении температуры и снижении вязкости гидравлического масла ниже допустимого уровня резко возрастают объемные потери (внутренние перетечки и наружные утечки), происходит непосредственный контакт сопряженных поверхностей трения деталей, локальный нагрев, интенсивный износ и схватывание трущихся поверхностей, что может привести к частичной или полной потере работоспособности оборудования. Поэтому решающим является правильный выбор материалов, из которых изготавливается гидрооборудование, высокая точность сопряжения деталей, марка гидравлических масел, качество уплотнений и рукавов высокого давления.

В объемном гидроприводе мобильных машин основной агрегат гидросистемы – насос, состояние которого влияет на работоспособность всей машины. При эксплуатации на открытом воздухе наибольшее влияние на работоспособность насоса оказывает величина гидравлического сопротивления (потерь давления) во всасывающей магистрали при изменении температуры окружающей среды. Именно из-за снижения давления рабочий объем насоса в процессе всасывания заполняется недостаточно, что зависит в наибольшей мере от вязкости масла, скорости потока, внутреннего диаметра и длины всасывающей магистрали.

Экспериментальными исследованиями установлены пределы работоспособного состояния насосов в зависимости от температуры, на основании которых приведены технически обоснованные рекомендации по применению гидравлических масел (см. таблицу).

На рис. 2 приведены зависимости объемного hn и полного h КПД насосов от изменения температуры гидравлического масла МГ-15В при номинальных значениях давления нагнетания и частоты вращения насосов, из которых следует, что в зоне наиболее низких температур (–55. 40 °С) резко снижается объемный КПД из-за того, что рабочий объем насоса не заполнен маслом по причине чрезмерно высокого гидравлического сопротивления потоку на коротком участке всасывающей магистрали, хотя уровень масла в баке был выше оси насоса примерно на 0,5 м.

На следующем участке графика (от –43 до –35 °С), несмотря на приемлемое значение объемного КПД ( 90%), работа некоторых насосов сопровождается шумом, характерным для явлений кавитации, и пульсацией потока. При интенсивном нагреве масла работа насоса быстро переходит в стабильный режим, что делает его пригодным для длительной эксплуатации.

Шестеренные насосы обеспечивают лучшую прокачиваемость, однако они чувствительны к изменению вязкости и у них меньший температурный диапазон высокого и стабильного КПД, особенно при положительных температурах. У аксиально-поршневых насосов прокачиваемость при низких температурах в период пуска хуже, но они менее чувствительны к изменениям вязкости гидравлического масла и у них более широкий диапазон стабильного и более высокого КПД. В частности, аксиально-поршневые насосы (гидромоторы) 210.20; 310.20; 310.28; 310,56; 310,112 и некоторые другие устойчиво работают при изменении вязкости от 8 до 1200 сСт. Это соответствует температуре гидравлического масла от +60 до –40 °С.

Разные предельные значения вязкости гидравлического масла МГ-15В для разных типов насосов объясняются конструктивными особенностями механизмов. У аксиально-поршневых насосов особенностью является размер и конфигурация всасывающего тракта, зазоры в качающем узле и между блоком цилиндров и распределителем, у шестеренных насосов – зазоры между зубчатыми шестернями с двух сторон и боковыми стенками по периметру корпуса насоса, а также между зубчатыми шестернями, находящимися в зацеплении. По данным заводов-изготовителей, шестеренные насосы типа НШ имеют объемный КПД на дизельном масле 0,92. 0,94, а общий (полный) – 0,83. 0,85. У аксиально-поршневых насосов типа 310 объемный КПД равен 0,95, а общий – 0,91 на гидравлическом масле МГ-15В.

Приведенные на рис. 2 зависимости характерны для разомкнутых гидросистем, в которых бак с рабочей жидкостью установлен выше оси насоса на 0,5 м и более, т. е. существует статический напор во всасывающей гидролинии. Мощность в период пуска должна быть выбрана с запасом в пределах 1,15. 1,4 номинального значения в зависимости от типа установленного насоса.

Наибольшие значения общего КПД аксиально-поршневых насосов типа 210. 310 на гидравлическом масле МГ-15В для многих гидросистем машин соответствуют установившемуся тепловому режиму (от –10 до +55 °С).

Для увеличения предела прокачиваемости РЖ по уровню ее вязкости следует рекомендовать организациям, эксплуатирующим мобильные машины при низких температурах, снижать частоту вращения двигателей внутреннего сгорания для привода насосов, особенно в период пуска. Эксперименты показали, что при снижении частоты вращения пластинчатого насоса на 40% диапазон его устойчивой работы по уровню вязкости РЖ увеличивается от 600. 700 до 2000. 2100 сСт, т. е. примерно втрое.

При уменьшении частоты вращения аксиально-поршневого насоса 11М№5 на 40% диапазон устойчивой работы по уровню вязкости РЖ увеличился в 2,5 раза (от 400 до 1000 сСт), а предел прокачиваемости – вдвое.

Зависимость частоты вращения аксиально-поршневых насосов типа 210 в режиме самовсасывания от вязкости РЖ представлена на рис. 3. Наглядно видна также зависимость подачи насосов от частоты вращения для насосов разных типоразмеров в зависимости от вязкости РЖ. Насосы с меньшим рабочим объемом способны работать при большей частоте вращения. Однако характерное для всех насосов снижение подачи наступает примерно при одинаковом значении кинематической вязкости – 2500. 2600 сСт. Работа всех насосов при вязкости более 2600 сСт происходит с незаполнением рабочих камер насосов и сопряжена с кавитацией.

Длительный рабочий режим для насосов можно создавать только после достижения вязкости РЖ, при которой обеспечивается полное заполнение рабочего объема насоса. Из графика (см. рис. 3) следует, что гидравлическое масло МГ-15В для аксиально-поршневых насосов можно применять как всесезонное в широком диапазоне изменения температуры без предварительного подогрева.

Применение только двух основных сортов гидравлических масел МГ-15В и МГЕ-46В обеспечивает работоспособность и надежную эксплуатацию мобильных машин и сокращает дополнительные затраты, связанные с изготовлением, транспортировкой и хранением большого ассортимента нефтепродуктов, в том числе позволяет уменьшить загрязнение гидросистем при смене сезонных гидравлических масел. Другие марки масел можно применять после официального подтверждения их пригодности изготовителем гидрооборудования или поставщиком, гарантирующим работоспособность и технический ресурс. Необходимо требовать от поставщика гидравлических масел сертификат, удостоверяющий качество.

Заливают гидравлические масла в гидросистему обязательно с помощью фильтрующих устройств с тонкостью очистки 10 мкм. В гидросистемах мобильных машин, длительно эксплуатируемых в условиях холодного климата, не рекомендуется устанавливать фильтры во всасывающей гидролинии: они создают дополнительное сопротивление потоку, и при температуре масла МГ-15В ниже –25. –30 °С в фильтрах с тонкостью фильтрации 25. 40 мкм открываются переливные клапаны и масло поступает на слив в бак гидросистемы. Если есть необходимость применять всасывающие фильтры с переливным клапаном, следует увеличить пропускную способность фильтров не менее трехкратной номинальной подачи насоса. Это позволит также увеличить грязеемкость фильтроэлементов и периодичность их замены.

Эксплуатируя машины с гидроприводом, надо иметь в виду, что при нагретом масле в баке и низкой температуре окружающей среды происходит конденсация влаги из воздуха. Вода может попадать в масло и затем в гидросистему. Наличие воды в гидравлическом масле не только вызывает коррозию, но и резко повышает температуру застывания, поэтому масло следует доставлять расфасованным в герметичную тару, а при доливке масла в бак – исключить возможность попадания воды в гидросистему. При техническом обслуживании эксплуатируемой техники нужно периодически отвинчивать сливные пробки и освобождать бак от накопившейся влаги и механических примесей.

И последний совет: чтобы ускорить подготовку машины к работе и для того, чтобы эффективно эксплуатировать ее при оптимальной температуре, соответствующей наиболее высокому значению общего КПД, следует предусмотреть теплоизоляцию трубопроводов и баков для гидравлического масла.

Нижнее допустимое значение температуры воздуха, регламентируемое ГОСТом для гидрооборудования, предназначенного для эксплуатации в районах с холодным климатом составляет -60 С.

Эксплуатационная надежность гидропривода обеспечивается за счет:
комплекса дополнительных мер, которые осуществляются при изготовлении, установке и эксплуатации узлов и элементов;
применения соответствующих конструкционных материалов (сталей) и их дополнительной термообработки для повышения прочности и износостойкости деталей;
повышения чистоты обработки основных деталей, рационального выбора допуска и посадок, уменьшения концентрации напряжений;
предотвращения хрупкого разрушения сварных узлов и соединений путем совершенствования методов их конструирования и технологии изготовления;
использования для уплотнительных элементов соответствующих резин;
применения рабочих жидкостей, сохраняющих необходимые рабочие свойства при низких температурах;
снижения потерь давления рабочей жидкости в гидролиниях всасывания, нагнетания и дренажа;
использования устройств для подготовки и подогрева рабочей жидкости перед началом запуска;
выбора оптимальных режимов запуска гидропривода.

Необходимо обеспечивать принудительную подпитку насоса или устанавливать его непосредственно в гидробаке. Рекомендуется также устанавливать насосы так, чтобы всасывающее отверстие насоса было расположено ниже наименьшего уровня масла в гидробаке не менее чем на 500 мм. При работе в режиме самовсасывания рабочей жидкости всасывающую гидролинию следует делать как можно короче; запрещается помещать в ней фильтры и другие элементы, способствующие увеличению сопротивления проходу рабочей жидкости. Необходимо тщательно следить за герметичностью всасывающего трубопровода.

Особое внимание должно уделяться очистке рабочей жидкости от загрязнений. Фильтры рекомендуется устанавливать на сливной магистрали. Пропускная способность их должна быть вдвое большей, чем фильтров в нормальных условиях эксплуатации. В гидросистеме необходимо предусматривать перепускные клапаны.

В гидроприводах, работающих в условиях холодного климата, при пуске и в начальный период работы значительно возрастают потери давления в трубопроводах. При -50…-60 С потери давления рабочей жидкости в гидролиниях привода могут возрастать в 15…20 раз по сравнению с потерями давления при +50 С. Для уменьшения потерь давления в трубопроводах необходимо обеспечить минимальную протяженность трубопроводов, сократить число изгибов, соединений, переходов и т.п. Допустимая скорость рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе - 0,85 м/с, в сливном - 1,4 м/с, в нагнетательном при номинальном давлении 32 МПа - 5 м/с.

Для сокращения времени выхода на установившийся тепловой режим целесообразно предусматривать теплоизоляцию гидробаков и трубопроводов. С этой же целью в гидроприводах можно применять устройства для подогрева рабочей жидкости в период пуска. Рекомендуется это делать в течение 20…30 мин. В гидравлической системе привода подогрев рабочей жидкости в период пуска обеспечивается путем пропускания всей подаваемой насосом рабочей жидкости через предохранительный клапан при номинальном рабочем давлении.

Пуск насосов в условиях низких температур должен производиться при постепенном повышении давления рабочей жидкости до номинального с выдержкой при давлении 10 МПа в течение 1…2 мин.

Для облегчения запуска приводного двигателя и во избежание выхода из строя насоса его привод рекомендуется осуществлять через разъединительные муфты (желательно фрикционные). При отсутствии конструктивной возможности применения разъединительных муфт необходимо ограничить частоту вращения вала при запуске для аксиально- поршневых гидронасосов до 1000 об/мин, шестеренных - до 1500 об/мин. В гидроприводах с замкнутой циркуляцией предусматривается автоматическое ограничение мощности насоса.

Для повышения эффективности эксплуатации строительно-дорожных машин в условиях Севера возникает необходимость подготовки их гидропривода к работе, а также обеспечения функционирования машин при оптимальной температуре. Это позволяет достичь возможно высокий КПД гидропривода. С целью повышения эффективности строительно-дорожных машин ведущие производители данной техники Caterpillar, Komatsu, Hitachi, Bosch внесли в гидросистемы производимых ими машин усовершенствования, которые повышают эксплуатационные свойства (надежность, эргономичность, экономичность и экологичность). Осуществляется внедрение в производство инновационных конструктивных решений для гидропривода (элементов и в целом общего подхода). При этом усовершенствование гидросистем разработчиками не обеспечивает работоспособность машин. Большое влияние оказывает действие низких отрицательных температур окружающего воздуха. Для этого рекомендуется в гидроприводах предусмотреть теплоизоляцию трубопроводов и баков для гидравлического масла, а также применение современных автономных установок предпускового подогрева. Исследованы средства тепловой подготовки гидропривода строительно-дорожных машин. В результате определены направления их совершенствования. Предложены варианты совершенствования систем тепловой подготовки гидропривода строительно-дорожных машин.

2. Вашуркин И.О. Тепловая подготовка строительных машин в условиях сурового климата. – СПб.: Наука, 2005. – 238 с.

3. Гаркави Н.Г. Обеспечение эксплуатационной надежности работы строительных машин зимой. – Л.: ЛДНТП, 1980. – 24 с.

4. Исследование и разработка конструкций пусковых устройств и регуляторов температуры рабочей жидкости строительных и дорожных машин в исполнении ХЛ / Отчет о НИР, рег. N 02880057210. Рук. Алексеев А.И. – Красноярск: Красноярский филиал ВНИИстройдормаш, 193 с.

5. Каверзин С.В. Обеспечение работоспособности гидравлического привода при низких температурах: учеб. пособие. – Красноярск: Офсет, 1998. – 238 с.

6. Карнаухов Н.Н., Конев В.В., Разуваев А.А. Система предпусковой тепловой подготовки ДВС и гидропривода: пат. 2258153 Рос. Федерация: МПК7 F02N 17/06. / заявитель и патентообладатель ТюмГНГУ. – № 2004104477/06; заявл. 16.02.2004; опубл. 10.08.2005, Бюл. № 22.

7. Конев В.В., Мерданов Ш.М., Карнаухов Н.Н., Половников Е.В. Система прогрева гидропривода СДМ с использованием малого гидробака. Патент на изобретение № 2559227, Регистрационный № 2014128725.

В последнее время ведущие фирмы, производящие строительно-дорожные машины (СДМ), вносят в их гидросистемы усовершенствования, которые повышают показатели эксплуатационных свойств (надежность, эргономичность, экономичность и экологичность). Совершенствование гидропривода СДМ предусматривает комплексный подход. Так внедряются инновационные конструкции гидропривода а также новые его элементы. Это позволяет повысить энергоэффективность гидропривода путем снижения потерь давления в элементах гидропривода; расширение использования систем пропорционального распределения нагрузок; использование в качестве элементов гидропривода исполнительных механизмов элементов с ШИМ-управлением (широтно-импульсным управлением).

Использование указанных направлений реализуется на начальном этапе производства – стадии проектирования гидропривода и особенно при производстве его элементов. Так, в технологии производства трубопроводов для гидролиний с целью повышения класса чистоты поверхностей, для снижения их сопротивления потоку жидкости предусматривается не использовать сварочные соединения, а также проведения прочистки, обработки внутренних поверхностей трубок. Это позволяет снизить общие затраты энергии, расходуемой всей машиной при работе системы.

При этом указанные совершенствования, проводимые для гидрофицированной техники, не могут исключить снижения работоспособности в условиях работы машины при низких отрицательных температурах [1–3].

Чтобы ускорить подготовку машины к работе и для того, чтобы эффективно эксплуатировать ее с высокими эксплуатационными показателями, рекомендуется предусмотреть теплоизоляцию трубопроводов и баков для гидравлического масла, а также применение современных автономных установок предпускового подогрева. Из анализа предшествующих исследований [1, 2] следует, что в гидроприводах СДМ циклического действия повышение температуры рабочей жидкости до равновесного теплового состояния составляет от 40 до 60 мин. При этом у гидравлической системы автогрейдера стабильное тепловое состояние наступает через 100 мин. Это связано с большой длиной и разветвленностью трубопроводов гидросистемы (поверхности их охлаждения). Также указывается, что, например, при начальной температуре рабочей жидкости – 40 °С минимальное значение оптимальной температуры рабочей жидкости без применения устройств для разогрева (0 °С) достигается в гидравлической системе экскаватора через 85 минут, бульдозера-рыхлителя – через 125 минут, а скрепера – только через 5 часов непрерывной работы. Это связано с объемом гидросистемы и длиной трубопроводов (автогрейдер).

В зимний период на СДМ возникают отказы гидроситемы. Это зависит от факторов, связанных как с низкими отрицательными температурами окружающего воздуха на территории России, так и неправильной подготовкой СДМ к началу эксплуатации в зимний период, и подготовленностью самих операторов СДМ.

По рекомендации компании Caterpillar правильный прогрев гидросистемы машины предотвращает возникновение отказов и неисправностей. При эксплуатации машины при низких температурах окружающей среды прогрев требует больше времени, чем другие операции технического обслуживания. Прогрев гидравлической системы (без нагрузки) проводится после прогрева ДВС и его работы с частотой вращения 1200 мин-1. При выполнении каждого цикла постепенно увеличивается ход рабочего оборудования. Операция выполняется для всех гидравлических контуров.

Компанией Komatsu для техники, рассчитанной на работу в холодное время года, предусмотрено использование масла соответствующей вязкости и временной фактор его прогрева до начала работы. Несоблюдение этого приводит к тому, что предохранительные клапаны гидравлической системы не срабатывают вовремя. Поэтому образуются уплотнения, и потом трубопроводы начинают трескаться и происходят утечки рабочей жидкости.

Подогрев рабочей жидкости СДМ затруднен еще тем, что, к примеру, трубопроводы высокого давления экскаваторов обладают большой охлаждающей поверхностью, и масло, проходя по ним, быстро теряет температуру. Для эксплуатации таких машин при низких отрицательных температурах снижается эффективность их тепловой подготовки.

В Komatsu, исследовав эту проблему, отказались от предварительного автономного подогрева, и принято решение, которое снижает скорость старения масла. Для этого используют гидросистемы с закрытым контуром с увеличением интервала его замены при уменьшенном объеме рабочей жидкости. Это позволяет облегчить разогрев гидросистемы холостыми движениями рабочего оборудования перед основными видами работ [11]. Исследователи также предлагают повышение температуры рабочей жидкости осуществлять путем рециркуляционных систем гидропривода, состоящих из замкнутого круга циркуляции рабочей жидкости.

Оптимальный тепловой режим гидропривода СДМ (его элементов) для машин, эксплуатируемых в условиях Севера, достигается за счет тепловой подготовки, использования подогревателей разных конструкций [4, 5]. Для проведения тепловой подготовки гидропривода затрачивается большое количество энергии. С этой целью используются внутренние и внешние источники тепла. Следует учитывать при проектировании и использовании средств тепловой подготовки, что эксплуатация машин проводится в автономных условиях, вдали от баз, без доступа к внешним источникам энергии. При этом объем использования энергии ограничен, не всегда используются гаражи для межсменной стоянки СДМ. К примеру, при строительстве нефте- и газопроводов.

В СДМ система гидропривода разветвлена в направлениях исполнительных элементов (гидроцилиндры, гидромоторы), элементы гидрооборудования размещены по всей машине, в том числе насос гидросистемы расположен отдельно, не в подкапотном пространстве ДВС. Это затрудняет прогрев насоса от ДВС. Для прогрева силовой установки гидропривода (насоса) от ДВС необходимо компоновку гидрооборудования осуществлять с учетом того, чтобы оно располагалось как можно ближе к источнику тепла – ДВС.

В соответствии с представленным выше делением средств тепловой подготовки, к внешним относятся: электропрогрев, прогрев горячим воздухом и жидкостью. Эти способы в условиях автономного функционирования машины ограничены в использовании так, как требуют внешнего источника энергии. Исследуются и на практике применяются схемы от внутренних источников тепла: дроссельный, уменьшением объема гидробака, электронагревателями, отработавшими газами ДВС, горячей жидкостью от системы охлаждения двигателя и с использованием тепловых аккумуляторов [2, 6, 7, 9, 10]. На рис. 1 показаны графики зависимости температуры рабочей жидкости в гидробаке от времени прогрева различными способами.

Рис. 1. Графики зависимости температуры рабочей жидкости в гидробаке от времени прогрева: 1 – без применения специальных средств; 2 – с использованием малого гидробака; 3 – дроссельным разогревом; 4 – отработавшими газами ДВС; 5 – электроподогревом; 6 – системой утилизации тепла

Время прогрева рабочей жидкости зависит от характеристик средств. Графики зависимостей времени прогрева гидробака СДМ отработавшими газами, электропрогревом, дросселированием, изменением емкости гидробака от их характеристик представлены на рис. 2. Дроссельный разогрев рабочей жидкости позволяет через 16–25 минут выйти на оптимальный тепловой режим, причем практически не требует внесения конструктивных изменений в гидравлическую систему.

Графики зависимостей (рис. 2) показывают, что с целью снижения времени тепловой подготовки (количества тепловой энергии) в анализируемых системах необходимо определить значения факторов, влияющих на процесс прогрева.

Очень часто на практике применяют дроссельный разогрев путем пропускания жидкости через предохранительный клапан при упоре рабочего оборудования в непреодолимое препятствие. Это позволяет интенсивно разогреть рабочую жидкость, однако в этом случае гидропривод работает при давлении, которое на 15…20 % выше номинального, а при низких температурах вследствие инерционности передачи командного импульса пиковое давление более чем вдвое превышает номинальное. Такой режим работы сопровождается вибрацией гидросистемы, повышенным шумом, приводит к преждевременному износу, а иногда и к разрушению гидрооборудования.

Заметный эффект дает применение малых гидробаков для разогрева рабочей жидкости. Например, оно сокращает продолжительность разогрева гидравлической системы скрепера в 5 раз, а остальных машин – в 1,6…2 раза. Для машин северного исполнения, особенно имеющих не теплонапряженный гидравлический привод, целесообразно применять гидробаки уменьшенной емкости, потому что только это небольшое конструктивное изменение позволит в 1,5…2 раза повысить работоспособность машины в период разогрева. При проектировании гидробака уменьшенной емкости следует помнить, что высота столба жидкости в нем не должна быть ниже минимального уровня, исключающего образование воронки во всасывающем патрубке.

Для машин с теплонапряженным гидроприводом применение малых гидробаков также возможно [7]. В летнее время необходимо применять бак нормального объема или специальный маслоохладитель. Применение электроподогрева [10] рабочей жидкости нагревательными элементами, размещенными в гидробаке, возможно при наличии на самоходной машине генератора мощностью не менее 30–40 % номинальной мощности насосной установки или питании машины от электросетей. В этом случае, как показывают расчеты и опыт зарубежных фирм, можно разогреть рабочую жидкость от – 40 °С до оптимальной температуры за 15–20 минут. Электроподогрев масла позволяет в отличие от других способов осуществлять местный разогрев гидрооборудования, весьма удаленного от гидробака и ДВС. С целью исключения локального перегрева масла и его химического разложения одновременно с включением электроподогревателей должен быть включен гидронасос, обеспечивающий непрерывную циркуляцию жидкости в гидравлической системе.

Рис. 2. Графики зависимостей времени прогрева гидробака СДМ

Наибольший эффект при разогреве рабочей жидкости достигается использованием отработавших газов ДВС [2, 6]. При этом продолжительность разогрева рабочей жидкости составляет около 13–15 минут. Расчеты теплового баланса ДВС показали, что около 40 % тепловой энергии при его работе забирается охлаждающей жидкостью и 20–25 % потерь тепла происходит с отработавшими газами ДВС. Этого тепла достаточно для прогрева гидропривода СДМ. Некоторыми исследователями предлагается подогрев рабочей жидкости также от системы охлаждения ДВС.

Однако сложность способов утилизации тепла ДВС в том, что необходимо внесение значительных изменений в конструкцию гидробака, что усложняет технологию его изготовления и затрудняет обслуживание в процессе эксплуатации. Следует также учитывать, что при использовании охлаждающей жидкости ДВС для подогрева элементов гидропривода увеличит время тепловой подготовки ДВС, выход его на рабочие режимы. Практическую ценность представляет метод прогрева рабочей жидкости за счет использования тепла выхлопных газов, выделяемых при работе ДВС. Так как используется тепловая энергия, которая не утилизируется и выбрасывается в окружающее пространство; также, с учетом того, что не требуется использовать замкнутых систем, упрощается вся система тепловой подготовки гидропривода.

При разогреве рабочей жидкости с использованием системы утилизации тепла (тепловых аккумуляторов) [8] происходит накопление тепла рабочей жидкости в контейнерах в процессе работы СДМ и последующего использования тепла в начале рабочей смены машины. В данном направлении исследуются и другие конструкции систем утилизации тепла. Основной недостаток таких конструкций – это потеря полезного объема гидробака, а также высокая материалоемкость и низкая энергоемкость.

Рассмотренные способы прогрева гидропривода энергоемки, не всегда обеспечивают автономность работы, имеют сложность конструкции, ограниченность в применении разных компоновок гидропривода – это приводит к снижению эксплуатационных показателей СДМ.

Читайте также: