СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 1’2014
1(101)2014
■
СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ
ТЕХНИКА
ШАГАЮЩИЕ ЭКСКАВАТОРЫ
ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ «СТТ»
ТЕХНИКА
ВИБРОПЛИТЫ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
ОБУЧЕНИЕ
ИСТОРИЯ
çÄëéëçõÖ ëíÄçñàà
éëçéÇçõÖ ëÇéâëíÇÄ êÄÅéóàï ÜàÑäéëíÖâ
äéëíêéåëäéâ ùäëäÄÇÄíéêçõâ áÄÇéÑ
18+
НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ОБЪЕКТ ОПЫТ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ОБУЧЕНИЕ
48
НАСОСНЫЕ СТАНЦИИ Насосные станции – это модульные установки, предназначенные для подачи рабочей жидкости в гидросистемы различного стационарного оборудования и отдельные контуры самоходных машин. Модуль насосной станции содержит практически все компоненты гидропривода, кроме исполнительных гидроцилиндров или гидромоторов.
ç
асосные станции (НС) широко используются для привода домкратов, ручного инструмента статического и динамического принципов действия, всевозможных агрегатов, металлорежущих и деревообрабатывающих станков, целевого гидравлического оборудования, применяемого в различных областях промышленности, испытательных и технологических стендах. На рис. 1 показаны типовые НС. Специальные исполнения НС применяются в системах для принудительной подачи смазки (жидкой и консистентной) в подшипники и шарниры тяжелого силового оборудования и мощной мобильной техники. В наземных самоходных машинах мало места, поэтому блоки питания не могут состоять из одного компактного модуля. Насосная группа устанавливается на валу дизельного двигателя, а гидрокомпоненты для очистки, хранения, охлаждения рабочей жидкости (РЖ), нагнетания ее к гидродвигателям и управления движением рассредоточены по всей машине. Вместе с тем у некоторых машин гидравлическая жидкость используется также для смазки редукторов и других узлов. Однако отдельные виды мобильной техники оснащаются компактными модульными насосными станциями для привода оборудования с коротким временем работы (небольшие самосвалы, бортовые подъемники грузовиков и т.п.) или обеспечения безопасного завершения работы машины в нештатных ситуациях (опускание стрелы крана, рабочей люльки коленчатого подъемника и т.п.). Малогабаритные НС широко применяются и в стационарном оборудовании для автоматического открывания ворот, дверей, привода противопожарных устройств, небольших станков, прессов и т.п. В зависимости от требований министанции питаются от бортовой электро-
>>> Рис. 1. Насосные станции «Энерпром» а) для инструмента; б) для станков
ИСТОРИЯ
а
СТТ 1’2014
б
сети машины постоянного тока (12 или 24 В) или переменным током (одно/трехфазным). На рис. 2 показаны насосные мини-станции с различными видами электродвигателей. НС обеспечивают расход РЖ от самых минимальных зна-чений до нескольких сотен литров в минуту. Развиваемое давление может достигать от 1,0 до 80,0 МПа, а в станциях специального назначения от 100,0 до 500,0 МПа. НC могут выполняться многопоточными, а каждый контур – иметь различные гидравлические параметры. В настоящее время многие специализированные компании проектируют НС с помощью гибкого программного обеспечения, разработанного для удовлетворения технических требований различных систем. Все НС состоят из следующих основных блоков: рама, гидравлический бак, первичный двигатель, насос или насосная группа, клапанно-регулирующая аппаратура, фильтры, манометры, теплообменник, электрическая система. В некоторых НС используются элементы пневматики.
ê‡Ï‡ Существуют рамные и безрамные конструкции НС. Рамные конструкции в основном применяют в переносных, мобильных, передвижных НС, т.е. когда они постоянно меняют место проведения работ. В целях защиты от пыли, абразива, атмосферных осадков и т.п. рамные конструкции часто облицовывают панелями, поэтому они имеют вид бокса. Рама является элементом защиты НС от внешних случайных механических воздействий. На раме устанавливают гидробак, насосный агрегат, гидрокомпоненты и другие комплектующие изделия. В безрамных конструкциях основанием является гидравлический бак, к которому жестко крепятся ножные опоры. Часто их закрепляют на полу цехов или фундаменте. Комплектующие изделия крепят к верхней крышке гидробака, а некоторые – к его боковым стенкам. Рамы изготавливаются из нержавеющих или конструкционных сталей обыкновенного качества. Рамы переносных и небольших подвижных НС выполняют из легких алюминиевых сплавов.
Корнюшенко С.И., доктор наук, профессор РАЕН
PUMPING STATIONS Kornyushenko S.I., RANS professor
In the article is given a determination of pumping stations, their purpose, various types, principle structures are shown, their main hydraulic components are listed. Here is considered a structure of hydraulic tanks, recommendations on their design, a layout of hydraulic components and the most important elements, a volume choice are given, an algorithm of thermal calculation is cited. Main types of prime movers for pump drives are described, used stationary and remote control systems are shown, their classification is given.
а
б >>> Рис. 2. Насосные мини-станции: а) с электродвигателем постоянного тока; б) с электродвигателем переменного тока На рис. 3 показаны примеры рамных и безрамной конструкций НС.
Éˉӷ‡Í Гидробаки являются частью группы компонентов в конструкциях НС. Хотя на гидробаки не распространяются никакие стандарты, каждый производитель изготавливает их на основании общих технических требований, предъявляемых к оборудованию, работающему от НС. Гидробаки не только являются резервуаром для хранения РЖ, они также обеспечивают ее охлаждение и в определенной степени осаждение примесей. Хотя их конструкция и комплектация гидрокомпонентами зависят от типа гидросистемы, гидробаки имеют общие особенности. Остановимся на них. Гидробаки обычно имеют форму параллелепипеда и изготавливаются из окра-
>>> Рис. 5. Схема движения слоев жидкости в простых и оснащенных сепараторами гидробаках Разделитель состоит из стального листа, его высота равна величине максимального уровня жидкости. В нижней части выполнено окно размером в 2/3 его высоты. В окне устанавливается металлическая сетка с площадью ячеек 5 мм2. При течении слоев жидкости через сетку из нее выделяются пузырьки нерастворенного воздуха, которые поднимаясь на поверхность, образуют масляную пену. Если сетка окажется на уровне или выше поверхности гидравлического масла, образующаяся на поверхности пена начнет поглощаться рабочей жидкостью. Если же в верхней части (1/3 высоты листа) находится сплошной лист, сама жидкость будет обеспечивать гашение пены. Не устанавливают сепараторы вблизи отвода воздуха. Сливные и всасывающие патрубки устанавливают на верхней горизонтальной крышке гидробака. В некоторых исполнениях допускается располагать их на боковых стенках. Патрубки крепятся к крышке резьбовым соединением с использованием упругих прокладок, которые помимо уплотнения снижают вибрации, вызываемые работой насоса. Сварка категорически не рекомендуется. Всасывающий патрубок располагается на максимально возможном расстоянии от сливного и дренажного, предпочтительно у противоположной стенки. На рис. 7 показана схема рекомендуемых размеров и расположения патрубков. Если всасывающий патрубок не содержит фильтра или расположен на погруженном в РЖ насосе, его конец должен находиться на глубине 80-100 мм ниже уровня гидравлического масла. Вместе с тем расстояние от дна бака до конца всасывающего патрубка не должно быть меньше 1-1,5 его внешнего диаметра.
>>> Рис. 6. Разделитель для удаления избыточного воздуха из рабочей жидкости: 1– металлическая сетка; 2 – стальной лист; 3 – уровень жидкости
Такая глубина погружения исключает всасывание воздуха, а нижний зазор между патрубком и дном предотвращает втягивание осевших загрязнений. Конец всасывающего патрубка должен иметь скос под острым углом не более 45° и ориентирован поверхностью среза к стенке бака. Острый угол патрубка образует эллипс и увеличивает площадь всасывания, что приводит к постепенному росту ускорения неподвижной РЖ, которая достигает максимальной скорости в его уменьшенном круглом сечении. В результате снижается перепад давления при всасывании. При наличии фильтра на конце всасывающего патрубка действуют те же рекомендации (100 мм ниже уровня жидкости и 1-1,5 диаметра фильтра над дном бака). Если фильтр расположен под прямым углом к всасывающей трубе (в горизонтальной плоскости), его входное отверстие должно быть ориентировано к стенке бака для предотвращения засорения. Если конец сливного патрубка находится выше уровня РЖ в баке, падающий поток вызывает большую турбулентность, насыщая масло излишним количеством нерастворенного воздуха. Конец сливного патрубка должен также иметь скос не
>>> Рис. 7. Схема предпочтительных размеров и расположения патрубков
СТТ 1’2014
НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА
шенной листовой стали. Небольшие баки, емкостью до 50-70 литров, часто изготавливаются из легких сплавов и различных пластмасс. Материал и краски, используемые для изготовления гидробаков, должны быть химически совместимы с рабочей жидкостью. В безрамных конструкциях многих НС боковые листы баков имеют продолжение со сгибами на угол 90° вовнутрь или наружу и служат в качестве опор. Во избежание внешних утечек целесообразно под баком установить поддон. Дно бака должно быть наклонным или выпуклым. В самой нижней точке дна устанавливается кран или быстросъемная заглушка для слива образовавшейся воды, удаления загрязнений или РЖ при ее полной замене. Между полом и дном бака необходимо оставлять свободное пространство для обеспечения вентиляции. В боковых стенках гидробаков большой емкости выполняют квадратные или круглые люки для осмотра и очистки внутренних поверхностей при выполнении технического обслуживания или ремонта НС. Они крепятся к стенке болтами с обязательной уплотнительной прокладкой (рис. 4). Внутри гидробаков большой емкости целесообразно размещать сепараторы (разделители). Они изготавливаются из стального листа и устанавливаются в поперечном положении между сливным и всасывающим патрубком. Высота сепараторов должна быть на 1/3 короче нормального уровня жидкости. При движении от сливного патрубка до всасывающего жидкость вынуждена огибать сепараторы, увеличивая длину своего пути. Этот процесс уменьшает турбулентность жидкости в области всасывания, способствует лучшему теплообмену со стенками бака, более интенсивному оседанию механических загрязнений на дно. Схема движения слоев жидкости в простых и оснащенных сепараторами гидробаках показана на рис. 5. Если, несмотря на все принятые предосторожности, относительно большое количество воздуха по-прежнему находится в РЖ, в гидробак следует установить специальный разделитель, который легко можно изготовить в каждой мастерской. Такая схема показана на рис. 6.
>>> Рис. 4. Люки на баках насосных станций
ОБЪЕКТ
>>> Рис. 3. Рамные и безрамная конструкции насосных станций: а) рамная; б) рамно-боксовая; в) безрамная
ОПЫТ
в
КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
б
ОБУЧЕНИЕ
а
ИСТОРИЯ
49
НОВОСТИ/СОБЫТИЯ ОБУЧЕНИЕ
КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
ОПЫТ
ОБЪЕКТ
ТЕХНИКА
АНАЛИТИКА
50
<<< Рис. 8. Типовое расположение гидрокомпонентов насосных станций общего назначения 1 – технологический люк; 2 – уплотнение; 3 – минимальный и максимальный уровни жидкости; 4 – верхняя отбортовка (поддон) для сбора проливаемой жидкости; 5 – сепаратор; 6 – заливная горловина; 7 – сапун; 8 – дренажная труба; 9 – сливной фильтр; 10 – термометр; 11 – индикатор уровня жидкости; 12 – сливная пробка; 13 – нижнее корыто для сбора проливаемой жидкости более 45°, быть ориентированным к стенке бака и погруженным на 50-100 мм ниже минимального уровня РЖ. Многие исполнения гидробаков комплектуются сливным фильтром, расположенным на верхней крышке или боковой стенке. Патрубки дренажных и сливных управляющих линий должны заканчиваться над свободной поверхностью РЖ, выше ее максимального уровня. В противном случае столб жидкости создает хоть и небольшое, но дополнительное сопротивление, которое негативно влияет на чувствительные контуры гидросистемы. Крышка гидробака немного утоплена относительно верхних концов боковых стенок. Они образуют поддон для сбора РЖ, попадающей туда в результате непредвиденных утечек, розлива масла при техническом обслуживании или его пополнения. На верхней крышке бака, рядом с всасывающим патрубком, сливными и дренажными трубами, устанавливаются основные гидрокомпоненты. На рис. 8 показано типовое расположение гидрокомпонентов для небольших и средних НС общего назначения. В некоторых насосных установках баки дополнительно оснащаются: термостатом; краном, установленным на определенном уровне боковой стенки для слива осажденной воды и других загрязняющих жидкостей, плотность которых выше плотности гидравлического масла; дополнительным фильтром; другими устройствами.
ИСТОРИЯ
é·˙ÂÏ „ˉӷ‡Í‡ Объем РЖ в гидробаке должен быть в 2-3 раза больше максимальной минутной производительности насоса. В отдельных гидросистемах он может быть в 5 раз СТТ 1’2014
выше. Например, при максимальной производительности насоса 50 дм3/мин гидробак в нерабочем режиме насосной установки должен содержать 100-150 литров РЖ. Эти требования распространяются на обычные НС, работающие в прерывистых режимах в условиях средних температур окружающего воздуха. При непрерывных режимах работы объем РЖ должен быть увеличен в 2-3 раза, в нашем примере он составит 200-300 литров. Однако количество РЖ не определяет полный объем гидробака. Необходимо учитывать ее расширение во время работы гидропривода, а также факторы использования в системе одноштоковых гидроцилиндров, когда при работе штоковой полости уровень в баке повышается, а при работе поршневой – понижается. Поэтому необходимо обеспечить достаточный воздушный зазор между максимально возможным уровнем РЖ и верхней крышкой бака. Важно отметить, что в ряде случаев потребители НС заказывают гидробак с большим объемом РЖ, часто превышающим расчетные значения и рекомендации. Первоначальная стоимость гидравлического масла, конечно, увеличивается, но сокращаются эксплуатационные расходы. Рабочая жидкость медленнее загрязняется, изнашивается, при прерывистых режимах работы она лучше охлаждается, и в таких случаях часто не требуется теплообменник. Величину расширения РЖ всегда можно легко определить из таблиц или соответствующих коэффициентов, предоставляемых производителями масел. Отвод тепла поверхностью бака рассчитывается по нижеприведенной формуле. Она справедлива только для параллелепипедов с пропорциональными сторонами от 1:1:1 до 1:2:3.
Здесь: Vб – полный объем гидробака (л); кДж – количество теплоты, рассеиваемое гидробаком; 4,1868 – коэффициент перевода кДж в ккал (1 ккал = 4,1868 кДж); t1 – температура РЖ (OС); t2 – температура окружающей среды (OС). Эмпирически показано, что 1 м2 поверхности бака при перепаде температур в 40OС (между рабочей жидкостью и окружающей средой) рассеивает тепловой поток, равный 400 Вт. Напомним, что 1 Вт = 0,86 ккал/ч.
é˜ËÒÚ͇ ÓÚ Á‡„flÁÌÂÌËÈ Твердые и жидкие загрязнения, растворенные в РЖ, удаляются вместе с ней при замене масла. Для слива отработанной жидкости необходимо открыть пробку в самой нижней точке дна гидробака. Слив масла производится в закрытые емкости, которые затем утилизируются специальными службами. Открыв технологические люки, вручную, с помощью шпателей, удаляют загрязнения с боковых стенок и дна бака. Затем внутренние поверхности моются и обезжириваются раствором, химически совместимым с краской бака. Заливка новой жидкости производится насосом через фильтр с рекомендуемой степенью фильтрации 10 мкм.
燉‰Û‚ Наддув в гидробак производят в двух случаях: – устранение кавитационных явлений; – блокирование попадания загрязнений из внешней среды. Некоторые насосы не обладают самовсасывающими свойствами. Если насос расположен выше уровня РЖ в гидробаке, в его всасывающей линии может возникать кавитация – выделение из жидкости пузырьков воздуха, пагубно влияющее на металлические поверхности насоса. Для исключения этого явления необходимо создать положительный перепад давления РЖ на всасывании. С этой целью в герметичный гидробак нагнетают воздух под избыточным давлением, рассчитанным из условий всасывания насоса и обычно составляющим 0,3-0,5 МПа. Воздух нагнетается компрессором или другим устройством. Предохранительный клапан обычно устанавливается на боковой стенке бака значительно выше максимального уровня РЖ. Во избежание чрезмерного окисления РЖ воздух может быть заменен инертным газом (азотом).
>>> Рис. 10. Переносные насосные станции с бензиновым и дизельным двигателями
СТТ 1’2014
ОБЪЕКТ
Управление технологическими процессами осуществляется с пульта, расположенного непосредственно на НС, или с выносного устройства (рис. 12). Выносные пульты для дистанционного управления гидрораспределителями НС в зависимости от предъявляемых технических требований могут иметь различные функции и конструкции. Например, пульты педального управления предназначены для работы с оборудованием, требующим выполнения оператором определенных технологических процессов руками. По специальным требованиям НС оснащаются многокнопочными пультами дистанционного управления любой конфигурации, а также блоком радиоэлектронного беспроводного управления. Системы управления НС можно классифицировать следующим образом. СУЭ – Система управления электрическая: – управление в ручном режиме с пульта оператора; – визуальная индикация режимов (лампы, контрольно-измерительные приборы). СЭМ – Система электронного мониторинга: – управление в ручном режиме с пульта оператора; – визуальный контроль всех параметров оборудования на графическом дисплее с мнемосхемой объекта испытаний. СЭР – Система электронной регистрации: – СЭМ с дополнительной возможностью ведения архива испытаний с выводом на ПК или USB накопитель (флешка). КСУ – Компьютеризированная система управления: – СЭР с дополнительной возможностью автоматизированного управления процессами испытаний и вводом параметров с тактильной панели оператора.
ОПЫТ
>>> Рис. 12. Стационарный и выносной пульты насосных станций
Выше было отмечено, что привод насосов в станциях, как правило, осуществляется электродвигателями постоянного (в мини-станциях) или переменного тока. Однако в полевых условиях или на строительных площадках и объектах, на которых отсутствует система электроснабжения, используются НС с двигателями внутреннего сгорания (бензиновыми или дизельными). Часто такие НС служат
ëËÒÚÂÏ˚ ÛÔ‡‚ÎÂÌËfl
КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
>>> Рис. 11. Насосная станция с пневмоприводом
è‚˘Ì˚ ‰‚Ë„‡ÚÂÎË
для привода специального оборудования и ручного гидравлического инструмента. На рис. 10 показаны переносные НС с бензиновым и дизельным двигателями. Для работы гидравлического инструмента и оборудования на взрыво- и пожароопасных предприятиях или объектах используют НС с пневмоприводом. В них насос приводится пневмодвигателем, питающимся от компрессора или пневмосети предприятия. На рис. 11 показана насосная станция с пневмоприводом.
ОБУЧЕНИЕ
Степень подогрева РЖ зависит от ее теплопроводности. Высокая температура гидравлического масла ухудшает его физические свойства. Чтобы не перегревать рабочую жидкость в локальной области вблизи расположения ТЭНов, в баке необходимо установить мешалку. Она обеспечивает циркуляцию и равномерное распределение температуры во всем объеме гидравлического масла, препятствуя отдаче тепла свыше 0,6 Вт/см3 (плотность теплового потока). Для подогрева РЖ не требуется большой энергии. В гидробаке с хорошей теплоизоляцией ТЭН мощностью 0,5 кВт, погруженный в 100 кг гидравлического масла, нагревает этот объем на 10OС в течение одного часа. Хотя гидравлические баки НС обладают большой площадью поверхности, они часто не в состоянии охладить рабочую жидкость до требуемых температур. Это прежде всего относится к гидросистемам с интенсивной эксплуатацией. Для охлаждения РЖ НС оснащают водомасляными или воздушномасляными теплообменниками, которые сохраняют тепловой режим неизменным и, следовательно, обеспечивают постоянной эффективность гидросистемы. Обычно теплообменники устанавливаются вне бака.
ИСТОРИЯ
НС для гидравлического оборудования цементных, кирпичных заводов и других производств, землеройно-транспортные, строительные, сельскохозяйственные машины работают в пыльной среде. В таких условиях воздушные фильтры-сапуны быстро засоряются. Чтобы защитить гидробак от попаданий в него внешних загрязнений, необходимо использовать мощные дыхательные фильтры или применить наддув. Расход поступающего воздуха должен обеспечить избыточное давление в баке при самом низком уровне масла, т.е. когда исполнительные гидродвигатели потребляют максимальный объем РЖ. Вместо воздуха часто используется азот. При запуске и работе НС в условиях низких, особенно отрицательных температур вязкость РЖ высокая. Она ухудшает работу всех гидрокомпо-нентов и даже может повредить насос. Чтобы обеспечить приемлемую вязкость РЖ в этих условиях, ее необходимо подогреть. С этой целью в гидробак устанавливают один или несколько электрических нагревательных элементов (ТЭН). Они состоят из протяженной нагревательной трубки, внутри которой установлена спираль с большим электрическим сопротивлением. С целью уменьшения габаритов нагревательная трубка несколько раз согнута на угол 180O таким образом, чтобы ее фрагменты располагались параллельно друг другу. Концы трубки крепятся к небольшой металлической коробке, в которой электроспираль соединяется с подводящими клеммами. Коробка через герметичное уплотнение крепится к стенке гидробака ( рис. 9). Чтобы включать или отключать ТЭН при достижении установленных температур, на стенке гидробака устанавливают термостат (рис. 9).
ТЕХНИКА
АНАЛИТИКА
>>> Рис. 9. Установка ТЭНа и термостата в гидробаке
НОВОСТИ/СОБЫТИЯ
51
НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА
52
>>> БАЗОВЫЕ МЕТОДЫ УПРАВЛЕНИЯ ГИДРОПРИВОДОВ 1. éÒÌÓ‚Ì˚ ҂ÓÈÒÚ‚‡ ‡·Ó˜Ëı ÊˉÍÓÒÚÂÈ, ó‡ÒÚ¸ 1
ТЕХНИКА
2. éÒÌÓ‚Ì˚ ҂ÓÈÒÚ‚‡ ‡·Ó˜Ëı ÊˉÍÓÒÚÂÈ, ó‡ÒÚ¸ 2 3. êÂÊËÏ˚ ‚Ò‡Ò˚‚‡ÌËfl „ˉÓ̇ÒÓÒÓ‚ 4. ÑË̇Ï˘ÂÒÍË ÂÊËÏ˚ ‡·ÓÚ˚ „ˉÓ̇ÒÓÒÓ‚, ó‡ÒÚ¸ 1
ОБЪЕКТ
5. ÑË̇Ï˘ÂÒÍË ÂÊËÏ˚ ‡·ÓÚ˚ „ˉÓ̇ÒÓÒÓ‚, ó‡ÒÚ¸ 2 6. ê‡ÒÔ‰ÂÎÂÌË ÏÓ˘ÌÓÒÚË ÔË Â„ÛÎËÓ‚‡ÌËË Ì‡ÒÓÒÓÏ 7. òÛÏ ‚ „ˉÓÒËÒÚÂχı
9. ìÔ‡‚ÎÂÌË „ˉӈËÎË̉ӂ
ИСТОРИЯ
ОБУЧЕНИЕ
КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
ОПЫТ
8. ä·ÒÒËÙË͇ˆËfl „ˉӈËÎË̉ӂ
ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ
ê
абочие жидкости, применяемые в гидросистемах машин и оборудования, не только обеспечивают передачу энергии, но и выполняют ряд других важных функций, в том числе смазку и охлаждение подвижных пар гидрокомпонентов. Базовые параметры рабочих жидкостей должны удовлетворять техническим требованиям, предъявляемым к работе гидроприводов, обладать нетоксичными свойствами по отношению к людям. Выбор рабочей жидкости зависит от ее физических свойств и реакции на внешние воздействия, возникающие в гидросистеме, например, кавитацию, перепады температур и т.п. Большинство гидравлических систем в качестве рабочих жидкостей требуют применения минеральных масел. Однако в отдельных гидроприводах они непригодны в силу негативного воздействия на окружающую среду или огнеопасности. Казалось бы, что наиболее доступной жидкостью является вода. Она пожаробезопасна, экологически чистая, практически несжимаема. Однако вода не обладает смазочными свойствами, интенсивно окисляет металлические поверхности гидрокомпонентов, закипает при относительно низких температурах и превращается в твердый лед при отрицательных ее значениях. Воду необходимо тщательно очищать от солей и примесей, которые неизбежно откладываются в каналах гидросистемы. Эти решающие факторы исключают её применение в большинстве гидросистем. Тем не менее вода используется для передачи энергии в приводах оборудования для пищевой и фармацевтической промышленности. Водомасляные эмульсии (смесь воды с минеральным маслом), обладающие очень низкой степенью воспламенения, широко применяются в гидроприводах шахтного оборудования. В странах, уделяющих повышенное внимание загрязнению окружающей среды в гидросистемах сельскохозяйственных, лесозаготовительных и других машин, часто используют биоразлагаемые масла, полученные из растительных культур. Наиболее распространёнными биологическими жидкостями, обладающими приемлемыми техническими параметрами, являются масла из рапса. Однако их производство не полностью удовлетворяет спрос.
Корнюшенко С.И., доктор наук, профессор РАЕН
MAIN PROPERTIES OF WORKING FLUIDS Kornyushenko S.I., RANS professor
In the article are considered the main properties of hydraulic fluids. Here are explained characteristics influencing the exploitation of hydraulic systems. Dependencies formulae of hydraulic oils parameters are cited. Distinctions of various fluids parameters are shown in table forms. Classification of hydraulic oils is given.
ëÇéâëíÇÄ ÉàÑêÄÇãàóÖëäàï ÜàÑäéëíÖâ ÇflÁÍÓÒÚ¸ Вязкость – это ключевой параметр рабочей жидкости. В физических терминах вязкость может быть определена как внутреннее трение, вызываемое движением частиц, составляющих массу жидкой среды, или, более просто, сопротивлением жидкости движению. Простейший эмпирический опыт определения вязкости: на гладкую наклонную поверхность одновременно выливают одинаковое количество воды и масла. Вода стекает быстрее масла. Вода более текучая, чем масло. Движущемуся маслу мешает быстро стекать более высокое трение между его молекулами (внутреннее сопротивление – вязкость). Таким образом, вязкость жидкости обратно пропорциональна ее текучести. В упрощенном виде процесс движения вязкой жидкости в трубопроводе можно рассмотреть в виде плоских параллельных слоёв АВ и СD с одинаковой площадью поверхности S, расстояние между которыми составляет величину h. Такая модель трения между слоями молекул в движущейся жидкости представлена на рис. 1. Эти два слоя (АВ и СD) перемещаются с различными скоростями (V и V + ΔV). Слой АВ, имеющий наибольшую скорость (V + ΔV), вовлекает в движение слой СD, движущийся с меньшей скоростью (V). В то же время слой СD стремится замедлить скорость слоя АВ. Трение молекул, представляющих собой сопротивление слоев потока, образует силу, которую Исаак Ньютон описал следующей формулой:
>>> Рис. 1. Трение между слоями молекул в движущейся жидкости
СТТ 1’2014
Здесь: ρ – плотность жидкости; m – масса жидкости; V – объем жидкости. Мы помним, что по второму закону Ньютона масса тела определяется частным силы (в данном случае силы тяжести или веса объема жидкости) на ускорение (здесь – свободного падения a = g).
Тогда
Отношение между динамической вязкостью (μ) и плотностью (ρ) называется кинематической вязкостью ν (ν – по-гречески – ни):
Как и динамическая, кинематическая вязкость по-прежнему измеряется в соответствии с системой СГС в сантистоксах (сСт) и в дольных величинах – стоксах (Ст): 1 ëÚ = 10-4 Ï2/Ò = 1 ÒÏ2/Ò; 1 ÒëÚ = 10-6 Ï2/Ò = 1 ÏÏ2/Ò.
Вязкость жидкости в различных измерениях градус Энглера (°Е) 2 3 4 5 7 10 15 20 30 50 70 100
секунда Сейболта градус Редвуда (“SUS) (°RJ) 65 57 102 88 135 120 175 150 245 230 350 310 520 460 700 610 1050 920 1750 1550 2450 2150 3500 3100
Таблица 1 СантиСтокс (сСт [мм2/с]) 13 22 30 38 53 76 115 150 230 380 530 760
Например: 2°Е = 7,6 · 2 · (1 – 1/23 ) = 15,2 · (0,875) = 13,3 сСт, или 9°Е = 7,6 · 9 · (1 – 1/93) = 68,4 · (0,9986) = 68,3 сСт. С целью быстрого определения стандартной вязкости гидравлического масла формула может быть упрощена следующим образом: ν (ÒëÚ) = 7,6 • °Ö (ÏÏ2/Ò)
НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ОБЪЕКТ
На практике вязкость связана соотношением массы жидкости к ее объему, т.е. с плотностью жидкости.
ОПЫТ
Здесь: F – сила тяжести (вес) единицы объема рабочей жидкости. В большинстве случаев динамическая вязкость по-прежнему измеряется в сантипуазах (сП) в соответствии с системой единиц СГС (сантиметр, грамм, секунда):
Имея кинематическую вязкость ν в мм2/с или сСт, можно перевести ее в динамическую вязкость μ, используя следующую зависимость: μ=ν•p Суммируя различные формулы перевода градусов Энглера (°Е), сантистоксов (сСт) и сантипуазов (сП), предположим, что гидравлическое масло с плотностью ρ = 910 кг/м3 имеет кинематическую вязкость 12°Е, что в единицах сСт составляет ν = 7,6 · 12 · (1 – 1/123) = 91,2 · (0,99) = 90,3 мм2/с Поскольку 1 сСт = 10-6 м2/с и 1 сП = 10-3 Н·с/м2, то динамическая вязкость будет равна μ = ν · p = 90,3 · 10-6 · 910 = 0,082 Н·с/м2 = 82 сП. В таблице 1 приведены приближённые значения вязкости жидкости в различных измерениях. СТТ 1’2014
ОБУЧЕНИЕ
Здесь: ΔV – разница скоростей движений слоев потока жидкости; h – расстояние между слоями потока жидкости; S – площадь поверхности слоя потока жидкости; μ (мю) – коэффициент, зависящий от свойства жидкости, называется абсолютной динамической вязкостью. В единицах измерения системы СИ формула выглядит следующим образом:
Величина вязкости определяется измерением времени течения жидкости через калиброванную капиллярную трубку. Это устройство калибруется с помощью стандартной жидкости известной вязкости. Для определения кинематической вязкости, измеряемой в мм2/с, время течения жидкости, измеряемое в секундах, умножается на постоянную величину. В качестве единицы сравнения используется вязкость дистиллированной воды, величина которой почти постоянна даже при изменении температуры. Коэффициент вязкости – это отношение времени в секундах, которое необходимо фиксированному объёму дистиллированной воды для истечения из калиброванного отверстия, к аналогичному значению для испытываемой жидкости. Вязкость измеряется в градусах Энглера (°Е), универсальных секундах Сейболта ("SUS) или градусах Редвуда (°RJ) в зависимости от типа применяемого вискозиметра. Три типа вискозиметров отличаются только количеством вытекающей жидкой среды. Вискозиметр, измеряющий вязкость в европейской единице градус Энглера (°Е), рассчитан на 200 см3 вытекающий жидкой среды. Вискозиметр, измеряющий вязкость в универсальных секундах Сейболта ("SUS или "SSU), используемый в США, содержит 60 см3 испытываемой жидкости. В Англии, где используются градусы Редвуда (°RJ), вискозиметр проводит измерения вязкости 50 см3 жидкости. Например, если 200 см3 определенного масла течет в десять раз медленнее, чем аналогичный объем воды, то вязкость по Энглеру составляет 10°Е. Поскольку температура является ключевым фактором, влияющим на изменение коэффициента вязкости, то измерения обычно проводятся сначала при постоянной температуре 20°С, а затем при более высоких ее значениях. Результат, таким образом, выражается путем добавления соответствующей температуры, например: 10°Е/50°С или 2,8°Е/90°С. Вязкость жидкости при 20°С выше, чем её вязкость при более высоких температурах. Гидравлические масла имеют следующую вязкость при соответствующих температурах: 190 сСт при 20°С → 45,4 сСт при 50°С → 11,3 сСт при 100°С. Для перевода значений вязкости жидкости, выраженных в градусах Энглера, в сантистоксы (мм2/с) используют следующую эмпирическую формулу: ν (cëÚ) = 7,6 • °Ö • (1 – 1/°Ö3)
ИСТОРИЯ
.
КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
53
НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ОБЪЕКТ ОПЫТ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ОБУЧЕНИЕ ИСТОРИЯ
54 КЛАССЫ КИНЕМАТИЧЕСКОЙ ВЯЗКОСТИ по стандарту ISO [сСт или мм2/с] Класс ISO VG 10 ISO VG 22 ISO VG 32 ISO VG 46 ISO VG 68 ISO VG 100
Таблица 2
ν макс (0°С)
ν ср (40°С) и (мин-макс) значения
ν мин (100°С)
90 300 420 780 1400 2560
10 (9 – 11) 22 (19,8 – 24,2) 32 (28,2 – 35,2) 46 (41,1 – 50,6) 68 (61,2 – 74,8) 100 (90 – 110)
2,4 4,1 5,0 6,1 7,8 9,9
à̉ÂÍÒ ‚flÁÍÓÒÚË Индекс вязкости (ИВ) – это параметр, коррелирующий изменение вязкости и температуры. Корреляционная зависимость является статистической взаимосвязью, в данном случае двух величин, при которой изменение температуры сопутствует систематическому изменению вязкости. Чем выше индекс вязкости, тем меньше изменения между двумя величинами, т.е. вязкость рабочей жидкости более стабильна при изменении температуры. Графики индексов вязкости показаны на рис. 2. У основ современных масел индекс вязкости ниже 95-100 единиц. Поэтому в гидросистемах машин и оборудования могут использоваться достаточно стабильные рабочие жидкости, которые ограничивают широкое изменение вязкости в условиях критических температур. Благоприятные характеристики могут поддерживаться введением в масло специальных присадок (полимеров), получаемых при перегонке нефти. Они повышают индекс вязкости масел за счет ограничения изменения вязкости в допустимом интервале. На практике при введении необходимого количества присадок низкий индекс вязкости базового масла может быть повышен до 100-105 единиц. Вместе с тем получаемая таким образом смесь ухудшает свои свойства при высоком давлении и тепловой нагрузке, снижая тем самым эффективность присадки. В силовых контурах мощных гидросистем должны применяться рабочие жидкости с индексом вязкости 100 единиц. Рабочие жидкости с присадками, повышающими индекс вязкости, применяются в контурах гидроуправления и других системах, работающих в диапазоне низких/средних давлений, в ограниченном интервале изменения тем-
>>> Рис. 2. Графики индексов вязкости
ператур, с небольшими утечками и в периодическом режиме. С возрастанием давления возрастает и вязкость, но этот процесс возникает при давлениях свыше 30,0 МПа (300 бар). На практике этим фактором часто пренебрегают. В соответствии с международными стандартами ISO коэффициент кинематической вязкости жидких сред выражается в сантистоксах: сСт (мм2/с). Измерения вязкости должны проводиться при температурах 0°С, 40°С, 100°С. В любом случае в коде марки масла вязкость должна указываться цифрой при температуре 40°С. В ГОСТ Р значение вязкости дается при 50°С. Марки масла, наиболее часто применяемые в машиностроительной гидравлике, варьируются от ISO VG 22 до ISO VG 68. В таблице 2 приведены классы кинематической вязкости гидравлических масел по стандарту ISO. На рис. 3 дана диаграмма изменения кинематической вязкости основных марок гидравлических масел в зависимости от температуры. Следует обратить внимание, что линии вязкости на графиках прямые, поскольку на оси ординат отложена логарифмическая шкала измерений. На самом деле изменение вязкости до t ≈ 20°С происходит очень быстро (нелинейно), в то время как при дальнейшем росте температуры значения вязкости понижаются и имеют тенденцию к стабильности изменения, т.е. обретают характеристику, близкую к линейной. Гидравлические масла VG 22, VG 32, VG 46, VG 68, VG 100 при температуре 40°С имеют значения вязкости, соответствующие их маркировке: 22, 32, 46, 68 и 100 сСт. Из графиков видно, что оптимальная кинематическая вязкость рабочей жидкости в гидросистемах лежит в диапазоне от 16 до 36 сСт.
Американское Общество автомобильных инженеров (Society of Automotive Engineers – SAE) установило диапазоны изменения вязкости при конкретных температурах и присвоило им соответствующие коды. Цифра, следующая за буквой W, – величина абсолютной динамической вязкости μ при 0°F (–17,7°С), а кинематическая вязкость ν определялась при 212°F (100°С). Следует заметить, что эта индексация касается всесезонных масел, применяемых в автомобильной промышленности (трансмиссионные, моторные масла и т. д.). На рис. 4 представлена таблица, по которой можно определить значения динамической и кинематической вязкости для конкретной марки масла. Например, масло марки SAE 15W-20 имеет динамическую вязкость в интервале от 2400 до 4800 сП и кинематическую вязкость при температуре 100°С в интервале от 5,7 до 9,6 сСт.
ÇÎËflÌË ‚flÁÍÓÒÚË Ì‡ ‡·ÓÚÛ „ˉ‡‚΢ÂÒÍËı ÒËÒÚÂÏ В гидросистемах рабочие жидкости не только передают энергию от насоса к гидродвигателям, но также смазывают все детали компонентов и отводят выделяемое тепло от пар трения. Не соответствующая режиму работы вязкость рабочей жидкости может серьезно нарушать эффективность всей гидросистемы. Отметим ряд основных проблем, связанных с использованием нештатных гидравлических жидкостей. Высокая вязкость рабочей жидкости (масло очень высокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям: • Повышенное сопротивление течению гидравлической жидкости вызывает излишнее падение давления в гидросистеме. • Замедление скорости управления и механических движений исполнительных механизмов. • Развитие кавитации в насосе. • Нулевое или слишком низкое выделение воздуха из масла в гидробаке. • Заметная потеря мощности (снижение КПД) гидросистемы из-за высоких затрат энергии на преодоление внутреннего трения гидравлической жидкости. • Повышенный крутящий момент первичного двигателя машины, вызываемый возрастающей нагрузкой на насосе. • Рост температуры гидравлической жидкости, порождаемый повышенным трением.
èÓÚÂfl ÏÓ˘ÌÓÒÚË „ˉÓÒËÒÚÂÏ˚. Низкая вязкость рабочей жидкости (масло невысокой плотности) приводит к следующим негативным явлениям: СТТ 1’2014
НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА
55
Таблица 3 СЖИМАЕМОСТЬ МИНЕРАЛЬНОГО МАСЛА Давление [МПа] 10,0 20,0 30,0 40,0 60,0 80,0
β [10-3 МПа-1] 0,75 0,70 0,65 0,61 0,56 0,53
ИЗМЕНЕНИЕ ОБЪЁМА (СЖИМАЕМОСТЬ) ЖИДКОСТЕЙ При воздействии перепада давления Δp = 10,0 МПа Рабочая жидкость
Таблица 4
ОБЪЕКТ ОПЫТ
Или t = 0,14 · 60 = 8,4 с. Эта величина (8,4 секунды) является временем неизбежной задержки, которое серьезно влияет на продолжительность рабочего цикла машины. Если сократить время процесса сжатия гидравлической жидкости не представляется возможным, то это можно сделать путем замены насоса на большую производительность. В данном примере насос производительностью Q = 50 дм3/мин сократит время запаздывания до 1,68 с. Рабочие жидкости для гидросистем обладают и другими важными свойствами, от которых зависит качество работы машин и оборудования. Они будут рассмотрены в следующей публикации.
КОМПЛЕКТУЮЩИЕ
ëÊËχÂÏÓÒÚ¸ При рассмотрении основных понятий гидравлики рабочая жидкость рассматривалась как несжимаемая среда. Фактически любая жидкость под действием давления сжимается. В отношении рабочих жидкостей, используемых в машиностроительной гидравлике, эмпирически установлено, что процесс сжатия обратно пропорционален величине массы жидкости на ее объем. Величина сжатия выше для минеральных масел, значительно ниже для воды и гораздо ниже для синтетических жидкостей. В простых гидросистемах низкого давления сжимаемость жидкости ничтожно мало влияет на уменьшение первоначального объема. Но в мощных машинах с гидроприводом высокого давления и крупными гидроцилиндрами сжимаемость жидкости проявляет себя заметно. У гидравлических минеральных масел при давлении в 10,0 МПа (100 бар) объём
положим, что производительность насоса гидросистемы составляет Q = 10 дм3/мин, рабочее давление 30,0 МПа при β = 0,65 · 10-3, объем исполнительного гидроцилиндра 70 дм3 (литров). При таких условиях уменьшение объема гидравлического масла составит 1,4 литра: Δ V = β · p = 0,65 · 10-3 · 70 ·30,0 = 1365 · 10-3 = 1,4 дм3. При расходе насоса Q = 10 дм3/мин время, необходимое для сжатия этого объема, т.е. время возрастания давления в гидроцилиндре до 30,0 МПа, определится из соотношения
ОБУЧЕНИЕ
Падение объемного КПД насосов в результате возрастающих внутренних утечек. Возрастание внутренних утечек в гидрокомпонентах всей гидросистемы – насосах, клапанах, гидрораспределителях, гидромоторах. Повышенный износ качающих узлов и заклинивание насосов по причине недостаточной вязкости рабочей жидкости, необходимой для обеспечения смазки трущихся деталей.
уменьшается на 0,7% (здесь мы пренебрегаем температурой). При этом на изменение объема сжатия в небольшой степени влияют кинематическая вязкость и тип масла. Если пренебречь упомянутыми факторами, то изменение объема (ΔV) можно описать следующей формулой: ΔV = β · V0 · (p1 – p0), β = 10-4 см2/даН = 10-4 · бар-1 = 10-3 · МПа-1 Здесь: β – коэффициент сжимаемости жидкости; V0 – объём жидкости в состоянии ее покоя; p0 и p1 – начальное и конечное давление соответственно; да – приставка образования кратных единиц; да → 10, т.е. даН = 10Н = 1 кгс. Тенденция изменения коэффициента сжимаемости жидкости (β) в зависимости от величины давления (р) показана в таблице 3. Величины изменения объема (ΔV) различных жидкостей при воздействии на них перепада давления Δp = 10,0 МПа приведены в таблице 4. При повышении давления эта величина (ΔV) возрастает. Например, гидросистема экскаватора, составляющая 400 литров (дм3), при работе под давлением 25,0 МПа (250 бар) уменьшит свой объем на 7 литров: ΔV = Vначальн. · 0,7% · p/10,0 = 400 · (0,7/100) · (25,0/10,0) = 400 · 0,007 · 2,5 = 7 дм3 (литров). В практическом выражении изменение объема влияет на рабочее время выполнения технологических операций. Пред-
Изменение объёма ΔV
Минеральное масло
0,7%
Масло на растительной основе
0,5%
Вода и эмульгированная водомасляная эмульсия
0,4%
Жидкости водогликолевые и синтетические (полимеры)
0,35%
СТТ 1’2014
ИСТОРИЯ
>>> Рис. 3. Изменение вязкости гидравлических масел в зависимости от температуры
ТЕХНИКА
>>> Рис. 4. Индексация вязкости масел по стандарту SAE (США)