CC BY
1017
УДК 62-93
КРИТЕРИИ СТАРЕНИЯ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА СТАНКОВ В ПРОЦЕССЕ
ЭКСПЛУАТАЦИИ
Н.Н. Трушин, А.А. Чиликин
Проведён анализ критериев старения рабочей жидкости в процессе эксплуатации. В основе анализа лежит исследование изменений физико-химических параметров различных типов гидравлических масел.
Ключевые слова: рабочая жидкость, старение, вязкость, анализ.
Рабочая жидкость (РЖ) в гидравлическом приводе в первую очередь является энергоносителем. Кроме этого рабочая жидкость выполняет в гидроприводе и другие важные функции:
обеспечивает смазку трущихся поверхностей деталей гидравлических машин, аппаратов и уплотнений, в результате чего уменьшаются силы трения и интенсивность износа;
отводит тепло от нагретых элементов гидромашин и других устройств гидропривода;
уносит из гидравлических машин и аппаратов продукты износа и другие частицы загрязнения;
защищает детали гидравлических устройств от коррозии. Перечисленные функции рабочей жидкости являются важную роль в обеспечении работоспособности гидропривода, его надежности и увеличения срока службы гидравлических устройств. Условия эксплуатации рабочей жидкости в гидроприводах могут быть очень сложными. Например, температура минерального масла, используемого в качестве рабочей жидкости в большинстве промышленных гидроприводах, может достигать +120 °С, скорости потока жидкости при дросселировании - 80 м/с, а давление - 40 МПа и более.
В связи с многообразием выполняемых функций к рабочим жидкостям для гидроприводов предъявляется целый ряд основных требований, весьма противоречивых и неравноценных:
наличие оптимальной вязкости, минимально и плавно изменяющейся в рабочем диапазоне температур;
достаточно широкий рабочий диапазон температур, и достаточно низкая температура застывания;
низкий коэффициент теплового расширения; хорошая теплопроводность и высокая удельная теплоемкость; хорошие смазочные и антикоррозионные свойства; высокий модуль упругости;
химическая стабильность в процессе длительной (до 6...8 тыс. ч) эксплуатации и продолжительного хранения, устойчивость к нагреванию;
отсутствие расслаивания или разложения при длительном хранении;
малая склонность к вспениванию;
Очевидно, что одной из важных задач, решаемых при проектировании и эксплуатации гидропривода, является поддержание постоянства свойств используемой рабочей жидкости, определяющих выполнении перечисленных функции. С целью поддержания требуемых свойств рабочей жидкости в состав гидропривода входят специальные устройства - кондиционеры рабочей жидкости. К ним относятся фильтры, сепараторы, теплообменники.
Несмотря на наличие в гидросистемах кондиционеров рабочей жидкости, рабочая жидкость подвержена неизбежному изнашиванию и старению. В процессе эксплуатации в среду рабочей жидкости попадают продукты износа гидросистемы, такие как металлическая стружка и частицы резины, кроме этого может идти постепенное насыщение рабочей жидкости кислородом или идти процесс обводнения. Все эти факторы приводят к постепенной потери рабочей жидкостью своих рабочих свойств, что, по сути, является процессом изнашивания РЖ или старением. И хотя 80 % проблем с рабочей жидкостью связаны с её загрязнением, всё же рекомендуется следить за её физико-химическими свойствами, так как их изменение повлияет на общую работу гидропривода. Слежение за степенью износа рабочей жидкости, это важная задача для сохранения уровня производительности оборудования, поэтому стоит выделить параметры которые нужно подвергать постоянному или периодическому контролю: розрач-ность, вязкость, плотность, кислотность, наличие воды, электропроводность, цвет, запах.
Изменение этих параметров приводит к различным нарушениям в функционировании гидропривода. В частности, снижение смазочных или антикоррозийные свойств приводит к уменьшению сроков службы гидропривода. Например, не оптимальная вязкость или её слишком большая зависимость от режимов работы гидропривода снижают общий к.п.д. оборудования [1].
В процессе работы агрегатов, элементы гидросистемы подвергаются постоянному механическому износу. Частицы металла, резины, краски и пыли попадают в рабочую жидкость и приводят к её загрязнению. Степень загрязнения РЖ зависит её условий транспортировки и хранения, а также срока наработки гидросистемы.
Существует классификация промышленной чистоты жидкости, ГОСТ 17216-2001. Этот стандарт устанавливает 17 классов чистоты, а также количество и размеры частиц загрязнителя, которые могут находиться в объёме жидкости равном 100 ± 0,5см3. По мере работы гидропривода, масло
537
загрязняется и переходит из высшего класса - 00, в низший класс - 17. Настоящий стандарт допускает массу примесей в 17 классе не более 0.064%. Например, наличие более 3000 загрязняющих частиц размером от 100 до 200 мкм, говорит о критической степени загрязнения рабочей жидкости и необходимости её замены. Наличие большего числа загрязнений начнёт оказывать значительное влияние на РЖ, постепенно начнут изменяться её вязкостные и смазывающие свойства, поэтому наблюдение за посторонними частицам в РЖ позволяет контролировать производительность оборудования и предупреждать его поломки.
Исследования показали, что есть прямая зависимость между размерами частиц загрязнения и интенсивностью снижения КПД. На рис. 1 показана линия интенсивности износа 1 и кривая 2 интенсивности снижения КПД в зависимости от размеров частиц загрязнения [2]. Очевидно, что падение КПД снижает производительность оборудования и это может повлиять на результат его работы.
12
10
с 5
8 о а:
3 е
и
0 щ
3
а
К
1 5
/ >
1 /
2
4
с ^
к г
5 ¡5
и
0
1 Щ
5 К I
24
28
8 12 16 20 Размер частиц, мкм
Рис. 1. Характеристики износа гидросистемы: 1 - интенсивность износа; 2 - интенсивность снижения КПД
Так, например, известно, что радиально поршневые насосы подвержены износу более чем аксиально поршневые. Марка металла, из которого изготовлен насос и марка резины, из которого выполнены резиновые уплотнения будут влиять на их срок службы и соответственно чистоту РЖ.
Для продолжительной и стабильной работы гидросистемы необходимо использовать рабочую жидкость рекомендуемую производителем оборудования либо аналогичную. Здесь затрагивается второй по важности параметр рабочей жидкости - вязкость.
Вязкость любой жидкости измеряется в мм2/с. Для каждой жидкости это величина различна и зависит от физико-химических параметров жидкости, в частности от межмолекулярных сил, определяемых расстоя-
нием между молекулами этой жидкости. Это доказывает формула кинематической вязкости (1), по которой эта величина зависит от плотности жидкости Р .
п = ф (1)
Работа гидропривода в различных режимах приводит к возникновению трения между рабочей жидкостью и стенками полостей механизмов, по которым она движется, и чем тяжелее режим работы гидропривода, тем выше сила трения. Этот процесс приводит к изменению температуры масла, что вызывает изменение её вязкостных свойств. С повышением температуры, вязкость рабочей жидкости уменьшается (рис. 2), и наоборот. Это происходит из-за изменения расстояния между молекулами жидкости, оно либо увеличивается, что приводит к уменьшению её плотности, и как следствие уменьшению вязкости, или уменьшается. У обоих эффектов могут быть отрицательные последствия. При понижении вязкости РЖ начинает терять свои смазывающих свойства, что приведёт к разрыву масляной плёнки, повышению трения металла о металл и как следствие, окисление металлических поверхностей. Чрезмерное повышение вязкости масла, например, при работе оборудования в условиях крайнего севера, при температурах ниже -40 ° С, приведёт к тому, что масло станет похожим на студенистую массу, которую насос не сможет прокачать по гидросистеме.
Существует прямая зависимость вязкостных характеристик гидравлического масла от давления и температуры в гидросистеме. Зная эту зависимость и учитывая степень загрязнения РЖ, наличие присадок и режим работы гидропривода, можно автоматизировано определять настоящую вязкость масла, определять степень её износа и производить её своевременную замену. Для обычного оборудования, допустимо изменение вязкости в пределах ± 15<%, а для высокоточного - ± 10%. Такие условия делают необходимым постоянное наблюдение за вязкостью рабочей жидкости и возможное использование компьютера на оборудовании для определения степени её старения.
Зависимость кинематической вязкости приведена рис. 2. Оценивая график этот график, можно заключить, что вязкостные свойства масла опускаются до критического уровня после 60 °С. Для других типов гидравлических масел графики выглядят примерно также, отличаются только численные значения по осям абсцисс и ординат. Основываясь на подобном графике, можно определять теоретическую вязкость РЖ в определённых рабочих условиях. Дополнительно нужно учитывать, что на свойства РЖ, снижение её вязкости, оказывают влияние наличие воды и нерастворимые примеси.
Существует несколько причин изменения вязкости рабочей жидкости:
дросселирование молекул рабочей жидкости при её прохождении
через насос и дроссели;
окисление и термическое разложение РЖ; испарение лёгких фракций нефтепродуктов.
Рис. 2. Зависимость кинематической вязкости гидравлического масла МГ-30 от давления и температуры
Дросселирование - сложный процесс, и чем через большее количество препятствий проходит рабочая жидкость, тем сложнее установить степень её мятия и изменения вязкости. Однако, отмечены случаи, когда гидравлические жидкости за 400 ч работы насоса на испытательном стенде, нагружение которого осуществлялось дросселированием жидкости до 200 кгс/см2, на 50% снизили свою вязкость [4].
В отличие от процесса окисления, влияние дросселирования на вязкость рабочей жидкости невелико. Изменения, происходящие с рабочей жидкость при её окислении появляются скорее и более заметны, а именно: увеличивается содержание в масле исходных смолистых веществ и образуются новые, повышается плотность и температура вспышки, масло приобретает более тёмный цвет [5]. Окисление масла означает увеличение его вязкости и накопление отработанных окислившихся частиц, образующих осадки на внутренних поверхностях гидросистемы, что приведёт к коррозии и, как к следствию, полному или частичному разрушению металлических поверхностей.
Степень окисления масла зависит от температуры. С повышением температуры масла на 10 градусов, степень её окисления практически удваивается, поэтому для поддержки нормальной температуры и препятствия процессу окисления используют охлаждающие установки. Способность
РЖ сохранять свои свойства при высокой температуре при наличии в ней кислорода (изменение содержания в РЖ продуктов окисления) называют термоокислительной стабильностью.
Параметр кислотного числа предусмотрен в стандартах на большинство масел. Кислотное число измеряется в мг гидроксида калия (КОН) затраченного на нейтрализацию 1 г масла. Оно характеризует содержание в масле органических кислот. То или иное предельное значение этого показателя, возрастающего обычно во время работы масла в узлах трения, может служить в ряде случаев критерием степени обработанности масла гидросистемах машин и механизмов и указывать на необходимость его замены [6].
В процессе старения жидкости параметр КОН увеличивается. Говорить о необходимости замены РЖ можно при увеличении КОН в 5-10 раз относительно базового количества. Кислотное число в РЖ на нефтяной основе (ГОСТ 5985) должно быть не выше 1.0.. .1.5 мг КОН/г при отсутствии воды в ней, и не выше 0.5.0.7 мг КОН/г при наличии воды в масле (ГОСТ 11362). Параметр КОН измеряется в химических лабораториях. Пробу масла из гидропривода рекомендовано осуществлять раз в неделю, а при значительном её окислении - раз в два дня [7].
Определять вязкость РЖ можно также исходя из её плотности, что было доказано в формуле 1. Плотностью называется скалярная величина, определяемая отношением массы тела (в нашем случае жидкости) к занимаемому объёму. Одним из физических свойств жидкости является тот факт, что при нагревании жидкость расширяется, увеличивается занимаемый объём, и соответственно, её плотность уменьшается.
Этот процесс выражается следующей линейной формулой:
р » Р11+ ЬА/, (2)
где А/ - изменение температуры, Ь/ - коэффициент температурного расширения жидкости, р и Р1 - плотность в начале и конце изменения температуры.
Посчитаем изменение плотности минерального масла с 50 °С до 75 °С. Его начальная плотность при температуре 50 °С составляет 0,855 кг/м3,
_з
коэффициент температурного расширения Р/ = 0,7 10"^ К. Таким образом:
р » 0.855-10^/ + 0.7-10_3 • 25, р » 0.8375.
Полученный ответ соответствует данными показанным на рис.3. Изучив прямую линию изменения плотности минерально масла, с индексом 2, можно увидеть, что она проходит через значения 0.855 и 0.8375 по оси ординат при значениях 50 и 75 по оси абсцисс. Данная формула подхо-
541
дит для всех типов гидравлического масла, кроме тех, которые содержат значительное количество воды.
1,15
1,10
% 1,05
m
О
^ 1-аа
hU
0
1
о 0,95
с
IZ
0,9
0,35
0,8
0 25 50 75 100 Температура,°С
Рис. 3. Зависимость плотности от температуры различных гидравлических жидкостей: 1 - вода; 2 - минеральное масло HLP 32; 3 - минеральное масло HLP 46; 4 - сложный эфир фосфорной кислоты, HFD R46; 5 - раствор вода-гликоль, HVC 46(40% Hр );
6 - раствор вода-гликоль, HFC 46 (45% H 20)
Для РЖ не основанных на воде, её присутствие в гидросистеме является таким же нежелательным, как и присутствие пыли, краски или металлической крошки. Вода в масле может находиться в виде капель, пара, или просто быть растворённой в РЖ. Даже незначительное количество (0,05-0,1 %) воды отрицательно влияет на работу гидросистем вызывая целый ряд проблем:
1. коррозия металлических поверхностей;
2. ухудшение смазывающих свойств масла;
3. вспенивание РЖ.
Активный процесс коррозии металлических элементов происходит из-за повышения активности низкомолекулярных кислот, содержащихся в масле. Также ускоряется процесс окисления углеводородов, вызывая появление шлама, забивающего узкие щели насосов, фильтров и другой аппаратуры. Коррозия затрагивает все металлы, в том числе и цветные.
Усиление трения в подвижных механизмах связано с тем, что в в смазывающем слое на их поверхности появляются микрокапли воды. Большая температурная нагрузка на этих поверхностях приведёт к испарению водных капель, и как следствию, разрыву масляной плёнки.
Вода в гидросистему чаще всего попадает из внешней среды, на-
пример при смене РЖ в гидросистеме. Также появление воды возможно из-за её утечек из теплообменника, загрязнений и неисправности уплотнений. Свежая РЖ должна отталкивать проникшую в неё в воду, т. е. сметь хорошую способность к деэмульгированию. РЖ считается водоотталкивающей если она сохраняет вязкость до 95 мм2/с при 40 С и > 95 мм2/с при 82 С. Старение РЖ негативно влияет на её диэмульгацию.
Насыщение водой и посторонними элементами, потеря вязкости, увеличение кислотного числа, это отдельные параметры РЖ, изменение которых говорит о старении РЖ. Но существует оценочная мера, измерение которой позволяет за одно исследование оценить физико-химическое состояние гидравлического масла. Эта мера - электропроводность.
Электропроводность материалов определяется строением его молекул и плотностью данного вещества. Для жидкостей в гидросистемах электропроводность определяется наличием диссоциированных примесей (крупных частиц загрязнителей) и влаги, а также электрической диссоциацией молекул данной жидкости.
Также электропроводность РЖ зависит от температуры и давления в гидросистеме. Это связано с тем, что при повышении температуры плотность масла уменьшается, что позволяет заряженным ионам увеличить свою подвижность.
Удельную проводимость РЖ можно выразить формулой:
у = А ехр( _ Т), (3)
где А и а - постоянные, характеризующие масло.
Оценка электропроводности РЖ, можно проводить с помощью специальных датчиков устанавливаемых на оборудование. Отклонение получаемых данных от нормы будет говорить о степени старения масла. Здесь стоит учитывать, что на электропроводимость масла может оказывать влияние переменное электрическое поле, в зоне которого оказалась гидросистема. В зависимости от изменения частоты электрического поля РЖ может проявлять как свойства диэлектрика, так и свойства проводника [7].
Все описанные выше параметры оценки износа РЖ можно получить только в лабораторных условиях, либо с помощью специального оборудования. Однако, большой срок работы гидравлического масла и изменение его структуры также приводят к изменению его цвета. Таким образом, полагаясь на изменение цвета РЖ можно судить о степени его старения и принять решение о замене масла.
Чаще всего масло темнеет и ухудшается его прозрачность. Это значит, что масло загрязнилось примесями, и начался процесс его окисления. Например, масло МГЕ-10А изначально прозрачное со светло-коричневым оттенком, а масло АМГ-10 прозрачное с красноватым оттенком. С течением времени они теряют свои параметры, их прозрачность снижается на-
столько, что масло становиться абсолютно чёрным. Обратный эффект оказывает попадание воды в гидравлическое масло - оно светлеет и приобретает белый оттенок.
Анализируя процессы, происходящие с РЖ в гидроприводе, становится ясным, что процесс старения масла не линеен и зависит от множества внешних и внутренних факторов. Внешними факторами являются примеси попадающие в РЖ, такие как металлическая пыль или вода. А внутренними факторами являются химическое и термическое разложение РЖ с течением времени. Они оказывают влияние на физические и химические свойства жидкости, причём тем это влияние сильнее, чем выше температура и давление в гидросистеме. И если попадание примесей мы можем избежать, устанавливая фильтры, то снижение плотности вещества нужно контролировать с помощью поддержания постоянной температуры. Согласно нашему исследованию температура РЖ важный фактор оказывающий влияние на процессы, происходящие с ней, начиная от снижения вязкости, и заканчивая повышением кислотности.
Таким образом, можно утверждать, что поддержание стабильной температуры РЖ в гидроприводе, это важный аспект в контроле степени её износа и старения. Но тем не менее, оценка степени износа рабочей жидкости гидропривода связана с одновременным анализом нескольких параметров РЖ. С целью автоматизации процесса оперативной оценки качества РЖ в процессе эксплуатации гидропривода можно предложить компьютерную систему, функционирующую на методологии искусственных нейронных сетей.
Список литературы
1. Иноземцев А.Н., Трушин Н.Н. Гидравлика. Основы проектирования и расчета объемного гидравлического привода: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2009. 224 с.
2. Васильченко В. А. Гидравлическое оборудование мобильных машин: справочник. М.: Машиностроение, 1983. 301 с.
3. Микипорис Ю.А. Интенсификация процессов в жидкостных системах мобильных машин: монография. М: КГТА, 2005. 148 с.
4. Барышев В.И. Классификация, контроль и нормирование чистоты рабочих жидкостей и масел. Вестник ЮУрГУ. Серия Машиностроение. 2005. Вып. 6. № 1. С. 149-161.
5. Александров В.Г., Майоров А.В., Потюков Н.П., Авиационный технический справочник. Изд. 2-е, перераб. и доп. М.: Транспорт, 1975. 432 с.
6. Гаркунов Д. Н. Триботехника (износ и безызносность): учебник. 4-е изд., перераб. и доп. М.: «Издательство МСХА», 2001. 616 с.
7. Эминов Е.А. Справочник по применению и нормам расхода смазочных материалов. Изд.4-е,пер. и доп. Книга 1. М.: Химия, 1977. 384 с.
8. Никитин О.Ф. Рабочие жидкости гидроприводов: учеб. пособие. М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2007. 152 с.
Трушин Николай Николаевич, д-р техн. наук, проф., trunikolaj@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,
Чиликин Алексей Александрович, асп., PNHSystems@ascii. org. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет
CRITERIA FOR AGING HYDRAULIC FLUID MACHINE DRIVE DURING OPERATION
N.N.Trushin, AA.Chilikin
Carried out the analysis of criteria of aging of working liquid in use. Research of changes of physical and chemical parameters of various types of hydraulic oils is the cornerstone of the analysis.
Key words: working liquid, aging, viscosity, analysis.
Trushin Nikolay Nikolaevich, doctor of technical science, professor, truniko-laj@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University,
Chilikin Alexei Aleksandrovich, postgraduate, PNHSystems@ascii.org.ru, Russia, Tula, Tula State University
УДК 621.9
НЕЛИНЕЙНАЯ МОДЕЛЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ
Г.В. Шадский, С.В. Сальников
Рассмотрена нелинейная модель технологической системы, описывающая релаксационный характер изменения напряженного состояния материала в зоне резания, являющегося причиной возникновения устойчивых автоколебаний резца.
Ключевые слова: математическая модель, зона резания, автоколебания, устойчивость, релаксационные явления.
Проведенные ранее исследования дискретного характера разрушения материала [1,2,3] показывают, что процесс резания можно представить в виде нелинейной системы управления, имитирующей этап образования мгновенной плоскости сдвига.
Входным сигналом в систему является заданное значение величины
