CC BY
36
Выбор тех или иных технических решений, устройств и изделий определит стоимость мероприятий по обеспечению промышленной чистоты. Разумеется, эта стоимость может отличаться от заложенной в расчет величины комплексного критерия эксплуатационных
затрат, и тогда потребуется соответствующая корректировка. Таким образом, последовательность проектирования мероприятий по обеспечению промышленной чистоты приобретает итерационный характер.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бродский Г.С. Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин. М., Горная Промышленность, 2004, 359 с.
2. Staley D.R. Correlating lube oil filtration Efficiencies with engine wear. SAE Technical paper 881825, 1988.
3. Григорьев М.А., Борисова Г.В. Очистка топлива в двигателях внутреннего сгорания. М., Машиностроение, 1991 - 208 с.
4. Алексеев В.И., Марченко С.Ю., Одинцов В. А. и др. Определение классов чистоты рабочих жидкостей на экскаваторах ЭО-3322А, Оборудованных фильтрами линейными и центробежным
сепаратором. Отчет №ЭК-2/505-81, Красноярск, КФ ВНИИСтройдормаш, 1982 г. -64 с.
5. Brodski G. Fluid & air purification in industrial hydraulic drives. Filtration 2000, Philadelphia, USA, 2000, 15 p.
6. Loftis T.S., Lanius M. A new method for combination full-flow and bypass filtration: Venturi Combo. Fleetguard division of Cummins Engine Co., paper No. 972957, Society of Automotive Engineers, Inc., USA, 1997, 6 p.
7. Бродский Г.С., Сухоруков А.Н., Зуев В.И., Башева А.А. Результаты испытаний фильтров и фильтрующих элементов для СДМ. М., «Строительные и дорожные машины», №11-12, 1992, с. 7.
— Коротко об авторах
Бродский Г.С. - кандидат технических наук, ЗАО «Могормаш», Москва.
-А
© Г. С. Бродский, 2006
УДК 62-82:621.225:622.23.05 Г. С. Бродский
ДЕГРАДАЦИЯ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ НАСОСОВ И МОТОРОВ ПРИ АБРАЗИВНОМ ИЗНОСЕ ПОЛИДИСПЕРСНЫМ ЗАГРЯЗНИТЕЛЕМ
одконтрольная эксплуатация
J-J. гидравлических приводов экскаваторов показала, что загрязненность рабочей жидкости является причиной 70 % простоев машин из-за отказов гидропривода [1]. Такие отказы определяют значительную недоработку ресурса (таблица) и существенное снижение энергетической эффективности привода. Необходимо иметь в виду, что эксплуатационные нагрузки на привод, существенно (в 2,5-4 раза) меньше номинальных [2], то есть в действительности резервы повышения долговечности гидрокомпонентов за счет снижения интенсивности абразивного изнашивания еще выше.
Количественная мера деградации выходных характеристик агрегата при взаимодействии с загрязненной рабочей жидкостью выражается термином «чувствительность к загрязнению» (CS, от английского "contamination sensiti-vity") [3]. Практически задача определения чувствительности к загрязнению сводится к поис-
ку взаимосвязи между геометрическими (например, размер) и физическими (например, твердость) характеристиками загрязнений с одной стороны, и интенсивностью износа поверхностей трения сопряженных деталей - с другой. Очевидно, что С8 зависит также от конструктивных особенностей агрегата, и прежде всего, геометрии сопряженных деталей, определяющей степень износа поверхностей трения при прохождении через зазор частицы определенного размера и формы.
До настоящего времени мнения исследователей об опасной крупности частиц расходятся. Так, в работе [4] рекомендуется удаление частиц, для которых ^/5аа > 1, в книге [5] этот показатель предлагается принять равным 0,5 , а в статье [6] 0,05. Многие авторы вообще считают, что все частицы размером свыше 1 мкм являются опасными и подлежат удалению [7]. В целом можно констатировать, что общепринятое представление о том, какие частицы следует считать опасными, отсутствует.
Фактическая и номинальная долговечность гидроагрегатов
Агрегат Долговечность*, мч Средняя недоработка ресурса, %
средняя максимальная минимальная номинальная
Распределитель 4021 6112 1930 12000 66,49
Насос 5965 8707 3698 7500 20,46
Гидроцилиндр 4626 6754 2868 10000 53,74
Гидромотор 7823 12517 4068 20000** 60,88
*) Под «долговечностью» в данном случае понимается наработка агрегата до замены. **) с учетом коэффициента использования в рабочем цикле
а б
Рис. 1. Закономерности движения частицы в зазоре: а - соотношение продольной и поперечной скоростей (р = 32 МПа, ^/е = 0.25); б - размер опасной частицы в зависимости от ее положения (при у/е=0 частица находится на оси зазора)
Теоретическую оценку размера безопасных, то есть не вызывающих износа, загрязнений можно получить из рассмотрения кинематики движения частицы в зазоре. Продольная составляющая скорости частицы при ламинарном потоке, имеющем место в реальных зазорах вследствие малой высоты последних, равна:
ифчд = з.(4даД)(е2.4-н2), (1)
здесь Ь - длина зазора, е - высота зазора, у - расстояние от оси потока до центра частицы.
Таким образом, на частице реализуется разница линейных скоростей, вызывающая ее вращение с угловой скоростью ю = иах1(у> - иах1(у+ас> = расу/(2 ^Ь) (2)
Тогда, с использованием уравнений Жуковского и Стокса можно показать, что скорость частицы в поперечном направлении определится в виде:
= -пргр2ас2/(96цг3Ь2)у(е2/4-у2) (3)
Соотношение скоростей частицы в различных направлениях иллюстрируется рис. 1, а.
Очевидно, что условие износа поверхности частицей формулируется как
Ь / иах1 > е / (2исге) (4)
При несоблюдении этого условия частица выйдет из зазора раньше, чем достигнет поверхности, и износа детали этой частицей не произойдет. Подставив в
последнее соотношение выражения для и иах1 , получим неравенство, определяющее размер опасной частицы: > ((12 Цг2)/(пргр)*у/е)1/2 (5)
Из уравнения следует, что, для р = =32 МПа, частицы размером менее 1,52,0 мкм, а, с учетом отклонений формы -менее 2,5-3,0 мкм являются безопасными (рис. 1, б). Кроме того, минимальный размер опасной частицы зависит не только от величины зазора, но также и от положения частицы относительно его оси. То есть, по мере увеличения зазора с течением времени, многие частицы, движущиеся вблизи оси зазора, перестанут участвовать в процессе изнашивания. Это хорошо объясняет наблюдаемые факты монотонного снижения скорости износа агрегатов при воздействии загрязнителя постоянного гранулометрического состава (рис. 2). Тем не менее, поскольку:
• зазоры в парах трения агрегатов мобильных машин достаточно малы (как правило, до 40 мкм), а под нагрузкой могут уменьшаться до размера шероховатостей (0,04-0,16 мкм) или до толщины гидростатических опорных смазочных пленок (0,1-3,0 мкм);
• вследствие динамических колебаний элементов зазоры в сопряжениях из-
меняются, зачастую приобретая клиновидную форму;
то обеспечить очистку жидкости от всех частиц, вызывающих износ, не представляется возможным.
Следовательно, при любой разумной эффективности фильтрации существенная деградация критической характеристики агрегата будет иметь место. Для гидравлических насосов и моторов последняя характеризуется объемным КПД:
П = 1 - Qa.gr / (ЧП), (6)
здесь Qagг - фактическая объемная подача, q - рабочий объем, п - частота вращения вала насоса.
Текущая величина Qagг зависит от утечек рабочей жидкости по зазорам и, естественно, снижается по мере износа поверхностей трения вследствие контакта с частицами загрязнений. При этом изменение подачи вследствие износа поверхностей трения определится как
ДQ = ЦДООи..к (7)
где ДQ1 - утечки через зазор 1-й из N пар трения, имеющихся в насосе, причем [8]:
ДQl = £р13Ьр! / 1р1 [р / (12^)], (8)
здесь ер1 - высота, Ьр1, 1р1 - соответственно ширина и длина 1-й щели (зазора), р - силовой параметр нагрузки (в данном случае давление жидкости).
Увеличение высоты щели при воздействии частиц загрязнений может иметь место либо за счет микрорезания, если
Рис. 2. Закономерности изнашивания аксиально-поршневых насосов и моторов: а) Изменение объемного КПД аксиально-поршневой гидропередачи РМНА125/320 при работе на жидкости 11 класса (ГОСТ17216-2001), р = 25 МПа, п = 25 об/с (стендовыересурсныге испытания)
размеры частицы и зазора близки, либо за счет ударно-гидроабразивного износа, если размер частиц меньше размера зазора. При микрорезании глубина внедрения частицы в поверхность трения, а значит и увеличение высоты щели, прямо пропорциональна ее диаметру [10], то есть:
О? (9)
где - коэффициент, определяющий степень внедрения частицы в поверхность.
Тогда единичный износ при микрорезании представим в виде:
ДWdм - 0wd П/6ЙО4. (10)
В случае ударно-гидроабразивного износа глубина внедрения частицы в поверхность трения зависит от ее диаметра и скорости. Из энергетических соображений можно считать, что единичный износ в этом случае может быть представлен как:
ДWdA - ^ щи™ 2 / 2, (11)
здесь О^ - коэффициент, аналогичный 0^ для случая ударно-гидроабрази-вного износа.
С учетом уравнения (3) и полагая у- (е/2 - йО/2) ,что соответствует моменту соприкосновения частицы с изнашиваемой поверхностью, получим:
ДWdA - 1.727-Ш-^^рЧ^й/^х
х (1 - Йс/е)2(1 - Йс/(2е))2 (12)
Согласно гипотезе линейного суммирования повреждений, износ поверхностей в результате воздействия N частиц составит
ДW - ДWd N (13)
Но, поскольку N - С / (рс п/6-Йс3^-Тс, (14)
где С - массовая концентрация частиц, рс - плотность частицы, ТО - время воз-
действия данной концентрации загрязнителя на агрегат, то, с учетом (8):
• для микрорезания
ЛWdм = 0wd р/(12^ )ер13Ър1 /(1р1 Рс)ас-е-Тс
(15)
• для гидроабразивного износа ЛWdA = 2.74-10-4 О^ bplPf2 рЧ6 е7х
х(1 - dc/ е)2 (1 - dc/(2е))2/ (^715)СТс (16) Переходя к приращениям и полагая: ЛWd = d(Wd) =d(е)b1 , (17)
а также из (8):
d(е) = d(ЛQ)[4цf 1р1 /(ер13 Ьр1 р)] (18)
получим выражение для деградации критической характеристики в результате воздействия частиц концентрации С и размером dc :
• для микрорезания
ЛQ = Фьм' ^ С Тс (19)
• для гидроабразивного износа ЛQ = Фьа [(1 - dc/е)2 (1 - ^/(2е)М6 СТс,
гата. Поэтому полученные уравнения вполне пригодны для определения CS гидрокомпонентов. При этом, поскольку любой реальный случае загрязнитель полидисперсен, следует представлять dc в виде суммы:
dcx = (Е [dj * M] / MC1}1/V, (21)
здесь Mc1 - количество частиц размером
dci.
Учитывая, что за срок службы агрегата соотношение (dc/e), с изменением е, проходит всю область допустимых значений, выражение в квадратных скобках можно положить равным некой постоянной величине aed , и тогда зависимость деградации критической характеристики агрегата от размера и концентрации воздействующих загрязнений может быть выражена в виде:
AQ = Фь aed dc/ C T0;
(22)
(20)
здесь
Фш' = 0wd р2 Ьр1 /(Цf21pl3)pf /рсе3 Фьа' = 6.940-3 О^ /(№817)р6р/Ьр1 е9
Аналитические выражения для О^ , 0wd , которое можно было бы адекватно проанализировать применительно к рассматриваемому случаю, и положить в основу конкретного расчета, до настоящего времени не получены. Тем не менее несомненно, что значения указанных коэффициентов зависят только от:
- абразивных свойств, размеров и формы частиц;
- нагрузок и скоростей;
- свойств рабочей жидкости;
- форм и конструктивных материалов поверхностей трения.
В системе принятых допущениий все указанные параметры являются постоянными в течение всего срока службы агре-
где у = 6, Фь = Фъа ои, о^ = 0,193, если dc < 5аа и у = 1, Фь= Фьм, если dc > 5аа , так как в последнем случае реализуется не ударно-гидроабразивный износ, а микрорезание.
Полученное соотношение хорошо корреспондируется с данными экспериментальных исследований. Проанализируем, например, данные С8 испытаний насосов, опубликованные в книге [3] (рис. 3). При этом учтем особенности эксперимента, выражающиеся в последовательном воздействии на насос всех марок загрязнителя АСБТО, причем в составе каждой марки представлены все фракции. Согласно уравнению (22), в результате последовательного воздействия загрязнителя марок от 1-й (5 мкм) до N мкм) удельная потеря подачи составит:
ЛQNJ' = ЛО^/С = ФьЕ{[ЦМС1 ^ )]х х|1 = 1...м| }||=1..0, (23)
здесь МС1 - количество частиц размером dcl в загрязнители марки N
Ре, ткт
а б
Рис. 3. Результаты испытаний насосов на чувствительность к загрязнению: а) - Зависимость потери подачи от концентрации загрязнителя б) - Зависимость потери подачи от максимального размера частиц загрязнений
На рис. 4 демонстрируется кривая, отображающая вычисленные значения удельной потери подачи для различных марок загрязнителя. За единицу принята удельная потеря подачи при работе на АСБТБ ] - 20 мкм. При расчете полагается у - 6 при < 40 и у - 1 при > 40 мкм. В сравнении с экспериментальными данными [3], относительная ошибка вычислений не превышает 15 %.
плуатационных задач, приходится вносить уточнения в связи с отличием физико-химического состава реального загрязни-
При использовании уравнения (3.5) для решения экс-
Рис. 4. Расчетные (черныш треугольник) и экспериментальные (белый треугольник) значения относительной удельной потери подачи насоса при износе кварцевой пылью ACFTD различной крупности
■ М{0еИа0(0е1)}/(С*М{0е!1а0(20)})
■8ит(м1*(0е1)л6}|0е1=0...40 8ит{м1*Ре1}|0е1>40
20
га ч:
5 15
га
10
<а £
0 А Ле
20 30 40 50 Размер частиц, мкм
60 70
5
0
Рис. 5. Значения эквивалентных твердостей загрязнителей в приводах мобильных машин различного назначения в сравнении с кварцевой пылью ЛСЕТП
теля от эталонной кварцевой пыли. Данные экспериментальных исследований [9], в том числе и проведенных применительно к гидронасосам [10], показывают, что, с достаточной для наших целей точностью, зависимость интенсивности износа от твердо -сти можно считать линейной. Соответственно возможно адаптировать уравнение (22) домножением на коэффициент абра-зивности
= НЬс(ес8) / НЬС(ГС8) (24)
Для практических целей предлагается оперировать понятием эквивалентной твердости, рассчитываемой для загрязнителя в целом на основании данных о составе примесей в тех или иных системах (рис. 5). Тогда уравнения (22) и (24), позволяют прогнозировать эксплуатационный ресурс гидравличесиих насосов и моторов в виде
Тс(гсз) Тс(есз)|^с£(ес8) ^с£(гс8) С(есз)/С(гс8) х хНЬс(ес8) / НЬс(гс8)] (25)
Здесь индексы (ее«) и (гсз) относятся соответственно к эталонному и реальному режимам. При этом возникают следующие ограничения по организации эталонных С8-испытаний:
- длительность реализации эталонного режима должна быть достаточна для того, чтобы величина критической характеристики снизилась до значения, сравнимого с минимально допустимым в реальном режиме;
- концентрация загрязнителя в эталонном режиме должна быть достаточно низка для того, чтобы не происходил лавинообразный износ, иными словами, коэффициент ускорения не должен быть
слишком велик. По мнению автора, концентрация не должна превышать 160 мг/л, а максимальный размер частиц 40 мкм.
Из соотношения (25) очевидно, что чем больше максимальный размер частиц, тем меньше допустимая концентрация загрязнителя. Однако в реальности меньшему максимальному размеру частиц всегда соответствует меньшая концентрация загрязнений. Поэтому более интересно представляют результаты не в виде обычно предлагаемых «профилей допустимой загрязненности» [3, 12], а как картину относительного ресурса компонентов в функции концентрации загрязнителя различного гранулометрического состава. Рис. 6 представляет подобные функции, рассчитанные применительно к аксиально-поршневому насосу для коллинеарного семейств гранулометрических кривых согласно ГОСТ17216-2001 (концентрация от 250 до 3915 частиц/мл).
Обращает на себя внимание значительная расчетная разница в значениях ресурса (до 30 раз), обычно ненаблюдаемая в реальных условиях при изменении чистоты жидкости на 4 класса. Это объясняется двумя обстоятельствами:
- в действительности загрязнитель состоит из частиц различной физической природы, и не всегда увеличение размеров или концентрации частиц имеет место за счет загрязнений идентичной абразивной способности;
- абразивный износ не является единственным видом изнашивания, присущим агрегатам привода. Он превалирует, когда загрязненность жидкости
Рис 6. Относительный ресурс гидронасосов в функции параметров загрязнителя
достаточно высока (для современных агрегатов - выше 11 класса по ГОСТ 1721671, что соответствует концентрации около 16 мг/л). Однако при дальнейшем улучшении чистоты жидкости все большее влияние на долговечность оказывают адгезионный износ и усталостное разрушение.
Автор считает, что адекватное представление об увеличении ресурса из уравнения (22-25) можно получить в пределах относительных изменений в 3-5 раз.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Бродский Г.С. Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин. М., «Гемос», 2004, 360 с.
2. Бродский Г.С., Слесарев Б.В. Повышение надежности гидропривода и совершенствование управления эксплуатацией мощных экскаваторов с использованием измерительно-информационных комплексов. «Гидравлика и Пневматика», №18, 2005, СПб.
3. Fitch E.C. Fluid contamination control. FES Inc., OK, USA, 1988 - 433 p.
4. Белянин П.Н., Данилов В.М. Промышленная чистота машин. М., Машиностроение, 1982 г. -224 с.
5. Финкельштейн З.Л. Применение и очистка рабочих жидкостей для горных машин. М., Недра, 1986 г. - 232 с.
6. Oliver G.W. Uber die Wirtschaftlichkeit der Uberwaschung der Verschmultzung bei Hydrauliksystemen von Werkzeugmaschinen - Tech-nica, 1971, No.19, s.1845-1848
7. Bugli N. Engine air induction filters competitive evaluations and design factors. "Filtra-tion'99", Chicago, USA, paper #18.
8. Абрамов Е.И., Колесниченко К.А., Маслов В. Т. Элементы гидропривода. Справочник. Киев, Техника, 1969 г. - 319 с.
9. Кащеев В.Н. Абразивное разрушение твердых тел. М., Наука, 1970 г. - 248 с
10. Коновалов В.М., Скрицкий В.Я., Рокшев-ский В.А. Очистка рабочих жидкостей в гидроприводах станков. М, Машиностроение, 1976. -288 с.
— Коротко об авторах
Бродский Г.С. - кандидат технических наук, ЗАО «Могормаш», Москва.
V-
--© Г. С. Бродский, 2006
