Особенности эксплуатации горных машин с гидроприводом при низких температурах
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.
На основе результатов теоретических и экспериментальных исследований гидрооборудования, выполненных на стендах в специальной камере холода Центрального Научно-исследовательского Полигона (ЦНИП) были разработаны технические требования к гидростатическому приводу для машин и промышленного оборудования (Приложение 8 к ГОСТ15150-69) в «северном исполнении».
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.
Однако даже применение специальных низкотемпературных сортов гидравлических масел и уплотнений не устраняет полностью возникающих трудностей при эксплуатации, так как значительное охлаждение вызывает температурные деформации, нарушение посадок и изменение физико-химических свойств, применяемых материалов (пластичности, объема, линейных размеров и др.). Проблема обеспечения работоспособного состояния горных машин и оборудования, работающих при широком изменении температуры (от -60°С на Крайнем Севере до +40°С в районах с жарким климатом) является многофакторной и поэтому технически сложной. При повышении температуры и снижении вязкости гидравлического масла ниже допустимого уровня возникает резкое увеличение объемных потерь (внутренние перетечки и наружные утечки), непосредственный контакт сопряженных поверхностей трения деталей, локальный нагрев, интенсивный износ и «схватывание» трущихся поверхностей. Это приводит к частичной или полной потере работоспособности гидравлического оборудования. Поэтому правильный выбор и применение материалов, из которых изготавливается гидрооборудование с высокой точностью сопряжения деталей, гидравлических масел и уплотнений, как показали результаты исследований [3, 4], являются решающими для обеспечения работоспособного состояния гидропривода при широком диапазоне изменения окружающей температуры и вязкости гидравлических масел.
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, обеспечивающие гидродинамическую смазку сопряженных поверхностей трения и удовлетворительные значения объемного КПД (не менее 80%), должны быть не ниже 18-16 сСт для шестеренных насосов; 14-12 сСт для пластинчатых насосов; 10-8 сСт для аксиально-поршневых насосов;
- 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.
ЛИТЕРАТУРА:
1. ВА. Васильченко. Технические требования к объемному гидроприводу строительных и дорожных машин в северном исполнении, «Строительные дорожные машины», №2,1969.
2. Гидравлический привод для изделий в «северном исполнении», приложение к ГОСТ 14892-69, Машины, приборы и другие технические изделия, предназначенные для эксплуатации в условиях низких температур (северное исполнение), М. 1970.
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.
