Эффективность современных фильтрационных технологий при эксплуатации горных машин

Х. Кёльш, дипл. инж., Komatsu Mining Germany GmbH (Германия)

Г.C. Бродский, д.т.н., AGA group, Inc. (США)

Б.В. Слесарев, к.т.н., Mining Solutions (Россия)

Горные машины представляют собой дорогостоящие высокотехнологичные изделия, производство и эксплуатация которых требует значительной технической культуры. Эффективность, а зачастую даже область применения современной техники, в значительной мере определяется качеством ее обслуживания, подготовленностью персонала и оснащенностью сервисных служб. Ключевую роль при этом играет качество вспомогательных систем, которые должны обеспечить при интенсивной эксплуатации функционирование силовых агрегатов в оптимальных режимах.

Наиболее значимыми вспомогательными системами такого рода являются системы фильтрации, поскольку как минимум 75% неисправностей и 50% простоев мобильных машин обусловлены наличием загрязняющих частиц в топливе, масле, гидрожидкости и воздухе [1, 2]. Косвенным доказательством осознания важности проблемы является и то, что мировой рынок фильтрационных технологий, по сведениям аналитических агентств Standards & Poor и McIlvane Co., ежегодно возрастает на 15–20%, а в секторе мобильной техники – на 20–25%.

Многими исследователями было показано, что обеспечение надлежащей промышленной чистоты позволяет:

• многократно повысить ресурс основных агрегатов привода (рис. 1, 2);
• поднять производительность техники за счет увеличения КПД привода;
• существенно увеличить коэффициент готовности машин (рис. 3);
• уменьшить расход топлива на 7–10% [4] и гидрожидкости на 15–25%;
• сократить расходы на обслуживание и ремонт.

Прогресс в разработке и производстве качественных фильтрующих материалов, очистителей, контрольно-измерительной аппаратуры и расчетно-аналитических методов открывает широкие возможности для удовлетворения жестких требований к промышленной чистоте и соответственного повышения эффективности использования оборудования. Реализация этих возможностей должна базироваться на комплексном подходе к проектированию, изготовлению, модернизации и эксплуатации систем фильтрации, учитывающих как конструктивные особенности техники, так и специфику режимов ее эксплуатации на конкретных горных предприятиях. Естественно, рамки журнальной публикации не позволяют рассмотреть данный подход в полном объеме, поэтому ограничимся обзором технических решений, которые могут быть рекомендованы к внедрению на стадии эксплуатации горной техники.

Любая машина, поступающая на производство, снабжена штатными средствами очистки рабочих жидкостей и воздуха. Предполагается, что эти средства обеспечат назначенный изготовителем (нормативный) уровень промышленной чистоты в течение всего срока службы машины.

Однако подконтрольная эксплуатация мобильной техники на предприятиях Севера России показывает, что зачастую штатные фильтры не справляются с фактической нагрузкой и реальная загрязненность рабочих сред существенно превышает допустимую. Так, фактическая концентрация механических примесей в жидкости в в гидросистемах экскаваторов Komatsu, эксплуатирующихся на карьерах Якутии, находится в пределах от 0.002 до 0.012%, тогда как нормативному 13 классу чистоты соответствует величина 0.005% [6]. Естественно, что основные гидроагрегаты на подобных экскаваторах вырабатывают лишь 55–80% номинального ресурса (см. также данные статьи [5]).

Таким образом, если эксплуатационная надежность горной машины неудовлетворительна, и, в частности, имеют место отказы агрегатов силовых приводов, не сопровождающиеся поломками элементов рабочего оборудования, то, прежде всего, необходимы мероприятия по модернизации системы обеспечения промышленной чистоты.

Подобные мероприятия начинаются с внедрения комплекса контроля состояния рабочих жидкостей. Технической базой для этого является специальное оборудование для отбора и обработки проб, при выборе и закупке которого целесообразно базироваться на портативных средствах, что обеспечивает удобство работы в условиях горных предприятий, когда нет возможности, да и необходимости, оснащать самостоятельной лабораторией каждую структурную единицу. Такое оборудование в настоящее время производится многими изготовителями. Существуют и сборные комплекты, специально разработанные применительно к рассматриваемому случаю, например Starmine-M.FQC (табл. 1).

Задачами контроля состояния рабочих жидкостей являются определение реальной нагрузки на штатные фильтры горной машины, требований к предварительной подготовке масел и топлив, используемых для заправки, долива и замены, а также выявление необходимости постоянного контроля вязкости гидрожидкости в процессе эксплуатации.

Нагрузки на очистители зависят от интенсивности поступления загрязнений в рабочую жидкость/воздух (ξi). Для каждой из контролируемых систем величины ξi могут быть определены с использованием расчетно-экспериментальных методов [1], учитывающих конкретные особенности эксплуатации техники. Как правило, для горных машин характерна высокая интенсивность загрязнения рабочих сред, что связано с сильной запыленностью окружающего воздуха и сложностью создания «чистых» условий обслуживания.

Например, для карьерной техники можно полагать, что каждый литр заправляемого топлива или масла приносит более миллиона частиц, один кубометр воздуха в рабочей зоне машины содержит до 480 мг загрязнений, а в рабочую жидкость гидропривода поступает до 1.75·106 частиц/л за моточас эксплуатации. При этом свыше 80% загрязнений по массе составляют частицы размером от 10 до 50 мкм (рис. 4) с микротвердостью более 400 кГ/мм2, которые весьма опасны с точки зрения износа деталей.

Предварительная подготовка масел и топлив необходима в тех случаях, когда, согласно результатам контроля, их загрязненность выше нормированной для того привода или агрегата, где их предполагается использовать. Как правило, масла и топлива в состоянии поставки имеют чистоту на уровне 14–16 класса, и это означает, что из каждой бочки жидкости перед заправкой в систему необходимо удалить от 18 до 75 г загрязнений.

Постоянный контроль вязкости жидкости в процессе эксплуатации необходим в тех случаях, когда, во-первых, индекс вязкости существенно зависит от наработки машины, во-вторых, разветвленность и иные особенности конструкции гидросистемы не позволяют осуществить 100% удаление масла при сезонной замене, а, в-третьих, годовой фонд рабочего времени машины превышает 4000 часов. При эксплуатации экскаваторов на карьерах Российского Севера все эти обстоятельства присутствуют, поэтому постоянный мониторинг вязкости рекомендуется.

Важнейшим элементом контроля загрязненности и вязкости жидкости в эксплуатации является создание соответствующей базы данных, в которой накапливается «история» состояния жидкости в каждой машине, складе ГСМ или другом структурном подразделении предприятия. Наличие подобной информации позволяет не только персонифицировать ответственность за состояние той или иной единицы техники, но и существенно сократить затраты на проведение обследований, постепенно переходя к качественным экспресс-методам контроля, которые базируются на сравнении результатов измерений с комплексными, средними и эталонными показателями.

Данные контроля состояния жидкости могут быть дополнительно использованы в диагностических целях, в том числе для определения остаточного ресурса отдельных узлов двигателей и гидросистем.

На основании данных контроля можно приступить к проектированию конкретных мероприятий по обеспечению надлежащего уровня промышленной чистоты. Поскольку основной целью этих мероприятий является повышение эффективности эксплуатации техники, то неразумно руководствоваться только требованиями изготовителей машин (табл. 2), а следует стремиться к наиболее полному использованию резервов надежности основных агрегатов и добиваться экономии ресурсов за счет:

• повышения долговечности агрегатов, приводов и систем;
• снижения времени простоев мобильных машин и уменьшения расходования материалов из-за отказов агрегатов;
• повышения энергетической эффективности привода.

Из вышеизложенного понятно, что ресурсоемкость эксплуатации мобильной машины уменьшается с улучшением чистоты жидкости. При этом одновременно возрастают затраты на систему фильтрации. Поэтому экстремальный характер зависимости комплексного критерия эксплуатационных затрат от уровня промышленной чистоты очевиден.

Величину этого критерия определим в виде:

где UZ – стоимость, долл.; Tmm – срок службы, лет; EZ – годовые затраты на эксплуатацию, долл./год; BMM – фактическая годовая производительность мобильной машины, т/год, k$ – ставка кредитования; i – номер года.

Очевидно, что величины EZ и BMMсвязаны с параметрами загрязненности и вязкости рабочей жидкости, поскольку:

где ηav, η0 – средний за срок службы и номинальный КПД привода, Krdn – коэффициент технической готовности мобильной машины, EZsp, EZfuel, EZstf – соответственно, затраты на энергию, запасные части и обслуживающий персонал, включая стоимость дополнительных систем фильтрации, долл./год.

Поэтому для любого конкретного случая, с использованием данных об эксплуатационных затратах и надежности агрегатов (например, рис. 1–3) может быть вычислен оптимальный уровень промышленной чистоты (рис. 5). Следует отметить, что, в связи с имеющейся тенденцией опережающего повышения эффективности фильтров по сравнению с их стоимостью, этот уровень постоянно смещается в сторону улучшения. Естественно, для каждого предприятия оптимальные уровни промышленной чистоты будут различны, в зависимости от специфики применяемой техники, транспортной ситуации и т.п.

Оптимальная очистка рабочих жидкостей и воздуха при эксплуатации горных машин может быть достигнута за счет:

• модернизации штатных систем фильтрации;
• внедрения дополнительных «внелинейных» систем фильтрации;
• использования специального оборудования для транспортировки и заправки жидкости;
• применения регенерационных установок.

Технической основой модернизации штатных систем фильтрации являются современные фильтрующие элементы, выполняющиеся, как правило, на основе целлюлозносинтетических или стекловолоконных бумаг. Типоразмерные ряды таких фильтроэлементов с абсолютной тонкостью фильтрации (АТФ) от 1 до 30 мкм, рассчитанных на поток жидкости от 3 до 400 л/мин, производятся серийно многими изготовителями (например, фирмы Internormen, Purolator, Hydac и др.). Ориентировочная зависимость между достигаемой чистотой жидкости и АТФ применяемого фильтра показана на рис. 6.

Зачастую нет необходимости заменять штатный фильтр, но возможно в том же корпусе использовать более современный фильтрующий элемент или картридж с улучшенной характеристикой. Иногда в тех же габаритах предлагаются совершенно новые изделия, как, например, масляный фильтр Venturi Combo фирмы Fleetguard, основанный на идее параллельной фильтрации и позволяющий, в частности, снизить интенсивность износа деталей цилиндропоршневой группы дизеля на 30–50% [7]. Разумеется, применяя новые изделия, необходимо тщательно проверить соответствие их паспортных показателей условиям предполагаемого использования, прежде всего, по пропускной способности и долговечности.

Эту проверку, равно как и расчет проектного уровня чистоты, можно произвести согласно методике, изложенной в статье [8]. Кстати отметим, что достаточно простым и эффективным способом повышения долговечности фильтров за счет снижения интенсивности поступления загрязнений является применение современных сапунов с тонкостью фильтрации 1–3 мкм, предлагаемых многими изготовителями (например, фирма Des-Case Corp.).

Другим методом модернизации штатной системы очистки для гидравлических приводов является применение дополнительных, частичнопоточных фильтров. Эти небольшие по габаритам изделия (с АТФ 1–5 мкм), рассчитанные на поток 5–15% от номинального расхода жидкости, могут устанавливаться как параллельно основному (штатному) фильтру, так и на вспомогательных гидролиниях (например, на сливе насоса системы управления). Монтаж частичнопоточных фильтров требует, как правило, лишь незначительной модификации гидросистемы и позволяет добиться улучшения чистоты жидкости на 1–2 класса с минимальными затратами [9].

Если же вмешиваться в конструкцию гидросистемы почему-либо нежелательно, то можно использовать внелинейные фильтровальные установки, которые представляют собой насосный агрегат с независимым приводом от мини-ДВС или электродвигателя, смонтированный на раме или тележке вместе с фильтром, соединительными шлангами и необходимой арматурой. Такие установки применяются для периодической (обычно каждые 50–100 моточасов) фильтрации жидкости в баках гидравлических систем. Производительность внелинейных фильтровальных установок составляет 10–50 л/мин при тонкости фильтрации от 3 до 10 мкм, а иногда и до 0.1 мкм (фирма Triple R Manufacturing Inc.).

Рекомендуемое время очистки соответствует двадцатикратному пропусканию всего объема жидкости, имеющейся в гидросистеме, через фильтр внелинейной установки, и обычно составляет 4–8 часов. Эффективность внелинейной фильтрации существенно зависит от конструктивных особенностей гидросистемы, но, тем не менее, сходна с эффективностью частичнопоточной очистки. Несомненным достоинством этой технологии для горных предприятий является возможность применения одной внелинейной установки для обслуживания нескольких машин, а также для заправки рабочих жидкостей, наряду со специальным оборудованием.

Иногда внелинейные фильтровальные установки используют и для регенерации масел. Однако более эффективно применять для этой цели специализированные устройства, обеспечивающие многоступенчатую очистку и вакуумную дегидратацию. Подобные агрегаты с производительностью 5–15 л/мин, массой 150–300 кг, тонкостью фильтрации 1–3 мкм, обеспечивающие выходную концентрация воды 0.01–0.05% предлагаются, например, фирмами Pall и Hydac.

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.

ЛИТЕРАТУРА:

1. Brodski G. Fluid & air purification in industrial hydraulic drives. Filtration 2000, Philadelphia, USA, 2000, 15 p.

2. Dickenson T.C. Filters and filtration handbook. Oxford, Elsever Science Ltd, 1997. – 1079 p.

3. Staley D.R. Correlating lube oil filtration Efficiencies with engine wear. SAE Technical paper 881825, 1988.

4. Григорьев М.А., Борисова Г.В. Очистка топлива в двигателях внутреннего сгорания. М., Машиностроение, 1991 – 208 с.

5. Бродский Г.С., Даутов Р.Р., Слесарев Б.В. Системы обеспечения надежности гидро% привода – инструмент внедрения современной карьерной техники на горных пред% приятиях России. М., «Горная Промышленность», №1/2002, с. 45–49.

6. Алексеев В.И., Марченко С.Ю.,Одинцов В.А. и др. Определение классов чистоты ра% бочих жидкостей на экскаваторах ЭО%3322А, Оборудованных фильтрами линейны% ми и центробежным сепаратором. Отчет №ЭК%2/505%81, Красноярск, КФ ВНИИ% Стройдормаш, 1982 г. –64 с.

7. 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.

8. Бродский Г.С. Основные принципы и методы разработки экономически целесообраз% ных систем фильтрации для гидрофицированных машин. М., «Мировая горная про% мышленность», № 3/1997 г. – с. 45–57.

9. Бродский Г.С., Сухоруков А.Н., Зуев В.И., Башева А.А. Результаты испытаний филь% тров и фильтрующих элементов для СДМ. М., «Строительные и дорожные маши% ны», №11–12/1992, с. 7–9.

Журнал "Горная Промышленность" №5 (87) 2009, стр.56