Чтобы не застыла кровь в жилах

Особенности подготовки и эксплуатации гидравлических систем строительных машин в зимний период

Значительная часть накладных расходов на содержание строительных машин связана с обслуживанием их гидравлического оборудования. Особенное внимание следует уделять подготовке гидравлического оборудования к эксплуатации в наиболее сложный период – зимний.

Заметим, что требования общего характера к зимним эксплуатационным материалам, к которым относятся виды топлива; моторные, трансмиссионные и гидравлические масла, пластичные смазочные материалы и специальные жидкости, изложены в ГОСТ 25646 «Эксплуатация строительных машин. Общие требования».

Параметры выбора гидравлического масла

Специалисты считают, что при выборе гидравлического масла прежде всего следует учитывать два основных параметра. Первый – температура окружающего воздуха при эксплуатации. Второй – вязкость гидравлического масла в рабочем диапазоне температур и при низких температурах, ожидаемых в зимний период в данном регионе.

Вязкость при рабочей температуре рассчитывается, исходя из пропускной способности самых узких каналов в гидросистеме, поскольку гидравлическая жидкость должна обладать определенной скоростью протекания через эти каналы, в противном случае гидравлическое оборудование будет работать неэффективно и некорректно. По этой причине рекомендованный диапазон значений вязкости гидравлического масла указывается в руководстве по эксплуатации каждой конкретной машины.

Владельцам строительной гидравлической спецтехники следует твердо усвоить, что другие марки гидравлических масел могут применяться в машине только после официального подтверждения их пригодности изготовителем гидрооборудования или поставщиком, гарантирующим работоспособность и технический ресурс. Следовательно, необходимо требовать от поставщика гидравлических масел сертификат, удостоверяющий его качество.

Низкие температуры приводят к «коагуляции» гидравлических масел нормальной вязкости, что делает их более густыми и затрудняет прокачиваемость. Поэтому при подготовке к зимнему периоду эксплуатации в большинстве регионов нашей страны (за исключением разве что самых южных) следует обязательно заменить обычное гидравлическое масло в гидросистеме на сорт, пригодный для работы при низких температурах, то есть сохраняющий текучесть при отрицательных температурах: на маловязкое или сверхмаловязкое гидравлическое масло. При этом исключительно важно правильно подобрать гидравлическое масло и грамотно произвести замену.

Особенности гидросистем строительных машин

Итак, кроме предполагаемых температур воздуха в предстоящий зимний период на выбор сорта и вязкости гидравлического масла влияет конфигурация гидросистемы машины, потому что, как уже говорилось выше, большое значение для выбора сорта гидравлического масла имеет пропускная способность самых узких каналов в гидросистеме. Каждый тип строительных машин и оборудования имеет свою уникальную конфигурацию гидравлической системы.

Гусеничные экскаваторы – это машины, как видно из названия, на гусеничном ходу (тракторного типа), в которых используются гидравлические приводы по меньшей мере шести различных типов: привод хода, подъема стрелы, подъема рукояти с ковшом, наклона и подъема ковша, поворот надстройки экскаватора влево и вправо, также возможно использование гидропривода выдвижения телескопической рукояти ковша и т.д. Это сложный набор функций, предъявляющий особые требования к гидравлической системе экскаватора. Во время работы гидравлическая система гусеничного экскаватора выполняет все эти перемещения более или менее одновременно. Для эффективного (порой одновременного) выполнения нескольких функций в соответствии с командами оператора требуются большие объемы гидравлической жидкости. Управление этими потоками гидравлической жидкости осуществляется с помощью дифференциальных цилиндров, у которых расходы гидравлического потока в два раза превышают объемную подачу установленного в гидросистеме насоса.

Работа дифференциального гидроцилиндра строится на том, что жидкость, поступая в полость цилиндра, создает давление, необходимое для придания ускорения выдвижению штока. В полости штока рабочая жидкость находится постоянно, в полости поршня она через распределитель наполняется или сливается в бак. При обратном ходе жидкость подается в штоковую полость. При такой схеме гидроцилиндр имеет равные скорости и усилия прямого и обратного хода. Благодаря данной конструкции выдвижение штока происходит быстрее. Движение поршня и штока гидроцилиндра регулируется гидрораспределителем.

Гидропривод экскаватора должен быть способен преобразовывать 100% мощности двигателя в гидравлическую мощность. Результирующая гидростатическая мощность будет намного выше максимальной мощности двигателя. Цель состоит в оптимизации объемного расхода при каждом перемещении. По экономическим соображениям количество контуров насоса должно быть ограничено. Таким образом, оптимизация движений гидравлического оборудования машины достигается путем объединения или разделения контуров насоса. Независимое перемещение осуществляется путем регулирования гидравлических потоков через гидрораспределитель, хотя в более усовершенствованных системах используются интеллектуальное электронное управление с программным обеспечением и сенсорные технологии (GPS-навигация, лазерное нивелирование и т.д.).

Сенсорные технологии – технологии, подразумевающие использование специальных сенсорных экранов, совмещающих процессы вывода информации пользователю и ввода им новых данных в систему. В сенсорных технологиях датчики используются для получения информации путем измерения величин физических свойств материалов и преобразования их в читаемый электронным блоком управления сигнал.

В специализированной технике используются различные конфигурации гидравлических систем, зависящие от конкретного назначения машин и условий работы. Например, в конструкции (и работе) погрузчиков с бортовым поворотом и фронтальных погрузчиков также большую роль играют гидравлические системы. Эти машины в основном предназначены для погрузки и перемещения сыпучих материалов, в отличие от экскаватора и бульдозера или скрепера. Погрузчику для работы большим передним ковшом требуются три пары гидравлических цилиндров. Первая пара поднимает и опускает стрелу с ковшом. Вторая наклоняет вниз и поднимает вверх ковш для обеспечения загрузки и выгрузки. Третья пара обеспечивает движение «челюстей» ковша, что позволяет ему захватывать и удерживать валуны, элементы строительных конструкций, бревна и т.п.

Конфигурация гидравлической системы самосвала намного проще. Гидросистемы самосвалов обычно оснащаются одним или двумя большими гидроцилиндрами, назначение которых заключается в подъеме и опускании кузова. Но у этих гидроцилиндров есть пара конструктивных особенностей. Для обеспечения большей длины перемещения они часто состоят из нескольких телескопических секций. Кроме того, чтобы иметь возможность поднимать тяжелые грузы, эти цилиндры, как правило, обладают большей мощностью, чем гидроцилиндры других гидравлических строительных машин.

Специалисты подчеркивают: в гидросистемах мобильных машин, работающих в условиях экстремально низких температур, не рекомендуется устанавливать фильтры во всасывающей гидролинии, так как они создают дополнительное сопротивление потоку. Если же применять фильтры с перепускным клапаном во всасывающей линии необходимо, следует обеспечить такую пропускную способность фильтров, чтобы она не менее чем в три раза превышала номинальную подачу гидронасоса.

Тип используемого гидронасоса

По вопросу о том, что тип используемого в гидросистеме насоса является одним из факторов, по которому подбирается необходимая вязкость гидравлической жидкости, мнения опрошенных нами специалистов разошлись.

Противники этой точки зрения заявили, что, как уже говорилось выше, выбор вязкости гидравлического масла зависит от пропускной способности в самых узких местах контуров циркуляции гидравлического масла в системе. Поэтому во многих строительных машинах, оснащенных одинаковыми моделями гидронасосов, порой применяются гидравлические масла разных марок и типов.

На это сторонники вышеприведенного утверждения сообщают, что, по результатам проведенных в научных учреждениях исследований, шестеренные насосы обладают лучшей прокачиваемостью, то есть лучше справляются с плохой пропускной способностью контуров гидросистемы. Но с другой стороны, шестеренные насосы наиболее чувствительны к изменению вязкости, имеют меньший температурный диапазон высокого и стабильного к.п.д., особенно при положительных температурах.

Аксиально-поршневые насосы обладают худшей по сравнению с шестеренными насосами прокачиваемостью при низких температурах в период запуска, но менее чувствительны к изменению вязкости гидравлического масла и имеют наиболее широкий диапазон стабильного и более высокого к.п.д.

В частности, аксиально-поршневые насосы (гидромоторы) участвовавших в исследовании марок устойчиво работали при изменении вязкости от 8 до 1200 сСт, что соответствовало температуре использованного при испытаниях гидравлического масла от +60 до –40 °С.

Исследования показали, что для разных типов насосов предельные значения вязкости гидравлического масла (после которых прекращается эффективное прокачивание) отличаются. Как выяснилось, это связано с конструктивными особенностями гидронасосов. Так, для аксиально-поршневых насосов предельные значения вязкости зависят от размеров и конфигурации всасывающего тракта, то есть от гидравлического сопротивления потоку, от зазоров в качающем узле и между блоком цилиндров и распределителем. Для шестеренных насосов предельные значения вязкости масла определяются зазорами между зубчатыми шестернями с двух сторон и боковыми стенками по периметру корпуса насоса, а также между зубчатыми шестернями, находящимися в зацеплении.

Из результатов испытаний видно, что насосы с меньшим рабочим объемом способны работать при большей скорости вращения без кавитации. 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. Длительная эффективная работа насосов достигается только при такой вязкости гидравлического масла, при которой обеспечивается полное заполнение рабочего объема насосов. По итогам исследования была сформулирована рекомендация: для надежной эксплуатации объемного гидропривода в условиях экстремально низких температур лучше всего применять аксиально-поршневые регулируемые насосы с наклонным диском и со встроенным подпиточным насосом.

Выбор типа гидравлического масла

Наши консультанты отмечают, что для отечественной спецтехники, укомплектованной аксиально-поршневыми насосами, можно применять гидравлическое масло сорта МГ-15В как всесезонное в широком диапазоне температур воздуха и без предварительного подогрева. Применение в машинном парке спецтехники только двух основных сортов гидравлических масел МГ-15В и МГЕ-46В обеспечивает ее работоспособность, надежную эксплуатацию и сокращение дополнительных затрат, связанных с закупками, транспортировкой и хранением на складе большого ассортимента масел.

Кроме того, опрошенные эксперты сообщили, что некоторые владельцы спецтехники заменили в них гидравлические жидкости на жидкости с высоким индексом вязкости (VI, Viscosity Index, ИВ), которые обеспечивают более широкий диапазон рабочих температур.

Индекс вязкости – это эмпирический, безразмерный показатель, характеризующий изменение вязкости моторного масла в зависимости от температуры. Чем выше этот показатель, тем меньше гидравлическое масло теряет вязкость при изменении температуры и тем большим диапазоном рабочих температур оно обладает. Гидравлическое масло с более высоким индексом вязкости имеет лучшую текучесть при низкой температуре и обеспечивает лучшую защиту трущихся деталей при более высокой температуре, а также улучшает топливную экономичность машины в течение всего года.

На современной импортной мобильной спецтехнике сего­дня чаще всего рекомендуются к применению высокоиндексные всесезонные гидравлические масла класса HVLP (минеральные, полусинтетические и синтетические). Это гидравлические масла с современным пакетом присадок. Масла этого класса имеют более стабильные температурно-вязкостные показатели: в условиях экстремально высоких и низких температур при высоких механических и термических нагрузках они отлично работают. Производители указывают для этих масел температурный диапазон применения от –30 до +60 °С. Помимо стабильных температурных характеристик, масла этого класса обладают многофункциональным пакетом присадок, улучшающих антиокислительные, антикоррозионные, противоизносные, депрессорные, деэмульгирующие, противопенные свойства жидкости, защищают гидронасосы от износа и обладают превосходной фильтруемостью, сохраняя фильтры в рабочем состоянии.

Чем больше вязкость, тем больше потери мощности

Низкие температуры окружающего воздуха оказывают наиболее существенное влияние на работоспособность и безотказность машин с гидроприводом. Чем больше вязкость гидравлического масла, тем больше мощности приходится затрачивать насосу для его перекачивания. Например, вязкость гидравлического минерального масла МГ-15В, имеющего температуру застывания –65 °С, при температуре –50 °С повышается в 400 раз по сравнению с температурой при +50  °С. Гидравлическое минеральное масло МГЕ-46В 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.

Затраты мощности на привод насоса должны увеличиваться в соответствии с возросшей вязкостью гидравлического масла и возросшей силой трения о стенки шлангов и трубок, которую она создает, а также внутри самого насоса. Результатом является дополнительная механическая нагрузка на насос, износ его деталей и повышение температуры насоса во время работы. Воздействие повышенных температур со временем может привести к деформации деталей насоса, таких как рабочие колеса, шестерни, соединения и уплотнения. Те же причины могут привести к повреждению клапанов, гидроцилиндров и в общем всего насоса. Кроме того, в результате увеличения гидравлического сопротивления потоку в гидравлических контурах падает рабочее давление. В подвижных соединениях гидравлических механизмов повышаются силы трения.

В результате в строительных машинах возникают серьезные затруднения с запуском гидропривода в работу, а прогрев гидравлического масла до стабилизации теплового режима гидравлической системы длится довольно долго. Практически испытания показали, что (при условиях, в которых проводились исследования) в гидросистемах циклично работающих машин до наступления равновесного теплового состояния проходит от 40 до 60 минут, а в некоторых, имеющих большую протяженность трубопроводов гидросистемы и соответственно значительную поверхность их охлаждения, до 100 минут.

Производительность и экономичность работы строительных машин с гидроприводом в период холодного запуска уменьшается, так как гидронасосы работают с низким объемным к.п.д., а продолжительность рабочего цикла соответственно увеличивается.

Рекомендации по эксплуатации гидравлического оборудования при отрицательных температурах

Специалисты утверждают, что до 70% всех неисправностей в гидравлических системах происходит из-за попадания в них твердых инородных частиц и иных загрязнений. То есть чистота гидравлического масла – это залог длительной надежной эксплуатации гидравлической системы. Поэтому заправлять масло в гидравлическую систему машины следует с соблюдением всех возможных мер предосторожности, чтобы в систему не попала грязь. Масло следует пропускать через фильтр с тонкостью очистки не более 10 мкм, поскольку чистота жидкости даже на предприятии, где ее изготавливали и разливали, не всегда соответствует требованиям гидравлического оборудования.

Но чистота гидравлической жидкости – это еще не всё. Перед началом работы следует удалять снег и лед, скопившиеся в полостях машины, так как они могут затруднять движения стрелы и рукояти и создавать перегрузки, которые приведут к поломке гидроцилиндра. Рекомендуется регулярно мыть и очищать компоненты экскаватора водой под давлением и паром, чтобы удалять отложения грязи, льда и дорожных реагентов, а также полностью втягивать штоки в гидроцилиндры при каждой возможности, чтобы уменьшить коррозионное воздействие на их хромовое покрытие снега, льда и дорожных реагентов, соли.

Даже применение специальных низкотемпературных сортов гидравлических масел и уплотнений не полностью устраняет трудности, возникающие при эксплуатации, так как значительное охлаждение вызывает температурные деформации, нарушение посадок и изменение физико-химических свойств применяемых материалов (пластичности, объема, линейных размеров и др.). Перед началом работы в зимний период необходимо прогревать гидросистему, не давая ей сразу полной нагрузки. Нагрузку следует увеличивать постепенно. Таким образом можно уменьшить риск выхода из строя перепускных клапанов, разрывов уплотнительных манжет, шлангов и других повреждений.

Опыт эксплуатации машин с гидроприводом в регионах с низкими зимними температурами показал, что 60% отказов связано с неисправностями уплотняющих манжет, также часто отмечаются разрывы рукавов высокого давления, особенно в местах соединения рукавов с металлическими наконечниками, нарушается герметичность, и появляются наружные утечки рабочей жидкости. При низких температурах резиновые манжеты теряют упругие свойства, и давление на контактной поверхности уменьшается или совсем исчезает. По данным исследований, для многих марок резины 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.

Поэтому специалисты рекомендуют не реже одного раза в неделю осматривать все резиновые детали экскаватора, особенно РВД гидросистемы, которые наиболее чувствительны к негативным воздействиям зимней погоды. Срок службы гидравлических РВД обычно составляет 7000–9000 моточасов, но под влиянием низких температур резина может досрочно потерять эластичность и треснуть при сгибании. Следует немедленно заменить рукава высокого давления, в которых обнаружатся трещины или потертости, так как они могут лопнуть в любой момент, не выдержав всплесков пикового давления в гидросистеме. Если шланг лопнет, на землю вытекут десятки и сотни литров гидравлического масла, а это немалые затраты: приобретение нового масла, замена рукава высокого давления, очистка окружающей территории от пролитой жидкости.

Эксперты отрасли рекомендуют предусмотреть теплоизоляцию гидробаков и трубопроводов гидросистемы. Но при этом следует иметь в виду, что в процессе работы машины в утепленном гидробаке с нагретым в результате обратного слива гидравлическим маслом при низкой температуре окружающего воздуха происходит конденсация влаги из воздуха. Конденсированная влага оседает в виде капель на стенках бака и попадает в гидравлическое масло. Вода в гидравлическом масле не только вызывает коррозию, но резко повышает температуру его застывания со всеми вытекающими негативными последствиями. Поэтому при техническом обслуживании необходимо периодически выкручивать пробку сливного отверстия и сливать накопившийся на дне гидробака осадок воды с механическими загрязнениями.

Чего категорически нельзя делать

Гидравлические масла не рекомендуется использовать круглогодично, особенно если речь идет о подержанной технике. По мере износа в гидронасосах увеличиваются зазоры между трущимися деталями. Если используется зимнее масло, вязкость которого при сильном нагреве становится очень низкой, то масло, закачиваемое насосом, будет попросту протекать между плунжером и корпусом насоса и производительность гидронасоса резко снизится. При этом снижается не только к.п.д. насоса, но и давление в системе. Работа зимой на летнем масле может привести к масляному голоданию насоса из-за его низкой прокачиваемости. Это особенно часто происходит на технике, которая укомплектована мощными гидронасосами (автокраны, бетононасосы, экскаваторы и т.д.).

Кое-где еще применяют «народный» способ снижения вязкости загустевшего гидравлического масла: подливают в гидросистему некоторое количество дизельного топлива. Это приводит к исключительно негативным последствиям. При работе гидросистемы в гидравлическом масле образуются пузырьки воздуха. Когда в масле присутствует топливо, то внутри таких пузырьков образуется топливно-воздушная смесь. При сжатии масла в гидроцилиндрах смесь в пузырьках может воспламеняться и в результате быстро разрушает, «оплавляет» уплотнения гидроцилиндров.

Также категорически запрещается использовать в гидросистемах индустриальные масла (так называемое «веретённое масло» сорта И-20, И-30 и т.п.). В этих маслах отсутствуют необходимые присадки, которые защищают внутренние поверхности гидравлической системы от повреждений, к тому же индустриальные масла обладают очень высокой гигроскопичностью, то есть активно впитывают пары воды из воздуха. В результате в гидросистемах начинается активная коррозия деталей и возможно даже возникновение гидроударов.

В заключение еще раз подчеркнем мысль, не раз высказанную всеми опрошенными нами экспертами: следует обязательно выполнять рекомендации, содержащиеся в руководствах по эксплуатации и других технических документах машин, касающиеся применения эксплуатационных жидкостей в зимнее время.