Особенности эксплуатации объёмного гидропривода в условиях низких температур

Широкое применение гидравлического привода в самой разной технике и промышленном оборудовании является общей тенденцией современного машиностроения. Это связано с известными преимуществами гидропривода, позволяющего улучшать технико-экономические показатели машин. Однако все эти преимущества в основном относятся к условиям эксплуатации при умеренных температурах.

Машины c гидрооборудованием, выпускавшиеся до 1971 года отечественной промышленностью, не были приспособлены для эксплуатации в суровых климатических условиях Сибири, Крайнего Севера и Северо-Востока. Для этих регионов характерны низкие температуры в течение длительного периода, вечномерзлые грунты и обильные снегопады с сильным ветром.

Именно низкая температура воздуха оказывает наиболее существенное влияние на работоспособность и безотказность машин с гидроприводом. Прежде всего это связано с повышением вязкости холодной рабочей жидкости (РЖ) после длительного перерыва в работе, более 7...8 ч. При воздействии низких температур на гидравлику увеличиваются потери давления, так называемое гидравлическое сопротивление потоку, и силы трения в подвижных соединениях, затрудняется пуск гидропривода, процесс нагрева РЖ до стабилизации теплового режима гидравлической системы становится более продолжительным. Например, вязкость гидравлического масла МГ-15В, температура застывания которого –65 °С, при –50 °С повышается в 400 раз по сравнению с вязкостью при температуре +50 °С. Вязкость гидравлического масла МГЕ-46В с температурой застывания –35 °С при –15 °С равна 4000 сСт – это верхний предел прокачиваемости для пластинчатых насосов, а вязкость 2000 сСт при –5 °С – предельное значение для аксиально-поршневых насосов.

Эффективность работы гидропривода оценивают с учетом эксплуатационных свойств гидравлических масел в зависимости от температуры. Так, индустриальные трансформаторные масла ИС-12, И-12А, ИС-20, И-20А с температурой застывания –15 °С, не имеющие смазывающих свойств, не пригодны для эксплуатации машин с гидроприводом при низких температурах. Они созданы для другого целевого применения. Температура застывания масел М-8Г2 и М-10Г2 для автотракторных дизелей –15...–25 °С, и их применяют в тракторных гидросистемах только в теплый период года. С учетом таких особенностей продолжительность рабочего цикла землеройно-планировочных машин с гидроприводом увеличивается, и соответственно уменьшается их производительность в период пуска.

При пуске двигателя в условиях низких температур в начальный период насосы работают с низким объемным КПД. Соответственно снижается производительность машин, а продолжительность разогрева РЖ в гидросистеме до наступления теплового равновесия значительно возрастает. В первые 100 мин и даже более наблюдается разрежение во всасывающих гидролиниях машин (т. е. вакуум – давление значительно ниже атмосферного) от 0 до 0,02 МПа (0,002 кгс/см²).

На графике (рис. 1) показано интенсивное повышение температуры масла в гидросистемах циклично работающих машин до наступления равновесного теплового состояния (от 40 до 60 мин). Исключением оказалась гидравлическая система автогрейдера, у которого стабильное тепловое состояние наступило через 100 мин по причине большой протяженности трубопроводов гидросистемы и поверхности их охлаждения.

Из-за несоответствия свойств уплотнений и рукавов высокого давления условиям эксплуатации порой возникают даже отказы. При низких температурах резиновые уплотнения теряют упругие свойства, и давление на контактной поверхности снижается или его совсем нет. Для многих марок резин контактное давление сохраняет первоначальное значение лишь до –15...–25 °С. Дальнейшее понижение температуры приводит к резкому падению контактного давления, которое при –40...–45 °С полностью исчезает, и тогда появляются наружные утечки масла.

Опыт эксплуатации машин с гидроприводом в условиях Крайнего Севера, в Якутии и на Дальнем Востоке показал, что 60% отказов связано с уплотнениями – часто разрываются гибкие резинометаллические и резинотканевые рукава, особенно в местах соединения с металлическими наконечниками. Дополнительно расходуется не только РЖ, но и дизельное топливо, так как для поддержания в работоспособном состоянии машины с гидроприводом в суровых климатических условиях эксплуатационники не глушат двигатели с ноября по март.

В 1971 году после принятия ГОСТ 15150–69, устанавливающего исполнения условий создания машин, пригодных для эксплуатации при низких температурах, а также их эксплуатации, хранения и транспортировки, на Центральном научно-исследовательском полигоне (ЦНИП) были разработаны технические требования к гидростатическому приводу для изделий в «северном исполнении» и рекомендации по их эксплуатации. Теперь машиностроительные заводы были обязаны вводить дополнительные буквы и цифры в условное обозначение марки изделия, что давало дополнительную информацию о климатическом исполнении продукта: УХЛ – для районов с умеренным и холодным климатом, У – умеренный, ХЛ – холодный, М – умеренно-холодный морской.

Применение специальных низкотемпературных сортов гидравлических масел и уплотнений не устранило всех трудностей при эксплуатации. Значительное охлаждение вызывает температурные деформации изделий, нарушение посадки и изменение физико-химических свойств применяемых материалов – пластичности, объема, линейных размеров и др. Эта проблема является многофакторной и поэтому технически сложной, ведь работоспособное состояние мобильных машин с гидроприводом должно обеспечиваться в широком диапазоне температур: от –60 °С в Антарктике до более чем +40 °С в районах с сухим тропическим климатом.

При повышении температуры и снижении вязкости гидравлического масла ниже допустимого уровня резко возрастают объемные потери (внутренние перетечки и наружные утечки), происходит непосредственный контакт сопряженных поверхностей трения деталей, локальный нагрев, интенсивный износ и схватывание трущихся поверхностей, что может привести к частичной или полной потере работоспособности оборудования. Поэтому решающим является правильный выбор материалов, из которых изготавливается гидрооборудование, высокая точность сопряжения деталей, марка гидравлических масел, качество уплотнений и рукавов высокого давления.

В объемном гидроприводе мобильных машин основной агрегат гидросистемы – насос, состояние которого влияет на работоспособность всей машины. При эксплуатации на открытом воздухе наибольшее влияние на работоспособность насоса оказывает величина гидравлического сопротивления (потерь давления) во всасывающей магистрали при изменении температуры окружающей среды. Именно из-за снижения давления рабочий объем насоса в процессе всасывания заполняется недостаточно, что зависит в наибольшей мере от вязкости масла, скорости потока, внутреннего диаметра и длины всасывающей магистрали.

Экспериментальными исследованиями установлены пределы работоспособного состояния насосов в зависимости от температуры, на основании которых приведены технически обоснованные рекомендации по применению гидравлических масел (см. таблицу).

На рис. 2 приведены зависимости объемного hn и полного h КПД насосов от изменения температуры гидравлического масла МГ-15В при номинальных значениях давления нагнетания и частоты вращения насосов, из которых следует, что в зоне наиболее низких температур (–55...40 °С) резко снижается объемный КПД из-за того, что рабочий объем насоса не заполнен маслом по причине чрезмерно высокого гидравлического сопротивления потоку на коротком участке всасывающей магистрали, хотя уровень масла в баке был выше оси насоса примерно на 0,5 м.

На следующем участке графика (от –43 до –35 °С), несмотря на приемлемое значение объемного КПД ( 90%), работа некоторых насосов сопровождается шумом, характерным для явлений кавитации, и пульсацией потока. При интенсивном нагреве масла работа насоса быстро переходит в стабильный режим, что делает его пригодным для длительной эксплуатации.

Шестеренные насосы обеспечивают лучшую прокачиваемость, однако они чувствительны к изменению вязкости и у них меньший температурный диапазон высокого и стабильного КПД, особенно при положительных температурах. У аксиально-поршневых насосов прокачиваемость при низких температурах в период пуска хуже, но они менее чувствительны к изменениям вязкости гидравлического масла и у них более широкий диапазон стабильного и более высокого КПД. В частности, аксиально-поршневые насосы (гидромоторы) 210.20; 310.20; 310.28; 310,56; 310,112 и некоторые другие устойчиво работают при изменении вязкости от 8 до 1200 сСт. Это соответствует температуре гидравлического масла от +60 до –40 °С.

Разные предельные значения вязкости гидравлического масла МГ-15В для разных типов насосов объясняются конструктивными особенностями механизмов. У аксиально-поршневых насосов особенностью является размер и конфигурация всасывающего тракта, зазоры в качающем узле и между блоком цилиндров и распределителем, у шестеренных насосов – зазоры между зубчатыми шестернями 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 на дизельном масле 0,92...0,94, а общий (полный) – 0,83...0,85. У аксиально-поршневых насосов типа 310 объемный КПД равен 0,95, а общий – 0,91 на гидравлическом масле МГ-15В.

Приведенные на рис. 2 зависимости характерны для разомкнутых гидросистем, в 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 пуска должна быть выбрана с запасом в пределах 1,15...1,4 номинального значения в зависимости от типа установленного насоса.

Наибольшие значения общего КПД аксиально-поршневых насосов типа 210...310 на гидравлическом масле МГ-15В для многих гидросистем машин соответствуют установившемуся тепловому режиму (от –10 до +55 °С).

Для увеличения предела прокачиваемости РЖ по уровню ее вязкости следует рекомендовать организациям, эксплуатирующим мобильные машины при низких температурах, снижать частоту вращения двигателей внутреннего сгорания для привода насосов, особенно в период пуска. Эксперименты показали, что при снижении частоты вращения пластинчатого насоса на 40% диапазон его устойчивой работы по уровню вязкости РЖ увеличивается от 600...700 до 2000...2100 сСт, т. е. примерно втрое.

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), а предел прокачиваемости – вдвое.

Зависимость частоты вращения аксиально-поршневых насосов типа 210 в режиме самовсасывания от вязкости РЖ представлена на рис. 3. Наглядно видна также зависимость подачи насосов от частоты вращения для насосов разных типоразмеров в зависимости от вязкости РЖ. Насосы с меньшим рабочим объемом способны работать при большей частоте вращения. Однако характерное для всех насосов снижение подачи наступает примерно при одинаковом значении кинематической вязкости – 2500...2600 сСт. Работа всех насосов при вязкости более 2600 сСт происходит с незаполнением рабочих камер насосов и сопряжена с кавитацией.

Длительный рабочий режим для насосов можно создавать только после достижения вязкости РЖ, при которой обеспечивается полное заполнение рабочего объема насоса. Из графика (см. рис. 3) следует, что гидравлическое масло МГ-15В для аксиально-поршневых насосов можно применять как всесезонное в широком диапазоне изменения температуры без предварительного подогрева.

Применение только двух основных сортов гидравлических масел МГ-15В и МГЕ-46В обеспечивает работоспособность и надежную эксплуатацию мобильных машин и сокращает дополнительные затраты, связанные с изготовлением, транспортировкой и хранением большого ассортимента нефтепродуктов, в том числе позволяет уменьшить загрязнение гидросистем при смене сезонных гидравлических масел. Другие марки масел можно применять после официального подтверждения их пригодности изготовителем гидрооборудования или поставщиком, гарантирующим работоспособность и технический ресурс. Необходимо требовать от поставщика гидравлических масел сертификат, удостоверяющий качество.

Заливают гидравлические масла в гидросистему обязательно 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 МГ-15В ниже –25...–30 °С в фильтрах с тонкостью фильтрации 25...40 мкм открываются переливные клапаны и масло поступает на слив в бак гидросистемы. Если есть необходимость применять всасывающие фильтры с переливным клапаном, следует увеличить пропускную способность фильтров не менее трехкратной номинальной подачи насоса. Это позволит также увеличить грязеемкость фильтроэлементов и периодичность их замены.

Эксплуатируя машины с гидроприводом, надо иметь в виду, что при нагретом масле в баке и низкой температуре окружающей среды происходит конденсация влаги из воздуха. Вода может попадать в масло и затем в гидросистему. Наличие воды в гидравлическом масле не только вызывает коррозию, но и резко повышает температуру застывания, поэтому масло следует доставлять расфасованным в герметичную тару, а при доливке масла в бак – исключить возможность попадания воды в гидросистему. При техническом обслуживании эксплуатируемой техники нужно периодически отвинчивать сливные пробки и освобождать бак от накопившейся влаги и механических примесей.

И последний совет: чтобы ускорить подготовку машины к работе и для того, чтобы эффективно эксплуатировать ее при оптимальной температуре, соответствующей наиболее высокому значению общего КПД, следует предусмотреть теплоизоляцию трубопроводов и баков для гидравлического масла.