|
08.07.2012 Гидравлические системы, общие сведения, контуры и компоненты.
Гидравлические масла
1. Введение
Гидравлика описывает передачу энергии и сигналов через жидкости, когда энергия подается для осуществления управления, привода и движения. Гидравлические жидкости на базе минеральных масел, синтетические и огнестойкие жидкости применяются в машинах и оборудовании всех типов. Гидравлика — это часть повседневной жизни. Едва ли найдется машина или самолет, работающие без гидравлических систем. Производители гидравлических узлов и их деталей обеспечивают практически все отрасли промышленности, включая секторы производства сельскохозяйственной и строительной техники, конвейеры, пищевую промышленность, производство упаковочных материалов, деревоперерабатывающую промышленность, станочное оборудование, судостроение, горнодобывающее и сталелитейное оборудование, авиационно-космическую технику, медицинское оборудование, природоохранную технику, а также оборудование для химических предприятий. Многие из этих отраслей промышленности занимают значимые места на мировом рынке. Технология производства гидравлических жидкостей вносит значительный вклад в их конкурентоспособность. Инновационные разработки узлов и деталей гидравлических систем и новейшие достижения в области конструкторских материалов, смазочных масел и электроники придают новые импульсы дальнейшему совершенствованию технологии гидравлики, так как:
• она является важной, обеспечивает экономическую эффективность многих областей применения;
• вездесуща — она применяется как в стационарных, так и в мобильных условиях повсюду в мире;
• экологически безвредна, она применяется на экологически чувствительных предприятиях и вносит вклад в улучшение качества жизни;
• она пропагандирует упорядоченное будущее — что бы ни случилось, где бы ни потребовались силы и крутящий момент, их можно передать с помощью гидравлики;
• она ориентирована на удовлетворение нужд различных конечных потребителей.
Область технологии гидравлических жидкостей и гидравлики подразделяется на гидростатические и гидродинамические системы. В гидростатических системах для передачи энергии требуется статическое давление, т. е. высокое давление при малой скорости течения. В гидродинамических системах используется кинетическая энергия текущей жидкости, т. е. давление низкое, а скорость течения высокая. Жидкости, предназначенные для гидродинамических систем, называют энергопередающими жидкостями, а жидкости для гидростатических систем — гидравлическими маслами. Жидкость является самым важным элементом гидростатических и гидродинамических систем, и ее следует рассматривать как элемент машины при проектировании, реализации и введении в эксплуатацию.
Гидравлические масла являются второй важнейшей группой смазочных мате- риалов после моторных масел. На их долю приходится приблизительно 13—14% от общего объема потребления. В 2005 г. гидравлические масла на минеральной основе составляли приблизительно 80—85% всех гидравлических масел в Германии. Доля огнестойких жидкостей на рынке составляла 7%, быстро биологически разлагаемых жидкостей — тоже около 7%, а синтетических ПАО или жидкостей на углеводородной основе — около 1%.
С начала 50-х гг. прошлого столетия производство и потребление гидравлических жидкостей стало бурно развиваться. Германский союз производителей машин и установок (Verein Deutscher Maschinen lind Anlagenbau — VDMA) в 1959 г. создал консалтинговую группу по «гидравлическим и пневматическим маслам». По данным VDMA, в 2003 г. продажи гидравлического оборудования и машин в Германии суммарно составили 4,1 млрд евро, причем доля экспорта составляла приблизительно 50%. Таким образом, разработка и производство гидравлических жидкостей — это бурно развивающаяся отрасль промышленности, которая по темпам роста значительно опережает машиностроение.
Современную гидравлику можно разделить на три основные области: стационарную, мобильную и авиационную. Каждая из этих областей выдвигает особые требования к своим компонентам и к гидравлической среде. В последние годы значительно повысились требования к эксплуатационным характеристикам гидравлических систем. Это выражается в более высоких давлениях, более высоких температурах и в меньших объемах систем, что приводит к повышению кратности циркуляции и, следовательно, нагрузки на гидравлическую среду.
Разработки в области гидравлических жидкостей, а также их правильное применение имеют колоссальное экономическое значение как в настоящее время, так и в будущем. Оптимальное применение означает экономию энергии, увеличение интервалов между сменами масла, снижение износа, увеличение сроков службы машин и, следовательно, экономию средств.
2. Принцип гидравлики — закон Паскаля
Принцип действия машины гидростатического вытеснения основан на законе Паскаля, открытом в XVII в., который гласит следующее: «Давление, приложенное в любом месте к объему жидкости, создает силу, передающуюся равномерно во всех направлениях. Эта сила действует под прямым углом к любой поверхности внутри жидкости или в контакте с ней». Таким образом, статическое давление в жидкости создает возможность передачи силы. Рисунок l иллюстрирует гидростатический принцип Паскаля. На рис.2 показан принцип действия гидравлического пресса.
3. Гидравлические системы, контуры, компоненты
Гидравлическая передача энергии характеризуется простотой ее элементов, длительными сроками службы, высокими эксплуатационными свойствами и экономичностью. Многообразие областей применения во многом обусловлено поведением гидравлических жидкостей.
3.1. Элементы гидравлической системы
Важнейшими элементами гидравлических систем являются:
• насосы и моторы (например, шестеренчатые, ротационные крыльчатые и поршневые насосы);
• гидравлические цилиндры (например, одностороннего и двухстороннего действия);
• клапаны (например, ограничители давления и регулирующие клапаны);
• компоненты контура (например, емкости для жидкости, фильтрующие системы, емкости под давлением, трубопроводная обвязка и т. д.);
• уплотнения, прокладки и эластомеры.
На рис. 3. показана схема простого гидравлического контура. Насосы и моторы испытывают высокие гидравлические нагрузки. Основные функции гидравлических жидкостей заключаются в защите (приводных механизмов и подшипников) от износа и коррозии и в снижении трения — следовательно, в снижении степени накапливания отложений.
На рис.4—7 показаны основные типы гидравлических насосов и моторов: шестеренчатые насосы, ротационные крыльчатые насосы и аксиальные поршневые насосы.
3.2. Гидравлические цилиндры
С помощью гидравлических цилиндров давление трансформируется в линейное движение, способное выполнять механическую работу. Гидравлические цилиндры могут быть одностороннего и двухстороннего действия. Функции жидкости заключаются в уплотнении и смазке поршня и направляющих, исключении прерывистого трения, минимизации износа и избежании коррозии.
3.3. Клапаны
Клапаны — это механизмы, регулирующие пуск, остановку или поток гидравлической жидкости из насоса или сосуда под давлением. Расходные клапаны снабжены заданными точками переключения. Пропорциональные и сервоприводные клапаны — это электрогидравлические механизмы, т. е. их движение пропорционально входному электрическому сигналу. Эти клапаны различаются по своей механической конструкции, статическим и динамическим свойствам и цене. Гидравлическая жидкость должна рассеивать теплоту, снижать износ, минимизировать трение и исключать коррозию и, что не менее важно, не допускать образования отложений в клапане больше предельно допустимых значений. Длительные интервалы между сменами жидкости и высокие термические нагрузки (например, вызываемые соленоидными электромагнитными клапанами) не должны приводить к образованию отложений или смолообразованию на клапанах, регулирующих расход.
3.4. Компоненты контура
Компоненты контура — это резервуары для гидравлической жидкости, систем фильтрации, сосуды под давлением и трубопроводная обвязка. Гидравлическая жидкость должна быть совместима со всеми материалами, присутствующими в этих элементах, включая все лакокрасочные покрытия.
3.5. Уплотнения, прокладки и эластомеры
В процессе эксплуатации гидравлической системы каждый элемент уплотнения полностью или частично подвержен воздействию гидравлической жидкости. Между материалом уплотнения и гидравлической средой взаимодействие неизбежно.
Гидравлическая среда может влиять на материал уплотнения, вызывая его усадку или набухание. Это, в свою очередь, влияет на объем уплотнения, а также изменяет его механические свойства — твердость, эластичность, прочность на разрыв и удельное удлинение.
Эластомерные уплотнения подвержены химическому воздействию со стороны температуры, воды, присадок и побочных продуктов окисления, содержащихся в гидравлических жидкостях. Поэтому химическая совместимость гидравлической жидкости с уплотнениями имеет очень большое значение.
Давление и пульсация жидкости оказывают механическую нагрузку на уплотнения. Кроме того, динамически нагруженные уплотнения (например, уплотнения поршня и шатуна) подвержены трению скольжения.
Физические и химические факторы оказывают непосредственное влияние на механический износ уплотнений. Набухание приводит к размягчению материала. Это может привести к увеличению трения и, следовательно, к большому износу и расходу энергии. Обычно допускается набухание уплотнений в пределах, полностью исключающих утечку гидравлических жидкостей.
Идеальная гидравлическая жидкость не должна оказывать никакого влияния на материалы уплотнений и эластомеры, одновременно обеспечивая их защиту от износа, рассеивание тепла, снижение трения и исключая накапливание отложений в трещинах. Производители уплотнений обычно испытывают свои изделия на совместимость с различными гидравлическими жидкостями и публикуют результаты этих испытаний в спецификациях. Производители смазочных масел озабочены главным образом поведением уплотнений в контакте с гидравлическими жидкостями, что подробно описано в DIN 51 524 (датированном 2006 г.), а влияние жидкостей на основе минеральных масел на материал уплотнений (стандартный эталонный эластомер (SRE) — бутадиенакрилонитрильный каучук — NBR1) подробно описано в DIN 51 521 и DIN 51 502. Эти стандарты устанавливают предельно допустимые значения для изменения объема и твердости материалов уплотнений. На эталонных жидкостях проводятся фундаментальные и сравнительные испытания. Такие жидкости характеризуются и классифицируются в соответствии со стандартом ASTM.
ASTM жидкость 2 и жидкость 3 и их преемники — жидкости IRM2 и IRM3 применяются в целях проведения испытаний. Категорически недопустимо набухание уплотнений в контакте с гидравлической жидкостью из-за опасности утечки, хотя легкое набухание допускается. Уплотнение не должно затвердевать, но слабое размягчение допустимо. Продолжительность испытания на совместимость уплотнений с гидравлической средой составляет 7 сут при температуре 100 °С.
Быстро биологически разлагаемые гидравлические жидкости на базе растительных масел, сложных эфиров и полигликолей испытывают дольше для получения более достоверных результатов. Биологически разлагаемые гидравлические жидкости в контакте со стандартными эталонными эластомерами (SRE) испытывают 1000 ч при температурах в пределах 80-100 °С в соответствии с СЕТОР R81H, ISO 6072 «Материалы уплотнений, перечисленные в этом методе, включают HNBR, FPM АС6, NBR 1 и AU сорта. Среди испытуемых свойств теперь появляются изменения в твердости, изменения в объеме, прочности на разрыв и предел прочности при удлинении. В соответствии с этим методом, испытания изменения в прочности на разрыв и пределе прочности при удлинении не должны превышать 30% и в присутствии биологически разлагаемых гидравлических жидкостей.
В табл.1 приведены общие данные по совместимости эластомеров с различными гидравлическими жидкостями..
Хорошо характеризует ситуацию поговорка «подобное растворяет подобное». Рассмотрим для наглядности неполярные эластомеры. Например, этиленпропиленовый каучук (EPDM) набухает до точки растворения в неполярных углеводородах, содержащихся в гидравлических жидкостях на базе минеральных масел. И наоборот, полярные жидкости типа HNBR (полигликоли) прекрасно работают с этими неполярными эластомерными каучуками.
Испытания эластомеров с огнестойкими гидравлическими жидкостями описаны в седьмом люксембургском отчете. Поскольку смазочные материалы пищевых сортов основаны на белых маслах и полиальфаолефинах, они используются в методиках испытаний на совместимость с эластомерами по DIN 51 524 и ISO 6743/4.
Общие положения о совместимости эластомеров должны учитывать различные процессы изготовления и различный состав эластомеров, находящих практическое применение. Например, NBR материалы содержат различные количества акрилонитрильных компонентов, и это следует иметь в виду при испытании и оценке эластомеров и смазочных материалов. В новом ISO стандарте «Гидравлическая передача энергии — совместимость между жидкостями и эластомерными материалами» (ISO ТС 131/SC7 N343. Проект), датированном 1999 г., перечислены методы, описывающие влияние жидкостей на эластомерные материалы.
|
NBR |
HNBR |
AU |
FPM
|
FPDM (без минерального масла) |
Средняя температура эластомеров в °С (постоянный рабочий диапазон) |
–30/(-40)/+100 |
–20/(-30)/+140 |
–30/+80/(+100) |
–20/+200**
|
–50/+150**
|
HL/HLP/HLPD |
+ |
+ |
+ |
+
|
–
|
минеральные масла |
|
|
|
|
|
HFD |
–
|
–
|
+*
|
+*
|
+*
|
HFC |
+
|
+
|
+*
|
–
|
+
|
HFB |
+
|
+
|
-
|
+
|
–
|
HFA |
+
|
+
|
+*
|
+
|
–
|
HETG |
+
|
+
|
+
|
+
|
–
|
HEES |
+*
|
+*
|
+*
|
+
|
–
|
HEPG |
+*
|
+
|
–
|
+
|
+
|
* Проверить применение в случае динамической нагрузки на материал уплотнения.
** Максимальная температура в воздухе. |
Символ по DIN/ISO
и 1629 ASTM D 1418
|
Химическое название
|
Торговое название |
NBR |
Бутадиенакрилонитрильный каучук |
Пербунан, Нипол, Европрен |
HNBR |
Гидроочишенный
бутадиенакрилонитрильный каучук |
Зетпол, Тейбан |
AU |
Полиуретанкаучук
(полиэфироуретановый каучук) |
Десмопан/Урепан |
FPM |
Фторкаучук (FK.M) |
Витон, Флуорел, Текнофлон |
EPDM |
Этилен-пропиленовый каучук
с диеновым сомономером |
Висталон, Буна EPG,
Кельтан |
SBR |
Бутадиенстирольный каучук |
Буна SB |
CR |
Хлорбутадиеновый каучук |
Неопрен/Хлоропрен |
PTFE |
Политетрафторэтилен (ПТФЭ) |
Гостафлон/Тефлон |
|
Роман Маслов. По материалам зарубежных изданий.
|