Эксперт Ойл
Введите название продукта:



Эксперт-ойл / Статьи / Гидравлические системы, общие сведения, контуры и компоненты.
Главная страницаКарта сайтаe-mail

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.

Гидростатический принцип Паскаля

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.

Схема простого гидравлического контура

Шестеренчатый насос

Ротационный крыльчатый насос

Радиальный поршневой насос

Аксиальный поршневой насос

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.

Таблица 1. Совместимость эластомеров с гидравлическими жидкостями

 

    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.

Адрес: г. Москва, дер. Старосырово, Симферопольское шоссе д.20 стр. 1 (Щербинская нефтебаза 11 км. от МКАД)
Телефон: (495)77-11-093, E-mail: info@expert-oil.com