Комплектующие

Современные строительно-дорожные, коммунальные и другие гидрофицированные машины являются дорогостоящими высокотехнологичными изделиями. Их производство и обслуживание требует значительного технического интеллекта. Эффективность мобильной внедорожной техники часто определяется качеством вспомогательных систем, которые при интенсивной эксплуатации машины должны обеспечивать работу силовых агрегатов в оптимальных режимах.
Очистители рабочей жидкости (РЖ) являются одними из наиболее важных вспомогательных систем гидроприводов машин. Около 75% неисправностей и 50% простоев мобильной техники обусловлено наличием загрязняющих частиц в РЖ гидроприводов. По сведениям аналитических агентств Standards & Poor и McIlvane Co, мировой рынок фильтрационных технологий в секторе мобильной техники возрастает на 20-25% ежегодно. В эти цифры входит развитие устройств фильтрации топлива, масла, воздуха для двигателей внутреннего сгорания, но и совершенствование фильтрационных систем для гидроприводов занимает заметное место.
Прогресс в разработке и освоении производств качественных фильтрующих материалов, контрольно-измерительных приборов, внедрении новых технических решений создает широкие возможности для удовлетворения жестких требований к чистоте РЖ, обусловленных всевозрастающей энерговооруженностью, сложностью конструкций, дороговизной мобильных машин.
Для решения проблемы очистки РЖ специалисту необходимо свободно разбираться в трех самостоятельных областях:
– конструктивных особенностях машины, составной частью которой является система фильтрации РЖ;
– режимах эксплуатации, включая изменение РЖ, климатических условий и т.п. во времени;
– теории и практике фильтрации.
Вместе с тем обеспечение качественной защиты гидроагрегатов от загрязнений требует осуществления полного комплекса организационных мероприятий на всех стадиях жизненного цикла машины: при проектировании, изготовлении и эксплуатации. Неаккуратность в проведении хотя бы одной регламентной операции может привести к неэффективной работе фильтров и повлечь за собой сбои в работе машины, цена которых значительно превышает стоимость самих фильтров.
Изготовить систему гидропривода машины, которая полностью бы исключала попадание загрязнений в РЖ, практически невозможно. Несмотря на все технические и конструктивные решения, направленные на максимальную блокировку путей проникновения посторонних веществ в РЖ, оно имеет место на всех стадиях жизненного цикла – от изготовления деталей и узлов машины на заводе до её эксплуатации у потребителя.
Понимание природы загрязнений, закономерностей их поступления в гидросистему является обязательным условием при проектировании систем фильтрации и последующего технического обслуживания в эксплуатации.
Существует семь основных источников попадания загрязнений в гидросистемы машин:
– изготовление деталей и узлов гидросистемы;
– сборка гидросистемы;
– заправка гидросистемы РЖ;
– износ деталей гидросистемы при эксплуатации;
– «дыхание» гидробака;
– «подсос» через уплотнения гидроцилиндров, валов насосов и моторов.
Количественно интенсивность поступления загрязнений в гидросистемы от каждого из источников может колебаться в очень широких пределах. Она зависит как от условий изготовления и эксплуатации техники, так и от конструктивных решений по блокированию путей проникновения посторонних примесей в РЖ.
При изготовлении и сборке загрязнение гидросистем происходит наиболее разнообразными частицами. Это во многом тела дробления (60-70%) и продукты различных технологических операций. Наиболее характерными загрязняющими примесями являются: металлическая стружка, абразивные пасты, сколы резины и пластика, текстильные волокна, песок и атмосферная пыль.
Для упомянутых загрязнений характерны высокая абразивность, а также большой удельный вес крупных частиц. Так, для среднестатистических рядовых производств наличие частиц размером более 5 мкм составляет 6,5·107 шт., или 1,4 грамма на литр заправленной РЖ. Для производств с современным технологическим оснащением количество частиц размером более 5 мкм составляет 0,78·107 шт., или 0,15 грамма на литр заправленной РЖ. Технологические промывки систем и предпусковые подготовки агрегатов снижают загрязнения в 10 и более раз.
Следует отметить, что не все загрязнения, попавшие в гидросистему в процессе изготовления и сборки, немедленно поступают в РЖ. Часть из них оседает в тупиковых (непроточных) полостях гидроаппаратов и трубопроводов, т.е. в местах, где скорость движения РЖ относительно низка. Отдельные частицы «прилипают» к поверхностям некоторых деталей и могут быть «сорваны» только через какое-то значительное время эксплуатации в результате действия вибрации и динамических колебаний. Практические исследования показали, что и через 700-1000 часов эксплуатации в гидросистемах ещё можно встретить остатки «заводских» загрязнений. Поэтому применение специальных методов гидродинамической и ультразвуковой промывки систем после сборки весьма эффективно.
При заправке РЖ в гидросистему проникают загрязнения, вызванные наличием примесей, возникающих при хранении, транспортировке, а также вследствие неизбежной разгерметизации системы для заливки гидравлического масла. Наиболее характерными загрязнениями при выполнении этой операции являются: смолы и высокомолекулярные соединения, шлаки, вода, микроорганизмы, песок и атмосферная пыль, текстильные волокна.
Несмотря на то что перечисленные примеси обладают большим многообразием физических свойств, загрязнения в заправляемой РЖ, как правило, содержат не более 20% высокоабразивных частиц.
Технические условия заводов-изготовителей предусматривают следующую загрязненность РЖ в состоянии поставки:
– на уровне 4·107 частиц размером более 5 мкм на литр заправляемой РЖ, т.е. 13-14-й класс чистоты по ГОСТ 17216-71 или 17/16-19/17-й класс по ISO 4406;
– на уровне 0,5·106 (0,05·107) частиц размером более 5 мкм на литр заправляемой РЖ по стандартам США и Европы, т.е. соответствует классу 16/11 по ISO 4406. Однако, по данным фирмы Internormen, обычно чистота свежего масла находится на уровне класса 17/14, что соответствует 1,3·106 частиц на литр.
Если в процессе доставки РЖ от производителя до конечного потребителя имеет место её перелив в транспортные ёмкости, то загрязненность масла существенно увеличивается и, как правило, к моменту заправки превышает все допустимые нормы.
Износ деталей гидросистемы при эксплуатации машины приводит к увеличению преимущественно металлических частиц. Основным генератором продуктов износа являются гидравлические насосы и моторы, содержащие высокоскоростные пары трения. Частицы, оторванные от поверхностей трения, попадают непосредственно в РЖ и уносятся ею из зазоров. Поэтому технологические мероприятия, позволяющие воспрепятствовать попаданию в РЖ продуктов износа, невозможны.
Например, исследования элементов аксиально-поршневых машин показали, что поверхности износа находятся в зоне омывания дренажного потока. Дренажные линии гидромашин загрязнены на 200-400%, причем наиболее высоко содержание частиц размером от 10 до 35 мкм. По-видимому, можно считать, что для большинства частиц – продуктов износа характерна именно эта крупность.
Оценка удельной интенсивности поступлений частиц размером более 5 мкм в гидросистему, по данным ресурсных испытаний, составляет 2,19·10-4 г/час или 6,4·104 частиц в час на один кубический сантиметр рабочего объема насоса/мотора.
«Дыхание» гидробака приводит к загрязнению РЖ и поверхностей гидроагрегатов мелкодисперсной (1-15 мкм) атмосферной пылью, которая в большинстве случаев содержит 40-60% высокоабразивных частиц. Этот процесс связан с неизбежным колебанием температуры РЖ при работе машин, а также изменением её уровня в гидробаке за счет цикличности работы гидроцилиндров, у которых рабочие объемы поршневых и штоковых полостей заметно отличаются. Загрязнения РЖ в гидробаке достаточно интенсивные, поскольку запыленность воздуха в рабочих зонах, например, землеройной техники может превышать 480 мг/м3.
Проникновение загрязняющих частиц в РЖ через уплотнения штоков гидроцилиндров также может быть достаточно существенным. Через большинство уплотнений проходят частицы размером до 100, а в ряде случаев и до 250 мкм. Интенсивность поступления загрязнений от данного источника составляет 1,6·10-3 грамма или 2,7·103 частиц на литр заправленной РЖ за 1 моточас.
Это обстоятельство может быть объяснено высокой адгезией загрязнений к смоченной масляной пленкой поверхности штоков, а также неправильной формой частиц, способствующей реализации «клиновых» эффектов.
Использование специальных сапунов и уплотнений для сокращения попадания в РЖ загрязнений, безусловно, эффективно, но, вследствие мелкодисперстных частиц, не позволяет существенно уменьшить загрязнения гидросистемы от данного источника.
Разборка и сборка элементов гидросистемы при ремонтах часто приводят к сверхнормативному загрязнению, особенно когда она проводится с нарушением технологического регламента, при дефиците инструментов, приспособлений и т.п. Тем не менее в практике нередко имеют место случаи ремонта гидросистем в полевых условиях силами оператора машин. Следствием таких ремонтов является быстрая потеря работоспособности гидропривода.
Загрязненность РЖ влияет на комплексные показатели надежности (например, коэффициент технической готовности) и производительности машины.
Доля отказов, вызванных механическими примесями в РЖ, в общей структуре неисправностей может быть очень велика. Многие исследователи считают, что она составляет от 60 до 90%. Наибольшие отказы наблюдаются за счет абразивного износа. Так, для аксиально-поршневых и шестеренных гидромашин доля отказов составляет до 55-58%, другой гидроаппаратуры – свыше 30%.
Естественно, что количественные показатели такого рода зависят от специфики конструкций и условий эксплуатации конкретной техники. Однако несомненно, что с повышением чистоты РЖ не только увеличиваются абсолютные значения показателей надежности, но и меняется сама структура неисправностей мобильной техники.
При изменении структуры отказов существенно снижается доля неисправностей гидромашин, гидроагрегатов и других узлов гидропривода, содержащих прецизионные пары трения. Это благотворно воздействует на комплексные параметры надежности, поскольку именно отказы насосов и гидродвигателей вызывают наибольшие потери времени на ремонт и, соответственно, простои техники.
Обобщенные данные экспериментальных исследований показали, что имеет место экспоненциальная зависимость между показателями загрязненности РЖ и надежности .Совершенно очевидно, что для выработки рациональных требований к системе фильтрации, которая обеспечила бы уровень чистоты, соответствующий оптимальному режиму эксплуатации, необходимо располагать информацией о количественном влиянии показателей загрязненности на параметры надежности агрегатов с учетом действия на них проектируемых нагрузок.
Основные закономерности процессов фильтрации широко известны. На их основании рассчитываются необходимые характеристики и примерные габариты фильтрующих устройств, а также желательные точки их размещения в гидросистеме.
Однако конкретные технические решения существенно зависят от конструктивных параметров фильтров, доступных для применения по данному назначению. Разнообразие имеющихся на рынке конструкций очищающих РЖ устройств весьма велико. Проектируя или модернизируя систему фильтрации для каждого конкретного случая, необходимо сделать правильный выбор, принимая во внимание как рабочие, так и конструктивно-технологические особенности изделия. Только на этом основании возможно определить приемлемость принятой принципиальной схемы очистки РЖ, а также рассчитать соответствующие экономические показатели.
Наиболее распространенными фильтрами в гидросистемах являются фильтры со сменными фильтрующими элементами. Номенклатура рабочих показателей включает фильтрационную, гидравлическую и ресурсную характеристики, определяемые в значительной степени параметрами фильтроэлементов. Различия в конструкциях фильтров обусловлены в основном их назначением, а также методом обслуживания.
В таблице приведена классификация гидравлических фильтров по назначению с использованием упомянутых   точек.

 Обычно для одного типоразмера крышки предусматривается 2-3 возможные длины стакана, с целью увеличения площади, а значит, и ресурса размещаемого фильтроэлемента. В нижней части стакан может иметь отверстие с пробкой для удаления отстоя. Во многих фильтрах байпасный клапан и индикатор загрязненности являются дополнительными узлами и устанавливаются по желанию потребителя. Линейные фильтры высокого давления имеют толстостенный высокопрочный корпус. Корпус фильтров низкого давления выполняется литым, преимущественно из легких сплавов, или сварным тонкостенным. Обычно соотношение рабочего и разрывного давления для линейных фильтров колеблется в пределах от 2 до 4.
Определенный интерес представляют полипропиленовые корпуса линейных фильтров, появившиеся на рынке в последние годы. Они рассчитаны на рабочее давление до 0,86 МПа при габаритных размерах до Ø190х560 мм, весят в 3,5-4 раза меньше аналогичных металлических.
Реверсивный линейный фильтр, так же как и фильтр с обратным клапаном, предназначен для пропуска потока РЖ в обе стороны и используется в основном в гидростатических трансмиссиях (закрытых гидросхемах).
Для линейных всасывающих фильтров потери давления являются критическим параметром (для большинства насосов разрежение на всасывании более 0,05 МПа недопустимо). Такие очистители размещаются между баком и всасывающим патрубком насоса. Для сохранения приемлемого ресурса площадь фильроэлемента для всасывающего фильтра приходится сильно увеличивать, что приводит к существенному росту габаритов и стоимости.

 У таких фильтров монтаж фильтроэлементов производится через верхнюю часть корпуса. Размещение дна корпуса фильтра ниже уровня РЖ в гидробаке не позволяет удалить отстой при замене фильтроэлемента, что повышает загрязнения в гидросистеме. Тем не менее в некоторых конструкциях встраиваемых фильтров воплощены технические решения, позволяющие предотвратить попадание отстоя в бак при замене фильтроэлементов.
Во всех случаях целесообразно после нескольких замен фильтроэлемента произвести полный демонтаж и промывку корпуса фильтра.
Главное отличие линейных фильтропатронов (spin-on) от линейных фильтров состоит в том, что стакан фильтропатронов является самостоятельным корпусом фильтроэлементов и заменяется одновременно с ними. Линейные фильтропатроны применяются в линиях низкого давления (до 1,5 МПа) на поток РЖ до 300 л/мин. Гидравлические характеристики фильтропатронов несколько хуже, чем у обычных корпусов. Преимуществом является удобство замены фильтроэлемента, которая может быть произведена с минимальным загрязнением окружающей среды.
В линейных фильтрах и фильтропатронах применяются фильтроэлементы из самых разнообразных материалов: целлюлозных и стеклобумаг, нетканых полотен, металлических сеток и полотен, текстильных волокон, фетра и т.п.
Фильтропатроны всасывающие представляют собой бескорпусные фильтры на основе металлической сетки с тонкостью фильтрации 80-200 мкм и номинальным перепадом давления до 0,02 МПа. Они применяются для предохранения насосов и гидросистем в целом от крупных загрязняющих частиц, которые могут оказаться в гидробаке. Тем не менее некоторые всасывающие фильтропатроны снабжены байпасным клапаном.
Фильтропатроны встраиваемые выполняются в виде фигурных фильтроэлементов (например, из пористой бронзы) на основе металлокерамики или металлических сеток, размещаемых в специальных штуцерах гидролиний. Тонкость фильтрации этих очистителей колеблется от 3 до 200 мкм. Они часто используются в электрогидравлических преобразователях, например типа «сопло-заслонка», исполняя роль страховочных фильтров, которые предохраняют калиброванные отверстия или сверхмалые зазоры от засорения.
Сапун является весьма ответственным элементом системы фильтрации. Он ограничивает поступление загрязнений в РЖ из окружающего мобильную машину воздуха при «дыхании» гидросистемы. В современных гидросистемах применяются сапуны с тонкостью фильтрации воздуха не хуже 5 мкм. Фильтроэлементы таких сапунов выполняются из целлюлозных или стеклобумаг в разборном или неразборном корпусе. Иногда сапуны снабжаются индикаторами разряжения и заливной горловиной. В некоторых конструкциях сапунов с гофрированным фильтроэлементом устанавливается пакет гидросорбента в специальной полиэфирной оболочке. Такие сапуны обеспечивают не только отсев мелкодисперсных частиц размером до 1 мкм, но и эффективное удаление воды из всасываемого воздуха. При этом на каждый литр объема сапуна может быть удержано 60-120 г воды.
Мировой рынок гидравлических фильтрующих систем широк и многообразен. Он постоянно развивается, предлагая потребителю новые технологические решения. Высокоэффективные надежные фильтры необходимы и для российской гидрофицированной техники, как при её изготовлении, так и для дальнейшей эксплуатации. Потребность в фильтрах велика. Однако отечественные производители комплектующих и расходных материалов, к сожалению, не спешат осваивать выпуск современных фильтрующих устройств.