Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследований 13
1.1. Характеристики загрязненности рабочих жидкостей 14
1.2 Влияние загрязненности жидкости на надежность систем и агрегатов.. 17
1.3. Современные методы и средства очистки жидкости в системах приводов 20
1.4. Технические требования к фильтрам 36
Выводы 38
Глава 2. Закономерности формирования загрязнений в рабочих жидкостях гидроприводов при изготовлении и эксплуатации горной техники . 40
2.1. Источники и интенсивность поступления загрязнений 40
2.2 Физический состав и форма загрязнений 52
2.3. Фактический уровень загрязненности 58
2.4. Формирование гранулометрической кривой в циркуляционных системах 64
Выводы 69
Глава 3. Влияние загрязненности рабочей жидкости на надежность и экономичность горных машин 71
3.1. Качественные закономерности влияния загрязнений на надежность агрегатов и приводов горных машин 71
3.2. Исследование чувствительности агрегатов к загрязнению 84
3.3. Типовые требования изготовителей агрегатов к показателям загрязненности и экономически оптимальный уровень чистоты жидкости 115
Глава 4. Исследование и разработка систем фильтрации для гидроприводов горных машин 123
4.1. Назначение, особенности и состав систем фильтрации применительно к приводам горных машин 123
4.2 Разработка методики расчета систем фильтрации 126
4.3 Рациональные конструктивные решения при разработке и модернизации систем фильтрации 137
4.4 Исходные данные для расчета систем фильтрации 153
Выводы 155
Глава 5. Основные закономерности работы фильтров как составляющих систем фильтрации гидроприводов горных машин 157
5.1 Течение жидкости через пористые перегородки 157
5.2 Осаждение частиц загрязнений в структуре пористой перегородки 168
5.3 Характеристики поровой структуры и эффективность фильтрования 187
5.4. Изменение эффективности фильтрования в процессе работы очистителей в составе привода горных машин 196
5.5 Некоторые особенности работы фильтров для очистки воздуха 203
Выводы 207
Глава 6. Параметрические исследования и разработка фильтров, фильтроэлементов и фильтроматериалов для гидроприводов горных машин 210
6.1. Параметрические исследования фильтров со сменными фильтрующими элементами 214
6.2. Параметрические исследования фильтрующих элементов 230
6.3. Параметрические исследования фильтрующих материалов 243
6.4. Разработка фильтров и фильтрующих элементов для гидравлических приводов горных машин 265
Выводы 284
Глава 7. Экспериментальные исследования систем фильтрации гидрофицированных горных машин 286
7.1. Подконтрольная эксплуатация горных машин 286
7.2. Методы и средства контроля загрязненности жидкости, применявшиеся в ходе исследования 300
7.3. Методы и средства испытаний фильтров и фильтроэлементов, применявшиеся в ходе исследования 313
7.4. Результаты экспериментальной проверки допущений, положенных в основу принятых расчетных моделей 331
Выводы 338
Заключение 341
Библиография 344
Приложение
- Современные методы и средства очистки жидкости в системах приводов
- Формирование гранулометрической кривой в циркуляционных системах
- Типовые требования изготовителей агрегатов к показателям загрязненности и экономически оптимальный уровень чистоты жидкости
- Рациональные конструктивные решения при разработке и модернизации систем фильтрации
Введение к работе
Актуальность проблемы. Современные горные машины представляют собой дорогостоящие высокотехнологичные изделия, производство и обслуживание которых требует значительной технической культуры. Эффективность, а зачастую даже область применения техники в большой мере определяется качеством вспомогательных систем, которые должны обеспечить, при интенсивной эксплуатации, функционирование силовых агрегатов в оптимальных режимах.
Очевидно, наиболее значимыми вспомогательными системами такого рода являются системы фильтрации, поскольку как минимум 75% неисправностей и 50% простоев мобильных машин обусловлены наличием загрязняющих частиц в топливе, масле, гидрожидкости и воздухе. Косвенным доказательством важности проблемы очистки рабочих жидкостей является и то, что мировой рынок фильтрационных технологий в секторе мобильной техники возрастает на 20-25% ежегодно.
Освоение в производстве качественных фильтрующих материалов, очистителей, контрольно-измерительной аппаратуры, а также разработка соответствующих расчетно-аналитических методов создает новые возможности для удовлетворения жестких требований к промышленной чистоте, обусловленных ростом энерговооруженности мобильных машин. С другой стороны, эффективность решения конкретных задач очистки рабочих жидкостей осложняется необходимостью осуществления полного комплекса технических и организационных мероприятий на всех стадиях жизненного цикла горной техники: при проектировании, изготовлении и эксплуатации.
Таким образом, научная проблема обоснования выбора параметров и разработки систем фильтрации рабочих жидкостей является актуальной, особенно применительно к гидрофицированным горным машинам, для которых характерны:
1. высокие требования к надежности техники при условии ее работы в широком диапазоне температур и повышенной запыленности окружающего воздуха;
2. постоянное повышение энерговооруженности машин, что диктует необходимость применения современных гидроагрегатов, весьма чувствительных к загрязнению; Зг. необходимость обеспечения технологических гарантий при эксплуатации сложной и дорогостоящей техники в рядовых условиях горных предприятий; 4. крайняя важность продления эффективных сроков службы машин и агрегатов в условиях дефицита средств на ренованцию. В диссертационной работе обобщены результаты многолетних исследований, выполненных автором или при его непосредственном участии в ИГД им. А.А. Скочинского, НПО «ВНИИСтройдормаш», Компаниях «АРГИС-Холдинг», AGA Group, Inc. и ЗАО «Могормаш», а также на разрезах ПО «Экибастузуголь», «Кузбассуголь» и ОАО «Якутуголь». Работы велись по отраслевым планам Минуглепрома СССР, Минтяжмаша СССР, а также контрактам и договорам с машиностроительными и горнодобывающими предприятиями.
Цель работы. Целью работы является обоснование, выбор параметров и разработка систем фильтрации для обеспечения надежности и повышения эффективности применения гидрофицированных горных машин
Идея работы. Идея работы состоит в реализации экономически оптимальных систем фильтрации и сопутствующего комплекса эксплуатационных мероприятий на основе изучения качественных и количественных взаимосвязей характеристик надежности гидроагрегатов, параметров загрязненности рабочих жидкостей и фильтрующих устройств.
Методы исследований. При выполнении диссертационной работы использовались методы математической статистики, физико-математического моделирования и системного анализа информации, лабораторные, стендовые и эксплуатационные испытания с применением компьютерной и высокоточной измерительной техники.
7 Основные научные положения, выносимые на защиту:
Математическая модель гидросистемы с произвольной принципиальной схемой, основанная на уравнениях материального баланса и обеспечивающая прогнозирование загрязненности жидкости, является основой для выбора параметров фильтров и систем фильтрации. При моделировании следует учитывать неравномерность распределения механических примесей по гидролиниям, а также изменение интенсивности поступления загрязнений в функции условий производства и эксплуатации гидрофицированной техники.
Деградация критических . характеристик агрегатов под действием механических примесей в жидкости является степенной функцией крупности и линейной функцией концентрации загрязнителя.
Установленые закономерности изменения затрат на эксплуатацию горной техники от класса чистоты применяемых рабочих жидкостей демонстрируют наличие экстремума, причем по мере повышения энерговооруженности машин, оптимум смещается в сторону улучшения чистоты.
Функциональная зависимость перепада давления на фильтроэлементе от вязкости жидкости существенно деформирована по сравнению с регламентированной законом Дарси. Отклонение этой функции от линейности описываются соотношениями:
Apv = Арзо * vf/30 * exp(-v/2300) (500 < vf < 3500 сСт)
Apv = Арзо * vf /130 (3500 < vf < 5000 сСт)
Применительно к системам горных машин установлено, что превалирующее влияние на изменение сопротивления гидравлических фильтрующих элементов оказывает механизм фильтрования с постепенным закупориванием пор. Изменение проницаемости фильтрующих элементов для очистки воздуха имеет место, в основном, за счет фильтрования с образованием осадка.
Математическая модель рабочего процесса глубинных фильтров со звездообразной шторой демонстрирует опережающий рост грязеемкости пористой перегородки со снижением скорости фильтрации, причем данный эффект увеличивается с уменьшением отношения АРх/АРо.
8 7. Неравномерность распределения частиц механических примесей по сечению анализируемого потока является основной причиной смещения оценки загрязненности жидкости на 15-70%. Изокинетический секторный пробоотбор обеспечивает несмещенную оценку загрязненности с минимальным коэффициентом вариации.
Достоверность и обоснованность научных положений, выводов, результатов и рекомендаций подтверждается:
корректным применением аппарата теории надежности, математической статистики, физико-математического моделирования и системного анализа;
широким использованием специально разработанных и стандартных методов испытаний, а также результатов независимых экспериментальных исследований для проверки теоретических положений;
согласованностью результатов теоретических расчетов с лабораторными, стендовыми и эксплуатационными испытаниями, проведенными с использованием высокоточной измерительной и регистрирующей аппаратуры. Расхождение между расчетными и экспериментальными данными не превышает: для загрязненности жидкости - 50% класса чистоты, для ресурса фильтров - 20%, для перепада давления на фильтрах - 10%, для интенсивности поступления загрязнений - 25%, для деградации критических характеристик гидроагрегатов - 15%. Коэффициент вариации результатов при изокинетическом секторном пробоотборе - до 5%.
Научная новизна работы. Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Определены закономерности формирования загрязнений в системах приводов горных машин, в том числе установлено, что механические примеси неравномерно распределены по различным участкам и гидролиниям гидравлической системы Обоснована взаимосвязь между концентрацией загрязнений и деформацией
9 гранулометрической кривой. Разработана математическая модель, описывающая изменения загрязненности жидкости в произвольных гидролиниях многоконтурных гидросистем с учетом особенностей изменения гидравлического сопротивления фильтроэлементов в процессе работы горной машины.
Разработана математическая модель процесса изнашивания гидроагрегатов абразивными частицами. На примере аксиально-поршневых гидропередач показано, что деградация критических характеристик агрегатов под действием механических примесей в жидкости является степенной функцией крупности и линейной функцией концентрации загрязнителя.
Разработана модель рабочего процесса глубинных гидравлических фильтров с гофрированной шторой, учитывающая изменение эффективности фильтрования по толщине пористой перегородки, а также особенности граігулометрических параметров загрязнителя, характерного для условий эксплуатации горных машин.
Определены закономерности изменения гидравлической проницаемости фильтроэлементов при работе с высоковязкими жидкостями.
Установлено, что при моделировании фильтроэлементов необходимо учитывать изменения жесткости фильтрующей шторы, а при их нагружении в ходе стендовых испытаний целесообразно ограничивать концентрацию механических примесей величинами от 0.0001 до 0.0003 % по массе.
. Практическая ценность. Практическая ценность диссертационной работы:
Получены аналитические соотношения для расчета относительного ресурса агрегатов в зависимости от физико-механических свойств загрязнителя и проектируемых параметров нагружения.
Предложен комплексный критерий экономической эффективности, позволяющий определить оптимальные, с точки зрения эксплуатационных затрат, параметры систем фильтрации. Использование этого критерия позволяет производить оптимизацию технических решений и, таким образом, отказаться от ранее господствующего и вызывающего необоснованные затраты принципа «чем чище, тем лучше».
Разработана концепция обеспечения чистоты жидкости при комбинированном использовании фильтров статистической эффективности: рабочих, выбираемых по критерию долговечности, и страховочных, выбираемых по критерию пропускной способности. Создана'методика расчета систем фильтрации, определены области рациональных параметров и оптимальные точки размещения фильтров в системах гидроприводов горных машин.
Разработаны принципы оценки" качества проектирования очистителей, базирующихся на использовании критериев эффективности конструкции корпуса фильтра и фильтроэлемента, а также коэффициента экономичности фильтроматериала.
Разработана методика оптимизационного проектирования фильтрующих элементов с гофрированной шторой, позволяющая обеспечить существенную экономию фильтроматериала при одновременном улучшении потребительских характеристик фильтроэлемента.
Разработана приборно-методическая база подконтрольной эксплуатации техники, позволяющая экономично выявлять закономерности функционирования, устанавливать характеристики надежности и определять рациональные пути повышения эффективности эксплуатации горных машин.
Создана методика испытаний систем фильтрации, включающая технологические последовательности контроля загрязненности жидкости, тестирования фильтроматериалов, фильтроэлементов и фильтров и обеспечивающая экономичное получение комплексных и сопоставимых данных на всех стадиях жизненного цикла горной машины.
Разработаны фильтроэлемента, фильтры и системы фильтрации горного и иного оборудования, в том числе:
системы фильтрации и автономные (мобильные) фильтрационные установки для гидроприводов горных машин: экскаваторов ЭР-1250ОЦ, ЭШ10/70, ЭГ-5, 204М, РС-5500, буровых станков DMH, бульдозеров Д355, а также других образцов отечественной и импортной (свыше 60 наименований).
фильтроэлементы серий 690 и 667, АН, АО, АА и AF.
8.3. фильтр Ум-4680 для гидроприводов горных и строительно-дорожных
машин, удостоенный медали ВДНХ за 1989 год.
9. Выполнено методическое обеспечение для программных пакетов: «Escape
01. Программа для выбора параметров карьерных экскавационных комплексов»,
«FD 1.0-1.5. Программа для проектирования фильтров», «ARGIS-Filter
DATABASE 1.1. База данных для управления предприятием по производству
фильтров». . "
Реализация результатов работы.На основании проведенных исследований, под руководством и с непосредственным участием автора:
Внедрены в производство (Компания АРГИС) фильтроэлементы- для горных, строительно-дорожных машин и сельскохозяйственных машин, автомобильной техники и станочного оборудования (около 200 типоразмеров).
Внедрена в производство (ОАО «Ижорские заводы») система фильтрации карьерного экскаватора ЭГ-5.
Разработаны и внедрены (ОАО ХК «Якутуголь») методика и оборудование для контроля загрязненности и фильтрации жидкости в гидроприводах карьерной техники, а также методика и приборы для подконтрольной эксплуатации карьерного оборудования.
Разработаны и внедрены в производство (ЗАО «Горнопромышленная финансовая Компания») мобильные фильтровальные установки для эксплуатации горных машин.
Апробация. Основные положения и результаты работы докладывались и обсуждались на научно-технических совещаниях ГКНТ СССР, Минуглепрома и Минтяжмаша СССР, семинарах ИГД им. А.А. Скочинского, Компаний «Аргис», «Могормаш», а также на 18 конференциях в 7 странах, в том числе:
III и IV конференция «Промышленная чистота гидросистем и фильтрация»" 1988 и 1990 г.г., а также семинар «Методы ускоренных испытаний агрегатов тракторов на износ», 1988 г. (Челябинск);
45 научно-исследовательская конференция МАДИ, 1987 г.г (Москва);
Национальная ярмарка Пловдив-93 (Пловдив, Болгария);
Семинар Международного Общества Фильтрации, 1996 г., (Бирмингем, В еликобритания);
Международный семинар «Фильтровальные бумаги», 1996 г., Москва;
Конгресс Международного общества фильтрации FilTech-97, г. Дюссельдорф, Германия;
Национальный Конгресс Американского Общества Фильтрации и Сепарации, 1999 г., Бостон, США;
Международный Конгресс Filtration-2000, Филадельфия, США;
Международная Научно-практическая конференция «Актуальные проблемы разработки кимберлитовых месторождений: современное состояние и перспективы решения», 2001 г., Мирный, Якутия;
10.4-ая Международная конференция «Фильтрация на Транспорте», 2004 г., Штутгард, Германия.
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 51 печатная работа, в том числе монография и 5 авторских свидетельств.
Структура и объемработы. Диссертация состоит из введения, 7 глав и заключения. Изложена на 374 страницах машинописного текста, включая 212 рисунков, 63 таблиц, список литературы из 233 наименований и 4 приложения.
Современные методы и средства очистки жидкости в системах приводов
Фильтры со сменными фильтрующими элементами применяются во всех подсистемах фильтрации (гидропривод, ДВС, система смазки, кабина) и являются наиболее распространенными. Их конструкции подробно описаны в [9, 13, 149, 217]. Обычно для одного типоразмера фильтра предусматривается 2-3 возможных исполнения корпуса, с целью обеспечения возможности увеличения пропускной путем использования фильтрующих элементов различной длины. Во многих фильтрах байпасный клапан и индикатор загрязненности являются дополнительными узлами и устанавливаются по желанию потребителя.
Несомненный интерес представляют полипропиленовые корпуса линейных фильтров, появившиеся на рынке в последние годы. Подобные корпуса, расчитанные на рабочее давление до 0.86 МПа, при габаритных размерах до ф190 560 мм, весят в 3.5-4 раза меньше аналогичных металлических [175].
Реверсивный линейный фильтр, также как и фильтр с обратным клапаном, предназначен для пропуска потока жидкости в обе стороны и используется в гидравлических системах. Поскольку обратный поток через фильтроэлемент недопустим, то в крышке корпуса дополнительно размещается устройство для автоматического реверсирования потока. Крышка корпуса переключаемого фильтра выполняется сдвоенной, с одним входным и двумя выходными отводами. Дополнительно установленный в крышке кран, обычно шарового типа, переключает поток между фильтроэлементами [133], размещенными в двух одинаковых стаканах. В остальном конструкция этих модификаций, также, как и типы применяемых фильтроэлементов, аналогичны обычному линейному фильтру.
В системах приводов карьерной, и, прежде всего, экскавационной техники широкое распространение получили встраиваемые фильтры Основная особенность таких фильтров состоит в том, что монтаж фильтроэлемента производится через верхнюю часть корпуса. Встраиваемый фильтр состоит из верхней крышки, стакана, в котором размещен подводной канал, а также присоединение индикатора загрязненности и пробка для заполнения фильтра жидкостью, фильтроэлемента, закрываемого кожухом, в котором устроен отводной канал [88].
В некоторых конструкциях встраиваемых фильтров подводной канал соединен с внутренней полостью фильтрующего элемента и, таким образом, формируется поток жидкости «изнутри-наружу». Такое решение позволяет предотвратить попадание отстоя в бак, поскольку первый скапливается внутри фильтроэлемента и удаляется вместе с ним при замене. В конструкции дополнительно может применяться магнитный патрон. Иногда фильтры с потоком «изнутри-наружу» не имеют кожуха (рис. 1.1). При этом необходимо обеспечить 100% надежность фильтроэлемента, ибо в случае его разрыва гидробак будет сильно загрязнен кусками фильтрующей шторы. Конструктивная схема «изнутри-наружу» позволяет использовать сам фильроэлемент в качестве байпасного клапана При повышении давления во внутренней полости фильтроэлемента пружина (1, рис. 1.1) сжимается,, фильтроэлемент отходит вниз и жидкость попадает непосредственно в бак-через зазор, образующийся между стаканом и верхней крышкой элемента. Главное отличие линейных фильтропатронов (spin-on) от линейных фильтров состоит в том, что стакан является самостоятельным корпусом фильтроэлемента и заменяется одновременно с ним. Линейные фильтропатроны применяются в линиях низкого давления (до 1,5 МПа) на поток жидкости до 300 л/мин, и очень распространены в мобильных машинах массового применения, например, в масляных и топливных системах двигателей [97]. В конструкциях фильтропатронов байпасный клапан может отсутствовать, размещаться в крышке фильтра (преимущественно в гидравлических системах) или корпусе фильтроэлемента (преимущественно в масляных системах). В отдельных случаях применяется также противодренажный (обратный) клапан, поскольку фильтропатроны не всегда монтируются в вертикальном положении. Преимуществом фильтропатронов является несомненное удобство замены фильтроэлехМента, которая может быть произведена с минимальным загрязнением окружающей среды рабочей жидкостью.
В линейных фильтрах и фильтропатронах применяются фильтрующие элементы из самых разнообразных материалов: целлюлозных и стеклобумаг, нетканных полотен, металлических сеток и полотен, текстильных волокон, фетра и т.д.
Некоторые современные конструкции фильтропатронов для очистки масла в ДВС реализуют принцип частичнопоточной фильтрации. С этой целью в едином корпусе устанавливаются два фильтрующих элемента, причем через более грубый (Ф1) пропускается 90-95%, а через более тонкий (Ф2) - соответственно 5-10% потока жидкости. С выхода фильтроэлемента Ф2 поток жидкости может сбрасываться в картер, либо смешиваться с основным потоком, направляемым к агрегатам двигателя [168].
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 систем в целом от крупных загрязняющих частиц, которые могут оказаться в гидробаке. Тем не менее, некоторые всасывающие фильтропатроны снабжены байпасным клапаном [42].
Фильтропатроны встраиваемые выполняются в виде фигурных фильтроэлементов (например, из пористой бронзы, [157]) на основе металлокерамики или металлических сеток, размещаемые в специальных штуцерах гидролиний. Тонкость фильтрации этих устройств колеблется от 3 до 200 мкм. Они часто используются в электрогидравлических преобразователях, например, типа «сопло-заслонка», системах впрыска топлива и пр., исполняя роль страховочных фильтров, предохраняющих калиброванные отверстия или сверхмалые зазоры от засорения. Интересная конструкция малогабаритных фильтропатронов со сменными фильтрующими элементами из нержавеющей стали предлагается фирмой Norman Filter Company, LLC. Элементы площадью до 42.5 10 4 м2 на поток жидкости до 20 л/мин выполняются из нержавеющих стальных сеток с АТФ от 2 до 200 мкм или экранов с АТФ от 0.5 до 7 мкм, и встраиваются в штуцеры условного прохода до 20 мм [162].
Формирование гранулометрической кривой в циркуляционных системах
Для циркуляционных систем гидроприводов горных машин можно записать баланс загрязненности как дифференциальное уравнение вида (1.1), стандартное решение которого с начальными условиями С = С0 и т = 0 представимо в виде [35]: Ниже будут предложены методы определения величин Pint и Qint и описана техника использования уравнений вида (2.6) для расчета систем фильтрации. Сейчас же нас интересуют закономерности формирования гранулометрической кривой в процессе работы машины; с этой точки зрения мы и проанализируем данное соотношение. Очевидно, что уравнение баланса загрязненности может быть составлено. для каждого интересующего нас диапазона размеров частиц. Естественно, при этом в уравнение должны подставляться значения (, pint) соответствующие этому диапазону. Тогда соотношение (1.1) превратится в семейство уравнений, из которого может быть выделено две характерные группы, различающиеся по характеру изменения функции ОД: Iя группа уравнений характеризуется тем, что для частиц данного размерного диапазона pint —» 0. В этом случае будет происходить накопление частиц в системе и их предельная величина их концентрации в произвольный момент времени составит: Учитывая экспериментальные ошибки определения концентраций и коэффициентов отфильтровывания,, практически можно считать, что такая ситуация имеет место при pjnt 0,05. IIя группа уравнений характеризуется тем, что для частиц данного размерного диапазона 0 Р;т 1. В этом случае при достаточно больших значениях т первое слагаемое стремится к нулю, то есть: Здесь Trel - время релаксации, то есть время, за которое начальная концентрация частиц снизится до пренебрежимо малого уровня. В реальных условиях, как правило, Qint/ Vflu 0,2 , поэтому Trel « 50 моточасов, (иллюстрируется рис. 2.12).
Таким образом, при эффективной фильтрации последействие начального уровня загрязнений незначительно. Здесь следут подчеркнуть, что этот вывод справедлив тогда и только тогда, когда выполняются два условия: 1. грязеемкость фильтров существенно превышает произведение (Со Vflu); 2. постепенное «вымывание» частиц, занесенных в систему при изготовлении и монтаже и осевших в застойных зонах, имеющее место в процессе эксплуатации не понимается как последействие начального уровня загрязненности. Тогда, на основании уравнений (2.6) и (2.8) концентрация частиц в произвольный момент времени стремится к постоянной величине, а именно [35,58]: Использование уравнений вида (1.1) и (2.6) дает возможность, для каждой размерной группы частиц определить не только время релаксации, но и установившееся значение концентрации. Очевидно, что в зависимости от величины С, эти значения будут различными (рис. 2.13). В этом и состоит причина деформации реальных гранулометрических кривых (см. предыдущий раздел) по сравнению со стандартизованными. Из рис. 2.14 видно, что соотношение между количеством частиц различных размерных групп в установившейся концентрации иное, чем в начальной. Даже если допустить, что исходная концентрация поступающих в систему частиц в каждой размерной группе в точности соответствут стандартизованной, то установивщееся распределение все равно будет существенно отличаться от стандартного (рис.2.15) из-за того, что зависимость pint = P(imed) существенно нелинейна (рис. 2.16). Следует отметить, что уравнения вида (2.6) могут быть составлены для гравиметрического уровня только в стационарной форме (2.9). Причина -непостоянство коэффициента p;nt , рассчитанного для массы частиц, при х Trel, вследствие непрерывного изменения фракционного состава загрязнителя в течение этого времени. Таким образом, очевидно, что на формирование гранулометрической кривой, реализующейся в процессе эксплуатации машины, влияют параметры фильтра (Р;п(), ИПЗ и характеристики гидросистемы (Qjnt , Vflu). Влияние первоначальной концентрации загрязнений в жидкости, при условии грамотного выбора фильтра, локализуется в течение короткого, стартового, периода эксплуатации. 1. На основании системного исследования физических процессов изготовления и эксплуатации гидропривода предложена методика аналитической оценки интенсивности проникновения загрязнений в рабочую жидкость, являющуюся важнейшим параметром для расчета систем фильтрации гидросистем горных машин. Экспериментально подтверждено, что использование этой методики позволяет адекватно оценить величину ИПЗ, с погрешностью 15-25%. Установлено, что что применение специальных технологических мероприятий по предотвращению проникновения загрязнений может уменьшить величину ИПЗ в 4-4.5 раза. 2. Установлена функциональная зависимость между классом чистоты рабочей жидкости и величиной ИПЗ. С улучшением класса чистоты ИПЗ будет снижаться, и не только вследствие изменения интенсивности износа, но и потому, что реализация определенного уровня чистоты жидкости свидетельствует о наличии соответствующих технологических мероприятий по контролю процессов изготовления и эксплуатации гидропривода. 3. Определены физико-химические параметры загрязнителя, характерного для горных машин. При соответствующих расчетах рекомендуется принимать среднюю плотность загрязнителя равной 1,6 г/см3, абразивность 520 кГ/мм2. Установлено, что частицы размером до 7 мкм имеют форму, близкую к сферической; от 7 до 35 мкм - форму тел дробления с соотношением размеров 0,50 : 0,75 : 1,00. Частицы размером более 35 мкм имеют неправильную, в том числе игольчатую форму. Важнейшей закономерностью является снижение доли крупных частиц с улучшением чистоты жидкости. 4. Установлено, что, несмотря на интенсивную циркуляцию жидкости, механические примеси неравномерно распределены по различным участкам гидросистемы. Наиболее «грязной» является дренажная гидролиния, загрязненность которой может быть в 3-4 раза выше аналогичного показателя в напорной гидролинии. При этом характер гранулометрических кривых для различных участков гидросистем принципиально разный, что открывает большие возможности для эффективной организации фильтруемых потоков.
Типовые требования изготовителей агрегатов к показателям загрязненности и экономически оптимальный уровень чистоты жидкости
При соблюдении номинальных требований к чистоте рабочей жидкости изготовителем допускается снижение энергетических характеристик агрегата по сравнению с первоначальными (номинальными), и зачастую значительное. Так, например, для гидравлических насосов допустимым считается снижение объемного КПД до 75%, при стартовом (паспортном) значении 95%. В частности, поэтому в ряде случаев при эксплуатации мобильной машины невыгодно выполнять типовые требования изготовителей, и целесообразно повышать чистоту жидкости с тем, чтобы добиться экономии ресурсов за счет: 1. повышения долговечности агрегатов, приводов и систем; 2. снижения времени простоев мобильных машин и уменьшения расходования материалов из-за отказов агрегатов; 3. повышения энергетической эффективности привода. Из изложенного в предыдущих разделах понятно, что ресурсоемкость эксплуатации мобильной машины уменьшается с улучшением чистоты жидкости. При этом одновременно возрастают затраты на систему фильтрации. Разнонаправленная монотонность соответствующих функций, очевидно, дает возможности для поиска оптимального решения [180]. Другими словами, господствующий в настоящее время принцип проектирования систем фильтрации «чем чище, тем лучше» заведомо неоптимален. Применительно к данному случаю, проанализируем зависимость эксплуатационных затрат от чистоты жидкости, исследуя поведение Комплексного критерия эффективности системы фильтрации. Величину этого критерия определим в виде: Здесь Uz, , Тщт , Ez , ВМм - стоимость, $; срок службы, лет; годовые затраты на эксплуатацию, $/год; фактическая годовая производительность мобильной машины т/год, к$ - ставка кредитования, і - номер года.
Очевидно, что величины Ez и ВМм связаны с параметрами загрязненности рабочей жидкости, которые, как следует из изложенного в гл. 2, можно полагать постоянными и, для конкретных условий эксплуатации, зависящими только от характеристик систем фильтрации. Фактическая годовая производительность машины и эксплуатационные затраты равны, соответственно: Учитывая, что фаза нормального износа составляет до 90% ресурса, можно положить где rmin - минимальное значение КПД, соответствующее назначенному ресурсу привода, согласно техническим условиям изготовителя. Например, для дизель -. гидравлического привода экскаватора, мо = 0.85, rjmin=0.48 (табл. 3.7). где Туг, Tdwn - соответствено фактическое время работы и время простоев машины за год (рис.3.27), см. также статью [218]. При расчете затрат на обслуживание очень важно правильно выделить те составляющие, которые зависят от уровня чистоты рабочей жидкости. К таким составляющим относятся, например: - стоимость сменных агрегатов, подверженных абразивному износу, например насосов, дизеля, гидромоторов и т.п.; - стоимость фильтров и обслуживания системы фильтрации; - стоимость топлива, поскольку его расход зависит от износа двигателя; - моторного масла, его расход зависит от износа двигателя, а периодичность замены - от качества фильтрации [186];
В зависимости от специфики мобильной машины номенклатура и весомость этих составляющих, равно как и структура затрат на обслуживание, может быть различной. Величина комплексного критерия эксплуатационных затрат в функций от уровня чистоты жидкости на примере карьерного экскаватора с дизель-гидравлическим приводом, приведена на рис. 3.28 (использованы обобщенные данные эксплуатации машин на разрезах «Кедровский» - Россия, «Нерюнгринский» - Якутия, «Центральный» - Казахстан, «Мурунтау» - Узбекистан, «Болиден» - Швеция, полученные при участии к.т.н. А.С. Мельникова, Е.А. Этингофа, В.М.Штейнцайга, А.В.Крикуна, инж. А.В.Ракомы, Б.В. Слесарева). Следует оговориться, что предлагаемый методический подход к определению оптимального уровня чистоты жидкости по критерию минимальных эксплуатационных затрат у потребителя инвариантен по отношению к типу горной машины. Выбор карьерного экскаватора в качестве примера определяется только наличием у автора соответствующих эксплуатационных данных. Из рисунка видно, что оптимальным с экономической точки зрения является класс чистоты 15/13 , в то время, как изготовителями экскаваторов рекомендованы, для различных систем, классы 17/15 и 18/16 . Обеспечение оптимальной чистоты рабочей жидкости позволяет, применительно к данному классу машин (экскаватор с ковшом 15-20 м ), добиться экономического эффекта около $75000 в год. Интересно, что со временем оптимум уровня чистоты смещается в сторону улучшения (сравним кривые на рисунке 3.29), что объясняется прогрессом в области фильтрационных технологий, сопровождающимся относительным снижением стоимости эффективных фильтрующих материалов. 1. Подконтрольной эксплуатацией горных машин установлено, что до настоящего времени более 60% потерь -рабочего времени из-за неисправностей гидроприводов вызвано ускоренным износом гидроагрегатов, обусловленным воздействием загрязнений в рабочей жидкости.
Определены механизмы влияния загрязнений различной физической природы на комплексные характеристики надежности машин. 2. На основании рассмотрения гидродинамических закономерностей движения частиц в зазорах агрегатов гидропривода предложены соотношения для расчета минимальной опасной крупности частиц загрязнений. С учетом отклонений формы, характерных для загрязнений жидкости в гидросистемах горной техники, и на базе анализа исследований абразивной износостойкости аксиально-поршневых гидромашин показано, что, при ориентировочных расчетах можно полагать частицы, размер которых не превышает 25% размера характерных зазоров, безопасными. 3. На основании рассмотрения закономерностей абразивного износа, и с учетом конструктивных особенностей триад трения в гидромашинах получены соотношения для расчета относительного ресурса агрегатов в зависимости от физико-механических свойств загрязнителя и проектируемых параметров нагружения. Теоретически обосновано и подтверждено результатами экспериментальных исследований, что деградация критической характристики агрегата есть степенная функция крупности загрязнителя. В то же время влияние концентрации линейно, и не может быть описано степенной функцией, как утверждалось ранее.
Рациональные конструктивные решения при разработке и модернизации систем фильтрации
Выбор принципиальной схемы вызывает наибольшие дискуссии при проектировании систем фильтрации. Существует достаточно много традиционных позиций размещения фильтров (рис. 4.1.6), и каждое расположение имеет свои достоинства .и недостатки [89], определяемые прежде всего конструктивными особенностями очистителей (главы 1, 6). Однако, поскольку задержание частиц загрязнений есть процесс статистический, во всех случаях разумно использовать сочетание фильтров двух принципиально разных назначений: 1. Рабочих, задачей которых является задержание большинства загрязнений, поступающих в систему, и поддержание чистоты жидкости на требуемом уровне. Кроме р-характеристики, важнейшим показателем рабочего фильтра является грязеемкость. 2. Страховочных, задачей которых является гарантированное (со 100% вероятностью) улавливание частиц, размер которых превышает максимально допустимый. Таких частиц при работе машины в штатных режимах обычно очень мало, поскольку соотношение абсолютных тонкостей фильтрации страховочного и рабочего фильтра, как правило, превышает 2:1.
Поэтому, кроме (3-характеристики, важнейшим показателем страховочного фильтра является пропускная способность. Исходя из этого тезиса, а также из уравнений (4.5) можно определить рациональные характеристики очистителей, устанавливаемых в традиционных точках размещения (табл.4.1). В настоящее время на рынке имеется огромный выбор фильтров самых разных конструкций и параметров, что открывает широкие возможности для развития и оптимизации схем фильтрации на базе анализа эффективности схемных и конструктивных решений с использованием методов математического стимулирования и соотношений (4.5) - (4.10) и (3.10) - (3.11). При этом наиболее обоснованным критерием эффективности системы фильтрации представляется цена очистки жидкости в расчете на час работы машины, при заданной гранулометрической кривой и приемлемом графике обслуживания фильтровальных установок. Рабочие фильтры целесообразно размещать на путях поступления загрязнений в гидросистему и в гидролиниях, для которых характерна наибольшая относительная концентрация частиц. Из уравнения (4.7), а также рис. 2.7. и 4.4 очевидно, что установка фильтров на пути наиболее загрязненных потоков создает возможность экономии за счет относительного уменьшения скорости фильтрации. Желательно, с целью уменьшения стоимости агрегатов, устанавливать фильтры в гидролиниях низкого давления (рис. 4.5.). Страховочные фильтры целесообразно устанавливать непосредственно перед чувствительными узлами, либо непосредственно за агрегатами, отказ которых может вызвать лавинообразное загрязнение системы (например, насос).
Следует подчеркнуть, что даже использование высокоэффективных рабочих фильтров не исключает необходимости применения страховочных. Так, в жидкостях гидросистемах экскаваторов, где использовались фильтры с АТФ 30 мкм (рзо=75) были отмечены отдельные частицы размером до 50 мкм, а единичные - до 80 мкм [8]. В гидросистемах вертолетов, где применялись фильтры с АТФ 5 мкм ф5=200), обнаруживались частицы-крупностью до 20 мкм [202]. Для страховочных фильтров лучше всего использовать регенерируемые фильтрующие материалы типа металлических сеток (глава 6), тем более, что их фильтрационные характеристики вполне достаточны как для отсева случайных крупных частиц, так и для защиты системы в случае внезапного кратковременного загрязнения. Кроме того, металлические сетки являются практически фильтрами геометрической эффективности (глава 5), поэтому они не будут терять ресурс на отсев регулярных частиц, которые должны улавливаться рабочими очистителями. При расчете потребной площади фильтрующего элемента по уравнению (4.8) следует иметь в виду, что величина gz определяется изготовителем при стандартизованном соотношении Поэтому, выбрав типоразмер фильтра по критерию ресурса, необходимо проверить его на соответствие требованиям по пропускной способности и убедиться, что расчетное значение начального перепада давления не превышает APzo. В противном случае необходимо произвести перерасчет ресурса, используя паспортную гидравлическую характеристику фильтра, либо соотношение (4.1), а также уравнение 4.7, номограмму 4.3.6, либо соотношение: Здесь индекс «пот» обозначает номинальные значения грязеемкости, начального и предельного перепада давлений, приводимые изготовителем фильтра в паспортной информации. Выбирая типоразмер фильтра, целесообразно учитывать, что наиболее полное использование потенциала фильтрующего элемента по грязеемкости имеет место, если ag 20 (см. также рис. 4.4.а) где Qf- поток жидкости на входе в фильтр; Wp - объемная подача насосов; Css; Cds - соответственно статический и динамический коэффициент амплитуды колебаний величины потока жидкости в гидросистеме. При этом следует учитывать возможные колебания вязкости, делая соответствующие поправки по формулам (5.1.г-д). При выборе конкретных изделий для использования в качестве рабочих фильтров, значение р - коэффициента, назначенного по результатам решения системы уравнений (4.5), сравнивается с паспортными величинами. При установке рабочих гидравлических фильтров в линии нагнетания следует считаться с возможностью дополнительного снижения . эффективности фильтрования и деструкции фильтрующего материала за счет скачков давления, имеющих место при переключении направляющих гидроаппаратов. Так, в статье [174] показано, что в динамике возможен как 3-4 кратный заброс прямого перепада давления на фильтре, так и возникновение кратковременного обратного перепада давления величиной до 0.8 МПа. Последнее особенно опасно, не только потому, что конструкция большинства фильтроэлементов не обеспечивает прочность фильтрующего материала при возникновении противодавления, но и в связи с резким повышением концентрации загрязнений в жидкости вследствие смыва ранее осажденных частиц с поверхности фильтрующей шторы. Эффективным способом борьбы с противодавлением является установка обратного клапана непосредственно на на выходе фильтра. Для циркуляционных систем совершенно необязательно, чтобы рабочий фильтр был полнопоточным, то есть чтобы он пропускал через себя весь поток жидкости, формируемый насосной установкой (Qpmax)- Пользуясь уравнениями (4.5) можно показать, что во многих случаях вполне достаточно частичнопоточных фильтров и требуемая чистота жидкости обеспечивается при Qz Qpmax. С созданием в 1990-е годы фильтрующих материалов повышенной эффективности, появляется возможность использовать частичнопоточные фильтры не только совместно с полнопоточными, но и вместо последних.
Так, анализ простейшей открытой одноконтурной гидросистемы (рис. 4.6) показывает, что очистка 20% потока фильтром с высокой (3-характеристикой обеспечивает класс чистоты 16/13 (рис. 4.7). При этом оптимальным можно считать применение фильтра Применение частичнопоточной очистки позволяет не только добиться лучших экономических показателей систем фильтрации, но и дает возможность использования фильтров повышенной эффективности, имеющих относительно высокие размеры и массу. Из-за характерных для горных машин габаритно-весовых ограничений зачастую не удается применить подобные фильтры на полный поток, а частичнопоточная фильтрация позволяет обеспечить удаление мелких частиц, в том числе органических загрязнений, таких как высокомолекулярные соединения, смолы, сажа и т.п. [169]. Так, например, эксплуатационные испытания мощных дизелей показали, что применение байпасных фильтров позволяет в среднем вдвое снизить износ подшипников и на 32% уменьшить износ поршневых колец [170]. Идея частичнопоточной очистки жидкости получила развитие, в том числе, в так называемых внелинейных (off-line) системах, которые находят все большее распространение [89, 192]. Внелинейная система фильтрации (рис.4.11.в) представляет собой отдельную насосную установку (Н2) небольшой производительности, снабженную высокооэффективным фильтром (ФЗ) и позволяет сформировать совершенно независимый круг циркуляции, способный обеспечить очистку жидкости даже тогда, когда основная система не работает. Соответственно обслуживание впелинеиного фильтра может также производиться в произвольном графике, вне зависимости от загрузки мобильной машины.
