Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. цель и задачи исследования 6
1.1 Гидравлические системы машин и требования к рабочим жидкостям 6
1.2 Загрязненность рабочих жидкостей, их влияние на надежность гидравлических систем 11
1.3 Методы и средства обеспечения чистоты рабочих жидкостей 19
1.4 Пути совершенствования средств обеспечения чистоты рабочей жидкости при техническом обслуживании машин 35
1.5 Выводы. Цель и задачи исследования 40
2. Теоретические предпосылки разработки методов и средств повышения чистоты рабочих жидкостей гидросистем при техническом обслуживании машин 44
2.1 Теоретические предпосылки разработки методов и средств контроля чистоты рабочих жидкостей 44
2.2 Теоретическое обоснование целесообразности дополнительной тонкой очистки рабочих жидкостей при техническом обслуживании машин 48
2.3. Общая схематизация технологии дополнительной очистки рабочих жидкостей при техническом обслуживании гидросистем машин 52
2.4 Теоретические предпосылки разработки мобильной установки для очистки рабочей жидкости , 54
2.5 Обоснование выбора ступени грубой очистки 58
2.6 Теоретическая оценка основных параметров гидродинамической ступени тонкой очистки 61
2.7 Выводы 70
3. Методы экспериментальных исследований 71
3.1 Методы исследования загрязненности рабочих жидкостей 71
3.2 Методика лабораторных исследований метода определения содержания воды в рабочей жидкости .79
3.3 Методы исследования гидродинамической ступени очистки 80
4. Результаты экспериментальных исследований 89
4.1 Результаты исследования загрязненности рабочих жидкостей 89
4.2. Результаты испытаний метода определения содержания воды в рабочих жидкостях 91
4.3. Исследование гидравлических свойств гидродинамической ступени очистки 96
4.4 Результаты исследований эффективности гидродинамической ступени очистки 101
4.5 Результаты исследований гидродинамической ступени очистки на ресурс 102
4.6 Выводы 109
5. Разработка методов и средств повышения чистоты рабочих жидкостей гидросистем 110
5.1. Методы контроля чистоты рабочих жидкостей 110
5.2 Установка для технического обслуживания гидросистем дорожных и строительных машин 113
5.3 Эксплуатационные испытания средств контроля чистоты и установки для очистки рабочих жидкостей 116
5.4 Вопросы проектирования мобильных очистительных установок 119
5.5. Выводы.. * ...„127
Общие выводы „„129
Литература
- Загрязненность рабочих жидкостей, их влияние на надежность гидравлических систем
- Теоретическое обоснование целесообразности дополнительной тонкой очистки рабочих жидкостей при техническом обслуживании машин
- Методика лабораторных исследований метода определения содержания воды в рабочей жидкости
- Результаты испытаний метода определения содержания воды в рабочих жидкостях
Введение к работе
Современные технологии промышленного, жилищного и дорожного строительства характеризуются широким использованием строительных и дорожных машин: бульдозеров, скреперов, универсальных и траншейных экскаваторов и т.д.[1...3]. Надежность их работы в процессе эксплуатации в значительной степени определяют темпы и качество строительства.
Особенностью конструкции современных строительных и дорожных машин является все более широкое применение в них гидравлического привода [4...9].Технический уровень гидропривода во многом определяется максимальным давлением создаваемым в нем рабочей жидкостью. Наличие номинального давления в гидроприводе вызывает необходимость уменьшения зазоров в парах трения его механизма, что в свою очередь требует повышения чистоты применяемых рабочих жидкостей.
Как показывают исследования, отказы гидроприводов составляют до 15% всех отказов строительных и дорожных машин, причем около 60% из них, прямо или косвенно, связаны с повышенной загрязненностью рабочих жидкостей. Накопление в них загрязнений происходит на всех этапах транспортирования, хранения заправки и применения [10... 13]. Наиболее интенсивное загрязнение рабочих жидкостей происходит в процессе эксплуатации дорожных и строительных машин. При этом отсутствуют средства оперативного контроля чистоты жидкостей по содержанию механических примесей и воды.
Штатные системы очистки современных гидроприводов не обеспечивают требуемой чистоты рабочих жидкостей, что существенно снижает их эксплуатационную надежность. Вместе с тем по данным исследований [47] повышение чистоты рабочих жидкостей гидросистем
позволяет в 3...8 раз повысить ресурс агрегатов гидросистем, на 50...70% снизить количество отказов в них и в 2...7 раз снизить затраты на запасные части при ремонте агрегатов гидросистем.
Учитывая особенности условий эксплуатации строительных и дорожных машин: повышенную запыленность и загрязненность мест их работы, удаленность от баз технического обслуживания и ремонта, одним из перспективных направлений повышения чистоты рабочей жидкости может служить их дополнительная тонкая очистка от загрязнений при техническом обслуживании машин с помощью мобильных средств.
Принцип действия современных мобильных установок для очистки нефтяных масел и рабочих жидкостей основан на использовании, в основном, центробежной очистки. Наиболее простой и более эффективной является очистка нефтепродуктов основанная на их многоступенчатой фильтрации. Исследованиям в это области посвящены работы: К.В. Рыбакова, В.П. Коваленко, Э.И. Удлера, М.А. Григорьева, З.Л. Финкельштейна и др. [10...IS]. Одной из основных проблем этого направления является сокращение ресурса фильтрующих элементов с повышением качества очистки по тонкости фильтрации.
Целью данной работы является разработка средств оперативного контроля чистоты рабочих жидкостей гидросистем, а также средств их дополнительной очистки при техническом обслуживании дорожных и строительных машин с целью повышения их надежности.
На защиту выносятся:
обобщенные результаты экспериментального исследования загрязненности рабочих жидкостей в гидросистемах дорожных и строительных машин в процессе их эксплуатации;
теоретическая модель накопления загрязнений в гидросистемах строительных и дорожных машин в условиях эксплуатации;
средства оперативного контроля содержания механических примесей и воды в рабочих жидкостях гидросистем;
теоретическая модель гидродинамической фильтрации нефтепродуктов через пористую перегородку;
методы расчета эффективности и технических параметров гидродинамических фильтров;
результаты экспериментальных исследований гидродинамических фильтров;
конструкция, результаты экспериментальных исследований многоступенчатых фильтровальных установок, методика выбора и оптимизации их основных параметров;
технология применения разработанных средств при техническом обслуживании машин и ее влияние на безотказность машин.
1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ
Загрязненность рабочих жидкостей, их влияние на надежность гидравлических систем
Одним из факторов, оказывающих существенное влияние на надежность гидравлических систем является загрязненность применяемых рабочих жидкостей.
Чистота рабочих жидкостей, применяемых в промышленности, на транспорте и других отраслях регламентируется ГОСТ 17216-71 «Промышленная чистота. Классы чистот жидкостей» в соответствии с которым в зависимости от массового содержания, штучной концентрации и дисперсного состава загрязнений, жидкости делятся на 19 классов. Для рабочих жидкостей гидросистем строительных и дорожных машин массовое содержание механических примесей регламентируется как «отсутствие».
Чувствительность метода определения их содержания составляет 0,005% по массе, что соответствует 9 классу чистоты. Однако как показывают исследования [8... 14,22...26], загрязненность рабочих жидкостей в гидросистемах может превышать указанное значение в 10 и более раз. Причем накопление загрязнений происходит практически на всех этапах его хранения, транспортирования, заправки и применения [10,11,22,23,251.
Анализ результатов исследований показывает, что состав загрязнений рабочих жидкостей может содержать как органические, так и неорганические загрязнения. Неорганические загрязнения образуются вследствии химических и физико-химических процессов (окисление, полимеризация и др.). На образование неорганических загрязнений (механических примесей) влияют: износ аппаратуры, кантактирование с атмосферой и ряд других факторов. В процессе производства загрязнение рабочих жидкостей на нефтеперегонных заводах может достигать 0,004% по массе. В дальнейшем количество загрязнений в жидкости стабильно возрастает. По данным [10] содержание загрязнений в рабочих жидкостях в резервуарах складов составляет 0,011% по массе, в заправочной таре 0,0165% по массе, в гидравлических системах зимой до 0,030% по массе, летом 0,050...0,080% по массе, а по данным [23] может достигать 0,20% по массе.
Исследование причин и динамики загрязненности рабочих жидкостей гидросистем строительных и дорожных машин проведенное Колосовым СВ. и др. [22] в целом подтверждают результаты исследования загрязненности приведенные выше. Загрязненность рабочих жидкостей, поступающих с нефтеперерабатывающих заводов, как правило, соответствуют установленным требованиям. В процессе транспортировки содержание загрязнений возрастает в 2...4 раза, а при доливе рабочей жидкости в гидросистемы экскаватора в 5...8 раз. Основными компонентами загрязнений являются оксиды железа и кремния.
В работе [10] приведены результаты исследования дисперсного состава загрязнений рабочих жидкостей при их транспортировке, хранении и эксплуатации экскаваторов, бульдозеров и погрузчиков (таблица 1.3). Примерно аналогичные результаты исследования дисперсного состава загрязнений рабочих жидкостей приведены авторами в работе [26...29]. Причем в работе [27] отмечается, что максимальный размер частиц загрязнений может достигать 280.. .480 мкм.
Анализ причин загрязненности рабочих жидкостей показывает, что кантактирование с атмосферной пылью является одной из основ ее загрязненности. Это может происходить как на этапах транспортирования-и хранения рабочих жидкостей, так и во время ее эксплуатации.
Существенное влияние на уровень загрязненности рабочих жидкостей оказывают механические примеси, накапливающиеся в резервуарах и емкостях для хранения жидкостей, а также продукты коррозии металлов. Еще одной причиной загрязненности является износ неметаллических материалов из которых изготавливаются прокладки и уплотнительные кольца, защитные покрытия внутренних поверхностей оборудования и т.д.
Значительную долю загрязнений рабочих жидкостей составляют износные загрязнения являются следствием износа трущихся деталей гидравлической системы и представляют собой частицы металлов, из которых они изготовлены. Как отмечается в работах [7,22,23], загрязнение рабочих жидкостей при эксплуатации происходит наиболее интенсивно. Так загрязнения при производстве рабочих жидкостей составляет 2...4%, при транспортировании - 14%, хранении - 21% по отношению к загрязнениям, поступающим в них при эксплуатации. Причинами накопления загрязнений в рабочих жидкостях при эксплуатации машин могут быть: неисправность воздушного фильтра сапуна; неисправность грязесъемников штоков гидроцилиндров; неправильный подбор краски бака и материала уплотнений, разрушающихся при контакте с рабочей жидкостью.
Исследования состава загрязнений [7} рабочих жидкостей в гидроприводе показывает, что 30...40% по массе составляют металлы, 4...29% краски и лаки, 18...50% резина. Результаты исследования загрязненности рабочих жидкостей показывают, что их накопление происходит практически на всех этапах их производства, транспортирования, хранения и применения
Теоретическое обоснование целесообразности дополнительной тонкой очистки рабочих жидкостей при техническом обслуживании машин
Выше было показано, что одним из перспективных направлений повышения надежности гидросистем является периодическая очистка рабочих жидкостей в процессе эксплуатации машин. Наиболее целесообразным представляется производить периодическую дополнительную тонкую очистку рабочей жидкости при проведении технического обслуживания машин. Это вытекает из дальнейшего анализа процесса накопления загрязнений в рабочих жидкостях гидросистем.
Целью анализа процесса накопления загрязнения в рабочих жидкостях при эксплуатации дорожных и строительных машин, является теоретическая оценка эффективности очистки рабочих жидкостей, с учетом периодичности технического обслуживания машин.
В процессе эксплуатации машин происходит постоянное увеличение загрязненности рабочих жидкостей. При этом загрязнения, поступающие в гидросистему из атмосферы или генерируемые в самой системе (продукты износа, коррозии и т.д.), в основном концентрируются в баке гидросистемы.
Схема циркуляции рабочей жидкости в традиционной гидросистеме приведена на рис. 2.2.
Уравнение накопления загрязнений в баке гидросистемы в дифференциальной форме в общем виде можно представить так: pxQ6dCt=a6(\ )dT pxVg-C6-dT , (2.6) ГД Qb — объем рабочей жидкости в баке гидросистемы; Cg — текущее значение массовой концентрации загрязнений в баке; щ — скорость поступления массы загрязнений в бак гидросистемы (кг/с); Цф -коэффициент очистки рабочей жидкости фильтром гидросистемы; рж — плотность рабочей жидкости; т - время; Vg - скорость долива рабочей жидкости в бак гидросистемы.
Схема циркуляции рабочей жидкости в гидросистеме 1 - бак гидросистемы; 2 — насос; 3 — рабочий орган; 4 — фильтр; 5 — дыхательное устройство; 6 - заливная горловина. Уравнение (2.6) описывает материальный баланс загрязнений в баке гидросистемы. При этом приняты следующие допущения: - скорость поступления загрязнений а& является условно непрерывной величиной, включающей загрязнения, поступающие с заливаемой жидкостью; - скорость долива рабочей жидкости Vg будучи реально дискретной, условно считается непрерывной и определяется по формуле: УШ- Ф (2-7) где: kg -коэффициент учитывающий относительный объем доливаемой жидкости ; Тч - время работы рабочей жидкости до полной замены. Разделив переменные и интегрируя уравнение (2.6) с учетом (2.7) получим: 7- dc6 \pjsu или exp \ 1 / (2-8) а,-Тч ГДЄ Gff = удельная масса загрязнений, поступающих в бак РжЯб гидросистемы из всех источников за цикл эксплуатации рабочей жидкости до ее замены. Уравнение (2.8) отражает теоретически экспоненциальное накопление загрязнений в баке гидросистемы. В реальных условиях эксплуатации машин объемы доливаемой рабочей жидкости относительно невелики и существенного влияния на уровень загрязненности жидкости в гидросистеме не оказывают. Поэтому, уравнение (2.6) можно интегрировать, полагая Vg— 0, что позволяет получить линейное решение: Уж Уб (2.9) где С6ф - загрязненность рабочей жидкости в баке гидросистемы непосредственно после ее замены.
Уравнение (2.9) позволяет дать статистическую оценку скорости накопления загрязнений в баке гидросистемы. Приняв Сб=0,2% (2-Ю"3 кг/кг) за максимальную загрязненность рабочей жидкости в гидросистеме при эксплуатации строительных и дорожных машин и Сб= 0,02% при rjcp = 0,2 (коэффициент очистки фильтром, имеющим номинальную тонкость фильтрации 40 мкм) за полный цикл эксплуатации рабочей жидкости до ее замены Тц = 960 мото-час. Приняв значение ( = 60-10" м и рж = 830 кг/м и подставив соответствующие значения в уравнение (2.9) можно определить скорость поступления загрязнений в бак гидросистемы, она составляет: аб .ІР - -й =0Л2$Ю 3кг/час (2.10)
Уравнение (2.10) позволяет оценить параметры загрязненности рабочих жидкостей при эксплуатации строительных и дорожных машин, а также дать прогнозируемую оценку эффективности периодической более тонкой очистки рабочих жидкостей от загрязнений.
На рисунке 2.3 приведен график динамики накопления загрязнений в баках гидросистем, а также загрязненности рабочих жидкостей при ее замене через каждые 240 мото-часов при использовании технологии тонкой очистки рабочих жидкостей с той же периодичностью. Расчет проводится для условий, принятых в примере, приведенном выше.
Анализ динамики теоретически вероятного накопления загрязнений показывает, что периодическая замена рабочей жидкости при техническом обслуживании через 240 мото-часов в сочетании с промывкой бака гидросистемы позволяет снизить общую загрязненность рабочей жидкости в 3...4 раза. Однако, при этом отработанная рабочая жидкость, как правило, отправляется на утилизацию. В связи с этим перспективным и экономически целесообразным является тонкая очистка рабочей жидкости при техническом обслуживании дорожных и строительных машин в сочетании с промывкой бака гидросистемы.
Методика лабораторных исследований метода определения содержания воды в рабочей жидкости
Эксплуатационные испытания проводились при техническом обслуживании дорожных и строительных машин через 220...260 мото.час.
В процессе испытаний установки впускной трубопровод опускался в бак гидросистемы машин. Рабочая жидкость переливалась в промежуточную емкость, где определялся ее объем, и визуально оценивалось ее состояние, а также производился отбор проб для их последующего анализа при оценке эффективности очистки. Затем рабочая жидкость подвергалась очистке в установке и перекачивалась в бак гидросистемы. При этом вновь проводился отбор проб. Оценка эффективности очистки рабочей жидкости проводилась путем сравнения дисперсного состава и концентрации частиц загрязнений, взятых до и после очистки рабочих жидкостей. Кроме того отбор проб рабочей жидкости проводился в промежутках между техническими обслуживаниями гидросистемы через 60...80 мото-часов.
Эксплуатационный ресурс установки оценивался по объему рабочей жидкости, прошедшей через установку до достижения допустимого перепада давления на гидродинамическом фильтре 0,15 МПа.
Оценка безотказности гидросистем строительных и дорожных машин проводилась с целью подтверждения влияния периодической очистки рабочих жидкостей на повышение надежности машин в условиях эксплуатации.
Оценка проводилась путем периодического контроля за работой 20 машин, включающих 10 экскаваторов марки ЭО 4322 и 10 бульдозеров на базе трактора Т-130. Машины группировались в 4 группы по следующим критериям: - техническое состояние и год выпуска машин; - перспективы загруженности машин объемами работ на период испытаний; - наличие документации об отказах за предшествующий год. 1-я группа состояла из 5 экскаваторов марки ЭО 4322, в технологический процесс технического обслуживания гидросистем которых был дополнен операциями контроля содержания механических примесей и воды, и очистки рабочих жидкостей с помощью фильтрационной установки. 2-я группа состояла из 5 экскаваторов марки ЭО 4322, техническое обслуживание которых осуществлялось в соответствии с существующей технологией (без периодической очистки рабочих жидкостей). 3-я группа состояла из 5 бульдозеров на базе трактора Т-130 и обслуживалась аналогично 1-ой группе машин. 4-я группа состояла из 5 бульдозеров на базе трактора Т-130 и обслуживалась аналогично 2-ой группе.
Перед началом испытаний проводился контрольный осмотр машин для оценки их технического состояния и техническое обслуживание. В процессе испытаний проводился комплекс работ по очистке рабочей жидкости в гидросистемах машин при выполнении работ по ТО-2 через 220...260 мото/час, с помощью мобильной фильтрационной установки. В процессе испытаний фиксировались отказы элементов гидросистем и осуществлялась экспертная оценка причин отказа, К учету принимались все отказы, которые по результатам экспертной оценки были прямо или косвенно вызваны загрязненностью рабочих жидкостей. На заключительном этапе проводилась сравнительная оценка и анализ результатов испытаний..
Исследования загрязненности рабочих жидкостей проводилось в период февраль — ноябрь 2000 года. В процессе исследований изучалась загрязненность рабочей жидкости ВМГЗ (ТУ38101479 - 74) в гидравлических системах экскаваторов. Отбор проб производился из средних слоев гидробаков, общее количество отобранных проб составило 112.
Исследования массовой концентрации загрязнений проводились по методике, изложенной в разделе 3.1.2. Исследование дисперсного состава загрязнений проводились по методике, изложенной в разделе 3.1.3.
Результаты испытаний метода определения содержания воды в рабочих жидкостях
Эксплуатационные испытания установки проводились на объектах промышленного, гражданского и дорожного строительства, обслуживаемые предприятиями Томской области ОАО «Томэкскавация» и ОАО «Томсктрансстрой», в период с декабря 2003 по август 2004 г.
В процессе эксплуатационных испытаний установка использовалась при техническом обслуживании дорожно-строительной техники (экскаваторов, тракторов и бульдозеров).
Технологический процесс технического обслуживания гидросистем машин был дополнен операциями: - отбор проб рабочих жидкостей (предназначенных для долива или замены) из емкостей и их проверка на содержание механических загрязнений и воды; - отбор проб рабочих жидкостей из гидросистем машин и их проверка на содержание механических загрязнений и воды; - очистка рабочей жидкости находящейся в гидросистеме машины с помощью установки для технического обслуживания гидросистем.
Результаты анализов проб, отобранных из емкостей показывают, что содержание механических загрязнений в рабочих жидкостях находятся в пределах 0,004...0,008 % (масс), что в целом соответствует или незначительно превышает предельные значения, установленные требованиями ГОСТа. Однако в отдельных пробах они достигали 0,012...0,016 % (масс), вероятно это связано с подъемом частиц загрязнений со дна емкости в результате взбалтывания жидкости при ее транспортировании. Наличие в отобранных пробах свободной воды не наблюдалось.
Результаты исследований содержания загрязнений в пробах рабочих жидкостей, отобранных из гидробаков машин показывают, что оно колеблется в пределах 0,015...0,019 % (масс). Указанные значения существенно превышают требования, установленные для этого показателя качества рабочих жидкостей. Результаты исследований согласуются, как с собственными исследованиями, проведенными ранее, так и с результатами исследований приведенными в работах [22,23].
Исследование отобранных проб на содержание воды показывают, что в отдельных пробах была выявлена повышенная обводненность рабочей жидкости.
Концентрация обводненности рабочих жидкостей определялась двумя способами: прибором для определения содержания воды в нефтепродуктах и методом предусмотренным ГОСТом 24777-88 (метод Дина-Старка). В таблице приведены результаты исследования обводненности рабочих жидкостей.
Анализ результатов определения обводненности рабочих жидкостей показывает, их удовлетворительную сходимость, что подтверждает возможность использования прибора для проверки жидкостей на содержание в них воды. Цель эксплуатационных испытаний установки для очистки рабочих жидкостей включала: - оценку эффективных показателей установки; - оценку ресурса гидродинамического фильтра тонкой очистки и возможности его регенерации для повторного использования; - оценку влияния периодической очистки рабочих жидкостей на повышение их чистоты при эксплуатации машин. Очистка рабочих жидкостей проводилась при наработке машины в пределах 220...260 мото-часов. Результаты испытаний показали, что установка позволяет обеспечить очистку рабочих жидкостей от загрязнений с номинальной тонкостью фильтрации 3,8...4,5 мкм. При этом коэффициент полноты очистки составляет 0,78...0,85. Ресурс работы гидродинамического фильтра до достижения на нем перепада давления 150 кПа составил (2,4...2,8 м3).
Десятикратная регенерация фильтрующего элемента позволяет увеличить суммарный ресурс гидродинамического фильтра до 7...9 vr.
На рис. 5.4 приведен график влияния периодической очистки рабочих жидкостей на ее загрязненность, отражающий снижение концентрации загрязнений после очистки жидкости и динамику их накопления, если периодическая очистка не проводится. В таблице 5.2 приведены результаты оценки эффективности применения установки и ее влияние на безотказность машин.
