ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
< 3, 2004
УДК 620.178
© 2004 г. Микипорис Ю.А., Воркуев А.И.
ПОВЫШЕНИЕ РЕСУРСА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ОБОРУДОВАНИЯ МАШИН ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИХ ДИСПЕРГАТОРОВ-ИЗЛУЧАТЕЛЕЙ
Проведен спектральный и нейтронно-активационный анализ рабочей жидкости с определением наиболее опасных (для элементов гидроаппаратуры) частиц загрязнений. Получены критерии выбора средств обработки жидкости. Приведены результаты испытаний гидродинамических диспергаторов-излучателей и даны рекомендации по их использованию.
Для определения условий работы пар трения аксиально-поршневых гидромашин были проанализированы пробы рабочей жидкости, взятые из гидросистем стендов для ресурсных испытаний [1]. Рабочая жидкость загрязнена разнородными частицами с минимальным массовым составом 0,005%, крупностью преимущественно 3-50 мкм и со средней плотностью твердых частиц 7,65 г/м3. Установлено, что частицы загрязнений в гидросистемах распределены по закону Гаусса или Максвелла. Для определения качественного состава загрязнений (т.е. поэлементного состава материала загрязнений) был применен спектральный метод (с помощью оптико-электронной установки МФС-3) и нейтронно-активационный анализ для определения качественного и количественного (по массе) состава. По результатам анализов рабочей жидкости можно с достаточной уверенностью утверждать, что наиболее вероятными загрязнениями являются частицы стали, бронзы, песка с твердостью 80-450 НВ.
Исследования показали, что есть прямая зависимость между размерами частиц загрязнений и интенсивностью снижения КПД. Это объясняется тем, что элементы гидроаппаратуры наиболее чувствительны к частицам с размером зазоров трущихся пар [2].
Расчет износа пары трения поршень-цилиндр аксиально-поршневых гидромашин с одновременным обоснованием необходимого класса чистоты рабочей жидкости и оптимальной тонкости фильтрации проводили на ЭВМ по специально разработанной программе. По результатам расчета оказалось, что относительный износ пар трения при рабочей жидкости 12 класса чистоты с тонкостью фильтрации 15 мкм примерно идентичен величине износа при 10 классе чистоты с тонкостью фильтрации 25 мкм (ГОСТ 17216-71). Для решения проблемы возможны два пути: более частая замена рабочей жидкости в гидросистеме с применением очистителей с тонкостью фильтрации до 25 мкм для поддержания 10 класса чистоты (этот путь связан со значительными затратами из-за большого расхода дорогостоящих масел); более предпочтительным является увеличение ресурса рабочей жидкости при 14 классе чистоты с тонкостью очистки не более 10 мкм, например за счет использования гидродинамических диспергаторов-излучателей [2, 3].
Еще в 1944 г. Е.Г. Семенидо, а затем С.В. Венцель, основываясь на экспериментальных данных, высказали гипотезу, что органические загрязняющие примеси, находясь в тонкодисперсном состоянии, не ухудшают противоизносных качеств масла, а наоборот, действуя подобно коллоидному графиту, препятствуют непосредственному контакту трущихся деталей и уменьшают износ. Диспергированию механических при-
месей, находящихся в рабочей жидкости, посвящены работы Е.С. Венцеля, Г.А. Сед-лухи, Ф.К. Будагова, H.H. Климова, Е.А. Рывкина, М.А. Пономаревой, А.А. Жосан и других.
Очистку нефтяных масел от загрязнений ведут химическими и физико-химическими методами. Они положены в основу производства масел и служат для удаления ас-фальто-смолистых и кислотных соединений, воды и основаны на использовании фильтрования и силовых полей. Однако следует отметить, что даже при нормальной работе тонкость очистки фильтров сравнительно невысокая и составляет 15-50 мкм, а ресурс 1000 мото-часов. Срок службы фильтроэлементов Реготмас 666(665) из бумаги БТ-100 или БФМП (до очистки от загрязнений) составляет всего 250 мото-часов.
Для наиболее объективного выбора и дифференцированного подхода к технико-экономической оценке способов и средств обработки жидкостей потребовалась система критериев. Пришлось решать много сложных и противоречивых задач, связанных между собой конструктивными, технологическими, эксплуатационными и экономическими факторами. Например, повышение тонкости очистки жидкости приводит к повышению стоимости фильтрующего средства или увеличению расхода энергии, а с другой стороны приводит к повышению надежности работы гидропривода, снижению затрат на техническое обслуживание, уменьшению расходов жидкости и т.д.
Получены следующие критерии: стойкость к деструкции; тонкость и коэффициент очистки; надежность работы очистительного средства; технико-экономический критерий.
Стойкостъ к деструкции. При обработке технических жидкостей в ультразвуковых, кавитационных, ультрацентробежных и других устройствах возможна деструкция, т.е. под влиянием сдвиговых деформаций происходит разрыв макромолекул полимера (присадки) с образованием свободных радикалов, которые можно обнаружить методом электронного парамагнитного резонанса. В дальнейшем макрорадикалы превращаются в макромолекулы, но с меньшей молекулярной массой. В результате происходит либо временное снижение вязкости загущенного масла, либо необратимое.
Скорость уменьшения вязкости масел при деструкции представим в виде: dv/dt = = KCM", где K - постоянная скорости деструкции при 100°; C - концентрация присадки в масле, % по массе; M - молекулярная масса присадки (для олигомеров, например ок-тола 500, ..., 6000 ед.); m, n - постоянные для присадки. Стойкость гидравлических жидкостей, моторных масел к механической деструкции считается удовлетворительной, если снижение вязкости в течение всего срока эксплуатации не превышает 30% [4].
Тонкостъ очистки. Это критерий получен в виде d < У 12цIqlbAp , где ц - абсолютная вязкость, Па с; l - длина уплотняющей части поршня, м; q - утечки за один
з
ход поршня, м/с; b - ширина зазора, м; Ар - перепад давления, Па.
Коэффициент очистки. Для расчетов используем понятие коэффициента очистки, выведенное А.В. Адамовичем: ф = (Увх - Увых)/Увх, где Увх, Увых - концентрации загрязнений, соответственно, на входе и выходе. Учитывая их получен коэффициент очистки ф = (2Wcln Ун/Увх)/0, где Ун - начальное объемное содержание загрязнений в баке систем; WG - объем жидкости в системе; Q - расход; t - время процесса.
Надежностъ работы средств очистки. Необходимо отметить, что большинство показателей и критериев надежности связаны между собой. Наиболее распространена зависимость между показателями надежности и законом распределения, которую примем за критерий надежности Тср = JP (t)dt, где P(t) - функция вероятности безотказной работы; Тср - средняя наработка на отказ (критерий надежности).
Технико-экономический критерий - это суммарные часовые затраты на очистку жидкости в зависимости от типа фильтрующего средства, определяемые из выражения С(р) = Cq/Tq + CJT, + C + Cp/Tp, руб./ч, где C0 - стоимость очистителя, руб.; T0 - ресурс очистительного средства, ч; CB - стоимость восстановления очистителя, руб.; T, -
периодичность его восстановления, ч; С'э - стоимость часового расхода энергии в очистителе, руб./ч; Ср - стоимость одного ремонта гидропривода, руб.; Тр - периодичность ремонтов гидропривода, ч.
Наряду с известными методами обработки технических жидкостей, с целью повышения их качества и ресурса, а также для интенсификации процессов в гидроприводах научно-практический интерес представляют нетрадиционные электрофизические методы: трибоэлектризация неполярных жидкостей-диэлектриков (масел и топлив) и ультразвуковая их обработка в полях малой интенсивности (3, ..., 5 Вт/см2), т.е. ' озвучивание" масел в гидродинамических диспергаторах-излучателях (ГДИ). Суть эффекта диспергирования (озвучивания) заключается в том, что мелкие частицы, обладая высокоразвитой удельной поверхностью, адсорбируют на себе продукты окисления масла и превращаются в естественную противоизносную присадку. Колебания в жидкости можно получить в потоке жидкости (гидродинамические ультразвуковые излучатели с частотой 18-25 кГц и интенсивностью колебаний 1-5 Вт/см ) и от специальных ультразвуковых генераторов с использованием магнитострикционных излучателей (25 и более кГц; до 50 и более Вт/см ), помещенных непосредственно в жидкости.
Было определено, что в гидродинамических и магнитострикционных диспергато-рах присутствует эффект кавитационного дробления частиц. Именно кавитационный фактор в присутствии поверхностно-активных жидкостных эффектов является основной причиной диспергирования и последующих явлений: дегазации, люминесценции и т.п. Дефекты на поверхности частиц являются концентраторами напряжений, способствующими разрушению частиц согласно классической теории Ребиндера. Такие частицы подвергаются кавитационному диспергированию в первую очередь. Молекулы жидкости при относительно небольшой интенсивности ультразвуковой кавитации (15 Вт/см2) остаются невредимыми, так как для необратимого снижения вязкости, приводящей к деструкции масла^ требуется высокая концентрация энергии (около 100 Вт, при интенсивности 50 Вт/см и выше). Предел деструкции, за который принимается наименьший фрагмент макромолекулы, перемещающейся без разрыва цепи (или минимальное значение молекулярной массы), связан с соотношением энергии разрыва химических и межмолекулярных связей [4] М = (Е:т)/Е2, где Е1 - энергия активации разрыва химической связей в основной цепи; т - молекулярная масса звена мономера; Е2 - энергия активации, необходимая для преодоления сил межмолекулярного взаимодействия (между цепями полимера, т.е. вязкостной присадки).
В жидкости деструкция протекает менее глубоко, чем в твердом теле, так как жидкость, обладая демпфирующими свойствами, поглощает часть энергии активации.
Разрыв же молекул происходит при Е2 > Е1, т.е. при напряжениях, превышающих прочность химической связи между атомами основной цепи (4-6 нН/связь). Такие напряжения для макромолекул жидкости, находящейся в смазочной пленке машин, возможны при скорости сдвига порядка 10 1/с. Пример: в поршневых группах гидроагрегатов и двигателей скорость сдвига в парах трения достигает 3 ■ 10 с- при величине зазора 25 ■ 10
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.