Oil strength diagnostics in the process of static cavitation

Abstract

Through the laboratory studies of oil strength by its extension in metal bellows, the possibility of use of strength index as a complex and diagnostic index has been determined.

Full Text

Первостепенность надежности среди показателей качества техники общепризнана. Среди показателей надежности безотказность и долговечность считаются определяющими, так как обусловлены наиболее проблемными свойствами техники - ее прочностью и износостойкостью. Для широкого ряда узлов и деталей машин, особенно гидравлических, характерно кавитационное изнашивание, вызванное кавитацией как в масле, так и в рабочей жидкости. Это весьма сложные многофакторные процессы. Для их более эффективной диагностики целесообразно расширить знания о влиянии на процесс кавитации прочности масла, обусловленной его составом, структурой и состоянием. Косвенными показателями последних могут быть плотность, вязкость, температура вспышки. Для экспериментальных работ комплексным показателем может служить марка масла. Дело в том, что индивидуальные масла (марки) служат для пар трения машин окружающей средой, предназначенной для управления их долговечностью. Функции масла весьма широки, но к основным относят демпфирование нагрузки, снижение коррозии, трения и износа, герметизацию, охлаждение и промывку зон трения [1-3]. Требования к количеству и качеству функций, а конкретно к потребительским свойствам масла, формирует разработчик техники, что и определяет классификацию масел по назначению: индустриальные, моторные, гидравлические, компрессорные, трансмиссионные и т.д. С учетом назначения масла имеют определенные различия по составу, строению и структуре. Они представляют собой строго дозированные и сбалансированные композиции ряда нефтяных фракций и специальных присадок. Для эксплуатации такой массовой техники, как с.-х. и промышленные тракторы, с.-х. и дорожно-строительные машины, одновременно необходимы различные масла, начиная от моторных и гидравлических и заканчивая трансмиссионными конечных и бортовых передач, мокрых тормозов и сцеплений. В последнее время для этих компактных машин, чтобы иметь общий масляный бак, используют универсальные единые тракторные масла UTTO (США) и универсальные тракторные масла с улучшенными характеристиками STOU (Европа). Требования к эксплуатационным характеристикам масел устанавливаются соответствующими спецификациями или стандартами, включающими в обязательном порядке определение вязкости, индекса вязкости, температуры застывания и вспышки, а также испытания на трение и износ всех агрегатов назначения масла. Так, масла для гидравлического оборудования испытываются на износ пластинчатых и поршневых насосов (сертификаты фирм Denison HF-2, Vickers 1-2X6-S, ASTM D2882). Необходимо отметить, что все названные функции масел прямо или косвенно зависят от их вязкости. Таким образом, вязкость служит основным физическим параметром. Способность масла воспринимать сжимающие и растягивающие силы, т.е. нести потери механической энергии на упругие колебания микрообъемов при изменении прикладываемого к ним давления, принято считать объемной вязкостью. Потери энергии на преодоление сил внутреннего трения между движущимися относительно друг друга плоскими слоями масла считают сдвиговой, или динамической, вязкостью. Другими словами, всегда существует сдвиг фаз между давлением, действующим на масло, и его деформированием. Поэтому на единой шкале участок, соответствующий упругой деформации масла, представляет значения объемной вязкости, а расположенный выше участок, соответствующий пластической деформации масла, - динамической. Рубеж перехода одной вязкости в другую, зависящий от свойств масла, представляет значительный научный и технический интерес. Однако непосредственное измерение вязкости затруднено, поэтому на практике используются условные значения вязкости, включающие значения собственно вязкости масла и «вклад» (поправку) в это значение метода и прибора измерения, моделирующих тот или иной режим течения масла в реальных условиях. Этим объясняется и наличие десятков типов вискозиметров, включая автоматические системы измерения кинематической и динамической вязкости, отвечающие требованиям ISO. Ряд капиллярных вискозиметров типа ВПЖ, например, позволяет измерять кинематическую вязкость масел в диапазоне от 0,6 до 30 000 мм2/с. Широко используемый роторный вискозиметр Брукфильда позволяет измерять динамическую вязкость в диапазоне от 1 до 105 пуазов при низкой скорости сдвига (до 10-2 с-1). На вязкость масел влияет наличие в них газов (воздуха). Все масла способны поглощать и растворять контактирующие с ними газы, образуя микроскопические однородные смеси, и захватывать газы, образуя двухфазные системы. Уже мельчайшие пузырьки газов, радиус которых составляет около нанометра, рассматриваются в химмотологии как нуклеоны, т.е. зародыши, ядра, центры разрыва масел, потери их целостности, прочности. Газосодержание и газовыделение - весьма существенные исходные факторы, определяющие прочность жидкостей. Исследования [4], в частности, показывают, что для дегазированных масел при высокой чистоте установки растягивающие напряжения могут достигать = 27 МПа. В этих условиях прочность воды достигает значений МПа. В ходе газовыделения (первая стадия, или режим) происходит увеличение количества и размеров воздушных пузырьков в масле, т.е. увеличение свободной поверхности. Это приводит к интенсивному испарению масла (вторая стадия) с увеличением количества и размеров газопаровых и паровых пузырьков. Их рост и слияние приводят к последующему холодному кипению масла (третья стадия). Присутствующие в маслах микрокапли воды и механические частицы других загрязнений также способствуют потере прочности масел, поэтому определение и ограничение содержания газа, воды и механических примесей в масле регламентируются стандартами. Из этого следует, что при эксплуатации машин диагностика состояния масла по вязкости служит косвенной диагностикой его прочности. Прочность в науке и технике - понятие весьма широкое. Его связывают со всеми видами нарушения целостности материалов и деталей машин как физических тел, со всеми видами действия внешних сил, агрегатных и предельных состояний или деформаций. Выделяют прочность статическую и динамическую, на сжатие и растяжение, усталостную и т.д. На рис. 1 приведена универсальная кривая, схематично выражающая законы прочности в разделах науки и техники [5]. В основе этой кривой лежит фундаментальный закон физики о зависимости потенциальной энергии E и силы P взаимодействия двух изолированных частиц от расстояния между ними Δl. Прочность взаимодействия частиц определяют молекулярные силы притяжения и отталкивания или сопротивлений сжатию и растяжению, независимо от предположения об их физической природе. Нулевая точка А соответствует состоянию равновесия, когда в отсутствии внешних сил силы притяжения и отталкивания уравновешивают друг друга: их равнодействующая на результирующей кривой равна нулю. На начальном участке АВ зависимость аппроксимируется как линейная. Далее при растяжении, т.е. при увеличении расстояния между частицами, силы отталкивания убывают быстрее, чем силы притяжения. При этом в точке С кривая имеет максимум, который определяет величину внешней силы, достаточной для начала прогрессирующего разрушения системы, и глубину так называемой «потенциальной ямы», соответствующей энергии Е диссоциации частиц в процессе разрушения системы. Вполне естественно точку В схода растяжения с линейного закона принять за контрольную при оценке этого процесса. В машиноведении как техническом отображении физики данный закон входит в число основополагающих. Так, в материаловедении и, в частности, сопромате закон в схожей форме представляется диаграммой растяжения, устанавливающей зависимость растяжения ε материалов от напряжения σ. В трибологии подобная закономерность проявляется при всех видах трения. При сухом трении - когда между сдвигающей силой и смещением наблюдается прямая пропорциональность в начальной стадии процесса. При граничном трении подобная кривая (диаграмма) представляет зависимость деформации граничных слоев масла на поверхности твердых тел (фаз) от давления [2]. Количественные и качественные изменения обусловливают друг друга. Закон устанавливает и обратную зависимость: качественные изменения ведут к количественным. Процесс перехода одновременно прерывен и непрерывен: прерывность выступает в форме качественного скачка, а непрерывность - в форме количественных изменений. Так, процесс растяжения масла представляется тремя стадиями, или режимами: газовыделения, испарения и кипения. Нефтяное масло содержит относительно большое количество воздуха ввиду весьма пористой структуры из-за особого строения и состава молекул, что обеспечивает ему низкую плотность как меру его упаковки. Растворение газов в жидкостях представляет собой процесс проникновения молекул газа из окружающей среды через свободную поверхность внутрь жидкости. При понижении давления на поверхности жидкости газ выделяется до тех пор, пока его объем в жидкости не придет в соответствие с новой величиной давления. Выделяется газ интенсивнее, чем растворяется. Испарение представляет собой процесс перехода жидкости в газообразное состояние. Этот процесс обусловлен прорывом молекул жидкости сквозь свободную поверхность и распространением их в окружающей среде. Если объем этой среды недостаточно велик, испарение продолжается до наступления динамического равновесия, когда количество испаряющихся и конденсирующихся за некоторое время молекул выравнивается. При этом над или под свободной поверхностью устанавливается давление, называемое давлением насыщенного пара, или упругостью насыщенного пара. Величина этого давления зависит от температуры. В химмотологии, особенно гидропривода, контроль прочности масла при растяжении весьма важен и представляется кавитационными характеристиками, отражающими и техническую совместимость масел со скоростными, силовыми и температурными режимами работы гидропривода [1, 2, 6]. Минимально допустимое давление на входе в насос обычно ограничивается не давлением насыщенного пара, а давлением выделения из масла допустимого количества воздуха, которое значительно выше и определяет разрыв потока и снижение подачи насоса. Так, например, согласно исследованиям [4], при работе на масле И-20А абсолютное давление на всасывании насоса, при котором начинается интенсивное выделение пузырьков воздуха, составляло 220, 425, 500 и 585 мм рт.ст. при температурах соответственно 18, 40, 60 и 100 °С. Необходимо отметить, что упругость насыщенных паров этого масла составляла около 1 мм рт.ст. при температуре 60 °С. При этом имеет место значительное кавитационное изнашивание поверхностей деталей насосов на стороне всасывания. Этот факт объясняется тем, что на стороне всасывания насоса так же, как и на стороне нагнетания, идет полигармонический процесс пульсации давления, в составе спектра которого присутствуют как основная, так и высокочастотные гармоники [5]. С увеличением давления нагнетания размах пульсации давления на стороне всасывания увеличивается. При этом увеличение размаха происходит как за счет роста максимального давления, так и за счет уменьшения минимального значения пульсирующего давления. С увеличением давления возможно снижение минимального давления до нуля, что свидетельствует о значительной динамической кавитации на стороне всасывания гидромашин при достаточно высоком значении среднего давления. На рис. 2 в качестве примера показана пульсация давления на всасывании объемных гидроприводов. Исследования влияния на прочность масла тех или иных факторов ведутся давно. О сложности исследования прочности жидкостей как свойства, явления или процесса свидетельствует, в частности, большое разнообразие применяемых показателей прочности и методов их определения. Так, в качестве показателей прочности приняты: давление насыщенных паров (ГОСТ 1756-2000), напряжение растяжения, давление отрицательное, давление разрыва и др. [5, 7]. В качестве методов исследования прочности при разрыве жидкости применяются: центробежный, сильфонный, поршневой и др. Исследование прочности масла методом растяжения в сильфоне с оценкой по изменению жесткости и характеру этого изменения следует считать наиболее предпочтительным. Металлический сильфон можно считать абсолютно герметичной и относительно легко деформируемой оболочкой определенного объема масла, растяжению которого в этом случае более полно противостоят вязкостные, когезионные, адгезионные силы в объеме его адсорбированных граничных слоев значительной площади, также подвергнутых сдвигу при деформации гофр. В основу исследований легли следующие положения. 1. Сильфонный метод исследования наиболее близко моделирует деформацию вплоть до разрыва определенного объема масла, вызванную микро- и макроперемещениями золотников, поршней в гидроприводе. 2. Растяжение как деформация, противоположная по знаку сжатию, характеризуется аналогичным молекулярным механизмом: молекулы находятся под действием растягивающих напряжений, стремящихся изменить поверхностное натяжение, молекулярную структуру и плотность масла. В связи с этим его прочность, наряду с давлением разрыва или растягивающим напряжением, можно оценить по модулю растяжения, аналогичному модулю сжатия, как произведение давления pр, при котором происходит деформация, и отношения начального объема W0 к его приращению ΔW: Научная и практическая ценность применения модуля растяжения заключается в том, что напряжение растяжения в этом случае относится к единице объема масла, т.е. используется полная модель масла как трехмерного тела. Для этого, в частности, имеется возможность расчетным или графическим методом (см. рис. 2) учитывать (исключать) податливость сухого сильфона, которая по аналогии с оценкой податливости пружины может характеризоваться параметром λ, представляющим собой перемещение одной гофры под действием заданной нагрузки (равной 10 Н), или параметром δ, представляющим удельную жесткость сильфона как обратную величину податливости. 3. Масла представляют собой строго дозированные и сбалансированные композиции ряда фракций и групп углеводородов нефти. Они также представляют собой многокомпонентные или многофазовые системы (эмульсии, суспензии), что определяет их относительную прочность как проявление изменения сил взаимодействия между частицами различных материалов. К внешним проявлениям этих изменений можно отнести стадии кавитации в масле в последовательности: газовыделение, испарение, кипение. Естественно, что каждой из этих стадий кавитации должен соответствовать свой модуль растяжения и участок на кривой закона растяжения. 4. Сопоставление (наложение) текущей кривой прочности масла с базовой, начальной или предварительной может быть основой диагностики качества масел методом эталонных зависимостей, т.е. переходных характеристик. В рассматриваемом случае исследования были проведены на многослойных сильфонах из коррозионностойкой стали (гибкие рукава высокого давления) трех исполнений. Параметры наиболее используемого сильфона (№2) приведены на рис. 3. На рис. 3 в качестве примера приведена одна из рубежных кривых изменения наибольшей жесткости масла в составе сильфона при исследовании в нормальных условиях (t = 20 °С; p = 1 атм). В данном случае для повышения объективности эксперимента при обработке его результатов использовалась двойная шкала перемещения сильфона, что позволяет графически учитывать непосредственно жесткость сильфона при определении жесткости или прочности масла. Так, для интересующей нагрузки (например 10 Н) через соответствующую точку В на кривой деформации сильфона с маслом 2 можно определить его перемещение (0,02 мм), а далее по соответствующей этому точке на характеристике сухого сильфона - и его перемещение, и затраченную на это нагрузку (0,2 мм; 4 Н). Расчет показывает, что при данной нагрузке на сильфоне (≈10 Н) давление в масле будет составлять порядка 10 кПа. Представленные на рис. 3 закономерности деформации масла в сильфоне соответствуют характерным для процессов разрыва веществ и материалов. Для данного случая, например, жесткость масла с сильфоном на порядок выше жесткости самого сильфона. Начальная часть кривой АВ (21) представляет характерную линейную зависимость перемещения от нагрузки, в данном случае для стадии газовыделения. Изменение этой зависимости в точке В на участке кривой ВС (22) можно объяснить снижением вязкости масла, вызванным интенсивным образованием пузырьков от газовыделения и испарения легких фракций масла. Далее, выше точки С, следует стадия увеличения жесткости масла за счет роста сопротивления при увеличении скорости течения масла с возросшим содержанием пены. Из этого следует, что метод контроля деформации сильфона с заключенным в нем маслом вполне приемлем для диагностики состояния масла по показателю его прочности. Исследования показали, что метод позволяет по прочности масла контролировать его вязкость. На рис. 3 приведены зависимости давления разрыва от вязкости ряда масел. На рис. 4 приведена вязкость, указанная в марке масла и соответствующая температуре 100 °С, в то время как исследования проведены при нормальной температуре (20 °С). Естественно, что с увеличением вязкости прочность масла, как правило, увеличивается. Подтверждением этого могут служить результаты исследования влияния на прочность масел их температуры вспышки, приведенные на рис. 5. Представленные зависимости обусловлены химическим и фракционным составом масел и, в частности, количеством легко испаряющихся фракций углеводородов. Результаты проведенных исследований в виде прочностных или кавитационных характеристик масел свидетельствуют о возможности оценки прочности масел методом их статической кавитации в сильфоне. Прочностные характеристики позволяют повысить качество диагностики свойств и (или) состояния масел. Целесообразно при испытаниях насосов совместить их кавитационные характеристики с кавитационными (прочностными) характеристиками масел, что позволит установить их баланс в снижении давления всасывания, определить запас прочности масла на всасывании, оптимизировать соотношение параметров масла, трубопровода и режима течения (скоростного, температурного, силового) с целью ограничения динамической кавитации масла, а следовательно, его вспенивания, последующего кавитационного изнашивания деталей агрегатов гидропривода, т.е. повысить его надежность.