Reliability of tractor hydraulic systems in the context of purity of power fluid

Abstract

The article is dedicated to review and analysis of control and estimation methods of power fluid purity in order to provide reliability of tractor hydraulic systems. It highlights the results of experimental studies concerning contamination of hydraulic system fluids. Comparative analysis of foreign standards of hydraulic system fluids control is performed.

Full Text

Гидравлические системы - неотъемлемая часть современных тракторов. Круг их функций и возможностей расширяется по мере увеличения эффективной мощности. За пятидесятилетнюю историю использования раздельно-агрегатных гидравлических систем к первоначальному назначению добавились функции догружателя (увеличителя) сцепного веса, гидроподжимных муфт сцепления, гидротрансформаторов, гидрообъемного рулевого управления, гидромеханической и гидрообъемной трансмиссий [1]. Соответственно возросли и требования к надежности гидравлических систем, особенно в контексте быстродействия и точности выполнения управляющих воздействий, которые обеспечиваются прецизионными сопряжениями и высокой чистотой гидравлических жидкостей. Поскольку гидравлические жидкости практически несжимаемы, происходит быстрая передача усилия. Кроме того, масла предохраняют трущиеся сопряжения от износа, отводят избыточную теплоту, очищают детали от накапливающихся продуктов износа, загрязнений, осадков. Установлено, что загрязнения, особенно в виде твердых частиц, значительно снижают срок службы машин и нередко вызывают их неисправности и поломки. Условия работы масел в гидравлических системах тяжелые, наблюдаются большие (до 80-100 0С) перепады температуры. Установившаяся рабочая температура достигает 60-90 0С, а иногда 110-120 0С. Давление повышается до 15 МПа, а в гидрообъемных передачах - до 40 МПа. Скорости скольжения достигают 20 м/с. При таких высоких давлении и температуре масла окисляются, соприкасаются с цветными и черными металлами, различными материалами уплотнений и шлангов. К тому же в масло постоянно поступает атмосферная пыль вследствие больших и малых дыханий гидравлических систем. В авиационных гидравлических системах из рабочих жидкостей должны быть удалены загрязнения размером более 2-5 мкм, а в гидросистемах дорожно-строительных и с.-х. машин, тракторов, автомобилей и морских судов из рабочих жидкостей следует удалять частицы крупнее 15-20 мкм [2]. В тяжелонагруженных гидросистемах все чаще применяют рабочие жидкости с антифрикционными присадками. Результаты испытаний насосов, работавших на обычной жидкости и жидкости с антифрикционной присадкой, представлены на рис. 1. Испытания [3] показали, что после 250 ч работы износ деталей насоса, работавшего на жидкости с антифрикционной присадкой, в 6 раз меньше износа деталей насоса, работавшего на обычной жидкости. Влияние загрязнений на работоспособность и надежность распределительных и других гидравлических устройств обычно определяется по изменению в процессе испытаний основных параметров: давления жидкости на входе и выходе агрегата, объемной подачи жидкости, силы страгивания золотника и микрогеометрии поверхности деталей золотниковых пар. Результаты подобных исследований получены для следующих серийных агрегатов: распределительных устройств с электромагнитным управлением типа ГА-49 и ГА-13 с цилиндрическими золотниками; распределителей гидроусилителей БУ-10 и БУ-1; распределителей ГА-142 с плоским золотником и распределителей ГА-163 клапанного типа; редукторов давления ГА-213 и ГА-159. В качестве загрязнителя рабочей жидкости АМГ-10 использовался порошок электрокорунда тех же размерных фракций, что и при испытаниях насосов, а также карбонильное железо твердостью 4,9 МПа. Массовая концентрация загрязнителя в жидкости составила 0,5-40 мг/л, что приблизительно соответствует 0,00005-0,005% содержания частиц по массе. Исследования [4] показали, что работа агрегатов на загрязненной жидкости приводит к их заклиниванию, нестабильной работе и износу трущихся пар. На надежность и работоспособность распределительных устройств влияют такие параметры загрязнителя, как размер, твердость и концентрация частиц. Наиболее опасны абразивно-активные частицы (атмосферная пыль, остатки притирочных паст, оксиды металлов), размер которых соизмерим с размером радиального зазора в плунжерной паре (1-12 мкм). Такие частицы вызывают заклинивание золотника распределителя, тогда как мелкие частицы загрязнений способствуют повышенному износу поверхностей плунжера и гильзы. Концентрация абразивно-активного загрязнителя в жидкости более 0,5 мг/л опасна для работы распределительных устройств. Наиболее чувствительными к загрязнениям оказались распределители с цилиндрическими золотниками. Распределители с плоской золотниковой парой и клапанного типа более надежны при работе на загрязненной жидкости. В результате многократного движения по поверхностям деталей частицы загрязнений могут раздробиться и принять участие в дальнейшем процессе износа. В отдельных случаях, определяемых конкретными особенностями системы или агрегата, требования к чистоте рабочей жидкости могут быть еще более жесткими. При повышении чистоты жидкости в 2 раза затраты на ее очистку также удваиваются. Вместе с тем практика обеспечения технической чистоты машин и специальные исследования показывают, что можно увеличить ресурс элементов гидравлических систем, снизив при этом затраты на их обслуживание и ремонт, если для очистки масла применять устройства с тонкостью фильтрования 3-10 мкм. Чистота гидравлических жидкостей обычно оценивается по содержанию массы загрязняющих примесей в пробе жидкости согласно ГОСТ 6370-83, причем содержание до 0,005% примесей вообще не принимается во внимание. Такой контроль чистоты жидкостей применяют на многих промышленных предприятиях и при эксплуатации машин. Однако контроль чистоты жидкостей по ГОСТ 6370-83 во многих случаях уже не удовлетворяет современным требованиям, поскольку не предусматривает определения размеров и количества частиц загрязняющих примесей. Принятый способ контроля не может показать присутствия в жидкости твердых частиц опасных для данного агрегата или системы размеров. ГОСТ 17216-71 устанавливает 19 классов чистоты жидкостей при их поставке, транспортировании и хранении, а также при использовании в машинах и устройствах, изготовлении и ремонте узлов, агрегатов и систем машин. Стандарт предусматривает подсчет частиц загрязнений размером 0,5-200 мкм в восьми размерных группах, а также волокон толщиной не более 30 мкм с отношением длины к толщине не менее 10:1. В настоящее время разработаны стандарты, нормирующие чистоту технических жидкостей и рабочих полостей машин по гранулометрическому (дисперсному) составу. В ряде зарубежных стандартов требования к чистоте гидравлических жидкостей подразделяются в зависимости от условий их применения, а в некоторых случаях также от условий очистки. Впервые требования к чистоте гидравлических жидкостей были изложены в документе ARTS 28, разработанном в США на основе исследований, проведенных несколькими фирмами-изготовителями гидравлического оборудования. Этот документ не был официальным, но послужил основой для разработки ряда американских стандартов. В США разработан стандарт NAS 1638, который применяется предприятиями автомобильной и судостроительной промышленности, в т.ч. и в других странах, например в Японии. Стандартом NAS 1638 установлено 14 классов чистоты жидкостей, применяемых в гидравлических системах. В соответствии с этим стандартом количество частиц загрязнений для каждого последующего класса удваивается, а при переходе от каждой размерной группы к группе более мелких частиц их количество в каждом классе увеличивается приблизительно в 6 раз. Американский стандарт SAE ARP 598 определяет требования к чистоте жидкостей гидравлических систем в условиях эксплуатации. В нем указывается предельное количество частиц загрязнений шести размерных групп в 100 см3 жидкости (табл. 1). Таблица 1 Требования к чистоте рабочих жидкостей гидравлических систем и стендового оборудования Объект контроля чистоты жидкости Допустимое количество частиц загрязнений в 100 см3 жидкости при интервале размеров, мкм 1-5 6-10 11-25 26-50 51-100 Более 100 Испытательные стенды 500 000 25 000 2500 25 5 0 Гидравлические системы 500 000 128 000 42 500 6500 1000 52 В соответствии с этим стандартом жидкость для промышленных гидравлических систем в состоянии поставки машин должна соответствовать шестому классу чистоты. Применяются также классы чистоты жидкостей гидравлических систем в соответствии с американскими стандартами, разработанными Обществом автомобильных инженеров (SAE), Американским обществом по испытанию материалов (ASTM) и Американской ассоциацией промышленности (AIA). Фирма Cincinnati на основе стандартов SAE, ASTM и AIA предложила определять классы чистоты рабочих жидкостей, в т.ч. и для промышленных гидроприводов, исходя из того, что зависимость количества загрязняющих частиц от их размера подчинена логарифмическому закону. График уровней загрязнения жидкостей гидравлических систем в соответствии с классами чистоты, предложенными фирмой Cincinnati, в логарифмической сетке представляет собой прямые линии, что не всегда подтверждается практикой машиностроения. В то же время исследования загрязненности гидравлических систем в эксплуатации показывают, что во многих случаях количество загрязняющих частиц в каждой размерной группе в зависимости от класса чистоты подчиняется логарифмическому закону. В Англии для определения классов чистоты рабочих жидкостей применяют спецификацию, соответствующую американскому стандарту NAS 1638. Английская фирма Thermal Control на основе изучения обширного материала по чистоте гидравлических систем разработала стандарт, отличительной особенностью которого стало наличие минусового допуска на количество загрязняющих частиц по каждой размерной группе. Это позволяет более точно определить класс чистоты в соответствии с фактическими результатами гранулометрического анализа пробы жидкости. В этом стандарте указано также процентное соотношение количества частиц загрязнений определенной размерной группы и общего количества частиц. Например, количество частиц размером 1-5 мкм составляет для разных классов от 92 до 95%, а содержание частиц размером 50-100 мкм не превышает тысячных долей процента. Многие специалисты считают, что характеризовать загрязненность рабочей жидкости только количеством частиц загрязнений различных размеров недостаточно, поскольку при этом отсутствует классификация частиц по их неблагоприятному воздействию на работу узлов и агрегатов машин. Разработано несколько проектов стандартов, в которых деление на классы чистоты производится по максимальному количеству частиц определенных размеров, а также по общему максимальному количеству частиц, размер которых больше установленного. В соответствии с этим принимаются стандартные нормативы (классы) на загрязнение жидкостей, наглядно представляемые в виде диапозитивов-эталонов, с которыми сравниваются диапозитивы, полученные при контроле загрязненности реальных жидкостей. По проекту Международной организации стандартов ИСО/ТК 131 предлагается установить классы чистоты в соответствии с количеством частиц размером более 15 мкм в 100 см3 пробы жидкости. Выбор этого размера в качестве критического объясняется тем, что рабочие зазоры в плунжерных парах гидравлических, топливных и других агрегатов, работающих при среднем давлении жидкости, не превышают 15-40 мкм. Классы чистоты и соответствующее им максимальное количество частиц загрязнений размером более 15 мкм с разбивкой по размерным группам приведены в работе [4]. Например, класс чистоты 1300 означает, что в 100 см3 жидкости содержится 1300 частиц загрязнений размером более 15 мкм. Классы чистоты рекомендуется устанавливать следующим образом: 400 и 800 - для элементов гидравлических систем высокой точности и управления; 1300 - для следящих гидравлических систем с чувствительными к загрязнениям агрегатами; 2000 и 6300 - для гидравлических систем нераздельного исполнения; 15 000 и 21 000 - для гидравлических систем стационарных машин; 100 000 и 600 000 - для гидравлических систем мобильных машин. На практике отмечались случаи неблагоприятного воздействия на работоспособность узлов и агрегатов мелких частиц размером 1-5 мкм, поэтому для систем и устройств, особо чувствительных к загрязнениям (следящие гидроприводы высокой точности, прецизионные системы управления), требуется ограничивать допустимое количество частиц размером более 5 мкм. Максимально допустимое количество частиц размером более 5 мкм и волокон в 100 см3 пробы жидкости прецизионных гидравлических систем представлено в табл. 2. Таблица 2 Максимально допустимое количество частиц размером более 5 мкм и волокон в 100 см3 пробы жидкости прецизионных гидравлических систем Класс чистоты 400 Г 800 Г 1300 Г 2000 Г 6300 Г Количество частиц, шт. 6000 20 000 40 000 80 000 200 000 Гранулометрический контроль частиц загрязнений размером менее 5 мкм сильно затруднен из-за малых размеров частиц. Классификация загрязнений гидравлических систем в соответствии с проектом ИСО/ТК 131 приведена на рис. 2. Несмотря на обилие норм и стандартов чистоты гидравлических жидкостей и полостей машин, можно надеяться, что в ближайшее время будут приняты надежные и удобные в использовании международные стандарты промышленной чистоты. Вместе с тем Ташкентский тракторный завод, как и все тракторные заводы СНГ, по-прежнему рекомендует использовать вместо гидравлических жидкостей моторные масла, а для их очистки - унифицированные сетчатые фильтрующие элементы с размером ячейки 125´125 мкм. Несоответствие фильтрующей способности применяемых средств требованиям к чистоте гидравлических жидкостей вызывает сомнение в обоснованности нормативных документов, касающихся замены масла при наработке 2000 ч, и становится одной из главных причин низкого ресурса гидравлических систем. Наряду с изложенным имеются претензии и к разрабатываемым стандартам ИСО относительно классов чистоты гидравлических жидкостей. Накопление в гидравлической жидкости любых примесей приводит к образованию двухфазной смеси, состоящей из несущей фазы и механической примеси. Поэтому динамический коэффициент вязкости несущей фазы возрастает на величину поправки Эйнштейна даже при малых объемных концентрациях примеси. В случае, если форму примеси считают сферической, действительный динамический коэффициент вязкости, Па·с, выражается соотношением: m* = 0,1m (1 + 2,5a), где m* - динамический коэффициент вязкости, скорректированный поправкой Эйнштейна; m - динамический коэффициент вязкости чистой несущей фазы; a - объемная доля примеси, представляющая собой отношение плотностей примеси и масла, умноженное на ее процентное содержание. При форме частиц, отличающейся от сферической, динамический коэффициент вязкости масла возрастает. Так, для примесей эллипсоидальной формы: m* = 0,1m (1 + 5a). Повышение динамической вязкости рабочей жидкости ухудшает расходные характеристики в дросселирующих сечениях и снижает быстродействие исполнительных устройств (гидроцилиндров), что особенно опасно для гидрообъемного рулевого управления. Кроме того, следует иметь в виду, что режим движения жидкости в гидравлических системах не ламинарный, имеют место локальные ускорения, низкочастотные и высокочастотные пульсации, кавитация. В этих условиях работа перепускного и бустерного клапанов сопровождается ударами, которые разрывают масляную пленку, обволакивающую абразивные частицы. В результате возникают эффекты гидроабразивного изнашивания и ударного воздействия на запорные устройства посредством абразивных частиц. Таким образом, требуется пересмотр позиций относительно надежности гидравлических систем в контексте формирования новых требований к гидравлическим жидкостям.