CC BY
278
УДК 621.25
К РАСЧЕТУ ТОНКОСТИ ФИЛЬТРАЦИИ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ И ВЫБОР ФИЛЬТРА ДЛЯ ОБЪЕМНОГО ГИДРОПРИВОДА
Г.А. Аврунин, доцент, к.т.н., ХНАДУ, И.В. Г рицай, инженер, технический директор представительства «Rexroth Bosch Group» (ФРГ) в Украине, С.А. Калашник, студент, ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрен опыт передовых зарубежных фирм в части расчета тонкости фильтрации рабочей жидкости для объемных гидроприводов различного назначения и выбора типоразмера фильтра и места его установки в гидросистеме.
Ключевые слова: гидроустройство, фильтр, тонкость фильтрации, эффективность очистки, грязеемкость.
Введение
Фильтры относятся к гидроустройствам кондиционирования рабочей жидкости (РЖ) объемных гидроприводов [1]. Общей тенденцией современного объемного гидропривода является то, что вне зависимости от передаваемой мощности и объекта использования его надежность определяется уровнем очистки РЖ, как важнейшим фактором поддержания стабильных зазоров в поршневых и золотниковых парах и снижения риска аварийного выхода из строя гидроборудования вследствие образования задиров или заклинивания прецизионных узлов. Задача фильтрования РЖ в объемном гидроприводе заключается в ее очистке до уровня, исключающего поломки, отказы в работе или интенсивное изнашивание частей гидроустройств в течение всего срока эксплуатации. Для ее решения последовательно определяется необходимый уровень чистоты РЖ в каждом конкретном гидроприводе, выбирается фильтр, место его установки и контролируются достигнутые результаты [2].
Анализ публикаций
В настоящей статье рассмотрены отечественные и зарубежные стандарты, информационные материалы передовых инофирм и аналитические обзоры специалистов в области объемных гидроприводов, касающиеся проблем повышения надежности путем
обеспечения эффективной очистки рабочей жидкости.
Цель и постановка задачи
Целью настоящей статьи является систематизация практических рекомендаций по обеспечению эффективной очистки рабочей жидкости в объемных гидроприводах, в том числе расчет требуемой тонкости фильтрации и грязеемкости фильтроэлемента, выбор типоразмера фильтра для конкретного объемного гидропривода с учетом специфики используемых гидроустройств, области применения и условий эксплуатации.
Решение задачи
На рис. 1 представлена типовая принципиальная схема объемного гидропривода и возможные места установки фильтров, рекомендуемые ведущими мировыми фирмами при эксплуатации гидрооборудования (в линиях всасывания или нагнетания насоса, слива РЖ из рабочего оборудования в гидробак, причем, как правило, фильтры устанавливают в одной из линий гидросистемы). Для объемных гидроприводов мобильных машин, сочетающих гидропередачи, работающие по замкнутой цепи циркуляции РЖ, например, в приводе передвижения машины, и гидроприводы обеспечения функционирования рабочих органов для реализации требуемого технологического процесса, получили рас-
пространение комбинированные фильтры для фильтрации сливного потока РЖ и на всасывании насоса подпитки (рис. 2). Преимущество комбинированного фильтра заключается в том, что очищенная в сливном потоке РЖ (на выходе из гидроприводов рабочих органов) подается к насосу подпитки под избыточным давлением порядка 0,05 МПа, предотвращая кавитацию и обеспечивая функционирование гидропривода при низких температурах окружающего воздуха.
При решении вопроса о назначении тонкости фильтрации, предотвращающей засорение зазоров прецизионных пар, фирма «ARGO» (Италия) сообщает, что опасность засорения зазора для золотниковых пар с малыми перемещениями (к этой группе относят дросселирующие гидрораспределители и пропорциональные гидроаппараты) имеет место в том случае, когда частицы загрязнений превышают 33% наименьшего значения зазора, а для пар с большими перемещениями (гидрораспределители и поршни гидромашин) - 75% наименьшего значения зазора [3]. Зависимости между размерами частиц и зазорами между контртелами носят линейный характер и могут быть представлены в виде
4 =0>75-5мин,мкм;
к = 0,33-8МИН,мкм:
(1)
где /а - допускаемый размер частиц загрязнений для гидрораспределителей и поршней гидромашин, мкм; /ь - допускаемый размер
частиц для дросселирующих гидрораспределителей и пропорциональных гидроаппаратов, мкм; - значение минимального за-
5 * мин
зора между конртелами различных гидроустройств, мкм.
Таким образом, при минимальных зазорах в современных гидроустройствах 5МИН = 5-20 мкм размер частиц загрязнений в РЖ объемного гидропривода не должен превышать 1,65-30 мкм.
Для оценки эффективности фильтроэлемен-тов в соответствии с международным стандартом 180 4406/1999 определяют количество загрязняющих частиц в пробе РЖ
объемом в 1 см3 по соответствующим размерным кодам (классам) 180. По мере накопления экспериментального опыта, прини-
маемые для расчета класса чистоты РЖ размерные группы претерпевали изменения и в настоящее время в каталогах фирм и эксплуатационной документации, можно встретить следующие обозначения кодов 180:
- двузначный код - градация по частицам более 5 и 15 мкм;
- трехзначный код - градация по частицам более 2; 5 и 15 мкм (используется при подсчете частиц при помощи микроскопа);
- трехзначный код - градация по частицам более 4; 6 и 14 мкм (используется при автоматизированном подсчете частиц с помощью электронных устройств).
Рис. 1. Типовые места установки фильтров: Н - насос с регулируемым рабочим объемом; м - приводящий электродвигатель насоса; Ц - гидроцилиндр; Р - гидрораспределитель; КП - гидроклапан предохранительный; Б - гидробак; МН -манометр; Ф1 - фильтр на всасывании в насос Н; Ф2 - фильтр в линии нагнетания насоса (с магнитным сепаратором); Ф3 - фильтр на сливе из гидросистемы; Ф4 - воздушный фильтр (сапун)
Коды 180 обозначаются в порядке нарастания размерной группы и после каждой группы ставится наклонная черточка (например, запись вида 20/14/12 обозначает коды соот-
ветственно количеству частиц в пробе размером более 2; 5 и 15 мкм). Количество частиц в пробе, соответствующее определенному коду ISO, и ориентировочное соотношение между классами чистоты по ряду стандартов и действующему в Украине ГОСТ 17216-71 [4], приведены в табл. 1. Здесь же приведены ориентировочные значения номинальной тонкости фильтрации, обеспечивающей соответствующий класс чистоты.
В соответствии с ISO 16889/1999 (Multi-Pass test) в лабораторных условиях определяют так называемое «бета-соотношение» Рх (отношение числа частиц определенного размера х в пробе РЖ до и после фильтра), с помощью которого можно объективно сравнивать фильтры различных изготовителей
7
_ х(вход) ^2^
^(выход)
где 2х(вход) и 2х(выход) - количество частиц
размером более значения х в пробах РЖ на входе в фильтр и выходе из последнего.
В зависимости от вычисленных значений коэффициент тонкости фильтрации характеризует эффективность очистки [5]
- при Рх = 20 - достигается номинальная тонкость фильтрации;
- при ßi; = 100 - достигается абсолютная тонкость фильтрации.
Следует отметить, что при ßx < 1 собственно фильтроэлемент является источником загрязнения РЖ (что может иметь место при разрыве фильтроэлемента), а при ßх = 1 загрязнения вообще не задерживаются.
Требуемый класс чистоты РЖ в гидросистеме определяется по гидроустройству, нуждающемуся в наиболее качественной очистке [2].
Грязеемкость является одной из важных характеристик фильтра и зависит от площади фильтрующей поверхности. Установлено, что при увеличении площади фильтрующей поверхности фильтроэлемента в 2 раза срок его службы возрастает в 2,5-3,5 раза. Поэтому для сокращения эксплуатационных расходов рекомендуется применение типоразмеров фильтров с определенным запасом по расходу [2]. Грязеемкость фильтроэлемента определяют по рекомендуемой фирмой «ARGO» формуле [3]
Гр = SPS Q S, г (3)
1000
где SPS - удельная интенсивность поступления загрязнений за 1000 ч эксплуатации гидропривода, г/(л/мин), значения которой для
Таблица 1 Сравнение классов чистоты РЖ по различным стандартам
Класс по ГОСТ 17216 / Номинальная тонкость фильтрации, мкм Коды ISO 4406:99 Количество частиц в 1мл NAS 1638 (1964) Disavowed SAE Level (1963)
> 2мкм > 5мкм >15мкм
16 / 80 23/21/18 80 000 20 000 2 500 12 -
15 / 40 22/20/18 40 000 10 000 2 500 - -
14 / 40 22/20/17 40 000 10 000 1 300 11 -
22/20/16 40 000 10 000 640 - -
13 / 25 21/19/16 20 000 5 000 640 10 -
20/18/15 10 000 2 500 320 9 6
12 / 10; 25 19/17/14 5 000 1 300 160 8 5
11 / 10 18/16/13 2 500 640 80 7 4
10 / 5; 10 17/15/12 1 300 320 40 6 3
16/14/12 640 160 40 - -
9 / 5 16/14/11 640 160 20 5 2
8 / 3 15/13/10 320 80 10 4 1
Примечание. При пользовании старой классификацией IS0 коды загрязненности назначаются по двум последним цифрам (частицы более 5 и 15 мкм, соответственно).
гидроприводов различного типа приведены в табл. 2, Тссл- заданный срок службы фильтроэлемента, ч; 1000 - рекомендуемый срок службы фильтроэлемента до замены, ч; Q - расход (подача) насосов гидропривода, л/мин (для гидроприводов с замкнутой цепью циркуляции принимается значение подачи насоса подпитки); S = 1,2-2,0 - коэффициент запаса, значение которого выбирают на основе учета следующих факторов:
- характер влияния среды (пыль, влага, температура);
- соблюдение указаний по техническому обслуживанию;
- контроль состояния фильтра электрическим или визуальным индикаторами;
- проведение профилактической замены фильтроэлементов.
Фирма «ARGO» обращает внимание на то, что значения показателя удельной интенсивности поступления загрязнений SPS (табл. 2) получены опытным путем в гидроприводах с достаточно хорошо защищенными штоками гидроцилиндров и высокоэффективными сапунами (воздушными фильтрами) на гидробаке.
Наименьшими поступлениями загрязнений характеризуются объемные гидроприводы с замкнутой цепью циркуляции РЖ и гидроприводы, работающие в достаточно комфортных по чистоте условиях (например, при отсутствии резания металла, загрязнений при проведении строительно-дорожных работ и прессовании пластмасс). По результатам вычисленных значений грязеемкости производится подбор соответствующего типоразмера фильтроэлемента. При этом фирма «ARGO» рекомендует:
- срок службы фильтроэлемента должен быть не менее 1000 ч эксплуатации гидросистемы, для чего удельная грязеемкость фильтроэлемента должна составлять не менее 0,07 г/(л/мин);
- при номинальном расходе РЖ перепускной клапан фильтра при первом пуске (т.е. при новом фильтроэлементе) не должен открываться до вязкости 200 мм2/с. Это значение вязкости соответствует приблизительно тем-
пературе РЖ 15° С при использовании масла для гидросистем классов ISO VG 46 или HLP 46.
Для РЖ других вязкостей рекомендуется приближенно определять допустимый расход по следующей формуле:
бтах = бн — = бн Ки , л/мин, (4) V1
где Отах - максимально допустимый расход для РЖ, отличающейся от ISO VG 46 и планируемой для использования в гидросистеме, л/мин; Q - номинальный расход для РЖ класса вязкости ISO VG 46, л/мии; vx- кинематическая вязкость РЖ класса ISO VG 46 при температуре 15°С (соответствует вязкости 200 мм2/с); v2- кинематическая вязкость планируемой для использования в гидросистеме РЖ при температуре 15 °С, мм2/с, Ки-коэффициент, определяющий соотношение вязкостей РЖ .
Фирма «Rexroth Bosch Group» при выборе типоразмера фильтра рекомендует пользоваться следующими зависимостями [6]:
- для линейных фильтров (в линии нагнетания или слива)
Опроект Осист
f f2, л/мин, (5)
- для всасывающих фильтров
бпроект = (5...Ю) QHacoca /2 , л/мин, (6)
где Осист и йшсоса - расход РЖ в гидросистеме и на всасывании насоса соответственно, л/мин; f - фактор, учитывающий отклонение рабочей вязкости РЖ от стандартной, обычно приводимой в каталогах поставщиков и равной 30 мм2/с (на рис. 2 представлена графическая зависимость, которая показывает,
что при повышении рабочей вязкости, на-
2
пример, с 30 до 100 мм /с типоразмер фильтра должен быть увеличен более чем в 4 раза); f - фактор, учитывающий условия эксплуатации гидропривода и качество его технического обслуживания (табл. 3).
типа гидропривода и условий эксплуатации по данным фирмы «ARGO» (при наработке в 1000 часов)
Тип и характеристика гидропривода Значения показателя SPS, г/(л/мин)
среднее диапазон
Металлорежущие станки и гидравлическое прессовое оборудование 0,14 0,08 - 0,21
Машины для переработки пластмасс 0,05 0,02 - 0,11
Строительно-дорожные машины (экскаваторы, погрузчики и др.) 0,14 0,07 - 0,19
Строительная техника (напольные конвейеры, и транспортные средства), аэродромное оборудование 0,04 0,02 - 0,07
Объемные гидроприводы с замкнутой цепью циркуляции рабочей жидкости 0,04 0,02 - 0,07
Таблица 3 Значения фактора f степени загрязнения гидросистемы (по данным фирмы «Rexroth Bosch Group» [61
Характеристика объекта эксплуатации и качества технического обслуживания гидросистемы Степень загрязнения окружающей среды
низкая средняя высокая
Тип 1: Малое проникновение загрязнений; Хорошее уплотнение гидробака; Постоянный контроль за фильтрами; Немедленная (оперативная) замена фильтроэлементов 1,0 1,0 1,3
Тип 2: Использование в гидроприводе нескольких гидроцилиндров; Нерегулярный контроль за фильтрами 1,0 1,5 1,7
Тип 3: Высокий уровень загрязнений, попадающих в гидросистему; Использование большого количества незащищенных гидроцилиндров; !едостаточный или полностью отсутствует контроль фильтров 1,3 2,0 2.3
Примечания. 1 - гидроприводы испытательного оборудования, снабженные кондиционерами для очистки воздуха; 2 - металлорежущие станки при работе при комнатной температуре; 3 - прессовое и литейное гидрооборудование, машины для обработки керамики и дерева, горные, строительно-дорожные, сельскохозяйственные и др. мобильные машины.
Рис. 2. Зависимость изменения фактора от коэффициента кинематической вязкости РЖ
Выводы
Приведенные рекомендации передовых зарубежных фирм, специализирующихся в производстве гидроустройств для объемных гидроприводов, позволяют произвести расчет тонкости фильтрации рабочей жидкости
для каждого прецизионного гидроустройства, установить требуемый для конкретного гидропривода класс чистоты, подобрать соответствующий типоразмер фильтра и оптимизировать место его установки в гидросистеме.
С целью повышения надежности объемных гидроприводов рекомендуется соблюдать правила, обеспечивающие чистоту рабочей жидкости на этапах подготовки к пуску, эксплуатации и проведению регламентных и ремонтных работ.
Литература
1. ДСТУ 3455.4-96. Гидроприводы объемные и пнемоприводы. Ч. 4. Кондиционеры рабочей среды, гидроемкости и пневмоемкости, гидролинии и пневмолинии. Термины и определения.
2. Свешников В.К. Новый подход к фильтро-
ванию жидкости. Опыт фирмы Vickers // Приводная техника, 1996. - N° 0 - С. 36-39.
3. ARGO - Руководство (Советы и инфор-
мация по выбору оптимального гидравлического фильтра). FSP Fluid System Partners Gmbh. Filtration division. 9107115.е/03.02/4.0. - 22с.
4. ГОСТ 17216-71. Промышленная чистота.
Классы чистоты жидкостей.
5. Шабанов В.К., Васильченко В.А. Опти-
мальная фильтрация рабочих жидкостей и выбор фильтрующих устройств для
гидросистем // Приводная техника. -№ 3-4, 999. - С. 55-58.
6. «Гидропривод. Основы и компоненты: Учебный курс по гидравлике, Том №1», заказной номер - ИЯ8, издание 3.1.2003г. Издание 2 (на русском языке), Издатель: Бош Рексрот АГ Сервис Автоматизация Дидактика 64711, г. Эрбах, Германия. -322 с.
Рецензент: Л.В. Назаров, д.т.н., профессор,
ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 6 июня 2007 г.
