Выбор оптимальных параметров систем фильтрации при разработке и эксплуатации горных машин Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

© Г. С. Бродский, 2006

УДК 622.464:622.23.05 Г. С. Бродский

ВЫБОР ОПТИМАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ СИСТЕМ ФИЛЬТРАЦИИ ПРИ РАЗРАБОТКЕ И ЭКСПЛУАТАЦИИ ГОРНЫХ МАШИН

орные машины представляют со--I бой дорогостоящие высокотехнологичные изделия, производство и эксплуатация которых требует значительной технической культуры. Эффективность, а зачастую даже область применения современной техники, в значительной мере определяется качеством ее обслуживания, подготовленностью персонала и оснащенностью сервисных служб. Ключевую роль при этом играет качество систем фильтрации рабочей жидкости, которые должны обеспечить, при интенсивной эксплуатации, функционирование силовых агрегатов в оптимальных режимах.

Обеспечение надлежащей промышленной чистоты позволяет:

• многократно повысить ресурс основных агрегатов привода [1, 2] и существенно увеличить коэффициент готовности машин (рис. 1);

• поднять производительность техники за счет увеличения КПД привода;

• уменьшить расход топлива на 710 % [3] и гидрожидкости на 15-25 %;

• сократить расходы на обслуживание и ремонт.

Прогресс в разработке и производстве качественных фильтрующих материалов, очистителей, контрольно-изме-рительной аппаратуры и расчетно-ана-литических методов открывает широкие возможности для удовлетворения жестких требований к промышленной чистоте и соответственного повышения эффективности использования оборудования. Реализация этих возможностей должна базироваться на комплексном подходе к проектированию, изготовлению, модернизации и эксплуатации систем фильтрации, учитывающим как конструктивные особенности техники, так и специфику режимов ее эксплуатации

12 14 16

Класс чистоты ГОСТ 17216-2001

Ш ^

о о

0,990 0,980 0,970 0,960 0,950 0,940 0,930 0,920 0,910 0,900

10 11 12 14 15 Класс чистоты ГОСТ 17216-2001

Рис. 1. Ззависимость показателей надежности от класса чистоты рабочей жидкости: для агрегатов привода слева) и машины (гидравлические экскаваторы) в целом (справа)

11

17

0.05 -0.040.030.020.01 -

к

М(х) .

•|*Аж +.

? ж *

ч>

I

+ 0

и

+ +я

++ - \

I у щ

.......4..........

Ж ■

16

о -

15

14

Ж1*

^оюо^ооосо-^-^г^гся^гю^

СЧ^ГОО^-'-ОЮСОСЧСОСОСЧСО-'--'-

-^-счсосоюсо^соо-^-^-счсоюсо

^ ^г со ^

о о о ю О) со

сч сч сч со

Время работы моточас

0

на конкретных горных предприятиях.

Любая машина, поступающая на производство, снабжена штатными средствами очистки рабочих жидкостей и воздуха. Предполагается, что эти средства обеспечат назначенный изготовителем (нормативный) уровень промышленной чистоты в течение всего срока службы машины. Однако, подконтрольная эксплуатация мобильной техники на предприятиях России показывает, что, как правило, штатные фильтры не справляются с фактической нагрузкой и реальная загрязненность рабочих сред существенно превышает допустимую. Например, из рис. 2 (использованы данные исследования [4]) видно, что фактическая концентрация механических примесей в жидкости в гидросистемах экскаваторов находится в пределах от 0,007 % до 0,064 %, тогда как нормативному 13 классу чистоты соответствует величина 0,005 %. Естественно, основные гидроагрегаты на подобных экскаваторах вырабатывают лишь 30-70 % номинального ресурса.

Таким образом, если эксплуатационная надежность горной машины неудовлетворительна, и, в частности, имеют место отказы агрегатов силовых приводов, не сопровождающиеся поломками элементов

Рис. 2. Реальная загрязненность жидкости в гидросистемах 11 экскаваторов, эксплуатировавшихся на различных предприятиях Сибири. Пунктирными линиями с числами 14, 15, 16, 17 отмечены уровни соответствующих классов чистоты по ГОСТ 17216-2001, М(х) - матожидание величины концентрации

рабочего оборудования, то прежде всего необходимы мероприятия по модернизации системы обеспечения промышленной чистоты.

Подобные мероприятия начинаются с внедрения комплекса контроля состояния рабочих жидкостей. Технической базой для этого является специальное оборудование для отбора и обработки проб, при выборе и закупке которого целесообразно базироваться на портативных средствах, что обеспечивает удобство работы в условиях горных предприятий, когда нет возможности, да и необходимости оснащать самостоятельной лабораторией каждую структурную единицу. Такое оборудование в настоящее время производится многими изготовителями; существуют, в том числе и сборные комплекты, специально разработанные применительно к рассматриваемому случаю, например ^агште-М.ррС (ЛвЛ-Могормаш).

Задачами контроля состояния рабочих жидкостей являются определение реальной нагрузки на штатные фильтры горной машины, необходимости предварительной подготовки масел и топлив, используемых для заправки, долива и замены, а также выявление возможности регенерации отработанных масел для повторного использования.

Нагрузки на очистители зависят от интенсивности поступления загрязнений в рабочую жидкость/воздух (^¡). Для каждой из контролируемых систем величины ^ могут быть определены с использованием

расчетно-эксперимен-тальных методов [5], учитывающих конкретные особенности эксплуатации техники. Как правило, для горных машин характерна высокая интенсивность загрязнения рабочих сред, что связано с сильной запыленностью окружающего воздуха и сложностью создания «чистых» условий обслуживания. Например, для карьерной техники можно полагать, что каждый литр заправляемого топлива или масла приносит более миллиона частиц, один кубометр воздуха в рабочей зоне машины содержит до 480 мг загрязнений, а в рабочую жидкость гидропривода поступает до 1,75-106 частиц/л за мото-час эксплуатации. При этом свыше 80 % загрязнений по массе составляют частицы размером от 10 до 50 мкм с микротвердостью более 400 кГ/мм2, весьма опасные с точки зрения износа деталей.

Предварительная подготовка масел и топлив необходима в тех случаях, когда, согласно результатам контроля, их загрязненность выше нормированной для того привода или агрегата, где их предполагается использовать. Как правило, масла и топлива в состоянии поставки имеют чистоту на уровне 14-16 класса, и это означает, что из каждой бочки жидкости перед заправкой в систему необходимо удалить от 18 до 75 грамм загрязнений.

Контроль качества масел, удаляемых из гидравлических систем и двигателей в ходе сезонной (периодической) замены во многих случаях показывает стабильность их химического состава. Такие масла пригодны для повторного использования, при условии их глубокой очистки от мелко-диспергированной воды и малых частиц, размером до 3 мкм, которые плохо удаляются штатными фильтрами. Экономическая эффективность регенерации очевидна, поскольку, например, для карьерной техники стоимость замены рабочих жидкостей составляет 25-45 % от полной цены

регламентного технического обслуживания.

Важнейшим элементом контроля загрязненности жидкости в эксплуатации является создание соответствующей базы данных, в которой накапливается «история» состояния жидкости в каждой машине, складе ГСМ, или другом структурном подразделении предприятия. Наличие подобной информации позволяет не только персонифицировать ответственность за состояние той или иной единицы техники, но и существенно сократить затраты на проведение обследований, постепенно переходя к качественным экспресс-методам контроля, базирующимся на сравнении результатов измерений с комплексными, средними и эталонными показателями.

Данные контроля состояния жидкости могут быть дополнительно использованы в диагностических целях, в том числе для определения остаточного ресурса отдельных узлов двигателей и гидросистем.

На основании данных контроля можно приступить к проектированию конкретных мероприятий по обеспечению надлежащего уровня промышленной чистоты. Поскольку основной целью этих мероприятий является повышение эффективности эксплуатации техники, то неразумно руководствоваться только требованиями изготовителей машин (таблица), но следует стремиться к наиболее полному использованию резервов надежности основных агрегатов, и добиваться экономии ресурсов за счет:

• повышения долговечности агрегатов, приводов и систем;

• снижения времени простоев мобильных машин и уменьшения расходования материалов из-за отказов агрегатов;

• повышения энергетической эффективности привода.

Типовые требования изготовителей агрегатов к чистоте жидкости

Агрегат Класс чистоты Ном. тонкость

по ГОСТ фильтрации, мкм

Гидропривод (давление менее 20 Мпа) 12-13 25

Гидропривод (давление более 20 Мпа) 11 10

Системы управления (пропорциональная гидроап- 11-12 7-10

паратура)

Системы управления (сервоаппаратуры) 10-11 3-5

Двигатели - масляная система 14 25-40

Дизельные двигатели - топливная система 12 7

Бензиновые двигатели - топливная система 14 40

Двигатели - воздушная система 12-13 15-25

Трансмиссии гидромеханические 12-13 10

Трансмиссии механические 14-15 40-60

Редукторы 15-16 60-100

Лубрикаторы 14-15 40-80

Из изложенного ранее понятно, что ре-сурсоемкость эксплуатации мобильной машины уменьшается с улучшением чистоты жидкости. При этом одновременно возрастают затраты на систему фильтрации, и разнонаправленная монотонность соответствующих функций, очевидно, дает возможности для поиска оптимального решения. Естественной основой для оптимизации в данном случае могут служить эксплуатационные затраты, и величина соответствующего комплексного критерия определится в виде:

К2Е = (и2(1+к$)Ттт +

+ Е(Е2(1+к$)-1 и.. .Ттт)/(ВММ 'ТттХ (1) здесь и2, Ттт, Е2, Вмм - стоимость, долл.; срок службы, лет; годовые затраты на эксплуатацию, долл/год; фактическая годовая производительность мобильной машины т/год, к$ - ставка кредитования, 1 - номер года.

Величины Е2 и Вмм связаны с параметрами загрязненности рабочей жидкости, поскольку:

ВММ = ВТММ (П ау

Е2 = Е2£ие1 + Е28р + Е28& (2)

здесь пау, %, - средний за срок службы и номинальный КПД привода, Кг^ - коэффициент технической готовности мобиль-

ной машины, Е28р, Е2(-ие1, Е2^ - соответственно затраты на энергию, запасные части и обслуживающий персонал, включая стоимость дополнительных систем фильтрации, долл/год.

Поэтому для любого конкретного случая, с использованием данных об эксплуатационных затратах и надежности агрегатов может быть вычислен оптимальный уровень промышленной чистоты (иллюстрируется рис. 3). Естественно, для каждого предприятия оптимальные уровни промышленной чистоты будут различны, в зависимости от специфики применяемой техники, транспортной ситуации и т.п.

Оптимальная очистка рабочих жидко -стей и воздуха при эксплуатации горных машин может быть достигнута за счет:

• модернизации штатных систем фильтрации;

• внедрения дополнительных «вне-линейных» систем фильтрации;

• использования специального оборудования для транспортировки и заправки жидкости;

• применения регенерационных установок.

Технической основой модернизации штатных систем фильтрации являются современные фильтрующие элементы, выполняющиеся, как правило, на основе

Класс чистоты жидкости по ГОСТ17216-2001

целлюлозно-синтетических или стеклово-локонных бумаг. Типоразмерные ряды таких фильтроэлементов с абсолютной тонкостью фильтрации (АТФ) от 1 до 30 мкм, рассчитанных на поток жидкости до от 3 до 400 л/мин, производятся серийно многими изготовителями (например, фирмы «Шегпогтеп», «РигоМог», «Hydac» и др.). Ориентировочная зависимость между достигаемой чистотой жидкости и АТФ применяемого фильтра показана на рис. 4.

Зачастую нет необходимости заменять штатный фильтр, но возможно в том же корпусе использовать более современный фильтрующий элемент или картридж с

Рис. 3. Комплексный критерий эксплуатационных затрат как функция промышленной чистоты (по обобщенным данным эксплуатации экскаваторов с вместимостью ковша более 10 м на разрезах СНГ)

улучшенной характеристикой. Иногда в тех же габаритах предлагаются совершенно новые изделия, как, например, масляный фильтр «Venturi Combo» фирмы «Fleetguard», основанный на идее параллельной фильтрации и позволяющий, в частности, снизить интенсивность износа деталей цилиндро-поршневой группы дизеля на 30-50 % [6]. Разумеется, применяя новые изделия, необходимо тщательно проверить соответствие их паспортных показателей условиям предполагаемого использования, прежде всего по пропускной способности и долговечности с учетом величин £¡ , определенных в ходе контроля состояния рабочей жидкости. Эту проверку, равно как и расчет проектного уровня чистоты, можно произвести согласно методике, изложенной в статье [5]. Кстати отметим, что достаточно простым и эффективным способом повышения долговечности фильтров за счет снижения интенсивно -сти поступления загрязнений является применение современных сапунов с тонкостью фильтрации 1-3 мкм, предлагаемых многими изготовителями (например, фирма «DesCase Corp.»)

Рис. 4. Ориентировочная зависимость класса чистоты . жидкости от абсолютной тонкости фильтрации применяемого очистителя

Другим методом модернизации штатной системы очистки для гидравлических приводов является применение дополнительных, частичнопоточных фильтров. Эти небольшие по габаритам изделия, с АТФ 1-5 мкм, рассчитанные на поток 5-15 % от номинального расхода жидкости, могут устанавливаться как параллельно основному (штатному) фильтру, так и на вспомогательных гидролиниях (например, на сливе насоса системы управления). Монтаж частичнопоточных фильтров требует, как правило, лишь незначительной модификации гидросистемы и позволяет добиться улучшения чистоты жидкости на 1-2 класса с минимальными затратами [7]. На рис. 5 приводятся показатели удельных затрат на очистку жидкости в зависимости от параметров частично-поточных фильтров.

Если же вмешиваться в конструкцию гидросистемы почему-либо нежелательно, то можно использовать внелинейные фильтровальные установки, которые представляют собой насосный агрегат с независимым приводом от мини-ДВС или электродвигателя, смонтированный на раме или тележке вместе с фильтром, соединительными шлангами и необходимой ар-

Рис. 5. -Зависимость затрат на очистку РЖ в одноконтурной гидросистеме от типа применяемого фильтра (значения px указаны на поле рисунка и кратности очистки (Qmox - поток РЖ в системе, Q-поток РЖ через фильтр)

матурой. Такие установки применяются для периодической, обычно каждые 50-100 моточасов, фильтрации жидкости в баках гидравлических систем. Производительность внелинейных фильтровальных установок составляет 10-50 л/мин, при тонкости фильтрации от 3 до 10 мкм, а иногда и до 0.1 мкм (фирма «Triple R Manufacturing Inc.»). Рекомендуемое время очистки соответствует двадцатикратному пропусканию всего объема жидкости, имеющейся в гидросистеме, через фильтр внелинейной установки, и обычно составляет 4-8 часов. Эффективность внелинейной фильтрации существенно зависит от конструктивных особенностей гидросистемы, но, тем не менее, сходна с эффективностью частичнопоточ-ной очистки. Несомненным достоинством этой технологии для горных предприятий является возможность применения одной внелинейной установки для обслуживания нескольких машин, а также для заправки рабочих жидкостей, наряду со специальным оборудованием.

Иногда внелинейные фильтровальные установки используют и для регенерации масел. Однако более эффективно применять для этой цели специализированные устройства, обеспечивающие многоступенчатую очистку и вакуумную дегидратацию. Подобные агрегаты с производительностью 5-15 л/мин, массой 150-300 кг, тонкостью фильтрации 1-3 мкм, обеспечивающие выходную концентрация воды 0.01-0.05% предлагаются, например, фирмами «Pall» и «HYDAC».

Выбор тех или иных технических решений, устройств и изделий определит стоимость мероприятий по обеспечению промышленной чистоты. Разумеется, эта стоимость может отличаться от заложенной в расчет величины комплексного критерия эксплуатационных

затрат, и тогда потребуется соответствующая корректировка. Таким образом, последовательность проектирования мероприятий по обеспечению промышленной чистоты приобретает итерационный характер.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Бродский Г.С. Фильтры и системы фильтрации для мобильных машин. М., Горная Промышленность, 2004, 359 с.

2. Staley D.R. Correlating lube oil filtration Efficiencies with engine wear. SAE Technical paper 881825, 1988.

3. Григорьев М.А., Борисова Г.В. Очистка топлива в двигателях внутреннего сгорания. М., Машиностроение, 1991 - 208 с.

4. Алексеев В.И., Марченко С.Ю., Одинцов В. А. и др. Определение классов чистоты рабочих жидкостей на экскаваторах ЭО-3322А, Оборудованных фильтрами линейными и центробежным

сепаратором. Отчет №ЭК-2/505-81, Красноярск, КФ ВНИИСтройдормаш, 1982 г. -64 с.

5. Brodski G. Fluid & air purification in industrial hydraulic drives. Filtration 2000, Philadelphia, USA, 2000, 15 p.

6. Loftis T.S., Lanius M. A new method for combination full-flow and bypass filtration: Venturi Combo. Fleetguard division of Cummins Engine Co., paper No. 972957, Society of Automotive Engineers, Inc., USA, 1997, 6 p.

7. Бродский Г.С., Сухоруков А.Н., Зуев В.И., Башева А.А. Результаты испытаний фильтров и фильтрующих элементов для СДМ. М., «Строительные и дорожные машины», №11-12, 1992, с. 7.

— Коротко об авторах

Бродский Г.С. - кандидат технических наук, ЗАО «Могормаш», Москва.

-А

© Г. С. Бродский, 2006

УДК 62-82:621.225:622.23.05 Г. С. Бродский