Проблема эксплуатации строительных машин в условиях низких температур

Территория России составляет более 17 млн. км², при этом около 12 млн. км² (примерно 70 % от общей территории России) относится к районам крайнего Севера и приравненных к ней территории. Исходя из данных сборника Росстата климатическая норма января в России составляет -19,7 °С. Для климата на всей территории России характерно отчётливое разделение года на холодный и тёплый сезоны, и большие перепады температур. По направлению на север и на восток увеличивается годовая амплитуда температур, и понижаются зимние температуры [7, 21].

Эксплуатация СДМ в таких условиях затруднена сложностью запуска и работы ДВС, гидропривода, трансмиссии, обеспечения микроклимата в салоне [8, 26, 50, 67,73].

В данных условиях возникают повышенные износы всех агрегатов и систем. Это связано с тепловыми процессами, протекающими в них в период работы, стоянки, предпусковой подготовки. В результате наработка СДМ до отказа снижается, а простои машин увеличиваются. Воздействие отрицательных температур на СДМ усиливается при наличии ветра. Существуют методики по учету температуры и ветра, и их переводу к общей температуре. Ветер влияет на скорость охлаждения агрегатов. Например, при увеличении скорости ветра от 0 до 10 м/с темп охлаждения деталей ДВС увеличивается в 3 раза. По средним значениям температур и ветров от нагрузки для умеренного климатического района двигатель СДМ зимой остывает до температуры окружающего воздуха за 25-30 мин, летом - за 3 часа.

Для снижает интенсивности износов в подвижных элементах агрегатов, систем СДМ, при низких отрицательных температурах, используются зимние сорта горючесмазочных материалов и специальных жидкостей, но их использование не является достаточным в решении проблемы [4,5, 68].

Основные результаты по совершенствованию работы СДМ достигнуты в области обеспечения тепловой подготовки двигателей внутреннего сгорания СДМ [16, 20, 24, 28], при этом вопрос тепловой подготовки гидропривода изучен недостаточно. Если объем прогрева ДВС ограничен объемом подкапотного пространства и это облегчает прогрев ДВС, то сравнивая с гидроприводом СДМ, его элементы распределены по всей машине с большой протяженностью трубопроводов до 10 м. Очевидно, это усложняет прогрев гидропривода.

Так при работе гидропривода СДМ диапазон температур масла в гидросистеме изменяется от +70°С до -50°С. Температура прокачиваемости масла, характеризующая возможность его применения должна быть на 8...12°С выше температуры застывания. Качество рабочей жидкости (вязкость, чистота, смазывающие свойства и т.д.) оказывает большое значение на КПД гидропривода и на вероятность безотказной работы [4,54,60].

Наибольшие значения общего КПД аксиально-поршневых насосов типа 210...310 на гидравлическом масле ВМГЗ для многих гидросистем С ДМ соответствуют установившемуся тепловому режиму (от минус 10 до плюс 55 °С). По своим характеристикам ВМГЗ соответствует международному стандарту ISO 6743/4 (класс НМ) и DIN 51524 часть 2 HLP. Масло ВМГЗ рекомендуется для эксплуатации систем гидропривода без подогрева работающих при температурах от - 40 °С до + 50 °С, и систем гидропривода с подогревом при рабочих температурах от - 45 °С до + 50 °С. Масло используется при давлении до 35 МПа с кратковременным повышением до 42 МПа. Высокий уровень и стабильность вязкостных, противоизносных, антиокислительных свойств обеспечивается содержанием присадок. При этом достигает ресурс работы масла в гидроприводах с аксиально-поршневыми машинами до 2500 часов. Срок хранения масла составляет 5 лет со дня производства.

Применение только двух основных сортов гидравлических масел ВМГЗ и МГЕ-46В обеспечивает работоспособность и надежную эксплуатацию СДМ и сокращает дополнительные затраты, связанные с изготовлением, транспортировкой и хранением большого ассортимента нефтепродуктов, в том числе позволяет уменьшить загрязнение гидросистем при замене сезонных гидравлических масел. Характеристики гидравлических масел ВМГЗ и МГЕ-46В представлены в таблице 1.4 [4].

Таблица 1.4

Характеристики гидравлических масел ВМГЗ и МГЕ-46В

Импортными аналогами гидравлического масла ВМГЗ являются Shell Tellus 15, Mobil DTE 11M, TEBOIL Hydraulic Oil 15, Castrol Hyspin AWS 15. На рис. 1.14 представлены затраты на рабочую жидкость экскаватора 5-ой размерной группы (400 л). Затраты в ценах 2016 года. Использование аналогов рабочих жидкостей зарубежного производства увеличивает затраты до 4,5 раз.

Рис. 1.14- Затраты на рабочую жидкость экскаватора 5-ой размерной группы

Эксплуатируя СДМ при нагретом масле в баке и низкой температуре окружающей среды происходит конденсация влаги из воздуха. Вода попадает в рабочую жидкость и затем переносится в гидросистему. Наличие воды в гидравлическом масле не только вызывает коррозию, но и резко повышает температуру застывания, поэтому масло следует доставлять расфасованным в герметичную тару, а при доливке масла в бак - исключить возможность попадания воды в гидросистему. При техническом обслуживании СДМ рекомендуется освобождать гидробак от накопившейся влаги и механических примесей через сливные пробки [4].

Гидросистема считается оптимально работоспособной, если потери давления не превышают 6% от номинального давления насосов. В гидросистемах СДМ, предназначенных для эксплуатации в районах Сибири и Крайнего Севера, потери давления в зимнее время допускаются до 12%, а в период разогрева рабочей жидкости — 20%. Если это значение превышено, то необходимо предусмотреть устройство предпускового разогрева рабочей жидкости в гидроприводе. [19, 68].

В Положении по эксплуатации гидрофицированных машин указывается о необходимости снижения нагрузок на 20 % во время начала работы холодного гидропривода. Также для машин, длительно эксплуатируемых при низких отрицательных температурах (северное исполнение) скорости рабочей жидкости во всасывающем, нагнетательном, сливном участках трубопроводов рекомендуется уменьшать соответственно следующих значений: 0,8-1,5 м/с, 3-5 м/с, 1,4-2,5 м/с [73]. При этом снижение температуры окружающего воздуха и изменении связанного с этим вязкости рабочей жидкости (от 5*10’⁶ до 8*10’³ м²/с) (см. табл.) гидравлические потери в трубопроводах при температуре рабочей жидкости до -30 °С возрастают в 3...4 раза, а при температурах (-50...- 60 °С) в 10... 15 раз по сравнению с рабочими жидкостями имеющими температуру +40...50 °С. Увеличение вязкости рабочей жидкости приводит к тому, что во всасывающих трубопроводах образуется разрежение и, как следствие, попадание воздуха в рабочую жидкость, возникают колебания давления рабочей жидкости, нарушается синхронизация действия исполнительных механизмов. Это снижает работоспособность гидропривода и вызывает появление кавитационного износа в насосах, распределителях и клапанах. Также, снижение температуры вызывает изменение физико-механических свойств материалов и величины посадок в сопрягаемых деталях, что снижает работоспособность узлов трения гидроприводов и происходит снижение эксплуатационных свойств резинотехнических изделий, которые теряют эластичность и становятся хрупкими. Трубопроводы высокого давления обладают большой охлаждающей поверхностью и масло, проходя по ним, быстро теряет температуру. На рис. 1.15 представлена зависимость износа уплотнений от температуры (по Ю. А. Носову).

• —А—манжетные уплотнения
• ? кольца круглого сечения

Рис. 1.15- Зависимость износа уплотнений от температуры (по Ю. А. Носову)

Из графика видно, наименьшие износы возникают при температуре +54-30 °С.

По графику зависимости силы трения и температуры в зоне контакта при движении гидроцилиндра (по Р. Бееру) (рис. 1.16) видно, что наименьшая сила трения возникает при температуре + 10 °С.

• —?— температура в зоне контакта
• ? сила трения поршня

Рис. 1.16 - Зависимость силы трения и температура в зоне контакта при движении гидроцилиндра (по Р. Бееру)

Для улучшения условий всасывания и предупреждения возникновения кавитации во всасывающей полости насоса, что особенно актуально в условиях низких отрицательных температур гидробак рекомендуется устанавливать выше уровня расположения иасоса (рис. 1.17).

Рис. 1.17- Расположение насоса гидропривода СДМ

Увеличение давления рабочей жидкости в гидросистеме от снижения температуры воздуха вызывает увеличение относительного количества отказов, приходящихся на гидросистемы в среднем от 29.. .45 % к общему числу отказов при положительных температурах, до 55...71 % при отрицательных, при этом простой машины в ремонте увеличивается в 1,2... 1,5 раза. Это увеличивает затраты на обслуживание и ремонт гидропривод СДМ. Вдали от баз возникают трудности с доставкой, помещениями, внешними источниками энергии [41, 44, 56, 70].

Из выше перечисленного следует, что при понижении температуры уменьшается быстродействие гидравлической аппаратуры и скорость передачи давления по трубопроводу, а иногда и полная потеря работоспособности гидропривода. Особенно эта проблема актуальна в зимнее время в начальный после длительной остановки период работы СДМ.

В соответствие с выше изложенным следует, что заводы и фирмы выпускают гидромашины, гидроприводы и гидроаппаратуру СДМ с высокими удельными показателями, в том числе и высокими значениями КПД для умеренного климата, а при использовании этого же гидрооборудования в системах гидропривода в зимний период общий КПД понижается. При этом наблюдается не только перерасход энергии, но и снижение показателей надежности и долговечности гидросистем и машин из-за работы при низких температурах. Особенно это очевидно для крупных машин, к которым относятся СДМ.

Известно, что рациональной при работе гидропривода является температура рабочей жидкости в интервале плюс (30 - 50) °С. Исследования показывают, что при низкой температуре (минус 35 °С -минус 40 °С) практически все СДМ работают от 20 до 40 минут, имея температуру рабочей жидкости ниже минус 25 °С (т.е. в зоне возможной кавитации насоса) -этим объясняются отказы бронзовых элементов; около 1,5-2 часов при температуре рабочей жидкости ниже нуля, что приводит к «залипанию фильтров», т.е. жидкость в этот период не фильтруется.

Даже при длительной (3-4 часа) работе гидропривод имеет температуру рабочей жидкости до плюс 15-20 °С, т.е. ниже рациональной, поэтому при эксплуатации машин с объемным гидроприводом в условиях отрицательных температур, СДМ должны иметь в своей конструкции определенные усовершенствования [6, 15, 18, 78]. К основным следует отнести: применение хладостойких материалов, установку обогревателей на отечественных узлах и устройств для предварительного разогрева рабочей жидкости в гидросистеме до температуры не ниже 0 °С, с целью уменьшения времени для приведения гидрофицированной машины в работоспособное состояние и работы ее в неблагоприятном режиме в период разогрева.

На рис. 1.18 представлен график изменения температуры рабочей жидкости в гидроприводе [72].

Рис. 1.18- Изменение температуры рабочей жидкости в гидроприводе (по Е. М. Хаймовичу)

Из графика видно, что большую часть времени гидропривод работает на холодной, вязкой жидкости. Это приводит к понижению фильтрации, повышенным сопротивлениям и износам.

В соответствие с этим, снижая влияние указанных факторов при проектировании гидросистем, при изготовлении ее элементов и поддержании работы в соответствующих условиях эксплуатации повышается надежность работы гидросистемы в заданных условиях и одного из ее свойств - безотказности. Количественно безотказность может быть определена вероятностными критериями и характеристиками.

На вероятность безотказной работы с сохранением установленных пределов основных параметров гидропривода (производительности, давления, мощности, гидравлического и общего коэффициента полезного действия) в заданных промежутках времени влияют следующие основные факторы:

• - режим действия гидропривода;
• - внешние условия (температура, запыленность окружающего воздуха, ветер и т. п.);
• - квалификация оператора, обслуживающего гидросистему;
• - соблюдение сроков и качества технического обслуживания гидросистемы.

Зависимость безотказности от многочисленных и разнообразных факторов приводит к тому, что процесс появления отказов имеет случайный характер. Ввиду этого для количественной оценки безотказности используются критерии и показатели, базирующиеся на статистическом материале, а для получения этих критериев и показателей широко используются методы теории вероятностей и математической статистики [2, 13].

Для оценки состояния гидравлической передачи используются следующие параметры, которые характеризуют количественные и качественные показатели состояния [8, 54]:

• - частота отказов гидросистемы по времени m(t);
• - среднее время безотказной работы Тер (обратная величина называется интенсивностью отказов);
• - вероятность безотказной работы P(t).

Вероятность безотказной работы определяется по формуле:

P(t,) = (No -Zn(t,))/N₀,

где No - общее число элементов системы;

n (ti) - число отказов системы за промежуток времени t_b

Величина этих показателей зависит в основном от времени работы системы и от режима нагружения. С течением времени вероятность безотказной работы системы уменьшается и к концу установленного времени может быть равна нулю. Интенсивность отказов также зависит от времени работы гидропередачи и прежде всего от стадии работы по времени (приработка, нормальная работа, предельное или аварийное состояние).

Отказы элементов в системе могут возникать случайно и внезапно. Первый случай характерен для нормальной эксплуатации систем, в которых регулярно проводятся профилактические обслуживания. Второй случай означает, что профилактические замены элементов не проводятся, и они заменяются только после отказов.

В гидравлических системах СДМ возникают три вида основных отказов:

• а) параметрический (давление, производительность, к.п.д.);
• б) разрыв гидравлической цепи, приводящий к утечкам рабочей жидкости;
• в) нарушение гидравлической цепи вследствие ее засорения, насыщения рабочей жидкости воздухом.

Отказы видов «а» и «в» возникают постепенно (старение, истирание элементов и т.п.), отказы вида «б» возникают мгновенно (разрыв шланга, манжеты и т.п.).

Для насосов около 50% неисправностей определяется падением их мощности ниже допустимой, до 25% неисправностей за счет негерметичности уплотнений, в большей части из-за температурных режимов. Неисправность гидроцилиндров из-за негерметичности уплотнений достигает 70%, заедание штока около 5%, трещины по образующей цилиндров, поломка штока от 5 до 10%. Неисправность гидроцилиндров вызывает снижение передаваемой мощности ниже допустимой до 50%, износ деталей и негерметичность уплотнений от 24 до 28%. Разрушение рукавов, расслоение резины, разрыв трубопроводов возникают вследствие нагрузок возникающих в момент пуска на холодной вязкой жидкости.

В случае, когда проектирование и расчет параметров гидросистемы, а также изготовление отдельных деталей и всей гидросистемы в целом выполнены с соблюдением соответствующих технических указаний и требований, наибольшее влияние на безотказность гидросистемы имеет режим действия гидропривода (легкий, средний, тяжелый), который характеризуется рядом показателей [54,711:

- коэффициент использования в гидросистеме номинального давления (Кд):

Кд=Рф/Р_н,

где Рф - фактическое давление в гидросистеме;

Р_п - номинальное давление в гидросистеме.

• - коэффициент продолжительности работы гидропривода под нагрузкой
• (К_в):

К_в =t„ /1₍

где t_H - время работы гидропривода под нагрузкой; t₀ - общее время работы машины.

- коэффициент снижения числа оборотов насоса гидропривода вследствие перегрузки двигателя машины (К_с), который равен отношению числа оборотов насоса при перегрузках двигателя к числу оборотов насоса при номинальном давлением;

Число включения гидропривода в единицу времени. Примерная характеристика режима нагружения гидроприводов машин приведена в таблице 1.5.

Таблица 1.5

Характеристика режима нагружения гидроприводов машин

Режим работы гидропривода для условий Севера следует принимать на порядок выше по сравнению с нормальными условиями.

Определим интервал значений гидравлических потерь, возникающих в результате увеличения вязкости рабочей жидкости в гидроаппаратуре. Расчет начинается с температуры - 40 °С с интервалом в 20 °С. При помощи полученных значений гидравлических потерь строится график. Параллельно горизонтальной оси графика строится две прямые ограничивающие значения в 12% и 20% от номинального значения давления в гидросистеме. Превышение этих прямых означает недопустимость и невозможность использования гидросистемы в данных условиях соответственно. Все это дает основания для того, чтобы предусмотреть к гидросистеме систему предпускового подогрева. Расчет сводится к определению местных и путевых гидравлических потерь в сливной и напорной линиях трубопровода, с учетом соответствующих коэффициентов. В гидросистеме экспериментальной установки предусмотрен контрольный образец гидроцилиндра, не имеющий ни модернизированных элементов, ни предпускового подогрева, поэтому расчет будет проводиться для него. Все табличные коэффициенты, значения плотности и вязкости будут приняты для гидравлического масла ВМГЗ.

В начале определяются основные параметры напорной и всасывающей линии гидропривода, диаметр - d_H, d_c, а также скорости потоков рабочей жидкости в напорной и сливной гидролиниях - v_H, v_c, при расходе жидкости Q = 0,1-10"^{3 М}7_С (исходя из технической характеристики гидростанции).

Для этого зададимся скоростями: в напорном - 2 м/с; в сливном - 1 м/с.

Отсюда диаметры будут равны: d_H = 1,13 мм,

где Q - расход жидкости гидросистемы (Q = 0.1 • 10^{-3 M}Vc);

^vh - скорость потока рабочей жидкости в напорном клапане

(V_H = 2 М/С).

dH = 1,13 = 0,008 м = 8 ммгіс = 1,13 К мм,

где ^vc - скорость потока рабочей жидкости в сливном клапане (V_c = 1 м/с).

d_c = 1,13

• 0,1 • IO"³
• 1

= 0,011 м = 11 мм

Подбираем ближайшие по ГОСТ 16516-80 значения гидравлические рукава высокого давления d_H = 8 мм и d_c = 12 мм.

Пересчитывается значение скорости для скорректированного диаметра трубопровода по следующей формуле:

9 Q 9 0,1 Ю"3

vc = 1,132 *^,m/cvc = 1,132 • = 0,89м/с

Затем определяется число Рейнольдса для каждого из температурных значений для сливной и напорной линий трубопровода: = -т^-!

где Рн - скорость потока рабочей жидкости в напорной линии (2 м/с);

Т' - вязкость рабочей жидкости при заданной температуре.

для t= -40 °С: Re_H = = ₁₆

^н 1150-Ю^-6

для t= -20 °С: Re_H — . — 66,67.

^н 240-10"⁶

Аналогично проводится расчет для всех остальных температурных значений.

Затем подобно этой методике осуществляется расчет значений числа Рейнольдса для сливной линии гидросистемы:

г) о,8912-Ю"³

для t- -40 С: Re_c =-------— = 10,68;

^с 1150-Ю"⁶

„„0^ Г> 0,89-12-Ю"³ ,

для t= -20 °С: Re_c =------— = 44,50.

^с 240-Ю"⁶

Аналогично осуществляется расчет для всех остальных значений температуры.

По числам Рейнольдса определим значения коэффициентов трения жидкости в напорном и сливном трубопроводах. Так как все значения числа Рейнольдса находятся в интервале Re<2200-2300, то все расчеты коэффициентов трения проводятся для ламинарного режима движения жидкости: п 75

для напорной линии: л_н =--;

для /= -40 ⁶С.Л„ = - = 4,688,

1 о

для 1= .20°С:4_я = -^-= 1,125.

оо,о/

Аналогично осуществляется расчет для всех остальных значений температуры.

для сливной линии: Л_с =

для t=-40°C:^ =^ = 7,022,

для t= -20 °С: Л_с = — = 1,685.

^с 44,50

Аналогично осуществляется расчет для всех остальных значений температуры.

В зависимости от числа Рейнольдса, определяем значения поправочного коэффициента для напорного и сливного трубопроводов [1, 14]. Расчет путевых потерь давления в напорном и сливном трубопроводах производится по формуле:

L Ус

ДРП = Л ’ Р ’ ---Т + Л ’ Р ’ Па

11 П. J 7 «Н) L- I 1 О ⁷

а_м L cL 2

где ЦЛ_С — протяженность трубопроводов напорного и сливного соответственно ( Л ⁼ 7мД_с = 6 И);

для t= -40 °С:

Z 7 2² 6 0,89²

ДР_П = 4,688 ? 892 • „ , • — + 7.022 • 892 • ——— • -^L— = 8557625 Па

¹¹ 8-Ю^-3 2 12-10^-3 2

для t= -20 °С:

Z7 2² 6 0,89²

ДР_П = 1,125-878 -—— • —+1.685-878 ——— = 2021595 Па

^п 8-Ю-³ 2 12-Ю"³ 2

для t= 0 °С:

Z 7 2² 6 0,89²

ДР_П = 0,388 • 862--- • — + 0,506 • 862--- ? ----= 595426,5 Па

^п 8-Ю-³ 2 12-Ю-³ 2

для t= 20 °С:

Z 7 2² 6 0,89²

ДР_П = 0,127 ? 848 • „ , • — + 0,19 • 848 ? ———: ’ = 219658,5 Па

^п 8-Ю-³ 2 12-10^-3 2

для 1= 40 °С:

Z 7 2² 6 0,89²

ДР_П = 0,066-834 -—— — + 0,098-834 ——— ?-!— = 112016,63 Па ^п 8-Ю-³ 2 12-10^-3 2

для t= 60 °С:

Z 7 2² 6 0,89²

ДР_П = 0,042 • 820--- • — + 0,063 • 820--_?--= 70801,88 Па

^п 8-Ю-³ 2 12-Ю-³ 2

Расчет местных потерь давления в напорном и сливном трубопроводах производится по формуле:

= Р •

Z Z

где СнЛс - коэффициент местных сопротивлений напорного и сливного

трубопроводов соответственно (Сн = 10; Сс ⁼ 8)"

для 1= -40 °С:

Z 2² 0,89²

ЛР_М = 892-10 -46 —+ 892-8 -70-= 1018474,9 Па

2 2

для t= -20 °С:

для t= 0 °С:

• 1^дрм
• 2² 0,89²

= 878?10•12• — + 878 - 8?17--= 258011,54 Па

2 2

_ 2² . 0,89²

= 862 ? 10 • 3,5 ? — + 862 ? 8 ? 5,5 ? = 75361,38 Па

2 2

для t= 20 °С:

• 2дрм
• 2²

= 848-10 - 1,7 —+ 848-8 - 1,9-

• 2
• 0,89²

= 33936,93 Па

2

для t= 40 °С:

2² 0,89²

= 834 • 10 • 1,15 ? — + 834 ? 8 ? 1,5—— = 23145,67 Па

2 2

для t= 60 °С: Z 2² 0,89² _

ДР_М = 820 ? 10 • 1 • — + 820 - 8 - 1,1 - —— = 19257,9 Па 2 2

Затем путевые и местные потери в напорном и сливном трубопроводах суммируются, и определяется общее значение гидравлических потерь для данного участка гидросистемы.

По полученным расчетным данным строится график зависимости гидравлических потерь ХАР от изменений температуры окружающей среды t (рис. 1.19).

На графике проводится линия параллельно оси абсцисс, соответствующая значению в 20% от номинального давления гидросистемы. Это позволяет сделать вывод о том, что уже при температуре минус 20 °С для данной гидросистемы требуется установка предпусковой тепловой подготовки.

Р, МПа

Рис. 1.19 - График зависимости гидравлических потерь LAP от изменений температуры окружающей среды t.

На основе анализа условий работы гидропривода определено, что при низких отрицательных температурах, возрастают потери давления в гидросистеме (рис. 1.16). Проанализировав диаграмму потерь давления в гидроприводе, можно сделать вывод, что резкий рост потерь давления в гидросистеме, в нашем случае, происходит при -15°С (зависит от качества рабочей жидкости - вязкостно-температурного свойства).

При этом следует также учитывать, что в современных конструкциях гидроприводов отмечаются следующие тенденции:

• - повышение рабочих давлений и связанное с этим расширение верхних температурных пределов эксплуатации рабочих жидкостей;
• - уменьшение общей массы привода (увеличение отношения передаваемой мощности к массе). Это обусловливает более интенсивную эксплуатацию рабочей жидкости;
• - уменьшение рабочих зазоров в подвижных элементах гидропривода, поэтому повышаются требования к чистоте рабочей жидкости, ее фильтруемости.