Диагностика строительных машин / Средства и технологии диагностирования строительных машин / Глава 7.3
Контроль эксплуатационных свойств рабочих жидкостей
Большую информацию об общем состоянии гидропривода в целом несут и себе количественный и качественный составы загрязнений рабочей жидкости.
Контроль эксплуатационных свойств рабочих жидкостей
Рабочая жидкость передает энергию от. насоса ко всем исполнительным органам и одновременно выполняет функции смазки и охлаждения. Эксплуатационные свойства рабочей жидкости характеризуют: вязкостно-температурные свойства, смазывающая способность, химическая и физическая стабильность, совместимость с компонентами гидросистемы, в первую очередь с резино-техиическими изделиями.
Среди физических свойств важнейшим является вязкость, которая характеризует силы внутреннего трения. Вязкостные свойства рабочей жидкости должны обеспечивать работу гидросистемы во всем диапазоне рабочих температур. С повышением температуры вязкость понижается и в результате уменьшаются гидромеханические потери (т. е. уменьшается сопротивление движению элементов гидропривода), по в то же время возрастают внутренние утечки рабочей жидкости, снижается коэффициент подачи насоса и увеличивается износ деталей гидропривода (из-за нарушения жидкостного трения), уменьшаются скорости движения исполнительных органов. При низких температурах вязкость рабочей жидкости повышается, что ухудшает ее прокачиваемость и при резком повышении давления может привести к разрушению сборочных единиц гидропривода.
Смазывающие свойства рабочей жидкости зависят от прочности масляной пленки, от наличия в рабочей жидкости противозадирных и противоизносных присадок. Плотные пленки способствуют уменьшению трения между элементами гидропривода.
В процессе эксплуатации
В процессе эксплуатации рабочей жидкости важна неизменность первоначальных физических и химических свойств рабочей жидкости (физическая и химическая стабильность). При работе в условиях высоких давлений происходят молекулярно-структурные изменения, в результате которых изменяются не только вязкостные, но и смазывающие свойства жидкости. При высоких температурах более интенсивно происходит окисление рабочей жидкости и выделение смолистых осадков, что может привести к закупорке узких проходных каналов и щелей, усилить процесс окисления.
Качество рабочих жидкостей характеризует также совместимость, т. с. степень воздействия их на применяемые в гидросистеме материалы. Совместимость с металлами определяется отсутствием коррозии, а с резиновыми изделиями - изменением их массы и объема, а также ухудшением физико-механических и эксплуатационных показателей. Усадка, набухание и размягчение резиновых изделий сопровождаются изменением геометрических размеров, нарушением герметичности и отказами в работе гидроаппаратуры.
На надежность гидросистемы влияет также наличие воды в рабочей жидкости. Анализ проб, взятых из гидросистем различных машин, показывает, что в рабочих жидкостях содержатся 5...6% (иногда до 10%) воды, что способствует образованию смол, асфальтенов и других продуктов окисления, Которые, осаждаясь Па деталях гидроагрегатов, приводят к увеличению потерь на трение. В зимний период наличие воды в рабочей жидкости может привести к образованию ледяных пробок и к разрушению сборочных единиц гидросистем.
Основной причиной снижения надежности и, в частности, интенсивного износа гидроагрегатов является 1 загрязнение рабочих жидкостей механическими примесями.
Массовая концентрация
Экспериментально доказано, что повышение тонкости фильтрации жидкости в гидравлической системе с 20...25 до 5 мкм увеличивает срок службы аксиально-поршневых насосов более чем в 10 раз. а гидроаппаратуры в 5...7 раз. По зарубежным данным, из 100 аварийных ситуаций в гидросистемах 90 происходит вследствие загрязнений рабочих жидкостей.
Имеется целый ряд источников загрязнения рабочих жидкостей. Некоторое количество частиц загрязнений остается в гидросистеме и ее элементах после изготовления и ремонта: песок, попавший при литье; пыль, осевшая на стенках; окалина от сварки или термообработки; загрязнения от механической обработки, в том числе от притирочных паст, и т. д. Наиболее значительное число загрязнений поступает в рабочие жидкости при эксплуатации машин. Это пыль из воздуха, проникающая через заливные горловины при открытой заправке баков; грязь, поступающая через уплотнения штоков гидроцилиндров при их работе; продукты износа трущихся деталей гидронасосов и гидромоторов. Причиной загрязнения может быть частичное разрушение фильтрующих элементов фильтров, предназначенных для очистки гидросистем. Если в фильтрах используют волокнистые наполнители, способные менять пористость при изменениях перепадов давлений, то при пульсациях давления задержанные фильтром частицы загрязнений могут медленно проходить через фильтро элемент, вновь попадая в гидросистему.
Массовая концентрация загрязнений в жидкостях гидросистем строительных и дорожных машин колеблется в пределах 178...1180 мг/л, Массовая концентрация лишь косвенно характеризует опасность загрязнения. При одной и той же массовой концентрации в жидкости может быть разное количество частиц различных размеров.
Классы чистоты
Вместе с тем на надежность сборочных единиц гидравлического привода наиболее сильно влияют частицы определенных размеров, поэтому полную информацию о загрязнении рабочей жидкости можно получить, только зная распределение гранулометрического состава загрязнений.
Классы чистоты рабочих жидкостей регламентированы ГОСТ 17216-71. Этот стандарт устанавливает 19 классов чистоты жидкости. Каждому классу соответствует определенное число частиц различных размеров, содержащихся в 100 см3 жидкости. Чистота рабочих жидкостей строительных и дорожных машин должна соответствовать 13...14 классам. Для этих классов ГОСТ предусматривает также в качестве контрольного параметра массу загрязнений.
Эта формула была получена на основе ограниченного числа наблюдений (около 70), поэтому вероятность правильной оценки класса загрязнений рабочей жидкости по этой формуле недостаточна. Наиболее точные результаты определения соответствия жидкости определенному классу дают исследования проб жидкостей при помощи специальных приборов - анализаторов гранулометрического состава загрязнений, устройство которых рассмотрено ниже.
Таким образом, в процессе эксплуатации гидросистем необходимо вести оперативный контроль свойств рабочих жидкостей, определять наличие механических примесей и воды. Вязкостно-температурные харатеристики достаточно стабильны и поэтому должны определяться при сезонном техническом обслуживании, но не менее двух раз в год одновременно с полным контролем физико-химических свойств рабочей жидкости. Для контроля физико-химических свойств рабочей жидкости используют различного типа лабораторное оборудование, в том числе установленное в стационарных условиях и скомпонованное в переносных и передвижных комплексах. Наиболее удобными для условий строительных организаций являются полевая лаборатория ПЛ-2М, ручная лаборатория РЛ, судовой лабораторный комплект СКЛАМПТ.
Наличие воды
В лаборатории РЛ вязкость определяют при помощи полевого вискозиметра ПВ-3, состоящего из шести стеклянных пробирок со стальными шариками внутри. Пять пробирок заполнены эталлонными маслами с вязкостью 4, 6, 10, 16, 22 сСт при 100°С, а в шестую пробирку заливают испытуемую рабочую жидкость. Вязкость в приборе определяют сравнением скоростей опускания шариков в пробирках с эталонными жидкостями и с проверяемой рабочей жидкостью. Одинаковые скорости опускания шариков указывают на идентичность вяз-костей эталонной и проверяемой жидкостей.
Наличие воды в рабочей жидкости определяют по ГОСТ 1547-74. Рабочую жидкость в пробирке нагревают до 150°С. На присутствие воды в испытуемой жидкости указывает появление пены, потрескивание (не менее двух раз), вздрагивание пробирки, помутнение масла у стенок.
Количество воды в рабочей жидкости определяется по массе сконденсированных в холодильнике паров воды, отгоняемых из рабочей жидкости (ГОСТ 2477-65).
В лаборатории РЛ наличие воды (качественно) определяют при помощи индикатора из марганцово-кислого калия. Несколько кристаллов марганцево-кислого калия заворачивают в сухую марлю и опускают в пробирку с проверяемой рабочей жидкостью. Окраска марлевого тампона в малиново-фиолетовый цвет указывает на наличие воды.
Оборудование большинства лабораторий позволяет определить температуру застывания и вспышки рабочих жидкостей, наличие в них водорастворимых кислот и щелочей.
Содержание механических примесей можно определить визуально. Для этого в чистый стакан наливают сначала 100 мл контролируемой рабочей жидкости, затем 200 мл отфильтрованного бензина и перемешивают содержимое стакана.
Движение частиц
Затем смесь отстаивают в течение 5...10 мин и через дно стакана рассматривают содержимое. При загрязненной рабочей жидкости обнаруживаются примеси, которые при вращении стакана концентрируются в центре на дне.
Для обнаружения механических примесей используют также метод фильтрования определенного количества рабочей жидкости. Следы загрязнения появляются на фильтровальной бумаге (ткани). Чистая рабочая жидкость дает равномерно окрашенное пятно. Для количественной оценки механических примесей применяют микроскоп и лупу, но этот метод достаточно трудоемок.
При определении загрязненности рабочей жидкости методом центрифугирования проба жидкости помещается в специальную емкость, которая приводится в равномерное вращение. Жидкость во время вращения находится в относительном покое, и на частицы инородных тел, находящихся в рабочей жидкости, наряду с подъемной силой действует центробежная, которая и заставляет частицы перемещаться к периферии емкости относительно оси вращения.
Движение частиц в радиальном направлении осуществляется только при условии, что плотность частиц больше плотности рабочей жидкости. Фактически каждая частица перемещается под действием разности сил: центробежной силы Н, и силы давления Р, на соответствующем уровне жидкости во вращающемся сосуде.
Из этого следует, что чем больше разность плотностей, чем больше угловая скорость и чем дальше от оси вращения находятся частицы загрязнения, тем интенсивнее идет перемещение частиц.
Конструкция специальной центрифуги для экспресс-анализа рабочих жидкостей содержит электропривод, трансмиссию и горизонтальный диск с емкостями.
В комплект прибора
Все части устройства смонтированы на раме. В верхней части рамы установлена опора горизонтального диска. Горизонтальный диск расположен на вертикальном валу, противоположный конец которого заканчивается шкивом. Трансмиссия выполнена в виде повышающей ременной передачи с первичным шкивом на валу электродвигателя. На горизонтальном диске имеются четыре гнезда для установки специальных стаканов (емкостей), представляющих собой металлические конусы, переходящие к вершине в проградупрованную стеклянную трубку. Стаканы закрываются металлической крышкой с резьбой, стеклянная трубка пробкой. Каждый стакан имеет объем 100 см3.
В последние годы все шире применяют электронные приборы для контроля загрязнений жидкости. Получили довольно широкое применение приборы, основанные на нефелометрическом методе-сравнении интенсивности двух световых потоков: рассеянного эталонной жидкостью того же типа, что и анализируемая, но не содержащей загрязнений, и рассеянного жидкостью, взятой из гидросистемы и содержащей загрязнения. Интенсивность рассеянного света пропорциональна концентрации частиц в жидкости и зависит от оптических свойств жидкости и частиц, углов падения и рассеивания света.
Сибирским автомобильно-дорожным институтом разработан и изготовлен двухканальный фотоэлектрический нефелометр.
В комплект прибора входят выпрямитель и измеритель степени загрязнения рабочей жидкости. Выпрямитель обеспечивает питание прибора от сети переменного тока 220В при отсутствии аккумуляторов на 12В.
Измеритель степени загрязнения рабочей жидкости состоит из систем отбора и фильтрации проб, оптической и измерительной.
Система отбора
Система отбора и фильтрации проб содержит патрубок длиной 500 мм с обратным клапаном, ручной насос, две прозрачные кюветы (проверяемая и эталонная), фильтрующий элемент, манометр, запорный клапан перед сливным отверстием и выпускной клапан. Патрубок служит для взятия проб из различных емкостей, в частности из гидробаков машин. Он соединен с кюветой, заполняемой проверяемой жидкостью, вторая кювета (эталонная) заполняется жидкостью, прошедшей через расположенный в общем корпусе с ручным насосом фильтрующий элемент. Манометр включен между фильтрующим элементом и эталонной кюветой и служит для контроля давления в системе перед снятием показаний.
В приборе имеются две однотипные оптические системы: одна включает проверяемую кювету, вторая - эталонную. Поток света от осветителя (лампа накаливания 40 Вт) через тубус попадает в систему линз, в которую входят две линзы, прижатые к прозрачной кювете. Пройдя сквозь систему линз с кюветой, поток света попадает на фотодиоды. Электрическая схема измерителя степени загрязнения рабочей жидкости содержит измерительный мост, стабилитрон VЗ и выпрямительный мост V4,
Измерительный мост состоит из фотодиодов VI и V2, регулировочного резистора Я и установленного в диагонали моста измерительного прибора, в качестве которого используется микроамперметр. Электрический сигнал, регистрируемый измерительным прибором, зависит от соотношения сравниваемых световых потоков, попадающих на фотодиоды.
Балансировка измерительного моста производится резистором при заполнении обеих кювет жидкостями одинаковой степени чистоты.
Пробу рабочей жидкости для определения степени ее загрязненности берут из бака гидропривода машины, насос которой работал перед этим не менее 10 мин.
Полости прибора
Полости прибора заполняют при помощи ручного насоса, для чего патрубок опускают в анализируемую рабочую жидкость. После взятия пробы пузырьки воздуха из прибора стравливают и создают в нем давление до 4 МПа, цепь питания прибора присоединяют к аккумуляторной батарее машины, либо через выпрямитель к 220В, и по шкале микроамперистра определяют степень загрязненности рабочей жидкости в условных единицах. Если результат измерения больше 60 делений, то необходима замена рабочей жидкости либо се очистка.
Градуировка прибора произведена па рабочих жидкостях, классы чистоты которых (по массе) соответствуют ГОСТ 17216-71. Погрешность измерения загрязненности зависит от степени очистки эталонной жидкости фильтрующим элементом и не должна превышать ±10%.
Для определения гранулометрического состава в рабочих жидкостях промышленность выпускает прибор СМЧ-1, который основан на оптическом сканировании плоской пробы жидкости или сканировании специального прозрачного фильтра после пропускания через него пробы загрязненной жидкости определенного объема. Схема прибора показана. На стеклянный столик прибора помещается проба жидкости толщиной не более 60 мкм или прозрачный фильтр. Световой поток от источника света проходит через конденсор черного поля и пробу жидкости и попадает на окуляр микроскопа. Далее через призму и щелевую диафрагму сфокусированный световой поток попадает на фотоэлектронный умножитель ФЭУ. Столик с пробой при помощи механического развертывающего устройства во время анализа совершает возвратно-поступательные движения с боковым смещением при каждом шаге.
Общие размеры анализируемого па пробе окна 5Х ХЗО мм. При прохождении частицы загрязнения в поле зрения микроскопа на выходе ФЭУ образуется электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна размеру частицы, затемняющей ноле зрения микроскопа.
Выход ФЭУ через усилитель
Выход ФЭУ через усилитель соединен с пятиканальным амплитудным дискриминатором. Последний предназначен для автоматической сортировки электрических импульсов по амплитудам. Каждый канал амплитудного дискриминатора (нижние и верхние пороги дискриминации) настроен так, что при анализе пробы частицы подсчитываются по соответствующим размерным группам.
Известны также приборы подобного назначения, в которых сканирование пробы жидкости осуществляется при помощи телевизионной системы, например прибор «Миллипор ПМС» фирмы «Джойс Лобл» (США). На экране приемной части телевизионной системы возникает изображение пробы с частицами загрязнений. По изображению на телевизионном экране могут быть определены с достаточной точностью размеры частиц и в большинстве случаев материал загрязнений (по характерным для разных материалов формам частиц).
В последнее время создают приборы, позволяющие осуществлять анализ рабочих жидкостей непосредственно в потоке. Действие этих приборов основано на определении при помощи фотоэлектрического датчика числа и размеров частиц, проходящих вместе с жидкостью через калиброванную щель малого размера.
Схема, поясняющая принцип действия датчика прибора ХАЕГ (США), показана. Анализируемая жидкость из пробоотборника или непосредственно из диагностируемой гидросистемы поступает под давлением в измерительный канал и проходит через калиброванную щель (размером 2,5x0,15 мм), которая имеет по бокам прозрачные окна. С одной стороны тцели против окна установлена миниатюрная лампа, а с другой - фотодиод. При проходе каждой частицы загрязнений происходит частичное затемнение фотодиода, в результате на выходе схемы образуется импульс, амплитуда которого пропорциональна размеру частицы. Электронная часть схемы подобна схеме прибора СМЧ-1. Предельная скорость счета на этом анализаторе 4000 частиц в секунду.