Причины утечек в гидравлической системе и способы их устранения при ремонте гидравлических насосов

Thread Content

В процессе ремонта гидравлического насоса необходимо учитывать, что утечки в гидравлической системе влияют на качество продукции, и это — вопрос, который обязательно следует принимать во внимание. Например, в гидроцилиндрах серьезные утечки не только загрязняют окружающую среду вокруг оборудования, но и приводят к снижению давления в рабочей камере гидроцилиндра, из-за чего тот не может нормально функционировать. Применение более совершенных методов для эффективной предотвращения утечек и достижение состояния «нулевых утечек» в гидравлических системах является целью, к которой отрасль гидравлики стремится на протяжении многих лет. Кроме того, точный анализ первопричин утечек в гидравлической системе может помочь нам своевременно устранять такие неисправности. Как студенты специальности «Машиностроение», мы, изучая курс «Гидравлика и пневматика», а также ознакомляясь с соответствующей литературой, исходя из собственного профессионального опыта, практических занятий по инженерии, а также из того, что мы видим и наблюдаем в повседневной жизни, проанализировали причины и формы утечек в гидравлических системах, связанные с часто встречающимися проблемами утечек. Мы также предложили меры по контролю за утечками. По сравнению с механической передачей, гидравлическая передача представляет собой новую технологию, зародившуюся в 1654 году благодаря принципу статической передачи силы, предложенному Паскалем. Это форма передачи движения, в которой в качестве рабочей среды используется жидкость, а передача энергии осуществляется с помощью устройства для её преобразования. Гидравлическая передача обладает следующими преимуществами: ① Рабочая жидкость может быть транспортирована по трубопроводам в любое место; ② Расположение исполнительных элементов не ограничивается направлением; благодаря соединениям труб можно гибко располагать элементы передачи; ③ Гидравлическая передача позволяет преобразовывать вращательное движение двигателя в линейное движение; ④ Возможен удобный регулировок скорости без шагов; ⑤ Контроль нагрузки, скорости и направления движения осуществляется легко; также возможен централизованный контроль, дистанционное управление и автоматический контроль; ⑥ Гидравлическая передача работает плавно, без вибраций; ⑦ Благоприятные условия смазки способствуют повышению надежности и срока службы гидравлических элементов; ⑧ Гидравлические элементы способствуют стандартизации, серийному производству и унификации. Поэтому гидравлическая передача находит широкое применение во всех сферах национальной экономики. Однако у гидравлических приводов также есть некоторые недостатки: ① существуют потери на сопротивление течению жидкости, утечки масла и механическое трение, поэтому эффективность невысока; ② требуется строгий контроль температуры рабочей жидкости; ③ из-за утечек рабочей жидкости и её компрессибельности жесткость гидравлической системы недостаточна, что мешает обеспечению точного соотношения передач; ④ к использованию и обслуживанию рабочей жидкости предъявляются очень строгие требования; ⑤ стоимость гидравлических компонентов высока; ⑥ диагностика и устранение неисправностей в гидравлической системе затруднены, что требует высокого уровня квалификации и профессиональных знаний у персонала. Среди прочего, утечка рабочей жидкости остается неизбежной проблемой, а способы её решения являются одним из ключевых направлений исследований во всех отраслях. По направлению утечки она может быть внутренней и внешней. Внешняя утечка означает просачивание гидравлического масла из системы в окружающую среду; это происходит на внешних частях гидравлической системы – в трубопроводах, клапанах, цилиндрах и насосах (моторах). Внутренняя утечка возникает из-за разницы давлений между высоконапорной и низконапорной частями системы, а также из-за повреждения уплотнительных элементов. В результате гидравлическое масло перемещается внутри системы от высоконапорной части к низконапорной; например, масло может утекать из высоконапорной камеры в низконапорную, или из канала под давлением в клапане обратно в канал для возврата масла. Основными формами утечек являются утечки через щели, утечки в результате наличия пористой структуры, адгезионные утечки и динамические утечки. 1. Утечки в гидравлической системе строительной техники могут происходить по двум основным причинам: утечки в местах фиксированной герметизации (неподвижные соединения) и утечки в местах подвижной герметизации (подвижные соединения). Места утечек в фиксированных уплотнениях в основном включают место соединения крышки цилиндра с его стволом и т. д.; места утечек в подвижных уплотнениях в основном включают поверхность внутренней стенки цилиндра, с которой соприкасается поршень, а также зону между штоком поршня и направляющими элементами крышки цилиндра. Величина утечки через щель зависит от разницы давлений, размера зазора и других факторов. 2. Различные крышки гидравлических элементов с множеством пористостей из-за влияния шероховатости поверхности не могут полностью соприкасаться друг с другом. В микроскопических углублениях, где поверхности не соприкасаются, образуется множество пор с разнообразной формой поперечного сечения и разным размером. Размеры поперечного сечения этих пор зависят от степени шероховатости поверхности. Из-за большого количества щелей происходит утечка; жидкость должна протекать через множество изогнутых щелей. При тестировании герметичности необходимо выдержать определенное время под давлением, чтобы утечка стала заметной. 3. При соприкосновении вязкой жидкости с твердым элементом между ними возникает определенная сила адгезии. В результате этого на поверхности твердого тела образуется тонкий слой жидкости. Если же слой жидкости на поверхности слишком толстый, то из-за взаимного движения элементов уплотнитель может быть сорван, что приводит к утечке жидкости. Основной способ предотвращения утечек из-за прилипания — контроль толщины слоя с жидкостью, образующегося в результате прилипания. 4. Утечка давления происходит на уплотнительной поверхности вращающегося вала; если на ней остаются следы резки в спиральном порядке, то при вращении вала жидкость под действием силы вращения течет по углублениям, образованным этими спиральными следами. Если направление спиральных следов совпадает с направлением вращения оси, то из-за эффекта «помпирования масла», создаваемого этими спиральными следами, происходит утечка мощности. Характерной особенностью утечки мощности является то, что чем выше скорость вращения вала, тем больше объем утечки. Чтобы предотвратить утечку масла, необходимо избегать наличия следов обработки на герметичных поверхностях вала и на краях уплотнительных кольцев, которые могли бы способствовать перекачке масла. Также можно воспользоваться принципом утечки масла: с помощью спиральных узоров на поверхностях можно перекачивать утекающее масло обратно, тем самым препятствуя его утечке. Причины утечек в гидравлической системе многочисленны и сложны. В данной статье основное внимание уделяется таким аспектам, как утечки через уплотнители, загрязнение рабочей жидкости, отклонения в точности изготовления и сборки компонентов, повышение температуры жидкости вследствие нагрева, а также колебания давления в гидравлической системе. (1) Что касается уплотнителей: в гидроцилиндрах при речи о утечках в первую очередь думают об уплотнителях, поскольку они являются основными элементами, предотвращающими утечки в гидроцилиндрах. Он в основном включает уплотнительные кольца типа YX, комбинированные уплотнительные кольца, U-образные уплотнительные кольца, V-образные уплотнительные кольца, O-образные уплотнители, графитовые уплотнители, Стерлинговые уплотнители и т. д. Среди них уплотнительные кольца типа YX, комбинированные уплотнительные кольца и U-образные уплотнительные кольца создают замыкание за счёт давления масла; это приводит к разведению внутренних и внешних краев кольца, что обеспечивает герметичность. При этом предъявляются высокие требования к линейной массе внутренних и внешних краев. Уплотнительные кольца типа V, O-образные уплотнители, клапанные уплотнители и другие виды уплотнителей обеспечивают герметичность за счёт степени сжатия. Качество уплотнительных элементов, в том числе их физико-химические свойства, напрямую влияет на качество гидроцилиндров. Основные причины утечки уплотнителя — это: ① проблемы с качеством уплотнителя. Материал уплотнителей низкого качества, а технология производства и точность не соответствуют требованиям; кроме того, имеются дефекты в формах и при обработке краев. ②Неправильно выбраны уплотнители. Используемые уплотнители не соответствуют требованиям, связанным с рабочим давлением, скоростью работы и температурой, либо выбран неподходящий тип уплотнителя. ③Неправильно спроектированы канавки для установки уплотнителей; нерационально выбраны зазоры при установке и степень сжатия. Точность обработки соединительных деталей и их поверхностная шероховатость не соответствуют требованиям. Во время установки не применяется защита, в результате чего повреждаются края уплотнителей или в них попадают посторонние частицы. При хранении недостаточный уровень температуры и влажности, а также воздействие кислорода и озона приводят к порче уплотнителей. ④Когда пузырьки в жидкости проходят мимо уплотнительного края, они сжимаются до нескольких долей от своего первоначального размера. Когда такие пузырьки достигают ненапорной стороны уплотнителя, они быстро высвобождают энергию, что приводит к повреждению края уплотнительной поверхности. С другой стороны, когда пузырьки, содержащие определенное количество паров масла, под действием давления нагреваются до достаточно высокой температуры, они могут воспламениться. Это приводит к повреждению или плавлению кольцевых упоров, а также к частичному разрушению и карбонизации уплотнительных элементов. (2) Загрязнение масла: включает газовое загрязнение, частицевое загрязнение, загрязнение водой и т. д. ①Загрязнение газами: При атмосферном давлении в гидравлическом масле может растворяться примерно 10% воздуха. При высоком давлении в гидравлической системе в масле растворяется ещё больше воздуха или газов. В масле образуются пузырьки воздуха. Если в процессе работы гидравлической опоры давление быстро меняется между высоким и низким уровнями в очень короткие промежутки времени, это приводит к тому, что на стороне с высоким давлением пузырьки нагреваются, а на стороне с низким давлением они лопаются. Если на поверхности элементов гидравлической системы имеются впадины и повреждения, гидравлическое масло будет с большой скоростью ударяться о поверхность этих элементов, что ускоряет их износ и приводит к утечкам. Такое разрушение, вызванное явлением пузырьков воздуха, называется кавитацией. ②Загрязнение частицами: из-за загрязнения испытательной платформы частицами вероятность утечки крайне мала, но в реальных условиях она все же существует. В процессе эксплуатации гидроцилиндра частицы, образующиеся по вышеуказанным причинам, часть из них прилипает к уплотнительным элементам, а другая — к движущимся поверхностям. Это приводит к повреждению уплотнительных поверхностей, в результате чего уплотнительные элементы теряют свои свойства, и гидроцилиндр начинает протекать. Такую неисправность можно устранить путем удаления неровностей на поверхности деталей, очистки всех компонентов и замены уплотнительных элементов. В более серьезных случаях может произойти повреждение цилиндра, и тогда устранение такой неисправности становится сложным. Еще более серьезные ситуации могут привести к полной порче цилиндра. ③Загрязнение водой: из-за влажных условий рабочей среды и других факторов вода может попадать в гидравлическую систему. Вода реагирует с гидравлическим маслом, образуя кислоты и осадок, что снижает смазывающие свойства масла и ускоряет износ деталей. Кроме того, вода может привести к забиванию штоков управляющих клапанов, что затрудняет их управление, а также повреждает уплотнители, вызывая утечки. (3) Нарушение точности изготовления и сборки компонентов: ко всем гидравлическим компонентам и уплотнительным элементам предъявляются строгие требования к размерным и формо-геометрическим параметрам. Если в процессе производства возникают отклонения, такие как отклонения радиуса поршня цилиндра, глубины или ширины уплотнительных канавок, размеров отверстий для установки уплотнителей, или если из-за проблем с обработкой поверхности возникает искривление, наличие заусенцев или впадин, а также отслоение покрытия, то уплотнители могут деформироваться, получить царапины, быть сжатыми или неправильно установленными. Это приводит к потере их уплотнительных свойств, что создает скрытые источники утечек в самом детале, которые проявляются после сборки или в процессе эксплуатации. Некачественная сборка системы, отсутствие мер по снижению вибраций и изоляции от них; эксплуатация системы при превышении допустимого давления, отсутствие своевременной проверки системы в соответствии с правилами, а также несвоевременная замена изнашивающихся компонентов — все это может привести к утечкам в системе. (4) Чрезмерное повышение температуры масла: при работе гидравлической системы необходимо контролировать температуру масла. При слишком высокой температуре возникают следующие проблемы: ① В большинстве случаев, когда температура масла постоянно превышает 60°C, его вязкость снижается. Это приводит не только к утончению слоя смазки, увеличению трения и ускоренному износу, но также к расширению, старению и поломке уплотнительных элементов. В результате в гидравлической системе возникают утечки. Согласно исследованиям, при каждом повышении температуры масла на 10°C срок службы уплотнительных элементов сокращается вдвое. ②При повышении температуры масла его объем увеличивается, что приводит к росту давления. При этом утечки усиливаются по мере повышения давления, в результате чего утечка становится еще более значительной. ③Повышение температуры масла приводит к изменению размера зазора. Как правило, в зависимости от материала деталей, коэффициент теплового расширения материалов также различается. При повышении температуры масла детали из-за различий в степени их расширения или сжатия приводят к изменению зазора между ними. Увеличение этого зазора способствует усилению утечек. (5) Ударные нагрузки в гидравлической системе: из-за частой смены направления движения жидкости, внезапный запуск насоса при высоком давлении или быстрое закрытие клапанов и цилиндров может привести к возникновению мгновенных пиковых значений давления, в несколько раз превышающих рабочее давление. Иногда это достаточно для повреждения уплотнительных элементов, трубопроводов или других компонентов гидравлической системы, что приводит к утечкам. Факторы, приводящие к утечкам в гидравлических системах строительной техники, обусловлены множеством взаимосвязанных факторов. С использованием существующих технологий и материалов кардинально устранить утечки в гидравлических системах крайне сложно. Только исходя из вышеуказанных факторов, влияющих на утечки в гидравлической системе, можно принять разумные меры для минимизации таких утечек. (1) На этапах проектирования и обработки необходимо полностью учитывать важные факторы, влияющие на утечки, а именно — проектирование и обработка уплотнительных канавок. Ассоциация инженеров автомобильной промышленности США (SAE) рекомендует следующие два способа предотвращения утечки масла из отверстий. ①Отверстие для масла с прямыми резьбовыми соединениями SAE и уплотнительной резинкой типа «O»: уплотнение обеспечивается за счёт резинки типа «O», а соединение — за счёт прямых резьбовых соединений; ② Фланец с болтами SAE4: подходит для более крупных отверстий для масла. Кроме того, выбор уплотнительных элементов также имеет огромное значение. Шероховатость поверхности уплотнения для статических уплотнителей обычно составляет от Ra3,2 до Ra1,6, а для динамических уплотнителей — от Ra0,8 до Ra0,4. Если с самого начала не учесть все факторы, влияющие на утечку, это приведет к непреодолимым потерям в будущем производстве. (2) В контроле за загрязнением гидравлического масла необходимо начинать с источника загрязнения, усиливать контроль над ним, а также применять эффективные методы фильтрации и регулярно проверять качество масла. Для эффективного предотвращения загрязнения гидравлических цилиндров внешними факторами (водой, пылью, частицами и т. д.) можно применить различные защитные меры. (3) Аспект сборки. Перед сборкой гидравлической системы необходимо проверить устойчивость её компонентов к давлению, а также выяснить, нет ли утечек на соединительных поверхностях компонентов. В случае обнаружения утечек следует принять соответствующие меры. Только тогда, когда все компоненты не протекают и не имеют утечек, их можно официально установить в систему для использования. При сборке гидравлических элементов и гидравлических систем необходимо тщательно их очищать, удалять заусенцы и шлак от сварки, а также применять соответствующие средства для защиты от ржавчины. Сборка должна выполняться строго в соответствии с требованиями технологии сборки, чтобы избежать возникновения дефектов из-за неправильной сборки, а также избавиться от заусенцев, шлака и других веществ, способствующих износу. (4) Снижение гидравлического удара. Часто используемые методы включают: ① максимальное снижение частоты запуска, остановки и переключения системы; ② для гидравлических систем, требующих частого переключения, использование клапанов с демпферами; ③ установку аккумуляторов перед регулирующими клапанами для уменьшения расстояния распространения ударных волн и тем самым снижения гидравлических ударов; ④ увеличение диаметра трубопроводов, сокращение их длины или использование резиновых шлангов; ⑤ установку предохранительных клапанов, которые позволяют снизить давление при его повышении. (5) В период налаживания работы машины часто возникает утечка. Это происходит из-за того, что некоторые дефекты, связанные с процессом литья или обработки, трудно обнаружить во время сборки и настройки. Однако под действием вибраций и ударов в процессе эксплуатации эти дефекты становятся видимыми. Поэтому необходимо внимательно следить за утечками в период налаживания работы машины, чтобы своевременно их обнаруживать и устранять. (6) С технической точки зрения за рубежом в настоящее время производятся новые маслостопоры, оснащенные датчиками для измерения уровня утечек (вращающимися уплотнителями); кроме того, появились пневматические уплотнители, сочетающие в себе преимущества трениеобразующих и лабиринтных уплотнителей. Также широко используются комбинированные уплотнители, состоящие из резиновых элементов в форме буквы U и пружин в форме буквы V; такие уплотнители подходят для использования в гидравлических системах при давлении до 45 МПа. Заключение. В гидравлических системах существует множество видов утечек, что является распространенным явлением в гидравлическом оборудовании. Причин этого много, и полностью избавиться от них сложно. Необходимо тщательно решать эту проблему на всех этапах: проектирования, производства, установки и эксплуатации. Выше приведен анализ форм и причин утечек в гидравлических системах, проведенный нами на основе изучения учебных материалов, ознакомления с соответствующей литературой, а также с учетом собственного профессионального опыта, практических занятий по инженерии и того, что мы видим и слышим в повседневной жизни. Также предложены некоторые меры по контролю утечек.