Несколько способов повышения надёжности гидросистем

[engineerandreev.livejournal.com]

Предупреждение: пост содержит в себе технические тонкости, которые могут быть совершенно неинтересны тем, кто по работе никак не связан с гидроприводом. Если вас не беспокоят специфические проблемы гидравликов, просто пролистайте ленту дальше...

Оригинал взят у engineerandreev в Несколько способов повышения надёжности гидросистем

Завалялись у меня тут материалы по работе, которыми уже очень давно хочу поделиться. Речь пойдёт, как ясно из названия, о повышении надёжности гидросистем. Всем известно, что самые надёжные гидравлические системы разрабатываются для авиации, но когда речь заходит о том, чтобы перенять часть опыта для самых обыкновенных наземных гидросистем, у конструкторов моментально встаёт перед глазами „авиационный“ ценник и включается режим непреодолимого скепсиса. Поэтому в этом посте я не буду рассказывать о системах резервирования, многоканальных приводах и способов повышения живучести гидросистемы при взрыве двигателя, а остановлюсь лишь на приёмах, которые практически не требуют дополнительных вложений, но тем не менее, могут существенно повысить надёжность всей системы.
Самые неприятные отказы в гидросистемах происходят из-за грязи. Если обрыв рукава высокого давления виден и слышен сразу, то грязь обычно приводит к загадочным явлениям, которые порой ставят в ступор не только эксплуатирующий персонал, но и самих конструкторов. В системе не поднимается давление? В системе слишком сильно поднимается давление? Система перегревается? Насос орёт? Гидравлический распределитель то работает, то не работает? Гидромотор подклинивает и дёргается? Все признаки поломки пропадают, когда приходит наладчик? Тогда это точно грязь…
Поэтому в первую очередь, конечно, речь пойдёт о том как не загадить рабочую жидкость. Начать при этом стоит с самого процесса проектирования. Очень часто в гидравлических схемах мобильной техники можно увидеть следующий эпизод:

Благие намерения заставляют конструктора устанавливать обратный клапан параллельно напорному фильтру. Логика простая: если фильтр вдруг засорится и через него не будет идти жидкость, то она пойдёт в обход через клапан, предохраняя насос от повышения давления.
Не буду утверждать, что этот вариант совсем уж не имеет права на жизнь (всё-таки, почему-то ведь его вставляют в учебники), наверное это неплохой вариант, когда не жалко места, массы и денег (например, в гидроприводе станка). В остальных случаях я бы использовал этот вариант крайне осторожно по следующим причинам:

1. Нужно всегда помнить, что при низких температурах (например, во время холодного пуска) скорее всего возникнет момент, когда вся жидкость пойдёт через обратный клапан.


2. Под запорно-регулирующий элемент (шарик, конус) может попасть монтажное загрязнение (стружка из соединения) и тогда грязь будет идти в систему на постоянной основе.

Чтобы предотвратить пункты 1 и 2, т.е. чтобы гарантировать, что обратный клапан практически никогда не будет открываться, тонкость фильтрации выбирается достаточно грубая — 25..40 мкм. Таким образом, этот фильтр уже можно считать лишь защитным, но никак не средством очистки рабочей жидкости. Другими словами, предназначен он на случай, когда насос начнёт активно изнашиваться. Теперь давайте представим что должно случиться, чтобы такой фильтр раньше регламентного срока засорился… Очевидно, что в этом случае речь идёт уже не об износе, а о процессе разрушения насоса, когда он лавинообразно начинает поставлять всё больше и больше металлической стружки, забивая фильтр. И вот, когда стружки становится настолько много, что перепад давления превышает силу поджатия пружины клапана… мы пускаем весь этот мусор в систему в обход фильтра! Последствия могут быть различными (вполне возможно, что даже ничего не заклинит, а насос просто перестанет держать давление вследствие износа), но одно можно сказать точно — после этого нужно будет обязательно менять масло и заново промывать всю гидросистему.
Простое решение для сливного фильтра выглядит так:

Сливные фильтры обычно дешевле и меньше по габаритам, а значит можно раскошелиться немного и поставить ещё один фильтр в „холодный“ резерв через обратный клапан. В этом случае после срабатывания индикатора загрязнённости (будь то визуальный или с электрическим выходом) можно не дёргаться, а спокойно дорабатывать до конца смены, а потом уже поменять фильтроэлемент.
Для напорного же фильтра гораздо надёжнее, как ни странно, выглядит предельно простая схема:

В этом случае можно использовать фильтр любой требуемой тонкости фильтрации (хоть 5 мкм) с индикатором загрязнённости, а на случай засорения непосредственно перед насосом ставят предохранительный клапан:

Естественно, сам предохранительный клапан должен быть прямого действия (прежде всего, из-за быстродействия), но даже в этом случае он может быть чувствителен к загрязнению. Типичная ситуация — клапан настраивается сразу после монтажа на определённое давление, а после этого в системе просто не поднимается давление. Причина — попавшая под запорно-регулирующий элемент металлическая частица, коих, понятное дело, насос поставляет (вследствие износа) в достаточно большом количестве.
Решение этой проблемы — настраивать предохранительный клапан на отдельном стенде, в котором присутствует напорный фильтр тонкой очистки. После настройки клапан нужно опломбировать, аккуратно поставить в систему и больше никогда не трогать. Срабатывать в идеале он должен крайне редко и кратковременно, и всегда это должно быть поводом для детального анализа причин экстремальных забросов давления.
В случае же переливного клапана (когда „лишняя“ жидкость сливается в бак для поддержания определённого давления), необходимо использовать следующую схему:

Дроссель усилительного каскада переливного клапана, а также сам пилотный клапан должны быть обязательно защищены фильтром тонкой очистки, здесь вариантов особо быть не может. Кроме того, при активной работе этого клапана, нужно обязательно пускать слив через теплообменник, если нет желания моментально вскипятить бак.
Возвращаясь к теме фильтров, поговорим о всасывающем фильтре насоса…

Вообще, всасывающие фильтры, судя по всему, появились в те времена, когда рабочую жидкость хранили не в закрытых баках, а в десятилитровых оцинкованных вёдрах вместе с ржавыми гвоздями и опавшими листьями. Сейчас их имеет смысл использовать в тех случаях, когда нет никакой технологической возможности сделать гарантированно чистый бак, либо проконтролировать, чтобы рабочие не лили в него что попало.
Причина — от всасывающего фильтра проблем больше, чем пользы. Любое гидравлическое сопротивление во всасывающей линии снижает кавитационный запас насоса и заставляет его истошно орать. В случае же холодного пуска при отрицательных температурах всасывающий фильтр может легко организовать сухую работу насоса с последующим свариванием трущихся узлов. В идеале насос должен всасывать жидкость прямо из бака, вообще без трубопроводов. Поэтому лучше делать как на этой схеме:

В идеале, всё что попадает в бак, должно проходить через фильтр тонкой очистки (включая дренаж насоса). Заправка и доливка жидкости должны осуществляться закрытым способом через заправочные фильтры, а заливную горловину вообще лучше убрать от греха…
Теперь, когда у нас есть идеально чистый бак, а на выходе из насоса стоит фильтр тонкой очистки, казалось бы, можно расслабиться… но нет тут-то было! Помимо загрязнений в виде продуктов износа, есть ещё монтажные загрязнения. Хоть сейчас уже и не принято гнуть трубы, забивая их песком (в авиации это вообще запрещено), а все штуцеры тщательно отмываются в керосине и чистятся ультразвуком, всё равно есть вероятность, что при стягивании соединений образуется заусенец, который спустя некоторое время (дождавшись, когда систему промоют и доведут класс чистоты рабочей жидкости до нужного уровня) отправится путешествовать по гидросистеме и заклинит какой-нибудь жизненно важный золотник. Чтобы предотвратить это, каждый чувствительный к подобным загрязнениям агрегат, необходимо защищать грубым входным фильтром (тонкость фильтрации порядка 100 мкм):

На практике это выглядит не так страшно как на схеме. Просто вокруг гильзы обворачивают достаточно грубую сетку, которая почти не создаёт гидравлического сопротивления и практически ничего не стоит. У многих производителей клапанов даже есть готовые решения на этот счёт.

Конечно, всё, что написано выше — вопросы дискуссионные. Уверен, найдётся много инженеров, которые скажут, что всю жизнь лили отработку в бак экскаватора и всё нормально работало (а если и ломалось, то быстро чинилось). Конечно, далеко не всегда с наземной техникой имеет смысл заморачиваться так же как и с самолётом, но с другой стороны, когда речь идёт лишь о том, чтобы по-другому соединить агрегаты, повышая в несколько раз надёжность, почему бы это не сделать?)

Comments

[Виталий (from livejournal.com)]

Кстати Дядь, раз шаришь в гидравлике. Можно ликбез почему на машинах воют гидрачи? Там лопастной(пластинчатый) насос, ничто не вечно изнашивается.
Но бывает меняешь насос - не помогает.
В напорном рукаве вроде как дроссель(ну шайба с мелко дыркой), есть мысли зачем?
Вой это я так понимаю броски давления, на руле "зуд" чувстветься, но если ты разбираешься можно немного теории? Честно пытался гуглить ничего путевого не нашел.
У себя менял и рулевую рейку и насос(правда на китайский) - не помогает, воет. Если залить вместо гидрашки моторное масло - перестает, оно же гуще.
Если не сложно просвети в теории, плиз :)

[engineerandreev.livejournal.com]

Конечно, любые дистанционные диагнозы - гадание на кофейной гуще, но я попробую)

Первопричиной может быть неравномерность подачи насоса (частота порядка сотен Гц, зависит от частоты вращения и числа лопастей). Обычно эти пульсации давления демпфируются в системе, но могут и найти отклик в системе, если попадут в резонанс с чем-то.
Резонировать могут рукава и трубки. Чтобы проверить это, нужно сравнить длину рукавов и трубок с четвертью длины волны (длина волны - скорость звука разделить на частоту пульсаций в Герцах). Скорость звука в нагнетательной линии варьируется примерно от 400 м/с для рукава до 1400 м/с для стальной трубки. Частоту можно записать на микрофон и разложить в ряд Фурье в какой-нибудь программке.
Если получится так, что в какую-нибудь трубку или рукав укладывается кратное число четверть длины волны, можно грешить на резонанс в него/ней. Бороться можно либо изобретая какой-нибудь четвертьволновой гаситель пульсаций, либо попытаться найти место для гидроаккумулятора, но я бы начал с того, что попробовал заменить рукав на чуть более длинный или короткий, попытавшись сместить резонансную частоту немного.

Ещё проблема может быть из-за люфта в обратной связи. Это может быть не обязательно рейка, а, например, то место, где стыкуется золотник. Иногда и пары соток люфта достаточно, чтобы появились автоколебания.

Ну ещё может предохранительный клапан орать. У него обязательно должен быть какой-то демпфер, возможно он истёрся.

По поводу дросселя, не думаю, что он для гашения пульсаций. Скорее просто для уменьшения коэффициента усиления прямой цепи. Возможно, без него золотник пришлось бы делать слишком мелким, что нетехнологично.

[Виталий (from livejournal.com)]

Огромное спасибо!, даже не ожидал такой развернутый ответ. Если не заниматься этим профессионально для отправной точки более чем достаточно.
И да частота порядка герц 200, странно что от оборотов мотора(насоса) не зависит.
ЗЫ забукмаркал буду кидать ссылку тем кто "на коленке" пытается понять почему так :)
ЗЫЫ пока я его буду чинить можно Вас в личку вопросами помучить?

[engineerandreev.livejournal.com]

Если от оборотов мотора частота точно не зависит (и нет такого, что на определённой частоте пульсации пропадают), можно не тратить время на экзерсисы с трубами и рукавами, а искать люфт. Ну и предохранительный клапан всё равно проверить.

[Виталий (from livejournal.com)]

Ну т.е. банальный износ. Люфты где-то в самом усилителе(рейке)? Конструкцию гидравлического усилителя тока в теории представляю(ну золотник с пружинкой, ее натяг условно коэф. усиления).
Зуд усиливаться когда обороты мотора падают. На всех воющих гидрачах такое встречал.
ЗЫ Немного подумал, частота с оборотами все же меняется, но не пропорционально оборотам, а немного совсем. все же с холостых до 2000 это в два раза, "октава" такое бы я услышал :)
ЗЫЫ это не предохранительный клапан. Он в насосе их я менял - ничего не меняться. Да и он на приличное давление, когда колесы :) вывернуты в упор. Да и как в упор выкрутил тока чуть громче становиться...

[engineerandreev.livejournal.com]

Ну чтобы не рыскать в потьмах, можно начать исключать элементы. Первым делом пустить насос в обход усилителя через регулируемый дроссель в бак. Если зудит, значит сам гидроусилитель не при делах. Покрутить дроссель, посмотреть при каком давлении зудит. Если после открытия клапана, значит клапан, если и при закрытом клапане, значит сам насос.
Ну и так далее...
А ещё лучше найти тех, кто эту проблему уже решил) В таких случаях, конкретный опыт всегда лучше теории)

[Виталий (from livejournal.com)]

Нет таких кто эту проблему решил, в том то и дело. Максимум методом замены всего :)) Мне просто интересно разобраться, а тут такой кландайк Ваших знаний :)
Я правильно понял, что допустим более производительный насос ставить в систему нельзя? Там все сложно и даже нормальный даст пульсации и гул (в системе в целом)?
Кстати гидрач воет даже когда руль не трогаешь, там же вроде все открыто и покругу просто жижу гоняет.

[engineerandreev.livejournal.com]

Более производительный лучше не ставить. Сам-то гидроусилитель может и будет резвее работать, но можно перегрузить трансмиссию (чем больше производительность, тем больше момент на валу при том же давлении).
Если вибрация постоянна и не меняется даже когда начинаете крутить руль, то может дело вообще на уровне привода насоса (ремень?). На более вязком масле эти вибрации могут не доходить до усилителя, а на нормальном доходят до руля...

Почитал немецкие форумы, на самом деле проблем много, а решений не много) У кого-то проходит после долива масла, у кого-то проходит, а потом опять начинается. Кто-то меняет вообще весь усилитель со всеми механизмами и проблема остаётся...

[Виталий (from livejournal.com)]

ну не тривиальная штука, спасибо за теорию еще раз. Много стало понятней.