Анализ влияния расположения фильтров в гидросистеме на уровень загрязненности её рабочей жидкости

АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ РАСПОЛОЖЕНИЯ ФИЛЬТРОВ В ГИДРОСИСТЕМЕ НА УРОВЕНЬ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ ЕЁ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

Ю.С. Головко, канд.техн.наук, доц.;

К.В. Тяжких

НАУ, г. Киев.

Надежность и долговечность гидравлического оборудования (насосов, гидромоторов, распределительной и регулирующей аппаратуры) во многом зависит от чистоты рабочей жидкости, циркулирующей в гидросистеме [1,2,3,4,5]. Однако наличие в этой жидкости некоторого количества нерастворимых частиц загрязнений является неизбежным. Загрязнения в гидравлическую систему поступают вместе с рабочей жидкостью, которая никогда не бывает совершенно чистой; из воздуха в виде пыли, попадающей в баки через заливные горловины, систему наддува и дренажа, уплотнения штоков силовых цилиндров; с деталями гидрооборудования в виде оставшейся на их поверхности полировочных паст и микропорошоков, применяемых при доводке [2,4]. Непрерывно жидкость загрязняется продуктами износа деталей, особенно насосов и гидромоторов, а также продуктами коррозии. Загрязняющие вещества выделяются из рабочей жидкости в виде частиц красителя, окислов, ингибиторов, присадок. Много загрязнений вносится в гидросистему при ее обслуживании.

Наиболее нежелательны частицы, размер которых (= 5 - 15 мкм) соизмерим с размерами зазоров в прецизионных парах гидроагрегатов [6].

Максимальный размер частиц загрязнений, содержащихся в жидкости, определяется степенью фильтрации, однако были обнаружены частицы больших размеров, чем те, которые должны были задерживаться фильтрами. Так, в гидросиситемах, оборудованных фильтрами с тонкостью фильтрации 12 мкм, были обнаружены частицы = 25 мкм, а в гидросиситемах, снабженных фильтрами с тонкостью фильтрации 30 - 50 мкм, частицы = 75 мкм. Последнее можно объяснить коагуляцией прошедших через фильтр более мелких частиц, генерированием в жидкость пыли и частиц износа гидроагрегатов, а также возможным различием размеров пор фильтрующих элементов [3,5].

Целью данной статьи является получение аналитических выражений для определения уровня загрязненности рабочей жидкости гидросистемы в зависимости от места установки в ней фильтра тонкой очистки. Корректность полученных уравнений подтверждается экспериментальными исследованиями загрязненности рабочей жидкости гидросистем воздушных суден различных типов.

Для повышения эффективности защиты гидросистем от загрязнений, в частности, для обоснования требований к фильтрам и местам их установки в системе, а также к чистоте поставляемой промышленностью жидкости, важно знать динамику изменения загрязненности рабочей жидкости в зависимости от продолжительности работы гидросистемы.

Объектом исследования были выбраны гидравлические системы с насосами постоянной подачи, автоматами разгрузки и с различным местом установки фильтров в системе. Исследуемые системы оборудованы одинаковыми фильтрами (сетки саржевого плетения) со степенью фильтрации 12 - 16 мкм.

Принципиальные схемы исследуемых гидравлических систем представлены на рис. 1.

Воспользуемся методом математического анализа, не принимая во внимание отрезок времени, необходимый для приработки трущихся деталей гидроагрегатов, будем считать темп поступления частиц загрязнения в жидкость постоянным и не зависящим от продолжительности работы системы. В связи с тем, что регламентом технического обслуживания предусматривается периодическая очистка фильтроэлементов и восстановление характеристики фильтров, предполагаем постоянным и коэффициент отфильтровывания. Допустим также, что объем жидкости в гидросистеме в течение времени, определяемого сроками регламентных работ, не изменяется вследствие ее высокой герметичности. Если количество частиц загрязнений определенного размера, генерируемых в единицу объема в систему за время одного полного прохода жидкости, постоянна и равна, то количество этих частиц, поступивших в единичный объем за отрезок времени:

.(1)

Количество частиц, задержанных фильтром за это же время

,(2)

где - коэффициент отфильтровывания частиц определенного размера.

Рисунок 1 - Принципиальные схемы исследуемых гидравлических систем

Вследствие непрерывного поступления в жидкость загрязняющих примесей и отфильтровывания их количество частиц загрязнений определенного размера в системе за время изменится на величину:

.(3)

Решение этого уравнения получено в виде

,(4)

где - количество частиц загрязнений определенного размера в единице объема жидкости в начале эксплуатации гидросистемы.

Анализируя приведенные уравнения, легко убедиться, что изменения загрязненности рабочей жидкости гидросистемы происходит по экспоненциальному закону и при достаточно большом промежутке времени асимптотически приближается к предельному значению

.

Для случая, когда

(-количество частиц определенного размера в единице объема жидкости, задерживаемых фильтром), число загрязнений в системе стабилизируется и равно начальной загрязненности в жидкости (рис. 2, кривая 2). По уравнению (4) можно определить, что в систему в этом случае поступает

частиц каждого размера. Отсюда следует, что при

уровень стабилизации загрязненности в системе повышается (рис. 2, кривая 1), а при

- понижается (рис. 2, кривая 3).

Для частиц, размер которых превышает размер пор фильтроэлементов, коэффициент отфильтровывания =1, тогда уравнение (4) примет вид

.(5)

Рисунок 2 - График зависимости количества частиц загрязнений в рабочей жидкости от времени работы гидросистемы

Очевидно, что количество частиц загрязнений с увеличением времени эксплуатации асимптотически приближается к значению

(рис. 2, кривая 4).

Для схемы гидросистемы (3) уравнение (4) примет вид

,(6)

где - коэффициент, показывающий отношение расхода рабочей жидкости, проходящей через фильтр, к общему расходу в гидросистеме.

Эта схема фильтрования рабочей жидкости гидросистемы применяется на вертолетах, где фильтр тонкой очистки устанавливается после автомата разгрузки насоса в магистрали к потребителям. Та часть жидкости, которая проходит через автомат разгрузки насоса на его холостом режиме работы, возвращается в гидробак, не проходит через фильтр. Коэффициент в данном случае гораздо ниже 1, а для основных гидросистем вертолетов он равен 0,3.

Несмотря на то, что обе исследуемые гидросистемы самолета имеют фильтры одинакового типа, загрязненность гидросистемы (3) значительно больше, чем (1) (рис. 3, кривые 3 и 1). Это можно объяснить как различными условиями их работы, так и различными режимами фильтрации жидкости. Гидросистема (3) обслуживает большее число потребителей. Кроме того, большинство исполнительных механизмов этой гидросистемы составляют силовые цилиндры, работающие в (1) гидросистеме лишь в аварийных случаях, в связи с чем весьма вероятно дополнительное внесение загрязнений в (3) гидросистему. Рабочая жидкость в (1) гидросистеме, снабженной насосом постоянной подачи и автоматом разгрузки насоса, очищается, проходя через фильтр непрерывно и независимо от того, работают исполнительные механизмы или нет; в системе (3) фильтрация жидкости происходит лишь при работе потребителей, а в остальное время насос автоматически перегоняет ее в бак, минуя фильтр.

Схемы гидросистем (2), (4), (5) и (6) являются комбинациями рассмотренных выше гидросистем (см. рис.1). Используя полученные дифференциальные уравнения, были исследованы гидросистемы с различным расположением фильтров. Были также получены соответствующие математические зависимости, которые в полной мере отображают физический смысл и динамику самого процесса.

Для гидросистемы (2), в которой фильтр установлен в сливной магистрали непосредственно перед баком, выражение для определения количества частиц загрязнений, полученное аналитическим путем, примет вид

,(7)

причем значение (количество частиц загрязнений в рабочей жидкости гидросистемы) значительно больше значения, т.е.

.

Это обуславливается тем, что будет включать в себя не только продукты износа агрегатов системы, но и определенное количество частиц загрязнений, поступающих в гидросистему из атмосферы. То есть, можно записать следующее уравнение

,

где - количество частиц загрязнений, поступающих в гидросистему из атмосферы, а - количество частиц загрязнений, образующихся в гидросистеме в результате износа её агрегатов.

Для гидросистемы (4), в которой фильтры установлены как в сливной магистрали, непосредственно перед баком, так и в линии нагнетания, перед автоматом разгрузки насоса уравнение (4) принимает вид

,(8)

причем при, ,

а при ,.

Для гидросистемы (5), в которой фильтры установлены в линии нагнетания перед автоматом разгрузки насоса и непосредственно в магистрали перед потребителями, после автомата разгрузки насоса уравнение (4) принимает вид:

(9)

причем при,,

а при,.

Для гидросистемы (6), в которой фильтры установлены не только в сливной магистрали непосредственно перед баком, и в линии нагнетания перед автоматом разгрузки насоса, так и непосредственно в магистрали перед потребителями, после автомата разгрузки насоса уравнение (4) принимает вид

,(10)

причем при,,

а при, .

Анализ проб жидкостей, взятых из сливных магистралей гидросистем, у которых в сливных магистралях нет фильтров, показывает, что количество частиц загрязнений в этих магистралях примерно соответствует уровню загрязненности жидкости на выходе из бака и значительно превышает загрязненность на выходе из фильтра.

Это следует учитывать при выборе места установки фильтра. В системах с агрегатами, более чувствительными к загрязнениям (в системах со следящим приводом и распределителями золотникового типа, типа сопло - заслонка и др.), фильтры рекомендуется устанавливать в линии нагнетания непосредственно после насоса; в системах, где влияние загрязнений на работу гидроагрегатов менее существенно (в распределителях клапанного типа, в плоских золотниках с усилением командного сигнала и т.п.), их следует устанавливать в линии слива. Последнее приведет к снижению уровня стабилизации загрязненности жидкости в системе.

Сравнительная характеристика влияния месторасположения фильтров на уровень загрязненности рабочей жидкости гидросистемы (при нормальной работе системы) представлена на рис. 3.

Рисунок 3 - Сравнительная характеристика влияния месторасположения фильтров на уровень загрязненности рабочей жидкости гидросистемы(при нормальной работе системы)

Концентрация загрязненности жидкости авиационных гидросистем изменяется по мере увеличения числа часов налета. Однако такая зависимость действительна лишь для малого отрезка времени работы системы; можно ожидать, что в процессе эксплуатации исправно работающей гидросистемы должен наступить момент, когда концентрация загрязнений жидкости стабилизируется.

Из опытных данных следует, что с увеличением продолжительности работы общее количество частиц загрязнений и их концентрация в жидкости, изменяясь, стремится к некоторому пределу, который наступает примерно через 2000 ч работы гидросистемы. Возрастают эти параметры в основном за счет мелких частиц загрязнений размерами 13- 15 мкм; количество более крупных частиц в процессе эксплуатации гидросистемы изменяется незначительно.

Общее количество частиц загрязнений и их объемная концентрация в рабочей жидкости изменяется по мере увеличения срока эксплуатации гидросистемы, но не превышают определенной величины, зависящей от условий работы системы, количества и конструктивного исполнения потребителей, места установки фильтров и типа фильтроэлементов. Уровень стабилизации загрязненности жидкости зависит при определенном типе фильтра только от количества частиц загрязнений, генерируемых в систему, и не зависит от первоначальной загрязненности жидкости в системе. Полученные в результате проведенного исследования зависимости достаточно полно раскрывают физическую сущность динамики загрязнения рабочей жидкости гидросистемы.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Aircraft Engineering, 3, 1964.

Башта Т.М. Расчеты и конструкция самолетных гидравлических устройств. - М., Оборонгиз, 1961.

Гатушкин А.А., Никитин Г.А., Головко Ю.С. О загрязненности гидравлических систем //Вестник машиностроения. - 1968. - №5.

Белянин П.Н., Черненко Ж.С. Авиационные фильтры и очистители гидравлических систем. - Машиностроение, 1964.

Головко Ю.С. Исследование загрязненности рабочей жидкости гидросистем вертолета. Сб. «Вопросы надежности гидравлических систем ЛА». - Киев,1975. - Вып. 3.

Головко Ю.С., Кузнецов В.Н. Влияние износа отсечных кромок золотников на переходной процесс гидроусилителей БУ-10. В кн.: Вопросы надежности гидравлических систем. Сб. научных трудов, Киев, КИИГА, 1970.