З.Л.ФИНКЕЛЬШТЕЙН
ПРИМЕНЕНИЕ
И ОЧИСТКА
РАБОЧИХ
ЖИДКОСТЕЙ
ДЛЯ ГОРНЫХ
МАШИН
МОСКВА "НЕДРА" 1986

УДК 622. 002. 5-822-776
Финкельштейн З.Л. Применение и очистка рабочих жидкостей для горных машин. -
М.: Недра, 1986.- 232 с, с ил.
Приведены требования к рабочим жидкостям, спецификации на наиболее
применяемые из них. Впервые изложена инженерная методика расчета параметров
жидкости при заданной долговечности машин. Систематизированы методы
испытаний качества рабочих жидкостей; рассмотрены способы и средства их очистки.
Дан анализ конструкций фильтров, в том числе описываемых впервые.
Рекомендованы меры по защите емкостей гидросистем машин от попадания пыли,
организационные и технические мероприятия, позволяющие снизить загрязненность
рабочих жидкостей. ——
Для инженерно-технических работников угольной промышленности,
занимающихся исследованием, проектированием и эксплуатацией горных машин, а также
специалистов, разрабатывающих новые рабочие жидкости.
Табл. 19, ил. 73, список лит. - 50 назв.
Рецензент: Ю.Ф. Пономаренко, д-р техн. наук (Институт горного дела
им. А.А. Скочинского)
ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ИЗДАНИЕ
Зельман Лазаревич Финкельштейн
ПРИМЕНЕНИЕ И ОЧИСТКА РАБОЧИХ
ЖИДКОСТЕЙ ДЛЯ ГОРНЫХ МАШИН
-~Тедактор издательства О.Н. Кожина
Обложка художника В.И. Казакова
Художественный редактор О.Н. Зайцева
Технический редактор Н.С. Анашкина
Корректор Э.А. Ляхова
Оператор Ю.Г. Москалева
ИБ №5515
Подписано в печать 20.06.86. Т-14262. Формат 60x90*/16- Бумага офсетная № 1.
Набор выполнен на наборно-пишущей машине. Гарнитура "Пресс-роман". Печать
офсетная. Усл.печ.л. 14,5. Усл.кр.-отт. 15,0. Уч.-изд.л. 15,0. Тираж 1900 экз.
Заказ ^Z/ /9357-12. Цена 80 коп.
Ордена "Знак Почета" издательство "Недра",
103633, Москва, К-12, Третьяковский проезд, 1/19
Тульская типография Союзполиграфпрома при Государственном комитете СССР
по делам издательств, полиграфии и книжной торговли.
300600, г. Тула, проспект Ленина, 109.
2501020000 - 315 © Издательство "Недра",
Ф 265-86 1986
043 (01)-86

ПРЕДИСЛОВИЕ
В ускорении научно-технического прогресса важное значение
придается развитию машиностроения. Это предопределяет необходимость
использования в горном машиностроении наиболее прогрессивных
решений и направлений, в частности гидроприводов.
В настоящее время по уровню оснащенности и техническому уровню
применяемых гидравлических систем угольная промышленность
занимает одно из первых мест. За сравнительно короткий срок рабочие
давления в системах выросли с 1,5-3 до 20—32 МПа, количество применяемых
эмульсий типа "масло в воде" в десятки раз превышает их количество во
всех других отраслях промышленности вместе взятых, длина
трубопроводов, соединяющих гидродвигатели с наносной станцией, нередко
превышает 300 м, от одного насоса приводится в движение до 600—700
гидродвигателей, в гидросистемах используются наиболее требовательные к
условиям эксплуатации электросервомеханизмы, аксиально-поршневые
гидроузлы, системы тонкой регулировки расходов, давлений и т.п.
Объясняется это тем, что в условиях стесненного рабочего
пространства угольных забоев гидропривод позволяет при тех же размерах машин
значительно повысить их энерговооруженность. Сравнительные
исследования показали, что при замене электромеханического привода
гидравлическим среднего и высокого давления (более 16 МПа) масса узлов
оборудования сокращается в 10 раз, а занимаемая площадь — в 6—7 раз.
Мощность, используемая на резание, благодаря повышению тяговых усилий,
поднялась на угольных комбайнах, например, с 35 до 180 кВт, тяговые
усилия возросли с 70 до 250 кН, рабочие скорости перемещения — с 1 до
10 м/мин и т. д. Без использования гидропривода невозможно представить
механизацию крепления в угольных забоях.
В то же время трудно назвать другую отрасль промышленности, где
условия работы были бы столь неблагоприятны к эксплуатации
гидроустройств. Достаточно сказать, что интенсивность выделения пыли в
угольном забое достигает 50 г/с. Вьщеляющаяся пыль осаждается на узлы
гидросистем комбайна и механизированной крепи. Корпус угольного
комбайна оказывается сверху покрытым толстым слоем пыли. С одной
боковой стороны комбайна находится забой, часть другой стороны
перекрыта либо конвейером, либо кабелеукладчиком, нижняя часть корпуса,
двигаясь по конвейеру (или по почве), также закрыта от интенсивного
обдува воздухом. Все это сильно снижает охлаждающую поверхность
корпуса и приводит к перегреву жидкости. Если в общепромышленных
гидросистемах предельно допустимой температурой жидкости в ванне
принято считать 50° С, то для механизмов подачи горных машин
допускается превышение температуры окружающей среды на 60—65° С, т. е.
нагрев может достигать 80-90° С.
Поскольку угольные забои зачастую обводнены, попадающая на
корпус подземная вода может содержать слаборастворенные кислоты, а рас-
3

пыляемая в призабойном пространстве вода орошения попадает вместе
с воздухом в рабочую жидкость.
Кроме того, чрезвычайно малые габариты машин обусловливают
малую емкость резервуаров, объединенных к тому же с картерами
редукторов, необходимость проектирования и изготовления гидроустройств
повышенного давления с уменьшенными размерами, а следовательно,
и уменьшенной жесткостью, трудности технического обслуживания машин
при осмотре, доливке, профилактическом ремонте и т. д.
Если обратиться к характеристике условий эксплуатации
гидроустройств по классификации [22], то они значительно хуже, чем
обозначаемые классом "тяжелые".
Все это поставило перед учеными, конструкторами, технологами
и эксплуатационниками гидроприводов горных машин весьма трудные
специфические задачи.
Созданные новые гидроустройства обладают не только высокими
параметрами, но и ориентируются на применение недефицитных и
недорогих жидкостей (эмульсий). В широких масштабах ведутся работы
по переводу части машин на огнестойкие жидкости.
В то же время рост энерговооруженности машин, потребность
повышения их производительности, условия эксплуатации горных машин
непрерывно ставят перед специалистами по гидроприводу проблему
повышения долговечности, и, в частности, надежности работы гидроузлов.
Опыт работы многих добывающих машин и комплексов дает основание
утверждать, что повышение срока службы гидроустройств машин — один
из основных резервов повышения производительности труда и снижения
себестоимости добываемого угля.
Очевидно, что повышение долговечности гидрооборудования
невозможно без серьезных теоретических и экспериментальных работ по
изучению связи долговечности этого оборудования как с параметрами системы,
так и с рабочей жидкостью.
Рабочая жидкость, передающая силовой поток от одной
гидромашины к другой, — неотъемлемая часть любой гидросистемы. Свойства
жидкости, понимаемые в их широком смысле, в значительной мере
являются решающими для работоспособности всей горной машины или
комплекса, имеющих гидропривод.
Особенно выросло значение правильного выбора рабочей жидкости
и поддержания ее эксплуатационных качеств на требуемом уровне при
создании новых, более прогрессивных и производительных машин с
малогабаритным и в то же время высоконагруженным гидроприводом. Опыт
работы многих отраслей техники показал, что задача поддержания
требуемого качества рабочей жидкости может быть решена только комплексом
мер, начиная с конструирования гидроузлов и машины в целом и
кончая организацией контроля рабочей жидкости и технического
обслуживания машины.
Правильное решение поставленной задачи при незначительных
затратах позволяет зачастую в десятки и сотни раз поднять долговечность
гидроузлов, во много раз снизить затраты труда на ремонт и техническое
обслуживание.
4

В последние годы вопросам выбора и эксплуатации рабочих
жидкостей уделяется все большее внимание. Появился ряд публикаций,
затрагивающих те или иные проблемы применительно к конкретным машинам.
Большую работу по выбору и созданию требуемых условий для
эксплуатации рабочих жидкостей проводят работники энергомеханических
служб в угольной промышленности, институты ИГД им. А.А. Скочинско-
го, Гипроуглемаш, Горловский машиностроительный завод им. СМ.
Кирова» Машиностроительный завод им. Г.И. Петровского и др. В этом
направлении работает отраслевая научно-исследовательская лаборатория
смазок и рабочих жидкостей Минуглепрома СССР при Коммунарском
горно-металлургическом институте (ОНИЛ СРЖ).
В предлагаемой книге сделана попытка обобщить наиболее
интересные с точки зрения применения в угольной промышленности
публикации по рабочим жидкостям в других отраслях промышленности,
оценить перспективность результатов, полученных рядом организаций, в
первую очередь в угольной промышленности.
Поскольку книга ориентирована на практических работников
(конструкторов, технологов, механиков), учитывая также ограниченность ее
объема, многие важные теоретические разработки даются в
сокращенном виде *0и просто в виде ссылок на соответствующую литературу.
То же относится к конструкциям, описанным в широкодоступных
справочниках.

1. ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ДОЛГОВЕЧНОСТИ ДЕТАЛЕЙ
ГИДРОУСТРОЙСТВ
1.1. Изнашивание гидроустройств
1.1.1. ИЗНАШИВАНИЕ КАК ПРИЧИНА ОТКАЗОВ
Все отказы гидроприводов можно условно разделить на три группы:
отказ с катастрофическими последствиями, постепенный отказ и
неустановившийся отказ.
Отказ с катастрофическими последствиями (внезапный отказ)
возникает, когда узел внезапно перестает функционировать, например при
заедании золотников.
Постепенный отказ возникает тогда, когда к. п. д. гидроузла
снижается до такого уровня, что он уже не может выполнять свою расчетную
функцию. Примером может служить износ насоса до такой степени, что
его к. п. д. снижается ниже определенного (обычно на 20 %) уровня.
Неустановившийся отказ обычно возникает в системах с
электрогидравлическими сервоклапанами и связан с неполадками в системах
электроуправления, электроники, но не связан с износом и появлением
"третьих" тел, т. е. разного рода загрязнений.
Изучению проблемы внезапных отказов посвящено подавляющее
число работ в области изучения надежности гидроустройств, особенно
касающихся гидропривода в самолетостроении, где срок службы
гидроагрегатов при постепенном снижении к. п. д. не столь важен [4, 5,
20, 24, 26 и др.].
Применительно к горным машинам такие отказы могут сказаться
на быстродействии и четкости работы систем регулировки,
предохранения, дистанционного и автоматического управления и т. п.
Анализ большого экспериментального материала [24] показал, что
причина повреждения при внезапном отказе зависит в первую очередь
от геометрии прецезионной пары, условий нагружения, свойства
материала и состояния поверхности, свойств рабочей жидкости. Почти во всех
случаях важнейшей предпосылкой отказа является наличие в рабочей
жидкости твердых частиц либо внесенных в систему извне, либо
являющихся продуктами износа.
Гидросистемы состоят из большого числа деталей, разных по форме,
материалам, взаимодействию с сопряженными деталями, с рабочими
жидкостями. Можно назвать более тридцати факторов (режимы работы,
физико-химические и теплофизические характеристики материалов пар
трения, технология изготовления, конструктивные особенности, тип
рабочих жидкостей и т. д.), влияющих на долговечность работы
гидроустройств. Каждый из этих факторов вызывает физические,
химические, структурные изменения в поверхностном слое изнашиваемой
детали. В свою очередь воздействие отдельных факторов можно также пред-
6

ставить как совокупность различных процессов. Например, при ударном
контактировании поверхностей (имеющем место при работе клапанов)
возникают ударно-абразивный, ударно-гидроабразивный,
ударно-усталостный, ударно-тепловой виды изнашивания. Проявление изнашивания
зависит от материалов сопрягаемых деталей, условий их работы и т. п.
Естественно, что учесть влияние всех факторов при
прогнозировании долговечности невозможно. Поэтому выбирают тот фактор (или
несколько факторов) и тот вид изнашивания, которые в конкретном
случае оказывают на гидросистему наибольшее влияние.
Статистическая обработка результатов испытаний и эксплуатации
гидроприводов показала, что для большинства последних наиболее
уязвимый узел — насос [1], в котором чаще недопустимый износ наблюдается
в деталях распределения погоков, реже — в деталях поршневой группы.
Для гидроприводов со сложной электрогидроавтоматикой основная
причина выхода из строя — увеличение усилий на перемещение
золотников. При ручном управлении гидроприводами их надежность по
возможным внезапным отказам повышается в 4—7 раз.
Для гидроцилиндров основная причина снижения долговечности —
выход из строя уплотнительных узлов [33], однако частота выхода из
строя цилиндра меньше, чем насоса.
Если для гидросистем добычных и проходческих комбайнов,
гидравлических лебедок и других, где от одного насоса питается один или
несколько гидродвигателей, лимитирующим является насос, то для
гидравлических крепей, где число гидроцилиндров в сотни раз превышает
число насосов, работающих зачастую параллельно, что повышает
надежность системы, к лимитирующим относятся гидроцилиндры (здесь
определяющим является долговечность уплотнений), предохранительные
клапаны, распределительная аппаратура, расположенная в каждой секции.
В последнем случае прогнозирование долговечности гидросистемы
на современном этапе знаний о механизме изнашивания и численных
методах его расчета возможно только на основе анализа фактической
работоспособности отдельных элементов и статистической обработки
полученных результатов.
1. 1. 2. МЕХАНИЗМ ИЗНАШИВАНИЯ
Подробная проработка механизма изнашивания проведена для
золотниковых устройств, имеющих зазор между двумя цилиндрическими
поверхностями золотник-втулка или поршень-цилиндр. При этом
правильно выполненные конструкции не допускают прямого контакта
изнашиваемых поверхностей, гарантируя между ними слой рабочей жидкости.
Аналогичный процесс изнашивания наблюдается в распределении радиаль-
но-поршневых насосов, в зазоре при гидростатической разгрузке поршне-
7

вой группы и распределительных поверхностей аксиально-поршневых
насосов. Здесь величина жидкостного зазора между разгружаемыми
поверхностями выбирается при расчете равной 2 -г 4-кратной размеру наиболее
крупных частиц в жидкости. Во всех этих случаях между сопрягаемыми
поверхностями всегда имеется определенный зазор.
Схематично процесс повреждения можно представить двояко: как
схватывание поверхностей или заклинивание без схватывания.
Поскольку в любой прецезионной паре неизбежен зазор, золотник
перекашивается под действием различного рода сил (внецентренного приложения
нагрузки, неуравновешенного подвода жидкости, вибрации и т. д.), что
приводит к контакту на весьма малых площадках. При этом в отдельных
случаях напряжений могут достигать таких величин, что происходит
схватывание деталей, часто со структурными изменениями поверхностного
слоя. Другой путь нарушения работоспособности прецезионных пар-
повышение трения при их взаимном перемещении за счет проникания в
зазор твердых частиц.
Наиболее распространенная точка зрения [24, 26] состоит в том, что
частицы, соизмеримые с диаметральным зазором прецезионной пары, с
твердостью, превышающей твердость поверхностей (или одной из них),
проникают в зазор и заклиниваются в одной из деталей, перекашивая
сопряженную деталь. Если в зазоре имеются еще подобные частицы, то
движущаяся деталь должна совершать работу по микрорезанию или де-*
формации поверхностного слоя. Эта работа будет совершаться до тех пор,
пока деталь не износится или не раздавит заклинившиеся частицы. Если
усилия на передвижение золотника малы, то возможен отказ устройства
или замедление его движения, что также приводит к нарушению
нормального функционирования системы.
С этой точки зрения любая частица, размер которой меньше зазора,
проскакивает через него, не принося вреда деталям. Это же относится
и к частицам, твердость которых меньше твердости сопряженных
деталей. Частицы большие, чем зазор, также не оказывают влияния на
работоспособность узла. Имеется, однако, мнение, что большие, чем зазор,
частицы играют роль в ухудшении работы прецизионной пары, загораживая
вход жидкости в зазор, что приводит к локальному повышению
температуры (особенно это относится к дросселирующим отверстиям) и
повышенному износу.
Изучение гидроусилителей, в распределительное устройство которых
перед испытанием помещали различных размеров частиц песка,
закаленной стали твердостью HRC > 56, абразивных частиц, меди и алюминия,
показало, что следы износа (царапины) были видны только при наличии
частиц, соизмеримых с диаметральным зазором, причем состоящих из
материала твердостью, большей твердости деталей распределения.
Частицы, меньшие по размеру, а также изготовленные из меди и алюминия,
при любом их количестве и размере не оставляли на поверхности
никаких повреждений, не повышали сопротивления движению, хотя заметно
способствовали повышению эрозионного изнашивания [24].
В результате многочисленных экспериментальных работ рекомен-
я

дации сводятся к требованию очищать систему- от частиц, соизмеримых с
минимальными зазорами в прецезионных парах гидросистемы, и не
допускать при этом массовой концентрации частиц в жидкости более
О 005 %, так как при превышении этого значения быстро растет
вероятность заклинивания.
Что же касается прогнозирования безотказной работы системы, то
принято считать наиболее приемлемым путем проведение ресурсных
или ускоренных испытаний узла при разных давлениях и степени
загрязненности жидкости для определения зависимости интенсивности отказов
от времени, после чего с использованием теории вероятности можно
рассчитать надежность [20].
Необходимо отметить, что не все исследователи согласны с
описанной выше картиной микрорезания при заклинивании частицы в зазоре.
При расчете статистическими методами износа гильзы цилиндро-поршне-
вого кольца двигателей внутреннего сгорания при наличии абразива [23],
на основании экспериментальных исследований и оценочных расчетов
сделан вывод, что на небольшой глубине внедрения частицы дробятся под
действием нормальных сил. Дробление частиц происходит до размеров,
сопоставимых с величиной зазора, суммированной с максимальной
величиной неровности. Износ поверхностей происходит в большей степени в
этом случае из-за повторных упругих и пластических деформаций.
Полученные в результате суммирования повреждений при учете
действия осколков от дробления абразива соотношения [23] для оценки
износа зависят от размеров и концентрации частиц, механических свойств
абразивных частиц и изнашиваемых поверхностей, размера поверхности,
относительной скорости и возможного перекоса сопряженных деталей,
но не зависят от нагрузки и многих других параметров, в частности от
давления в системе, вязкости жидкости, количества частиц, меньших по
размеру, чем зазор в распределении (хотя при перекосе деталей их роль
должна быть ощутимой), от дисперсионного распределения частиц по
крупности, содержания воды и воздуха в жидкости и т. д.
Не учтен при расчете надежности и такой важный в специфических
условиях горных машин фактор отказа, как влияние нежесткости
деталей систем регулировки. Опыт работы сервомеханизма следящей
системы, устанавливаемого на широкозахватном комбайне "Донбасс-1Г",
в механизме перемещения показал, что подавляющая часть
заклиниваний происходила при перетяжке или ослаблении одного из двух
болтов, крепящих сервомеханизм к плоскости. Следует при этом отметить,
что обе соприкасающиеся плоскости шлифовались, в местах крепления
не было ослаблений, да и сами болты были достаточно далеко удалены
от пары следящий золотник—корпус. Такие же случаи наблюдались и при
работе блока управления гидросистемой исполнительных органов.
Причиной этого явилось стремление конструкторов к максимальной
минимизации деталей.
В целом внезапный отказ гидропривода, связанный с заклиниванием
золотника в процессе эксплуатации горных машин, происходит в течение 2
недель с начала эксплуатации гидропривода на шахте.
9

1.1.3. ВЛИЯНИЕ ЗАГРЯЗНЕННОСТИ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
НА ИЗНАШИВАНИЕ
Для гидропривода горных машин, как и для
общемашиностроительного гидропривода, наибольшие потери приносит постепенный отказ,
т. е. изнашивание деталей в процессе работы и потеря узлом своих
первоначальных параметров до недопустимого уровня.
Как правило, изнашивание гидросистем связывается с
загрязненностью гидросистемы. Эти загрязнения могут быть в виде твердых,
жидких или газообразных включений. Каждое из них может в значительной
мере сказываться на износе деталей. Практика эксплуатации, например,
станочных гидроустройств подтверждает, что к наиболее опасным
явлениям, угрожающим их нормальной работоспособности, относятся
повышенный нагрев жидкости в системе, попадание механических
примесей, воды и воздуха. Даже при кавитационном износе наличие частиц
механических примесей в твердом или газообразном состоянии
существенно катализируют процесс изнашивания [19].
Хотя многие гидроприводы предназначены для работы с
жидкостями, включающими в свой состав воду, в большинстве систем
применяют минеральные масла. В них всегда в растворенном состоянии имеется
вода. Если количество воды выше уровня насыщения при температуре
масла, вода находится в масле в виде мелких капель. Эти капли, с одной
стороны, снижают смазочную способность масла, а с другой — повышают
его коррозионную способность. Растворенная вода не оказывает
отрицательного воздействия на работу гидросистемы, но при охлаждении
выделяется из раствора. Особенно опасна для гидросистем свободная мелко-
диспергированная вода, образующая с маслом эмульсию с размерами
глобул 1—10 мкм. Такая эмульсия очень стойка и не разрушается даже
при длительном отстаивании. При работе на масле с такой эмульсией в
первую очередь залегают, а затем и заклиниваются клапаны, и быстро
выходят из строя игольчатые подшипники гидромоторов.
Один из источников поступления воды в масло — его окисление при
работе на высоких давлениях, повышенной температуре и в результате
старения. Этот процесс может ускоряться разложением загущающих
присадок в легированных маслах, а также наличием катализирующих частиц
в жидкости, особенно состоящих из медных и свинцовых сплавов, за счет
омывания маслом резин и от старения масла со временем.
В последние годы особое внимание исследователей привлекло
микробиологическое заражение минеральных масел. Исследования показали, что
фактором, способствующим микробиологическому окислению, является
наличие воды с растворенными в ней солями. При этом продукты
жизнедеятельности бактерий не только значительно ускоряют процесс
коррозии и старения масла, но и, объединяясь в сгустки, попадают в зазоры,
заклинивают золотники, приклеивают клапаны к корпусам, т. е. приводят
к внезапному отказу гидросистемы.
Исследованиями допустимого содержания воды в масле [50]
доказано, что наличие более 0,05 % дистиллированной воды приводит к значи-
10

тельному увеличению износа в гидросистемах. Для горных машин,
работающих во влажной среде, изучение содержания воды в масле является
весьма актуальным. Однако этому вопросу уделяется мало внимания. Даже
на складах горюче-смазочных материалов производственных
объединений содержание воды в масле резко превышает допустимые нормы. В
гидросистемах гидравлических механизмов подачи .типа Г (не говоря уже
о буровых, проходческих и погрузочных машинах) воды в масле до 0,33-
0,75 %. Критерием интенсивности изнашивания принимается содержание
немолекулярного железа в механических примесях, находящихся в масле.
Статистическая обработка результатов анализов масел, взятых после
равного срока эксплуатации при равном содержании воды и неорганических
примесей, показала, что содержание железа в масле было примерно
одинаковым, хотя общее содержание механических примесей отличалось в 10 раз.
Когда росло содержание воды, при прочих равных условиях
увеличивалось в масле и содержание железа. По данным Коммунарского
горнометаллургического института (КГМИ), интенсивное изнашивание деталей
гидроузлов, работающих в условиях угольных забоев, при допустимом
содержании основных компонентов начинается при содержании
взвешенной воды в масле, превышающем 0,03 %. Даже если учесть возможность
некоторого снижения надежности гидросистемы за счет повышенного
содержания воды, следует признать допустимым содержание в пробе масла
из гидросистемы не более 0,10—0,15 %.
Отрицательное влияние на работу гидросистем оказывает наличие
воздуха в рабочей жидкости. При этом ухудшается работа гидросистемы
за счет повышения сжатия жидкости при переходе из зоны низкого в
зону высокого давления, что приводит к колебаниям и может вызвать
искажение передаточной функции, резонанс системы и кавитацию в ней.
Проводимые в последние годы исследования показали, что наличие
нерастворимых пузырьков воздуха не только увеличивает кислотность масла,
что свидетельствует о его старении, значительно снижает эффективность
ингибиторов коррозии, но и приводит к так называемому
дизель-эффекту. При быстром сжатии масло-воздушной смеси и достаточно высокой
начальной температуре масла (более 50° С) возможно повышение
температуры сжимаемого пузырька воздуха до 300—350°С даже при давлении
в системе 4 МПа. При такой температуре происходит самовозгорание
паров масла в пузырьке и взрыв. Обнаружено, что при наличии пузырьков
воздуха в системе появляются/1 блуждающие токи, что позволяет
вырабатывать дополнительное количество циркулирующего в системе газа
(водорода), еще больше усиливая коррозионные процессы.
Таким образом, повышенное содержание воздуха в рабочей жидкости
повышает пожароопасность системы, что обязательно учитывается при
работе в условиях угольных шахт.
Наибольшее влияние на долговечность и надежность гидросистем
оказывают твердые механические примеси. Вследствие загрязнения
рабочих жидкостей происходит выход из строя около 75 % гидроприводов
станков [48]. По данным зарубежных исследователей [5], половина
аварий в авиации происходит вследствие загрязнения рабочих жидкостей
И

гидросистем управления; по этой причине ресурс гидронасосов снижается
в 10—12 раз, доля отказов рулевого управления автомобилей из-за
высокой загрязненности составляет 65 % [18], отказы гидроприводов
некоторых тракторов из-за повышенного загрязнения системы составляют более
70 % всех отказов и т. д. Можно утверждать, что для всех отраслей
промышленности отказ гидросистем из-за износа вследствие завышенной
загрязненности рабочих жидкостей составляет 50—80 % всех отказов, а
ресурс по этой причине снижается в 3—50 раз. При всем этом учитывается
только снижение тонкости очистки рабочей жидкости, а не отказ от
очистки вообще.
1.1.4. ОЦЕНКА МЕТОДОВ ПРОГНОЗИРОВАНИЯ ИЗНОСА
Большинство исследователей определяют допустимую по условиям
долговечности степень загрязненности рабочих жидкостей на основании
экспериментальных исследований для конкретных гидромашин в
конкретных условиях работы. Количественные методы расчета изнашивания
твердых тел абразивными частицами основаны на работах [10, 19, 23,
39,46 и др.].
Исследованиями установлено, что износ зависит от угла атаки (причем
имеется значение угла, при «котором износ максимальный), состояния
изнашиваемой поверхности, количества абразива. Важно отметить,
что форма частиц практически не влияет на величину износа [19];
соотношение твердости изнашиваемого материала и абразива сказывается на
величине износа только в узком диапазоне (для сталей, например, 0,7 <
< Н /Нм < 1,3, где Н^ — твердость абразива, Нм - твердость стали);
при сочетании поверхностей из разных материалов шаржируется более
мягкая поверхность и поэтому быстрее изнашивается более твердая
поверхность; при наличии разных по крупности зерен нагрузка
распределяется между несколькими зернами, эффект воздействия которых
распределяется на другие зерна [46]. Было доказано, что в момент удара
частиц по поверхности вьщеляется столько энергии, что может наступить
расплавление участка поверхностного слоя. Анализ зависимостей,
предложенных авторами, показывает, что процесс изнашивания — сложный
процесс, являющийся суммой разного рода разрушений: резания,
деформационного и усталостного. К этому следует добавить коррозионно-окис-
лительное, кавитационное разрушение, химическое соединение материала
поверхности с рабочей жидкостью и ее присадками. В зависимости от
конструкции и условий работы превалируют те или иные виды
разрушения. Этим объясняется, по-видимому, разный подход к проблеме и
различная численная величина износа при равных условиях, полученная при
подсчете различными формулами.
Заметим при этом, что по всем зависимостям изнашивание
невозможно, если угол атаки равен нулю. Поскольку все металлы должны
рассматриваться как пластический материал, в большинстве расчетных формул
предполагается невозможность изнашивания и при углах, равных 90°,
что противоречит экспериментальным данным. Коэффициенты
пропорциональности, включенные в формулы, изменяются в пределах 2—10 раз
12

даже для одного и того же типа разрушения (микрорезание, пластическое
оттеснение и др.)> а для различных типов разрушения до 106 раз.
Понятно, что при таких значениях коэффициентов при одновременном действии
различных типов разрушения использование предлагаемых зависимостей
может дать только качественную картину и требует в каждом случае
экспериментальных исследований, что невозможно при необходимости
прогнозировать износ в проектируемых машинах.
Для специфических условий работы распределительных и прецезион-
ных поверхностей деталей гидроприводов все расчетные формулы,
полученные для нестесненного пространства, не отвечают на важные вопросы,
стоящие перед конструкторами и эксплуатационниками: как влияют на
износ крупность частиц механических примесей и ее распределение,
давление в гидросистеме, вязкость рабочей жидкости, геометрические
размеры щелей и отверстий, по которым идут утечки, материал и
термообработка изнашиваемых деталей.
Наиболее распространенный метод прогнозирования — перерасчет
срока службы на основании испытания аналогичного гидроузла при
изменении только одного параметра. Для определенных гидроузлов
разработаны графики зависимости объемного к. п. д. от размера частиц
загрязнений при стабильной их концентрации, концентрации частиц при
стабильной крупности, от величины зазоров в распределении [20], а также
графики эквивалентности по износу, температуре, усталостной прочности [24].
Для однотипных насосов рекомендуется [50] зависимость Т2 = (mil
jm2)2 Tt , где Т2 и Тх — срок службы соответственно ожидаемый и
полученный при испытании, а тг и тх — концентрация частиц механических
примесей (при сохранении дисперсионного распределения) в рабочей
жидкости соответственно при эксплуатации и испытании.
В горных машинах для оценки влияния скоростных и силовых
параметров на ресурс гидромашины используется формула [31].
з,зз „
ном
~ Н01уЛ~ ' У~ Ь
Pi «2
где Т — оцениваемый ресурс гидромашины, Т м\ Рном пном —
номинальные значения ресурса, давления и частоты вращения; р2 и л2—-значения
давления и частоты вращения, при которых оценивается ресурс.
Многие авторы работ по изнашиванию деталей гидроустройств [17,
23, 24 и др.] исходят из представления, что в ламинарных потоках не
может быть износа частицами, размером меньше высоты щели или отверстия.
Это противоречит опыту работы гидросистем. Во всех плунжерных парах,
распределительных зазорах, как показывают расчеты, потоки ламинарные,
а изнашивание происходит, даже если частицы заведомо меньше щели.
СП. Турчанинов [40] показал, что в гидротранспорте на участках с
ламинарными потоками трубы изнашиваются переносимыми мелкими
частицами по всему периметру, причем чем больше скорость потока, тем
неравномерность износа по периметру становится меньше. Большой опыт
13

испытаний и исследований гидросистем показал, что износ происходит
частицами, много меньшими, чем размер щели.
Подробный анализ допустимого уровня загрязнений рабочей
жидкости показал, что для обеспечения безотказной работы гидравлической
системы следует удалять из рабочей жидкости частицы загрязнений,
размеры которых превышают половину ширины зазора между
сопряженными деталями гидравлических агрегатов этой системы! Только
техническая и экономическая недостижимость этого требования
заставляет ограничиваться очисткой более грубых частиц [18]. Эксперименты
[26] показали, что для золотников с зазорами 7—13 мкм для
безотказной работы необходима очистка от частиц размером до 3 мкм, для
плунжерных пар с зазорами 15—24 мкм; автомобилей-самосвалов, морских
и речных судов — до 15—20 мкм; на необходимость эффективности
очистки фильтром большей, чем критический (минимальный) зазор в
гидросистеме, указывают и зарубежные источники [50 и др.].
Большое влияние на износ сопряженных деталей оказывает
давление жидкости в гидросистеме. В [3] приводятся требования одной из
зарубежных фирм к чистоте рабочей жидкости в гидросистемах станков:
при рабочем давлении 1,3 МПа жидкость должна быть очищена от частиц
размером более 80 мкм, при 5 МПа — свыше 60 мкм, при 12,5 МПа —
свыше 40 мкм, при 20 МПа — свыше 25 мкм, при 30 МПа — свыше
15 мкм. Другая фирма требует примерно такой же степени очистки: до
10 МПа - 60 мкм, при 10—14 МПа - 30 мкм, свыше 14 МПа - из
жидкости должны быть удалены частицы более 10 мкм.
В табл. 1 приведена долговечность (в часах) гидравлических насосов
при эксплуатации с различными чистотой очистки и давлением [50].
Опыт эксплуатации горных машин также свидетельствует о
лавинообразном снижении к. п. д. за одно и то же время при повышении
давления. При работе радиально-поршневых гидромашин на комбайне, где
давление в системе 6—7 МПа, гидромашины работают 6—8 мес. При
попытках использования этих гидромашин на комбайнах, где давления в
системе было 8—10 МПа, их долговечность снизилась до 1,5—2 мес, а на
комбайнах, где давление достигало 12 МПа, эти узлы оказались настолько
аварийными, что от них пришлось отказаться и перейти на более мощные.
В то же время повышение тонкости очистки с 70 до 35 мкм и
установка магнитных фильтров позволили поднять долговечность насосов и
гидромоторов до 16 мес, т. е. до гарантированного срока работы комбайна.
Большое влияние на работу гидросистемы оказывает вязкость
рабочей жидкости. С одной стороны, для уменьшения гидравлических и
механических потерь необходимо выбирать менее вязкие жидкости; с другой
стороны, для поддержания объемного к. п. д. необходимо применять
более вязкую жидкость. Чем вязкость ниже, тем выше утечки, больше
теряется энергии, повышается температура. Это в свою очередь снижает
вязкость рабочей жидкости, меньшая вязкость способствует повышению
утечек, повышению температуры и так далее. Разорвать эту замкнутую
для гидропривода цепь можно только надежным охлаждением,
уменьшением зазоров и применением рабочих жидкостей с пологой температурно-
14

Таблица 1

Давление,
МПа
5,2
6,9
8,6
10,4
12,1
13,8
15,5
17,3
19,0
20,7 |
22,4
24,1
25,9
27,6
29,3
31,0
1
Система очищена от
50 % частиц более
10 мкм
Потеряно
20 %
объемного
К.П.Д.
40 • 103
13 • 103
4,0 • 103
1,3 • 103
0,4 • 103
0,13- 103
40
13
4,0
1,3
0,4
0,13
Потеряно
50 %
объемного
к.п.д.
600 • 103
130 103
25 • 1Q3
5,0 • 103
1,0 • 103
0,25 • 103
75
25
7,5
2,5
Система очищена от
90 % частиц более
10 мкм
Потеряно
20%
объемного
к.п.д.
800 • 103
250 • 103
80 • 103
25 • 103
8,0 • 103
2,5 • 103
0,8 • 103
0,25 • 103
50
10
2,0
0,4
0,08
Потеряно
50 %
объемного
к.п.д.
13 • 109
30 • 106
5,0 106
1,3 106
0,3 106
50 • 103
13 • 103
3,0-103
0,6 103
0,13 • 103
25
5,0
1,0
0,2
Система очищена от
99 % частиц более
10 мкм
Потеряно
20%
объемного
к.п.д.
0,8 • 106
0,3 • 106
0,1 • 106
35 • 106
5,0 ' 106
0,8 • 103
0,1 • 103
15
2,0
0,3
0,04
Потеряно
50 %
объемного
к.п.д.
2,5 • 106
0,5 • 106
80 • 103
10 • 103
1,5 • Ю3
0,2 • 103
25
3,5
0,5
Примечание. Прочерк означает отсутствие данных.
вязкостной характеристикой. Чем больше зазоры между сопряженными
деталями, тем большую вязкость масла следует применять. Поскольку
при изнашивании зазоры растут, можно рекомендовать перейти на более
вязкие масла.
Опыт показывает, что даже сильно изношенные механизмы подачи
Г442 (комбайна "Донбасс-1 Г") продолжали удовлетворительно работать
при замене масла Индустриальное45 (И45) на масло МС-20, имеющее
вязкость 20 мм2/с при 100° С и 150 мм2/с при 50°С, в то время как у
И-45 эти значения соответственно 5 и 45 мм2/с. В первую очередь,
исходя из поддержания вязкости рабочей жидкости на требуемом уровне,
изготовители гидроузлов требуют, чтобы потребитель не превышал
температуру 35-50°С.
1.2. Расчет износа деталей гидроузлов
Для гидроустройств, имеющих гарантированный зазор между
перемещающимися деталями, может быть предложена численная методика
расчета величины износа. Методика это ограничивается, кроме того,
использованием в гидроузлах минеральных масел или синтетических
жидкостей вязкостью 3—100 мм2/с с высокими смазывающими свойствами,
15

загрязненными разнородными твердыми неагрессивными частицами
максимальной массовой концентрацией до 0,3 %, крупностью частиц 10—
200 мкм при давлениях в гидросистеме до 40 МПа и
температуре — 40 ... + 100°С. При расчете приняты следующие допущения,
подтвержденные исследованиями большого количества ученых и
общепринятые в подобного рода расчетах: не учитывается влияние на частицы
электростатических и поверхностных сил; не учитывается влияние частиц
друг на друга ввиду малой их концентрации, несферичности и
относительного вращения в потоке; не учитывается Броуновское движение
и влияние стенки; не учитывается изменение вязкости жидкостей в
связи с их загрязненностью; во всем диапазоне давлений и температур
жидкости принимаются однофазными и ньютоновыми, все частицы приняты
шарообразными.
Основная предпосылка расчета основывается на наличии
поперечных сил и скоростей, направленных к поверхностям, образующим
зазор. Расчет этих сил проводится по эффекту Магнуса, так как расчеты
других эффектов показали, что их влияние на поперечную скорость
несравненно меньше [43]. При расчете принята гипотеза [19], что при
гидроабразивном износе основную роль играет удаление пластически
выдав ленного металла из лунок и бороздок, образующихся при
соударений частиц с поверхностью.
1.2.1. РАСЧЕТ ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ В ЛАМИНАРНЫХ ПОТОКАХ
Двигаясь вместе с потоком рабочей жидкости в силу лобового
сопротивления, частица, обладающая массой, неизбежно несколько
отстает от потока. При использовании в теоретических расчетах гидродинамики
эмпирических и полуэмпирических методов в настоящее время нет
строгого метода для учета поперечных сил, действующих на частицы в сдвиговых
полях. В то же время экспериментами установлено, что нейтрально
плывущие частицы, переносимые ламинарными течениями разбавленных
суспензий, в круглых трубах испытывают действие поперечных сил,
которые стремятся переместить центральные частицы в направлении к
стенке трубы, а частицы у стенки — в направлении к центру трубы. При
этом равновесное состояние возникает, когда центр тяжести частицы
расположен примерно на расстоянии 0,6 радиуса трубы от оси. Из этого
следует, что все частицы, имеющие диаметр, больше 0,4 диаметра трубы,
стремятся к стенке (именно эти частицы, как показала практика,
ответственны за изнашивание). В работе [50] указывается, что если
разбавленная суспензия, состоящая из недеформируемых частиц, течет по
цилиндрической трубе при скоростях потока, соответствующих числам Рей-
нольдса в районе ламинарного потока, то возникает градиент радиальной
концентрации с частицами, перемещающимися в сторону стенки трубы.
Для объяснения поперечного движения частиц в ламинарном
потоке с опережающим их движением (при падении в нисходящем потоке)
привлечем эффект Магнуса. Допустимость такого подхода для объяснения
движения отстающих от потока частиц к стенке подтверждается [43].
16

Что же касается движения от стенки весьма мелких частиц, то это
объясняется, по-видимому, пристеночными эффектами и не имеет
значения для проблем изнашивания.
Рассмотрим движение частицы в ламинарном потоке (рис. 1). Поток
при этом будем представлять двухмерным. Величина скорости в потоке
зависит от величины координаты у и изменяется по параболическому
закону:
и =
4м
J [(—) -у2],
где у - удельный вес жидкости; м — динамический коэффициент
вязкости; И - зазор в щели; / = hJI — пьезометрический уклон; / — длина
участка ламинарных утечек; п1 = Ар/у — при отсутствии перепада высот.
Таким образом,
и =
_Ар_
4/i/
( у2)
4
(О
Пусть координата центра частицы у, а диаметр ее d. Тогда
максимальная разница линейных скоростей на ней
Apd
Аи = —— у. (2)
Так как частица вращается с угловой скоростью
CJ =
Ар
2/i/
У,
максимальная угловая скорость ^щах возникает у стенки. Когда центр
частицы имеет координату (И /2 — d/z),
CJ
Ар
4/i/
(h-d).
(3)
На вращающуюся в потоке сферу (а в двухмерном пространстве
процесс можно рассматривать как обтекание цилиндра) действует
поперечная сила. Получающаяся при обтекании картина соответствует
потенциальному обтеканию цилиндра с циркуляцией. При этом направление
поперечной силы соответствует силе, действующей на невращающиися
цилиндр с приложенной к нему циркуляцией противоположного
вращения. В этом случае давление в поперечном направлении, действующее на
тело, может быть определено по уравнению Жуковского—Кутта:
P/Woo/Л
Рис» 1. Схема движения частицы в ламинарном
потоке
у///////У/s
Ъ(л>?,
<SS^\^\
р^^х^^
2-421
17

где р — плотность жидкости; ц» — линейная скорость движения центра
тела; Г = 2псог —циркуляция. *
Таким образом, частица в ламинарном потоке неустойчива —
незначительное отклонение от оси потока отбрасывает ее к стенкам давлением
Ру=2прсог/и111. (4)
Подставляя в выражение (4) выражения (2) и (3) и учитывая, что
г =d/2 и направление силы известно, запишем
У 8Д2/2 У К 4 У }
В момент соприкосновения со стенкой .у = (И - d)jl
npd2 Ар2 d
^max= -JtfT^b-Vib -—)' (6)
Умножая выражения (5) и (6) на площадь проекции частицы,
получим поперечные силы, действующие на частицу:
nd2 n2pd3Ap2 h2
у max 4 32M2/2 4
n2pd4Ap2 d
Считая, что сопротивление движению частицы подчиняется закону
Стокса R = Зтгдгк/, определяем скорость v движения частицы по
направлению к стенкам.
Пренебрегая действием на частицу ее веса, запишем
npd2Ap2 h2
v =— /2 У( У2);
irpd3Ap2 d
Определим время осаждения частицы на стенку и путь ее пробега в
направлении потока. Путь, пройденный частицей за время dt (считаем
>нач = v , где .унач - начальное положение координаты у, а у —
координата центра тяжести):
npd2AP2y h2
dy = vdt = —- ( y2)dt\
96a3/2 4
18

t =
з 2 <h-d)2{ y2)
192 <" Щ i—-. (8)
npd2Ap2h2 d(2h-d)y2n
Из последнего выражения (8) видно, что чем ближе частица к оси
зазора, тем большее время необходимо ей для осаждения на стенку,
причем зависимость эта носит логарифмический характер. Объясняется это
явление уменьшением поперечных сил при приближении к оси зазора.
Вдоль зазора за время dt частица проходит путь dx -udt.
Подставляя значения и из уравнения (1) и dt из уравнения (8)
и интегрируя', будем иметь путь ее пробега
h-d
24jU2/ 2 dy 24 р.21 h-d
х = J = jn
npd'Ap уц у npd2Ap 2уц
Для определения глубины отпечатка при ударе частицы о поверхность
деталей можно применить закон Майера, который устанавливает, что при
статическом вдавливании шарика за пределами упругих деформаций
зависимость между нагрузкой и диаметром отпечатка можно
представить в виде R=asn9 где а и п — постоянные для данного материала. Этот
закон справедлив и для динамического внедрения [21]. Для черных
металлов п = 2.
Исследования применительно к гидроабразивному износу показали,
что диаметр отпечатка s можно найти по формуле [19]
-/
8У2(1 - к2)
ЪН
м. дин
4, ■ (9)
V 2
где к = I I - коэффициент восстановления, характеризующий
по гипотезе Ньютона упругие и пластические свойства преграды; v \ —
скорость падения частицы на поверхность; v 2 — скорость отскока
частицы от поверхности; что при малой глубине отпечатка его
глубина/может быть представлена в виде
-л
2(1 - k2)d2
/=V~^ рч' О»)
м дин
дин "~ твердость по Майеру при динамической нагрузке; можно
принимать #м = \9вНВ (НВ — твердость по Бринелю); Рч - плотность
частицы.
Для падения частицы на воздухе на стальную поверхность можно
принять к= 0,5. Однако в жидкой среде эта величина должна быть ниже
19

из-за сопротивления жидкости. Отскоком от поверхности, как показали
расчеты, при падении частицы в жидкости можно пренебречь [35].
Таким образом, уравнения (9) и (10) можно представить в виде
= V Рч = 2d У——
-pu; (")
м. дин ~"~м. дин
ЪН м вН Ч
-JHfK ..,/ "
Ш вН
м. дин м. дин
Pu
(12)
Зная величины s и /, можно определить объем сегмента АИ^,
выбитого частицей из поверхностного слоя.
(1 + — V-
irv2d3P, v / 9т.
ДИ/. = —- (1+ — V ). (13)
d ПН 3 6Я
м.дин м. дин
Из уравнения (7) подставляем значение v
max
AW. = - — (h - d)2 {h - - )2 x
d ... --5(/б,4я 2
x [1 +
17>7Ю>М°ГЯм-дин
npd3Ap2 (h-d)(2h- d)pj's
пзоом2//Л5дин
Учитывая, что в уравнении (13) 3/4$2 > f2 с достаточной для
практики точностью, можно пренебречь вторым слагаемым в скобках. Тогда
</Vp4V
AW. = —— (Л - d)2 (2й - d)2 .
d 22-loV/ H
^ м. дин
Как показывают расчеты применительно к промышленным
гидросистемам для всех частиц размером d, можно записать
d9p2P4AP*
dW = AWdAQ=AQ-——j- (h-d)2(2h-d)2, (14)
" М.ДИН
где Q — расход жидкости через щели или отверстия; А — число частиц
размера d в единице объема жидкости.
20

Установлено, что плотность распределения частиц механических
примесей в гидросистемах горных машин выражается зависимостью
t — ае ,
где а и Ъ - постоянные распределения;
А = Edd = ae-bd dd. (15)
В свою очередь общий расход через кольцевую щель без учета
возможного эксцентриситета составит
Q=^^L\ (16)
12jU/
где D— диаметр гильзы; И — толщина щели; / — длина щели.
Подставляя выражения (15) и (16) в выражение (14) и учитывая,
что по каждой поверхности ударяет половина частиц, находящихся в
жидкости, будем иметь
ad9p2p Ap5h3D
dW = f—- (h-d)2 (2h-d)2.
17- 105/i7/5 H
^ M. ДИН
Объем металла, выбитый из поверхностного слоя в единицу времени
частицами диаметром от d . до rf ,
111 III ill ft Л.
d
max Л Л , .
W= с S d9(h-d)2(2h-d)2 e~bddd, (17)
min
где с =
ap2p4Ap5h3D
17 • \05fX7l5H
^ М.ДИН
Выражение (17) после раскрытия скобок превращается в сумму
интегралов типа £/</V Hid, каждый из которых решается по формуле
d лП ,П-1 -г г j
max .j d nd
к J dnQ~bddd = -*( — +
fifm. b b2
nun
63 + ~bn "&""" )
Анализируя полученную функцию, определяем, что максимальный
износ производят частицы размером (0,5 -г 0,75)Л. Это соответствует
опыту эксплуатации гидроприводов.
Таким образом, теоретически обоснована необходимость очистки
жидкости от частиц, размером больше половины зазора.
21

1.2.2. РАСЧЕТ ИЗНОСА ДЕТАЛЕЙ В ТУРБУЛЕНТНЫХ ПОТОКАХ
Не менее важное значение, чем изнашивание распределительных
поверхностей в условиях ламинарных потоков, для работоспособности
системы имеет изнашивание поверхностей потоками, в которых
возникает турбулентность (дросселирующие отверстия, седла клапанов
и т. д.). В этом случае изнашивание приводит к потере точности
управления, ухудшению обратной связи и т. д. Теория изнашивания в
турбулентных потоках может быть использована и при прогнозировании износа
пульпопроводов с турбулентными потоками.
Величина износа зависит от содержания в жидкости абразивных
частиц, их характеристики и режима течения.
Большинство авторов [10, 19, 23, 46 и др.] связывают величину
износа с углом встречи между струей жидкости и поверхностью
изнашиваемого тела, а также со скоростью этой струи. Очевидно, что в
турбулентных потоках вследствие поперечных пульсаций скорости и
неравномерности продольных скоростей в ламинарном подслое имеются силы,
прижимающие частицы к поверхности.
Выполненные расчеты износа в турбулентных потоках не учитывают
ряд важных явлений, таких как кавитационный износ, химическое и
адсорбционное разрушение материала и др. Это объясняется тем, что
гидросистемы работают, как правило, при больших давлениях и наличии
противодавлений, что делает маловероятной появление кавитации [10].
Процесс же разрушения идет в среде масел, обладающих высокими
смазывающими, антиокислительными, антикоррозионными, противопенными
и другими свойствами, в связи с чем можно пренебречь влиянием среды
на химические свойства поверхностей.
Поскольку турбулентный режим весьма сложен для исследования
и не все его аспекты достаточно изучены, определить расчетом скорость
поперечного движения частицы в потоке не представляется возможным.
Исследования [29] показали, что по мере приближения к стенке
неравномерность скоростей растет и зависит от близости частицы к утенке.
Так, при d = 0,1 Аи/и = 0,45; при д = 0,2 Аи/и = 0,26 и т. д. Здесь d = (h -
- 2у - d)/d, т. е. отношение зазора между частицей и стенкой к радиусу
частицы; и — скорость набегающего потока; Дм — изменение скорости
частицы под влиянием стенки.
Поскольку обтекание цилиндра, расположенного вблизи стенки,
сводится к обтеканию двух равных цилиндров потоком,
перпендикулярным к линии их центров, то усилие со стороны жидкости будет
стремиться прижать частицу к стенке [49]. Под действием разницы скоростей
частица в потоке вблизи стенки вращается с угловой скоростью
со = Au/d. (18)
Принимаем, что в непосредственной близости от стенки Aw = w/2,
т. e.u>=u/2d.

По уравнению Жуковского-Кутта
1TU2
р = р •
Умножаем на площадь проекции частицы, находим усилие, действующее
на частицу:
ir2u2d2 (19)
R = р
8
Считаем, что сопротивление движению частицы подчиняется закону
Стокса:
v- J^fi-. (20)
Повторяя далее рассуждения для ламинарных потоков, можно с
достаточной степенью приближения объем выбитого в поверхностном слое
частицей диаметром d и плотностью рц сегмента выразить в виде
nd3V2p
AW, =
(21)
d 12Я
М.ДИН
или, подставляя значение v из формулы (20), получим
AWd = . (22)
Скорость потока можно выразить через перепад давлений между
участками потока:
2ApD
*= ЦУ С»)
где / — длина участка, на котором определяется перепад давлений; D —
диаметр изнашиваемого отверстия; X - коэффициент сопротивления,
зависящий от числа Рейнольдса.
Подставляя (23) в (22), получим
тг3р dsAp2D2
AW, = ! . (24)
Согласно [9], в процессе изнашивания при продольном
турбулентном потоке могут принимать участие частицы, центр тяжести которых
23

удален от стенки не более чем на d, т. е. зазор между частицей и стенкой
не превышает радиуса частицы. Таким образом, если через изнашиваемое
сечение проходит расход Q, в единице объема которого содержится А
частиц диаметром d, то в износе будут принимать участие Ах (частиц/С)
Al-4™L. (25)
D
Воспользовавшись зависимостями (15) и (25), напишем
dW = ди/ ae'bdddf (26)
D
НО
Q= и
1TD2
(27)
4
или, используя значения и из выражения (23), будем иметь
/
2APD (28)
Х/р
Подставляя в формулу (26) значение ДЙ^ из формулы (24) и Q
из (28), получаем
тг4р Ap2.sD3.bad6
dW = \ 2 5ч2 5 О 5 е" M<ld ■ <29)
Интегрируя выражения (29), получаем
р Ap2>5D3,5a dmax
W= / dVMdtf =
12,5^/2'5Х2'5Р°'5Я <*min
^ ^ М. ДИН mln
+
12,5ц212>5\2-5р°>5 Н 6 *'
^ ^ м. дин
30c?4 120c?3 360c/2 720c? 720 | ^max
(30)
24

1.2.3. ИЗНАШИВАНИЕ ПОВЕРХНОСТИ ПОД ДЕЙСТВИЕМ
ПРОДОЛЬНОЙ СОСТАВЛЯЮЩЕЙ СКОРОСТИ ЧАСТИЦЫ
В момент контакта с поверхностью частица продолжает двигаться
с определенной скоростью в направлении потока. Возникает косой удар
по поверхности. Из теоремы об изменении количества движения системы
при ударе, выраженной в проекциях на касательную и нормальные оси,
следует, что процесс разрушения поверхностей при встрече с частицей
можно рассматривать как сумму независимых воздействий проекций
относительной скорости встречи на указанные оси.
В разделах 1.2.1 и 1.2.2 рассматривался результат воздействия на
поверхность частиц, движущихся с нормальной составляющей скорости.
Для расчета влияния тангенциальной составляющей примем
следующие допущения:
коэффициент восстановления при ударе металлической или
породной частицы по металлической поверхности в жидкой среде ввиду
незначительности его влияния равен нулю;
отсутствует рикошетирование частицы;
в процессе продольного перемещения в разрушаемой среде
частица не разрушается;
частица предполагается шарообразной формы;
в силу природы возникновения разрушающей силы отсутствует
прокатывание частицы по разрушаемой поверхности;
вся запасенная кинетическая "энергия расходуется на разрушение
поверхности.
Продольная (касательная) составляющая скорости частицы в
момент удара и определяется из выражения (3) с учетом того, что
расстояние центра частицы от оси потока равно у =у =(h — d) /2:
Apd
уд 16 щ V
После погружения частицы в поверхностный слой на глубину,
определяемую нормальной скоростью, на эту частицу будут действовать
силы инерции F , приложенные к центру частицы в сторону движения
из-за резкого падения продольной составляющей скорости, сила
давления жидкости на неуравновешенную поверхность F и сила
сопротивления со стороны материала FcM, сминаемого частицей в продольном
направлении (рис. 2). Поскольку давление рабочей жидкости значительно
меньше, чем предел текучести материала, возникает результирующая
сила, выталкивающая частицу из лунки. Если учесть прекращение
вращения частицы при ударе и момент силы F f9 то станет очевидным, что
частица в дальнейшем движении при / < а/2 будет выкатываться из
лунки, вращаясь вокруг точки Ох как вокруг мгновенного центра.
При появлении зазора между частицей и дном лунки сила F
исчезнет, но при выкатывании частица будет сминать площадку контакта,
пока полностью не выкатится из лунки.
25

Рис. 2. Схема сил, действующих
на частицу, максимально
внедренную в поверхность
Рис. 3. Схема выхода частицы из
лунки
Определим время Т выхода частицы из лунки. На рис. 3 показано
промежуточное положение частицы при выходе из лунки. Из АСОхВ
получим ВОх = ОхС/ cos <ВхОх С, но ВОх = dsOC = dx, <ВОх С = а,
исходя из взаимной перпендикулярности сторон < ВОхС и < 00 х А;
sin a = 2(d/2 - x)/d = (d - 2x)/d
Ids 2dx
da = = со dt\ cjdt =
vu^
2x
CO =
d
- - X
2
2u
d-2x
ludt
d-2x
dx
y/xd -
"I*
T f
о о
d- 2x
yj xd -
dx
Считая, что поток поддерживает скорость и = и , и интегрируя,
получим и Т= у/ f(d - /). В левой части - путь, пройденный частицей
до выкатывания из лунки. Поскольку/<2 >/2,
У = >/Ж
(31)
Траекторию движения центра массы частицы аппроксимируем
прямой, соотношение между малой глубиной и диаметром отпечатка можно
принять / = s2/4d. Площадь сегмента проекции заглубленной части
частицы на нормальную ось представим в виде треугольника высотой / и
шириной s. Тогда площадь основания пирамиды A =/s/2 =y/f*s.
26

Объем V = 1/ЗА1 =/2 y/dT. Вычитаем из этого объема часть,
деформированную ударом,
"=^пир- \ A"i - /" >ЛУ - ~п/[3(~)\П.
Поскольку 314s2 <f*,
V = f \/ds - 0,2/s2 .
Отношение деформации смятия к деформации прямого удара
V f \fld - 0,2/i2 .. , .
С= = — = — = 2^d°-$»-1-5-0^. (32)
ДИ^ 0,4 fs2
Подставляем в формулу (32) значение s и/из формул (9) и (10):
p0,2SdO,75ApO.Sp0.12S
С = 0,21 (h-df-2.* х
0,75/0,5яОЛ25 (33)
^ м. дин
d 0'25
х (Л ) -0,5.
2
Для условий работы горных машин, величин зазоров в
распределительных щелях общемашиностроительного гидропривода и наиболее
опасной для гидросистемы крупностей частиц d = (0,5 т 0,75) А величина
С находится в пределах 0,1-0,6. Поскольку при выводе соотношения
принимались все допущения, направленные в сторону увеличения
деформации смятия, в первом приближении можно ограничиться расчетом
деформации ударом. При параметрах потока, отличных от тех, в
которых эксплуатируются горные машины, можно подсчитать С и ввести
поправочный коэффициент в формулу (17) в виде К = (1 + С).
Аналогичные расчеты можно провести и для турбулентных потоков:
fdApDp^
0,5
- 0,5 У"-^- -- (34)
С = 0,5 V гт— " °'5
т д/ХЯ0,5
м. дин
Максимальную длину следа смятия v „ можно определить по
формуле (31) см
•''см = У-*12 = \/W-0,5s;
27

/ud2p°'S I v2f)4 fi*7
у = J 0,5d V = O&j = 0,
Ь м.дин м.дин D м.дин
Таким образом, удлинение отпечатка за счет пластической
деформации не превышает половины диаметра отпечатка при прямом ударе.
1.2.4. ТЕПЛОВЫЕ ПРОЦЕССЫ ПРИ ГИДРОАБРАЗИВНОМ
ИЗНАШИВАНИИ
При ударе частицы по поверхности энергия расходуется на
пластическую деформацию и на нагрев поверхности (расчеты показывают, что рико-
шетирования не происходит). В случае достаточно высокого нагрева
даже в течение микросекунд следует ожидать отпуска закаленной стали
на какой-то малой глубине. При этом возможна мгновенная
перекристаллизация с изменением объема, а следовательно с появлением
микротрещин, и снижение твердости'поверхности.
Для расчета температуры 0 поверхности в момент удара в воздухе
М.М. Савериным было выведено уравнение:
(1 - к2)
в = 9846 Ям , (36)
Суп мдин
где Су — объемная теплоемкость, принимается С = 0,048кДж/(# • °С);
у — удельный вес ударяющей частицы; п — коэффициент
пропорциональности, учитывающий, во сколько раз эффективная в смысле нагрева
зона наклепа больше объема отпечатка, возникающего при ударе частицы.
Для грубой оценки рекомендуется принимать и = 2 -г 2,5.
При выводе формулы (36) не учитывалось распределение
температуры по поверхности около отпечатка, тем самым не учитывался под-
слойный максимум остаточных напряжений, что необходимо для
расчета способности выпадения отдельных частиц металла в результате
адгезии или в результате водородного охрупчивания.
Ниже приводится уточненный расчет распределения температуры в
материале изнашиваемой детали.
Основные допущения и их обоснования:
поскольку шероховатость поверхностей распределения, как правило,
невысокая (высота гребешков не превышает 2—3 мкм), а диаметры
частиц значительно больше, можно принимать, что удары отдельных
частиц производятся по плоскости;
каждую частицу считаем идеально твердым шаром радиусом d\2\
поверхность изнашиваемой детали рассматриваем как
полупространство. Это допущение правомерно, так как размеры отпечатков,
образуемых от пластической деформации тела после удара каждой частицы,
меньше ширины, толщины и длины изнашиваемой детали;
источник тепла точечный, что возможно допустить исходя из того,
что расстояние между отдельными кавернами при одновременном ударе
28

в несколько раз больше диаметра зоны пластической деформации, т. е.
больше 2,55. t
Теоретические расчеты показывают, что отношение С изнашиваемой
поверхности к площади одновременно деформируемой поверхности
(одновременными ударами считаем такие, при которых второй удар
начинается во время проникания первой частицы в поверхность)
определяется по выражению
^м2х/3ямдин
С = ^—2 . (37)
Для промышленных гидросистем С' > 101 °.
Принято считать, что если С' > 10, то удары можно считать
единичными, а источники - точечными.
Возникающая в результате удара частицы о полупространство
теплота Q0 передается телу QT, частице Q4 и окружающей среде QQ и
составляет
Q0 =ет + еч + ео.с- (38)
Количество теплоты, уходящей с поверхности в поток, настолько
мало, что изменение температуры, вызванное охлаждением за счет потока,
не превышает 10~3 %. Это свидетельствует об адиабатичности поверхности
в зоне удара.
Любая точка контактной площади одного из тел имеет температуру,
равную температуре точки площади другого тела, соприкасающегося
с первым в данный момент времени. Следовательно, при контакте
теплота передается как изнашиваемой детали (телу), так и частице. Если
обозначить интенсивность потока теплоты q, Дж/(см2 • с) и принять общее
количество теплоты за единицу, то часть теплоты /, идущей в частицу,
составит
Ят = Щ> (39)
а остальная часть теплоты (1 — /'), идущая в тело,
qT = (1-/)</. (40)
Зная q, необходимо определить /, после чего можно оценить
температуру тела.
Процесс распространения теплоты сосредоточенных источников,
действующих в той или иной системе твердых тел, математически
описывается двумя главными уравнениями: теплового баланса и
теплопроводности.
Используя уравнение (37) и учитывая, что QQ c =0.
&=QT + Q4. (41)
29

С другой стороны, величина Q оценивается энергией Э ,
затрачиваемой на весь процесс удара частицей, которая вся при пластических
деформациях переходит в нагрев, т. е. механическая и тепловая мощности
эквивалентны друг другу [11]:
эу = ет + еч. (42)
В качестве второго уравнения воспользуемся дифференциальным
уравнением теплопроводности, решение которого, выполненное
Кельвином, имеет вид
•*■*-<> - >,^w>"- -'^ ■ (43)
где 0 г* у z л"" темпеРатУРа любой точки тела с координатами ху у, z
через г'секунд после того, как в точке с координатами *и, у , z^ имел
место тепловой импульс, т. е. возник и погас мгновенный источник
теплоты, °С; Q — количество теплоты, внесенное импульсом, Дж; X —
коэффициент теплопроводности, Дж/см • с • °С; со' = \1кс —
коэффициент температуропроводности, см2/с;
R = V (*и ~ ХУ + (Уи -У)2 + (ZH ~ z)2 - расстояние от источника
до рассматриваемой точки, см.
Если в уравнение (43) ввести коэффициент, равный двум и
учитывающий, что температура в теле с адиабатической поверхностью вдвое
больше, чем в неограниченном пространстве, а также учесть (40) и
симметрию зоны отпечатка, то получим расчетное уравнение для
определения температуры любой точки тела в зоне удара шаром:
4,5.1<Г2(1-0Эу _j£
«(,.,.,) = ,-^_ е W' ' (44)
xTV
со г
где t — время после того, как имел место тепловой импульс, т. е. возник
и погас мгновенный источник тепла, с. В нашем случае
/ 2/ /~РЧ
'max = = — = 2d у/- , (45)
ср м. дин
R = v*2 + z2 — расстояние от источника тепла в точке О до любой точки
М(рис. 4).
Величину i определим из условия равенства в момент удара
температур тела 0! и частицы в2 в любой точке зоны контакта, т. е. при
условии 01# = 02/ .
30

Рис. 4. Схематизация стоков теплоты в изнашиваемую поверхность (я) и частицу (б)
Используя уравнение (44), составляем систему двух уравнений
для тела и частицы (индекс 1 относится к телу, индекс 2 - к частице):
01 =
4,5 • 1<Г2 Э„ (I - О
\ y/I^W
4(Jt
(46)
4,5 • 1<Г21 3v
0* =
т~Г
_
е 4wr
X yfiojt
(47)
Разделим уравнение (46) на уравнение (47) и, учитывая, что вх
=02, будем иметь
i =
1 +
R2 , 1
со — (—г
(48)
-).
WL
Наименьший нагрев поверхности будет в том. случае, если частица
со\ Хг1
и поверхность имеют одинаковую теплоемкость, т. е. когда — = .
Поскольку в этом случае coi близко к со'2,
j£_ 1 i_
е4' "•"^)*1;
31

(49)
\T 1.5
1
Подставив выражение (49) в (44), получим уравнение для подсчета
температуры в любой точке поверхности:
0,045 [1 1 — ] Э R2
<*'z*r) = ^ v*w» х е (50)
Энергия удара равна кинетической энергии частицы
mv2 1<d*f> V2
Э = = , (51)
у 2 12
где /и - масса частицы.
Подставляя v из выражения (21) в выражение (23), можем
определить Э (Дж) по формуле
**Ч ndDAp 2 _ *5»2РЧАР2
у " 1200 * 12дХ/ " 5574М2\2/2 ' (52)
где все длины выражены в сантиметрах, а силы — в ньютонах.
Подставляя (52) и (46) в (50), после преобразований получим
\*! *»5 R2H0lS
— е ч
flC*.*0 9 10VX2/2\T со?-5 [1+ (^i) 1,S]
*.*
Уравнение (50) и его конкретизация для условий кольцевой
радиальной щели, используемой в качестве уплотняющего зазора, - уравнение
(53), позволяют определить температуру не только непосредственно
поверхности, но и ее изменение по мере углубления в деталь. Кроме того,
эти уравнения позволяют учесть динамику изменения температуры во
времени, что важно для изучения процессов перекристаллизации и др.
Численные расчеты по зависимости (53) показали, что на
поверхности возникает чрезвычайно высокая температура, быстро падающая
с погружением частицы в тело. В условиях работы, например, горных
машин металл плавится на глубине 0,5-1,2 мкм—в зависимости от па-
32

раметров потока. На этой глубине идут и фазовые превращения.
Расплавленный металл может быть либо непосредственно выбит из кратера, либо
отложится вокруг него в виде кольца.
Это явление наблюдалось при экспериментальном исследовании
И.А. Бетьянисом влияния продольного загрязненного потока
минерального масла на изнашивание поверхности. На снимке, полученном им на
сканирующем микроскопе, отчетливо видны кратеры, несколько
удлиненные в направлении потока. На фотографии кратера на поверхности
после сухой дробеструйной обработки стального образца, полученной
У.В. Пильве на сканирующем микроскопе, отчетливо видны капли
металла на дне кратера.
Явление расплавления металла в кратерах на поверхности тел при
гидроабразивном изнашивании потоком частиц, параллельных
поверхности, наблюдалось в воде, в водных растворах сахарозы и в других
средах.
Теоретическое обоснование возможности расплавления поверхностей
имеется в ряде работ [8, 10, 23 и др.].
Расчеты по формуле (36) при отсутствии отскока также показывают
возможность нагрева поверхностей до температур свыше 1000° С.
Образованная после удара поверхность претерпевает значительные
качественные превращения. Во-первых, возникают температурные
деформации в поверхностном слое, стремящиеся увеличить объем металла
вокруг кратера. Во-вторых, происходят фазовые превращения. До
удара структура закаленного металла состоит из мартенсита.
После удара элементарная кристаллическая решетка
объемно-центрированного куба (Яа) перестраивается в элементарную кристаллическую
решетку гранецентрированного куба (Яу). Но последняя обладает
большим параметром, чем первая (соответственно 3,65 • 1СГ10м и 2,86 х
х 1(Г10 м), и большей плотностью. При охлаждении за счет отвода тепла
через металл закалка произойти не может, и структура металла будет
соответствовать либо аустениту, либо смеси феррита и аустенита. И та,
и другая структуры являются продуктами полного разложения аустенита.
Твердость такой поверхности НВ 200 ... 250.
Результирующие напряжения в поверхностном слое от действия
температурных и фазовых превращений, как показывают расчеты, достигают
1300 МПа. Растягивающие как по горизонтали, так и по вертикали
напряжения делят металл поверхности на блоки, которые и представляют
собой продукты износа. Разрыв, по-видимому, происходит по местам
вакансий дислокаций, чему может способствовать наводораживание
стальных поверхностей водородом, выделившимся при разложении
смазки высокой температурой, из-за его проникания в поверхностный
слой в связи с активированной диффузией при деформации этого слоя.
Имеются прямые наблюдения снижения твердости поверхности при
гидроабразивном изнашивании [10, 24, 37].
Обнаружено, что большая кинетическая энергия абразивных частиц
при соударении с поверхностью образца и малая площадь контакта
вызывают в зоне контакта высокие напряжения поверхностного слоя.
3-421
33

Исследования показали, что напряжения снижаются по мере
увеличения плотности и вязкости жидкости. Этот вывод находится в полном
соответствии с полученными теоретическими зависимостями. Интересно
отметить, что сравнение интенсивности изнашивания при
гидроабразивном и гидроэрозионном изнашивании показало, что в первом случае
интенсивность изнашивания значительно выше, что свидетельствует о
допустимости при аналитических исследованиях не учитывать удары струями
жидкости, тем более, что они создавались искусственно [37], а в
ламинарных и турбулентных потоках появление ударных струй возможно
лишь на отдельных участках деталей гидропривода (резкие повороты,
проточки, перепад диаметров и т. д.).
Приняв за исходную твердость на глубине 0,025s, резкое изменение
микротвердости в зоне проскальзывания наблюдалось до глубины
0,15s [24]. Снижение микротвердости против исходной обусловливалось
разупрочнением закаленной стали. При рентгеноструктурном и микро-
рентгеноспектральном анализах было обнаружено наличие в зоне
повреждения поверхности аустенитного Fe , хотя в исходном материале было
/<еа,термообработанное на мартенсит. '
Важная роль отводится абразивным частицам при гидроэррозии
металлов. Абразивные частицы, находящиеся в жидкости, вдавливаются
в металл, оставляя после себя отпечатки разной глубины и формы. В
результате большого количества таких ударов деформированный металл
отделяется в виде мельчайших чешуек, а на поверхности образуются
царапины или срезы металла. Прямая пропорциональность интенсивности
разрушения от содержания абразивных частиц и от времени изнашивания
показывает отсутствие латентного периода разрушения, т. е.
свидетельствует о пластической деформации.
Исходя из описанной картины процессов, происходящих в
поверхностном слое, при гидроабразивном изнашивании следует признать
необходимым в выражениях (17) и (30) рассматривать стальные
поверхности отожженными с твердостью металла в состоянии поставки.
Анализ выражений (14) и (30) показывает, что величина износа в
значительной мере зависит от давления в системе. Поскольку в расчетах
речь идет об объемном износе, пропорциональном кубу линейного износа
так же, как и снижение объемного к. п. д., то можно утверждать, что
показатель степени 4 в щелях с ламинарными потоками и показатель
степени 2,5 в щелях с турбулентными потоками достаточно близко
соответствуют опытным данным. В ряде работ [21, 30 и др.] показано, что
ресурс гидромашин Т = р~™ , где m =3 -г 3,3. В тех случаях, когда речь
идет о распределительных щелях, определяющих перепад давлений,
согласно теории [см. формулу (17)} показатель степени принимают
равным 5.
Экспериментальные исследования по ускоренным испытаниям
показали, что долговечность обратно пропорциональна давлению в 6
степени, а опыт эксплуатации насосов (табл. 1) показывают, что эта степень
примерно равна 5.
Учитывая ряд допущений при выводе теории и неизбежные неточнос-
34

ти при экспериментах, можно считать достаточно близкой сходимость
результатов теории и проведенных экспериментальных исследований.
1.2.5. МЕТОДИКА РАСЧЕТА ДОЛГОВЕЧНОСТИ, ОПТИМАЛЬНОЙ
ВЯЗКОСТИ И ТРЕБУЕМОЙ СТЕПЕНИ ОЧИСТКИ
РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
Полученные выше зависимости позволяют на этапе проектирования
прогнозировать износ определенных деталей гидропривода и, с другой
стороны, определять требования к рабочим жидкостям в части
оптимальной вязкости и требуемой степени ее очистки по заданной долговечности
(величине допустимого износа за определенное время). Кроме того,
полученные зависимости позволяют рассчитать масштаб при переводе
результатов ускоренных испытаний к результатам при номинальных
параметрах.
В качестве примера рассчитаем износ за 8 месяцев эксплуатации оси
распределения радиально-поршневого насоса. Будем считать работу
трехсменной по 2 ч рабочего времени в смену. Замеры давления во время
эксплуатации показали, что при расчетах его можно принимать равным
5—7 МПа. Насосы работали на масле Индустриальное-45. Температура
ванны при эксплуатации составила 60—70° С (для расчета примем равной
65°С). Плотность масла р = 890—930 кг/м3. Длина щели в направлении
потока (утечек) составляет 6 мм при ширине 15 мм и гарантируемом
диаметральном зазоре 0,06—0,08 мм.
Объемный к.п.д. нового насоса при давлении 12 МПа составляет 0,92,
изношенного — 0,85. При этом считаем, что через рассчитываемый зазор
вдоль одной перемычки проходит 15 % утечек Q , так как 50 %
составляют внешние утечки, 20 % — внутренние, идущие вне перемычек.
Определяем динамическую вязкость д (Па • с) масла при рабочей
температуре:
Me s = VsoP(50/0
2,32
где i>5o — кинематическая вязкость масла при температуре 50° С. Для
масла Индустриальное-45 ц65 =22,4 • 1011 Па • С.
Для расчета режима движения в щели определяем скорость потока
и
ср
0,15 Qy = О^тахУ-УР
hbm **щ*н
где h> ^щ - высота и ширина щели; Qinax - максимальная
производительность насоса; т?о — номинальный объемный к.пд. насоса; р —
рабочее давление в системе; р * - номинальное давление в системе, при
котором определяется т?0;
1<1л #я Фатально-поршневого насоса, имеющего производительность
120 л/мин,
35

0,15 • 12000(1 -0,9) -6
и = = 3740 см/с.
ср 0,0035- 1,5 -60-10
Число Рейнольдса в этом случае R =4vRlv,
е
где R=hl2 — гидравлический радиус;
4-3740-0,00175
*е = 23Г = 1Ш< Rkv = 232°-
е 0,45 (50/65)2'32 кр
Режим потока ламинарный. Следовательно, для расчета износа
необходимо пользоваться формулой (17).
Анализ фактической загрязненности показал, что чистота жидкости
в гидросистемах механизмов перемещения, куда входят радиально-порш-
невые насосы, соответствует 17-му классу чистоты по ГОСТ 17216-71.
Плотность механических примесей, состоящих из угля, породы и
железа, принимаем равной р = 0,003 кг/см3. Ось имеет твердость
поверхности HRC 50 ... 55. Согласно выводам раздела 1.2.4 принимаем при
расчетах твердость материала в состоянии поставки НВ 180, т. е. Ны =
= 290 МПа.
Поскольку число частиц N, загрязняющих жидкость, и их
дисперсионный состав на каждой машине равный, воспользуемся рекомендациями
ГОСТ 17216-71, где для 17-го класса чистоты допускается наличие в
100 см3 жидкости 125 500 частиц в интервале 50-100 мкми 3150частиц
в интервале 100—200 мкм. Из (1.15) можно записать
d d
max max UA Q , hA . hH
JV= j a = a J e~bd dd = — (e_^m>n -e" Mmax )
d . d . b
mm min
Подставляя значения из ГОСТ 17216—71 для 1 см
1255 = - (е"0'0056 -е-°'010*);
Ь
31,5 = - (е-0010 - е"0-020),
ь
получаем Ъ =740 —; а = 3,87-107.
см
Аналогичным образом:
1
для 10-го класса Ъ = 1600 — ; а = 6,9 • 105;
см
1 .
для 12-го класса Ъ = 1600 ; а = 2,7 • 106;
см
1 ,
для 14-го класса Ь - 1150 —; а = 5,65 • 10°.
см
36

Таблица 2

Классы

чистоты (по
ГОСТ
17216—
71)
10
12
14
17
1,85
7,23
2,26
2,18
10
10
10
10
10
Износ, см /с, при максимальной крупности частиц, мкм
3,14
1,83
4,60
5,34
10
10
10
10
-14
13
13
12
20
1,53- 10
6,02- 10
2,27 • 10
3,7- 10
13
-13
12
11
25
-13
-12
3,65 • 10
1,43 • 10
7,6- 10" "
1,19- Ю"10
30
5,63 • 10^
2,10- 10
1,23
2,16
10'
10
-ю
35
5,72
2,24
1,35
2,4 • 10
13
12
КГ11
-ю
10"
10"
Подставляя полученные значения в (17) и ограничивая с?тах
частицами, равными 10,15,20,25,30 и 35 мкм, в зависимости от степени очистки
жидкости фильтрами, строим табл. 2.
Например, для 17-го класса чистоты и максимальной крупности
частиц, равной 35 мкм.
И/17 =
3,87 • Ю7 (0,9 • Ю"5)23 • 10"5 (600)5 • 0,00353 • 1,5
17 • 105я (2,24 • 10"°)7 • 0,6* • 290000
0,0035
х S d9 (0,0035 -d)2 (0,007 -с/)2 е"740</ dd = 24 - 10"10 см3/с.
Для упрощения расчетов значения интеграла в формуле (17) для
наиболее распространенных в промышленном гидроприводе зазоров, классов
чистоты и максимальной крупности частиц, находящихся в жидкости,
рассчитываются на ЭВМ и сводятся в таблицу.
Из табл. 2 видно, что неочищенная жидкость 10-го класса чистоты
дает износ распределительных поверхностей оси насоса, примерно равный
износу жидкостью 17-го класса чистоты, очищенного от частиц размерами
больше 16 мкм, или жидкостью 12-го класса, очищенной от частиц
размерами больше 20 мкм-.
Возвращаясь к исходным данным, находим, что в среднем каждая
машина проработала
Г= 8-25 -6-3600 =4,3-105с.
Общий прогнозируемый износ W для 17-го класса чистоты с
очисткой фильтрами машины Г404, имеющими ячейки 35-45 мкм, равен
W
= 2,4-10"10 -4,3-Ю6 = 10,8- 10"4см3.
Прямые замеры износа 80 осей насосов, работавших при расчетных
параметрах, показали, что объемный износ каждой перемычки составил
(о,3-9,0) см , что совпадает с результатом, полученным теоретически.
37

Приведенная выше методика расчета износа позволяет решать и
обратную задачу: по заданному износу находить требуемую чистоту
жидкости и степень ее очистки, подбирать оптимальную вязкость рабочей
жидкости, зазоры в распределителях и т. д.
Рассчитаем износ на примере бронзовых подпятников плунжеров
аксиально-поршневых насосов. С учетом жесткости (т. е. колебания,
связанного с рабочим давлением) зазор между плоскостями
подпятника и наклонной шайбы составлял И = 20 мкм, вязкость рабочей жидкости
v = 40 мм2/с, длина щели 4,5 мм, ширина 80 мм, перепад давлений
16 МПа, твердость бронзы 1100 МПа, класс чистоты жидкости 17-й,
плотность загрязняющих частиц 0,005 кг/см3. При ресурсных испытаниях,
проводимых при давлении 20—21 МПа, фактическое время работы
составило 590ч, или 21,24 • 105 с.
Поскольку при выводе формулы (17) протяженность щели в
направлении, перпендикулярном потоку, принималась равной тгД причем тг
учтено числовым коэффициентом, вместо 80 подставляем диаметр D (см)
средней линии уплотняющего кольца, т. е. /)=80/тг =2,55 см.
3,87- 107(0,9- 10"5)2 -5 • 10~5(2050)5 • 0,0023 -2,55 °.о°2
W= i =П 4 ' (0,002-
17-105(18,1 • 10 7)7-0,45- И- 104 о v'
_ d)2 (0,04-d)2d9 e~74oddd = 8,29 • 10'9 см3/с.
Ожидаемый износ WQyK =8,29 • 10~9 • 21,24 • 105 = 1,76 • 10~2 см3.
Фактический износ составил (2,52 -г 2,88) 10"2 см3 , т. е. в 1,5 раза больше
ожидаемого.
Изучение конструкций применяемых в горных машинах гидроузлов
и условий их использования позволило рассчитать требуемый класс
чистоты рабочих жидкостей. Для аксиально-плунжерных гидроузлов,
работающих под давлением 16—20 МПа, необходимо обеспечивать чистоту
рабочей жидкости на уровне 10—11 классов при максимальной крупности
частиц 10—15 мкм. При этом можно гарантировать работоспособность
гидроузлов в течение 2500—3000 ч. Однако, учитывая, что максимальные
давления в гидросистемах действуют незначительное время
(исследования комбайна 2К52 на шахтах показали, что номинальные давления в
гидросистеме регистрировались 1—2 % всего времени замеров), можно
ожидать удовлетворительной работы на жидкости 11-го и даже 12-го
классов при ограничении крупности частиц 15—20 мкм.
2. РАБОЧИЕ ЖИДКОСТИ ДЛЯ ГИДРОСИСТЕМ ГОРНЫХ МАШИН
В гидроприводе рабочая жидкость — одно из основных элементов,
его рабочее тело. Одновременно ею выполняются функции смазки
контактирующих поверхностей, отвода тепла, среды, отводящей продукты
износа и защищающей систему от коррозии. В горных машинах в связи
38

со стремлением максимально уменьшить их размеры на рабочую
жидкость зачастую возлагается задача смазывать зубчатые зацепления,
расположенные либо непосредственно в резервуаре для рабочей жидкости
(в механизмах перемещения комбайнов, в гидроузлах со встроенными
зубчатыми передачами), либо вынесенные из ванны, но смазываемые
насосом, отсоединенным на время от гидродвигателей. Комплекс физико-
химических свойств рабочих жидкостей должен в этих условиях
наилучшим образом обеспечивать выполнение как функции рабочего тела, так
и смазочного материала. Требования при этом к рабочей жидкости не
всегда совпадают, и приходится искать компромиссное решение.
В последние годы опубликованы работы [21, 22 и др.], подробно
рассматривающие физико-химические свойства рабочих жидкостей и
обосновывающие их выбор применительно к всему диапазону применяемых
гидроприводов. Конкретизация требований и проблем выбора рабочих
жидкостей горных машин — задача настоящей главы.
Наиболее важными параметрами, определяющими
работоспособность рабочих жидкостей, являются вязкость и ее зависимость от
температуры, смазывающая способность, химическая и физическая
стабильность, совместимость с материалами гидроузлов, уплотнений и
трубопроводов, с лакокрасочными материалами.
Говоря о стабильности и долговечности для минеральных масел,
на первый план выходят устойчивость к окислению, пеноотделяемости,
влагоотделяемость, антикоррозионность, степень загрязненности;
сопротивляемость бактериологическому заражению; для эмульсий еще
стабильность смеси и др.
Кроме перечисленных факторов следует учитывать также такие
физические свойства рабочей жидкости, как коэффициент сжимаемости,
удельная теплоемкость, удельная теплопроводимость, коэффициент
теплового расширения, температура вспышки и т. д.
Вязкость рабочей жидкости следует выбирать в оптимальных
пределах, так как слишком малая или слишком большая вязкость приводит
к снижению к.п.д. системы.
Снижение вязкости ниже оптимальной приводит к повышенным
утечкам и ухудшению смазывающей способности, а это снижает
объемный и механический клд. и приводит к повышенному нагреву.
Повышенная вязкость ухудшает всасывание, увеличивает потери давления
в трубопроводах, повышает сопротивление движению деталей в
жидкости, увеличивается нагрев элементов гидросистемы. В этом случае
снижается гидравлический и механический к.п.д.; из-за недовсасывания
возникает кавитация, шум и снижается объемный к.п.д. К этому
следует добавить, что при чрезмерно высокой вязкости замедляется
работа и падает чувствительность системы управления. Если вязкость
недостаточна, то вследствие внутренних утечек затрудняется точное
регулирование системы.
Выбор вязкости зависит от типа насоса и рабочего давления в
системе- На рис. 5-7 приведены зависимости полного и объемного к.п.д. от
вязкости рабочей жидкости и рабочего давления для разных типов на-
39

100
so
80
70
60
7o>%
/v^>—
40
^ /2tf V,mm2/c
Рис. 5. Зависимости полного (7?)
и объемного (Г) ) к. п. д. от
вязкости рабочей жидкости (насос
пластинчатый, п = 1200об/мин):
1- Г) при р = 7МПа; 2 - 77
при *Р= 14 МПа; 3 - Г\ при р-
= 7 МПа; 4 - У\ при р = 14 МПа
7
/ДО
90
80
70
60
;7о.%
ш
U О 80 1Z0 J60 9,ммг/с
Рис. 6. Зависимости полного (7?)
и объемного (7? ) к. п. д. от
вязкости рабочей жидкости (насос
шестеренный, п = 1200 об/мин):
1 - Х\ при р = 7 МПа; 2 - Х\ при
р = 14°МПа; 3 - Г\ при р = 7 Rina;
4 - 77 при р= 14 МПа
4iVo,0/°
90
80
70
i
*<7 <W //<7 /60*,ммг/с
Рис. 7. Зависимости полного (77) и
объемного (7?0) к. п. от вязкости
рабочей жидкости (насос аксиально-
поршневой, п =1200 об/мин):
1 — Т)0 при р —1 МПа; 2 — Г)0 при
р = 14 МПа; 3 - Г\ при р = 7 МПа;
4 -77прир = 14 МПа
сосов. Графики построены путем обработки результатов
экспериментальных работ японских исследователей.
Из рис. 5-7 следует, что только поршневые насосы работают
устойчиво при очень низких вязкостях, соответствующих применяемым в
гидрокрепях эмульсиях. Эти же насосы имеют наибольший к.пд. и в
области повышенной вязкости. С повышением давления оптимум вязкости
смещается в сторону более высоких величин. В наибольшей степени
реагируют на изменение вязкости (следовательно, на нагрев) пластинчатые
насосы, затем шестеренные и менее всех поршневые. Интересно, что при
повышении давления в системе при работе на очень высоких вязкостях
полный к.п.д. увеличивается у всех типов насосов.
Обобщая опыт применения различных типов насосов, в табл. 3
рекомендованы для ориентирования следующие вязкости жидкости в мм2/с
при 50°С.
40

Поскольку во многих машинах рабочая жидкость гидросистем
является одновременно и смазкой для подшипников, зубчатых и цепных
передач, необходимо согласовывать вязкость жидкости с требованием к ней
как к смазке. Расчет вязкости смазки производится исходя из
гидродинамической теории смазки. Анализ полученных зависимостей
показал, что вязкость смазки должна быть тем больше, чем меньше скорость
ведущего колеса, делительный диаметр последнего и отношение
минимальной толщины пленки к суммарной высоте гребешков, оставшихся
после обработки. Принимая последнее отношение равным двум, можно
для ориентировки воспользоваться данными табл. 4, где приведены
оптимальные значения вязкости в мм2/с при рабочей температуре для
цилиндрических зубчатых колес.
Увеличение вязкости в 1,5—2,5 раза позволит поднять долговечность
зубчатой передачи в 2—3 раза без существенного увеличения нагрева. При
этом смазка должна по своим параметрам соответствовать контактным
напряжениям в зацеплении.
Таблица 3
Тип насоса
Пластинчатый:
р < 7 МПа
р> 1 МПа
Шестеренный
Радиально-поршневой
Аксиально-поршневой
1 2
Вязкость, мм /с, при рабочей
температуре, С
5-40
10-25
30-40
15-40
18-40
10-25
40-80
18-40
35-50
50-70
40-70
30-60
Таблица 4
Частота
вращения
ведущего колеса,
об/мин
50
100
750
1000
1 5000
3 000
2
Вязкость, мм /с, при делительном диаметре ведущего колеса, мм
25
280
280
65
25
15
10
40
90
60
25
15
15
10
50
60
25
25
15
15
10
100
25
15
10
10
10
10
250
15
15
10
10
10
10
500
15
10
10
10
10
10
41

Для конических передач значение вязкости для частот вращения 750—
3000 об/мин можно увеличить в два раза, для червячных передач во всех
случаях (до 750 об/мин) поддерживать на уровне (250-^300) мм2/с.
Из табл. 4 следует, что при использовании рабочей жидкости
одновременно в качестве жидкой смазки в большинстве случаев следует
воспользоваться верхними пределами значений вязкости из табл. 3.
Поскольку гидросистемы работают в большом температурном диапазоне,
важное значение имеет вязкостно-температурная характеристика рабочей
жидкости. Особенно важно это для горных машин, температура
жидкости в которых изменяется от — 5°С (при запуске в северных районах)
до + 90°С (при работе в тяжело нагруженных условиях глубоких шахт).
Вязкость обычно применяемых минеральных масел при этом изменяется
в 80—100 раз. Даже в условиях одного цикла работы вязкость
изменяется в 20-40 раз. Поэтому для горных машин необходим переход на
жидкости с индексом вязкости не ниже 85—90.
Для повышения индекса вязкости используют различной вязкости
присадки: полиизобутелы, полиметалл-крылаты, виниполы, октол [21].
Лучшие результаты получены при загущении масел полиметалл-крыла-
тами, но эти присадки в большей степени подвержены деструкции при
дросселировании при высоких давлениях. Возникающие при этом
высокие местные давления и сдвиговые усилия измельчают полимерную
присадку между движущимися деталями прецезионной пары, молекулы
присадки разрушаются, и вязкость необратимо теряется. При этом рабочая
жидкость теряет в значительной мере смазывающую способность, так
как уменьшаются толщина и прочность защитной пленки на поверхности
деталей. Поэтому при снижении вязкости рабочей жидкости более чем
на 20 % жидкость должна быть заменена. Сжимаемость рабочих жидкостей
в первую очередь сказывается на устойчивости следящих гидравлических
систем.
При работе горных машин на применяемых в настоящее время
жидкостях, свободных от воздуха, влияние сжимаемости не
обнаруживается. Но с растворением в рабочей жидкости воздуха и, еще хуже, с
появлением пузырьков воздуха, положение изменяется. В первом случае
жидкость, поступая в линию пониженного давления, например во
всасывающую магистраль, где есть вакуум, выделяет из себя воздух в виде
пузырьков. Во втором случае источником появления пузырьков является
негерметичность трубопроводов во всасывающих линиях, кавитационные
процессы в линиях всасывания, отсутствие сбрасывающих воздух пробок
при заполнении и доливке рабочей жидкости или воздух, оставшийся в
системе. Следует помнить, что последняя причина дает большой процент
отказов в работе. Наличие в жидкости 5 % нерастворенного воздуха
снижает на 10 % объемный к.п.д. насоса при давлении 20 МПа [21].
Особенно опасно присутствие воздуха в системе при наличии в минеральных
маслах даже небольшого количества воды. При этом возникают
стойкие эмульсии (пенообразование), приводящие к снижению смазывающих
свойств рабочих жидкостей, лакообразованию на поверхностях
гидрооборудования и нарушению его нормальной деятельности. Поэтому наря-
42

ду с мерами по предупреждению попадания воды и воздуха, в
минеральные масла необходимо добавлять антипенные присадки в количестве
Q002-0,005 %. Следует, однако, помнить, что такие присадки легко
отфильтровываются фильтрами тонкой очистки. Пенообразование, кроме
того, характеризует и степень окисленности масла. Чистые минеральные
масла, не бывшие в эксплуатации, пены не образуют.
Проблема старения масла — одна из наиболее серьезных,
возникающих при выборе рабочей жидкости для горных машин. Во-первых, как
будет показано ниже, процесс заливки и доливки рабочей жидкости
в условиях угольного забоя — основной источник поступления в систему
загрязнений и, следовательно, порчи масла; во-вторых, сбор
отработанных масел весьма сложный в техническом и организационном плане
процесс; в-третьих, смена масла без промывки узлов и резервуара не дает
устойчивого эффекта. После одной-пяти смен работы эксплуатационное
качество нового масла практически не отличается от слитого. Промывка
гидросистемы и резервуара перед заливкой свежего масла рабочей
жидкостью в условиях очистного забоя приведет к большим ее потерям,
а промывка эмульсиями для крепей [21] — к добавлению в жидкость
большого количества воды, снижению вязкости, бактериологическому
заражению и т. п. Поэтому следует рассматривать рабочую жидкость как
рабочее тело, подлежащее замене после отработки машиной
межремонтного срока только на рудоремонтном заводе, где могут быть созданы
условия для тщательной и экономичной промывки гидросистемы и
резервуара.
Теория старения рабочих жидкостей достаточно подробно
представлена в [21], практические аспекты этой проблемы отражены в [22] и
др. Старение - результат действия на рабочую жидкость ряда причин
физического, химического и механического характера. К физическим
причинам в первую очередь можно отнести проникновение в рабочую
жидкость загрязнений в твердом, жидком и газообразном состоянии,
изменение количественного и качественного состава присадок за счет
их деструкции и образования на контактирующих поверхностях сорб-
ционных пленок. Изменения химического характера — это окисление
углеводородов базового масла и разложение последнего под действием
разного рода загрязнений (особенно воды и продуктов износа,
возникающих в роли катализаторов) и разложение присадок к маслам под
действием тех же загрязнений.
Изменения механо-химического характера определяются
воздействием процессов трения, дросселирования при высоком давлении и т. п.
Особо следует подчеркнуть воздействие температуры на процесс
окисления минеральных масел. Исследования показали, что при повышении
температуры в масляной ванне на 10° С скорость окисления
повышается в два раза.
Анализируя причины старения минеральных масел, можно отметить,
что окисление углеводородов базового масла в принципе не ухудшает,
а улучшает его свойства, так как при этом окисляются те молекулы
масла, которые обладают наибольшей коррозионной активностью. После
43

очистки такого масла от продуктов окисления (смол) показатели
качества его возрастают, так как в масле появляются естественные
ингибиторы коррозии. Все остальные факторы, способствующие окислению,
в той или иной мере зависят от наличия загрязнений в жидкости, причем
в легированных маслах окисление при наличии загрязнений происходит
значительно быстрее. Исследования показали, что за 24 ч при температуре
125° С регистрировалось поглощение кислорода маслом при наличии
загрязняющих частиц в следующих количествах (в мг/г масла): чугун —
11,5; медь — 9,8; свинец — 8,6; алюминий — 3,5; никель — 3,0; стекло -
1,7. Продукты окисления могут быть удалены с помощью фильтрации.
В качестве примера можно привести данные о том, что при постоянной
очистке от загрязнений турбинное масло прослужило 10 000 ч. При
низких эксплуатационных температурах, применении строго
соответствующего масла, а также наличии эффективных средств фильтрования и очистки
срок службы масел в металлорежущих станках достигает 25 000 ч и даже
более. В средних эксплуатационных условиях срок службы масла может
составлять 5000 — 10000 ч, а при повышении температуры выше 80° С
потребность в замене масла может возникнуть менее чем через 500 ч.
Последняя цифра хорошо коррелируется с рекомендацией для
горных машин: заменять масло через 3 мес работы. Опыт эксплуатации
различного гидравлического оборудования показал, что с точки зрения
только сохранения рабочей жидкости экономически выгоднее улучшить
системы ее герметизации, очистки и охлаждения. Скорость окисления масла
можно значительно снизить введением антиокислительных присадок,
прерывающих цепные реакции автоокисления за счет вступления в реакцию
молекул присадки. Таким образом можно в 10—20 раз уменьшить
скорость окисления базового масла [21].
В то же время введение антиокислительных присадок ухудшает
антикоррозионную способность масел. Для подавления процесса коррозии
в современные масла вводят антикоррозионные присадки.
Антиокислительные и антикоррозионные присадки подразделяют на группы, и их
сочетание должно быть строго сбалансированным. В противном случае
возможно ухудшение эксплуатационных свойств даже по сравнению с
базовым маслом. Поэтому недопустимо вводить какую-либо присадку
в условиях эксплуатации машины, тем более, что технология введения
ее в этих условиях не может быть выдержана. Картами смазки
рекомендуется, например, в механизмы перемещения типа Г вводить при
доливке в масло И50А 5 % ингибиторов коррозии КП2. Обследование
показало, что эта добавка практически не производится. Требуется тщательное
перемешивание масла, нагретого до 80°С, при медленном введении в него
антикоррозионной добавки. С другой стороны, недопустимо введение
нелегированного масла в легированное, так как при этом смываются
осевшие на поверхность деталей присадки.
Таким образом, составление требуемой композиции присадок и их
введение должно производиться только на нефтеперерабатывающих
предприятиях. В гидроприводе горных машин следует решительно переходить
на легированные масла.
44

Критериям пригодности масла к эксплуатации относится его
кислотное число, т. е. количество миллиграммов едкого калия КОН,
необходимого для нейтрализации кислоты в одном грамме масла.
В состоянии поставки рабочие жидкости гидросистем имеют
кислотное число, равное 0,2—0,5 мг КОН/г, в зависимости от степени их
легирования. Величина предельного состояния масла по кислотному
числу зависит от наличия загрязнений в нем и степени его
легирования. Если в системе отсутствует в свободном состоянии вода, а в
качестве рабочей жидкости используются базовые масла без присадок,
то допустимо повышение кислотного числа до 1,0—1,5 мг КОН/г; если
содержание воды превышает 0,05 %, то кислотное число не должно
превышать 0,5—0,7 мг КОН/г. В случае использования минеральных масел
с присадками класса органических кислот настораживающим признаком
старения является скорость увеличения кислотного числа. Л.А.
Кондаков рекомендует заменять такие жидкости при увеличении кислотного
числа в 5-10 раз по сравнению с его первоначальным значением.
Исходное кислотное число в таких легированных маслах находится в пределах
0,3-0,7 мг КОН/г.
Наибольшую опасность в гидросистемах вызывает быстрое
окисление рабочих жидкостей, проявляющееся в виде воспламенения или
взрыва. Именно эта опасность заставляет искать замену минеральным
маслам, создавать негорючие синтетические жидкости или огнестойкие
смеси горючих и негорючих жидкостей (эмульсии).
Все жидкости подразделяются на легковоспламеняемые, горючие,
трудногорючие и негорючие. Нефтяные масла относятся к горючим жидкостям.
Можно назвать две основные причины пожароопасных ситуаций. Первая
когда рабочая жидкость, распыляясь под большим давлением (например,
при порыве трубопровода), попадает на какую-либо раскаленную
поверхность. Минимальная пожароопасная температура этой поверхности
для всех минеральных масел лежит в пределах 225—280°С, независимо
от их температуры вспышки. Учитывая требуемый запас, вблизи
гидрооборудования, работающего на минеральном масле, не должны
располагаться открытые поверхности, нагретые до 200°С и более. Вторая, более
вероятная ситуация: пары масла, испаряясь, заполняют определенную
емкость или отсек, образуя паровоздушную смесь с воздухом. При
концентрации паров в смеси ниже определенного уровня избыток воздуха
поглощает выделяющуюся от внешнего источника воспламенения
теплоту, при концентрации паров более этого уровня горение не
распространяется из-за недостатка кислорода. Принято считать, что в смеси должно
быть не менее 10 % кислорода. Этим концентрациям соответствуют и
температуры, до которых необходимо нагреть масло, чтобы оно стало взры-
вопожароопасным. Эти температуры могут быть рассчитаны по графикам
или формулам [21]. Ориентировочно нижний предел температуры
воспламенения смеси можно принимать на 25 % ниже температуры вспышки,
являющейся стандартным параметром минеральных рабочих жидкостей.
Из изложенного следует, что к выбираемым для гидросистемы рабочим
жидкостям следует предъявлять ряд требований, часто противореча-
45

щих друг другу. К наиболее важным из этих требований относятся [22] :
хорошая смазывающая способность во всем диапазоне рабочих
температур и давлений;
стабильность свойств при требуемой продолжительности хранения
и эксплуатации;
удовлетворительная вязкостно-температурная характеристика во
всем диапазоне рабочих температур, незначительное влияние на вязкость
высоких давлений и скоростей сдвига;
инертность по отношению ко всем материалам деталей
гидроприводов и уплотнений;
устойчивость при нагреве и попадании воды;
малая токсичность жидкости, ее паров и продуктов разложения;
высокий модуль объемной упругости;
малая плотность;
минимальная склонность к вспениванию, поглощению или
растворению воздуха;
хорошая теплопроводность, большая удельная теплоемкость;
негигроскопичность, способность легко отделять воду, высокая
стойкость к образованию эмульсий;
совместимость с другими рабочими жидкостями, применяемыми
для подобных гидросистем и условий;
хорошие диэлектрические свойства;
отсутствие неприятного запаха;
пожаровзрывобезопасность, негорючесть;
низкая стоимость, доступность и недефицитность сырья для
получения.
2.1. Выбор рабочих жидкостей для угольной
промышленности
Как явствует из предыдущего раздела, при открытых разработках
вероятность создания пожароопасных условий чрезвычайно мала.
Опасность же, создаваемая самим пожаром, при открытых разработках не
столь велика, как при подземной. Поэтому в гидравлическом
оборудовании на открытых разработках используются стандартные минеральные
масла.
В подземных условиях особенно важна взрывопожаробезопасность
применяемых материалов (рабочих жидкостей, конвейерных лент,
электрических кабелей и др.), так как при применении минеральных масел:
недостатки в гидравлической системе могут вызвать значительное
повышение температуры оборудования и жидкости;
возможен выпуск жидкости под давлением из системы к источнику
воспламенения, например неисправному электрооборудованию или
горячим поверхностям металла;
масляный туман или брызги из небольших трещин в рукаве
высокого давления могут вызвать электростатический заряд, ведущий к
возникновению пожара;
46

в случае возникновения пожара под землей склад минеральных
жидкостей создает дополнительную опасность воспламенения этих
жидкостей, усложняя и без того опасную ситуацию.
Разрабатываемые в настоящее время огнестойкие жидкости не
обязательно являются негорючими. Большинство из них горит при
определенных условиях, которые не могут быть реализованы при эксплуатации.
Их задача не тушить огонь, а препятствовать горению или предотвращать
распространение пламени.
Огнестойкие жидкости можно разделить по следующим категориям,
соответствующим стандарту СЕТОР (Европейский комитет по
гидравлическим и пневматическим трансмиссиям):
1) эмульсии "масло в воде" (категория HF—А), содержащие
максимум 20 % горючих материалов. Обычно они содержат 1,5—5 %
минеральных масел с добавками (эмульсол) и 98,5—95 % воды. Эмульсол либо
тщательно перемешивается с водой, создавая эмульсию, в которой он
присутствует в виде мелкодисперсных капель, либо растворяется в воде.
В этой жидкости гидравлической средой в основном служит вода,
а небольшое количество растворимого масла обеспечивает смазку и
защиту от коррозии. В целом этому виду жидкости присущи те же
недостатки, что и воде: высокая коррозионная активность,
невозможность использования при отрицательных температурах. По внешнему
виду эти эмульсии напоминают молоко;
2) эмульсии "вода в масле" (категория HF-B), содержащие до 60%
горючих материалов. Эти эмульсии, иногда называемые "обратными
эмульсиями", содержат от 40 до 45 % воды. Они совместимы с большей
частью используемого оборудования, и их можно использовать вместо
минеральных масел. Эти жидкости сохраняют многие положительные
качества исходного масла, улучшенного введением антиокислительных,
противоизносных и антикоррозионных присадок.. Однако смазочные
свойства у них ниже, чем у высококачественных гидравлических масел.
С учетом этого фактора можно рассчитывать только на
удовлетворительную работу гидрооборудования. Эмульсии "вода в масле" обычно имеют
консистенцию сливок, где масло образует однородную фазу, а вода
диспергирована в виде мелких капель.
Учитывая несколько больший износ при применении этой эмульсии,
фирмы-изготовители рекомендуют их для гидросистем с рабочим
давлением до 14 МПа и максимальной температурой до 65°С;
3) водно-гликолевые и водно-глицериновые рабочие жидкости
(категории HF-C). Они содержат 30-60 % воды, в отличие от эмульсий
являются растворами, так как гликоли и их присадки действительно
растворяются в воде и поэтому стабильны при эксплуатации. В растворы
добавляются антикоррозионные, противоизносные и антипенные
присадки.
Водно-гликолевые жидкости имеют хорошие вязкостные свойства
(индекс вязкости 140—160), совместимы с большинством материалов,
применяемых в гидросистемах. Эти жидкости для работы в
гидросистемах широко выпускаются многими зарубежными фирмами. Их не-
47

достатки [21] - электропроводность и горючесть при содержании воды
менее 30 %. Поэтому при испарении воды возможно загорание глицерина
или гликоля (температура вспышки в открытом тигле 130° С,
температура самовозгорания 400-425 °С).
В СССР выпускают водно-гликолевые жидкости только для систем
охлаждения (антифризы, ТОСОЛы). Водно-глицериновую жидкость
ПГВ (ТУ6-02-767—78) применяют для гидросистем мобильных
объектов и судовых гидроприводов, работающих при температуре от 32 °С
до 65-70 °С. При этом по мере испарения добавляют дистиллированную
или мягкую воду.
Водно-глицериновые жидкости - промгидрол - (ТУ-6-06-1140-78),
отличающиеся от ПГВ большей вязкостью, выпускаются для
гидросистем промышленного назначения, работающих в условиях возможной
пожарной опасности, например в гидросистемах доменной печи;
4) жидкости, не содержащие воды (категория HF—D). Сюда обычно
относят жидкости, содержащие сложные эфиры фосфорной кислоты,
прочие органические эфиры или из синтезированных углеводородов.
Они являются эффективными огнестойкими жидкостями,
обеспечивающими лучшую смазку, чем жидкости, содержащие воду; пригодны для
более высоких рабочих температур по сравнению с минеральными
маслами (их верхний предел определяется воздействием при этой
температуре на уплотнения). Многие синтетические жидкости, например
сложные эфиры фосфорной кислоты, не совместимы с материалом
гидроузлов и особенно уплотнений; они сами или продукты их разложения
токсичны. Иными словами, обладая рядом превосходных свойств, эти
жидкости не соответствуют комплексу остальных требований. Кроме того,
их стоимость чрезвычайно высокая, а сырьевые ресурсы для их
изготовления — ограничены. Относительная стоимость различных рабочих
жидкостей в сравнении со стоимостью базового масла приведена ниже.
Относительная
стоимость
Масла:
минеральные без присадок 1
с комплексом присадок незагущенные .. 2
с комплексом присадок загущенные .... 4-8
Эмульсии:
"масло в воде" 0,1-0,2
"вода в масле" 1-2
Водно-гликолевые огнестойкие жидкости .. 25-40
Жидкости, не содержащие воды:
на основе сложных эфиров органических
кислот (диэфиры) 30-40
на основе полисилоксанов (силиконовые) 100
галогенно-углеводородные негорючие .. 140-500
на основе сложных эфиров фосфорной
кислоты 8-10
Основные области применения огнестойких рабочих жидкостей в
угольной промышленности некоторых зарубежных стран можно обоб-
48

Таблица 5
Рабочая жидкость
Масло минеральное
Эмульсия:
"масло в воде"
"вода в масле"
Водно-гликолевая
Синтетическая (сложные
эфиры фосфорной кислоты)

Износостойкость
Огнестойкость
Стоимость
Порядок предпочтительности
1
5
3
4
2
5
1
3
2
4
2
1
3
4
5
щить следующим образом: эмульсия "масло в воде" — гидравлические
крепи; эмульсия "вода в масле" - гидросистемы проходческих машин;
водно-гликолевые растворы — гидросистемы машин ударного и
бурового действия, в том числе ручного - отбойных молотков, бурильных
установок; гидросистемы транспортирующих машин; безводные
синтетические жидкости - гидромуфты конвейеров и стругов. Как правило,
эмульсии "масло в воде" содержат здесь не менее 5 % эмульсола.
Порядок предпочтительности различных рабочих жидкостей по
основным показателям приведен в табл. 5
2.2. ЭМУЛЬСИИ ДЛЯ ГИДРОКРЕПЕЙ
2.2.1. ТРЕБОВАНИЯ К ЭМУЛЬСИЯМ. СПОСОБЫ
И СРЕДСТВА ПРИГОТОВЛЕНИЯ
В угольной промышленности СССР в качестве огнестойких
жидкостей для гидравлических устройств механизированных крепей, крепей
сопряжения, гидропередвижчиков и гидростоек с внешним питанием и,
в большинстве случаев, для гидромуфт конвейеров и стругов применяют
маловязкие эмульсии "масло в воде". Требуемый расход таких
жидкостей на шахтах угольной промышленности СССР превышает 200 тыс. т
в год [32]. Применяемые эмульсии различают по типу эмульсола,
диспергируемого в воде.
В основном используют два типа эмульсии — АКВОЛ-3, ВНИИНП-117.
В отдельных производственных объединениях нашли распространение
эмульсии 59Ц, ВНИТОЛ и Укринол-1. Разрабатываются новые эмульсии,
менее требовательные к качеству воды. Защитные свойства эмульсий
заключаются в адсорбции мельчайших частиц масла металлическими
поверхностями деталей, в результате чего появляется защитная пленка,
препятствующая возникновению коррозии. Поэтому при
первоначальном заполнении системы необходимо применять эмульсию с
максимальной или большей на 1,5—2 % концентрацией эмульсола. Условие воз-
4-42,1
49

никновения адгезии - дисперсность частиц эмульсола в пределах
2-5 мкм. В то же время защитные свойства эмульсолов ниже, чем у
минеральных масел.
Анализ эмульсий, выпускаемых в СССР и за рубежом, показал, что
все они не выдерживают требования защиты поверхности в весьма
жестких и термовлажных условиях, хотя и обладают несколько более
высокими свойствами, чем растворимые масла. Авторы анализа показали
несостоятельность использования ГОСТ 6243-75 для оценки защитных свойств
эмульсии. Все испытуемые продукты прошли испытания по этому ГОСТу,
хотя через 1 —2 сут появлялась в 3 %-ной эмульсии коррозия на стальных
пластинах, контактирующих с чугунной стружкой, они не выдерживали
испытания в термовлагокамере и т. д. [32].
Основные показатели качества эмульсий ВНИИНП-117, АКВОЛ-3,
59Ц и ВНИТОЛ приведены в табл. 6 [32].
Из сравнения основных применяемых эмульсий следует, что эмульсия
АКВОЛ-3 менее токсична, создает более прочную защитную пленку,
менее требовательна к качеству воды, самоэмульгируется, не требуя
подогрева, но в то же время менее стабильна, требует значительно большего
расхода эмульсола. Однако опыт эксплуатации показал, что работники
угольных предприятий предпочитают эмульсию ВНИИНП-117.
В результате исследований в условиях эксплуатации было
установлено, что при выполнении всех требований к эмульсии, воде и условии
тщательного приготовления по своим свойствам АКВОЛ-3 не уступает
ВНИИНП-117. Опыт показал также, что эмульсия АКВОЛ-3 в
большинстве случаев не самоэмульгирует и требует не менее тщательного
приготовления, чем ВНИИНП-117. Основной недостаток некачественных
эмульсий - нестабильность. Стабильность обеспечивается при крупности
частиц 2—5 мкм [27], что ниже крупности большинства частиц
эмульсола АКВОЛ-3 в воде. Завышенная крупность частиц, кроме того, резко
снижает антикоррозионность и износостойкость этой эмульсии.
При создании эмульсии АКВОЛ-3 для разбавляющей эмульсол воды
установлены нормы, сухой остаток < 400 мг/л, хлориды < 80 мг/л,
сульфаты < 100 мг/л, жесткость воды — не выше 8 мг-экв/л. Для
питьевой воды, согласно ГОСТ 2874-73, предельные нормы следующие: рН =
= 6,5 -г 8,5, сухой остаток < 1000 мг/л, хлориды < 350 мг/л, сульфаты
< 500 мг/л, общая жесткость < 7 мг-экв/л. Из сравнения следует, что не
всегда питьевая вода пригодна для приготовления эмульсий. В то же
время анализ вод, взятых из водопроводов в различных угледобывающих
районах, показал, что только в п. о. "Укрзападуголь" вода по всем
основным показателям соответствует требованиям для разбавления эмульсии.
В весенне-летний сезон в основном соответствует требованиям питьевая
вода в районе Донецка. Объясняется это, по-видимому, поступлением вод
по каналу из р. Северский Донец. В остальных районах жесткость
питьевой воды колеблется в пределах, недопустимых для приготовления
эмульсий. Таким образом, проблема водоподготовки становится одной из
важнейших при приготовлении эмульсии.
50

Для определения влияния качества воды на смазывающие свойства
в лабораторных условиях приготавливались эмульсии одинаковой
концентрации (3 %-ной) на водах разной жесткости. Вода для
приготовления эмульсии использовалась из емкостей 16 шахт различных
производственных объединений. Параллельно приготавливались эмульсии на тех
же водах с умягчением их кальцинированной содой до жесткости не выше
5,5 мг-экв/л. Остатки СаС03 тщательно удалялись из воды. За критерий
смазывающих свойств принимался индекс задира И3, полученный при
испытании на четырехшариковой машине ЧШМ-3 по ГОСТ 9490-75. При
увеличении жесткости воды от 3 до 15 мг-экв/л наблюдалось снижение
показателя И3 от 30,5 до 21,5 единиц (для сравнения — И3 масла Инду-
стриальное-50А примерно 32 единицы), а затем происходит рост
показателя. Но при испытании проб эмульсии, приготовленной на умягченной
воде, при одинаковой жесткости И3, как правило, выше у эмульсии,
приготовленной на необработанной воде. При снижении жесткости
умягченной воды ниже 4 мг-экв/л показатель И3 резко падает. Если
проанализировать смазывающую способность свежеприготовленных проб на
необработанной и умягченной воде каждой шахте, то в большинстве случаев
она выше на необработанной воде. Наоборот, стабильность эмульсии выше
на воде, умягченной кальцинированной содой.
Эмульсии, обладающие наиболее высоким И3, начинают почти сразу
расслаиваться, а через 1-7 сут полностью выделяют масляную фракцию,
которая вновь не создает эмульсии даже при самом тщательном
перемешивании в воде. Эта фракция представляет собой либо маслянистую
жидкость желтого цвета, отличающуюся внешне от эмульсола, либо
творожистую массу белого цвета.
Таким образом, стандартное определение смазывающей способности
на ЧШМ не может быть показательным для установления пригодности
эмульсии к эксплуатации, так при этом наблюдаются более высокие
показатели у заведомо непригодных к эксплуатации образцов.
Прогрессивным способом снижения жесткости воды является
электрохимическая очистка, разработанная Институтом горного
дела СО АН СССР. Установка водоподготовки по этому методу состоит из
электроконцентратора (диафрагменного электролизера), выпрямителя,
камеры хлопьеобразования, песчаного фильтра и гидрооборудования.
Электроконцентратор представляет собой аппарат, где графитовый анод
и катод из нержавеющей стали разделены тканевой диафрагмой. При
протекании низковольтного тока большей силы у электродов происходит
распределение ионов. Параметры тока обеспечиваются выпрямителем.
Камера хлопьеобразования и песчаный фильтр предназначены для
отделения образовавшегося осадка солей из каталита. При пропускании
постоянного электрического тока через водные системы у катода происходит
подщелачивание, у анода — подкисление. У катода протекает реакция
разложения молекул воды:
2Н20 + 2е = 20"+ Н2 t.
51

Таблица 6
Рабочие
жид-
(рабочая

концентрация)
вниинп-
117
(1,5 %)
59-Ц
(5-10%)
Состав
эмульсола,
%
Экстрат
селективной очистки
масляных
фракций 77-80
сульфонат
натрия 5,5-8;
нафтенат
калия 14-17;
бутиндиол
0,5-3;
каптакс
0,5-3;
хромелак
0,1-2,5
Масло
трансформаторное,
84-85;
кислота
олеиновая 9,5-10,5;
триэтанола-
мин, 5,5-6,5

Плотность
эмуль-
сииз
г/см
0,985
0,905
Вязкость
эмуль-
солл,
мм /с
14-30
(при
юо °о
Требования к
воде
Общая

жесткость
мг-экв.,
/л
5,8
3-5

содержание
хлор-
ионов,
мг/л
100
100
Условие
к

гированию

Дополнительный
подогрев
до 60-
70 °С
В воде
при
20-25 °С
в течение
10 мин

Совместимость
с рабо-
че-кон-
серваци-
онным
маслом

Совмещается
— »»
Противо-
корро-
зион-
ные

свойства

Вызывает
коррозию
деталей
крепи
У до влети


тельные

Стабильность
к

слоению

Стабильна
Не
стабильна

Способность к
пенооб-
разова-
нию

(кратность
пены)
0,2-18
0,0465

Дисперсный

состав
Разнород
ные
части
крупностью
1-8 мкм
То же,
110 мкм
токсич-
Выше
1,5%
Не
токсична

CJs
О
о
X ю
О се *
2 S &
о « «
н I * S
Б п К С
si
о A g
g I fc
ё§ I
* 5
(2
I Is
а
в *
о
о
о
00
»П 00
I I
СО ^-
оо
I
о я U
СО Q.O
1 е 2
I а°
о в о
СО ^ V)
О я °
I & о
Ю ^ *ч
CJS
О
Н ее
S 5
2 *
11
1!«
J S у ,
S 3 б |я
х *<g & о
a & 2 * н
ж о «
<"■"* СИ /ТЧ
*? 7 « *?
2 w <; w
Он СО
i?
53

13 8 18 33 £мин
Рис. 8. График зависимости ширины (Л) пятиа износа от времени треиия на машине
СИМ-3 при смазке эмульсией:
1 — питьевая вода; 2 - вода питьевая очищенная; 3 — вода шахтная; 4 — вода
шахтная очищенная.
В результате концентрация ионов гидроксила возрастает, увеличивается
рН, ионы Са" ~ и Mg + + связываются в труднорастворимые соединения,
оседающие в виде хлопьев при последующих операциях. Жесткость ана-
лита падает. После очистки каталит может смешиваться с аналитом в
пропорции, зависящей от исходной воды. Полученная вода идет на
приготовление эмульсии.
При пропускании через лабораторную установку, работающую по
такой же схеме питьевых и шахтных вод, жесткость воды снижалась
примерно в 2 раза, сухой остаток в 1,5-2 раза. Особенно сильно снижается
общая жесткость при больших ее значениях в исходной воде.
На очищенной электрохимическим способом воде приготавливалась
эмульсия, определялись ее стабильность, смазывающие свойства на
установке СИМ-3 и коррозионная способность. На рис. 8 в качестве примера
приведен график изменения ширины пятна контакта на торце
бронзового стержня, трущегося по периферии стального диска при смазке 3 %-ной
эмульсией АКВОЛ-3, приготовленной на питьевой и шахтной воде шахты
им. XXVI партсъезда п. о. "Краснодонуголь" и на тех же водах,
смягченных электрохимической очисткой.
Исследования позволяют сделать вывод, что смазывающая
способность эмульсии повышается при снижении жесткости воды. Но во всех
случаях шахтная вода при той же жесткости, что и питьевая,, позволяла
получать эмульсию с лучшими смазывающими свойствами. На шахтах
"Украина" п. о. "Ворошиловградуголь" и "Вергелевская" п. о./'Стаха-
новуголь" эмульсия, приготовленная на шахтной воде, имеющей низкую
жесткость, обладала лучшими смазывающими свойствами, чем эмульсия
на той же воде после умягчения.
54

10 Д Нагнетание
Подача боды
Рис. 9. Гидравлическая схема насосной станции НА-80/320/660 (ЧССР)
Стабильность эмульсии однозначно определялась жесткостью воды.
Во всех случаях при испытаниях стабильность обеспечивалась при
жесткости ниже 6,8 мг-экв/л. Коррозионная способность определялась в
основном значением рН. В пределах имеющегося опыта эксплуатации и
исследований можно считать необходимым сочетание общей жесткости
не более 6,8 мг-экв/л и рНне ниже 7,5.
Другое важное условие получения стабильной эмульсии — ее
тщательное перемешивание и дробление эмульсола до частиц, меньше
4—5 мкм.
Конструкция перемешивающих устройств зависит в значительной
мере от растворимости эмульсола в воде.
На рис. 9 показана гидравлическая схема насосной станции НА-80/320/
/660 (ЧССР) в исполнении Р2, т. е. с одним нагнетающим насосом.
Подающим насосом 7, приводимым электродвигателем 2, через фильтр 3
эмульсия из бака 18 подается на всас насоса высокого давления 7,
приводимого от электродвигателя 8. Эмульсия под высоким давлением
поступает в линию нагнетания и на зарядку аккумулятора 11 объемом 32 л.
Сливаемая из системы эмульсия через фильтр слива 13 или клапан 12
возвращается в бак 18.
Насосная станция имеет необходимые блокировки, воздействующие
на датчики давления 4, гидравлический клапан отключения 9. Вентиль
10 соединяет станцию с линией нагнетания. Контроль давлений,
развиваемых подающим насосом 1 и насосом высокого давления 7,
осуществляется манометрами б с вентилями 5.
55

Рис. 10. График выбора Рис.11. Смесительное устройство
умягчителей эмульсии насосной станции фирмы "Хаухин-
ко" (ФРГ)
Устройство для приготовления эмульсии состоит из бака 14 для
эмульсола вместимостью 33 л, смесительного сопла эжекторного типа
17. При приготовлении эмульсии вначале открывается кран 16 подачи
эмульсола, затем кран 15 подачи воды. Вода протекает через
смесительное сопло, подсасывая эмульсол из бака 14. Процесс отрегулирован
таким образом, что концентрация при смешивании выше требуемой.
Поэтому перекрывается подача эмульсола, а затем добавляется
количество воды, обеспечивающее нужную концентрацию. Минимально
допустимая концентрация эмульсии — 3 %. В качестве эмульсола используется
ЭМУЛЬЗИН.
Если общая жесткость воды в 1,5 раза превышает требуемую,
допускается умягчение ее добавлением кальцинированной соды в
количестве 0,6 г/л; при превышении общей жесткости в 2 раза — добавлением
0,8 г/л.
Изменение кислотности эмульсии (норма рН= 7 •*- 9) также
осуществляется добавлением определенного количества кальцинированной
(рис. 10) или кристаллической соды (по массе в 2,7 раза большей, чем
кальцинированной). Например, необходимо у 1000 л эмульсии изменить
рН с 7 на 8. Согласно графику (см. рис. 10) для 100 л рН-7 соответствует
50 г, а рЯ-8 - 97 г кальцинированной соды. Поэтому для 1000 л
необходимо добавить 470 г кальцинированной или 1269 г кристаллической
соды. Контроль кислотности эмульсии производится еженедельно с
помощью лакмусовой бумажки — сравнением полученного цвета с
эталонным.
На рис. И показана конструкция смесительного устройства
насосной станции фирмы "Хаухинко" (ФРГ). В корпус 2 вставлено сопло 3
для подачи воды и дроссельная втулка 1 для подачи эмульсии.
Концентрация получаемой эмульсии определяется диаметром отверстия во
втулке 1. В комплекте смесительного устройства имеется несколько
таких втулок с разными диаметрами отверстий. Вода подается под
давлением 0,1-0,4 МПа при ее расходе 15—40 л/мин. В тех случаях, когда
растворимость эмульсола в воде ограничена, используются специальные
установки для приготовления эмульсий*
56

19 18 17 16 15 1<t
Рис. 12. Гидравлическая схема установки УПЭ-1:
1 — бак для присадки; 2 — кран; 3 — бйк для приготовления концентрата; 4 —
мотор-редуктор; 5 - бесконтактное реле контроля уровня; 6, 8, 10, 11, 12, 14, 15 19 -
вентили; 7 - патрубок для подсоединения к водопроводу; 9 - термореле; 13 -
насос; 16, 18 — заглушки; 17 — коллекторы; 20 — бак для приготовления
эмульсии; 21 — диспергирующая сетка; 22 — нагреватели
Инструкциями по приготовлению эмульсии [32] рекомендуется для
этой цели установка УПЭ-1, гидравлическая схема которой приведена
на рис. 12, или устройство (рис. 13), которое в случае отсутствия
установки УПЭ-1 можно изготовить силами шахты или ЦЭММ. Принцип
работы этих устройств понятен по их схемам. В этих конструкциях
размешивание эмульсола в воде производится механически.
На многих шахтах эмульсия приготавливается на установках
перемешиванием за счет циркуляции эмульсии с помощью насосов.
Наилучшие результаты для приготовления эмульсии показала установка, впервые
примененная на шахте "Украина" п. о. "Красноармейскуголь". Такие
же установки нашли широкое применение на шахтах п. о. "Павлоград-
уголь", "Красноармейскуголь" и др. Сердцевина установки -
ультразвуковой гидродинамический излучатель УГИ-ВМ, принципиальная
схема которого показана на рис. 14.
Вода подается в камеру, создаваемую крышкой 2 и корпусом 3,
затем поступает в коническую щель между улиткой 4 и эжектором 1
и по имеющейся здесь спиральной нарезке 6 между корпусом и улиткой
в камеру смешивания 5, образуя вихревой гидродинамический поток.
Вакуум на выходе из эжектора засасывает присадку, которая в мощных
57

Присадка | . - • Вода
В канализацию
« —
8 7
Эмульсол
Рис.
Эмульсия
13. Гидравлическая схема
устройства для приготовления эмульсий:
1 - бак для приготовления концентрата;
2, 5, б, 7, 9, 14 - вентили; 3 - бак для
приготовления эмульсии; 4 - нагнетательный
патрубок; 8 - насос; 10 - патрубок для
подвода воды; 11 - перегородка; 12 -
уплотнение; 13 - рамка с диспергирующей сеткой;
15 - патрубок для подачи присадки; 16 -
приспособление для смешивания присадки и
воды вручную; 17 - патрубок для подачи
подогретой воды
Рис. 14. Схема ультразвукового
гидродинамического излучателя
вихревых потоках, создающих ультразвуковые колебания, смешивается
в камере 5 с водой и дробится на частицы размером 2,5-4 мкм. Степень
дробления и концентрация эмульсола зависит от скорости протекания
воды и величины зазора между наконечником эжектора и коническим
отверстием улитки. Производительность излучателя зависит от его
конструктивных параметров и подачи водяного насоса. Установка
позволяет одностадийно приготавливать эмульсию с высокой степенью диспер-
58

8 вагон
16
I
4=
15
»*щщ
&
to з
Рис. 15. Гидравлическая схема установки для приготовления и регенерации
эмульсии с УГИ-ВМ
сионности и быстро ее регенерировать. Производительность установки
высокая, а изготовление несложное. Лабораторные анализы показали, что
стойкость эмульсий, приготовленных с помощью излучателя УГИ-ВМ,
выше, чем эмульсий, сделанных другими способами при прочих равных
условиях.
Схема установки для приготовления и регенерации эмульсии
приведена на рис. 15. Подогреваемый радиатором 7 эмульсол закачивается
насосом 2 в промежуточный бак 3, оттуда поступает на излучатель 8.
Умягченная и подогретая до 60—70° С вода подается насосом 13 из бака для
умягчения воды 16 в излучатель S. Эмульсол поступает переключением
вентиля б либо в вагон для транспортировки эмульсии, либо в
резервную емкость 7 с пружинами весовых датчиков 9. При приготовлении
эмульсии открыты 4, 5, 72, 14 вентили. Для регенерации эмульсии в
резервной емкости открываются вентили 10 и 11, а вентили 4, 5, 12, 14
закрываются. В этом случае насос 13 подает отстоявшуюся за несколько дней
эмульсию из бака 7 через излучатель в вагон или вновь в бак 7. Опыт
эксплуатации показал, что применение установки не только улучшило
качество эмульсии, но и снизило ее расход. Если до применения
установки с излучателем удельный расход эмульсии составлял 75 г на I т
добытого угля, то после ее применения снизился до 35 г на I т. Для удобства
регулировки и обслуживания на установках, применяемых на шахтах,
устанавливаются параллельно два излучателя с возможностью отключения
одного из них.
На рис. 16 показана гидравлическая схема установки УГДЭ-1,
разработанной для приготовления эмульсии Гипроуглемашем.
Насосом 18 с электродвигателем эмульсол из специальной емкости
16 подается в бак 20, вставленный в бак для воды 79, имеющем
устройство для ее подогрева, что обеспечивает температуру в баке 20 в пределах
(35 -5- 40) °С. С помощью электромагнитного вентиля 13 эмульсол по-
59

водопровод
>
\т
/
ПУ
/
шу\
/
//
10
Рис. 16. Гидравлическая схема установки УГДЭ-1
дается на сдвоенный ультразвуковой гидродинамический излучатель 8.
На этот же излучатель с помощью электромагнитного вентиля 4 подается
вода либо из водопровода, либо из бака водоподготовки. В последнем
случае используется лопастной насос 2. Предварительное смешивание
эмульсола и воды производится в струйном насосе 7.
В системе предусмотрен датчик концентрации эмульсии
колориметрического типа 11, сигнал от которого поступает на пульт управления
10 и шкаф управления 9, воздействующие на регулирующий клапан
5, увеличивающий или уменьшающий подачу воды в смеситель. Уровень
воды в баке 19 контролируется уровнемерами 22 и 24 и реле контроля
уровня 23, а температура воды и эмульсола - датчиками 21 и 75. Ручное
запирание баков производится пробковыми кранами 14 и 5.
Один из способов повышения дисперсности эмульсии — применение
гидродинамических диспергаторов. Суть его заключается в придании с
помощью сопел большой скорости струе жидкости, подаваемой под
давлением, и в ударе этой струей по неподвижной стенке. По данным ВНИИГид-
ропривода [41 ], испытывавшего такой диспергатор в течение 2000 ч, в
станках на масле Тп-22 к концу испытаний по сравнению с контрольными
станками на 2—4 класса был ниже класс чистоты, в 1,5 раза уменьшалось
кислотное число, в 3—5 раз была ниже концентрация механических
примесей, в 2 раза ниже содержание железа, характеризующего
интенсивность изнашивания. Объясняется это дроблением как механических
примесей, так и присадок к маслам. По мнению многих авторов, в промыш-
60

ленных гидроузлах частицы размером меньше 5 мкм не оказывают
существенного влияния на износ, так как нивелируют шероховатость и
интенсифицируют теплопередачу. Применение диспергаторов на выходе
сливного трубопровода гидравлического комплекса позволит вновь
размешивать выделившуюся масляную фракцию и снизит негативное
влияние механических примесей.
Испытания диспергаторов в насосных станциях гидрокрепей
показали, что их действие должно быть кратковременным, в то время как при
продолжительном возникает деструкция эмульсии - она теряет свои
смазывающие свойства. По-видимому, степень дробления частиц эмуль-
сола переходит нижнюю допустимую границу крупности.
В то же время, по некоторым данным, диспергаторы разрушают
присадки в высоколегированных маслах, что резко сокращает срок службы
последних.
2.2.2. ОПЫТ ЭКСПЛУАТАЦИИ И ПУТИ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
Наиболее важный показатель пригодности эмульсии к эксплуатации —
соответствие требованиям к ней по концентрации присадки. По данным
[27], снижение концентрации присадки в эмульсии на 30 % приводит
к потере ею антикоррозионных свойств и коагулированию
мелкораздробленных мицел диаметром 2,5—5 мкм в мицелы 25 мкм и более.
Даже если снижение концентрации не столь велико, то уменьшение срока
службы насосных установок пропорционально отношению:
С °'5
п min
т~ (- .) .
пном
где Simin' ^пном ~ фактическое и номинальное содержание присадки.
Понижение количества мелкораздробленной присадки (2,5-5 мкм)
также приводит к снижению долговечности насосных установок, т. е.
ном
где Wmjn - отношение мицел диаметром 2,5-5 мкм к их общему
количеству в эмульсии, WH0M =0,85 - то же отношение, необходимое для
оптимальной работы эмульсии в насосных установках.
Таким образом, уменьшение концентрации присадки ниже
требуемой снижает долговечность и по первому и по второму фактору.
Испытания эмульсии рядом организаций на ЧШМ-3, а также наСИМ-3
показали идентичные результаты: наилучшие показатели по
износостойкости для ВНИИНП-117 при концентрации эмульсола 1,5-2 % (рис. 17, а)9
для АКВОЛ-3 - 1,8-2,2 % (рис. 17, б). Можно считать нормативную
концентрацию для ВНИИНП-117 несколько заниженной, а для АКВОЛ-3 -
61

a
и3
50
чи
ЯП
Z0
/
^
—
—
7*
Рс.Рк
Z
J
3
,н 6
и3
1Z50 50
WOO 40
750 30
500 Z0
/
/
\
\
\
——
У
^
^
к
г
3
0,5 1 1,5 Z %
Л."
1Z50
ЩО
750
500
5 %
Рис. 17. Графики зависимости критической нагрузки РкСО> нагрузки сваривания
PQ (2) и индекса задира Иъ (S) от концентрации эмульсола для эмульсий ВНИИНП-
117 (а) и АКВОЛ-3 (б)
завышенной. Снижение противоизносных свойств при превышении
концентрации эмульсола выше оптимальной можно объяснить, по-видимому,
облегчением условий для коагуляции частиц.
Опыт приемочных испытаний эмульсолов по их техническим
условиям показал, что эмульсии во всех случаях соответствуют ТУ по
внешнему виду, вязкости и удельному весу, но значительная часть
исследованных эмульсолов не выдерживает требований по скорости
эмульгирования. На практике такие эмульсолы "подсушивают", т. е. длительно
выпаривают при температуре 70—90 °С. На некоторых шахтах с целью
повышения эмульгируемости эмульсол разбавляют горячей (более 90° С)
водой, что, однако, не дает нужного эффекта, так как при охлаждении
эмульсол выделяется из эмульсии.
Важно отметить, что эмульсолы, не соответствующие ТУ по
скорости эмульгирования, не соответствуют требованиям и по стабильности
при хранении. Это доказывает, что в принципе для контроля эмульсола,
кроме соответствия внешнего вида, достаточно определить скорость
эмульгирования, т. е. возможен экспресс-анализ. Следует обращать
внимание на условия перевозки эмульсола. Если в емкости, предназначенной
для перевозки, имеются остатки бензина или солярки, то, как правило,
эмульсол не соответствует ТУ даже по внещнему виду.
Выше указывалось, что обеднение эмульсии, т. е. снижение
концентрации эмульсола, в процессе работы крепи неизбежно в начале эксплуатации,
когда детали покрываются защитной пленкой эмульсола. К этому же
приводит разложение эмульсии из-за негодных компонентов (воды,
эмульсола), под действием анаэробных бактерий, при отделении маслянистой
фракции на фильтрах, особенно глубинных, где значительная часть ячеек
всегда имеет размеры, соизмеримые с величиной частиц эмульсола.
В то же время многочисленные определения концентрации
эмульсолов по всей линии комплекта крепи показали, что под действием
давления в системе обеднения эмульсии не происходит. Во всех случаях
снижения концентрации имела место доливка менее концентрированной или
62

разложившейся эмульсии после восстановления нарушений в
трубопроводах.
Одна из часто встречающихся причин разложения эмульсий —
жизнедеятельность тиосернистых, анаэробных бактерий. При этом выделяется
сероводород, по запаху которого можно судить о процессе разложения
эмульсии. Усиленному разложению бактерий способствует ряд условий:
избыточное давление, недостаток кислорода, повышенная температура,
наличие серы в нефтепродуктах, наличие поверхностей раздела между
водой и нефтепродуктом, минерализация воды сульфатами. Катализаторами
процесса могут быть попавшие в эмульсию органические загрязнения,
пыль, металлические стружка и опилки. Жизнедеятельность бактерий
активизируется при отсутствии света. Все эти причины существуют в
условиях работы гидроприводов механизированных крепей.
Под действием бактерий, во-первых, эмульсия разлагается, что
приводит к повышенному износу деталей; во-вторых, выделяются
смолистые сгустки, попадающие в зазоры и заклинивающие их; в-третьих, выде-.
ляется сероводород, под действием которого происходит сероводородная
коррозия, и, наконец, усиливается электрохимическая коррозия
вследствие образования коррозионных наростов на поверхности металла,
усиления аэрации и концентрации кислорода на микробном наросте,
катодной диполяризации, разрушения предохранительного покрытия на
поверхности металла. Все эти факторы действуют одновременно или
последовательно.
Весь процесс, включая катодную диполяризацию, можно описать
следующими реакциями:
8Н20 -> 80Н- + 8НГ;
4Fe ан-2д 4Fe + + + 8e;
8Н* + 8е - 8Н;
S04"+8H 6-^KTS"+4H20;
Fe + + + S" - FeS;
3Fe + + +60H"-> 3Fe(OH)2.
Основной реакцией является превращение сульфатов в сероводород,
что подтверждается интенсивным развитием бактерий в эмульсиях,
приготовленных на осветленных шахтных водах, в которых содержалось
большое количество сульфатов.
Лабораторные и промышленные испытания позволили разработать
ряд мероприятий, позволяющих исключить бактериологическое
заражение эмульсий. К ним относится промывка крепи после изготовления
или ремонта 1 %-ным раствором формалина, добавление в эмульсол при
приготовлении 0,5 % формалина (аналогично его добавлению в АКВОЛ-2
и АКВОЛ-10, используемых в качестве смазочно-охлаждающих жидкостей
в машиностроении), приготовление эмульсии на воде с жесткостью не
более 6 мг-экв/л, усиленная аэрация сжатым воздухом зараженной
жидкости и др.
63

Известно, что конструкция радиально-поршневых насосов с
клапанным распределением (к ним относится насос типа ВНР—основной узел
наиболее широко применяемых насосных станций типа СНУ-5) - не
предъявляет высоких требований к рабочей жидкости как по
загрязненности, так и по смазывающим свойствам. Объясняется это отсутствием
распределительной пары ось—ротор, являющейся наиболее слабым местом
радиально-поршневых насосов с радиальным распределением. По
техническим решениям и технологии изготовления насосы типа ВНР не
уступают лучшим зарубежным образцам. Об этом свидетельствует опыт их
использования во многих странах. И все же долговечность этих насосов
даже на хорошей эмульсии ниже, чем насосов, работающих на
минеральных маслах.
Следовательно, основной причиной меньшей долговечности
гидроузлов механизированных крепей можно считать работу на эмульсиях.
У всех эмульсий имеется два принципиальных недостатка:
чрезвычайно низкая вязкость и то, что эмульсии не являются истинными
растворами.
Можно ожидать создания и внедрения в промышленность эмульсолов-,
диспергирующихся в водах с высокой жесткостью. Проверка всех типов
выпускаемых в мире эмульсолов показали, что их стабильность
выдерживается при жесткости воды до 5,5 мг-экв/л, кроме масла Анволь Ц,
эмульгирующегося при жесткости воды до 14,3 мг-экв/л. Но все эмульсии
оказывают вредное действие на резиновые уплотнения, все они склонны к
бактериологическому заражению. При эмульгировании неизбежно
образование мицел (частиц масла) разных, часто достаточно крупных
размеров, что является причиной кроме низкой стойкости эмульсии, на что уже
указывалось, залипания зазоров в управляющих гидроузлах и фильтрах
и снижения защитных свойств. Установленная норма стабильности (1 сут)
для отечественных эмульсий явно недостаточна, так как даже при замене
рабочей жидкости в насосной станции она остается в подпоршневых
полостях гидродомкратов, где ее разделение на фракции или
бактериологическое заражение приводит к быстрому выходу из строя деталей
гидрокрепей.
Основным направлением для создания рабочих жидкостей является
разработка водных сред, приготовленных на базе синтетических
жидкостей, полностью растворяющихся в шахтной воде с любой жесткостью.
Направление исследований зависит от сырьевой базы. В ПНР такие
жидкости изготавливаются на базе полигликолевых полимеров, в ФРГ —
сульфамидных соединений, в Великобритании - органических
полифосфатов, во Франции — полигликолей.
Во всех случаях в жидкие концентраты добавляют ингибиторы
коррозии, обеспечивающие антикоррозионную защиту стали и меди для
2 %-ных растворов концентрата, разбавленного водой с максимальной
минерализацией. Фирма "Унтерглад" (Шотландия) демонстрировала
на выставке "Нефтегаз-Европа 1982" гликолевую жидкость,
разбавляемую даже в морской воде. Судя по результатам испытаний, жидкость
обладает высокими антикоррозионными и смазочными свойствами. Про-
64

центное содержание синтетических концентратов в рабочих жидкостях
2-5%, вязкость ее (1-1,5) мм2/с.
Промышленные испытания подтвердили преимущества рабочих
жидкостей, приготовленных на синтетических концентратах, перед
рабочими жидкостями, приготовленными на базе эмульсий. Увеличилось
быстродействие узлов управления крепи из-за отсутствия заштыбовки
резиновых рукавов и залипания зазоров в системах управления. Резко
упростилось приготовление водных растворов, так как допускалось
применение воды жесткостью до 21,3 мг-экв/л. Через 6 мес
эксплуатации не было никаких следов коррозии на поверхностях золотников и
гидродомкратов, выборочно снятых с крепи.
При разработке рабочих жидкостей для гидравлических крепей
необходимо учитывать их консервационные способности. Если
заводские испытания проводятся на эмульсиях, то возможны повреждения
отдельных элементов гидрокрепи при транспортировке ее в зимний
период с остатками эмульсии, замерзшей в отдельных местах
гидравлической системы. Поэтому испытания следует проводить на морозостойкой
жидкости, консервирующей детали при хранении и транспортировке,
незамерзающей в зимний период и саморастворяющейся (или
самоэмульгирующей) при минимальных температурах угольного забоя. Кроме того,
эта консервационно-испытательная жидкость должна быть
совместима с рабочими жидкостями эксплуатируемых механизированных
крепей, а результаты испытаний на этой жидкости однозначно
соответствовать результатам испытаний на рабочих жидкостях.
Исследования показывают, что в этом отношении истинные
растворы имеют значительные преимущества перед эмульсиями.
Важным недостатком всех эмульсий и малоконцентрированных
растворов является их низкая вязкость. Повышение последней до 12—
20 мм2/с резко бы снизило утечки в гидросистемах, повысило бы в 2—
3 раза долговечность насосов и намного повысило долговечность
гидрокрепей. Быстродействие элементов гидрокрепей снизилось бы
незначительно, так как прекратилось бы засорение зазоров частицами
разложившейся эмульсии. Переход на более вязкие жидкости позволил бы
уменьшить затраты труда на транспортировку и заливку рабочей
жидкости в систему, техническое обслуживание комплексов.
Экономические выгоды от указанных факторов перекрыли бы
убытки от повышения стоимости рабочих жидкостей. Анализ показал, что
наиболее перспективным по физико-химическим показателям и стоимости
для создания таких средневязких огнестойких рабочих жидкостей
являются этиленгликолевые жидкости, применяемые сейчас в качестве
антифризов в авиации и автотранспорте.
2.3. Рабочие жидкости для гидромуфт
В настоящее время в гидромуфтах в основном применяются те же
эмульсии, что и в механизированных комплексах или (в районах
Крайнего Севера и в отдельных муфтах лав с индивидуальной крепью)
маловязкие масла типа веретенного АУ, индустриального И-12А или И-20А.
5-^1
65

Рабочая жидкость для гидромуфт выбирается из условий герметизации
муфты и допустимых утечек, максимальной температуры, допускаемой
рабочей жидкостью с необходимым запасом, температурно-вязкостной
характеристики, теплоемкости и температуропроводности жидкостей,
определяющих нагрев гидромуфты и теплоотвод.
Проблема выбора рабочих жидкостей для гидромуфт тесно связана
с условиями пожарной безопасности. Поскольку сглаживание пиков
нагрузки гидромуфтами производится за счет нагрева жидкости, основным
требованием к рабочей жидкости гидромуфт является ее огнестойкость.
Исследования ИГД им. А.А. Скочинского показали, что чем выше
вязкость рабочей жидкости, залитой в гидромуфте, тем ниже к. п. д.,
и наоборот. При нагреве масла И-12Аот 10 до 110*°С вязкость изменилась
в 20 раз. К.п.д. почти не изменялся в диапазоне температур (20 -^50) °С
и повысился на 1 % при изменении последних от 50 до ПО °С. Поскольку
в расчетном режиме характеристики муфты весьма жесткие, такое
изменение к.п.д. приводит к значительному повышению передаваемого
крутящего момента и потере муфтой в значительной мере
демпфирующих свойств.
В работе [9], посвященной выбору рабочих жидкостей для
гидромуфт, рассмотрены результаты исследований, позволивших отказаться
от минеральных масел. Наиболее практичной жидкостью является вода
без присадок—простая, недефицитная, неограниченно долго сохраняющая
свои свойства в любых условиях, не требующая затрат на приготовление,
контроль и поддержание химсостава.
.Переход от масла к воде позволяет примерно в 1,5 раза повысить
передаваемый момент при тех же габаритах гидромуфты или на 10 %
снизить диаметральный размер гидромуфты при том же передаваемом
моменте. Объясняется это тем, что передаваемый момент увеличивается
с ростом плотности или с падением вязкости рабочей жидкости.
Поскольку коэффициент теплопроводности воды в 5 раз выше, чем у масла, а
коэффициент теплоемкости выше в 2 раза, существенно облегчается
отвод тепла от гидромуфты.
В то же время применение воды в рабочей жидкости предъявляет
дополнительные требования к конструкции, требует повышенного
внимания при заливке и доливке жидкости, так как возможен взрыв
гидромуфты под действием смеси паров воды и газа. Объем заливаемой
жидкости определяется по формуле
V0(l+ aMAt°)
V <
ж 1+ажДг°
где VQ — внутренний объем гидромуфты, ам>аж— коэффициенты
объемного температурного расширения соответственно металла и жидкости;
At0 =/?-$;*?— принятая предельная температура, t% — начальная
температура.
Во всех случаях объем заливаемой жидкости должен быть на 15 %
меньше объема гидромуфты. Расчеты показывают, что максимальное
66

суммарное давление на стенки гидромуфты от парогазовой смеси и
центробежных сил может достигнуть 3,5 МПа. Причем величина давления не
зависит от содержания воды в эмульсии, если она на водной основе.
Такое давление требует значительного увеличения толщины стенок и т. д.
Поэтому кроме тепловой (эксплуатационной) защиты, отключающей
гидромуфту при температуре ~ 120°С без выброса части жидкости,
необходима тепловая защита (предупредительная), выбрасывающая часть
жидкости при расплавлении вставки при температуре ~~ 150 °С, и,
наконец, защита по давлению — аварийная, вступающая при
неправильной эксплуатации, когда давление достигнет (0,9 -г 1,2) МПа. При этом
температура перегретого пара в гидромуфте доходит до 170 °С.
Анализ работы экспериментальных муфт на воде показал, что в
условиях замкнутого пространства вода не корродирует алюминиевые
детали гидромуфты, так как за 4 ч работы кислород из воды оказался
связанным, а окисленная при высокой температуре пленка стала
защитной. Стальные детали, покрытые цинком, также показали достаточно
высокую стойкость против коррозии, причем стойкость этих деталей
выше, чем у деталей, покрытых кадмием. Поскольку окись алюминия
в присутствии щелочей и некоторых солей, особенно хлоридов, склонна
к образованию растворимых соединений, следует ограничивать
щелочность воды и содержание в ней хлоридов.
На работоспособность гидромуфты оказывает влияние
загрязненность рабочей жидкости абразивными материалами. Наличие песка в
жидкости может, например, вдвое сократить долговечность гидромуфты.
В то же время глинистые загрязнения до некоторой степени являются
смазочным материалом. Исследованиями И.К. Бикбулатова доказано,
что в глинистых растворах с абразивами износ на 30 % ниже, чем в воде
с теми же абразивами. Переход на водные эмульсии приводит, как
указывалось, к значительным утечкам из-за низкой стойкости уплотнений
при высоких температурах. Малая вязкость эмульсий ведет к частым
доливкам. Создание надежных торцевых или радиальных
металлических уплотнений, работающих при высоких температурах, для
гидромуфты было бы, вероятно, наилучшим решением, но в настоящее время
фактическая долговечность таких уплотнений ниже требуемой.
Поэтому переход на воду без присадок, имеющей крайне низкую
смазывающую способность, в настоящее время, по-видимому,
преждевременен.
Анализ причин выхода из строя гидромуфт показал, что рабочая
жидкость влияет на резину уплотнений, ускоряя ее старение. После потери
уплотнениями эластичности увеличивается течь, возникает
необходимость в доливках, при недостатке эмульсии повышается температура
жидкости, срабатывают защиты, что еще больше усложняет работу и т. д.
Особенно заметно это явление на шахтах, где концентрация эмульсола,
заливаемого в гидромуфты, низкая, а загрязненность эмульсии
абразивными частицами высокая. Приготовление качественной эмульсии для
гидромуфт усложняется на тех шахтах, где нет механизированных крепей и,
следовательно, специальных установок для приготовления эмульсии.
67

В большинстве зарубежных стран, как указывалось, даже при
использовании эмульсия "масло в воде" в гидрокрепях для гидромуфт
конвейеров и стругов применяют безводные синтетические жидкости или
эмульсии "вода в масле", имеющие повышенную вязкость. Такое
решение при удовлетворительной совместимости с материалом уплотнений
позволяет сократить утечки и повысить долговечность гидромуфт.
2.4. Минеральные масла для объемных гидросистем
Высокая оснащенность угольной промышленности механизмами,
в том числе гидравлическими, привела к большому объему
потребляемых отраслью нефтепродуктов. По данным работы [12], в 1977 г.
техническими документациями на горные машины требовалось применение
47 марок смазочных масел, в том числе [44] 10 марок — для
использования в гидросистемах. В 1978-1981 гг. в отрасли прошла унификация,
в первую очередь за счет применения для смазки редукторов ГШО
смазки "Шахтол". Попытки использовать эту жидкость для работы в
гидросистемах горных машин закончились неудачно. Требования к маркам масел
для гидросистем с 1982 г. [7] определяются типом насоса (табл. 7).
Эти же жидкости, естественно, используются и работающими в одной
гидросистеме с насосом гидродвигателями и гидроустройствами.
Из анализа данных табл. 7 следует, что число основных марок масел
снизилось до 5; с учетом возможных замен и без учета работы на
горючих маслах И-12Аили И-20А гидрокрепей и гидромуфтах в условиях
Крайнего Севера, а также унифицируя жидкости в НБ1М и 2ПНБ2, возможно
ограничение двумя марками масла — И-40А и Т-22.
Сравнивая применяемые масла по вязкости, можно заметить, что
даже для тех же гидроузлов требуемая величина вязкости выше, чем ранее
применявшаяся. Так, для насосов 937, 207» 32, Н-400Е основное
рекомендуемое масло имело вязкость ~ 30 мм2/с при 50°С, ныне
рекомендуется 40 мм2/с. Как и прежде, в качестве основного масла для
гидросистем рекомендуется нелегированное масло И-40А, отличающееся от
прежнего И-45 более высоким индексом вязкости, более высокой
температурой вспышки, применением кислотно-щелочной очистки для
малосернистых нефтей и селективной для сернистых нефтей. Повысилась их
стойкость, снизилась способность к разложению.
Из опыта эксплуатации общепромышленного гидропривода следует,
что индустриальные масла без присадок по ГОСТ 20799-75 (И-12А,
И-20А, И-30А, И40А, И-50А) допускается применять при температуре не
выше60 °С и давлении до 10 МПа. В гидросистемах, где температура выше
60 °С, а давление достигает 20 МПа, рекомендуются турбинные масла
(ГОСТ 9972-74) с антиокислительной, противокоррозионной и проти-
вопенной присадкой Тп-22, Тп-30, Тп46 или их заменители без присадок
(Т-22, Т-30, Т46), имеющие меньший срок службы.
Для гидросистем с давлением выше 16 МПа нужны масла серии ИГП
(ТУ38-101413—73), легированные противоизносными
антиокислительными, противопенными и антикоррозионными композициями присадок.
68

Таблица 7
Насосы
Радиально-поршневые:
НП-120
1НП-200
Аксиально-поршневые
с силовым карданом
937
Бескарданные
207.32; 210.32
С наклонной
шайбой РНАС
Поршневые
эксцентриковые типа
Н(Н-400Е, Н401Е,
Н-403Е):
Н-400Е
Н-400Е
Шестеренные типа
Н(НШ-32У, НШ46У, 1
НШ50-2; НШ-67,
НШ-100-2)
Радиально-порш-
невых с
клапанным распределением
ВНР-32/20
Место установки
Гидравлические
механизмы подачи типа Г
То же
Механизм подачи
типа "Урал" и
проходческие машины
Могут быть рекомен-'
дованы для
механизмов подачи
Гидравлические
лебедки
рекомендованы для
механической подачи
Погрузочные
машины 2ПНБ2, 1ПНБ2
Навесное
оборудование НБ1М к
погрузочным машинам
2UUB2
Проходческие и
буровые машины
Механизированные
крепи в условиях
Крайнего Севера.
Гидромуфты, там же

Давление
номинальное,
МПа
13
11,4
5,2
16
32
20
20
10-14
32
Рабочая
основная
ИГП-38
И-40А
И40А
Т-22
И-20А
И-40А
И-40А
И-12А
жидкость

допускаемая
И-40А
с5-10%
присадки
КП2
-
И-30А
вниинп-
403
—
И-30А
И-20А
Из табл. 7 видно, что только для радиально-поршневых насосов
типа НП и аксиально-поршневые 937 рекомендованы оптимальные марки
масел. Во всех остальных случаях целесообразно использовать масло
ИГП-38 (как рекомендовано в ОСТ 12.14.191-81) для гидроузлов,
требующих более высокой вязкости (вместо И40А) и ИГП-18 или
ИГП-30 для аксиально-поршневых насосов типа РНАС.
Масло ВНИИНП-403 близко по качеству маслу ИГП-30, уступая
последнему по вязкостно-температурным свойствам, температурам
застывания и вспышки, содержанию механических примесей. Масла серии
69

ИГП могут в значительной мере повысить работоспособность горных
машин, но выпуск их в настоящее время ограничен и не может
удовлетворить потребность угольной промышленности. Остродефицитными
являются и турбинные масла. Поэтому конструкторы вынуждены идти
на применение масел И-40А и И-ЗОА. Легирование масел присадкой КП-2,
как уже указывалось, не может дать эффекта при добавлении ее в
условиях угольных шахт. Даже на машиностроительных заводах нет
установок для придания маслу определенной температуры, дозированного
добавления, тщательного размешивания и т. д. Более целесообразно,
по-видимому, организовать как временную меру централизованное
добавление присадок в масло И40А на складах УМТС производственных
объединений или по возможности, применять масло ВНИИНП-403 или
МГ-ЗОМ, изготавливаемое на основе масла ИС-30 с добавлением
антиокислительной, депрессаторной и противопенной присадки. Предназначено
масло МГ-ЗОМ для работы в гидроприводах строительных, дорожных,
подъемно-транспортных и других машин. При *>5о = (27 -г 33) мм2/с это масло
допускает давление до 25 МПа и может быть рекомендовано как
временный заменитель для аксиально-поршневых (кроме РНАС), поршневых
эксцентриковых и шестеренных насосов.
Анализ фактического состояния рабочих жидкостей показал, что
за последние годы повысилась культура технического обслуживания
машин. В 80 % механизмов подач "Урал-37" и в 40 % механизмов подач
типа Г масло по вязкости соответствовало норме. В остальных случаях,
как правило, вязкость на 25—30 % была ниже рекомендуемой, а жидкость
представляла собой смесь индустриальных масел, зачастую с добавлением
веретенного масла АУ по ГОСТ 1642—75, предназначенного для работы
при низких температурах и поэтому снижающего вязкость смеси. Следует
учесть, что веретенные масла не должны эксплуатироваться при
температурах выше 50—60°Си только кратковременно допускается
повышение температуры до 90 °С. Поэтому применение веретенного масла при
эксплуатации тяжело нагруженных машин ведет к его разложению. Тем
не менее анализ масел в комбайнах, добывающих более 2000 т/сут в
тяжелых условиях, показал, что в некоторых случаях там залито
веретенное масло с вязкостью не более 14 мм2/с при 50°С при норме
40 -г 50 мм2/с. Это приводит к сокращению срока службы гидроузлов
в 3—4 раза по сравнению с нормативным.
В гидросистемах проходческих комбайнов вязкость, как правило,
в 1,5—2 раза ниже требуемой. Заправка гидросистем не
предусмотренными документациями рабочими жидкостями объясняется недостаточной
унификацией их в отрасли.
Одна из причин снижения долговечности гидроузлов — высокая
загрязненность рабочих жидкостей твердыми и жидкими примесями.
Подробно этот вопрос рассматривается в 4.2. Можно указать, что за
счет сокращения номенклатуры рабочих жидкостей до 2-3 сортов в
отрасли, расфасовки их в емкости по 10-20 л обязательное применение
заливочных устройств, герметизация емкостей с созданием условий для
70

"дыхания" машины, с надежной системой очистки рабочих жидкостей
от примесей, работоспособность залитого на заводе масла будет
сохраняться, как минимум, в течение 2—3 лет.
2.5. Огнестойкие жидкости
В различных областях техники в качестве огнестойких заменителей
смазочных материалов, рабочих и специальных жидкостей на нефтяной
основе применяют полигликоли, эфиры фосфорной кислоты, сложные
эфиры двухосновных кислот, полимеры хлорфторуглеводородов,
силиконы, эфиры ортокремниевой кислоты и некоторые другие.
Оценка огнестойких материалов, проведенная ИГД им. А.А. Скочин-
ского с точки зрения смазочной и антикоррозийной способности,
нетоксичности, величины передаваемых без деструкции давлений, наличия
сырья и стоимости продукта, позволила принять для испытания:
жидкость ОМТИ, разработанную на основе противоизносной присадки трик-
силенфосфата и предназначенную для работы в гидросистемах тепловых
турбин при умеренных температурах 40 -г 70°С,ГЖФК (гидравлическая
жидкость, фосфатная, камская), предназначенную для работы
гидросистем КамАЗа и огнестойкую эмульсионную рабочую жидкость ОЭРЖ-1,
разработанную Куйбышевским филиалом ВНИИНП и представляющую
собой 50 %-ную эмульсию "вода в масле". В качестве эмульсола в ОЭРЖ-1
по ТУ 38.101.871—81 выбрано минеральное масло с присадками. Все
эти жидкости вместе с контрольным маслом ИС-20А испытывались
на смазывающую способность на четырехшариковой машине ЧШМ-3.
Результаты сведены в табл. 8.
Из табл. 8 следует, что противоизносные свойства испытуемых
огнестойких жидкостей выше, чем у масла ИС-20А, только Р для эмульсии
ОЭРЖ-1 ниже, чем у масла. На стальных и медных пластинках
отсутствовала коррозия при выдерживании образцов в жидкости при температуре
80 °Св течение суток (ГОСТ 9.080-77).
Для проверки жидкостей на бактериологическую стабильность
производилось их заражение, создавались оптимальные условия по
температуре, освещенности и отсутствию кислорода. После 6-месячной
выдержки не было обнаружено никаких признаков разложения.
При исследованиях была доказана возможность применения всех
методик по определению вязкости, весового и дисперсионного состава для
огнестойких жидкостей. Построение вязкостно-температурных кривых
для огнестойких рабочих жидкостей показало, что в сравнении с ИС-20
индекс вязкости у ОМТИ и ГЖФК выше, а у ОЭРЖ-1 ниже. Стендовые
испытания жидкости ОМТИ проводились на механизмах перемещения
Г404, выполненных на базе радиально-поршневых гидроузлов НП120-
ДП510. Поскольку жидкость ОМТИ несовместима с резинами уплотнений
горных машин, резиновые кольца и манжеты изготавливались из фтор-
каучук ов.
В процессе испытания выяснилось, что QMTH разлагает войлочные
уплотнения, краски и лаки, покрывающие детали в емкости для жид-
71

Таблица 8
Показатели
Критическая нагрузка Р , Н
Нагрузка сваривания Р к, Н
Индекс задира Щ
ОЭРЖ-1
670
1060
23,9
Рабочая жидкость
ОМТИ
860
1520
33,1
ГЖФК
790
1580
30
ИС-20
500
1260
18,2
кости, и что, главное, даже пары жидкости влияют на кожные покровы
обслуживающего персонала. Объясняется это тем, что из-за неизбежного
попадания воды в емкость происходит реакция гидролиза, при которой
выделяются фосфорнокислые соединения, способные реагировать с
металлами, эмалями и другими материалами. Все это не позволило
рекомендовать эту жидкость для использования в горных машинах.
В наибольшем объеме проводились стендовые и промышленные
испытания эмульсии ОЭРЖ-1. Стендовые испытания велись по специальной
усиленной методике заводских испытаний механизмов подачи Г405
на Брянковском рудоремонтном заводе (БРР3) и на Горловском
машиностроительном заводе им. СМ. Кирова (ГМЗ им. СМ. Кирова) на
лебедке ЛП с аксиально-поршневыми гидроузлами типа РНА. По тем же
методикам и на том же оборудовании проводились контрольные испытания на
масле И45 на БРРЗ и на масле И-20А на ГМЗ им. СМ. Кирова.
Рабочие жидкости при испытании Г405 загрязнялись угольной пылью
до 0,020 %. Проверка стабильности эмульсии показала, что через 30 дней
в пробе, взятой из тары, выделилось 15 % имеющегося в ней эмульсола,
а 50 %-ное разложение произошло через 10 мес отстоя в покое. Для
проработавшей в течение 100 ч эмульсии при давлении 5 МПа при отстое
расслоение происходило медленнее: за 30 дней — 10 %, за 10 мес — 35 %.
Во время непосредственной работы расслоения не наблюдалось, так как
непрерывно происходило перемешивание. Зато происходило
интенсивное пенообразование: в верхней части слоя пены пузырьки воздуха были
крупные, в нижней части - мелкие.
При повышении температуры ОЭРЖ-1 до 75 ^90° С стойкость пены
заметно уменьшается. Слой пены интенсивно растет и через 2—3 ч работы
достигает максимума (5—8 % высоты залитой жидкости), после чего
стабилизируется. В аналогичных условиях на масле И45 слой пены вдвое
меньше, но стойкость ее выше. При повышении давления в 1,5 раза
(0,75 % номинального) слой пены на ОЭРЖ-1 поднялся в 2 раза, на И45
остался на том же уровне.
Сравнение объемного к л .д. показывает, что при низких давлениях
(до 5 МПа) разница несущественная, при повышении давления до 7,5 МПа
после прогрева системы разница в объемных к.п.д. составляет 7 %, что
объясняется худшей температурно-вязкостной характеристикой и
повышенным нагревом ОЭРЖ-1. Если максимальная температура И45
72

составляла 85 °С,то для ОЭРЖ-1 93 °С, причем температура в ванне за 1 ч
работы при давлении 7,5 МПа поднялась до 89 °С.
В процессе испытаний на стенде обнаруживалось большое испарение
воды из эмульсии, объем жидкости в ванне неуклонно падал. Для
восполнения объема в эмульсию добавлялась вода. Анализ показал, что
свойства эмульсии не изменяются при содержании эмульсола в количестве
45-60 %.
На специальных стендах проверялась смазывающая способность
ОЭРЖ-1 в сравнении с маслом И45. Стенд представлял собой
вращающиеся в среде испытуемой жидкости поршни, прижимающиеся к стальной
пластине из стали марки ст. 3 под давлением 0,01 МПа. Состав
испытываемой эмульсии: масло 54-60 %, вода 40-46 %, присадки 2,5 %. Износ
пластинки (средний по многократным испытаниям восьми поршней в
каждом испытательном стенде) в присутствии ОЭРЖ-1 был в 5,6 раза
выше, чем в присутствии масла И45. *
Сравнение результатов испытаний с данными табл. 8 убеждает, что
показатель И3 недостаточно контрастно оценивает смазочные свойства
водомасляных эмульсий.
Проведенные испытания показали, что применение ОЭРЖ-1
возможно лишь при невысоких давлениях в гидросистемах, надежном теплоот-
воде, обеспечивающем температуру жидкости не выше 60 °С и после
корректировки состава присадок для предотвращения пенообразования.
Аналогичные результаты были получены при испытании лебедки
ЗЛП на эмульсии ОЭРЖ-1, изготовленной Бердянским опытным нефте-
маслозаводом. Испытания проводились по программе и методике
заводских приемочных испытаний. Эмульсия перед заливкой и при работе
очищалась двумя последовательными фильтрами 40 и 10 мкм. После
100 мин работы в режиме холостого хода и 45 мин работы под
нагрузкой (8 МПа) вышел из строя аксиально-поршневой насос РНАСМ-90/
320, к.п.д. перед этим упал с 0,875 до 0,66, температура поднялась
до80°С.
Для снижения температуры жидкости в конструкцию лебедки
были внесены изменения: установлены воздушный вентилятор и
дополнительный маслобак, к которому были подведены дренажи насоса,
гидромотора и слив от клапана подпитки, на выходе из дополнительного бака
установлен водяной теплообменник. После корректировки лебедки
установившаяся температура на холостом ходу составила 54° С, а объемный
к.пд.0,97.
При испытании было обнаружено, что бумажные фильтроэлементы
фильтров типа ФП7 в эмульсии размокают. Испытания под нагрузкой
7—8 МПа продолжались 120 ч в течение 70 сут, после чего в результате
износа основных деталей к.п.д. снизился до 0,87 и резко упало давление
подпитки.
Одновременно с испытанием лебедки ЗЛП на таких же гидроузлах,
с теми же фильтрами, но при давлении 16 МПа проводились испытания на
масле ВНИИНП-403. После 120 ч работы снижение к.п.д. составило 5 %,
что ниже, чем в жидкости ОЭРЖ-1 при давлении 8 МПа.
73

Таким образом, огнестойкая рабочая жидкость ОЭРЖ-1 не пригодна
к эксплуатации в гидросистемах с давлением более 8 МПа, имеет малый
срок хранения, после хранения при температуре ниже — 10° С вода в
эмульсии отделяется, применение эмульсии требует дополнительных
охлаждающих устройств.
Проблема разработки дешевых огнестойких жидкостей, равных по
эксплуатационным свойствам лучшим минеральным легированным
маслам, для гидросистем тяжело нагруженных горных машин ждет своего
решения.
3. ОЦЕНКА КАЧЕСТВА РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ
На пригодность рабочей жидкости к эксплуатации влияет
совокупность ее основных свойств: плотности, вязкости, температуры застывания,
вспышки и выкипания, кислотного числа (кислотности) и анилиновой
точки. Эти свойства зависят от состава основного масла, способа его
получения, присадок и т. п. Действующие ГОСТы на методы испытаний
основных показателей минеральных масел позволяют определить их
соответствие техническим требованиям или проконтролировать какой-
либо отдельный показатель. Например, для компрессорного масла —
температуру вспышки, для индустриальных масел — вязкость и
вязкостно-температурную характеристику и др.
Ниже даны ГОСТы на методы определения основных свойств
жидкостей, применяемых в гидроприводах горных машин.
ГОСТ,
норматив
Плотность (при 20 °С)Р, г/см3 3900-47
Вязкость:
кинематическая V, мм2/с 33-82
условная ° ВУ 6258-52
Температура, С, вспышки:
в открытом тигле г> , 4333-48
в закрытом тигле 1> 12.1.044-84
застывания #з 20287-74
выкипания:
начало разгонки i> 2177-82
конец разгонки i> ' 2177-82
Температурный коэффициент вязкости ТКВ, или индекс .
вязкости По таблицам ИВ
Кислотность /CQH , мг КОН/г 5985-79
Стабильность против окисления 981-75
Содержание, % воды:
воды 2477-65
механических примесей 6370-83 или
10577-78
Коррозионное воздействие 2917-76
Изменение массы стандартной резины 9.030-74
Стабильность водных эмульсий 6243-75
Для воды:
Водородный показатель рН [38]
Общая жесткость, мг • экв/л 4151-72
74

гост,
норматив
Сухой остаток, мг/л 18164-72
Концентрация, мг/л:
хлориды 4245-72
сульфаты 4389-72
железо 4011-72
марганец 4974-72
мутность 3351-74
Однако и совокупность свойств не может дать точного ответа на
применимость масла в конкретном приводе, выполненном по новой схеме или
работающем в новых условиях. По указанным свойствам сложно оценить
пригодность масла с новой рецептурой.
Поэтому производятся классификационные испытания, причем их
комплекс различен не только в разных странах, но и в разных отраслях
промышленности [21]. Это затрудняет перенос результатов испытания
рабочих жидкостей на машины, эксплуатирующиеся в других условиях.
Необходима комплексная проверка рабочих жидкостей на пригодность
к эксплуатации. Следует оценить смазывающие, противокоррозионные,
защитные свойства, испаряемость, вспениваемость, эмульгируемость,
совместимость с маслами и присадками, стабильность при хранении,
совместимость с материалом уплотнений, фильтруемость и возможность
работы при низких температурах. Большинство методов испытаний
стандартизировано. Дополнительно к приведенным выше ГОСТам можно
указать, что смазывающие и протйвозадирные свойства оцениваются на
четырехшариковой машине по ГОСТ 9490-75, склонность к пенообразо-
ванию и стабильность пены по ТУ38-101413—73, защитные по ГОСТ
9.054—75; старение рабочих жидкостей при хранении характеризуется
изменением их кислотности.
Важнейший показатель пригодности к эксплуатации эмульсий —
концентрация эмульсола в эмульсии — определяется либо рефрактометром,
либо химическими методами.
Определение концентрации эмульсола в эмульсии рефрактометром
основано на зависимости коэффициента оптического преломления в
эмульсии от концентрации в ней эмульсола.
Не реже одного раза в неделю или после 20 определений с помощью
дистиллированной воды или конденсата проводят проверку нулевой
шкалы рефрактометра. Для измерения открывают верхнюю крышку
прибора, наносят палочкой на поверхность измерительной призмы одну-
две капли анализируемой эмульсии, закрывают крышку, включают
охлаждение и замеряют процентную концентрацию эмульсола в эмульсии.
Благодаря подсветке (вместо осветителя можно использовать
шахтерскую лампочку), через нижнее окно добиваются наибольшей
контрастности поля зрения, затем устраняют окрашенность границы светотени
и берут отсчет по шкале. Окончательный результат находится как
среднее арифметическое трех измерений из одной и той же пробы эмульсии.
После проведения каждого измерения необходимо открыть верхнюю
камеру, промыть спиртом и досуха вытереть плоскости верхней и нижней
камер прибора.
75

Среди химических методов для определения концентрации в эмульсии
на основе ВНИИНП-17 можно пользоваться методами титрования
соляной кислотой и разложения серной кислотой, а для эмульсии на основе
АКВОЛ-3 - только методом разложения.
Определение концентрации эмульсола в эмульсии методом
разложения основано на реакции ее с концентрированной серной кислотой, в
результате которой из эмульсии выделяется органическая часть, в состав
которой входит минеральное масло.
Из анализируемой пробы отбирают пипеткой 50 см3 эмульсии и
переносят в колбу на 100 см3 с градуированным на 0,1 см3 горлышком
(анализ проводится параллельно). В колбу вливают, не смешивая, 20 см3
концентрированной серной кислоты. Содержание колбы взбалтывают,
через 2—3 мин доливают дистиллированной водой до верхнего деления,
снова перемешивают (осторожно!) и оставляют на 1-2 ч при температуре
60—70° С. Затем замеряется количество выделившегося масла и
органических кислот.
Концентрация эмульсола (в процентах) определяется по формулам:
для эмульсии ВНИИНП-117 к = 2а, для эмульсии АКВОЛ-3 кэ =а, где а -
количество выделившегося масла, см3.
Расхождение между двумя параллельными определениями не должно
превышать 0,05 см3.
Метод титрования заключается в том, что к раствору вещества с
неизвестной концентрацией постепенно добавляют нормальный раствор
другого вещества (титр), реагирующего с первым. При определении
концентрации эмульсии титром является нормальный раствор соляной
кислоты. Окончание реакции (точку эквивалентности) устанавливают с
помощью индикаторов. Например, по изменению цвета в колбе, где
проводится реакция. Сравнивая объем долитого титра с соответствующей
шкалой калибровочного графика, построенного при известной
концентрации определяемого вещества, узнают концентрацию в анализируемом
растворе.
С целью определения погрешности различными методами готовились
пробы эмульсии на основе ВНИИНП-117 и анализировались тремя
методами (табл.9).
Из табл. 9 следует, что наиболее точен метод титрования. Максималь-
Таблица 9
Концентрация, %
фактическая
0,70
1,55
2,00
2,20
2,46
2,80
3,55
по рефрактометру
0,7
1,8
2,5
2,7
3,0
3,5
3,7
определенная
разложением
0,5
1,7
2,2
2,1
2,8
3,0
3,0
определенная
титрованием
0,69
1,68
1,89
2,15
* 2,50
2,90
3,60
76

ная относительная ошибка этого метода составила 8,4 %, в то время как
для определения рефрактометром — 25 %, а методом разложения —
16,7%.
Наилучшие показатели с точки зрения минимальной погрешности
получены титрованием и при анализе эмульсий, взятых из эксплуатируемых
крепей. Однако следует учесть, что для правильного замера кривую
титрования необходимо проверять для каждой партии эмульсола, так как
показания сильно зависят от его щелочности.
Сравнение методов разложения и определение рефрактометром для
эмульсии на основе АКВОЛ-3 показало, что и здесь метод разложения дает
заниженные (до 28 %) по сравнению с рефрактометром показатели.
Иными словами, определение концентрации эмульсола в эмульсии
рефрактометром допустимо для всех эмульсий при концентрации < 2,5 %
и приготовлении эмульсии строго по инструкции, так как на результат
анализа влияет размер частиц дисперсной фазы. При анализе эмульсий,
взятых из эксплуатируемого оборудования, необходима предварительная
фильтрация, поскольку механические примеси также искажают
результаты анализа. При работе с рефрактометром необходимо помнить, что
относительная погрешность анализа в среднем + 22 %.
Определение концентрации методом разложения применимо для всех
эмульсий, но относительная ошибка метода составляет в среднем — 15 %.
Однако этот метод наиболее трудоемкий и связан с применением
концентрированной серной кислоты.
К сложным проблемам относится определение загрязненности рабочей
жидкости и состав загрязняющих частиц. Стандарты предлагают только
метод определения массового состава механических примесей и
количественного содержания воды в минеральных маслах (ГОСТ 2477—65), а
классификация жидкостей по чистоте (согласно ГОСТ 17216—71) идет
по гранулометрическому и по массовому составам. Классы чистоты
рабочих жидкостей, используемых в общепромышленном
машиностроении, приведены в табл. 10. Кроме того, важно знать содержание в
механических примесях железа, как основного продукта износа, и зольности
(по ГОСТ 1461-75), характеризующей содержание неорганической
части примесей, наиболее опасной с точки зрения изнашивания.
Содержание железа несложно найти фотоколориметрическим методом на
серийно выпускаемых приборах ФЭК или ЛМФ, имеющихся в любой химла-
боратории. Принцип действия приборов заключается в пропуске лучей
света через две кюветы с жидкостью. Оба луча равной интенсивности
до кювет воспринимаются фотоэлементами, установленными за
кюветами. Разность показаний фотоэлементов объясняется различной
прозрачностью жидкостей в кюветах. Возможно использование одного
фотоэлемента, если предварительно протарировать эталонную жидкость. В случае
присутствия в одной кювете окрашенной жидкости для сравнения
применяют соответствующие светофильтры.
Способность окрашивания водных растворов солей железа при
реакции с сульфосалициловой кислотой использована для определения
содержания железа в рабочих жидкостях на фотоколориметрических приборах.
77

Таблица 10
Класс

чистоты
9
10
11
12
13
14
15
16
17
Число частиц загрязнений в объеме жидкости
(100 ± 0,5) см , не более, при размере частиц, мкм
до 5
свыше
5 до
10
8000
16000
31500
63000
свыше
10 до
25
4000
8000
16000
31500
63000
125000
Не нормируется
свыше
25 до
50
400
800
1600
3150
6300
12500
25000
50000
свыше
50 до
100
50
100
200
400
800
1600
3150
6300
12500
свыше
100 до
200
12
25
50
100
200
400
800
1600
3150
[

Волокна
4
5
10
20
40
80
160
315
630
Масса

загрязнений, %,
не более
0,0006
0,0008
0,0016
0,0032
0,005
0,008
0,016
0,032
0,063
Примечания. 1. Масса загрязнений до 12-го класса включительно дана
факультативно, т. е. не является обязательным контрольным параметром.
2. Частицами загрязнений считаются все посторонние частицы, включая
смолообразование, органические частицы, колонии бактерий и продукты их
жизнедеятельности.
3. Размер частиц загрязнений, кроме волокон, принимается по наибольшему
измерению. Волокнами считаются частицы толщиной не более 30 мкм при отношении
длины к толщине 10 : 1, не менее.
Содержание железа определяется из осадка, полученного при определении
зольности по ГОСТ 1461—75. Осадок, полученный при прокаливании,
растворяется в 10—15 мл соляной химически чистой кислоты,
разбавленной 1:1. Раствор переливается в мерную колбу вместимостью 50 мл.
Если осадок содержит большое количество Fe203, при котором показание
количества железа выходит за пределы калибровочного графика, из
раствора осадка в соляной кислоте отбирают после тщательного
перемешивания 4—10 мл и добавляют его в 10—15 мл соляной кислоты. Мутный или
содержащий нерастворимый осадок раствор профильтровывается.
Для окисления ионов двухвалентного железа добавляется несколько
капель 0,1 N раствора перманганта калия до появления слаборозовой
окраски, избыток которой удаляется химически чистой перекисью водорода.
После этого к жидкости в колбе добавляется 10 мл 10 %-ного раствора
сульфосалициловой кислоты и аммиак до появления запаха. Полученный
раствор тщательно перемешивается, в колбу добавляется до метки
(50 мл) вода и замеряется оптическая плотность раствора при синем
светофильтре. Содержание железа определяется по калибровочному графику.
Для этого в мерные емкости по 50 мл наливается 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8 мл
раствора Fe203 в соляной кислоте 0,1 мг/мл. Затем в каждую колбу
добавляют 10 мл сульфосалициловой кислоты и аммиак до появления
запаха. Затем в раствор добавляется до метки вода. После тщательного
перемешивания измеряется оптическая плотность раствора в кювете с
синим светофильтром. По полученным данным строится калибровочный
78

график в координатах оптическая платность — содержание железа в
миллиграммах.
Содержание железа х (%) определяется по формуле
х = ^ioo/*i>
где L — содержание железа, определенное на ФЭКе, г; а х — массы навески
жидкости, взятой для определения железа, г.
Если осадок после прокаливания превышает 10 мг, то расчет ведется
по формуле
£iootf 2
х = ,
а ха з
где а3 — масса навески осадка, взятого для определения железа, г; а2 —
масса осадка, полученного при прокаливании масла, г.
3.1. Контроль загрязненности рабочих жидкостей
Сущность стандартных методов определения массовой доли
механических примесей в жидкости заключается в фильтровании
испытуемых продуктов через бумажные или мембранные (нитроцеллюлозные)
фильтры с предварительным растворением медленно фильтрующихся
продуктов в бензине или толуоле, промывании осадка на фильтре
растворителем с последующим высушиванием и взвешиванием на
аналитических весах. Стаканчик с чистым, а после фильтрования — с загрязненным
механическими примесями фильтром сушится перед первыми
взвешиваниями в течение 45 мин в сушильном шкафу. Следующее взвешивание
производится через 30 мин. Допустимое расхождение между двумя
последовательными взвешиваниями не более 0,0004 г (погрешность
взвешивания не более * 0,0002 г). В случае если расхождение превысит
допустимое, стакан с фильтром вновь сушится 30 мин и взвешивается. Для
рабочих жидкостей масса пробы 100 ± 0,5 г.
Массовая доля X (%) механических примесей
т3
где т - масса стаканчика с фильтром, задержавшим механические
примеси, г; т 2 — масса того же стаканчика с чистым фильтром, г; т 3 -
масса пробы, г.
Массовой долей механических примесей считается среднее из двух
определений, расхождение между которыми при использовании одной
аппаратуры 0,0025 % (Х< 0,01) и 0,005 % (0,01 < Х<0,1), а при
использовании разной аппаратуры допустимое расхождение вдвое больше. Для
общепромышленного гидропривода при X < 0,005 % считается, что
загрязнения нет.
Существуют десятки методов определения распределения частиц
по крупности в рабочей жидкости [6].
Можно использовать для этой цели микроскоп. В зависимости от
материала загрязняющих частиц, рабочей жидкости, концентрации час-
79

тицы рассматриваются в проходящих и отраженных лучах.
Измерение производится с помощью увеличивающейся под микроскопом
микрометрической линейки и сетки [22]. Подсчет частиц очень
трудоемок, так как необходимо обработать от 3 до 10 полей (по некоторым
методикам даже до 64 полей) загрязненной жидкости. Кроме того,
необходимо время на отстой жидкости в кювете, тщательную подготовку
кювет и т. д. К этому следует добавить субъективные ошибки наблюдателя.
Упростить измерение можно с помощью И-клавишного счетчика частиц
по интервалам.
При лабораторных анализах дисперсионного состава загрязнений
горных машин в шахтных лабораториях Минуглепромом УССР
рекомендована методика, основанная на микрофотографировании твердых частиц,
осевших из пробы на предметное стекло, с последующим определением
количества и размера частиц.
Для определения дисперсионного состава загрязнения необходимы
аппаратура, реактивы и материалы: микроскоп МИМ-7 (МИМ-8),
микроскоп МБИ, фотоаппарат с зеркальной оптикой, фотографическая
микроприставка, электромеханический счетчик частиц, кюветы для отстоя ц
фотографирования проб масла, фотореактивы, дистиллированная
вода, бензин Б-70 и хромовая смесь (К2Сг2 07 + Н2 S04).
При проведении дисперсионного анализа исследуемое масло
наливается в цилиндрическую кювету со стеклянным дном, на которое
осаждаются частицы загрязнения. Дном стаканчика служит покровное
стекло для микропрепаратов толщиной 0,13 мм и размером 24 х 24 мм
(диаметр стаканчика равен 20 мм). Перед приклеиванием покровного
стекла (дна), которое предварительно проверяется под микроскопом на
чистоту, корпус и стекло тщательно промываются бензином Б-70, затем
хромовой смесью (К2Сг207 + H2S04), горячей дистиллированной водой
и просушиваются в сушильном шкафу.
Стекло приклеивается клеем К-153 с отвердителем ПЭЛ в
соотношении 10 : 1 (в весовых частях). В качестве наполнителя используется
двуокись титана, исключающая усадку клея при высыхании и,
следовательно, растрескивание стекла. Клей с отвердителем годен к
употреблению в течение 40—60 мин. Режим отвердевания: температура 20—30°С,
время затвердевания 72—80 ч. Для ускорения процесса режим проводят
ступенчато: вначале клей затвердевает при температуре 20—30° С в
течение 18 ч, затем температуру поднимают до 80° С и затвердевание длится
еще 6 ч. Если температуру поднять до 100° С, необходима дополнительная
выдержка в течение 3 ч. При температуре 20—30° С необходимо до
полного затвердевания 36 ч.
Кюветы тщательно промываются бензином, дистиллированной водой,
хромовой смесью и еще несколько раз дистиллированной водой, затем
просушиваются в сушильном шкафу. Чистота дна проверяется
микроскопом МБИ. Исследуемое масло тщательно перемешивается в течение 5 мин
в наполненной на 3/4 объема емкости. Затем кювета наполняется маслом,
сверху плотно накрывается и помещается на отстой в эксикатор на
80

Рис. 18. Схема участков по- Рис. 19. Схема счетчика частиц за-
ля микрофотосъемки гряз нения
36-40 ч при комнатной температуре. За это время все частицы,
находящиеся во взвешенном состоянии, оседают на дно стакана.
Частицы, осевшие на дно стакана, фотографируются с помощью
микроскопа МИМ-7 с открытой диафрагмой на пленку чувствительностью
65 ед. по ГОСТ 24876-81. Напряжение, передаваемое на лампу
микроскопа, составляет 17,5 В, время экспонирования определяется
экспериментально.
Масштаб увеличения выбирается соответствующим объективом
микроскопа и установкой необходимого расстояния от плоскости
объектива до плоскости пленки на микрофотоприставке. На первый кадр
пленки снимаются объект-микрометр и поле загрязнения.
При печатании фотографий установкой увеличителя достигается
совмещение 1 мм объекта-микрометра с 200 мм линейки, что позволяет
увеличить объем съемки в 200 раз.
В случае использования микроскопа МИМ-8 съемки производятся
строго с 200-кратным увеличением на фотопластинках. Подсчет можно
осуществлять непосредственно с отработанного негатива или же с
позитива, полученного контактным способом.
Фотографирование поля загрязнения ведется в строго определенном
порядке.
Отснятые участки дна охватывают периферийную, среднюю и
центральную зоны поля загрязнения (рис. 18). Фотографирование и изучение
последнего проводятся в семи точках.
Частицы загрязнения подсчитываются с помощью
электромеханического счетчика (рис. 19), который состоит из иглы контактора 7,
блока выпрямителя 4, импульсного счетчика 2 и трансформатора 3. При
нажатии иглы контактора фотоизображение одной частицы прокалывается
и показание счетчика увеличивается на единицу. После подсчета частиц
загрязнения по семи фотографиям устанавливается среднее число частиц
п каждого размера, находящихся в поле зрения микроскопа:
ср
т
i = 1
6-421
81

где п. — число частиц того же размера на фотографиях отдельных
участков пробы; т — число сфотографированных участков пробы.
Среднее число частиц, осевших на участок дна, попавшего в поле
зрения микроскопа, пересчитывается на объем в 1 см3 по формуле
^*
2
1
1
1
1
1
0
10
50
100
200
Q = — 1000,
Sh
где Q — число частиц в 1 см3; Q - среднее число частиц данного
размера на фотографиях отдельных участков пробы; к — коэффициент
увеличения; S — площадь фотографии, мм2; к — высота столба масла в
кювете, мм.
Масло, содержание механических примесей в котором не превышает
0,05 %, для определения дисперсионного состава загрязнений берется
в неразбавленном виде. Если же содержание механических примесей
выше, то исследуемое масло разбавляют отфильтрованным через фильтр
"синяя лента'' маслом той же марки.
Тщательно перемешанное загрязненное масло разбавляется
отфильтрованным в следующем соотношении.
Содержание механических примесей, %
0,001-0,05
0,05-0,1
0,1-0,5
0,5-1,0,
более 1,0
В СССР и за рубежом существует большое количество телевизионных
приставок к микроскопу, позволяющих видеть изображение на большом
экране со спроектированной на него масштабной сеткой или с
автоматическим подсчетом частиц и передачей результатов на ЭВМ, выдающей
требуемые зависимости.
Большая группа счетчиков работает на кондукторометрическом
принципе изменения электрического сопротивления при проходе через
небольшое калиброванное отверстие. Чем больше частица, тем большее
сопротивление оказывает она прохождению через электролит, в
который переносятся частицы, электрического тока. Понятно, что не
все частицы ввиду разного их материала оказывают при
одинаковом объеме равное сопротивление. Способ пригоден для
диэлектрических частиц. Хотя подсчет ведется со скоростью 10 тыс.
частиц в 1 с, много времени занимает перенос загрязняющих
частиц из рабочей жидкости в электролит, размешивание и т. п.
Контролировать загрязненность рабочей жидкости можно приборами
ПКЖ-905, изготовляемыми Саратовским электроагрегатным заводом, и
ФС-112, выпускаемыми НПО "Аналитприбор" (г. Тбилиси). Они
регистрируют частицы по интенсивности их рассеивания в диапазоне от 5 до
82

500 мкм с интервалом через 5 мкм. Для этого в тонкой трубке, по
которой протекает загрязненная жидкость, имеется окошко, с одной
стороны которого расположен источник света, с другой — фотоэлемент.
Получаемая на анализаторах гистограмма распределения частиц по светорассе-
ивающей способности трансформируется в гистограмму их
распределения по размеру. Результаты замеров в каждом диапазоне автоматически
выпечатываются на бумаге. В этом варианте результаты подсчетов
зависят от оптических свойств частиц. От этого недостатка свободны
анализаторы, использующие контактно-аналитический и пьезоэлектрический
принципы определения размеров частиц.
В контактно-аналитическом анализаторе частица перемещается в
потоке между пластинками конденсатора, создавая импульс,
пропорциональный ее размеру.
В пьезоэлектрическом анализаторе поток с загрязняющими
частицами движется через сопло, разгоняется, а затем отклоняется. Частица,
двигаясь по прямой, ударяется о пьезопластинку, вызывая сигнал.
Величина сигнала зависит от массы частицы.
Для экспресс-анализа состояния загрязненности рабочих жидкостей
в гидроприводах горных машин используются серийные
фотоколориметрические приборы (ФЭК, ЛМФ и др.). Загрязнения переносятся в
кювету с чистым маловязким маслом. Такое же незагрязненное масло
находится во второй кювете. Разница показаний интенсивности,
прошедших через обе кюветы лучей (оптических плотностей), показывает
концентрацию загрязняющих частиц, а изменение этой разницы во времени —
их дисперсионный состав. Поскольку луч проходит через кювету на
определенной высоте, то крупные частицы осаждаются быстрее, скорее
осветляется раствор. Эксперименты с загрязненными рабочими
жидкостями, взятыми из горных машин в различных угольных бассейнах
страны, показали, что расхождения в скорости падения частиц не превышают
5—10 %, а это намного меньше погрешности любого из описанных выше
методов измерений. Следовательно, для экспресс-анализа рабочих
жидкостей горных машин нет необходимости вводить поправку на материал
частиц. По проведенным испытаниям построен калибровочный график,
позволяющий по 4—5 замерам за 40 мин выделить крулности частиц от
20 мкм и выше в пределах диапазонов, оговоренных ГОСТ 17216—71.
Методика измерений такова, что результат выдается непосредственно в
классах чистоты, соответствующих ГОСТ 17216-71. Время анализа
сократилось с 1—2 сут до 2—3 ч. По такому же принципу работают
автоматические развертывающие фото-седиментографы фирмы "Фрич" (ФРГ),
регистрирующие частицы от 2 до 100 мкм в суспензии. В приборе
имеется самописец, вычерчивающий интегральную кривую процентного
содержания частиц выше определенного размера. Такие же приборы
выпускаются с интегрирующей вычислительной машиной, сокращающей время
анализа до 40-60 мин.
Как и другие способы определения гранулометрического состава
частиц загрязнений в жидкости, седиментационный способ, положенный
в основу экспресс-анализа, зависит от источников поступления в ма-
83

шину частиц, так как на показаниях прибора сказывается разница
плотностей частиц и отклонение их формы от сферической.
Поэтому все методы анализа дисперсионного состава дают
существенные различия как при параллельных пробах, так и при разделении
пробы на части. Например, самый тщательный анализ одной и той же
пробы, разделенной на партии, показал, что в диапазоне крупности
частиц 5-10 мкм тот же автоматический счетчик дает отклонение на 16 %,
микроскопический метод на 25 %, в диапазоне крупности частиц
25-30 мкм счетчик дает разницу до 40 %, а микроскоп до 60 %.
Расхождения между двумя однотипными счетчиками, анализирующими одну
и ту же пробу, достигают 50—100 %. Это происходит по причинам
неизбежной неравномерности концентрации частиц по объему пробы, но
основную роль играют погрешности при настройке, тарировке и
методике замеров. Зарубежные специалисты считают [6], что способ анализа
пробы жидкости во всем диапазоне крупности частиц не может быть
признан ошибочным или негодным, если его результаты отличаются от
результатов, полученных другим способом, не более чем на 50 %.
Английские специалисты считают [50], что разница может достигать даже 100 %.
Наибольшую погрешность при анализе рабочих жидкостей дает отбор
проб из системы. На базе многочисленных исследований во многих
отраслях промышленности разработаны методики и специальные приборы.
Места отбора проб специально предусматриваются как один из основных
элементов при проектировании гидросистем и стендов.
При проектировании горных машин также желательна встройка
конструктивно правильно выполненных устройств отбора проб. Без
этого взятые на шахтах и даже на заводах пробы будут существенно
отличаться от реальных условий при работе.
При отборе проб из емкостей в условиях угольных шахт
необходимо тщательно прочистить расточку под заливную пробку. По мере
выкручивания пробки грязь из углубления должна удаляться. Затем нужно
осторожно вынуть из отверстия фильтрующую заливочную сетку и
опустить в отверстие автомобильный рукав с всасывающим устройством.
Конец рукава должен находиться на глубине 10—15 см от верхнего
уровня масла как можно ближе к точке входа жидкости в гидросистему.
После заполнения не более чем на 2/3 объема емкость
закрывается пробкой.
Отбор проб из гидросистем производится в местах с турбулентными
потоками при отсутствии внешней нагрузки. Перед взятием пробы часть
жидкости сливается, чтобы смыть частицы загрязнений в местах
раскрытия гидросистемы.
В качестве емкости для отбора проб рабочих жидкостей
используются пластмассовые или стеклянные бутылки вместимостью 1 л. Они
тщательно промываются изнутри и снаружи бензином или бензолом. Чистота
промывочной жидкости должна быть такой, чтобы не оставалось
никаких следов на фильтровальной бумаге "синяя лента" при пропускании
через нее 200 см3 жидкости.
После промывки жидкость из емкости также не должна оставлять
84

следов на этой бумаге. При этих условиях в бутылке останутся
загрязнения, составляющие примерно 1,5-5 % количества частиц в опасном для
гидросистем размере более 25 мкм. После промывки емкости
высушиваются и закрываются промытыми завинчивающимися пластмассовыми
пробками.
Для отбора проб при стендовых испытаниях в условиях заводов-
изготовителей требования к чистоте емкостей более строгие.
Рекомендуется [6] стеклянные емкости вначале ополоснуть
обезжиривающей жидкостью, тщательно промыть в горючем моющем растворе,
сполоснуть дважды горячей водой, дважды дистиллированной водой,
профильтрованной через мембранный фильтр тонкостью 0,45— 0,5 мкм,
трижды профильтрованным на таком же фильтре изопропиловым
спиртом для удаления воды, а затем трижды очищенным френом. После
этого в емкости оставляют немного фреона для создания избыточного
давления, горловину закрывают куском чистой полиэтиленовой пленки,
промытой фреоном. Края пленки отгибают вниз, а на горловину надевают
резьбовую крышку. Чтобы не разрушить пленку, завинчивать туго эту
крышку не следует.
3.2. Экспрессинформация о качестве рабочих жидкостей
Специфика эксплуатации горных машин (сравнительно небольшое
количество их на одной шахте) и необходимость в то же время
немедленного ответа о пригодности рабочих жидкостей к дальнейшей
эксплуатации заставили искать упрощенные методы контроля качества рабочих
жидкостей.
Опыт получения анализов на угольных шахтах показал, что для
экспресс-информации о состоянии рабочих жидкостей достаточно знать
вязкость и кислотность рабочей жидкости, общий и дисперсионный состав
загрязняющих частиц, зольность и количество железа в осадке и наличие
воды в жидкости.
Такие анализы проводятся весьма быстро по указанным методикам,
не требуют приобретения дополнительных для шахтных лабораторий
реактивов и приборов (кроме фотоколориметров или нефелометров,
серийно выпускаемых и имеющих невысокую стоимость).
Опыт внедрения комплекса экспресс-информации о качестве
рабочих жидкостей и смазочных материалов на шахте Степная п. о. "Павло-
градуголь" и на шахтах п. о. "Стахановуголь" показал высокую
эффективность, так как механики получали в день взятия пробы сведения
о необходимости замены масла или о начавшемся прогрессирующем
изнашивании деталей машины.
Ждут своей апробации в практике эксплуатации горных машин и
более простые методы. Кислотность мояСно определять индикаторными
лепестками, концентрацию частиц и (ориентировочно) их крупность -
методом "кляксы", когда от капли жидкости, посаженной на
фильтровальную бумагу расходится ореол, величина которого зависит от
крупности частиц, а цвет - от концентрации. Имея эталонные ореолы, мож-
85

но оценить степень загрязненности рабочей жидкости. Очень простым
способом оценки степени загрязненности топлив и маловязких масел
пользуются в гражданской авиации, когда индексация производится
по цвету бумаги, через которую продавливается жидкость. Известно,
что с увеличением воды в жидкости ее светопроницаемость падает.
Сравнивая выпаренную жидкость и нормальную на ФЭКе, можно сразу же
оценить количество воды в ней. Еще проще приложить с обратной
стороны плоской кюветы линейку с процарапанными на разную глубину
рисками и по разнице видимости этих рисок судить о содержании воды
в жидкости.
ИГД им. А.А. Скочинского [32] разработан ускоренный метод
испытания водных эмульсий на противокоррозионные свойства.
Предусмотренные стандартами методы для определения противокоррозионных
свойств рассчитаны на длительный срок. Ускоренный метод
заключается в помещении образцов из чугуна АЧС-1, покрытых фильтровальной
бумагой, на фарфоровую вставку в эксикаторе. Концы фильтровальной
бумаги опускаются в эмульсию, налитую на дно эксикатора. При
закрытой крышке эксикатора пятна коррозии на фильтровальной бумаге
появляются через 3,6 ч и через сутки. По площади пятен можно судить о
противокоррозионных свойствах эмульсии.
3.3. Определение смазывающей способности
Стандартные методики ориентируются на испытания на четырех-
шариковых машинах различных модификаций или на машинах трения.
Серийно выпускаются машины УМТ-1, ИМ-58, СМЦ-2. За рубежом
известны машины трения Тимкена, SAE, также JAE (Великобритания) и др.
Все эти машины трения сложны, дороги, а характер износа зачастую
далек от реального процесса контактирования деталей. Поэтому
результаты испытаний на этих машинах иногда существенно расходятся с
результатами эксплуатации.
Гипроуглемашем разработан и изготовлен стенд СИМ-3 (рис. 20),
отличающийся простотой конструкции, наглядностью получаемых
результатов, простотой обслуживания. Метод определения смазывающей
способности рабочей жидкости на этом стенде состоит в том, что
испытываемой жидкостью смачивается поверхность трущихся пар (стержень —
диск), между которыми создаются определенные контактное усилие
и скорость взаимного скольжения. По величине пятна* контакта деталей
можно установить свойства рабочей жидкости. При той же рабочей
жидкости, но при варьировании марки материала, способа термической
обработки и т. п. контактирующих деталей можно подобрать оптимальное
сочетание материалов.
Стенд состоит из трех дисков 7, установленных на общем валу 2,
который приводится во вращение электродвигателем через редуктор.
Диски на 1/3 своей наружной поверхности погружаются в ванну 3 с
испытываемой рабочей жидкостью. В контакте с дисками находятся
стержни 7, прижатые к дискам через рычаги 8 сменными грузами б. Один ко-
86

Рис. 20. Схема стенда СИМ-3 для исследования смазывающих свойств
нец каждого рычага укреплен на оси 9 рамы стенда 5, на втором его
конце прикреплены грузы. Точкой контакта стержня и рычага последний
делится в соотношении 1 : 10. Для контроля температуры рабочей
жидкости предусмотрен термометр 4.
Стенд включает в себя три пары трения стержень — диск, что
позволяет одновременно испытывать три различные жидкости или получать
результаты смазывающей способности одновременно по трем замерам.
Подогревая жидкость, можно найти влияние ее температуры на
смазывающую способность, а регулируя частоту вращения электродвигателя,
например, питаемым через выпрямитель электродвигателем постоянного тока,
изменять скорость относительного скольжения стержня и диска. Для
замера пятна контакта годится любой микроскоп.
Общая продолжительность замеров 80 мин. Стенд останавливают
через каждые 1, 2, 5, 10, 30 и 32 мин и замеряют пятна износа на
торцовой поверхности стержня (точнее, измеряется ширина пятна в
направлении, перпендикулярном к оси вращения).
Наиболее трудоемкая часть испытаний — зачистка после предыдущих
испытаний торцовой поверхности стержней наждачной бумагой. При этом
необходимо сохранять перпендикулярность торцовой поверхности к оси
стержня. Зачищенные поверхности протирают ватой, смоченной бензином,
затем спиртом и просушивают на воздухе.
3.4. Стендовые испытания рабочих жидкостей
Стендовые испытания проводятся на полноразмерных узлах или даже
машинах, выпускаемых для эксплуатации в шахтах. Режимы нагружения,
температура жидкости при этом максимально приближаются к
эксплуатационным. Иногда с целью ускорения испытаний рабочие жидкости
испытываются на форсированных режимах. Затем по теориям подобия
и исходя из опыта [20] результаты пересчитывают на номинальные
режимы. Следует, однако, отметить, что эти пересчеты дают весьма
приближенные результаты, и переход на форсированные режимы при ресурсных
испытаниях нужно рассматривать как исключительное явление.
Для испытания новых рабочих жидкостей применительно к
гидравлическим механизмам перемещения Горловским машиностроительным за-
87

Рис. 21. Гидрокинематическая схема стенда для испытания жидкостей:
I — подпорный клапан: 2, 7 — гидромоторы; 3 — колесо (z = 14mm, m=27);
4 - шестерня (z =14 мм, т =14) ; 5 - колесо (z =12 мм, т =30) ; 6 -
вал-шестерня (z=12 мм, m=U); 8, 9, 13, 14 — обратные клапаны; 10, 12 — фильтры;
II f 25 — насосы; 15 — золотник; 16 — гидроблок дистанционного управления; 17 —
рукоятка гидроблока; 18 — гидрозамок; 19, 21, 23 — дроссели; 20 — клапан цепи
управления; 22 — малая цапфа насоса; 24 — большая цапфа насоса; 26, 27 —
предохранительные клапаны; 28 — холодильник; 29 — нагрузочный дроссель; 30 —
реверсивный золотник
водом им. СМ. Кирова используется стенд, гидрокинематйческая схема
которого показана на рис. 21.
Стенд представляет собой серийно выпускаемый механизм
перемещения, в котором на выходном валу вместо тяговой звездочки
закреплен создающий нагрузку гидромотор 2, работающий в режиме насоса
на регулируемый дроссель 29. Отвод тепла из системы осуществляется
холодильником 28, расположенным за дросселем, утечки в нагрузочной
системе пополняются насосом 11 с подпорным клапаном L Для того
чтобы дроссель 29 находился в линии давления при любом направлении
вращения гидромотора 2, а подпитывалась всегда сливная линия, в
системе предусмотрен реверсивный золотник 30, управляемый по давлению.
Перед испытанием производится микрообмер распределительных и
прецезионных поверхностей насоса 25 и гидромотора 7. После
испытания в заданном режиме вновь делается микрообмер. По разнице
размеров, а также изменению объемного к.пд., температуры ванны,
плавности хода, шуму, вибрации, вязкости и кислотности рабочей
жидкости, ее пенообразованию, состоянию уплотнений судят о пригодности
рабочей жидкости к эксплуатации.
Следует указать, что стендовые испытания полноразмерных
гидравлических машин с целью подбора рациональной рабочей жидкости
возможны для сравнительно небольших изделий — гидравлических ме-
88

Рис. 22. Гидравлическая схема стенда для
определения чувствительности насосов к
загрязнениям
ханизмов подачи, лебедок и т. п. Для гидросистем гидравлических
крепей испытание в полном объеме поставки на лаву невозможно.
Поэтому ограничиваются стендовыми испытаниями отдельных сборочных
единиц — насосных станций, гидростоек и т. п.
Существуют стенды [31], позволяющие исследование рабочих
жидкостей для различных объемных и гидродинамических передач.
Стендовые испытания рабочих жидкостей на серийных машинах позволяют
оценить их воздействие на машину комплексно. Однако, как
показывает опыт, выделить влияние одного из параметров рабочей жидкости
при таких испытаниях сложно и длительно. Особенно это относится к
определению допустимой степени загрязненности рабочих жидкостей,
снятию характеристик фильтров. Для изучения степени износа гидроузлов в
зависимости от концентрации обычно принимается эталонный насос,
например пластинчатый, и все испытания проводятся на этом насосе.
Ряд стран для определения чувствительности поршневых насосов
к загрязнениям использует стандарт JSO/TC131. Испытания всех
насосов проводятся на стандартной кварцевой пыли при постоянной
температуре (65° С), частоте вращения приводного вала, давлении в линии
нагнетания, постоянном массовом уровне загрязнений (300 мг/л) и в условиях,
обеспечивающих турбулентность во всех элементах стенда и
исключающих кавитацию и задержку циркулирующих частиц в теплообменнике.
Схема стенда для подобных испытаний показана на рис. 22. Из
резервуара 1 минеральное масло (вязкостью 28,8 т 35,2 мм2/с при 40°С)
поступает на всас испытываемого насоса 5, нагружаемого дросселем 5. Для
очистки жидкости от загрязнений служит контрольный фильтр 8,
установленный параллельно основной магистрали. Фильтр включается и
отключается с помощью вентилей 7 и б. Для контроля подачи насоса за
фильтром последовательно устанавливают расходомер 9. Для поддержания
требуемой температуры стенд снабжен теплообменником 10. Загрязнения в
систему поступают из камеры 12 через вентили 13 и 11. Камера
представляет собой цилиндр высотой, в 10 раз большей, чем диаметр, и с
конусным дном, исключающим задержку частиц в камере. Для определения
перепада давлений на насосе имеются манометры 2 и 4.
Перед испытанием с помощью фильтра 8 система от механических
примесей очищается до уровня 10 мг/л. Испытуемый насос вначале
работает на чистом масле на давлении 25, 50 и 75 % расчетного (по 15 мин на
89

6 8 9 10 JU
Рис. 23. Гидравлическая схема стенда для испытаний фильтров
каждом), затем 60 мин на полном давлении. Производительность насоса
в конце этого режима считается номинальной.
Затем последовательно испытания проводят при номинальном
давлении на загрязненностях с крупностью частиц 0-5, 0-10, 0-20, 0-30,
0-40, 0-50, 0—70, 0-80 мкм по 30 мин на каждой, причем массовое
количество загрязнений в каждом режиме постоянно — 300 мг/л.
Если объемный к л .д., замеряемый на каждом уровне, снизится до 0,7,
испытания прекращают, и последний диапазон считают предельным.
Кроме того, испытания прекращают, если замечают неустойчивое давление на
входе или выходе, недопустимый уровень шума и др.
В заключение строится график зависимости к.п.д. от загрязненности
по замерам в каждом диапазоне крупности частиц. Особо следует указать
на распределение частиц по крупности в эталонной пыли по мере
продолжения испытаний.
Допустимые нормы (%) по крупности частиц для фракции 0-80 мкм
приведены ниже.
Крупность частицы, мм
частицы, мм .... < 10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80
Содержание,
% 36-42 18 12 6 3 2 1 0,8
Таким образом, даже при испытании на крупных фракциях число
частиц этого размера (учитывая отношение диаметров в третьей
степени) намного меньше, чем мелких.
Разработано несколько испытательных стендов для фильтров горных
90

машин. Принципиальная конструктивная схема их примерно одинакова:
два резервуара, в одном из которых находится концентрированная
суспензия загрязнений в рабочей жидкости, в другом — эта суспензия
размешивается в чистой рабочей жидкости. Насосом из второго резервуара
жидкость подается на фильтр с байпасным отводом. Предусмотрена
возможность регулирования подачи жидкости на фильтр параллельным
дросселем. Стенды оснащены контрольными приборами, позволяющими
замерять пропускную способность фильтра, перепад давлений на фильтре
и производить отбор проб для анализа. В некоторых стендах встроены
приборы для анализа массового и гранулометрического состава
загрязнений в потоке. Во всех случаях предусмотрены технологические фильтры,
позволяющие очистить рабочую жидкость во втором баке без включения
испытываемого фильтра.
На рис. 23 приведена гидравлическая схема стенда для исследования
фильтров, разработанная совместно КГМИ и ИГД им. А.А. Скочинского.
Особенность схемы заключается в возможности создавать и
регулировать частоту пульсации потока жидкости и повышать давление в
системе. При работе подпиточного 1 и высоконапорного 2 насосов рабочая
жидкость из бака 17 поступает на регулятор расхода 4 и далее на
пульсатор давления 5, выполненный в виде электрогид рок лапана. Специальным
реле (на рисунке не показан) на электромагнит пульсатора 5
периодически подается напряжение. Соединенный с электромагнитом золотник,
перемещаясь, то соединяет линию нагнетания насоса 2 со смесителем 6,
то разъединяет их. В напорной магистрали при этом создается импульс
давления. В смесителе 6 рабочая жидкость перемешивается с
загрязнителем, подаваемым специальным насосом 7, и далее попадает в исследуемый
фильтр 9. Давление потока рабочей жидкости до и после фильтра
контролируется соответственно манометрами 8 и 10, а перепад давления —
дифманометром 12. Отбор проб рабочей жидкости до и после фильтра
осуществляется с помощью кранов 11 и 13. Давление потока рабочей
жидкости, проходящей через фильтр, настраивается регулятором давления 14.
От регулятора давления жидкость поступает в теплообменник 15, в
котором она охлаждается до номинальной температуры. Затем жидкость
через счетчик 16 поступает в бак. Ее температура в последнем
контролируется термометром 19. Для защиты гидросистемы от перегрузок
установлены предохранительные клапаны 3 и 18. В конструкции стенда
использованы унифицированные узлы механизированных крепей, что делает
стенд особенно удобным для испытания фильтров, очищающих водомас-
ляные эмульсии.

4. ОЧИСТКА И РЕГЕНЕРАЦИЯ РАБОЧИХ ЖИДКОСТЕЙ
ГОРНЫХ МАШИН
4.1. Источники загрязнения рабочих жидкостей
В настоящее время не существует гарантированных средств защиты
машин от попавших в них загрязнений. Поэтому особое внимание
должно быть обращено на максимально возможное предупреждение их
появлений. Современные технические средства и способы улавливания
частиц загрязнений (особенно мелких) весьма трудоемки, повышая
зачастую на 10—15 % стоимость самого изделия.
Все виды загрязнений можно разделить на три группы:
возникающие при изготовлении, сборке и испытании машин; поступающие в
гидросистему при эксплуатации и текущем ремонте оборудования;
связанные с транспортировкой и доливкой рабочей жидкости. Соотношение
между этими группами источников определяется как типом гидропривода,
так и областью его применения. Загрязнения в гидросистемах самолетов,
строительно-дорожных машин, станков и кораблей имеют свою
специфику. С другой стороны, поскольку радиально-плунжерные гидроузлы не
требуют особо высокой чистоты жидкости, мелкие частицы, существенно
не влияющие на износ деталей, не являются для них загрязнениями, хотя
эти частицы могут быть причиной выхода из строя сервосистем или
аксиально-плунжерных гидроузлов, работающих на высоком давлении.
Специфика работы горных машин потребовала изучение баланса
загрязненности их гидроустройств. В гидросистемах новой машины, в
зависимости от тех или иных технологических операций ее изготовления,
обнаруживаются различные виды загрязнений [16]: металлические и
неметаллические опилки и стружка, станочные эмульсии и смазки,
абразивная притирочная пыль и паста после механической обработки; окалина,
окисные пленки, шлаки, остатки обмазок, флюсов, пригаров после
штамповки, литья, сварки и термообработки; лаки и краски после отделки и
покраски; масла и эмульсии, механические частицы, следы рук после
сборки, испытаний, контрольных сборок и разборок; продукты
коррозии, частицы покрытий для защиты от коррозии, пассивирующие соли
после хранения и т. д.
Проведенные исследования показали, что меры, принимаемые для
защиты гидросистем от производственных загрязнений при изготовлении
горных машин, недостаточны.
Анализ рабочей жидкости угольных комбайнов при получении их
шахтами показал, что общая загрязненность в них достигает в ванне
0,1—0,3 %, а в гидросистеме после очистки встроенным фильтром —
0,012—0,02. Наблюдались случаи, когда масло в ванне было значительно
чище (перед отправкой на шахту его заменяют), чем в гидросистеме.
Размер частиц в гидросистеме, как правило, был в пределах 60 мкм,
причем в ванне максимальный размер частиц не превышал 40—50 мкм.
92

Во время испытания фильтров ГМП в систему после изготовления
заливалось без очистки свежее масло 15 класса чистоты. При этом в
жидкости отсутствовали частицы, возникающие при изготовлении, а также
продукты износа.
Через 100 ч работы в пробах жидкости из ванн массовая доля
механических примесей выросла в 27 раз, а концентрация немолекулярного
железа - в 900 раз. В первые 50 ч массовая доля механических примесей
выросла в И раз, концентрация железа — в 460 раз; в последующие 50 ч
массовая доля механических примесей увеличилась еще в 2,5 раза, а
концентрация железа — в 2 раза. Это означает, что выделившиеся в ванну
загрязнения — результат некачественной очистки и промывки деталей
и узлов машины при изготовлении и сборке, а не продукты изнашивания,
так как в противном случае должен был бы наблюдаться прогрессивный
рост концентрации железа в масле.
При постановке на ресурсные испытания насосов РИА были
тщательно промыты детали стенда, заливаемая жидкость также тщательно
очищена при контроле дисперсионного состава каскадом фильтров с
номинальной тонкостью очистки последнего фильтра 10 мкм. В результате
в систему подавалась жидкость 12-го класса. Такой же каскад работал
и во время испытаний. Через 5 мин после начала испытаний (р = 16 МПа;
Q = 128 л/мин) в жидкости непосредственно после фильтра появились
волокна, вымываемые из фильтра, но полностью отсутствовали частицы,
большие 100 мкм. В пробе, отобранной из замкнутого контура (фильтры
устанавливались на линии подпитки), появились частицы, большие
200 мкм, что объяснялось приработочным износом. Частицы, достигавшие
400 мкм, имели неровную поверхность. Через 30 мин в пробе,
отобранной из замкнутого контура, исчезли частицы, больше 100 мкм, но зато
резко увеличилось число мелких частиц (до 25 мкм). Частицы большого
размера седиментировались в глухих отростках трубопровода или
гидромашин, так как пройти через зазоры и отфильтроваться они не могли.
Нарастание числа мелких частиц свидетельствовало о том, что
приработочный износ продолжался, но такие формы, как заусенцы, окалина
и т. п., уже сняты с деталей. Закончился приработочный износ через 10 ч
непрерывной работы.
Еще более высока степень загрязненности гидросистем комбайнов,
прошедших капитальный ремонт. В пробах жидкости этих машин
массовая доля механических примесей составляет 0,06—0,07 % в ванне и 0,07—
0,08 % в гидросистеме. При этом обнаружено большое число частиц
размером 60-80 мкм, причем в ванне этих частиц было в 2—2,5 раза меньше,
чем в гидросистеме. Подавляющая часть механических примесей как на
заводе-изготовителе, так и на рудоремзаводах была неорганической,
состоящей в основном из соединений железа.
Исследовалась динамика загрязнений в процессе стендовых
испытаний: в момент заливки массовая доля механических примесей в масле
Индустриальное-45 гидросистемы Г404 оказалась 0,012 %, после холостой
обкатки в пробе, взятой из гидросистемы, *- 0,008 %, после окончания
93

испытаний, благодаря работе фильтра, — 0,09 %. После замены масла на
свежее в фильтр была встроена магнитная вставка, выделившая из масла
за 2 ч работы механизма подачи вхолостую 1,85 г загрязнений.
Основными причинами пополнения загрязнений при эксплуатации
являются их попадание извне через воздушные пробки ("сапуны"),
неплотности соединения плоскостей редукторов, крышек, поступление
частиц с пленкой масла через уплотнения выходных штоков и валов
гидроцилиндров и гидромоторов и генерирование загрязнений внутри
редуктора от износа деталей, деструкция присадок к маслу, окисление масла,
от несоответствия рода заливаемой жидкости материалам гидросистемы,
включая уплотнения, от развития бактерий и фунгицидных спор.
Специфика работы горных машин такова, что текущие и профилактические
ремонты производятся в подземных условиях угольных шахт. При этом
в открытую масляную ванну неизбежно попадают частицы, снижающие
ресурс гидропривода. Повышению чистоты рабочих жидкостей
способствует при техническом обслуживании наличие соответствующих средств
проведения ремонта и замены деталей, контроля показателей качества
рабочих жидкостей и исправности гидроустройств, заливки рабочей
жидкости. Важна подготовленность персонала к обслуживанию гидрофици-
рованных машин.
Но основа обеспечения требуемой чистоты закладывается при
проектировании машины. Следует тщательно отбирать гидроустройства с
точки зрения пригодности их к конкретным условиям эксплуатации,
обеспечивать возможность технического обслуживания, исключающего или
сводящего к минимуму проникание загрязняющих частиц в
гидросистему, располагать оборудование таким образом, чтобы уменьшить
трудоемкость его монтажа и демонтажа и чтобы попавшие в емкость частицы
загрязнений не приносили гидроустройствам существенный вред.
Опыт показывает, что там, где все это не учитывается, даже простой
ремонт или нормативная замена детали приводят иногда к значительному
снижению потенциально высокого ресурса.
Рассмотрим некоторые причины внешних загрязнений. В процессе
работы гидросистема нагревается. Этот нагрев может достигать 85— 90°С.
После остановки машина охлаждается до окружающей температуры
20-25°С или при непродолжительных перерывах - до температуры
40—50°С. При нагревании воздух выходит из корпуса машины, при
охлаждении всасывается. Перепад давлений в ванне машины в шахтных
условиях достигает, по данным Донецкого Политехнического института, 40 мм
вод. ст., что указывает на недостаточную пропускную способность
воздушных пробок.
Исследования КГМИ показали, что в масляной ванне уже в начале
эксплуатации появляются частицы породы и угля размером до 200 мкм,
хотя такие частицы отсутствовали в ваннах вновь полученных с заводов
машин. После непродолжительного срока работы отверстия в воздушных
пробках забиваются, и воздух они не пропускают. Воздухообмен в таких
случаях происходит в основном через уплотнения, что нарушает их
нормальную эксплуатацию.
94

Спектральный анализ показывает, что даже после непродолжительной
эксплуатации доля компонентов, находящихся в рудничной атмосфере,
начинает превышать долю продуктов износа гидроузлов (табл. И).
Основными компонентами золы проб рабочих жидкостей из гидросистем
и ванн являются: Si, Al, Ca, Mg, Fe, причем соотношение их (без железа)
хорошо коррелируется с составом этих элементов во вмещающих
породах. Большое количество железа, кроме причин внутреннего характера
(изнашивания, окалины, заусенцев, ржавчины и др.), объясняется
присутствием в породах пирита.
Не существует единого мнения относительно механизма
поступления загрязнений по штокам цилиндров. Это не вызывает сомнений у
большинства исследователей [25]. Замеры пылезащитных свойств различного
рода уплотнений штоков гидроцилиндров экскаваторов показали, что
через все уплотнения проходят частицы размером до 250 мкм, хотя
подавляющее количество их не превышает по размеру 100 мкм. В то же
время теоретические и экспериментальные [50] исследования
убеждают, что на чистой рабочей жидкости толщина масляной пленки между
штоком и уплотнением не превышает 6 мкм при движении штока внутрь
цилиндра. По-видимому, происходит расклинивание частиц за счет
наклонной или закругленной фаски на уплотнении с последующим срезом
части уплотняющих поверхностей. Увеличению зазора
благоприятствует старение резины в случаях несоответствия применяемых жидкостей,
высоких температур и некачественного изготовления резин.
Доказательством значительного увеличения зазоров в уплотнениях могут служить
большие утечки через уплотнения и неподвижные защищенные стыки.
Наряду с необходимостью совершенствования уплотнений последнее
обстоятельство остро ставит проблему чистоты заливаемых и
доливаемых в гидросистему рабочих жидкостей. Если при изготовлении
минеральных масел на нефтеперерабатывающих предприятиях массовая доля
механических примесей согласно норме находится в пределах 0,005—
0,007 %, то на складах УМТС Минуглепрома УССР эта концентрация
находится в пределах 0,012—0,022 %. Это соответствует аналогичным
данным по другим отраслям промышленности, так как определенная
загрязненность происходит в процессе транспортировки
железнодорожными цистернами. Технической документацией на гидравлические
механизмы подачи верхний уровень допустимой массовой доли механических
примесей в рабочих жидкостях при эксплуатации установлен в 0,026 %.
Таким образом, возникает потребность в очистке заливаемых в систему
рабочих жидкостей, даже если они без всяких нарушений поступают
непосредственно с заводов-изготовителей. Обводненность минеральных
масел на складах УМТС составляет 0,03-0,07 %, что несколько выше, чем
допускается для заливки в гидросистемы. Большая номенклатура
рабочих жидкостей, рекомендуемая до последнего времени для гидприводов
горных машин, приводит в некоторых случаях к смешиванию в одной
емкости масел разной вязкости.
На складах рудоремонтных заводов содержание механических
примесей в рабочих жидкостях доходит до 0,045 %, на складах заводов-
95

чО
ON

Объединение,
шахта
П. о."Ростовуголь":
ш. им.
Октябрьской революции
ш. Глубокая
П. о. "Красно-
донуголь":
ш. "Таловская"
ш. им Лютикова
ш.
"Молодогвардейская"
ш. им. XXV съезда
КПСС
П. о. "Укрзапад-
уголь":
ш. им. XXV съезда
КПСС
ш. им. XXV съезда
КПСС
ш. № 8 "Велико-
мостовская"
ш. № 7 "Велико-
мостовская"
Место
отбора
проб
Бак
насосной станции
То же
»> —
Склад ГСМ
Бак
насосной станции
То же

Гидросистема насосной
станции
— »»—
Гидростойка|
крепи

Количество
золы, %
0,0265
0,0132
0,0121
0,0124
0,0087
0,0098
0,0118
0,0105
0,0164
0,0107
Таблица 11
Содержание элементов в золе, %
Fe
4,78
5,62
3,23
2,69
Si
2,23
1,99
3,71
2,14
мало золы
5,62
5,13
3,98
4,50
10,003
3,02
2,40
1,58
3,71
3,16
Сг
0,15
0,08
0,03
0,05
0,07
0,07
0,06
0,05
0,11
А1
5,37
6,61
5,62
2,24
5,62
3,80
5,88
12,50
3,63
РЬ
0,17
0,05
0,04
0,04
0,04
0,25
0,03
1,0
0,05
Mg
8,91
2,20
3,75
3,55
5,01
8,12
7,94
6,30
5,62
Мп
0,02
0,02
0,16
0,02
0,02
0,02
0,02
0,19
0,02
Ti Ca
0,07
0,11
0,08
0,04
0,12
0,11
0,06
0,12
0,08
8,91
1,99
8,00
5,62
6,31
7,24
5,37
1,04
5,75
Си
1,00
5,00
0,20
0,07
0,07
1,90
2,00
0,46
3,00
Ва
0,10
0,10
—
0,10
0,10
0,30
0,10
0,05
0,10
в
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03
0,03

1
П. о.
"Павлограду™ ль":
ш. "Самарская"
ш. "Самарская"
П. о. "Стаханов-
уголь",
склад
УМТС:
ш. "Максимове-
кая"
ш. "Максимовс-
кая"
ш. им. XXV съезда
КПСС
Редуктор
комбайна
Редуктор
конвейера
Редуктор

погрузочной машины

Гидросистема
буровой
машины

Гидросистема
погрузочной
машины
0,2434 5,90
0,3166 4,50
0,0076
0,1320
0,2976
0,0365
7,00
7,07
мало золы
6,76 I 4,17
7,07
5,00
9,33
5,00
15,00
8,90
1,58
7,58
5,26
0,14
0,03
0,05
0,10
0,35
4,46
5,00
0,18
3,98
5,62
0,26
0,25
0,06
0,06
0,31
0,25
0,28
0,04
0,50
0,26
3,46
5,24
1,35
1,86
5,37
0,15
0,21
5,00
1,00
0,31
0,30
1,00
1,00
1,00
1,00
0,03
U03
0,03
0,03
0,03

изготовителей гидравлических горных машин — 0,015—0,035 %.
Крупность частиц в рабочих жидкостях, хранящихся на
заводах-изготовителях, рудоремзаводах, угольных шахтах достигает1 75 мкм. Эти рабочие
жидкости можно отнести к 12—17-му классу чистоты.
Все это требует обязательной очистки и просушки заливаемой в
систему жидкости. В то же время превышение обводненности заливаемой
жидкости перед эксплуатируемой указывает на наличие в действующей
машине определенной саморегулировки за счет процессов испарения и
конденсации влаги.
Следует отметить, что предзаливочная очистка жидкости является
обязательной для всей техники с гидроприводом. В авиации, сельском
хозяйстве, на морском флоте и др. разработаны устройства для
очистки заливаемой жидкости.
Загрязнения рабочих жидкостей в состоянии поставки не имеют
частиц железа, хотя в ней наблюдаются абразивные частицы. По мере
поступления жидкости от складов объединений к машине загрязненность
продолжает расти. На складах угольных шахт содержание механических
примесей и воды примерно такое же, как на складах производственных
объединений.
К участковым складам жидкость подается с поверхности обычно
в специальных вагонетках. Конструкция транспортировочных средств
не всегда обеспечивает доступ для тщательной их очистки, иногда
применяют баки для транспортировки из коррозирующих материалов, не
выдерживаются элементарные требования к предохранению
жидкости от загрязнений.
В момент заправки и слива жидкости во внутренние полости емкостей
поступают частицы из шахтной атмосферы и т.д. Это может привести
к тому, что уже на участковых складках содержание механических
примесей в жидкостях для гидросистем достигнет 0,06 %, что в 4 раза
превышает норму.
Диаграмма загрязненности минеральных масел для гидросистем
механизмов подач (рис. 24, а), построенная на основе многолетних
наблюдений, показала, что в среднем загрязненность масел на складах
объединений 0,016 %, при транспортировке к складам шахт добавляется 0,0132 %,
при транспортировке от шахтных складов к участковым добавляется
0,0288 %, что в два раза больше, чем при первой транспортировке, и,
наконец, при транспортировке от участковых складов к машине
добавляется 0,064 %, что больше, чем вся загрязненность жидкости на участковом
складе (0,058 %). Итого общая загрязненность жидкости в момент
заливки составляет 0,122 %. Это в 7 раз превышает нормы, установленные
инструкциями по эксплуатации угольных комбайнов, на чистоту рабочих
жидкостей гидросистем. Наибольшую тревогу вызывают загрязнения на
двух последних участках транспортировки, добавляющих в систему 74 %
загрязняющих механических примесей. Особенно много частиц поступает
в ванну в момент заливки. Такое положение складывается в тех
случаях, когда транспортировочные средства периодически не очищаются, а
заливка производится без применения заливочных устройств, снабжен-
98

Рис. 24. Диаграммы загрязненности минеральных масел в гидросистемах угольных
комбайнов:
а — механизмов подач (общая средняя загрязненность 0,16 %); б — регулирования
положения исполнительного органа (общая средняя загрязненность 0,5 5 %) : 1 —
исходного продукта (0,007 %) ; 2 — вносимой при транспортировке и хранении на
складах ГСМ производственных объединений (0,009 %) ; 3 — вносимой при
транспортировке и хранении на складах шахт (0,013 %) ; 4 - вносимой при
транспортировке и хранении на участковых складах (0,028 %) ; 5 — вносимой при
транспортировке от участквого склада к машине и заливке (0,064 %); 6 — вносимой в
процессе эксплуатации
ных очистителями. Министерство угольной промышленности СССР
принимает решительные меры по совершенствованию и ускорению серийного
выпуска таких устройств. Понадобится, по-видимому, изменить
конструкцию некоторых мест заливки рабочих жидкостей в машину, чтобы
предотвратить попадание загрязнений при подключении заливочных устройств.
В процессе транспортировки и заливки растет крупность частиц,
добавляющихся в жидкость. В табл. 12 приведены результаты дисперсионного
и весового анализов механических примесей в рабочих жидкостях на трех
участковых складах (ССМ) угольных шахт перед заливкой жидкости в
транспортировочные емкости для доливки жидкости в механизм подачи
и анализы тех же жидкостей в момент заливки (пробы брались из струи,
заливаемой в машину). Микрофотографии проб, взятых из участкового
ССМ и из транспортировочной емкости, приведены на рис. 25 и 26. На
микрофотографиях отчетливо видны частицы сферической формы с
резко ограниченными краями. Это капли свободной эмульсионной воды.
Сравнение показывает, что в процессе транспортировки увеличивается
количество воды в масле.
Анализ рабочих жидкостей гидросистем механизмов подачи
угольных комбайнов, находящихся в эксплуатации в течение 3—6 мес, не дает
прямых доказательств пропорционального роста загрязненности
жидкости в гидросистеме. Здесь сказываются и седиментация частиц, и работа
фильтра. В то же время анализ проб на содержание железа в механических
примесях показал неуклонный его рост. В гидравлических механизмах
подачи содержание железа растет от 0,007 до 0,35 %, что составляет
7—92 % общего количества механических примесей. Содержание железа
возрастает с увеличением крепости добываемого угля, особенно сильно
при работе комбайна по прослойку твердой породы, включающей в себя
кварц. Объясняется это, по-видимому, повышенным изнашиванием гид-
99

1 }
Рис. 25. Микрофотография пробы жидкости из участкового склада шахты:
1 — частица угля; 2 — частица абразива; 3 — вода
роузлов из-за увеличения давления в гидросистеме при работе по
прочным углям и повышенным абразивным изнашиванием зубчатых передач
и подшипников, находящихся в масляной ванне от попавших через
неплотности очень твердых частиц кварца. Установленная связь между
изнашиванием и содержанием железа в масле позволила специалистам
СССР и Великобритании совместно разработать аппаратуру диагностики
горных машин.
Содержание эмульгированной воды в масляных ваннах механизмов
подачи, соединенных с шахтной атмосферой воздушными пробками,
намного больше, чем в герметически закрытых гидровставках механизмов
подачи, снабженных компенсаторами давления. В последнем случае вода
в масляных ваннах практически отсутствовала.
При исследовании загрязненности большое внимание уделяется
определению зависимости распределения частиц по крупности, знание
которой позволяет упростить методику контроля загрязненности рабочих
жидкостей, прогнозировать долговечность машин и оптимизировать
выбор способов очистки.
Общая методика получения зависимости распределения состоит
в том, что ряд размеров частиц разбивается на интервалы, в каждом
из которых подсчитывается число частиц. Полученные результаты
закладываются в ЭВМ, описывающую их с помощью некоторых предполагае-
100

?г
Рис. 26. Микрофотография пробы жидкости из транспортировочной емкости,
взятой перед заливкой в бак гидросистемы:
/ — частица угля; 2 — частица абразива; 3 — вода
мых функций. Принимается функция, коэффициент корреляции
которой наибольший.
Такие замеры были проведены в механизмах подачи с радиально-
поршневыми гидромашинами. Отбор проб масла Индустриальное-40А
производился в районе всасывающего клапана подпиточного насоса и
непосредственно из гидросистемы после прохода жидкости через фильтр.
При подсчете размера частицы разбивались на интервалы в 10 мкм,
начиная с 15 мкм (меньших частиц было такое большое количество, что
подсчет их затруднялся).
В результате проведенных исследований установлено, что во всех
случаях — в новых, вновь отремонтированных, находящихся в эксплуатации
комбайнах, на всасе, на нагнетании содержание частиц крупностью более
10—15 мкм подчиняется (с коэффициентом корреляции 0,995—0,756)
функции вида
- bd.
R. = ае ' ,
где а и Ъ - постоянные распределения; d. - средний в интервале диаметр
частицы.
Значения а и Ъ значительно варьируются в зависимости от загрязнен-
101

№
ка
I
2
3
Место
отбора
пробы
Участковый ССМ
У машины
Участковый ССМ
У машины
Участковый ССМ
У машины
Вязкость
при 50° С,
мм2/с
38,6
38,4
37,8

Содержание
воды, %
Следы
0,03
Следы
Следы
Следы
0,003

Содержание
механических
примесей
0,0541
0,1147
0,0606
0,1213
0,0594
0,1298
Диспер
до 20
мкм
3,91 • 105
7,46 • 105
5,53 • 10б
1,23 • 105
5,14 • 105
1,44 • 105
ности системы. Чем выше загрязненность (класс чистоты), тем меньше
значение коэффициента Ъ. Для эксплуатируемых машин Ь - 0,065—
0,100 1/мкм, для новых комбайнов Ь =0,08 -г 0,12 1/мкм. Аналогичная
функция получена в авиационной промышленности при анализе
загрязнений рабочих жидкостей [26].
Для различных областей техники советскими и зарубежными
учеными предложено большое количество формул для описания плотности
распределения частиц по крупности. Разбивая весь диапазон крупностей
5—80 мкм на интервалы по 10 мкм и построив графики отношения
количества частиц в каждом интервале к какому-либо интервалу, например
55—60 мкм, можно убедиться, что кривые, построенные по различным
формулам, практически сливаются. Некоторое расхождение имеется в
интервале 5—20 мкм, но большинство формул, как указывают их
авторы, определено по эмпирическим точкам для крупностей частиц 25 мкм
и выше. Расчеты на ЭВМ по всему массиву эмпирических данных,
включая частицы от 5 мкм, для различных отраслей промышленности
показали, что наибольший коэффициент корреляции у логарифмически
нормального закона распределения
(lnd-Af(u)]2
е «
№ = 7=— >
dOu у 2я
где f(d) - плотность распределения частиц; d - диаметр частицы; а -
среднее квадратическое отклонение значения In d\ M (и) -
математическое ожидание величины.
Для частиц, больше 20 мкм, наибольшее приближение дает функция
убывающей экспоненты.
Учитывая степень математической разработки, а также то
обстоятельство, что для получения кривой плотности вероятности достаточно
знать только максимальный размер частиц, находящихся в жидкости,
целесообразно, по-видимому, использовать для расчета количества частиц
102

Таблица 12
сионный состав, частиц/100 мл
25-50
мкм
1,92 • 105
3,1 • 104
2,26 • 105
8,92 • 104
3,91 • 105
50-75
мкм
4,79 • 104
-
5,21 • 104
-
7,8 • 104
75-100
мкм
2,35 • 104
-
1,69 • 104
-
100-150
мкм
1,17- 104
-
3,43 • 104
1.08 • 104
3.9 • 104
выше 150
мкм
1,17- 104
-
3,43 • 104
-
Класс

чистоты
15
19
16
19
17
17
функцию плотности логарифмически нормального распределения или
функцию убывающей экспоненты, упрощающей расчеты
гидроабразивного изнашивания.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что
процессы, определяющие количество частиц в жидкости гидросистем,
имеют одинаковую закономерность для различных областей техники,
и в пределах погрешностей подсчета частиц можно считать, что функции
их распределения в этих областях отличаются только численными
коэффициентами. Тем более это относится к гидросистемам различных
горных машин, работающих в сходных горно-геологических условиях.
Обследование эмульсионного хозяйства в производственных
объединениях по добыче угля показало, что основными источниками
загрязнения рабочей жидкости для механизированных крепей является
расслоение эмульсии после ее приготовления из-за использования некачественных
компонентов (эмульсолов и воды) или недостаточной дисперсионности
эмульсолов, бактериологического разложения, пополнения системы
жидкостью в случае разрыва рукавов высокого давления. Еще одна причина
попадания загрязнений в жидкость - отсутствие средств защиты
гидросистемы от попадания частиц угля и породы при замене и монтаже
рукавов.
Весовая концентрация загрязнений колеблется в пределах 0,62 % для
разложившейся эмульсии и до 0,02-0,06 % у стабильной. При этом
следует указать, что только у свежеприготовленной и совершенно
стабильной эмульсии основную часть загрязнений составляют механические
примеси. В связи с этим для оценки абразивной способности загрязнений
в эмульсиях следует основное внимание обращать на зольность
загрязнений. У разложившейся при эксплуатации эмульсии и неразложившейся
зольность варьировалась в пределах 0,0015-0,008 %, совершенно не
коррелируя с общим содержанием загрязнений в эмульсии. Исключение
составляет бактериологическое разложение, при котором продукты
жизнедеятельности бактерий настолько активно воздействуют на детали
гидрокрепей, что в исходящей струе через трое суток содержание железа в
эмульсии повышается во много раз. Даже в случае работы на воде с со-
103

держанием эмульсола 0,03 % столь быстрого нарастания износа не
происходило.
При проведении дисперсионного анализа получился большой разброс
данных, но, принимая средние цифры, можно утверждать, что в
насосных станциях на линии нагнетания содержится жидкость 12— 13-го
класса чистоты, в сливе — 14—15-го классов, а непосредственно в
гидростойках — 15—17-го классов. Максимальная крупность частиц на
нагнетании насосной станции 25-40 мкм (хотя встречаются и более
крупные — 80—100 мкм), на сливе - 80—100 мкм, в эмульсии, взятой из
стоек, встречаются частицы до 200 мкм.
В установках для приготовления, как правило, эмульсия
достаточно чистая (10—12-й класс), но при транспортировке в заваренных сверху
вагонетках чистота снижается до 15—17-го класса. В тех случаях, когда
анализы брались из линии нагнетания насосной станции с негодным
(пробитым, отсутствующим) фильтроэлементом, в систему поступала
жидкость 17-го класса и хуже. Замена фильтроэлемента позволяла снизить
класс чистоты до 11—13-го. Более высокая чистота эмульсий по
сравнению с минеральными маслами объясняется, вероятно, значительно
меньшей вязкостью. Загрязнения, попавшие в систему после порыва и
восстановления трубопроводов, осаждаются в стойках, тупиковых местах
и не вымываются сливным потоком. Косвенно об этом свидетельствует
тот факт, что большая чистота на сливе обычно в крайне обедненной
эмульсии. Таким образом, такая эмульсия не только имеет низкие
смазочные свойства, но и способствует повышению концентрации абразивных
частиц в прецезионных парах.
♦
4.2. Загрязненности рабочих жидкостей по типам
оборудования и условиям эксплуатации
Условия эксплуатации и тип оборудования двояко влияют на
загрязненность рабочей жидкости; с одной стороны, по составу загрязняющих
частиц, с другой - по концентрации механических примесей
загрязнений и их крупности.
Данные, приведенные выше (см. табл. 11), позволяют убедиться,
что содержание в жидкости Si, обладающего большими абразивными
свойствами, увеличено в гидросистемах породопогрузочных и
буровых машин и в редукторе комбайна, работающего в исключительно
тяжелых условиях с прослойками породы и по очень крепкому углю. В этих
же машинах повышено содержание железа, что свидетельствует о
большем износе деталей, работающих в среде с повышенным содержанием
абразива.
Требования к чистоте рабочей жидкости определяются типами
гидравлического оборудования, встроенного в машину, и уровнем рабочего
давления в системе. Остальные параметры вторичны. Из анализа
конструкций и результатов работы машин следует, что требования к чистоте
и затраты на создание средств очистки должны дифференцироваться
по типам гидроустройств, величины рабочего и возможного
максимального давления в гидросистеме.
104

Выше (см. рис. 24) показаны диаграммы загрязненности масел
(средние по сотням замеров) двух гидросистем одного и того же очистного
комбайна. В обоих случаях рабочее давление в системе довольно высоко:
7-8 МПа (см. рис. 24, д) и 12-16 МПа (см. рис. 24, б). Правда, во втором
случае насос имеет клапанное распределение, проще конструктивно, но
зазор по плунжерным парам в обоих случаях одинаков. Однако из-за
низкой требовательности к защите масляной ванны во втором случае
общая загрязненность почти в 3,5 раза больше. Характерна разница в
источниках поступления. Если на первых пяти этапах загрязнений условия
идентичны, загрязненность масел достигает 0,122 %, то в процессе
эксплуатации (около 4-х мес) в первом случае добавляется 0,035 %
загрязненности, во втором - 0,33 %, т. е. в 10 раз больше. Таким образом, для
увеличения ресурса насосов в гидроприводе, регулирующем положение
исполнительного органа, можно рекомендовать повышение герметизации
масляной ванны.
Выше указывалось, что в механизме подачи "Урал-37" конструкция
компенсатора давления позволила защитить рабочую жидкость от
попадания воды и абразивных частиц из шахтной атмосферы. Но
недостаточная промывка деталей гидровставки перед сборкой и после нее при
отсутствии фильтра в конструкции гидропривода не дала существенного
снижения общей загрязненности. Контроль загрязненности на шахтах показал,
что по 10 комбайнам с фильтрами в гидроприводе и "сапунами" в
масляной ванне и по 6 комбайнам без фильтров в гидроприводе, но с
компенсаторами давления, работающим в одном производственном объединении,
средняя общая загрязненность жидкости составляла соответственно 0,124
и 0,119 %, зольность 0,089 и 0,086 %, содержание железа 0,047 и 0,075 %.
Повышенная надежность гидросистем с компенсаторами давления в
масляной ванне в этом случае объясняется значительно более низким рабочим
давлением (до 3 МПа) и отсутствием воды.
Средний уровень загрязненности масла в гидросистемах комбайна
МК67 (механизм подачи Г406) в силу специфики его работы по более
твердым углям несколько выше, чем в Г404, - составляет 0,18 %.
Анализ проб жидкости из проходческого, погрузочного и бурового
оборудования свидетельствует не столько о влиянии
горно-геологических условий и нагрузок, сколько о некачественном изготовлении. В пяти
масляных ваннах гидросистем бурошнековой установки загрязненность
составляла 0,0920 и 0,436 % (гидросистемы двух шнековых буров),
0,262 и 0,926 % (гидросистемы подачи смазки) и 0,300 % (гидросистема
маневрового хода). Зольность в этих ваннах изменялась от 0,51 до
0,032 %, содержание воды от 6,8 до 0,4 %. При этом неуклонно
прослеживалась зависимость: чем больше содержание механических примесей,
тем больше в процентном отношении зольность, больше содержание воды
и больше износ (резко растет содержание железа). Под микроскопом в
жидкости, взятой из ванн, герметизация которых была изготовлена
некачественно, отчетливо видны крупные частицы угля, кварца (более
200 мкм), очень много воды. Если добавить, что в качестве гидроузлов
в этой установке используются насосы и гидромоторы из механизмов по-
105

дачи угольных комбайнов, где чистота жидкости поддерживается на
более высоком уровне, становится ясно, что удовлетворительная
работа такой гидросистемы возможна при строгом соблюдении правил
технического обслуживания и высоком качестве изготовления.
Сравнительно высокая загрязненность масляной ванны (0,06—0,07 %)
в гидравлических предохранительных лебедках. Но в отличие от других
гидроузлов эти загрязнения, в основном, поступают с
завода-изготовителя, растет их содержание медленно, и лебедки редко выходят из строя
благодаря низким рабочим давлениям, постоянству нагрузки и
удовлетворительным условиям окружающей лебедку атмосферы.
Исследования НАТИ показали, что нормальная работа шестеренного
насоса гидросистемы проходческих комбайнов возможна, если
массовая доля механических примесей не превышает 0,02—0,04 % при
крупности частиц на уровне 13—14-го классов чистоты. В то же время в
некоторых гидросистемах проходческих комбайнов наблюдалась массовая
доля механических примесей 0,11—0,13 %, а крупность частиц
соответствовала 17-19-му классу. Очевидно, что применение заливочных
устройств, повышение эффективности очистки в гидросистеме, улучшение
уплотнительных устройств, тщательное техническое обслуживание
позволят существенно поднять ресурс гидроприводов проходческих комбайнов.
Все это в полной мере относится к гидросистемам нарезного,
бурового и погрузочного оборудования. И здесь при невыполнении указанных
условий наблюдалась явная тенденция роста загрязненности рабочих
жидкостей в процессе эксплуатации. Конструкторам этих машин следует
уделить особое внимание эффективности всего комплекса решений,
обеспечивающих требуемую чистоту.
Неэффективна в этих машинах замена загрязненных рабочих
жидкостей на чистые без промывки ванн и гидросистем перед последующей
заливкой. Опыт показал, что уже после одной смены работы вновь
залитое масло оказывалось загрязненным в той же степени, что и слитое.
В процессе исследования загрязненности минеральных масел
проверялось соответствие сорта залитой жидкости требованиям технической
документации. В гидросистемах угольных комбайнов рабочие жидкости
в ряде случаев имели вязкость на 20—30 % меньше, чем требовалось
картами смазки. Но во всех случаях это были индустриальные масла
или их смесь, что допустимо по совместимости.
В проходческом и погрузочном оборудовании в ряде случаев
обнаружены самые различные рабочие жидкости без связи с требованиями
техдокументации. Более того, в рабочую жидкость для повышения
вязкости добавлялись пластичные смазки, что приводило к пенообразо-
ванию, порче рабочей жидкости, залипанию и износу прецезионных пар.
4. 3. Выбор схемы очистки рабочих жидкостей
Исходными данными для выбора схемы очистки рабочей жидкости
являются знание допустимой степени загрязнения ее, причем не только
по дисперсионному и весовому составу, но и по роду загрязняющих
частиц, и источников загрязнения конкретной гидросистемы. Последнему,
106

как показал опыт, уделяется мало внимания. Обычно основную роль
в загрязнении отводят внешним источникам и их последствиям —
продуктам износа.
Влияние, оказываемое загрязняющими веществами на долговечность
гидросистемы, содержащимися в самой системе, очень высоко даже в том
случае, когда подготовка всех гидроузлов и трубопроводов весьма
тщательна, сборка производится с соблюдением всех правил
предохранения от загрязнений. На рис. 27 показано соотношение между требуемым
и фактическим уровнями загрязненности при выполнении всех
требований изготовления, очистки и сборки [50]. В результате промывки
системы через фильтры часть загрязняющих веществ удалится, но там, где
нет продолжительной промывки без увеличения давления в системе,
неизбежен быстрый выход из строя в первую очередь насоса и узлов
управления. Еще более важна роль фильтров при эксплуатации гидроузлов с
высоким давлением в системе. Любая фильтрующая система должна
отвечать следующим требованиям:
обладать способностью снижать исходный уровень загрязнений в
течение приемлемого периода времени, не приводя к преждевременному
износу или повреждению гидравлических элементов;
не превышать требуемого уровня загрязнения, имея определенные
резервы в этом отношении для случаев поступления жидкости с резко
повышенной концентрацией загрязнений, например, при доливке;
быть доступной для технического обслуживания;
предусматривать возможность контроля качества рабочей жидкости
без внесения в гидросистему дополнительных загрязнений и проведения
дополнительных монтажных или демонтажных работ;
должна иметь указатель состояния фильтра, отградуированный в
соответствии с требованиями гидросистемы к чистоте рабочей жидкости;
в гидросистемах с непрерывным
процессом должны быть предусмотрены
средства, позволяющие производить замену
фильтрующих элементов без остановки
гидросистемы;
фильтры должны обладать достаточной
грязеемкостью для работы его в течение
длительного интервала между заменами
фильтроэлемента (оптимальной считается
грязеемкость, рассчитанная на бессменную
работу фильтроэлемента в течение
межремонтного срока);
включение фильтра в систему не
должно существенно повышать давление на
нагнетании или создавать кавитацию на вса-
се насоса, приводящие к разрушению
или преждевременному выходу деталей
гидросистемы из строя;
фильтры должны обладать по возмож-
щт//0Осмъ
50 мкм
Рис, 27. График
допустимого (7) и
фактического (2) уровней
загрязнения перед запуском
гидросистемы
107

41 щ*
41 кМ в магистраль
Слибнаа
Рис. 28. Схемы последовательной очистки рабочей жидкости
ности малыми размерами, позволяющими сохранять преимущества
гидропривода;
материал фильтроэлементов должен быть совместим с рабочими
жидкостями, не усиливать деструкцию ее присадок, не создавать
дополнительного загрязнения системы.
Желательна регенерация фильтроэлемента.
В зависимости от указанных выше требований различают три
принципиальные схемы очистки рабочих жидкостей.
последовательную, когда через фильтр проходит жидкость,
поступающая непосредственно в гидросистему из ванны (рис. 28);
параллельная, когда очищается часть жидкости, идущей в систему,
а остальная часть поступает, минуя фильтр (рис. 29);
фильтрация жидкости вне системы (рис. 30).
Поскольку параллельная очистка (см. рис. 29), рациональная при
дроссельной системе регулирования скорости исполнительного органа, т.е.
когда велики потери энергии, не эффективна для горных машин [44],
проанализируем схемы последовательной очистки рабочей жидкости.
При установке фильтра на линии всасывания насоса (рис. 28, а)
гидросистема защищается от всех загрязняющих частиц, поступающих
из масляной ванны, и продуктов износа, сбрасываемых из гидросистемы
в эту ванну. Но при этом узлы гидросистемы, находящиеся за насосом,
и, главное, системы управления не защищены от продуктов износа и
остатков загрязнений при изготовлении насоса и далее по ходу жидкости
всех предшествующих элементов гидросистемы. В целом такая система
очистки достаточно эффективна. По данным ВНИИ Гидропривода [22],
очистка жидкости на входе в насос до 70 мкм эквивалентна по
последствиям очистке на нагнетании с тонкостью до 25 мкм.
Основной трудностью при установке фильтра на всасывающей линии
является обеспечение низкого перепада давлений на фильтроэлементе
даже при полностью засоренном фильтре. Этот перепад давлений в сово-
108

6 1 1
тлл11Н
ч.._.
)
Рис. 30. Схемы
Рис. 29. Схемы параллельной очистки рабочей жидкости
фильтром после дросселя, установленным параллельно
(а) или на сливе предохранительного клапана (б)
очистки рабочей жидкости вне
гидросистемы
купности с остальными потерями на всасе должен быть ниже (с
определенным запасом) давления насыщенных паров рабочей жидкости во всем
температурном диапазоне. В противном случае наступает кавитация
в системе, появляется кавитационное изнашивание, сопровождаемое
шумом, ударами и пульсацией потока.
Для снижения сопротивления фильтров и предохранения системы
от кавитации на всасе необходимо| резко увеличивать фильтрующую
поверхность, диаметры всасывающих трубопроводов, ограничивать
вязкость масла более низкими значениями, тщательно герметизировать
места подсоединений, чтобы избежать подсоса воздуха и т. д. Несмотря на
все эти меры, обычно приходится ограничиваться всасывающим сетчатым
фильтром с величиной ячеек 200 мкм и более. Понятно, что такой фильтр
служит лишь для защиты от попадания крупных случайных частиц и
волокон, так как в жидкости, как правило, не находятся во взвеси твердые
частицы более 80 мкм. Осмотры показали, что эти фильтры покрыты
большим количеством ворсинок, лаковых и смолистых образований
от разложения минеральных масел, кусочков краски и др. Поэтому их
присутствие в системе нужно считать обоснованным.
Более эффективным путем очистки на всасе основного насоса
является подача на него жидкости вспомогательным насосом
малочувствительным (например, лопастным или пластинчатым) к загрязнениям
жидкости. Именно при такой схеме удалось получить очистку в 74 мкм.
Фильтр при этом устанавливается в линии нагнетания (рис. 28, г)
вспомогательного насоса. Разновидностью такой системы очистки можно
считать подпитку утечек при замкнутой циркуляции жидкости (рис. 28, d),
применяемую в большинстве очистных угольных комбайнов. В
зависимости от давления в системе, вида применяемой жидкости, температуры
и степени износа узлов потребность в количестве подпитывающей
жидкости может изменяться. Поэтому часть очищенной жидкости
сбрасывается в ванну через дроссель, частично очищая тем самым ванну. В другом
109

варианте вся очищенная и при этом холодная жидкость подпитки
поступает в линию всасывания основного насоса, вытесняя из нее часть
нагретой и загрязненной продуктами износа жидкости.
При установке в линии нагнетания основного насоса фильтр
(рис. 28, б) должен рассчитываться на рабочее давление с 3-4-кратным
запасом. Поэтому изготавливать их необходимо с малыми размерами,
что снижает их грязеемкость (за исключением тех случаев, когда фильтр
устанавливается в резервной линии), и замена фильтроэлемента требует
остановки машины. Появляется возможность проникания в систему
воздуха, что приводит к необходимости освобождения от него системы при
повторном запуске.
Фильтры в линии нагнетания не защищают наиболее уязвимого
элемента гидропривода — насоса. Поэтому их задача — защищать элементы,
наиболее чувствительные к крупности частиц и определяющие
работоспособность всей машины: сервоклапаны, делители потока и т. д. В этом
случае фильтр не должен обладать возможностью сброса жидкости через
обводной клапан при засорении фильтроэлемента. В то же время
гидросистема должна иметь надежные указатели технического состояния
фильтра и отключать машину при недопустимом повышении перепада давления
на нем. Это, в свою очередь, усложняет конструкцию, вводя
дополнительные элементы ненадежности гидросистемы, необходимость очистки
жидкости, поступающей в них и т. д. С другой стороны, защищая системы
управления и предохранения от загрязняющих частиц со стороны
насоса, следует принимать меры защиты со стороны двигателей,
загрязняющие частицы в которые поступают при вдвижении штоков
гидроцилиндров. Загрязненный поток жидкости при этом проходит через те же узлы,
которые тщательно защищались в предыдущем цикле работы.
Установка сложных двухсторонних фильтров обычно недопустимо усложняет
систему. Выходом из положения может быть установка индивидуальных
двухсторонних фильтров непосредственно на каждом клапане,
золотнике, распределителе. Ясно, что место установки фильтра диктует и его
конструкцию. Особенно это относится к проблеме необходимости
установки обводного клапана, способного предохранить фильтроэлемент
от порыва.
При испытании одного из новых угольных комбайнов с аксиально-
плунжерными гидроузлами в гидросистеме исследовалась
работоспособность сетчатого фильтра. Хотя фильтр не вызывал сомнений в его
работоспособности, стоило только заглушить обводной клапан, как жидкость
(при полном соответствии ее характеристики требованиям фильтра)
практически немедленно разрывала фильтроэлемент. Осмотр
деформированного элемента под микроскопом показал, что ячейки сетки забиты
частицами загрязнений. Такой же эффект получался, когда фильтр с
заглушённым клапаном испытывался на стенде, а в качестве загрязнителя
использовались частицы калиброванного электрокорунда с
распределением по крупности в соответствии с экспоненциальным законом при общей
массовой концентрации их в неочищенной жидкости 0,10-0,15 %.
Повысить надежность работы фильтров удалось только при установке их в
каскаде.
ПО

Зарубежный опыт показывает [50], что более 50 % всех случаев
поломок гидросистем связаны с перепуском потока жидкости в фильтре
через обводной канал. По мнению исследователей, по крайней мере 80 %
времени работы фильтр работает с открытым обводным клапаном.
Частые включения и выключения индексифицирующей кнопки приводят к
рассогласованию ее положения и фактического положения обводного
клапана.
При установке фильтра на сливе (рис. 28, в) обеспечивается
постепенная очистка жидкости в емкости от механических примесей, но
гидросистема не защищается от продуктов износа, и до очистки всей жидкости
в ванне от находящихся в ней загрязнений до требуемой чистоты частицы
загрязнений поступают к уязвимым гидроустройствам. Следует
отметить, что эти фильтры не защищают систему от повышенного уровня
загрязнений, поступающих при дозаправке и через воздушные пробки. С
точки зрения конструкции к фильтрам на сливе не предъявляют
повышенных требований, если не считать необходимости рассчитывать их на
повышенный расход, например от срабатывания аккумулятора, вытеснения
жидкости из подпоршневых полостей цилиндров и т. д.
Общим недостатком установки фильтров в линиях нагнетания и
слива является зависимость их пропускной характеристики от
пульсации давления. Исследования показывают, что в этом случае фильтром
пропускаются более крупные частицы, чем при лабораторных испытаниях
на постоянном давлении. Поскольку в большей степени это проявляется
для частиц меньших, чем ячейки фильтроэлемента, при правильно
подобранном фильтре можно ожидать повышенный износ, а не заклинивание
элементов управления. Пульсация давления в линии слива может
привести к разрушению фильтра, поэтому рядом с ними иногда устанавливают
небольшие аккумуляторы.
Оптимальные эксплуатационные характеристики фильтра можно
получить, если расположить его вне системы (рис. 30), подавать жидкость
на него насосом постоянной производительности. Пульсация давления
при этом исключается. Наиболее целесообразно иметь отдельную
систему очистки с независимым приводом (рис. 30, в). Преимуществами
такого решения можно считать: возможность очистки рабочей жидкости до
требуемого уровня перед включением основной системы; очистки при подаг
че в резервуар жидкости при заправке, дозаправке и смене рабочей
жидкости; возможность замены фильтроэлементов без нарушения
целостности основной гидросистемы, без остановки последней; возможность
установки фильтра в любом месте, удобном для технического
обслуживания, и, наконец, отсутствие неблагоприятных последствий
применения фильтра для некоторых узлов гидросистемы.
Для всех схем очистки обязательны герметичность резервуаров
и создание надежных средств защиты от попадания в них загрязнений
извне (рис. 30,а, б).
Анализ схем установки фильтров показывает, что только
комбинирование их позволяет достичь нужных результатов. Для практики
проектирования и эксплуатации горных машин необходимо к устанавливаемым
111

фильтрам на всасе и фильтрам в системе подпитки добавить
индивидуальные фильтры перед прецезионными парами, требующими особенно
тонкой очистки, и применение периодической очистки ванн фильтрами вне
системы с независимым приводом.
Из накопленного опыта изготовления и применения этих
дополнительных фильтров, в том числе и в г-орных машинах, следует, что
конструктивно, технологически и организационно эти меры не вызывают
серьезных трудностей, но позволяют в десятки раз повысить надежность
работы гидросистемы и уменьшить износ деталей гидроузлов.
В работе [22], где подробно рассматриваются проблемы выбора
и применения фильтров, указывается, что степень очистки
гидросистемы также зависит от места установки фильтра. Приводятся следующие
данные. Тонкость фильтрования фильтрами, мкм: заливными 100—200,
воздушными 5-40, всасывающими 63—200, низкого давления 25—63,
высокого давления 5—63, сливными 25—100.
Пропускную способность фильтра рекомендуют выбирать таким
образом, чтобы ее номинальная величина соответствовала либо 30 %
величины емкости ванны при открытой циркуляции, либо удвоенной
величине подачи насоса, подающего жидкость на фильтр.
4.4. Очистка рабочих жидкостей от механических
примесей в силовых полях
Принципиально отделение механических примесей от рабочих
жидкостей производится двумя способами: очисткой в силовом поле и
фильтрованием. В первом случае отделение производится под действием
веса (осаждение), центробежных, магнитных, электростатических сил и
сил, действующих на частицы при ультразвуковых колебаниях.
Во втором случае происходит механическая очистка жидкости, при
которой частицы загрязнителя задерживаются в основном на
поверхности фильтровального материала (поверхностные фильтры) или в порах
последнего (глубинные фильтры). В идеале поверхность фильтроэлемен-
та поверхностных фильтров Можно представить в виде сетки бесконечно
малой толщины с ячейками определенного размера. Такая сетка должна
была бы пропускать все частицы, размер которых меньше, чем размер
ячеек, и задерживать все частицы, размеры которых больше, чем
размер ячеек. На практике в силу неравномерности размеров ячейки
происходит постепенное засорение поверхности и закрытие части ячеек,
из-за образования свода над ячейками задерживается и часть частиц,
меньших, чем размер ячеек.
В глубинных фильтрах частицы попадают в сквозные или
тупиковые каналы в глубине фильтрующего материала и в зависимости от
извилистости и размеров каналов задерживаются в толще материала или
попадают в очищенное масло. Здесь степень очистки носит вероятностный
112

характер, но грязеемкость таких фильтров много больше, чем
поверхностных. Поэтому во многих случаях применяют комбинированные
механические фильтры.
4.4.1. ОТСТАИВАНИЕ
Отстаивание (седиментация) твердых и жидких загрязнений — один
из самых простых способов очистки, происходящей под действием веса
частиц.
Поскольку концентрация загрязнений в рабочих жидкостях
невелика, осаждение каждой частицы можно рассматривать без влияния на
нее других частиц. На осаждающуюся в жидкости частицу действует вес,
выталкивающая архимедова сила и сила сопротивления падению частицы
из-за вязкости трения. Считая движение частицы равномерным при малых
числах Рейнольдса (Re < 1,85) и форму частицы сферической, скорость
осаждения твердых частиц определим по формуле
d2 (р, - рж )
v = — g
4 18 "ж"*
а для осаждающихся капель воды с учетом изменения формы за счет
микропотоков в капле
о v v
*ж ж в
г> = —g
в 6 v о 3i> + 2i>
меж ж в
где d — диаметр частицы или капли воды; рч, рв, рж— плотность
соответственно частицы, воды и рабочей жидкости; *>в, v — кинематическая
вязкость при температуре осаждения соответственно воды и рабочей
жидкости.
Время отстоя при высоте Н уровня жидкости в отстойном баке г =
= H/v4.
С учетом поверхностных явлений молекулярного характера для
осаждения воды в рабочей жидкости рекомендуется [18] уточненная
формула
wv*.' ,в_рж»..
v =
Рук
где а — поверхностное натяжение, Н/м.
Расчеты по этим формулам пригодны в случае постоянной, темпера-
ры во всем объеме жидкости. При неравномерном нагреве или
охлаждении в жидкости возникают конвенционные потоки, зависящие от
направления теплового потока. Особенно заметно их влияние в незаглубленных
8-421
113

Рис. 31. Зависимости (1-4) диаметра зоны
максимального выпадения частиц
загрязнений от расстояния между срезом наливной
трубы (диаметром d ) и днищем
резервуара при скорости потока соответственно
1,1; 1,65; 2,2; 4,4 м/с (а) и схема
размещения отстойника и наливной трубы в
резервуаре (б)
резервуарах, в емкостях гидросистем из-за локального нагрева жидкости
дросселями, в местах выделения утечек и т. п.
В работе [18] показано, что резервуары с внутренними
подогревателями создают худшие условия для отставания загрязнений, чем с
наружным подогревом.
Обезвоживание рабочих жидкостей в меньшей мере зависит от
конвенционных потоков, так как последние укрупняют капли воды, а те с
большей скоростью осаждаются на дно емкости.
Отстой в емкостях происходит медленно. Например, для осаждения
частиц в емкости высотою 240 мм в нижний слой толщиною 60 мм
потребовалось 18 ч. Поэтому отбор жидкостей из резервуаров складов ГСМ
объединений и шахт следует производить из верхних слоев с помощью
плавающего приемника.
Всасывающие фильтры насосов необходимо располагать на высоте
не ниже 2/3 высоты залитой в емкость жидкости, сброс из дросселей
должен быть как можно больше удален от всасывающих фильтров и
клапанов. Анализ жидкости, поступающей в радиально-поршневой насос
через всасывающий фильтр (ячейки размером 270—300 мкм) и через
незащищенные всасывающие клапаны (открывающиеся при перегрузке
машины), расположенные далее от дна, показал, что в первом случае
максимальный размер загрязняющих частиц 120 мкм, во втором - 80 мкм.
Между сбросом жидкости и ее всасом необходимо установить
ребра и пороги, изменяющие направление потока и способствующие
осаждению. При подъеме жидкости в емкости, если обеспечивается ламинар-
ность потока, условие работоспособности очистителя
Q =Av,
где А — площадь отстойника; Q — пропускная способность отстойника.
Для комбинированных фильтров, использующих осаждение частиц,
представляет практический интерес величина конуса выноса
загрязняющих частиц (рис. 31). Диаметр зоны максимального выпадания осадков
уменьшается с уменьшением расстояния между днищем резервуара и
нижним срезом подающей жидкость трубы. Минимально допустимое
расстояние h =d/4. Можно считать, что при h <d D<25d .
114

4.4.2. ОЧИСТКА В МАГНИТНОМ ПОЛЕ
Среди загрязняющих частиц до 65 % составляют ферромагнитные,
представляющие собой продукты износа гидроагрегатов, отделившиеся
заусенцы, остатки стружек и т. п. Хотя прродукты износа, как правило,
малы по размеру, они являются катализаторами окисления минеральных
масел и тем самым снижают долговечность гидроузлов. Улавливание этих
частиц наиболее эффективно с помощью магнитных фильтров
(сепараторов) .
Нижний предел крупности улавливаемых таким способом частиц
0,4 мкм, что недостижимо для других видов фильтров с большой
пропускной способностью. Анализ загрязнений, задержанных магнитными,
показал, что среди них много немагнитных частиц. Например, на
магнитах, изъятых из фильтров подающих частей Г404, осело более 40 %
немагнитных частиц, причем по размеру значительно более крупных, чем
ферромагнитные.
Хотя магнитная фильтрация не может защитить конкретный узел
от загрязнений, так как при однократном проходе жидкости вдоль него
задерживаются не все даже ферромагнитные частицы, они являются
необходимыми дополнениями к механическим фильтрам. В работе [22],
обобщающей применение магнитных фильтров, показано, что с
добавлением магнитного поля эффективность работы сетчатого фильтра
вследствие коагулирующего действия на тонкодисперсные частицы резко
возрастает, особенно в области частиц меньших, чем размеры ячеек.
Как правило, основными активными элементами для создания
магнитного поля являются постоянные магниты. Перед магнитной очисткой
ставятся три проблемы: задержать частицы, удержать их в потоке при
возможных его пульсациях и отпустить эти частицы при очистке самих
фильтров. В зависимости от роли каждой из этих задач при эксплуатации
конкретной машины разрабатываются различные конструкции магнитных
фильтров. В этой связи разделяют фильтры, в которых частицы
непосредственно осаждаются на магниты, и фильтры, в которых концентраторами
частиц служат такие элементы, как сетки, поверхность мягкого железа
и т. п., помещенные в магнитное поле и теряющие свои магнитные
свойства после удаления активных элементов.
Степень очистки жидкости от загрязняющих частиц в магнитном
поле зависит от напряженности последнего, скорости потока, вязкости
рабочей жидкости, природы и крупности частиц, расположения силовых
полей относительного направления потока жидкостей, расстояния от
частиц до поверхности концентрирующих элементов, равномерности
потока относительно магнитного элемента и др. Усилие, притягивающее
частицу вблизи полюсов, может в тысячи раз превышать ее вес.
На движущуюся в магнитном поле частицу действует сила
*d2
ч
F = В Н cos a ,
4
115

где В - остаточная индукция, намагниченность, Т; <iq - эквивалентный
диаметр частицы, м; Н - напряженность магнитного поля, А/м; а —
угол между вектором напряженности магнитного поля и линией
взаимодействия магнита и частицы, градус.
Для очистителя цилиндрической формы
7TBd2H r2 cos a
ч max м
где #тах - напряженность магнитного поля у поверхности магнита, А/м;
г — расстояние от оси магнита до движущейся в магнитном поле
частицы, м; г м — радиус магнита, м.
При движении в жидкости на частицу действует также сила
гидравлического сопротивления, определяемая при ламинарном характере
обтекания частицы решением дифференциального уравнения
dr
где <?об - коэффициент объема, учитывающий несферичность частицы;
d — диаметр равнообъемного частице шара, м; g — ускорение
свободного падения, м/с2; рч и Рж - плотности соответственно частицы и
жидкости, кг/м3; с — коэффициент поверхности, характеризующий
соотношение между поверхностями частицы и равнообъемного шара; dv /
jdn — изменение скорости движения частицы относительно жидкой среды
в направлении, перпендикулярном к направлению движения частицы,
м/ (с • м); dv IdT — ускорение частицы, м/с2.
Частица осаждается в магнитном поле, если сила притяжения
магнита больше сил гидравлического сопротивления.
Существует несколько объяснений улавливания немагнитных
частиц. В фильтрах системы "Арлон" вначале на магнит осаждаются
ферромагнитные частицы, ориентирующиеся вдоль силовых полей и
создающие решетку в виде "щетки". Эта решетка задерживает немагнитные
частицы. Более простое объяснение заключается в том, что мельчайшие
ферромагнитные частицы являются частью большой частицы
(включением в нее). Доказательством служит тот факт, что при поднесении
магнита к загрязнениям, снятым с магнитного элемента фильтра
(включающем 40-45 % немагнитного материала по массе), все эти загрязнения
вновь притягиваются к магниту.
Нет установившейся точки зрения на место установки магнитного
фильтра. С одной стороны, рекомендуется устанавливать его на сливе
для очистки жидкости после смыва ею продуктов износа, с другой
стороны — на всасе для защиты гидросистемы от ферромагнитных частиц,
попадающих в резервуар по любому из путей. При работе в комплекте
с механическим фильтром магнитные элементы могут быть установле-
116

ны и в линии нагнетания насоса для защиты наиболее уязвимых
гидроустройств гидросистемы. Следует подчеркнуть, что дополнительный
перепад давлений на фильтре увеличивается при наличии магнитных
элементов незначительно и практически не растет по мере осаждения частиц
на этом элементе. Поэтому традиционные методы контроля степени
загрязненности по перепаду давлений для магнитных фильтров
непригодны, и в этом случае следует переходить на очистку магнитных элементов
по времени работы.
Для комбинированных магнитно-механических фильтров (фильтры-
сепараторы) возможна вначале очистка жидкости магнитным фильтром,
затем сетчатым или глубинным фильтроэлементом (например, фильтры
голландской фирмы "Арлон", фильтры фирмы "Марвел", США); вначале
механическая очистка, затем магнитная (например, отечественные маг-
нитосетчатые фильтры ФМС, микро-S-фильтры системы "Соммермейер"
ГДР) и, наконец, двойная очистка сеткой до и после магнитного фильтра
(например, фильтры RTфирмы "Регельтехник" ФРГ).
В случае опережающей магнитной очистки система защищала от
сброса осадка в гидросистему. Вероятность сброса особенно велика при
запуске системы, когда рабочая жидкость движется ускоренно,
пульсации потока и вибрации машины. При этом масса загрязнений,
проходящих вдоль магнитного элемента, значительна, содержит большое число
крупных немагнитных частиц, которые препятствуют осаждению мелких
ферромагнитных частиц.
Во втором случае (первичной механической очистки) возможен срыв
коагулированных частиц и поступление их в систему, но зато выше
эффективность магнитной очистки. Исследование поведения крупных
коагулированных частиц, попавших в поток после фильтра-сепаратора,
показывает, что эти частицы легко распадаются на составные мелкие
частички и не заклиниваются в зазорах систем управления.
Третий случай (сетка до и после фильтра) рационален с точки зрения
очистки, но требует двойной площади поверхности сетчатого фильтроэле-
мента и усложняет его регенерацию.
Магнитная очистки жидкости реализуется в разных конструкциях и
схемах. До создания достаточно сильных постоянных магнитов магниты
в основном встраивались в заливные устройства, устанавливались в виде
магнитных уловителей (пробок) или патронов в сливные трубопроводы,
отстойники и резервуары гидросистем, где можно ограничить скорость
обтекания магнитов жидкостью. Чем меньше эта скорость и чем тоньше
слой жидкости вокруг магнитов, тем эффективней фильтр и тем меньше
вероятность, что осевшие на него частицы будут смыты потоком в
гидросистему.
В настоящее время для изготовления постоянных магнитов
применяют специальные сплавы из металлов с направленной кристаллизацией,
получаемой при их отливке в мощном магнитом поле. Скорость потока,
обтекающего магнитный уловитель из таких сплавов, можно поднять
до 0,1 м/с.
Для получения большой коэрцитивной силы в последние годы широ-
117

ко применяются дешевые керамические бариевые или бариево-стронци-
евые ферриты. Особенность их кристаллической решетки — одно
преимущественное намагничивание, параллельное гексагональной оси. Магниты
из этих материалов используются в конструкциях фильтров с
расположением их одноименных полюсов вместе, часто с разнообразными
полюсными наконечниками, выполненными из мягкого железа. Этот тип
магнитного материала лучше использовать, когда необходимо близкое
расстояние между полюсами. Феррито-бариевые магниты менее
чувствительны к факторам, снижающим намагниченность тел. Магниты,
выполненные из сплавов металлов (ЮНДК24), отличаются по свойствам от
керамических магнитов, и в этом случае нет необходимости выдерживать
малое расстояние между полюсами. Линии индукции "текут" от одного
конца к другому и с помощью полюсных наконечников из мягкого
железа и системы решеток могут "направляться", обеспечивая требуемое
магнитное поле. Обычно изготовители рассчитывают на установку
магнитных фильтров в линии с низким давлением. В СССР серийно
производится серия магнитных патронов Г42-1, задерживающих частицы
общей массой 0,03-0,4 кг в радиусе действия 20-65 мм.
Магнитные сепараторы представляют собой корпус из немагнитного
материала, в котором закреплены пакеты магнитов и тем или иным
способом обеспечивается равномерная скорость потока вдоль пакета
магнитов при максимальном приближении к их поверхности.
Фильтры-сепараторы также, как правило, рассчитываются на
установку в сливной магистрали. Поэтому такие фильтры, как советские, так
и зарубежные, рассчитываются на давление 0,63—2 МПа при пропускной
способности до 400 л/мин. Таковы, например, выпускаемые в СССР
магнитные сепараторы типа ФМ.
По специальным заказам изготавливаются фильтры-сепараторы, объе-
• диненные с механической очисткой для линий нагнетания. Голландская
фирма "Арлон", например, выпускает фильтры на давление до 35 МПа
и на расход до 15000 л/мин, микро-S-фильтры системы "Соммермайер"
(ГДР) рассчитываются на расходы 10-10000 л/мин при давлении до
32 МПа (для фильтров с пропускной способностью до 100 л/мин).
Магнитные поля могут значительно повысить тонкость очистки
механических фильтров, не увеличивая их гидравлического сопротивления,
помещая, например, в это поле проволочную сетку. При этом нити сетки,
параллельные осям магнитов, намагничиваются, а перпендикулярные
нити остаются ненамагниченными, что исключает короткое замыкание
магнитной цепи.
Металлокерамический фильтр без магнита улавливал частицы до
10 мкм, в магнитном поле тот же фильтр — частицы до 3 мкм.
Еще одно достоинство магнитной очистки, по мнению некоторых
авторов [22], - усиливающееся сцепление молекул минеральных масел
и их полярная ориентация, вследствие чего на смазываемых поверхностях
машин возникает более высокая сила поверхностного натяжения масла.
В гидросистемах горных машин очистка в магнитных полях
применяется в настоящее время редко, большей частью только при использо-
118

Рис. 32. Магнитная вставка для фильтра тонкой
•очистки:
/ — колпачок; 2 — распорка; 3 — магнит
вании магнитных пробок, хотя, как показывает опыт, применение
магнитных фильтров является эффективным средством очистки жидкости.
В серийные фильтры тонкой очистки механизма подачи Г404
устанавливалась магнитная вставка (рис. 32), представляющая собой
намагниченный стержень диаметром 11 мм и длиной 56 мм из сплава ЮНДК24
(удельная магнитная энергия не менее 26500 Дж/м3), установленный
внутри трубы диаметром 34 мм на текстолитовых распорках. Концы
магнита покрывались для изоляции от стального корпуса фильтра
текстолитовыми наконечниками. Магнитная вставка добавлялась в фильтр
тонкой очистки после окончания заводских испытаний и очистки
масла Индустриальное И45 серийными фильтрами. Технологией
испытаний механизмов подачи после ремонта на рудоремзаводах
предусмотрена заливка в масляную ванну чистого масла, обкатка машины на
холостом ходу, испытания под нагрузкой (поток жидкости пропускается через
фильтры гидросистемы), после чего загрязненное при испытаниях масло
сливается, заменяются фильтроэлементы и, наконец, вновь заливается в
масляную ванну чистое масло, с которым механизм подачи поступает на
шахту.
Результаты работы фильтра тонкой очистки с магнитными вставками
в механизмах подачи комбайнов, прошедших капитальный ремонт на
Рутченковском рудоремонтном заводе, приведены в табл. 13.
Установлено, что до заливки масла в механизм подачи фактическая
загрязненность его в 1,5 раза превышала норму чистого масла; после
обкатки механизма подачи на холостом ходу она превышала ее в 110 раз,
по окончании заводских испытаний и очистки масла заводскими
фильтрами - в 10 раз, атюсле очистки масла фильтрами тонкой очистки с
магнитными вставками была меньше нормы в два раза.
Установленное в фильтр тонкой очистки магнитное устройство после
заводских испытаний машины отделило 1,85 г загрязнений за 2 ч работы
машины вхолостую. Загрязнения в основном состояли из стальных
волокон. Таким образом, магнитные вставки не только повышают
эффективность очистки, но и позволяют снизить расход масла при ремонте
гидроприводов.
Результаты промышленных испытаний магнитных вставок в фильтры
тонкой очистки в шахтных условиях (шахтоуправление им. Ильича п. о.
"Стахановуголь") показали, что магнитное устройство фильтра тонкой
очистки за 4 мес эксплуатации гидросистем механизмов подачи снизило
количество содержания железа в масляной ванне в 10-80 раз, сведя его
количество (независимо от первоначального содержания) до 0,001 %,
что вполне допустимо по условиям эксплуатации гидросистем.
119

Таблица 13
Отбор пробы
До заливки масла в механизм
подачи
После обкатки на холостом
ходу
После окончания заводских
испытаний и очистки масла
заводскими фильтрами
После очистки фильтром
тонкой очистки
Общая

загрязненность,
%
0,012
0,80
0,09
0,003
Превышение
(+) или
снижение (—) нормы
" загрязнения,
раз
+ 1,5
+ 110
+ 10
-2
Количество частиц в
1 см3 масла, шт.
ДО
20 мкм
200000
66000
229000
6500
более
20 мкм
46100
128000
44600
1350
Очистка магнитных вставок от осадков производилась
ежемесячно. Эти осадки представляли собой липкую массу, состоящую на 40—
45 % из глинистого сланца и на 55—60 % из частиц железа. Поскольку
последние были малы, различить их не удавалось даже под микроскопом
с увеличением в 400 раз.
Для регенерационных установок Брянковского рудоремзавода
были разработаны мощные электромагнитные фильтры (рис. 33),
представляющие собой трубу с надетой на нее катушкой. Внутри трубы
расположены надетые на ось диски с расстоянием 7—10 мм друг от друга.
В дисках просверлены отверстия для прохода жидкости вдоль трубы.
Диски набираются так, чтобы оси отверстий в них не совпадали при
движении жидкости. Магнитное поле рассчитано таким образом, что осаждение
частиц происходит на плоскостях дисков, а в отверстиях частицы не
задерживаются. Поток жидкости, поступая в трубу, разбивается на струи,
проходящие через отверстия. Ударяясь в торец соседнего диска,
ферромагнитные частицы задерживаются, а струя проходит через отверстия этого
диска, смещенные относительно отверстий предыдущего диска.
Поскольку расстояние между дисками большое, а в отверстиях загрязнения не
задерживаются, происходит заполнение междискового пространства —
сопротивление потоку не увеличивается.
Два таких очистительных блока объединялись в один фильтр,
обеспечивая параллельную или последовательную работу блоков. В первом
случаев увеличивалась пропускная способность, во втором —
степень очистки. Для уборки осевших частиц один из блоков отключался,
из трубы вынимался стержень с дисками и промывался в керосине. Таким
образом гидросистема работала непрерывно.
В первых вариантах на обмотку катушки подавался постоянный ток
напряжением 90 В, в более поздних конструкциях - переменный ток
напряжением 127 В.' При установке электромагнитного фильтра в
комплексе с другими фильтрами (центробежным, механическим) в качестве
первого каскада передвижной регенерационной установки для очистки
120

Рис. 33. Электромагнитный фильтр: .
1 - штуцер; 2,8- пластины; 3 - втулка; 4 - труба; 5 - электромагнитная катушка;
6 - стержень; 7 - диск; 9 - гайка; 10 - шпилька
минеральных масел гидросистем маталлорежущих станков было
установлено, что из системы отбирается по крайней мере 65 % общего
количества загрязнений, причем подавляющая часть их задерживается между
первыми пятью дисками.
4.4.3. ЦЕНТРОБЕЖНЫЕ ФИЛЬТРЫ
При отстое частица опускается на дно под действием силы
F = *(рч-Рж).
Если такую же частицу поместить в центробежное поле, то движущую
силу можно определить по выражению
Fn = Ясо2(Рч-Рж)>
где Rco2 - ускорение центробежной силы, м/с2; R - радиус вращения
частицы, м; со - угловая скорость, рад/с.
Число Фруда F = F IF = oj2R/g,
равное отношению ускорения частицы в центробежном поле к ускорению
свободного падения, называют фактором разделения, так как оно
характеризует силы, перемещающие частицы в центробежных полях.
Поскольку, повышая Fq, можно значительно уменьшить время
осаждения, очистка в центробежном поле рабочих жидкостей нашла широкое
применение в технике. При этом принципиально возможно два решения:
создавать вращательное движение жидкости в неподвижном корпусе или
121

вращать жидкость вместе с корпусом. В первом случае фильтры называют
гидроциклонами, во втором - центрифугами. Хотя конструкция
фильтров в первом случае проще, наибольшее применение нашли центрифуги.
Сравнивая центрифуги с механическими фильтрами, можно
отметить следующие их преимущества [5]:
более высокая тонкость очистки при большом расходе жидкости.
При очень высокой тонкости очистки возможен выигрыш и в
трудовых затратах на очистку. Центрифуги становятся
конкурентоспособными при очистке от частиц меньше 12 мкм;
во много раз большая грязеемкость, что в сотни раз увеличивает
ресурс работы центрифуг;
простота удаления осадка. Во многих центрифугах этот процесс
автоматизирован;
очистка в первую очередь частиц с большей плотностью, т. е. наиболее
изнашивающих гидроузлы;
возможность отделения из рабочих жидкостей, при необходимости,
воды и воздуха;
нечувствительность к наличию в рабочей жидкости смолистых
образований;
постоянство перепада давления и пропускной способности в
процессе работы;
возможность совмещения центрифуг с насосами, что позволяет
обеспечивать тонкую очистку на всасе основных насосов.
Вместе с тем очистительным установкам с центрифугами присущи
недостатки, ограничивающие область их применения: сложность
конструкции-и привода, особенно если учесть необходимость в больших
угловых скоростях (со > 500 рад/с); необходимость балансировки,
высокая трудоемкость изготовления, большие габариты и масса, большие
затраты энергии на привод при работе в затопленном состоянии, малая
величина давления на сливе и др. По мнению Ю.Ф. Пономаренко, при
применении центрифуг для очистки эмульсий происходит отделение
эмульсола и снижение концентрации применяемых в угольной
промышленности эмульсий. Поэтому наиболее рациональная область применения
центрифуг — машины, габариты которых не являются лимитирующим
фактором, а также в качестве вынесенных из гидросистемы очистителей
и т.д.
По направлению движения жидкости во вращающемся роторе
центрифуги можно разделить на три группы:
трубчатые, в которых очищенный поток движется параллельно оси
вращения ротора;
тарельчатые, в которых очищаемый поток движется в радиальном
направлении — в плоскости, перпендикулярной к оси вращения ротора;
в которых поток движется под острым углом к оси вращения ротора,
например шнековые.
К каждой из этих групп относится большое число конструкций,
основная цель которых тем или иным образом разделять поток на тонкие
слои, с тем чтобы уменьшить путь осаждения частицы. При любой схеме

из неразделенного на струи потока нельзя осадить частицы менее
12—15 мкм.
Опыт разработки центрифуг показал, что число Фруда в шнековых
центрифугах 2000-40000 в, тарельчатых 5000-8000 в, трубчатых 12000-
60000. Принято называть центрифуги с Fq > 3500 сверхцентрифугами
(сепараторами). Поскольку в гидроприводе применяются в основном
тарельчатые и трубные центрифуги, то весь процесс очистки называют
сепарированием, а выпускаемые серийно центрифуги для технологической
очистки и для очистки вне системы — сепараторами.
Все группы центрифуг могут приводиться в движение от автономного
привода (электрического, пневматического) либо самим потоком
жидкости. В последнем случае используют два варианта: 1) очищенная
жидкость выходит из ротора центрифуги через ось в противоположные
стороны по касательным каналам, и ротор вращается за счет реактивных сил.
Многочисленные эксперименты показали, что такая схема может быть
реализована при расположении центрифуги выше уровня жидкости. При
избыточном давлении более 0,01-0,02 МПа в линии за ротором или
касании ротором жидкости вращение его прекращается. Кроме того,
при таком способе вращения ротора угловая скорость его обычно не
превышает 600 рад/с, т. е. эти центрифуги относятся к низкооборотным (до
10 000 об/мин). Иногда вращение ротора реактивной силой
производится неочищенной частью потока, выделяемой специально для этой цели;
2) возможен и активный привод центрифуги от потока, когда последний
приводит в движение шестеренный или иной гидромотор, соединенный
с ротором. В большинстве конструкций привод осуществляется от
электро- или пневмодвигателя через ускоряющую передачу,
достигая 20000 об/мин на роторе.
На рис. 34 приведена схема осаждения частицы в трубчатом барабане.
Отбрасывание частицы А к периферии происходит под действием
центробежных сил со скоростью
4 18м ч ж
где d — диаметр частицы; д — динамическая вязкость жидкости.
Скорость осевого движения частицы с некоторым упрощением можно
определить по формуле
Q
1 n(R22-Rb
где R2 и Ri — соответственно внешний и внутренний радиусы
цилиндрического потока в барабане. После преобразований максимальная
пропускная способность трубчатой центрифуги определяется с точностью до
нескольких процентов по выражению
123

Л|
I
Рис. 34. Схема трубчатой центрифуги
Рис. 35. Схема тарельчатой центрифуги:
1 — неподвижный корпус; 2 — тарелка
(Pu
С =
V'min*'^
Ri)2co2
36 м
где d . — минимальный диаметр частиц, подлежащих осаждению.
ЙаШрис. 35 приведена принципиальная схема тарельчатой
центрифуги. Во вращающемся роторе почти под прямым углом к оси вращения
помещены тарелки. Жидкость подается в барабан через осевой канал,
затем выходит из него и распадается на ряд струй, идущих по
межтарельчатому зазору. Поскольку жидкость в роторе вращается, частицы
захватываются его стенками и поверхностью тарелок. Очищенная жидкость
выходит по концентрическому каналу, примыкающему к оси, на которой
закреплен ротор. Пропускная способность такой центрифуги с
некоторым приближением
С =
27М
где z — число межтарелочных пространств; радиусы R, г и угол а — см.
рис. 35.
Поскольку с увеличением числа z растет пропускная способность
центрифуги при тех же ее габаритах, расстояние между тарелками
делается минимально возможным — 0,7—0,8 мм.
В тех случаях, когда конструкция центрифуги предусматривает
удаление осевшего шлама без остановки, она называется
саморазгружающейся. Удаление осуществляется либо периодическим открытием
разгрузочных окон в корпусе ротора с помощью разного рода гидравлических
устройств, либо в корпусе делается наклонный лоток, по которому под
действием центробежных сил шлам удаляется в специальную емкость.
Гидравлические устройства, управляющие процессом разгрузки,
124

Рис. 36. Схема шнековой центрифуги
достаточно сложны. То же можно сказать и о всей конструкции
саморазгружающихся центрифуг по сравнению с центрифугами со съемным
ротором.
Перспективным направлением в развитии центробежной очистки
является создание шнековых центрифуг (рис. 36). Загрязненная
жидкость по полому валу 6 и через радиальные отверстия поступает в
полость вращающегося ротора 5. Внутри последнего в ту же сторону с
небольшой разницей скоростей вращается, шнек 3. Под действием
центробежной силы жидкость с твердыми частицами отбрасывается к стенкам
ротора. Частицы прижимаются к стенкам, очищенная жидкость
переливается через порог 2 в роторе и сливается в концентрический зазор между
наружной поверхностью ротора и внутренней поверхностью корпуса 1.
Ловушками 7 жидкость направляется в окно 4 для очищенной жидкости.
Шнек, один конец которого выполнен конусным, собирает осевший на
стенках шлам и выдает его из центрифуги в сторону меньшего
диаметра шнека. Диаметр этот меньше внутреннего диаметра порога 2,
поэтому выделяемый шлам почти жидкости не содержит. Шлам через
специальные отверстия погружается на конвейер.
Иногда такие шнековые центрифуги разделяют суспензию на две
жидкие фракции и на твердую. В этом случае в стенку части корпуса,
где кончается шнек, вставляются радиальные трубки, концы которых
расположены по разные стороны нейтрального слоя (цилиндрической
поверхности разделения жидкостей), и через эти трубки с помощью
ловушек фракции жидкости удаляются в разные резервуары.
Шнековые центрифуги применяются для сильнозагрязненных (от 0,5
до 70 %) жидкостей, причем в выданной твердой фракции влажность
не превышает 0,5 %.
По данным фирмы "Бирд" (США), тонкость очистки такими
центрифугами 2 мкм при производительности по твердой фракции от 40 кг до
100 т в 1 ч. Такие же фильтры рекламируют фирмы "Пеннвальт"
(Великобритания) , "Робатель" (Франция) и др. В основном указанные
центрифуги рекомендуются для очистки сточных вод, химической промыш-
125

ленности, но и для регенерации сильнозагрязненных рабочих жидкостей
и смазок. В последнем случае центрифуга изготавливается двухкаскад-
ной: в предварительном безшнековом каскаде удаляется часть жидкости,
а загущенная суспензия подается на второй — шнековый каскад.
В шнековых центрифугах угловая скорость ротора ограничена. С
увеличением частоты вращения ускоряется разделение жидкой и твердой
фаз, но усложняется выгрузка последней. Если F4 =3000, то это означает,
что шнек должен переместить груз как бы в 3000 раз более тяжелый, чем
он весит после выгрузки. Между твердой фазой (шламами) и
поверхностями ротора и шнека при очень большой частоте вращения происходит
настолько сильное сцепление, что шнек "замыкается" на ротор (как в
порошковой муфте), в результате чего возрастает абразивный износ,
увеличивается трение скольжения. Это приводит к излишним затратам
энергии на очистку, быстрому выходу из строя сменных изнашиваемых
поверхностей. Поэтому частота вращения шнековых центрифуг обычно
не превышает 6000 об/мин.
По предложению В.А. Межакова и А.Б. Морева центробежные
очистители испытывались непосредственно в угледобывающих комбайнах.
Центрифуга устанавливалась над редуктором исполнительного органа
комбайна 2К-52 в отдельной съемной крышке. Привод центрифуги
осуществлялся от конической вал-шестерни основного редуктора через
ускоряющую пару. Для подачи смазки в центрифугу в исполнительном
органе устанавливался шестеренный насос. Центрифуга предназначалась для
очистки масла ТАП-15В в редукторе исполнительного органа комбайна.
Лабораторные испытания встроенной системы очистки в Донецком
политехническом институте показали ее высокую эффективность на различных
жидких смазках, используемых для редукторов угольных комбайнов:
частицы, наиболее опасные для работы редуктора, удалялись из системы
даже при минимальной угловой скорости - 314 рад/с.
Проведенные на заводе стендовые испытания комбайна 2К52 со
встроенной центрифугой показали, что на внутренней поверхности
ротора оседают продукты приработки шестерен, металлическая стружка,
частицы окалины, формовочный песок и др. Основная часть осадка
состояла из частиц больше 0,5 мм. Встречались отдельные частицы с
размером до 6 мм.
Хорошие результаты были получены и при испытании этого
комбайна на шахте, где загрязненность смазки ТАП-15В механическими
примесями достигала 1,02 %.
Хотя при испытаниях центробежных встроенных фильтров в целом
получили положительные результаты, необходимость в наличии
ускоренной передачи с более высокой точностью изготовления, а также
периодической очистки барабана центрифуги, что особенно трудно в условиях
тонких пластов, и другие причины не позволили рекомендовать такое
решение для серийно выпускаемых машин. В то же время
принципиально была доказана возможность применения встроенных центробежных
фильтров для внесистемной очистки рабочих жидкостей в крупных
горных машинах (например, проходческих комбайнах и очистных комбай-
126

нах для мощных угольных пластов) при условии повышения частоты
вращения ротора более 5000-6000 об/мин. По результатам лабораторных
и стендовых испытаний встроенной в комбайн центрифуги Горловским
машиностроительным заводом им. СМ. Кирова была изготовлена
партия автономных устройств для заливки и очистки смазок 1ЦФ.
Устройство позволяло заправлять, фильтруя, под давлением емкости комбайнов
в момент выхода их из забоя на штрек, промывать масляные ванны
комбайнов, очищать и фильтровать загрязненные жидкости в емкостях
комбайнов во время ремонтных смен. Установка 1ЦФ представляла собой
центрифугу, приводимую в движение от электродвигателя Э38—80 (от
сверла ВЭР-19М) мощностью 1,25 кВт, через ускоряющую шестеренную
пару, служащую одновременно насосом. Подача последнего 20 л/мин,
максимальное давление в линии нагнетания 0,5 МПа, направление
вращения за счет автоматически перебрасывающегося золотника — любое.
Частота вращения ротора центрифуги 2950 об/мин.
Испытания установки 1ЦФ на масле Индустриальное-20 при
температуре 60—65° С с загрязненностью 0,0625 % показали, что за 1 ч работы
загрязненность снизилась до 0,0233 %, содержание воды не изменилось,
а из бака емкостью 240 л были полностью отфильтрованы частицы
крупнее 50 мкм (до испытания в 1 см3 находилось 800 таких частиц), число
частиц в 1 см3 крупностью 25—50 мкм снизилось с 2060 до 150, а
крупностью 10-25 мкм - с 3830 до 2670.
При проверке работоспособности установки 1ЦФ на шахте было
установлено, что загрязненность масла в редукторе по массовой доле
механических примесей уменьшилась в 6 раз, из жидкости были удалены
частицы крупнее 50 мкм, т. е. подтвердились результаты стендовых
испытаний.
Некоторым недостатком вынесенной системы очистки и заливки
является наличие в угольном забое еще одного агрегата с отдельным
питанием. Кроме того, если полученные результаты отвечают требованиям к
смазке, то для рабочих жидкостей тонкость очистки следует увеличить
хотя бы в 3 раза, что требует во столько же раз увеличить угловую
скорость. Создание такой центрифуги, имеющей сравнительно малый вес,
небольшие габариты и простое обслуживание, — важная инженерная
задача.
4.4,4. ГИДРОЦИКЛОНЫ
Для создания центробежной силы поток жидкости вводят в
верхнюю часть гидроциклона через касательные каналы, поток закручивается
при движении по спирали вниз вдоль стенок, частицы отбрасываются к
поверхности стенок, а очищенный поток, благодаря наличию конусной
части корпуса, в нижней его части гидроциклона сжимается,
поднимается вверх вдоль оси по спирали меньшего диаметра и выходит через
имеющееся в верхней части отверстие.
При закручивании очищаемого потока давление у стенок
увеличивается, а по центру уменьшается. Возникает вакуумная воронка, способ-
127

ствующая очищению жидкости. Поскольку при одной и той же окружной
скорости центробежная сила увеличивается с уменьшением радиуса,
корпуса гидроциклонов выполняются малого диаметра, а для создания
достаточной пропускной способности гидроциклоны соединяют в
параллельно работающие блоки — мультигидроциклоны. Для большего разгона
жидкости в тангенциальном направлении в некоторых гидроциклонах
верхнюю крышку выполняют со спиральной поверхностью. Пропускную
способность гидроциклона определяют по эмпирической формуле [18]
Q = kDdn V^P~,
где к - коэффициент, зависящий от угла конусности гидроциклона;
увеличивается с уменьшением угла конусности; D— диаметр цилиндрической
части гидроцйклона, м; du — диаметр патрубка, м; Ар— перепад
давлений в гидроциклоне, Па.
В этой формуле не учтен весьма важный параметр — вязкость, так
как через гидроциклон пропускают маловязкие жидкости — воду,
эмульсию, смазочно-охлаждающие жидкости и т. д.
Основные достоинства гидроциклонов: простота конструкции,
отсутствие движущихся относительно друг друга деталей, компактность,
малая стоимость, отсутствие узлов, которые необходимо периодически
очищать от загрязнений, легкость обслуживания. Хотя скорость движения
потока много меньше, чем в центрифугах, и возможно неполное
улавливание мелких частиц, степень очистки в некоторых случаях вполне
достаточна для поставленных целей.
С помощью гидроциклонов специального исполнения из обычной
шлифовальной жидкости извлекают приблизительно 98 % частиц
размером от 5 мкм и выше, 66 % частиц более 2 мкм и 50 % частиц более
1,5 мкм.
В угольной промышленности гидроциклоны используются при
мокром обогащении углей. В зависимости от размера гидроциклона и его
пропускной способности отделяются частицы угля крупнее 10—70 мкм.
Пропускную способность повышают, объединяя гидроциклоны в блоки.
Положительные результаты при испытаниях показал гидроциклон,
разработанный КГМИ совместно с Ирминским заводом
гидрооборудования для очистки воды, нагнетаемой в пласт насосами ВН-35. Иэ воды
удалялись частицы крупнее 30 мкм.
Гипроуглемашем разработан мультигидроциклон для насосных
станций типа СНУ. При стендовых испытаниях на эмульсии из жидкости
отделялись частицы крупнее 25-35 мкм. Шахтные испытания в п. о. "Сверд-
ловантрацит" показали, что с помощью мультигидроциклонов можно
втрое снизить загрязненность эмульсий.
Гидроциклону, однако, присущ важный недостаток: он не может
работать при значительном подпоре в линии чистой жидкости, т. е. он
может быть установлен только в линии слива, желательно незатопленно-
го. В подземных условиях такие условия для гидросистем могут
наблюдаться только на машинах, работающих на маловязкой рабочей
жидкости и расположенных на штреке.
128

4.4.5. ЭЛЕКТРОСТАТИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА
Очистка рабочих жидкостей в электрическом поле - один из наиболее
новых и прогрессивных способов, не привлекших еще достаточного
внимания конструкторов. Работами ряда исследователей доказана высокая
эффективность очистки топлив и маловязких жидкостей от твердых
частиц и воды.
Например, установка КНИГА (Киевского института инженеров
гражданской авиации) позволяет при пропускной способности 100 л/мин
очищать топливо от частиц более 3 мкм при общей максимальной
загрязненности жидкости 0,1 %, максимальной крупности частиц 50 мкм
и обводненности 1,8 %. Грязеемкость установки составляет 2,2 кг.
При испытании другой установки на масле АМГ-10 (ГОСТ 6794—75)
концентрация механических примесей снизилась с 0,035 до 0,002 %, а
крупность частиц не превышала 5 мкм. Напряженность поля составляла
1500 В на 1 мм зазора между электродами. С повышением напряженности
повышается и перепад давлений на фильтре (обычно перепад давлений
не превышает 0,006 МПа).
Для расчета осаждения частиц в электроочистителях обычно
учитывают действие на частицу кулоновой силы F =qEx> где FK — кулоно-
вая сила, Н\ q — заряд частицы,Кл; Ех — напряженность электрического
поля, В/м, на расстоянии х, м, от электрода, и сравнивают ее с силой
гидравлического сопротивления (см. 4.4.2).
Если напряженность электрического поля можно определить по
формулам табл. 14, то определение хотя бы средних величин зарядов
частиц представляет значительные трудности. Поэтому осадительная
способность различных электроочистителей определяется обычно эмпирическим
путем.
Схемы электростатических очистителей с однородным и
неоднородным электрическим полем приведены в табл. 15 [18].
В случае однородного электрического поля жидкость проходит между
разноименно заряженными электродами, частицы притягиваются и
оседают на них. Испытание подобных очистителей показало, что частицы,
коснувшись пластины, теряют свой заряд, перезаряжаются и притягиваются
к пластине с противоположным зарядом. При этом они сносятся потоком
текущей жидкости. Покрытие электродов пористым материалом
уменьшает отрыв частиц от них, но снижает эффективность очистки и
затрудняет регенерацию электродов. Более рациональным оказалось пропускать
жидкость перпендикулярно к пластинам (рис. 37). При этом отобранные
из потока частицы попадают в бункер. Киносъемка движения частиц
через прозрачную стенку очистителя подтвердила высокую эффективность
такой очистки. Такой способ осаждения частиц был использован при
создании установки с вращающимся гидродинамическим фильтром (рис. 38)
для осаждения коагулировавшихся частиц.
При неоднородном электрическом поле частицы вначале
ионизируются, затем осаждаются на противоположно заряженном электроде. Вслед-
9-421
129

Таблица 14
Система
электродов
Схема
расположения
Напряженность поля, В/м
на расстоянии х, м
максимальная

Концентрические
сферы
Сфера -
плоскость
Коаксиальные

цилиндры
Провод -
плоскость
Игла -
плоскость
"А
£Ж7
Афт xr :
Е =
х
<Л - г Ох2
Ех=0,9х
A^Mfri+A)
Е =
х
Аф
'2
х\п —
Ех= 0,9
Аф
Е =
х In
2 Аф
r\ +h
х\п
4Л
Афг2
(Г 2- 'О? 1
max
Аф(г1 +h)
rxh
Аф
гх In
rl
Е = 0,9
max '
Аф
/^ln
2 Аф
гх +И
4Л
г, In
ствие неоднородности поля частицы должны двигаться в сторону
увеличения напряженности поля, т. е. к электродам, выполненным в виде
игл, проводов и т. п., а затем, зарядившись соответствующим зарядом, -
к электроду с противоположным зарядом, где они и задерживаются.
Следует отметить, что применение электроочистителей сдерживается
отсутствием апробированной теории очистки как твердых, так и
жидких загрязнителей.
130

Таблица 15
Тип

очистителя
Принципиальная

схема

Конструкция осади-
тельных

электродов


щества
Недостатки
Однородное электрическое поле
С осадительным
электродом

неизолированным
То же, с
изолированным
То же
То же
С
раздельными
ионизационной и
осадитель-
ной
камерами
То же, с

совмещенными
ОЖ
Гладкие
То же
Покрытые
пористым

диэлектриком

Межэлектродное

пространство
заполнено
пористым

диэлектриком
Простота

конструкции
Снижение
утечки
зарядов

Уменьшение уноса
осевших
частиц
То же
Неоднородное электрическое поле
Значительная
утечка зарядов,
возможность
уноса частиц
загрязнений
Возможность
уноса частиц
загрязнений
под действием
электрической
концентрации
Забивание
пористого
диэлектрика
частицами
загрязнений
То же
ЗЖ
зж\\\\ I Г
Гладкие
То же

Покрытые
пористым
Высокая

Напряженность
поля
То же
(Высокая

напряженность по-
Малая
пропускная
способность

Удерживаются только
|диэлектричес-
кие частицы
Трудность
регенерации
пористого
131

Продолжение табл. 15
Тип

очистителя
То же

Принципиальная
схема
«ЛИ
хож
г

Конструкция
о сади-
тельных

электродов

диэлектриком
Электрод^
ловушка


щества
пя и
хорошие
условия
удержания
частиц
Легкость
удаления

задержанных

грязнений
Недостатки

диэлектрика при его
забивании
Сложность

конструкции,
большие
габариты
Рис. 37. Схема движения частиц в электроочис-
тителе с однородным электрическим полем
при продольном (а) и поперечном (б)
потоках:
1,2 — пластины с противоположными
зарядами; 3 - бункер
Рис. 38. Схема гидродинамического фильтра
с вращающимся фильтроэлементом и
электростатическим осаждением:
1 — бак; 2, 4 — опоры и уплотнения; 3 —
вращающийся фил ьтро элемент; 5 — подвод
загрязненной жидкости; 6 — отвод очищенной
жидкости; 7 — электростатические пластины;
8 — вентиль бункера
/ г-
А
fY
Н*—
Ы
'S<*v;«'-*./.
—*н
..." "jjr
"т Г
4.5. Механические фильтры
Очистка жидкости в силовых полях пригодна либо для работы вне
гидравлической системы (гравитационная, центробежная, электростати-
132

ческая очистка), либо как вспомогательная к механической (в
магнитном поле).
Как правило, во всех гидросистемах применяется механическая
очистка рабочей жидкости, т. е. отделение взвешенных в жидкости твердых
(иногда жидких или газообразных) частиц, с помощью перегородок.
Выше (см. 4.4) указывалось, что эти перегородки могут задерживать
основную массу частиц либо на поверхности, либо в порах, либо и на
поверхности и в порах. Преднамеренно осуществляемый процесс
разделения двухфазной жидкой среды через перегородку для выделения одной
из фаз называют фильтрованием.
Поскольку концентрация частиц в рабочих жидкостях невелика, а
движение жидкости через перегородку производится в ламинарном
режиме, при анализе можно пользоваться уравнением Дарси
Ар
Q= knS —,
п ixl
где Q - пропускная способность; кп — коэффициент проницаемости
материала; S — площадь фильтрующего материала; Ар — перепад
давления; ц — динамическая вязкость; / — длина участка фильтрации.
При повышении скорости движдения жидкости возможно отклонение
от линейной зависимости v = f(Ap) из-за инерционных добавок и
появления местных сопротивлений.
Из уравнения Дарси можно найти коэффициент проницаемости,
характеризующий до некоторой степени свойства фильтрующего
материала. Более достоверные результаты получаются при экспериментальных
исследованиях, так как в теории не учитываются застойные зоны
(оседание частиц на поверхности и в порах материала), адсорбционные
явления, наличие нерастворенного воздуха и т. д. Наиболее полно процесс
фильтрования проанализирован в работе [14]. В качестве критерия
подобия процессов движения жидкости через фильтрующий материал при
ламинарном режиме предложен критерий Лагранжа [18]
L°= »„* '
где v ф = Q/S - фиктивная скорость движения жидкости через
фильтрующий материал.
При взаимодействии загрязняющих частиц с порами фильтрующего
материала вследствие изменения в весьма широких пределах крупности
взвешенных частиц возможны следующие варианты:
частицы, размеры которых больше размеров пор, полностью
закрывают все поры. При этом частицы, размеры которых меньше размеров пор,
проходят сквозь остающиеся поры. Такое явление называется
фильтрованием с полным закупориванием пор и характерно для поверхностной
очистки:
133

частицы меньших размеров, чем размеры пор, проникают внутрь
их и оседают в глубине пор в местах выступов, впадин или изгиба поры,
а также из-за адсорбции, способствуя тем самым торможению следующих
частиц. Такое явление называют фильтрованием с постоянным
закупориванием пор, или стандартным законом фильтрования. Этот вид
фильтрования характерен для глубинной (или объемной) очистки;
частицы меньших размеров, чем размеры пор, задерживаются на
перемычках между порами и, сдвигаясь, постепенно перекрывают
отверстие, образуя над ним свод. Этот свод имеет поры меньшие, чем в
основном материале, что позволяет жидкости двигаться через фильтрующий
материал, но с большим перепадом давлений (при том же расходе). На свод
осаждаются частицы значительно меньшие, чем диаметр пор в
фильтрующем материале, и тем самым повышается характеристика материала с
точки зрения тонкости очистки и ухудшается гидравлическая
характеристика. Такое явление называется фильтрованием с образованием
осадка.
Если пористость этого осадка и перегородки с повышением
давления в процессе разделения суспензии не изменяются, то осадок и
фильтрующий материал считают несжимаемым. В противном случае осадок и
перегородку считают сжимаемыми.
Поскольку большинство частиц загрязнений недеформируемы, в
расчетах осадки рассматривают без учета их сжимаемости. По утверждению
[22], фильтрование с постепенным закупориванием пор возникает при
концентрации загрязнений в рабочей жидкости не более 0,063 %, а
фильтрование с образованием осадка — более 0,15 %.
В диапазоне концентраций 0,063-0,15 % возникает фильтрование
промежуточного типа: с постепенным закупориванием пор и
образованием осадка на поверхности.
Фильтрование с полной закупоркой пор происходит крайне редко,
при ошибках в выборе фильтрующего материала.
В гидросистемах обычно жидкость подается от объемных насосов,
обеспечивающих постоянную скорость движения через фильтрующий
материал. При этом по мере задержания частиц повышается перепад
давления на материале.
Если фильтрование происходит под действием постоянного столба
жидкости в резервуаре или другом способе поддержания постоянным
перепада давления, скорость прохождения жидкости через фильтроэле-
мент по мере задержания частиц фильтрующим материалом будет падать
(р . = bar, Ар = const). В работе [14] приведены формулы для
определения параметров фильтрования для указанных схем включения фильтров
в систему и разных видов фильтрования. Во все формулы введены
коэффициенты, характеризующие фильтруемость масла, но имеющие
неодинаковый физический смысл, а следовательно, и разную размерность в
зависимости от схемы оседания загрязнений и режима фильтрования.
Находятся эти коэффициенты эмпирическим путем.
Поскольку, как правило, в процессе очистки в определенной последо-
134

вательности и с разной длительностью имеются все типы взаимодействия
частиц с порами фильтрующего материала, более надежным является
сравнение фильтрующих материалов по их фильтрационным показателям.
4.5.1. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ФИЛЬТРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ
Основные фильтрационные показатели материала — тонкость и
полнота фильтрования, гидравлическая характеристика и ресурс работы.
Тонкость фильтрования определяет способность перегородки
удерживать частицы загрязнений определенного размера. Различают абсолютную
и номинальную тонкость фильтрования. Абсолютная тонкость
характеризуется минимальным размером частиц, полностью задерживаемых
фильтрующим материалом. При этом к загрязняющим частицам относятся
все посторонние включения, в том числе бактерии, продукты
смолообразования и т. п. В качестве размера частицы принимается наибольший.
Исключение составляют волокна — частицы, толщина которых не более
30 мкм, а отношение длины к толщине не менее 10:1.
В проспектах на фильтры обычно указывается номинальная тонкость
фильтрования, т. е. тот минимальный размер частиц, который
задерживается перегородкой не менее чем на 90—95 % частиц такого же
размера в неотфильтрованной жидкости.
Следует отметить, что на показатель номинальной тонкости
фильтрования следует ориентироваться весьма осторожно, так как при
испытаниях прохождение частиц зависит от их рода, формы, рабочей жидкости,
материала фильтрующей перегородки и т. д. Например, сравнивая
отношение абсолюрной и номинальной тонкостей фильтрования у фильтров
фирмы "Эрирафт Медиа", видно, что оно изменяется от 2,5
(абсолютная тонкость 25 мкм) до 12,5 (абсолютная тонкость 50 мкм). У фильтров
фирмы "Ролл" это отношение изменяется от 3 (абсолютная тонкость
30 мкм) до 7 (абсолютная тонкость 3 мкм).
Кроме того, нет единой установленной величины тонкости отсева,
при котором следует назначать номинальную тонкость фильтрования
(90, 95, 98 % и т. д.). Поэтому в каталогах должна указываться и эта
величина.
Более объективно тонкость фильтрования определяется при расчете
коэффициента пропускания X (по иностранной терминологии дельта —
метод). Он определяется как процент содержания частиц загрязнения
определенной размерной группы в пробах одинаковой емкости после
очистки по отношению к количеству частиц той же размерной группы в
пробе загрязненной жидкости. Размерная группа загрязнения, у которой
коэффициент пропускания X = 5 %, определяет тонкость фильтрования.
Иногда вместо построения на графике коэффициента пропускания строят
график процентной эффективности (к. п. д.), представляющий собой
разницу 7? = 100 — \. Вычисленный коэффициент пропускания
приписывается среднему положению соответствующего диапазона крупности.
Однако большинство счетчиков частиц и норм на чистоту рабочих
жидкостей имеют небольшое количество диапазонов размеров (например,
135

Таблица 16
Диапа-
разме-
ров, мкм
5-10
10-15
5-15
Количество частиц
В
загрязненной
жидкости
88526
6951
95477
В
отфильтрованной
жидкости
62180
606
62786
Коэффициент

пропускания,
%
70,2
8,7
66,0
Середина
зона,
мкм
7,5
12,5
10,0
в ГОСТ 17216-71 для жидкости, используемой в общепромышленных
гидроприводах, таких диапазонов пять) и, следовательно, каждый
диапазон охватывает значительный перепад размеров частиц. Количество частиц
в диапазоне распределено неравномерно. Если граничные значения
диапазонов выбрать иначе, изменится и коэффициент пропускания. Например,
разделим диапазон 5—15 мкм на два и приведем результаты расчетов
в табл. 16.
Если теперь строить график X = f(a) по раздельным диапазонам, то
для 10 мкм X = 28 %, что дает ошибку более чем в два раза. Искажение
можно исключить, если будут стандартизированы диапазоны для всех
видов счетчиков.
Другая форма представления результатов исследования пропускной
способности — кумулятивный метод — заключается в построении
графика процентного отношения количества частиц, размер которых
больше оговоренного размера в пробе очищенной жидкости, к
общему количеству частиц в пробе загрязненной жидкости. Этот метод
дает более точную кривую, чем дельта-метод, так как не зависит от
диапазона крупности частиц. При дисперсионном распределении частиц по
крупности, число частиц в котором быстро падает с увеличением их
крупности, формы кривых дельта-метода и кумулятивного метода идентичны,
имеют общую точку начала, только последняя кривая сдвинута влево,
так как в начале диапазона частиц больше, чем в конце. Ряд
автоматических счетчиков выдают кривую зависимости кумулятивного числа от
крупности частиц.
При исследованиях фильтрующих материалов с целью их
сравнения широко применяют разработанный ИСО (Международная
организация по стандартизации) коэффициент фильтрации (^-коэффициент). Он
показывает отношение количества частиц, больше определенного размера,
в загрязненной жидкости к количеству таких же частиц в очищенной.
Например, коэффициент j310 =2 означает, что фильтрующий материал
отделяет 50 % частиц больше 10 мкм. Очевидно, что чем выше значение
коэффициента бета, тем более эффективен фильтр при удалении частиц.
При всей простоте этого метода высказывается сомнение в его
пригодности для сравнения фильтров, так как здесь учитывается только одна
крупность, если, конечно, при этой крупности не меняется коренным
образом к. п. д. фильтра.
136

Одновременно с тонкостью фильтрования следует определять и
коэффициент полноты фильтрования у = 1 - G/G0, где G и G0 - масса частиц
загрязнителя соответственно после и до фильтрования.
Большое значение с точки зрения работоспособности как самой
системы, так и непосредственно фильтра имеет его гидравлическая
характеристика, показывающая зависимость расхода жидкости через единицу
площади фильтрующего материала (q) от перепада давлений на
материале (Ар), т. е. q =f(Ap).
Гидравлическая характеристика зависит не только от свойств
фильтрующего материала, но и рабочей жидкости (вязкости, взаимодействия
с материалом, наличия воды, воздуха), степени загрязненности жидкости,
температуры испытаний и скорости изменения давлений при испытании.
Если фильтрующий материал предполагается испытывать в несколько
слоев, то и гидравлическую характеристику следует определять для
совокупности слоев, так как перепад давлений при фильтровании через
несколько слоев не равнозначен сумме перепадов давлений через каждый
слой. Даже плотность упаковки этих слоев значима: при неплотном
сжатии слоев перепад давления меньше, чем при плотном.
Ресурс работы фильтрующего материала определяется объемом
рабочей жидкости определенной вязкости и загрязненности, который
может быть пропущен через материал до достижения максимально
допустимого перепада давления. Понятно, что ресурс работы изменяется в
широких пределах в зависимости от рода жидкости, температуры и
загрязненности. Опыт, показывает, что при большой загрязненности ресурс фильтра
уменьшается в сотни и даже тысячи раз.
Вместо ресурса работы фильтра применяют показатели грязеемкости
фильтрующего материала и фильтруемости масла через него. Грязеем-
кость определяется массой загрязняющих частиц, осевших на единицу
площади фильтровального материала до достижения максимально
допустимого перепада давления.
Определяют грязеемкость взвешиванием на аналитических весах
фильтроэлемента до испытаний и после достижений максимального
перепада давления и делением разницы весов на площадь поверхности
фильтроэлемента.
Как и ресурс, грязеемкость пригодна только для
ориентировочного сравнения материалов, но не для расчетов реальной машины, так как
величина перепада давления зависит от жидкости, удельного расхода,
характера загрязнителей.
Фильтруемость жидкостей характеризует зависимость удельной
пропускной способности от времени при постоянных перепаде давления и
вязкости жидкости. Обычно она определяется на безнасосной установке
с подпором 0,05 МПа при замерах прошедшей сквозь перегородку
жидкости через каждые 15 с. Исследование полученных результатов
показывает, что при самом тщательном проведении опытов ошибка достигает
± 10 %.
В этом случае на результаты испытаний влияют те же факторы, что и
при определении ресурса.
137

Более объективен пузырьковый метод определения максимального
и среднего размера пор в фильтрующем материале. Сущность метода
заключается в установке испытуемого образца фильтрующего материала
в виде перегородки в корпусе. Над образцом налито 5 мм воды, под
образец подводится сжатый воздух, давление которого контролируется
дифференциальным манометром. Медленно повышая давление сжатого
воздуха (допустимая скорость подъема, равная 0,2—2 мм вод. ст/с,
зависит от толщины фильтрующего материала и крупности пор), отмечают
давление, при котором появится первый пузырек. Этот пузырек прошел
через наибольшую пору, которая обеспечит абсолютную тонкость
фильтрования. Повышая давление далее, отмечают, при каком давлении пузырьки
будут проходить равномерно по всей поверхности. Рост давления
воздуха при этом прекращается. Это давление соответствует среднему размеру
пор поверхности.
Диаметр порового канала dn = (4а )/р, м, где а — коэффициент
поверхностного натяжения жидкости, Н/м; р — давление воздуха перед
фильтрующим материалом, Па.
Из формулы следует, что чем меньше поры, тем большее давление
нужно подать под испытываемый материал. Поэтому вместо воды часто
применяют этиловый спирт, имеющий меньший коэффициент
поверхностного натяжения.
Перед испытанием фильтрующий материал для полного смачивания
в течение не менее 2 ч пропитывается соответствующей жидкостью.
4.5.2. ФИЛЬТРОВАЛЬНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
Качество разделения суспензий в фильтрах и его производительность
зависят от фильтрующего материала. Поэтому проектирование, строение
и выбор фильтровального материала в большинстве случаев имеют
решающее значение для процесса фильтрования, особенно в начале процесса при
задержании на поверхности .первых частиц твердой фазы до образования
осадка. Выбор фильтрующего материала определяет тонкость очистки,
скорость фильтрования, гидравлическое сопротивление и другие
показатели, позволяющие нормально вести процесс.
Следует указать и на физико-химические факторы, возникающие при
разделении фаз: содержание в суспензии смолистых и коллоидных
примесей, засоряющих поры; влияние электрокинетического потенциала,
возникающего на границе раздела твердой и жидкой фаз и уменьшающего
эффективное сечение пор; наличие сольвентной оболочки на твердых
частицах, действие которой проявляется при соприкосновении частиц
в процессе образования осадка. Из-за совокупности гидродинамических
и физико-химических факторов изучение свойств фильтровальных
материалов весьма сложно.
Фильтровальные материалы делятся на тканые из металлических,
натуральных и синтетических волокон и нетканые из текстильных
материалов, бумаги, картона. Кроме того, применяют и металлокерамичес-
кие материалы. К фильтровальным тканям предъявляются следующие
требования:
138

ткань должна иметь структуру, обеспечивающую высокую
проницаемость для фильтруемых жидкостей, воздуха и газов, высокую
степень (тонкость) очистки и минимальное гидравлическое сопротивление;
в зависимости от физических и химических свойств фильтруемой
среды, технологических условий процесса фильтрования ткань должна
быть механически прочной, обладать соответствующей химической,
тепловой, антикоррозионной и биологической стойкостью;
ткань должна иметь гладкую поверхность, обеспечивающую легкость
и полноту снятия осадка со всей поверхности, а также быть способной
к быстрой очистке и промывке;
ткань должна быть выработана без дефектов, быть достаточно
износоустойчивой и дешевой;
ткань должна иметь минимальную толщину, но достаточную для
того, чтобы выдержать давление (разрежение) при фильтровании.
К фильтровальным тканям, особенно к сеткам и тканям из
химических и стеклянных волокон, в отношении характера и распределения
пор предъявляются следующие требования:
они должны иметь возможно большее количество сквозных пор;
поры ткани должны быть по возможности прямолинейными по
толщине (каждый изгиб повышает сопротивление прохождению фильтруемой
среды из-за увеличения трения, подпора и т. д. Однако извилистость пор
улучшает фильтрующее действие);
поры должны иметь на всем своем протяжении одинаковое сечение
без местных сужений, так как проницаемость ткани определяется
местным сужением пор;
поры ткани должны иметь одинаковые размеры, чтобы ткань могла
улавливать частицы одинаковой величины;
поры ткани должны равномерно распределяться по всей ее
поверхности.
Исходя из требований к фильтрующему материалу, предъявляются
требования и к пряже:
следует применять максимально тонкие волокна, так как при этом
повышаются фильтровальные свойства тканей;
необходимо обеспечивать требуемую механическую тепловую и
химическую устойчивость применительно к режиму фильтрования
рабочей жидкости с учетом ее присадок;
отдельные волокна в пряже должны быть прочно закреплены, так
как иначе они вымываются потоком;
для повышения очистительной способности пряжа должна быть
ворсистой и мягко скрученной, хотя при этом ухудшается возможность ее
регенерации и снятия осадка.
4.5.2.1. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА И СТРУКТУРА ФИЛЬТЮВАЛЬНЫХ ТКАНЕЙ
Хлопчатобумажные фильтровальные ткани представляют собой
полотняное переплетение (сетку), прочность которой по основе
(продольные нити) больше, чем по утку (поперечные), Не допускается нагрев
139

рабочей жидкости до температуры более 100°С, так как при 120—130 С
фильтровальные ткани разлагаются. Они устойчивы к воде, спирту,
бензолу, хлороформу и др., но сильно разбухают в воде. При этом
уменьшаются поры, повышается сопротивление, но улучшается фильтрация.
Реагируют на кислоты, особенно минеральные (при температуре 90° С
1,5 %-ная соляная кислота разлагает в течение 1 ч), подвержены
воздействию перекиси водорода, гипохлоридов кальция и натрия, но не щелочей
(выдерживают 10 %-ную щелочь температурой до 20° С).
Шерстяные фильтровальные ткани устойчивы к кислотам и
неустойчивы к щелочам.
Шелковые фильтровальные ткани отличаются легкостью (масса
1 м2 37-60 г), свойствами находятся между хлопчатобумажными и
шерстяными.
Льняные фильтровальные ткани имеют массу 1 м2 2,50—7,50 г,
изготавливаются из пряжи низких номеров (N= 1000/d, мкм). Применяют
их только в виде мешковины, сетки и ревентуха, т. е. для грубой
фильтрации или подложки под другие ткани.
Асбестовые фильтровальные ткани, пластины марки СФ и полотна
армированные стойки к кислотам и щелочам, выдерживают высокие
температуры, но малопрочны. Добавка 15—20 % хлопка, улучшая
физико-механические свойства, резко ухудшает их химическую и тепловую
стойкость.
Полотно армированное — ткань саржевого или полотняного
переплетения, выработанная по основе из латунной проволоки, а по утку из
асбестовой ровницы, скрученной вместе с латунной или медной
проволокой в нить. В последнее время асбестовую ровницу скручивают со
стеклом.
Стерилизующие СФ и фильтрующие Ф пластины, состоящие из
асбеста и целлюлозы, применяются в мембранных фильтрах для
освобождения от микроорганизмов биологических препаратов и воды, причем
пластины марки Ф — при сильном загрязнении.
Проволочные тканые сетки получают переплетением без образования
ячеек и изготавливают следующих видов:
гладкие, в которых нити основы, расположенные на некотором
расстоянии друг от друга, переплетаются через одну с нитями утка,
расположенными вплотную друг к другу;
саржевые односторонние, в которых нити основы, расположенные
на определенном расстоянии друг от друга, переплетаются через две с
нитями утка, расположенными вплотную друг к другу;
саржевые двусторонние, в которых нити основы и утка
переплетаются между собой через одну и через две пряди поочередно;
саржевые порядковые, в которых нити основы и утка,
расположенные прядями вплотную, переплетаются между собой через две пряди.
На проволочные тканевые сети идет обработанная проволока из
сталей марок Ст. 0, 1, 3, 10, 15, 20, нержавеющей, а также из железа
типа Армко; меди (ГОСТ 859-78); латуни Л68 и Л80 (ГОСТ 1066—
140

80); фосфористой бронзы (ГОСТ 493-79); никеля и монельметалла
(ГОСТ 492-73).
Фильтровальные сетки гладкого плетения обеспечивают тонкость
фильтрования 60 мкм и выше, а саржевого — 12—16 мкм. Однако сетки
эти весьма дороги.
Для повышения тонкости очистки применяют многослойные
сетчатые пакеты. Эксперименты показали [18], что для однослойной сетки
№ 004 тонкость фильтрования 40 мкм, двухслойной — 30 мкм, четырех-
слойной — 20 мкм, шестислойной — 15 мкм. Дальнейшее увеличение
числа слоев тонкость очистки не повышает. Было обнаружено, что при
двух—четырех слоях через фильтр проходит большее число меньших
частиц, чем при одном слое. Это объясняется турбуленизацией потока через
сетку при увеличении числа слоев. При шести и более слоях коэффициент
отсева для мелких частиц вновь повышается.
Эффективны пакеты из спеченных прокатных сеток. Здесь
параметры материала, кроме прочего, зависят и от условий прокатки
(степени обжатия, температуры спекания). Для таких материалов
используют сетки с квадратным переплетением, причем при переходе от слоя
к слою направление утка смещается на 45°. На спеченных сетках
получают тонкость очистки до 10 мкм с лучшей, чем у других материалов
(с такой же степенью очистки и прочностью), гидравлической
характеристикой.
Синтетические и стеклянные ткани нашли широкое применение в
качестве фильтровальных материалов благодаря высокой химической
устойчивости по отношению к рабочие жидкостям и присадкам и
низкой стоимости по сравнению с металлическими сетками. В табл. 17
приведена техническая характеристика тканей, позволяющая судить об их
фильтрующей способности.
Исследования показали, что при переходе с отбеленного перкаля
с полотняным плетением для обмотки фильтроэлемента механизмов
подачи типа Г на капролавсановые ткани саржевого плетения № 56035
тонкость очистки изменилась с 70 до 35 мкм, в 3-4 раза увеличился срок
службы благодаря меньшей вымываемости волокон, в 1,5—2 раза
уменьшился перепад давлений на фильтре. Только переход на эти ткани с
добавлением в фильтр магнитного устройства позволил на 30 % поднять
долговечность гидромашин механизма подачи на шахте им. Ильича п. о.
"Стахановуголь".
При выборе фильтрующего материала следует учитывать, что с
увеличением номера нити (N= 1000/d, мкм) уменьшается толщина ткани,
более рационально используется ее прочность и повышается тонкость
очистки, что переплетение нитей влияет на физико-механические
свойства материала, полотняное переплетение придает большую прочность
и связность, но уменьшает степень фильтрования. Лучшая степень
фильтрования при саржевом переплетении, а также у много- и полутораслой-
ных материалов. Следует также учесть, что сетки саржевого плетения
очищаются только ультразвуком.
141

Таблица 17

Наименование
ткани
Капроновые
и анидные
Полнакрилнит-
р ил о вые (из
нитрона)
Лавсановые
Хлориновые
Стеклянные
Ширина,
см
60-115
71
89-137
-
Толщина,
мм
0,12-0,71
1-2
0,1-1,2
-
2
Масса 1 м ,
г
47-410
310.-500
320-793
-

Допустимая
максимальная

температура, °С
100
140
170
Менее
65
300-400
в
специсполнении
1000


стойкость
Низкая
Нормальная
Высокая
Крайне
низкая
Нормальная

Химическая

местимость
Фенол, крезол,

концентрированные
минеральные кислоты
Хлористый цинк,
роденистые соли
Горячие крепкие
щелочные
растворы
-
Примечание
Устойчивость к
многократным
деформациям в 10 раз выше,
чем у
хлопчатобумажных и шерстяных
тканей
Прочность в 3-5 раз
выше, чем у
шерстяных тканей
Высокая упругость
и устойчивость к
истиранию
Высокая химическая
' устойчивость при
! низких температурах
Высокая прочность,
но низкая стойкость
к многократным
испытаниям. Высокая
гидрофобность,
позволяющая отделять
воду

4.5.2.2. НЕТКАНЫЕ МАТЕРИАЛЫ
В последние годы значительно расширилось применение для очистки
жидкостей нетканых материалов, значительно более дешевых, чем тканые.
Кроме того, на нетканых материалах можно получить большую тонкость
очистки, так как поры образуются хаотически расположенными
отдельными волокнами, а не нитями из этих волокон.
Многочисленными исследованиями доказано, что для тканых
фильтрующих материалов пропускная способность, а следовательно, и срок
службы, при прочих равных условиях, обратно пропорциональна не менее
чем третьей степени размера пор, т. е. тонкости фильтрования этих
материалов. Поэтому, начиная с некоторой тонкости очистки, применение
нетканых материалов становится рациональным.
Нетканые фильтрующие материалы бывают клееные,
термопластические, уплотненные и иглопробивные.
В клееных материалах используют натуральные, синтетические
волокна или их смеси, которые пропитывают связующим составом (эмульсией
или латексом), отжимают, сушат, прокатывают между валками при
температуре 120-130°С.
Нетканые фильтровальные материалы на поливинилацетатной
эмульсии по ТУ РСФСР 17-1149-67 Ленинградской прядильно-ткацкой
фабрики им. Ногина должны обеспечивать пропускную способность масла
Индустриальное И20А при температуре 20°С 15 см3/с • см2, тонкость
фильтрования 30 мкм, диапазон рабочих температур — 60 . . . + 90° С,
прочность на разрыв не менее 0,35 МПа.
Для очистки углеводородных топлив (материал на эмульсии в них
разбухает) разработан нетканый материал на синтетическом латексе
СКН-40-1ГП (ОСТ 38-5—71), получаемом полимеризацией водной
эмульсии дивинила, нитрата акриловой кислоты и метакриловой кислоты.
При испытании на тракторах эти материалы при замене 80 мкм фильтро-
тканей позволили снизить падение объемного к. п. д. гидросистемы
за 6000 ч в сельском хозяйстве или 4000 ч в промышленности с 0,75
до 0,85.
В то же время попытка внедрения нетканых материалов для
фильтров горных машин и соответствующие исследования показали, что
механическая прочность у них недостаточна, а загрязненность жидкости
в гидросистеме настолько велика, что разрыв происходит почти
немедленно. Для возможности применения этих материалов фильтровальную
поверхность следует увеличить в 5—7 раз.
Более экономично производство нетканого материала
термопластическим способом, но в этом случае необходимы волокна из
синтетических тканей, соединяющихся при их нагревании и прессовании.
Уплотненные ткани типа войлока получают валянием шерстяных
волокон без связующих. Хотя фетровые фильтроэлементы применялись
довольно широко, из-за вымывания из них волокон они сильно
загрязняли фильтрат, и поэтому в настоящее время почти не применяются.
143

Кроме того, такие уплотнения не совместимы с многими рабочими
жидкостями.
Нетканые материалы из синтетических волокон изготавливаются и
иглопробивным способом, заключающимся в прокалывании иглами
слоя волокон и последующей его обработке при повышенной
температуре жидкостью, способствующей усадке. Такие материалы имеют
более равномерно расположенные поры и хорошие гидравлические
показатели.
4.5.2.3. БУМАГА И КАРТОН
Эти материалы получили широкое распространение в
отечественных и зарубежных фильтрах для очистки минеральных и синтетических
жидкостей благодаря их низкой стоимости, простоте изготовления и
недефицитности сырья. При этом применяют не только хлопковые
волокна ийи древесную целлюлозу, но и асбест, синтетические и стеклянные
волокна, чтобы обеспечить химическую нечувствительность материала к
рабочей жидкости. Как правило, эти материалы одноразового действия,
но их низкая стоимость позволяет конкурировать с регенерируемыми
(например, сетчатыми) дорогими материалами. Для повышения
прочности бумагу пропитывают различными веществами, а форму фильтро-
элемента делают такой, чтобы повысить жесткость конструкции и
сопротивление разрушению.
Для сверхтонкой и тонкой очистки рабочих жидкостей
используются фильтрующие материалы ФП, разработанные под руководством
И.В. Петрянова-Соколова. Эти материалы представляют собой тонкие
слои сверхтонких волокон полимеров, связанных или несвязанных
между собой в местах соприкосновения.
В зависимости от природы и размеров волокон, технологии
изготовления размеры пор в выпускаемых материалах ФП изменяются от 0,6 до
12 мкм. В то же время эти материалы имеют весьма низкую прочность
и грязеемкость, пропускная способность их мала, и для гидросистем
эти материалы, по-видимому, непригодны.
Более перспективны для тонкого и сверхтонкого фильтрования
рабочих жидкостей металлокерамические материалы. Их получают путем
спекания или прессования металлических порошков или их
соединений, керамических зерен и гранул синтетических полимеров. Форма этих
порошков и гранул может быть сферической или удлиненной,
применяются короткие произвольно расположенные волокна металлов с
гладкой и шероховатой поверхностью.
Тонкость очистки спеченными материалами зависит от крупности
спекаемых частиц. Если представить порошки сферическими, то
величина фактического размера пор d =0,1 Д где D- диаметр зерна.
Поскольку можно получить размеры порошков весьма малыми
(диаметр зерна у металлов до 5 мкм, у керамических порошков - до 7 мкм),
максимальная фильтрующая способность металлокерамических фильтров
составляет 0,5—0,7 мкм.
144

Еще выше степень очистки при использовании несферических зерен.
Такие материалы обладают и повышенной прочностью, хорошо
прокатываются, что позволяет получать фильтрующие материалы толщиной до
0,2 мм и придавать им требуемую форму.
Металлокерамические материалы хорошо работают при высоких
температурах, зависящих от основы. Материалы из бронзы выдерживают
300°С, нержавеющей стали - 400°С, керамики - 1000°С.
Важная особенность металлокерамических материалов — высокая
отсеивающая способность частиц значительно меньших, чем абсолютная
тонкость очистки. Например, пятимикронные фильтры задерживают
100 % частиц больше 5 мкм, 98 % частиц больше 2 мкм.
Фильтровальные металлокерамические материалы обладают большой грязеемкостью.
Для ее повышения при спекании используют порошки разных размеров,
уменьшая их в сторону течения жидкости.
Предел прочности на растяжение спеченных материалов из
нержавеющей стали 0,3-0,5 МПа, относительное удлинение 3-15 %. К
достоинствам спеченных металлических материалов следует отнести то, что они
допускают механическую обработку, пайку и т. д.
Одним из способов получения пор в керамических фильтровальных
материалах является их спекание вместе со связующими и добавками,
которые выгорают при обжиге.
В то же время металлокерамические фильтрующие материалы имеют
очень низкую пропускную способность, быстро падающую с уменьшением
диаметра пор. По сравнению с другими фильтрующими материалами с
той же фильтровальной способностью пропускная способность
металлокерамических фильтрующих материалов в 3—3,5 раза ниже, а стоимость
значительно выше.
Металлокерамические фильтровальные материалы сравнительно
просто регенерируют обратной промывкой рабочими жидкостями,
прокаливанием или травлением в кислотах. Подробные технические
характеристики металлокерамических материалов, выпускаемых в СССР и за
рубежом, приведены в работах [18, 22].
В последнее время некоторое распространение получили
фильтрующие материалы из пористых пластмасс (в СССР из фторопласта, за
рубежом из тефлона, поливинилхлорида и т. п.) с тонкостью очистки от 3
до 35 мкм.
Перед обработкой порошок соответствующего материала
смешивают с тонким порошком поваренной соли, прессуют, термообрабатывают
и кипятят в воде. После растворения соли остаются поры. Материал
достаточно дорогой, а отработанные фильтроэлементы образуют при
утилизации токсические вещества.
При выборе фильтрующего материала важное значение имеют их
технико-экономические показатели. Поскольку при одних и тех же
показателях фильтрования и пропускной способности при достаточной
механической прочности стоимость материалов различна, В.П. Коваленко
предложил понятие приведенной стоимости, характеризующей затраты на
фильтровальный материал, отнесенные к 1 м3 рабочей жидкости, очи-
10-421
145

щенной за 1 с при той же степени очистки. В многослойных
фильтрующих материалах приведенная стоимость должна быть отнесена к числу
слоев, обеспечивающих необходимую тонкость фильтрования.
Некоторые сравнительные данные по различным фильтрующим
материалам, обеспечивающим тонкость очистки 20 мкм при вязкости
1,25 мм2/с приведены в табл. 18 [18].
Приведенная стоимость, характеризующая затраты на фильтрующий
материал, отнесенные к м3/с жидкости, является одной из составляющих
экономического обоснования выбора фильтра, так как не учитывает
ресурс материала, возможность его регенерации, срока службы до замены,
трудоемкость замены, убытков, связанных с заменой. Кроме того,
разные материалы различным образом закрепляются в фильтроэлементе, и
замене в большинстве случаев подлежит не материал определенной
площади, а весь фильтроэлемент.
В той же работе [18] приводится пример с бумагой для тонкой
очистки авиационных рабочих жидкостей АФБ-5 (абсолютная тонкость
очистки 10 мкм) и АФБ-1К (абсолютная тонкость очистки 20 мкм), стоимость
которых соответственно 18 и 24 коп. за 1 м2, а стоимость двухслойного
пакета с площадью фильтрования 0,81 м2, изготовленного из этой
бумаги, более 11 руб.
С повышением тонкости очистки прогрессивно падает приведенная
стоимость материала, но это падение неодинаково у разных материалов*.
Выбирая материалы, следует учитывать их механическую прочность,
способность выдерживать пульсации давления и вибрации (в этом
отношении нуждаются в проверке металлокерамические фильтры),
рабочие температуры, род рабочей жидкости, степень ее
загрязненности и т.п.
Для гидросистем горных машин следует добавить необходимость
минимальных размеров при большой грязеемкости.
Во всех случаях наилучшими результатами обладают правильно
подобранные металлические сетки, но их применение ограничивается
высокой стоимостью.
Таблица 18
Материал
Хлопчатобумажная
ткань
Синтетическая
ткань
Металлическая сетка
Пористый фторопласт
Необходимое
число слоев
2-3
2
1
1
(толщина 8 мм)
Удельная
пропускная
способность
0,03-0,05
0,100
0,063
0,035
Стоимость
1 м
материала, руб.
1,05
7,1
300
170
Приведенная
стоимость,
руб • с/м
20-30
71
4760
4860
146

4.5.3. СЕТЧАТЫЕ ФИЛЬТРЫ
Сетчатыми называются фильтры, в которых в фильтрующем
материале выполнены ячейки. В большинстве конструкций такого типа
применяются металлические сетки как единичные, так и спеченные из
нескольких слоев.
Иногда вместо плетеных сеток используются материалы из
перфорированной фольги. Отверстия в фольге выполняются травлением или
гальваническим способом. Форма отверстий при этом может быть
любой, с тем чтобы обеспечить хорошую фильтрующую способность npj
малом гидравлическом сопротивлении.
В корпусе 1 сетчатого фильтра (рис. 39) закреплен фильтроэлемент
2 с сетчатой поверхностью 3. Загрязненная жидкость, поступая в
корпус 1 по каналу 4 с наружной стороны фильтроэлемента, проходит через
ячейки сетки и, очищаясь, выходит из фильтроэлемента по каналу 6.
Каналы 4 и 6 соединены между собой переливным золотником 5,
рассчитанным на определенный перепад давления на сетке. При недопустимом
ее загрязнении клапан 5 открывается, каналы 4 и 6 соединяются, и
полностью или частично загрязненная жидкость поступает в гидросистему.
Указанная принципиальная схема дополняется устройством,
сигнализирующим о переливе. Существует много конструкций без
переливного клапана в корпусе фильтра.
Конструкция фильтра зависит от места установки, требуемой
тонкости фильтрования, характеристики рабочей жидкости, дисперсионного
состава и концентрации загрязнителя, природы загрязнителя, подачи
насоса, давления в системе, пульсаций давления и производительности,
подпора (разряжения) на фильтре, допускаемых конструкцией машины,
габаритов фильтра, способов его закрепления, требований к
непрерывности работы, возможностей технического обслуживания, подготовленности
персонала к работе с гидравлическим оборудованием и т.д.
и т. д.
Наиболее простые сетчатые фильтры всасывающие. В
гидравлических системах горных машин этот фильтр зачастую представляет собой
цилиндр из сетки с крупными ячейками, прикрепленный к всасывающей
трубе. В угольных комбайнах ячейки эти имеют размеры 270 х 300 мкм
и более. Для минимального перепада давлений на фильтре диаметр и
длина цилиндра ограничиваются только глубиной масляной ванны
(сетка должна быть на 20—30 мм ниже максимального уровня жидкости и на
три диаметра всасывающего патрубка выше дна, чтобы не засасывать
осадок) и возможностями защитить сетку от деформаций при монтаже
и транспортировке. Исследование работы этих фильтров показало, что,
хотя они и не очищают систему от частиц, определяющих износ деталей,
поверхность фильтра покрыта волокнами, сгустками смазок и смол,
крупными частицами ржавчины и красок, т. е. теми загрязнениями,
которые, попав в гидросистему, могут привести ее в аварийное состояние.
Недостаток таких фильтров в том, что их замена возможна при
разборке всей гидросистемы или части ее. Во всяком случае открывается дос-
147

^
t
щ^
4 Рис. 39. Схема сетчатого фильтра
туп пыли из окружающей среды в гидросистему. В то же время опыт
работы показывает, что при некачественной очистке заливаемой рабочей
жидкости залипание фильтра является частой причиной кавитации на вса-
се насоса, шума, вибрации и остановки угольных комбайнов.
При проектировании погружных всасывающих фильтров усилия
направлены на решение четырех задач: повышение тонкости фильтрования,
повышение пропускной способности, обеспечение жесткости конструкции
при перепаде давлений на сетке и при монтаже и предохранение системы
от кавитационных процессов при загрязненном фильтроэлементе.
Конструктивно задачи эти решаются по-разному.
Первые две задачи решаются увеличением пропускной способности
за счет продольного гофрирования металлической сетки, складыванием
поверхности перпендикулярно к оси или применением чичевицеобразных
дисков, собранных на одной оси.
С целью повышения фильтрующей поверхности погружные сетчатые
фильтры соединяют в блоки, располагая в них фильтры параллельно,
последовательно или звездообразно в общем коллекторе. Рекомендуется
всасывающие фильтры рассчитывать так, чтобы на 1 л/мин удельной
пропускной способности приходилось 20-30 см2 фильтрующей
поверхности. Перепад давлений на всасывающем фильтре не должен превышать
3-6 кПа.
Всасывающие сетчатые фильтры, имея тонкость фильтрования
80—160 мкм, относятся к фильтрам грубой очистки. При этом следует
учесть, что по эффективности, как указывалось выше, такие фильтро-
элементы эквивалентны материалам с вдвое более высокой тонкостью
очистки, но установленным в линии нагнетания.
Ряд фирм выпускает для маловязких малозагрязненных жидкостей,
создающих определенный подпор на фильтроэлементе, всасывающие
фильтры с тонкостью очистки на металлических сетках 40 мкм, а на
капроновом материале, зажатом между двумя пластинами, — с тонкостью
очистки 25 мкм.
В качестве каркаса для защиты сеток используют перфорированные
трубки, каркасные сетки, пружины, защитные кожуха. Во многих
приемных фильтрах встроены перепускные (байпасные) клапаны,
пропускающие в систему неочищенную жидкость, минуя фильтр. Для
предупреждения о переливе разработаны десятки конструкций сигнальных устройств,
выполненных в виде выдвигающихся стержней, поворотных флажков,
148

отключающих реле и т. д. Как правило, они рассчитываются на
определенный перепад давления, но, как всякий дополнительный гидравлический
элемент, могут служить источником снижения надежности гидросистемы
и давать неверную информацию о работе фильтра.
Для приемных фильтров, предназначенных для заливки жидкости в
резервуар, конструкция может быть значительно упрощена, так как
полностью отпадает необходимость в линии перелива, замена фильтроэлемен-
та удобна и нет необходимости в предохранении сетки от деформации
при вакууме или транспортировке. Поэтому обычно в необходимый для
заливки патрубок вкладывается фильтровальный пакет, выполненный
либо из сетчатого цилиндра, либо в виде набора чичевицеобразных шайб,
собираемых на полый перфорированный стержень и затягиваемых
гайкой.
Для сетчатых фильтров, устанавливаемых в линии нагнетания,
дополнительными требованиями являются работа при высоких давлениях в
системе, что резко ограничивает размеры фильтроэлемента и повышает
необходимость в тонкой очистке рабочих жидкостей. В этих фильтрах,
как правило, задерживаются частицы более 5—40 мкм, но перепад
давлений на сетке определяется ее прочностью, а не условиями самой
системы. Хотя во многих фильтрах сохраняются перепускные клапаны в
линии, каждое их срабатывание приводит к резкому нарушению работы
гидроузлов, что способствует интенсивному износу или аварии из-за
заклинивания. Исследования показывают, что применение в нагнетательных
линиях переливных клапанов недопустимо. Выше указывалось, что по
наблюдениям иностранных специалистов [50], в фильтрах гидросистем
эти клапаны частично или полностью пропускали неочищенную жидкость
в систему по крайней мере 80 % времени работы. С другой стороны,
отказ от переливных клапанов во многих случаях показал бы
непригодность выбранного фильтра для конкретных условий гидросистемы.
Показательно, что фирма "Рексрот" (ФРГ), рекомендуя свои сетчатые
фильтры на 1,5 и 10 мкм при допустимом давлении в 31,5 МПа и при
сравнительно малых габаритах, одно из основных их достоинств видит
в отсутствии переливного золотника.
Среди фильтров, выпускаемых серийно отечественной промышлен»
ностью, наиболее приемлем фильтр ФСМ-25, изготавливаемый
Николаевским опытным заводом смазочных систем Минстанкопрома СССР.
Фильтровальная поверхность увеличена в этих фильтрах за счет гофрирования
фильтровального материала. Такое решение общепринято в мировой
практике, в частности применено для фильтроэлементов "Реготмасс
"объединения "Вторнефтеочистка". Гофрированный материал в этих фильтрах
рассчитан на сравнительно большой перепад давлений на фильтроэле-
менте.
При повышении перепада выше допустимого загрязненная жидкость
через специальный клапан, минуя фильтр, поступает в систему. Поскольку
перепад давлений зависит от крупности частиц, их количества, размеров
поверхности фильтровального материала и ячеек в свету, с течением
времени по мере перекрытия части ячеек крупными частицами повышают-
149

ся степень очистки и перепад давлений. Тогда открывается шариковый
клапан, и линии загрязненного и очищенного потоков соединяются
между собой.
Производились исследования фильтровальной способности
указанного фильтра. Фильтроэлемент и ряд других деталей изготавливались на
Николаевском опытном заводе смазочных систем, а корпус для
обеспечения встройки в комбайны - на Горловском машиностроительном
заводе им. СМ. Кирова.
Стенд представлял собой гидросистему, снабженную пластинчатым
насосом на максимальное давление 3 МПа. Жидкость загрязнялась
частицами угля и породы, просеянными через сито с ячейками 80 мкм.
Содержание этих частиц по массе в исходной жидкости не превышало 0,3 %,
что соответствует верхнему пределу фактической загрязненности в
механизмах подачи и ниже предельной фактической загрязненности в
гидросистемах регулировки положения исполнительных органов комбайнов.
Вязкость жидкости принята 50 мм2/с при 50° С. Температура масла была
на уровне 30°С.
На стенд устанавливается серийный фильтроэлемент при
заглушённом обводном клапане. Номинальная тонкость фильтрации составляла
30 мкм.
В описанных условиях нарастание перепада давлений происходило
столь интенсивно, что почти немедленно разрывался фильтроэлемент.
Осмотр деформированного фильтроэлемента под микроскопом показал,
что ячейки забиты частицами загрязнений. Таким образом, отключение
обводного клапана, предусмотренного конструкцией, резко снижает
работоспособность фильтра.
Такой же эффект наблюдался и при использовании в качестве
загрязнителя частиц калиброванного порошка электрокорунда с
распределением по крупности в соответствии с экспоненциальным законом
распределения при общей весомой концентрации 0,10—0,15 %.
Ограничением в использовании такого способа создания загрязненной жидкости
является интенсивный износ гидроузлов стенда.
Можно считать установленным:
при загрязненности рабочей жидкости, наблюдаемой в условиях
эксплуатации горных машин, долговечность фильтров тонкой очистки
со степенью фильтрования 16-40 мкм при пропускании через них потока,
соответствующего их характеристике, чрезвычайно мала. Повысить их
долговечность можно за счет каскада фильтров с повышающейся
тонкостью фильтрации;
в процессе эксплуатации через фильтр тонкой очистки проходит
только часть потока. При достаточно длительной эксплуатации основная часть
жидкости минует фильтроэлемент и поступает в систему через
обводной клапан;
поверхность фильтров тонкой очистки, выпускаемых серийно, на
тонкость фильтрования 16—40 мкм, регенерации имеющимися в
распоряжении эксплуатационников средствами не подлежит. Попытки удалить заст-
150

рявшие в порах частицы промывкой материала в масле или солярке не
удались.
Указанные факторы объясняют, почему, несмотря на наличие
достаточно тонких фильтроэлементов в новых гидросистемах, не наблюдается
существенного роста надежности их работы.
Имеется большое число оригинальных конструкций сетчатых
фильтров, позволивших в конечном итоге добиться в различных фильтрах
степени очистки до 5 мкм, номинального рабочего давления в системе
36 МПа и пропускной способности до 600 л/мин. Однако на всех фильтрах
номинальные параметры рассчитаны на вязкость в 20 мм2/с, что
значительно ниже, чем вязкость большинства масел, применяемых в горных
машинах при их пуске, а грязеемкость настолько мала, что перед фильтром
тонкой очистки необходимо устанавливать один или два предварительных
фильтра.
Практический расчет сетчатых фильтров можно проводить в
следующей последовательности. Принимается допустимый перепад давлений на
фильтрующей поверхности Ар = 30 -г 50 кПа (для гидросистем горных
машин, учитывая стесненные габариты, можно допустить Ар = 100—
150 кПа). Тогда
Ара
где F — площадь поверхности фильтроэлемента, см2; Q — требуемый
расход через фильтроэлемент, см /с; Ар - допустимый перепад давлений
на фильтроэлементе, Па; а — коэффициент пропорциональности,
представляющий собой удельную пропускную способность единицы
площади (см2) поверхности фильтроэлемента при перепаде давления в 1 Па
и вязкости 1 Па • с.
Значения коэффициента а для основных фильтрующих материалов
приведены в табл. 19.
Из табл. 19 видно, что фильтровальные материалы с одинаковой
абсолютной тонкостью фильтрования имеют разный коэффициент а.
Перепад давлений
Ар = £ ,
2
где £ — коэффициент сопротивления, зависящий от числа Рейнольдса
Re = v.d/v, где v - динамическая вязкость, и коэффициента живого
сечения К = [а/(а + d)]2, где а — размер ячейки в свету; d — диаметр
проволоки (нити) сетки; £ = 1,3 (К - 1) + (\/К - I)2; при Re > 400 и
£i =%V, где т? - поправочный коэффициент на Re, при Re < 400
соблюдаются следующие значения.
Re 50 100 150 200 300 400
7? 1,44 1,24 1,13 1,08 1,03 1,01;
151

Таблица 19

Фильтрующий
элемент
Сетка
проволочная:
№01
№09
№0071
№006
№0045
с размером
ячейки 20 мкм
Проволочный
с размером
щели 80 мкм
Бумага:
АФ-5
АФБ-1К
Сетка
проволочная
плющенная с
размерами
ячейки 15-20 мкм
Фильтросван-
бой

Абсолютная
тонкость

фильтрования, мкм
100
90
71
60
45
20
80
10
20
20
35
1
а, см
1,88 • 10"*
1,65 • 10"*
1,15 • 10"4
1,01-10"*
3,8 • 10"5
1,93-10"*
1,75 • 10"6
1,25 • 10"7
5,0 • 10"7
3,6 • 10"7
2,7 • 10"7

Фильтрующий
элемент
Капрон
фильтрующий арт.
23356/1
Бумага
лабораторная быст-
рофильтрую-
щая
Шарик
стальной
диаметром, мм: 0,6
0,4
0,3
0,2
0,1
0,025
Шарик
бронзовый
диаметром, мм:
0,15
0,07
0,05

Абсолютная
тонкость
фильтрования,
мкм
25
5
90
60
45
30
15
4
27
10
7
1
а, см
2•10"7
1,1 • 10"8
3,03 • 10~7
2,9 • 10~7
2,3 • 10"7
2,2 • 10~7
1,7 • JQ"7
1,6 • 10"8
1,8 • 10"7
1,5 • 10"7
5 • 10"8
v <ь = Q/F ~~ фиктивная скорость течения жидкости через фильтроэлемент
(отнесенная ко всей площади фильтрующего материала), м/с, должна
быть не более 0,02 м/с; р - плотность жидкости, кг/м3.
Если под фильтрующую сетку подложен каркас, необходимую
площадь ее нужно увеличить на 30 %. Во всех случаях площадь фильтро-
элемента должна в 40-60 раз превышать площадь входного сечения.
Большая стоимость металлических сеток и изготовленных из них
фильтроэлементов, практическая невозможность очистить их простыми
средствами (промывкой), быстрое их засорение в горных машинах
заставили применять фильтры с обмотками из тканей, покрьшающими с
помощью пружин в 1—3 ряда грубую сетку. На рис. 40 показан фильтр
тонкой очистки механизма подачи Г404, установленный на линии подпитки
152

Рис. 40. Фильтр тонкой очистки
главной системы. Корпус фильтра выполнен сварным и состоит из двух
стаканов 10 и приставки 9. В последней выполнены каналы для подвода
и отвода рабочей жидкости и резьбовые сверления для подсоединения
трубопроводов. Сварной корпус в свою очередь вварен в корпус 7
механизма подачи.
Фильтр имеет два одинаковых фильтроэлемента, подсоединенных
параллельно, и две пробки 2, служащие для уплотнения корпуса фильтра
и демонтажа фильтроэлементов. Пробка уплотнена круглыми резиновыми
кольцами 77. В радиальных отверстиях пробок 2 запрессовано по два
штифта 5, которые служат для съема фильтроэлементов.
Фильтроэлемент состоит из каркаса 7 с радиальными сверлениями
для прохода рабочей жидкости. На наружную поверхность корпуса
намотана в 2 слоя сетка 6, которая увязана в трех местах проволокой.
Поверх сетки намотана в два слоя батистовая ткань 4 (или ткань из
отбеленного перкаля), которая закрепляется пружинными кольцами 5.
В процессе фильтрования металлические примеси задерживаются на
наружной поверхности ткани. Удаление грязи осуществляется заменой
батистовой (перкалевой) ткани. Загрязненная ткань может быть снова
использована после промывки ее в керосине.
Фильтроэлемент уплотнен в корпусе резиновым кольцом 8. Замена
производится выкручиванием пробки 2, вместе с которой вынимается
фильтроэлемент, скрепленный с пробкой байонетным соединением.
При съеме фильтроэлемента гидросистема защищается от опорожнения
обратным клапаном. Номинальная тонкость фильтрования 70 мкм при
8 л/мин пропускной способности и перепаде давлений на фильтроэлемен-
те 0,25 МПа. В процессе работы один фильтроэлемент ре заменяется (со
стороны забоя). Поэтому все характеристики приведены для одного
фильтроэлемента. Частота замены обмотки фильтроэлемента — один раз
в 7—10 дней. В первый месяц эксплуатации замена должна быть чаще —
вначале ежедневно, постепенно периодичность увеличивать до недельной.
153

Замена на капродавсановую ткань арт. 56035 в один слой позволила
увеличить тонкость очистки до 35-АО мкм при уменьшении на 20 9f
перепада давления.
4.5.4. ЩЕЛЕВЫЕ ФИЛЬТРЫ
Различают ленточно-щелевые и пластинчато-щелевые фильтры. И те
и другие можно отнести к фильтрам грубой или нормальной очистки,
так как большинство конструкций обеспечивают тонкость
фильтрования 40-500 мкм.
Ленточно-щелевые (проволочные) фильтры в качестве
фильтрующего элемента имеют каркас, на который навита проволока круглого
или трапециевидного сечения. Величина зазора между витками
проволоки определяется ее диаметром (размерами основания трапеции), шагом
спиральной канавки, проточенной на цилиндрическом или гофрированном
каркасе с прорезами, или величиной выступов на навитой вплотную
гофрированной проволоке.
Проволочные фильтры несложны по конструкции и в изготовлении,
отличаются простотой регенерации поверхности. Большинство схем
очистки фильтра от загрязнений относятся именно к проволочным фильтрам.
Опыт изготовления и применения проволочных фильтров в угольных
комбайнах показал вместе с тем, что зазор между витками колеблется в
широких пределах (± 10 мкм), что вызвано отклонениями по шагу
спирали, диаметру проволоки, неизбежной разницей в усилии натяжения
при навивке, ослаблением натяжки проволоки при нагреве жидкости.
Кроме того, при прочих равных условиях пропускная способность
проволочных фильтров ниже (см. табл. 4.19), что объясняется применением
для них проволок большего диаметра, чем для изготовления сеток с
такой же тонкостью фильтрования. Если для сетчатых фильтров частица
ограничивается по двум координатам, то для щелевых — по одной, что
повышает вероятность проникания в фильтр больших частиц.
Среди проволочных наиболее известны фильтры типа £-63 "Скама-
тик" фирмы "Скам" (Франция), нашедшие применения в гидросистемах
судов, экскаваторов, работающих в пустынях, и др. Эти фильтры
саморегенерирующиеся, с зазором между витками 3, 5, 10, 20, 30 мкм и
максимальным отклонением зазора ± 0,5 мкм, оборудованы системой
самоочистки. Их пропускная способность до 2000 л/мин, перепад давлений
на фильтроэлементе 0,2 МПа. Фильтры рассчитаны на давление в
системе 1,2 МПа, но по специальному заказу изготавливаются на давление
до 50 МПа.
Автоматический съем загрязнений с поверхности проволочных
фильтров предусмотрен конструкцией фильтров фирм "Пуролатор"
(Великобритания) , "Манн" (ФРГ) и др.
Сильно загрязненные жидкости в большинстве случаев
предварительно очищаются пластинчато-щелевыми (пластинчатыми) фильтрами.
Тонкость фильтрования 80—200 мкм, хотя отдельные типоразмеры фильтров
154

a
f
ffi
Ш
5vH И
ш
^m
<r /
3/
£
m^?
-*- —^ j
Рис. 41. Пластинчато-щелевой фильтр:
A -
щелевые
41. Пластинчато-щелевой фильтр:
в сборе; Б — фильтроэлементы: а — с проставками; 0 — с выступами; в —
;вые (7 — пластина; 2 — проставка; 3 — ось; 4 — скребок)
двух-
позволяют очищать жидкость до 25 мкм. Тонкость фильтрования
определяется зазором между стальными пластинами, который обеспечивается
штампованными выступами на пластинах или проставками между
последними. Проставки имеют толщину, равную требуемой тонкости
очистки, и форму, не препятствующую проходу жидкости между пластинами
(рис. 41). Для очистки фильтра от частиц, застрявших между пластинами,
в щели со стороны большого диаметра пластины входят короткие
пластинки щеток толщиной несколько меньшей, чем у проставок. Пакет
пластин в процессе работы имеет возможность проворачиваться относительно
своей оси. Поскольку щетки неподвижны, частицы, заклинившиеся
между пластинами, вычищаются из щели в сторону загрязненной жидкости и
155

осаждаются в бункер нижней части фильтра. Привод поворота пластин
может быть ручным, специальной рукояткой, электрическим,
пневматическим с помощью шагового двигателя (итальянская фирма "Лаурен-
тини"), механическим от привода смазываемого узла (в автомобилях)
и др.
Тонкость фильтрования выше у двухщелевых пластинчатых
фильтров, у которых имеются дополнительно прокладки толщиной, равной
щели, и наружным диаметром, меньшим по размеру, чем внутренний
диаметр основных пластин на две максимальные крупности частиц
(рис. 40, в).
Расчет пластинчатых фильтров рекомендуется производить по
следующим приближенным формулам:
0^0.54 1,18
Д„-0,1(—) ;
810 F0( Др)°'8550'6
е= ,
^0.54
где Ар - перепад давлений в фильтре, МПа; Q — расход жидкости, л/мин;
v — кинематический коэффициент вязкости, мм2/с; F0 — сечение
проходных щелей,см2
F0 = 0,7SirDBHn ,
б - величина фильтрующего зазора между пластинами, см; />вн -
внутренний диаметр обода фильтрующих пластин, см; п — число
фильтрующих зазоров (число проставок).
Хотя пластинчатые фильтры нашли широкое применение благодаря
возможности очистки весьма загрязненных жидкостей (в угольных
комбайнах они устанавливаются, например, в гидросистемах подачи
воды на орошение), они имеют сравнительно большие габариты,
весьма трудоемки в изготовлении (на один фильтр расходуется более
1100 пластин), создают большой перепад давлений (до 0,4 МПа), из-за
деформации пластин и ограничения размеров частиц по одной
координате могут пропускать частицы с размерами, значительно
превышающими номинальный зазор между пластинами.
Стоимость пластинчатых фильтров с автоматической очисткой при
больших габаритах и при худшей тонкости фильтрования выше, чем
проволочных с автоматической очисткой. Фильтры фирмы "Лаурентини"
(Италия) с тонкостью очистки 60—80 мкм в 4 раза дороже фильтров
"Скаматик" (Франция) при равной пропускной способности и тонкости
очистки последних - 30 мкм.
156

4.5.5. ПОРИСТЫЕ ФИЛЬТРЫ
Тонкую очистку рабочих жидкостей (1—25 мкм) осуществляют
чаще всего пористыми фильтрующими материалами. Среди последних
наибольшее распространение получили бумажные.
Сравнение конструкций фильтров показало, что принципиальная
схема пористых фильтров аналогична схеме сетчатого (см. рис. 38):
наличие фильтрующего элемента, расположенного соосно корпусу
фильтра, подвод жидкости с внешней поверхности фильтроэлемента и отвод
очищенной жидкости вдоль оси фильтра. В большинстве конструкций
предусмотрен магнит для отбора металлических частиц, переливной
клапан и индикатор его положения.
Основные отличия между фильтрами заключаются в материале и
конструкции фильтрующей перегородки. На рис. 42, а показан разработанный
ВНИИГидроприводом фильтрующий элемент Э—Б, состоящий из
гофрированной бумажной шторы 1 и сетчатого подслоя 2. В качестве подслоя
применена хлопчатобумажная канва, пропитанная для жесткости
бакелитовым лаком. К концам шторы и подслоя, свернутых в цилиндр,
приклеиваются шайбы 5, штампованные из фенопласта. Подслой и
бумажная штора опираются на проволочный каркас 4, выполненный в виде
пружины. Схема установки фильтрующего элемента в фильтре ФП7,
выпускаемом Николаевским заводом смазочных агрегатов, показана
на рис. 42, б. Такие фильтры обеспечивают тонкость фильтрования до 5-
25 мкм с перепадом давлений 0,25—0,63 МПа и номинальным давлением
в системе 0,63—20 МПа. Пропускная способность фильтров 4—200 л/мин
при вязкости жидкости 20 мм2/с. По своим параметрам фильтры ФП7
не уступают лучшим зарубежным образцам [22].
Высокую тонкость фильтрования обеспечивают фильтры фирмы
"Палл" (Великобритания, США) — 1 мкм, но в основном фильтры
тонкой очистки выпускаются для общепромышленных гидроприводов с
тонкостью фильтрования 10 мкм и выше.
Отличия между фильтрами различных фирм заключаются в
материале фильтрующей перегородки, форме складывания этого материала
для повышения площади очищающей поверхности, способах
поддержания этой формы, конструкции каркаса и прочности корпуса с целью
увеличения допустимого давления в системе, конструкции переливного
клапана, сигнализаторе его состояния и уплотнении фильтроэлемента
в корпусе.
Для перегородки применяют фильтрующие материалы на основе
целлюлозы (только для минеральных масел), из неорганических
волокон (для минеральных масел, водомасляных эмульсий, гликолевых
жидкостей), из нержавеющей стали (при возможном повышении
перепада давления на фильтроэлементе), из сжатого волокна из нержавеющей
сталиv покрытой слоем металлокерамики (при высоких перепадах
давления и требуемой высокой степени очистки). Фирмой "Бери"
(Великобритания), выпускающей фильтры для горных машин, в качестве
подслоя применяется сетка из нержавеющей стали и специальные связующие
157

Рис. 42. Фильтрующий элемент Э-Б (а) и схема его установки (б)
смолы, совместимые с различными жидкостями, в том числе с
огнестойкими. Для других отраслей промышленности вместо стальной
допускается алюминиевая сетка, исключающая сплющивание складок
фильтрующего материала при высоком перепаде давлений. Для фильтроэлементов,
подлежащих очистке, фирма использует сетки из нержавеющей стали,
а в некоторых случаях металлокерамику, покрытую стальной сеткой.
Очистка фильтроэлементов даже на специальных установках невозможна,
если перепад давлений на сетке превышает 0,3 МПа.
Выпускаются фильтроэлементы для горных машин, допускающие
перепад давлений на фильтроэлементе 20 МПа, т. е. не разрушающиеся
даже в том случае, если из-за засорения фильтроэле мента срабатывает
предохранительный клапан основной гидросистемы.
Кроме гофрированных фильтроэлементов в практике нашли
применение и другие конфигурации материала: шевронно-лучевые,
поперечно-складчатые (в виде восьмигранной многоступенчатой гармоники),
поперечно-гофрированные, винтообразные, спирально-ступенчатые.
Последняя схема применяется на фильтроэлементах Реготмасс-412,
предназначенных для автомобилей Москвич-412 и ГАЗ-24. Исследованиями,
выполненными ВНИИГидроприводом, доказано, что при спирально-
ступенчатой форме материала перегородки по сравнению с
гофрированными таких же размеров резко возрастает площадь фильтрующей
поверхности. Кроме того, становится возможным применение таких
фильтроэлементов для жидкостей с высокой загрязненностью, а также то, что
высокая жесткость конструкции позволяет отказаться от подслоя.
Несмотря на указанные достоинства фильтроэлементов со
спирально-ступенчатой формой материалов, основная масса фильтроэлементов за
рубежом выпускается с гофрированными перегородками. Причем исполь-
158

зуются новые материалы и накладывание друг на друга нескольких
гофрированных перегородок с понижающимся размером пор в сторону
движения жидкости.
Из этого ряда выделяются фильтроэлементы фирмы CAV
(Великобритания), которые очищают жидкости не в поперечном, а в
продольном направлении фильтра. Фильтрующая перегородка выполнена в виде
двух полос, навитых в виде плоской спирали. Соединяя поочередно две
верхние и две нижние кромки полос, получают V-образные камеры,
задерживающие частицы. Эти фильтры имеют меньший осевой размер,
обеспечивают тонкость очистки 6 мкм, но не выдерживают большого
перепада давлений.
Характерно, что фирмы—изготовители фильтров с переливными
клапанами в линии нагнетания указывают на необходимость в системе еще
одного фильтра в этой же линии, но без переливного клапана,
непосредственно перед наиболее ответственными гидроузлами, причем тонкость
фильтрования этим фильтром должна быть грубее, чем основного.
При выборе пористых фильтров для гидросистемы необходимо
выполнять ряд требований:
во всех случаях следует принимать максимально возможный по
конструкции фильтр. Как правило, пропускная способность фильтров
должна составлять одну треть емкости резервуара. Например, для
резервуара емкостью 1200 л с насосом максимальной подачи 160 л/мин
следует выбирать один или несколько фильтров с общей
пропускной способностью по крайней мере 400 л/мин. Чем больше поверхность
фильтрования, тем больше срок эксплуатации фильтра при прочих равных
условиях. Например, при увеличении площади в 4 раза продолжительность
эксплуатации увеличивается в 6—8 раза;
пропускная способность, оговоренная характеристикой фильтров,
относится к номинальной вязкости. Следует показатель пропускной
способности корректировать обратно пропорционально отношению
фактической и номинальной вязкостей. Для определения изменения перепада
давлений при номинальной пропускной способности корректировку
следует производить в прямой пропорциональности;
для гидросистем, работающих на огнестойких жидкостях, кроме
учета вязкости, следует учитывать разность плотностей по сравнению с
минеральным маслом. Для этого скорректированную пропускную
способность следует разделить на относительную плотность рабочей
жидкости и умножить на 0,9;
для гидросистем, использующих минеральное масло, пропускная
способность фильтра должна быть вдвое больше номинального расхода
в системе, особенно если есть сомнения в тщательности
предварительной очистки рабочей жидкости.
Применение фильтров тонкой очистки требует подготовки
гидросистемы. Для успешной работы фильтроэлементов Э-Б, согласно
рекомендациям ВНИИГидропривода, необходимо: предупреждать попадание
посторонних загрязнений в систему при ее монтаже, предварительно
очищать заливаемую в систему жидкость, устанавливать перед фильтром
159

тонкой очистки фильтр грубой очистки, герметизировать систему и
устанавливать фильтр-сапун.
Требуемую тонкость фильтрования фильтрами грубой очистки можно
представить в виде двух-трех тонкостей фильтрования фильтрами тонкой
очистки. Таким образом, при применении аксиально-плунжерных
гидромашин с требуемой тонкостью очистки 10 мкм в гидроприводах горных
машин, крупность взвешенных частиц в рабочей жидкости которых
составляет 80 мкм, нужен каскад из трех фильтров с тонкостями очистки
40-50,20-25,10 мкм.
Один из наиболее эффективных способов обеспечения тонкой
очистки без нескольких фильтров тонкой очистки предложен фирмой "Арлон"
(Голландия), у которой жидкость подается в зазор между магнитным
сердечником и внутренним диаметром фильтроэлемента, выполненного из
губчатого материала. После улавливания ферромагнитных частиц, а затем
и части ненамагниченных частиц, задерживающихся "щеткой" частиц,
ранее осевших на магните, остаток загрязнений задерживается
механическим фильтроэлементом. Периодическая очистка магнита во много раз
снижает периодичность замены фильтроэлемента, а большой объем пор
в нем еще более повышает грязеемкость фильтра. Все вместе позволяет
обеспечить тонкость фильтрования до 3 мкм при пропускной способности
15 000 л/мин. Но габариты фильтра типа "Арлон" больше, чем у других
фильтров тонкой очистки.
Фильтроэлемент фильтра "Арлон" относится к типичным образцам
фильтроэлементов объемного (глубинного) типа. Очистка рабочих
жидкостей может производиться глубинными фильтроэлементами не только в
радиальном направлении (обычно жидкость течет извне к оси), но и в
осевом. В качестве фильтрующего материала используются волокнистые,
пористые и зернистые материалы.
При изготовлении набирают пакет пластин из картона или фетра,
свободно засыпают материал в фильтрующий пакет, после засыпки
материала добавляют связующий материал, чтобы придать пакету нужную
форму; наматывают на перфорированный стержень ленту из фильтрующего
материала и т. д. [18, 22].
При высокой номинальной тонкости очистки, большой грязеемкости
и способности к большим перепадам давления глубинные фильтры имеют
малую пропускную способность, а величина частиц абсолютной тонкости
фильтрования в десятки раз превышает номинальную тонкость очистки.
4.5.6. СПОСОБЫ ПОДДЕРЖАНИЯ НЕПРЕРЫВНОСТИ РАБОТЫ
ФИЛЬТРОВ
Проблема обеспечения работы гидропривода без его остановки на
замену фильтроэлемента является одной из важнейших для многих
производств.
Наиболее простой и чаще других применяемый способ —
дублирование фильтров. По мере засорения одного из фильтров срабатывает реле
160

перепада давления и включает резервный фильтр. В остановленном
фильтре заменяется фильтроэлемент.
Широко распространен способ обратной промывки фильтроэлемента.
Если фильтры дублированы, то остановки гидросистемы не требуется,
если фильтр одинарный, то остановка необходима. Важное значение
приобретает утилизация загрязнений при обратной промывке жидкости.
Если очищается недорогая и недефицитная жидкость (например,
охлажденная вода), а осадок и жидкость не содержат вредных веществ, то
загрязненная жидкость после промывки сбрасывается в канализационную
систему. Если это не допускается, то сброс поступает в резервуар. При
очистке дорогих жидкостей этот метод нерационален, так как скорость
промывки больше, чем скорость очистки, и возможны большие потери. Для
регенерации неработающего сетчатого фильтроэлемента, очищавшего
минеральные масла или топливо, фирма "Болл и Кирх" (ФРГ) использует
обратную продувку сжатым воздухом, выдавливающим жидкость из
камеры фильтра в специальный резервуар, после чего жидкость
направляется на регенерацию. Для регенерации сетчатых фильтроэлементов после
очистки синтетических или вредных жидкостей применяют обратную
промывку специальными маловязкими жидкостями, находящимися в
емкости, расположенной на одной раме с фильтром.
Промывочная жидкость продавливается через фильтроэлемент
сжатым воздухом, который обеспечивает и последующую очистку ее
фильтрующим патроном однофазного действия на выходе из камеры фильтра.
Очищенная промывочная жидкость вновь поступает в свою емкость,
а фильтрующий патрон заменяется.
Фирма "Мембрана" (ФРГ) на выставке "Химия-82" демонстрировала
схему, где после засорения фильтроэлемента запирался трубопровод
очищенной жидкости, поток загрязненной жидкости поступал с
обратной стороны фильтроэлемента. Очищенная жидкость смывала осадок
с поверхности фильтроэлемента и поступала вместе с ним на сброс в
отдельный резервуар. Через некоторое время (с помощью реле времени),
когда смыв проходил, поток очищенной жидкости соединялся с
трубопроводом чистой жидкости. После загрязнения поверхности
фильтроэлемента весь процесс переключений повторяется. Таким образом
фильтроэлемент очищает жидкость в обоих направлениях потока: по радиусу
к оси и от оси. Можно отметить сложность схемы, необходимость
сбрасывания большого количества жидкости в резервуар, работу на малых
перепадах давления (иначе "своей" жидкостью промыть фильтроэлемент
не удается).
Если необходимость наличия байпасной линии, как указывалось
выше, вызывает во многих случаях сомнения, то наличие индикации о
степени загрязненности фильтроэлемента — необходимая принадлежность
современных фильтров.
Конструкция индикатора загрязненности и ее индикация зависят
от требований потребителя, места установки фильтра, конструкции
самого фильтра.
Индикация может быть визуальной с помощью выдвижного стерж-
i.I-421
161

ня или поворотной стрелки, электрическая, включающая цветные
электрические лампочки или отключающая систему, и звуковая.
' Как правило, при всех индикациях фиксируется три значения: фильтр
чист, фильтр начал загрязняться и фильтр загрязнен и требует очистки.
Во всех случаях датчиком для того или иного сигнала является
перепад давлений на фильтроэлементе. Более простую конструкцию
индикаторы имеют в случаях, когда на входе в фильтроэлемент или на
выходе из него давление постоянное. Например, в фильтрах, устанавливаемых
на сливных линиях гидросистем, достаточно воздействовать на индикатор
давлением загрязненной жидкости. В фильтрах на всасе в гидросистему
индикацию можно производить по разряжению в линии всасывания.
На рис. 43 показан приемный фильтр Николаевского опытного завода
смазочных систем [22]. Фильтр имеет Г-образную форму и состоит из
корпуса 1 с вмонтированным в него индикатором 2, сетчатого фильтро-
элемента 49 магнитной гильзы 3 и крышки 5. Загрязненная жидкость,
поступая в полость Л, отфильтровывается фильтроэлементом и,
омывая магнитные гильзы, поступает в систему. Индикатор состоит из
упругой диафрагмы, соединенной в центре с подпружиненным толкателем.
По мере роста вакуума в системе из-за загрязнения фильтроэлемента
диафрагма перемещается влево и, сжимая пружину толкателя,
способствует включению контактов микропереключателя, что приводит либо
к загоранию контрольной лампы, либо к отключению насоса.
В случаях встройки индикаторов в сливные фильтры многие фирмы
применяют индикатор VAO - RL (рис. 44). Давление жидкости подается
здесь под уплотнительную диафрагму 2, которая, преодолевая усилие
пружины 4, перемещает плунжер 5. Последний, приподнимая окрашенный
в черный цвет колпачок 5, открывает часть окрашенного в красный цвет
цилиндра на корпусе 7, что свидетельствует о загрязненности
фильтроэлемента. При необходимости электрической сигнализации задача
упрощается, так как достаточно в полость загрязненной жидкости ввинтить
обычный электрогидравлический датчик давления. В фильтрах,
установленных в нагнетательных магистралях, индикация производится по
перепаду давлений на фильтроэлементах. Если имеется возможность, то
измерять этот перепад удобно либо двумя манометрами (обычно это
делается на стендах для испытания фильтров), либо дифференциальными
манометрами. В большинстве случаев, однако, применяют индикатор
перепада давлений, встроенный в фильтр. В качестве датчика используется
здесь либо упругий элемент, стороны которого соединены с полостями
загрязненной и очищенной жидкости, либо подпружиненный поршенек.
Датчик соединен с небольшой гибкой рейкой, воздействующей на
зубчатый сегмент с прикрепленной стрелкой, или со стержнем,
выдвигающимся из корпуса фильтра и показывающим тем самым степень
загрязнения фильтра. В первом случае стрелка, проворачиваясь, указывает на
степень загрязненности фильтроэлемента. С целью более наглядной
индикации во втором случае выдвигающийся стержень перекрывает
окрашенные в разные цвета полоски на прозрачном колпаке. Зеленый цвет —
фильтр чист, желтый — предупреждение, красный - необходимо
заменить фильтроэлемент.
162

Рис. 43. Приемный фильтр
В горных машинах индикация в виде стрелки используется в
фильтрах фирмы "Паркер" (ФРГ), фирмы "Палл" (Великобритания) и др.,
в виде выдвигающегося стержня - в фильтрах фирмы "Бери" (США)
и др. Интересно отметить, что фирма "Бери" в свои фильтры встраивает
и индикатор герметичности закрепления фильтроэлемента. В случае
недостаточного уплотнения фильтроэлемента и, следовательно, перетечек
жидкости размыкаются контакты и отключается насосная установка.
Во многих случаях индикация загрязненности тесно связана с бай-
пасной линией: при недопустимом загрязнении фильтроэлемента
автоматически часть загрязненной жидкости, минуя фильтроэлемент,
поступает в систему. При максимальной загрязненности вся жидкость поступает
в систему без очистки.
На рис. 45 [18] приведена схема работы индикатора фильтра "Телл-
Тейль" фирмы "Розайн-Фильтр" (США). Загрязненная жидкость
поступает в отверстие корпуса 7, очищается фильтроэлементом 5, встроенным
Ъ полый поршень 4, поджатый через каркас фильтроэлемента пружиной
163

3 к задней крышке б. Через отверстие в
передней крышке 2 очищенная жидкость
поступает в систему.
По мере роста перепада давлений
усилие, действующее на правый торец
фильтроэлемента, преодолевая усилие
пружины, сдвигает поршень влево. Благодаря
поступательному движению
фильтроэлемента поворачивается винтообразный
стерженек, связанный со стрелкой-указателем,
Рис. 44. Индикатор загрязнен- Расположенной в задней крышке. При
ности фильтров VAO-RL максимальном сжатии пружины
открываются отверстия, соединяющие линию
загрязненной жидкости с отверстием в передней крышке. При съеме
фильтроэлемента для очистки (для чего необходимо отсоединить заднюю
крышку) поршень под действием пружины перемещается вправо,
перекрывая отверстие в корпусе и герметизируя фильтр.
В фильтрах фирмы "Марвел-Фильтере" (США) встроены индикаторы
загрязненности "Колоратор" (рис. 46). Загрязненная жидкость
поступает в боковое отверстие корпуса 7, очищается фильтроэлементом грубой
очистки 2, попадает в полость Г, очищается фильтроэлементом тонкой
очистки 3 и через полость В выходит в торцевое отверстие корпуса 7. В
крышке 7, прикрепленной к корпусу четырьмя болтами 8, расположены
перепускной клапан 4 и индикаторное устройство "Колоратор". При
небольшом перепаде давлений под действием пружины б клапан 4, на
который со стороны штоковой полости Л действует давление жидкости в
полости 7", а на торец Б — давление очищенной жидкости в полости В,
находится в крайнем правом положении. По мере роста перепада давлений
клапан 4, сжимая пружину б, перемещается влево и сдвигает штоком
5 индикаторный штифт 77, который смещается с зеленой полосы 10 на
желтую, а затем на красную.
Рис. 45. Погружной фильтр "Телл-Тейль"
164

Рис. 46. Фильтр "Марвелбо-S" с индикатором загрязненности "Колоратор"
В последнем случае перепускной клапан открывает доступ
жидкости из полости Г в полость В, и начинается перепуск. По требованию
заказчика шток 5 может воздействовать на электромагнит, дающий
световой или звуковой сигнал или отключающий систему.
Эта же фирма выпускает вынесенные индикаторы типа "Марвел РДС
Колоргейдж", имеющие такой же принцип работы, как и индикатор
Колоратор, но с подводом давления с обеих сторон любого фильтроэле-
мента. Это позволяет вести дистанционное наблюдение за работой
фильтров.
Ряд конструкций фильтров имеет встроенные механизмы очистки
фильтроэлемента непосредственно при работе фильтра. Выше
рассматривались конструкции пластинчатых фильтров со встроенными скребками.
Орнащены скребками и проволочные фильтры фирм "Пуролатор"
(Великобритания), "Кнехт" (ФРГ). В их конструкциях очистка
производится поворотом фильтроэлемента относительно скребка вручную (необ-
165

ходимость очистки определяется визуально через прозрачный корпус) или
электродвигателем, включаемым периодически.
Высокую эффективность регенерации фильтрующей поверхности
обеспечивает механизм, встроенный во внутреннюю полость фильтро-
элемента "Скаматик" (Франция). Механизм представляет собой две
пластины, одна из которых во время очистки неподвижна, а другая с
большой скоростью сближается с первой, создавая в занимаемом ими
секторе противопоток жидкости, очищающей в этом секторе
проволоку от задержанных частиц. Затем неподвижная ранее пластина с
небольшой скоростью сдвигается на угол, равный углу очищенного сектора,
а вторая пластина возводится для следующего цикла. Время очистки
всего фильтроэлемента 15 с. Для работы механизма необходимо давление
0,2 МПа. Поскольку загрязнения при противопотоке коагулируют,
скорость их осаждения в бункер фильтра значительно больше, чем у
отдельных частиц загрязнений. Периодически бункер очищается от осевших
частиц.
Отметим сложность конструкции механизма, наличие прецезионных
nag, требующих очищенной жидкости, и накопление загрязнений в
камере фильтра. Загрязненность фильтруемой жидкости в этих условиях
выше, чем в подводящей магистрали, а это требует резерва по площади
фильтрования.
4.6. ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ
Уменьшение перепада давления на фильтроэлементе, повышение
тонкости очистки рабочей жидкости, предохранение его от засорения и,
следовательно, обеспечение саморегенерации могут быть обеспечены, если
создать условия, при которых через ячейки поверхностного
фильтроэлемента будут проходить частицы, размер которых существенно меньше
размеров ячеек "в свету". Эти условия созданы на гидродинамических
фильтрах [42].
Упрощенная схема гидродинамического фильтрования показана на
рис. 47. Частица диаметром d участвует в двух движениях: вдоль
поверхности фильтроэлемента (скорость продольного потока v ) и
параллельно оси ячейки. Если результирующая скорость центра тяжести Ох частицы
направлена в момент соприкосновения со стенкой ячейки таким образом,
что линия действия этой результирующей пройдет выше точки А, то
возникнет момент, вырывающий частицу из ячейки, если же линия действия
скорости будет ниже точки А, — частица пройдет через фильтроэлемент.
Таким образом, появляется возможность отделения частиц, диаметр
которых меньше размеров ячейки. Более точная схема движения частицы
будет рассмотрена далее.
Фильтры, работающие по указанной схеме, можно разделить на две
группы: фильтры с разделением частиц за счет потока жидкости, детали
которых не перемещаются в процессе работы, и фильтры с разделением
частиц за счет подвода энергии от постороннего источника энергии, напри-
166

Рис. 47. Схема гидродинамического
фильтрования:
с — радиус ячейки; т — кратчайшее
расстояние между ячейками; d — диаметр
частицы; 1>пр — скорость продольного
потока; v о - скорость поперечного
потока; V — скорость центра тяжести
частицы; / — толщина фильтрующего
материала
мер с вращающимся, возвратно-поступальным, возвратно-поворотным
движением фильтроэлемента от электрического, пневматического или
электромагнитного привода.
При простоте конструкции и обслуживания фильтры первой группы
неполнопоточные, часть жидкости, обогащенной крупными частицами
механических примесей, сбрасывается в ванну. На рис. 48 показана схема
гидродинамического фильтра первой группы. Загрязненная жидкость
поступает через отверстие А, после чего часть жидкости проходит через
фильтроэлемент В, очищается и поступает через отверстие С в
гидросистему, а вторая часть сливается через отверстия Д поступает по
каналу на регулируемый дроссель Е9 позволяющий изменять соотношения
между очищенным потоком (фильтратом), поступающим в
гидросистему, и потоком, сбрасываемым из загрязненной жидкости через
дроссельные отверстия вместе с крупными частицами.
Чем меньше это соотношение, тем выше при прочих равных условиях
тонкость очистки жидкости, меньше перепад давления на фильтроэле-
менте, но больше потери жидкости, идущей на сброс. Величину
продольной скорости определяет при том же расходе зазор между фильтроэлемен-
том В и корпусом фильтра G, а для поддержания этой продольной
скорости постоянной по мере уменьшения продольного расхода из-за
путевого отсоса части жидкости через фильтроэлемент зазор выполнен
суживающимся по мере приближения к отверстиям D.
Областью применения фильтров первой группы могут быть системы
с замкнутой циркуляцией жидкости, в которых имеется подпиточный
насос постоянной производительности, сбрасывающий часть жидкости на
слив, системы с дроссельным регулированием скорости исполнительного
органа, системы прокачки недефицитных жидкостей, например
воды и т. д.
Метод фильтрования со сбросом части жидкости в ванну или на
последующую очистку недопустим для полнопоточных систем очистки и
вызывает определенные трудности при дроссельном регулировании
гидросистем со значительным колебанием величины требуемого полезного
расхода жидкости, так как при увеличении этого расхода понижается
степень очистки жидкости и смывающая способность потока жидкости.
Для непрерывной самоочистки фильтроэлемента необходимо иметь
страховой запас производительности, что повышает энергозатраты и
снижает долговечность гидрооборудования.
ZC /77
167

Рис 48. Схема гидродинамичного
фильтра
Одним из способов, не требующих
сброса жидкости в ванну, является
инверсия системы, т. е. перемещение
поверхности фильтроэлемента за счет
его движения относительно
неподвижной в продольном направлении
жидкости. Конструктивно наиболее
просто это выполняется применением
фильтроэлемента в виде цилиндра,
вращающегося в жидкости (см.
рис. 38). В емкости 7 на опорах 2 и 4
вращается цилиндр 3, приводимый в
движение от постороннего источника
энергии. Загрязненная жидкость
поступает через патрубок 5, очищенная через полый вал 6 вытекает в
гидросистему. Крупные частицы загрязнений, не прошедшие через фильт-
роэлемент, коагулируются, под действием седиментации и пластин 7
электростатического фильтра осаждаются в бункер и периодически
выбрасываются из емкости через патрубок 8. В отличие от центробежных
фильтров здесь эффект очистки осуществляется не за счет инерционных
сил, действующих на частицу, а за счет гидродинамических сил
относительного движения. В то же время инерционные силы способствуют
некоторому "отбрасыванию" частиц от поверхности фильтроэлемента и их
коагуляции.
Конструктивно движение поверхности фильтроэлемента
относительно неподвижной (в касательном направлении к поверхности) жидкости
реализуется различными способами.
Для быстротвердеющих и взрывоопасных жидкостей и
технологической очистки деталей на заводах разработан фильтр с
пневмоприводом (рис. 49). Он состоит из корпуса 7, патрубков ввода жидкости 77 и
вывода фильтрата 9, фильтроэлемента 7, который соединен с пневмока-
мерой 2 и крышкой 10 с помощью гибких диафрагм 5 и б. Пневмокаме-
ра связана с линией подачи воздуха патрубком 3. С фильтроэлементом
камера контактирует по поверхности, защищенной от попадания
жидкости. Площадь поверхности соприкосновения подобрана таким образом,
что при подаче сжатого воздуха усилие (при учете перепада давления
на фильтроэлементе) со стороны неочищенной жидкости превышает
усилие со стороны фильтрата, а при соединении камеры с атмосферой
усилие со стороны очищенной жидкости превышает усилие со стороны
неочищенной жидкости (за счет разницы площадей, находящихся под
давлением с каждой стороны).
Фильтр работает следующим образом. Неочищенная жидкость
подается через патрубок 77 в корпус 7, отфильтровывается и в виде
фильтрата выводится через патрубок 9. В процессе работы камера поочередно
соединяется то с магистралью сжатого воздуха, то с атмосферой через
патрубок 3. Когда в пневмокамеру поступает сжатый воздух, диафрагма
5 поднимает фильтроэлемент 7 в верхнее положение. Когда пневмока-
168

в
7
6
5
Сжатый, воздух
Рис. 49. Гидродинамический фильтр с пневмоприводом
мера соединяется с атмосферой, внутренне неуравновешенное давление в
фильтроэлементе, воздействуя на диафрагму, заставляет фильтроэлемент
опуститься вниз.
В результате фильтроэлемент совершает возвратно-поступательное
движение относительно очищаемой жидкости, вследствие чего возникает
гидродинамический эффект, происходит саморегуляция и повышение
тонкости очистки, а смытые частицы загрязнений оседают в нижней части
корпуса. Степень очистки жидкости (при неизменных размерах ячейки
фильтровальной поверхности) регулируется частотой колебаний фильт-
роэлемента.
Разработан еще ряд схем фильтров с принудительным (от
постороннего источника) движением фильтроэлемента относительно потока. В
частности, возможно соединение фильтроэлемента с сердечником
соленоида при периодической подаче напряжения на его катушки (рис. 50).
Под действием тока сердечник будет двигаться в магнитном поле, а
возвращаться после отключения напряжения под действием пружины. Для
защиты системы, работающей во взрывоопасной среде, обмотки
сердечника заливаются эпоксидной смолой, а величина тока доводится до
искробезопасных размеров.
Колебательное движение фильтроэлемента может быть
осуществлено рычажным (рис. 51) или эксцентриковым механизмом (рис. 52).
В первом случае фильтроэлементу сообщается
колебательно-вращательное движение, во втором - эксцентрик 11 воздействует через толкатель
10 на фильтроэлемент и сообщает ему возвратно-поступательное
движение. Фильтроэлемент соединен с корпусом гибкой диафрагмой 9, что
позволяет ему совершать колебания.
При движении фильтроэлемента возникает гидродинамический
эффект, происходит смывание частиц загрязнений с поверхности фильтро-
Фильтрат

Загрязненная жидкость
169

j»>»>>>//»?/\/>/>/?>/>/////>>
Рис. 50. Гидродинамический фильтр
с электроприводом:
1 - корпус; 2 - пружина; 3 -
сердечник; 4 - катушка
электромагнита; 5 - фильтрующий элемент;
6 - отводной патрубок фильтро-
элемента; 7 - втулка; 8 -
выходной патрубок; 9 - крышка; 1U -
перегородка; 11 - труба; И -
входной патрубок
K\ss\s\\s^
КуЧУЧЧЧЧЧЧ^
Рис. 51. Гидродинамический фильтр
с рычажным приводом:
1 — фильтрующий элемент; 2 —
корпус; 3 — патрубок ввода
жидкости; 4 — патрубок вывода
очищенной жидкости; 5 — камера
очищенной жидкости; б — вал; 7 —
кривошипно-шатунный механизм;
8 — привод
J 4 5
Рис. 52. Гидродинамический фильтр с
эксцентриковым приводом:
1 - отстойник; 2 - корпус; 3 - крышка;
4 - фильтрующий элемент; 5 — патрубок
вывода очищенной жидкости; б - конфу -
зор; 7 - патрубок ввода жидкости; 8 -
конфузор; 9 - мембрана гибкая; 10 -
эксцентрик; 11 — толкатель

элемента и повышается тонкость фильтрации. При движении
фильтроэлемента 4 вверх или вниз вытесняется та часть жидкости, которая
находится впереди по ходу движения фильтроэлемента. Вытесненная
жидкость перемещается вдоль фильтроэлемента в противоположную часть
фильтра, что увеличивает продольную скорость потока, усиливает
гидродинамический эффект, улучшает смываемость загрязнений с
фильтроэлемента, повышает тонкость фильтрации. Смытые загрязнения
постепенно седиментируются в отстойнике 1.
Для ускорения продольного потока вдоль фильтроэлемента и
предотвращения взбалтывания осадка в верхней и нижней частях корпуса
установлены конфузоры 6 и 8.
Принципиально наиболее логичной для второй группы фильтров
была бы схема, обеспечивающая движение фильтроэлемента от перепада
давлений на этом фильтроэле менте. Для этого достаточно в системе
установить реверсивный золотник, переключающийся при достижении
фильтроэлементом крайних положений. При этом часть неочищенной
жидкости должна попадать в очищенную (что заставит работать на
пониженном перепаде давлений) либо сбрасываться в ванну, что несколько
снизит к. п. д. При определенных обстоятельствах такая схема может
оказаться более рациональной, а конструктивно более простой, чем в фильтрах
"Скаматик".
4.6.1. ТЕОРИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ ОЧИСТКИ
Расчет движения частицы, расположенной в загрязненной зоне и
находящейся под действием многих сил, потребовал для своего решения
ряд допущений:
жидкость считаем несжимаемой, однородной и изотермической;
частицы шарообразны и однородны;
отсутствуют электростатические, поверхностные силы и силы
адгезии, не учитывается влияние стенок и взаимодействие движущихся
частиц, не учитывается броуновское движение;
движение характеризуется малыми числами Рейнольдса;
не учитывается инерционность частиц, т. е. проскальзывание
частицы относительно жидкости в продольном потоке;
не учитывается возможный дрейф частицы из-за ее вращения под
действием различных скоростей на ее поверхности;
фильтроэлемент представляет собой поверхностный фильтр,
поэтому толщиной его пренебрегаем;
отверстия в фильтроэлементе считаем круглыми.
Воспользуемся методом суперпозиции. Вектор скорости частицы
будем рассматривать как векторную сумму скоростей потоков через
большое число отверстий в фильтроэлементе и скорости
продольного потока.
В движении через круглое отверстие линия тока представляет собой
образующую одного из гиперболоидов, т. е. является гиперболой
(рис. 53).
171

Ч-х/Э
Рис. S3. Расчетная схема истечения жидкости через круглое отверстие
Функция тока такого движения [43]
ф =-.± (1 -£3} =-±- (1 - сое3!?), (54)
2тг 2я
где q — объемный расход жидкости через отверстие; |, т?, vp —
криволинейные координаты любой точки пространства, из которых £
определяет семейство софокусных сплюснутых сфероидов; i? — семейство
софокусных однополостных гиперболоидов вращения; ^ — угол в
плоскости, перпендикулярной к оси отверстия;
Для ортогональных криволинейных координат (д\, q2, Ф)
компоненты скорости могут быть определены из функции тока:
d$
vx = - ; v2 = , (55)
У dq2 У dqx
где h i и h2 — метрические коэффициенты; у — цилиндрическая
радиальная координата.
В нашем случае, принимая qx =77; q2 = £,
di> d q
= ( COS*??
dq i dr\ 27Г
27Г
) =-
2
3<?cos TjsinT?
27Г
d\p d q q
= — ( — cos377 - — ) = 0,
dq2 d% lit 27Г
v i определяет скорость, нормальную к линии тока, v 2 — скорость,
касательную к линии тока.
Физический смысл метрических коэффициентов заключается в том,
что в отличие от декартовых координат в криволинейных координатах
172

дифференциалы dqx, dq2 и dq$ не обязательно должны соответствовать
расстояниям, измеренным вдоль координатных кривых.
Для перевода координат сплюснутого сфероида в декартовые
координаты воспользуемся выражением
z = с sh£ cost? ; х= с ch£ sinr? cos^; у = с ch£sini7 sirup, (56)
где с — радиус отверстия.
Поскольку Течение осесимметричное, удобно рассматривать задачу
в двухмерной постановке, т. е. перейти к анализу движения в
меридиональной плоскости, где сплюснутый сфероид трансформируется в
сплющенный эллипс, а декартовая система координат (х, у, z) в плоскую
систему (z,7), где у =V л +у2. Очевидно,у = с ch£sin17. (57)
Метричные коэффициенты в этой системе
hx =h2 = • (58)
c(ch2£ - sin27?)0'5
Из выражения (55) с учетом выражений (57) и (58) получим
3(7 cos 77
v2 = I »i=0. (59)
27Гс2 ch£(ch2£ - sin27?)0'5
Дифференцируя в- частных производных функцию тока, после ряда
подстановок [42]
3q cos27? 3<7 cosTJ
vy = —I 1 *> vz = ~ Ъ TZ • (60)
7 тгс2 sh2£sin7? z 2тгс2 ch2£
Перенося начало координат в различные отверстия, определяем для
каждого из потоков через эти отверстия составляющие продольной и
поперечной скоростей. Суммируя соответственно эти составляющие в
определенной точке пространства, получаем величины продольной и
поперечной скоростей под действием перепада давлений на фильтроэлементе.
Поскольку потери давления напора потока, движущегося вдоль
фильтроэлемента, незначительны, можно считать величины объемных
расходов через отдельные отверстия равными.
Суммируя в каждой точке найденную составляющую скорости со
скоростью продольного потока, вызванного расходом через отверстия
Д находим суммарную продольную скорость vnp.
v 0 Xv z
Из tg а = = определим угол наклона касательной к тра-
v v
пр пр
ектории частицы, находящейся в любой точке пространства. Расчет
потоков по описанной выше методике легко осуществляется с помощью
ЭВМ. При этом все пространство следует разделить координатной сет-
173

кои и подсчитать величины v z и v относительно нескольких ячеек,
примыкающих к нормали, опущенной из точки на плоскость фильтро-
элемента. Анализ полученных результатов показал, что при применении
выпускаемых промышленностью фильтрующих сетчатых материалов
для тонкой очистки, в которых размер отверстия в несколько раз
меньше расстояния между ними, существенное влияние на скорость потока
в месте нахождения частицы оказывают отверстия, расположенные в
непосредственной близости от основания проекции частицы на
поверхность фильтроэлемента (в радиусе влияния находятся не более двух-
трех отверстий) и что величина скорости v z быстро возрастает с
приближением к отверстию в фильтроэлементе. При расчете следует учитывать
скорость только тех частиц, которые находятся на расстоянии трех-четы-
рех размеров отверстий по вертикали.
Понятно, что наибольшую вероятность проникнуть в отверстие имеют
частицы, которые находятся в наиболее близких к поверхности
фильтроэлемента слоях жидкости. Рассмотрим критический случай. Частица
диаметром d с центром тяжести в точке О находится в положении,
показанном на рис. 47. Условием задержания этой частицы является
— > —9 - ; d> 2с z— , (61)
где 2с - размер ячейки; v = Q2/S - скорость потока вдоль
фильтроэлемента, образованная за счет сброса части неочищенной жидкости;
Q2 - расход сбрасываемой жидкости; S - площадь зазора между
корпусом фильтра и фильтроэлементом.
Для фильтроэлементов или части их, расположенных ниже зоны
загрязненной жидкости, v 0 =%v z + v с, где v c — скорость седиментации.
Из закона Стокса
vc
G
бТГ/id
pgd2
36д
отсюда критический диаметр частицы
d =
2и +
z
2с
2fy +
pgd2
36д
Q2
S
(62)
Поскольку при приближении к отверстию влияние соседних
отверстий на расход через отверстие падает, можно записать
Qi fled2
d(Vy+ — ) = 2со„ +2c ^— ; (63
7 S z 36/i V
174

Q2 Q2 * ^figV °-S
„ + [(v + ) _ ]
d= _L_f 7-^ 91 . (64)
cpg
Перепад давления при протекании жидкости через отверстие в
бесконечно тонкой стенке А р0 хможно определить из формулы Сэмпсона-
Роско
Ар0 = —г. (65)
В теории гидродинамики [43] доказывается, что эта зависимость
справедлива без корректировок при Re < 3,2. Широко используется
обычно для подобных расчетов формула истечения жидкости из отверстий
в тонкой стенке
q = с0пс2у/2Ар0/р ,
где с0 — коэффициент расхода, равный примерно 0,61, как показатели
исследования, не требующий корректировок при Re > 30 000.
Поскольку толщина материала фильтроэлемента, как правило,
больше диаметров отверстий, следует учитывать сопротивление течению
жидкости по длине ячейки:
/ v2-
дл 2с 2
64 3 2/1
где X = = — коэффициент сопротивления по длине для лами-
Re cpv
нарных потоков; / - толщина фильтроэлемента; v = q/irc2 — скорость
потока через отверстие.
4р„л - -г • <66>
7ГС
Суммируя (66) и (67)
q Ц 8/
Ар = (3 + _ ). (67)
С 1ТС
Следует заметить, что в систему поступит часть соизмеримых с
отверстиями частиц, пересекающих плоскость фильтроэлемента по оси
отверстия. Таким образом, гидродинамический эффект носит
вероятностный характер.
175

4.6.2. РАСЧЕТ ГИДЮДИНАМИЧЕСКИХ ФИЛЬТРОВ
С НЕПОДВИЖНЫМ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТОМ
Пусть будут известны: Q - подача насоса, подающего жидкость на
фильтр; Q\ — часть подачи, которая должна быть очищена; 2с — диаметр
отверстий в фильтроэлементе; / — толщина материала фильтроэлемента;
т — кратчайшее расстояние между отверстиями в фильтроэлементе;
d — максимальный диаметр частиц, допускаемый в очищенной жидкости;
Ар — допускаемый из условий эксплуатации перепад давлений на фильтре.
По формуле (67) определяем величину q. Поскольку
Я =
где* =
роэлеме]
Я •=
Qx
kF
Tic2
(2с + т)2
ята;
Q(2c + m)2
Fire2
— коэффициент живого сечения; F - площадь фильт-
(68)
Из формулы (68) определяем площадь фильтроэлемента F. Принимая
в первом приближении в (61)
КС2
v- = —г\ vy = °> определяем удл
Знаем, что Q2fc = Q - Qx, где Q2k - расход неочищенной жидкости,
уходящей из фильтра.
Исходя из найденной площади F и выбираемой из конструктивных
соображений длины фильтроэлемента L, находим ширину
фильтроэлемента В.
Площадь щели между фильтроэлементом и корпусом фильтра в
конце продольного потока Sk = (Q - Qx) /v дл, в начале потока 5Н = Q/v .
Считая фильтроэлемент цилиндрическим, D =B/ir, диаметры
конусной части корпуса могут быть определены из зависимостей
r Q Q2(2c + m)4 °«5
"» = [—♦ -^г- 1 , т
дл ч
D = [ g-Ci + б2^ + ">4 Z'5
к 41TV ~2 2,2 J
4lTv
ДЛ
*а<1* ' (70)
7Г q I
176

Рис. 54. Схема распределения продольных
скоростей по зазору при ламинарных потоках
Используя полученные данные, с помощью ЭВМ определяем v 2
и v у и по формуле (64) уточняем тонкость фильтрации.
До сих пор принималась скорость продольного потока постоянной
по сечению зазора, что в некотором приближении соответствует
турбулентному (или переходному) режиму движения вдоль фильтроэлемента.
Допустимость такого предположения можно обосновать наличием
возмущений на входе в фильтр, относительно малой длиной фильтроэлемента
по сравнению с диаметром и сравнительно высокими продольными
скоростями.
Вместе с тем практический интерес представляет и анализ скоростей
потока при ламинарном продольном движении реальной жидкости.
Из гидравлики известно, что в случае ламинарного потока в
кольцевой щели скорости в зазоре распределяются по параболическому закону.
Обозначим величину зазора в каком-либо поперечном сечении через
h (рис. 54), например, в начале фильтра Лн = (£>н - £*ср)/2, в конце
фильтраhk=(Dk- Z)cp)/2 и т. д.
Используя граничные условия, получим
6Q2z (Л - z)
дл тгЛ 3 (Яф + Л ) "
Величина Q2 изменяется по длине фильтроэлемента. Но размеры
корпуса по формулам (69) и (70) выполняются таким образом, чтобы
средняя продольная скорость не изменялась. Величина средней скорости
4<22
дл. ср
7г[(Яф + 2А )»-!>*]
7Г(£>. + Л )Л
(71)
следовательно,
"дл =
6z (h - z)
h2 ~ дл.ср • (72)
Таким образом, несмотря на сохранение средних продольных ско-
12-421
177

ростей постоянными по длине фильтра, локальные скорости в
пространстве при том же расстоянии от поверхности фильтроэлемента зависят
от высоты щели.
Экстремальное значение v наступает при h =2z.
Поскольку с точки зрения фильтрования нас интересуют скорости в
половине высоты щели, примыкающей к фильтроэлементу, можно
утверждать, что при уменьшении высоты щели степень фильтрования
увеличивается по длине фильтроэлемента при условии сохранения средней
скорости потока.
Из условия равенства средних скоростей по сечению вдоль
фильтроэлемента
4Q = 02
%Л.Ср я(/)2 _^2} s •
Полученная скорость v для необходимой степени фильтрации в
этом случае не будет равна средней и, следовательно, по ней нельзя
непосредственно определить Q2. Для этой цели необходимо по формуле
(72) найти v , а затем по формуле (71) необходимый расход.
Вместо выражения (62) при ламинарных потоках следует записывать
_ pgd2
Zv +
z 36/1
6z {h - z)
yT, +
y h2
Qi
s
d = 2c-
а критический диаметр частицы после подстановок в формулу (64) и
преобразований определить следующим образом:
3 cog
d3 -d2 ( — + ЗА) - dVy + 2cv7 = 0.
2h2 18/i y z
Последнее выражение может быть решено в конечных коэффициентах
по способу Кардано, однако значительно проще найти его значение
приближенно по имеющимся в ЭВМ алгоритмам.
Дальнейшие расчеты не претерпевают изменений, если понимать в
них под v п„ =v пп .
^ дл дл. ср
4.6.3. РАСЧЕТ СМЫВАЕМОСТИ ЧАСТИЦ ЗАГРЯЗНЕНИЯ
С ПОВЕРХНОСТИ ФИЛЬТРОЭЛЕМЕНТА
ГИДРОДИНАМИЧЕСКОГО ФИЛЬТРА
Кроме полученной ранее возможности обеспечить более тонкую
очистку жидкости, практически важное значение имеет определение
требуемой скорости продольного потока для смыва осевших на фильтре
178

Рис. 55. Схема смываемости фильтра
частиц. Такая задача стоит, например, при проектировании гидросистемы
управления исполнительным органом угольного комбайна, в которой
включение всей подачи насоса на гидроцилиндры происходит
периодически (в момент регулирования), а в остальное время подача насоса
поступает на смазку или сбрасывается в ванну.
Рассмотрим частицу, закрывающую отверстие в фильтроэлементе.
Наихудшие условия для ее смыва будут, если эта частица закроет круглую
ячейку, причем диаметр частицы будет сравним с диаметром ячейки.
На частицу (рис. 55) действуют: сила лобового сопротивления в
продольном направлении Рл и сила Рп, действующая на нижнюю поверхность
частицы вертикально вверх. Обе эти силы вызываются возмущением
потока выступающей частью частицы. Струйка набегающего на частицу
потока жидкости деформируется и отрывается от ее поверхности,
порождая в прилегающих к частице верхней и задней зонах вращательное
движение жидкости.
Изменение характера движения у частицы вызывает изменение
избыточного гидродинамического давления и сил трения. Лобовая часть
подвергается воздействию положительного, а задняя — отрицательного
избыточного гидродинамического давления.
По Н.Е. Жуковскому,
Рп =
7\V
"А
(73)
Pn= 7\a2d2
2g
(74)
где X и X — соответственно коэффициент лобового сопротивления и
коэффициент подъемной силы; по исследованиям М.А. Дементьева, \х =
= 0,40 -^0,45; X =0,25; axd2 и a2d2 - площади проекции миделя
частицы на плоскости, перпендикулярные к линиям действия соответственно
силы лобового сопротивления и подъемной силы;
a*d
2 _
ndz
4
- А
=
d*
—
8
2с
(2я + —
d
2с
arcsin
■);
(75)
179

a2d2 = ire2; (76)
A - площадь проекции частицы, находящейся ниже поверхности фильт-
роэлемента;
1 2с 2с
А^ = - сг (arcsin — );
с 8 d d
и а — скорость движения рабочей жидкости на высоте частиц,
выступающих над поверхностью фильтроэлемента.
Кроме сил Рл и Р на частицу действует вес (в худшем случае)
G= - (74-y)d3 (77)
6
и сила, вызванная перепадом давления на фильтре,
Рф =тгс2Др. (78)
Из выражения (77) получим
Q(2c + m)2fi 8/ , ч
Ар- з (3 + — )• <79>
FC* 7ГС
Условие равновесия частицы при смыве — равенство моментов сил
относительно точки А.
/У1+/У2 -Сс-Рфс=0, (80)
где 1Х - плечо силы Рл.
Считая началом координат центр тяжести частицы и распределение
гидродинамического давления лобовой силы равномерным по высоте,
найдем
х =
А|Лц —• ^2 с
Ач~ Ас
= -
Vc
V2
где х - координата центра тяжести проекции; хх - координата центра
тяжести частицы; х2 - координата центра тяжести сегмента, опущенного
ниже поверхности фильтроэлемента;
(2с)3
х2 = .
12Ас
Следовательно,
180

16c3
X = — —
3<Г(2тг + arcsin —)
d d
Полученное выражение показывает, что центр приложения силы Р
находится на расстоянии х выше центра тяжести частицы. По рис. 54
определяем плечо силы Рл:
16 с3
lx = V^2/4~c2 + — . (81)
2с 2с
3d (2тг + -arcsin — )
d d
Подставляя выражения (73), (74), (76), (77) в выражение (80),
получим
, иД "А я
?Vi* — /l+1V** ~^с~ 6" &ч-т)^-
-тгс3Др = 0;
— (7 - 7) ^ с + кс щ>
А -
< = ъ
у\х (a, d2l г + 0,25 а2 dc)
Заменяя значения Др,а^\ a2d2,4 , из (75), (80), (76), (81)
после ряда преобразований получим
32g 0,5rf3cCy - у) +
(2c + m)2(3 + — )
F 7ГС
2с 2с
■ arcsin ) - 2с
0,5
]
UA = t — 5Т"
j\d2 (d2-4c2) (27Г +
х d d
Зная закон распределения продольных скоростей по сечению зазора
между корпусом и фильтроэлементом и определяя из геометрических
построений величину Д =d - (d2/4 - с2)0,5 найдем по Ыд среднюю
скорость продольного потока и и по ней расход, необходимый для
самоочистки фильтроэлемента.
4.6.4. РАСЧЕТ ФИЛЬТРА С ВРАЩАЮЩИМСЯ
ОТСАСЫВАЮЩИМ ЦИЛИНДРОМ
Основной задачей расчета фильтра (см. рис. 38) является выбор
частоты вращения фильтрующего цилиндра. Чем выше эта частота, при
прочих равных условиях, тем выше тонкость очистки, дальше отстоит
181

от поверхности фильтроэлемента "ореол" крупных частиц, больше
возможность их коагуляции и попадания в зону действия
электростатических сил. Вместе с тем с повышением частоты вращения могут появиться
неустойчивость прилегающих слоев жидкости, а также завихрения,
исключающие явление гидродинамической очистки. Но даже при устойчивом
потоке могут существенно повыситься энергозатраты на вращение
цилиндра в жидкости и перепад давления на фильтроэлементе из-за
центробежного отталкивания жидкости (аналогично явлениям в шестеренных
насосах) .
Расчет критической частоты вращения.
При расчете распределения скоростей в слоях жидкости,
прилегающих к поверхности, воспользуемся теорией течения вязкой жидкости
между вращающимися коаксиальными цилиндрами. В случае вращения
наружного цилиндра устойчивость потока поддерживается при любых
угловых скоростях при условии строгой коаксиальности цилиндров и
стабилизации потока. При вращении внутреннего цилиндра условием
отсутствия параллельно чередующихся вихрей с правым и левым
вращением и с осями, параллельными направлению окружной скорости
вращающегося цилиндра, является выполнение условия [49]
иг ГТ~
Та = — V — < 41,3,
а V R
где и — окружная скорость внутреннего цилиндра; z — ширина зазора
между цилиндрами, или кратчайшее расстояние до стенок емкости;
R — радиус внутреннего цилиндру
Поскольку и = coR, Та = co/vy/Rz3 < 41,3.
Принимая размеры обычного гидродинамического фильтра,
имеющего R =40 мм, z =4 мм; и . =3 мм2/с, получаем
"тах= 41^(/Ь3)0-5 = 41,3.0,03/(0,43.4)0'5 =7,7 с"1,
что соответствует п = 74 об/мин.
Следует отметить, что существует переходная зона, в которой
наличие струй сосуществует с ламинарным потоком до Т = 141, т. е. до п =
= 250 об/мин.
Для регенерации жидкости v - 20 мм2/с был построен фильтр с R =
= 100 мм, z =50 мм.
В этом случае полная неустойчивость должна наступить при
141-0,2
со = = 0,92с"1,
V7,5 -5^
т. е. « = 8,7 об/мин.
Очевидно, что такая угловая частота не смогла бы обеспечить
гидродинамический эффект на поверхности. В то же время установка работала
182

без срывов. Объясняется это повышением устойчивости системы за счет
отсасывания частиц жидкости через поверхность фильтроэлемента, т. е.
процесса фильтрования. Действие отсасывания проявляется двояким
образом: во-первых, отсасывание уменьшает толщину пограничного слоя,
а более низкий пограничный слой имеет меньшую склонность к переходу
в турбулентное состояние, чем толстый пограничный слой; во-вторых,
отсасывание ламинарного пограничного слоя создает в нем такие
профили скоростей, которые обладают более высоким пределом устойчивости,
т. е. более высоким числом Рейнольдса, чем профили скоростей в
пограничном слое без отсасывания.
Расчеты, приведенные с использованием уравнений пограничного
слоя, показали, что стабилизирующее влияние отсоса жидкости через
сетку весьма велико. Максимальная угловая скорость с сохранением лами-
нарности потока в этом случае
575 6
"max - ^2t >
где Q — количество жидкости, прошедшей через фильтроэлемент, т. е.
пропускная способность фильтра; R - радиус фильтроэлемента; / -
длина фильтроэлемента.
При Q =30 л/мин =500 см3/с, Л =75 мм, / =200 мм
575 • 500
"таХ= 2*. 7,5>. 20 = 41РаД/С>
что соответствует п=388 об/мин.
Другой ограничивающий фактор по скорости — дополнительный
перепад давления на фильтроэлементе на преодоление инерционности
жидкости, вызываемой вращением цилиндра. Обозначив радиус выходной
трубы г , можно записать [49]
Ар = — (R2 -г2)и\
0 An
как правило, R2 > г 2, поэтому Ар = pR2/2co2. Отсюда со2 = -.
pR2
Расчет тонкости фильтрования.
Скорость частицы жидкости, находящейся над поверхностью
фильтроэлемента, можно рассматривать как векторную результирующую трех
скоростей: v v, направленной по нормали к поверхности, vx,,
направленной параллельно плоскости ячейки, и и, вызванной появлением
пограничного слоя из-за вращения фильтрующего цилиндра. Первые две
скорости определяются по зависимостям [42]:
3q cosr? ^ 3qcos2T)
У 21ТС2 ch2?' *' 7Tc2sh2bin7?
183

Скорость и определяется из решения дифференциального уравнения
пограничного слоя:
и(у) = «(1-е v ), (82)
где .у - координата, перпендикулярная к стенке.
Приняв у = О, можем определить критические условия прохождения
частицы через ячейку (без учета веса частицы).
Под действием центробежных сил частице сообщается сила
Amu2 nd3
F*° —-tT? -i <"*-»■ (83)
где R. — расстояние от оси цилиндра до центра тяжести частицы. Заменяя
и. из выражения (82) и считая / = у + R, получим
Fa= _^ [u(1_e P)] . (84)
Учитывая сопротивление жидкости отходу частицы и опираясь на
закон Стокса, можно записать
»п = . (85)
где yt=vp — динамическая вязкость жидкости.
Используя выражение (84) и учитывая, что u = coR и R. =Л, будем
иметь
*d*R2o>2 —* ,
vn = (1-е у ) (Рч - р)
V0y 2
OJ2d2R 4. ч , — ч
= ( 1) (1-е " ) .
36У р
На поверхности фильтроэлемента, используя выражение (68),
Q(2c + т)2
, - и-±—2 ; vx,= о, (86)
где А — площадь фильтрующей поверхности .
Рассмотрим критический случай: частица диаметром d и центром
тяжести в точке О находится в положении, показанном на рис. 47. Усло-
184

вием непопадания этой частицы в ячейку является (пренебрегаем
кривизной поверхности, так как R > 2с) :
d_ = J^^l
2с и
Используя формулы (85) и (86), получим
d
2с
>
Q(2c + m)2
2ъ2 Rlc2
(jjR
co2d2R
36 l>
(f>4lf> "
1)
(87)
Решая уравнение (87) относительно <2, после преобразований получим
тонкость фильтрования вращающимся фильтроэлементом в зависимости
от параметров потока, размеров и характеристики фильтровальной
поверхности:
9v 81ir \SQv(2c + m)2
d = + [ + ] .
КР Рч Рч 2 Рч
сос( 1) со2с2( 1) n2R2lc2(J( 1)
р р р
(88)
Очевидно, что d =2c.
Из уравнения (88) следует, что тонкость фильтрации тем больше,
чем (при прочих равных условиях) больше угловая скорость вращения
фильтроэлемента, радиус и длина цилиндра, плотность фильтруемых
частиц и чем меньше вязкость рабочей жидкости, расход счищаемой
жидкости и промежуток между ячейками.
Для анализа полученного уравнения рассмотрим случай, когда
частота вращения соизмерима с критической. Для примера примем п =
= 300 об/мин (со=31,4/с-1); /= 200 мм; R = 75 мм; 2с = 0,04 мм; т=
=0,2 мм; рц = 1,5 кг/дм3; v- 50 мм2/с; Q = 30 л/мин = 500см3/с;
р « 1 кг/дм3 = 103 кг/м3.
Подставляя условия примера в выражение (88), будем иметь
<*кР = 4 * 10"4 см- (89>
Таким образом, можно в пределе получить на указанном фильтре
тонкость очистки 4 мкм.
Дополнительное сопротивление фильтроэлемента при этом будет
(jj2R2p _ 31,42 -7,5- 1000
Ар " j 2 = 300°Па = °>003 МПа*
Если не учитывать эффект кривизны и вращения, то при тех же раз-
185

мерах фильтроэлемента и относительной скорости и можно было бы
получить
Q(2c+m)2 2cQ(2c + m)2 Q(2c + m)2
d' = 2c - = = —— . (90)
кр Anc2coR 2ttR17Tc2coR ir2R2coic
Подставляя численные значения примера в выражение (90), d' =
= 20 мкм.
Из сравнения выражений (89) и (90) видно, что при частоте
вращения, близкой к критической (при указанных размерах), тонкость
очистки повышается в 5 раз.
Мощность, затрачиваемая на вращение поверхности
фильтроэлемента (периферии цилиндра),
*п= *"„«. (91)
где л =FTQR - момент трения на поверхности фильтроэлемента; F -
сила трения на поверхности фильтроэлемента.
Для ньютоновых жидкостей
du du
F= - цА — = - pvA— . (92)
dy dy
Подставляя в выражение (92) А = 2-nRl (площадь поверхности) и
значение (du)/(dy) из выражения (82), после дифференцирования с
учетом граничных условий будем иметь
Тп =2nlcov0R3- (93)
Q
Зная, что v о = , с учетом (4.40)
2irRl
Nn = pu2R2Q. (94)
Из сравнения выражений (94) и (88) следует, что сопротивление
вращению цилиндра с увеличением его радиуса растет быстрее, чем тонкость
очистки.
К полученному выражению следует добавить потери на вращение
торцов цилиндра.
Из теории пограничного слоя для одной поверхности
Тт = смрсо2Я5/4, (95)
где
^2^ -0,5
см = 3,87 ( ) . (96)
186

Подставим (96) в (95), тогда
3,87 рсо2/?5 ПГ
Г = V - » рсо1'5/?4^0'5 .
т 4/? со
Мощность, затрачиваемая на трение торцов,
NT = 2pcj2'5R4v0'5. (97)
Общая мощность, расходуемая на вращение фильтроэлемента,
N = Nn + NT = pco2R2(Q + 2to°'5v°>5R2). (98)
Подстановка в (98) принятых исходных данных показывает, что
затраты мощности при сравнительно небольших частотах вращения
(хотя и приближающихся к критическим) незначительны. В этом одно из
основных преимуществ исследуемой схемы перед центробежными
очистителями, где скорости примерно в 20 раз больше, т. е. сопротивление
растет более чем в 400 раз.
Расчет расстояния между фильтрующим цилиндром и отброшенными
частицами.
Зазор между вращающимся цилиндром и пластинами
электростатического фильтра имеет важное значение в комплексе очистительной
установки, так как слишком близкое расположение пластин может тур-
буленизировать пограничный слой, а слишком далекое — уменьшить
электростатические силы, притягивающие отброшенные частицы и
направляющие их в бункер.
Очевидно, что отброшенная частица, если пренебречь ее весом, будет
располагаться ореолом вокруг цилиндра на расстоянии, где центробежные
силы уравновешиваются силами сопротивления, вызываемыми потоком
частиц жидкости через ячейки фильтроэлемента.
На этом расстоянии
% + % = 0,
где v ц определится из выражения (85), a v - из выражения (60) :
v0y
2
—— < DO-e") = 2 ? . (99)
36 i> p 2тгс2 ch2£
Но
Q Q(2c + m)2
v0 = ; q = . (100)
2-nRl 2TTRI
Подставляя значения из (100) в (99) и обозначая искомое расстояние
у у после преобразований получим
187

2-nRlv
op
In
1 -
3(2c + m) 3e^cos7?
o.s
ncR (jjd ch £
/ (
1)
(101)
Зависимость (101) позволяет утверждать, что расстояние от
поверхности фильтроэлемента до частиц, не проходящих через ячейки, тем
больше, чем больше размеры фильтроэлемента (причем диаметр цилиндра
оказывает большее воздействие, чем длина), вязкость, частота вращения,
диаметр частицы, разница в плотности частицы и жидкости, коэффициент
тгс2
живого сечения ( ), и тем меньше, чем больше расход жид-
(2с +т)2
кости через фильтроэлемент.
Для расчета величины у по формуле (101) необходимо
пространство над фильтроэлементом разделить координатной сеткой и по
зависимостям (66) найти значения г\ и £. После этого с помощью ЭВМ легко
находятся значения у для разных диаметров частиц.
4.6.5. НЕПОЛНОПОТОЧНЫЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ
Наиболее простой схемой гидродинамического фильтра (рис. 56)
является вставка в трубопровод 7, дающая ответвление 4 на
гидроустройства с высокими требованиями к чистоте рабочих жидкостей, например
на сервозолотники.
Вставка состоит из фильтрующего сетчатого цилиндра 3 и корпуса
вставки 2. При включении управляющих гидроустройств часть жидкости
поступает к ним по трубопроводу 4, очищаясь перегородкой 3. Хотя
крупность ячеек в этой перегородке невелика, засорения ее не происходит,
так как крупные частицы уносятся основным потоком. Для увеличения
скорости последнего диаметр фильтрующего цилиндра выполнен
меньшим, чем диаметр трубопровода. Такая схема применима, если на
очистку расходуется жидкости значительно меньше, чем ее протекает по
трубопроводу 7. По этой схеме выполнен фильтр в электромагнитном вентиле
ВЭГ-ЗМ, серийно выпускаемом Горловским машиностроительным
заводом им СМ. Кирова.
На рис. 57 изображен гидродинамический фильтр ГМП. 01.20, исполь-
■Дг
г з
тС
^±
С
У
Рис. 56. Схема гидродинамического фильтра
188

Рис. 57. Гидродинамический фильтр механизма перемещения

зовавшийся в гидросистеме ГМП комбайна К120 конструкции Гипроуг-
лемаша. Схема фильтра показана на рис. 47. Корпус 7 фильтра винтами
через отверстия 2 присоединен к корпусу механизма перемещения ГМП.
В корпус ввинчивается пробка 3, соединенная байонетным пазом и
штифтами 4 с двумя сетками - грубой 5 и тонкой 6 очистки. Внутри корпуса
концентрично ему расположена труба 7, разделяющая потоки фильтро-
элементов грубой и тонкой очистки. Загрязненная жидкость поступает
через отверстие 13. Часть ее очищается сеткой б и поступает в
гидросистему. Другая часть, обогащаясь при движении вдоль сетки б крупными
частицами, попадает в пространство 8 и, оставляя крупные частицы с
внутренней стороны сетки 5, сбрасывается в ванну через отверстие 9. Для
очистки от мелких металлических частиц в фильтре предусмотрена
магнитная вставка 10. Если сетка грубой очистки 5 припаивается к
каркасной трубе 77, то сетка тонкой очистки 6 надета на каркасную трубу 12
и зажата фланцами 14 и 75. Такая конструкция позволила при
необходимости (порьщ, засорение сетки грубой очистки и т. д) заменять не весь
фильтроэлемент, а только сетку. Регулирование соотношения между
очищенной и неочищенной частями жидкости производится дросселем,
установленным в линии, присоединенной к отверстию 9.
После корректировки чертежей сетка грубой очистки была
ликвидирована, так как усложняла конструкцию фильтра, а большое число
уплотнений приводило к перетечкам и затрудняло съем фильтроэлемен-
тов. Кроме того, конический профиль внутренней поверхности корпуса
был заменен параболическим.
Фильтр ГМП 1.01.20 испытывался при стендовых испытаниях в трех
гидродинамических и статическом (при заглушённом отверстии 9)
режимах, на масле Индустриальное-45А, которое загрязнялось частицами
угля и породы до 200 мкм. Испытания подтвердили преимущества
гидродинамического фильтрования перед статическим. Сопоставление различных
соотношений очищенной и сброшенной жидкости показало, что с
повышением скорости продольного потока значительно повышается тонкость
фильтрования и улучшается регенерация поверхности фильтроэлемента.
Большой перепад давлений объясняется малой фильтрующей
поверхностью. На рис. 58 приведены увеличенные под микроскопом капли
исходной жидкости и той же жидкости после статического и
гидродинамического фильтрования.
Испытания гидродинамических фильтров совместно с механизмами
перемещения ГМП в течение 100 ч машинного времени подтвердили
саморегенерацию фильтра: за все время испытаний фильтроэлемент не
заменялся, поверхность его покрылась незначительным слоем механических
примесей, после чего процесс стабилизировался. В районе сброса
жидкости резко повысилась загрязненность жидкости, а в районе всаса насоса
снизилась.
В ванне масло соответствовало 15-му классу чистоты в начале
испытаний и было хуже 17-го класса чистоты в конце испытаний. В линии
очищенной жидкости чистота рабочей жидкости соответствовала И классу
чистоты при очистке через металлическую сетку с ячейками 70 х 70 мм,
190

"a
б
"щ
.-Ж
Рис. 58. Микрофотографии проб жидкости до очистки (д), после статической (б) и
после гидродинамической (в) очистки через сетку

Рис. 59. Гидродинамический фильтр пе- Рис- 60- Бескаркасный фильтро-
риодического действия элемент:
1 — труба; 2 — фланец; 3 —
уплотнение; 4 - спица; 5 - кожух; б -
сетка; 7 — пайка; 8 — фланец;
9 — грязеотражатель; 10 — ловушка
и 12 классу чистоты при использовании в качестве фильтрующего
материала капролавсановой сетки арт. 56035. Содержание механических
примесей в очищенном масле снижалось в 20—35 раз по массе, а номинальная
тонкость фильтрования составила 25 мкм. Двухлетняя работа аксиально-
поршневых гидроузлов механизма перемещения ГМП не привела к их
преждевременному износу, что свидетельствует об удачной конструкции
машины и удовлетворительной работе фильтров.
Для горных машин, работающих в тонких пластах, разработан
унифицированный гидродинамический фильтр периодического действия
(рис. 59). Все привязочные размеры и габариты сохранялись такие же,
192

как у фильтра 2К-101.04.15000, являющегося видоизмененным фильтром
ФП7 12-25/6,3 с тонкостью очистки 25 мкм и пропускной способностью
25 л/мин. Благодаря тому, что ячейки в гидродинамическом фильтре
имели размер 70 х 70 мкм, при сниженном перепаде давления пропускная
способность повысилась до 40-45 л/мин. Это позволило вместо двух
параллельно соединенных фильтров применить один, а второй
использовать для грубой очистки сброшенной жидкости.
Учитывая, что аналогичный фильтр был предусмотрен и для
очистки жидкости в исполнительных органах, в нем была предусмотрена
возможность установки золотника смыва, обеспечивающего поступление
полного потока жидкости в гидросистему в момент регулировки
исполнительного органа по мощности пласта. В этом режиме фильтр работает
как обычный механический, а в промежутке между регулированием как
гидродинамический, смывая с поверхности частицы, осевшие на нее при
предыдущем режиме. Золотник слива настраивался на давление 1,5-
2,5 МПа, что заведомо выше сопротивления в линии сброса и намного
ниже давления при регулировке исполнительных органов комбайнов.
Уменьшение размеров фильтра при повышении фильтрующей
поверхности осуществлялось за счет продольного гофрирования фильтрующего
материала.
Для этого фильтра был разработан и исследован оригинальный без-
каркасный фильтроэлемент. Опыт показал, что обычные каркасные
схемы испытывают сдавливающее усилие на гофры, превышающее 800 Н.
Это приводит к их сплющиванию и ограничивает пропускную способность.
Кроме того, наличие каркасной сетки, даже очень крупной, на 20—30 %
уменьшает пропускную способность фильтроэлемента. Исследование
серийных фильтров показало, что при фильтровании рабочих жидкостей
горных машин единственной защитой гофров от разрушения является
перепускной клапан. При рассмотрении деформированных фильтроэлементов
отчетливо видно, что ячейки всех смятых гофров забиты частицами
загрязнений, а ячейки не смятых гофров чистые.
Бескаркасный фильтроэлемент (рис. 60) состоит из двух дисков,
расположенных на некотором расстоянии друг от друга. Между ними по
оси размещена распорная труба. По периферии дисков укреплены спицы,
растянутые гайками, установленными на выступающих за диски концах
спиц. Отверстия под спицы в дисках выполнены таким образом, что при
обтягивании их фильтрующим материалом образуются гофры. Такая
конструкция при прочих равных условиях исключает сдавливание гофр
и повышает пропускную способность. Схема работы фильтра не
изменилась.
При испытаниях на фильтр подавалось 50 л/мин. Перепад давлений
составил 0,25-0,3 МПа. При сбросе 21,5 % жидкости тонкость
фильтрования квадратными ячейками размером 70 х 70 мкм составила 25—
30 мкм (при загрязненности исходного масла частицами до 120 мкм).
С целью снижения количества сбрасываемой жидкости или полного
его исключения КГМИ и Гидроугле машем разработан фильтр тонкой
очистки для гидросистем унифицированного ряда комбайнов РКУ. Прин-
Io-4t2 х
193

Рис. 61. Гидродинамический фильтр для
унифицированного ряда комбайнов
ципиальная особенность фильтра —
совокупности гидродинамического,
гравитационного и механического
фильтрования очищаемой жидкости.
Основные отличия нового фильтра
от фильтров ГМП заключаются в
наличии бункера, отражательного стакана и
трубы внутри фильтроэлемента с
дросселем, расположенным в верхней части
фильтра. Кроме того, введены
плоские постоянные магниты и
дополнительно фильтровальная сетка для
очистки сброса.
Отделенные от сетки частицы
загрязнений собираются в бункерах,
вместимость которых значительно
превосходит грязеемкость как поверхностных,
так и глубинных фильтров аналогичных
размеров. Это позволяет переодически.
очищать бункер без разборки фильтра
открытием сливной пробки. Фильтр
состоит из корпуса 7 (рис. 61),
распределительной крышки 75 с патрубками
ввода жидкости 14 и выхода фильтрата 6\ бункера 2 с магнитом 3,
отстойника 12 с магнитом 13, обводным патрубком Щ контрольным фильтром
9 и подсоединительным отверстием, заглущенным пробкой 11. Бункер и
отстойник соединены переходной трубкой 7. В нижней части бункера
имеется сливное отверстие, заглушённое пробкой 4. На переходной трубке
крепится фильтроэлемент 6 с грязеотражателем 5.
Фильтр работает следующим образом. Подлежащая очистке жидкость
вводится через патрубок 14 в распределительную крышку 75, откуда
кольцевой струей попадает в корпус 7, где поток разделяется на два.
90 % жидкости очищается, пройдя через сетку фильтроэлемента б, и
выводится наружу через патрубок фильтрата 7. Вторая часть потока (~ 10 %
общего) проходит вдоль фильтроэлемента, смывая при этом частицы
загрязнений с сетки, а затем мимо грязеотражателя 5 через бункер 2 с
магнитом 5, переходную трубку 7, отстойник 12 с магнитом 13 и, пройдя через
контрольный фильтр 9, обводной патрубок 10, поступает в патрубок
вывода фильтрата. Основная часть загрязнений при этом осаждается в
бункере. Некоторые частицы задерживаются на контрольном фильтре,
который легко подвергается проверке или замене. В отстойнике имеется
отверстие, заглушаемое пробкой 77. Оно предназначено для подсоединения
194

фиьтров по каскадной схеме. В бункере имеется сливная пробка 4 для
удаления загрязнений из фильтра.
Конструкцией фильтра предусмотрено два фильтроэлемента. Один -
неразборный звездообразный, с опорными спицами, второй —
цилиндрический натяжной, с быстросъемным закреплением фильтрующего
материала на фланцах. Первый позволяет фильтру работать с большей произво-
длительностью на более вязких жидкостях, второй - проще в
изготовлении и позволяет легко заменять сетку.
Стендовые испытания в ИГД им. А.А. Скочинского показали, что
тонкость очистки повышается почти в 2 раза по сравнению с величиной
ячейки сетки, а концентрация снижается в 3 раза.
Аналогичные по конструкции фильтры серийно выпускаются
для предприятий электротехнической промышленности, где в
качестве рабочей жидкости применяют быстротвердеющие и
взрывоопасные жидкости (эпоксидные и формальдегидные смолы и лаки,
ацетон и т. п.). По сравнению с пластинчатыми самоочищающимися
фильтрами фирмы "Лаурентини" (Италия) тонкость очистки повысилась
в 1,5—2 раза, процентная массовая концентрация загрязнений
уменьшилась в 6 раз (по сравнению с исходной жидкостью — в 50 раз). Стоимость
гидродинамического фильтра в 3 раза меньше, а срок его службы
повысился в 2—3 раза.
Чтобы избежать чрезмерный сброс жидкости в ванну и одновременно
улучшить фильтровальные и регенерирующие свойства фильтров,
рекомендуется применять несколько фильтров, соединенных по каскадной
схеме фильтрования, разработанной для установок большой
производительности.
Обычно каскадная схема выполняется либо с параллельной
установкой фильтров, при которой повышается производительность установки,
либо с последовательным соединением, при котором повышается
тонкость очистки. Особенностью каскадного соединения гидродинамических
фильтров является параллельное соединение патрубков фильтра для
выхода фильтрата и последовательное соединение линий сброса
загрязненной жидкости.
Если при обычной схеме гидродинамической очистке подвергается
75—90 % жидкости, поступающей на вход в фильтр, то при этом же (70 %)
регенерирующем и фильтровальном эффекте и трех фильтрах (рис. 62)
очистке подвергается 97,3 % жидкости, рерко падает расход на
последующих фильтрах, отпадает необходимость в двух бункерах, что
позволяет уменьшить поверхность фильтроэлемента и существенно упростить
конструкцию фильтра, сделав его более технологичным и ремонтоспособ-
ным. Кроме того, в 1,5-2 раза уменьшается перепад давлений на фильтро-
элементах.
Двухкаскадная схема гидродинамических фильтров для линии
подпитки и схема гидродинамического фильтра для линии управления (см.
рис. 56) использована Горловским машиностроительным заводом
им. СМ. Кирова в механизме подачи 1Г-405, установленном на
комбайне 1К-101.
195

Вход жидкости /00 %
LHL
Линия I каскаде
Линия П каскада
Линия выхода
Ш
30%
ir
ц^
9%
Ф
Сброс 3%
Выход
фильтрата
фильтрата 97%
Рис. 62. Схема каскадного соединения фильтров
В течение длительных промышленных испытаний комбайн добывал
в сутки вдвое больше угля, чем по нормативам, и, в то же время,
долговечность гидромашин выросла более чем в 1,8 раза. За время отработки
полутора нормативных сроков добычи угля до первого капитального
ремонта не было ни одного случая простоя из-за неполадок в гидроприводе,
не потребовалось какого-либо технического обслуживания, в том числе
замены фильтроэлементов и доливки рабочей жидкости в гидропривод.
4.6.6. ПОЛНОПОТОЧНЫЕ ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ФИЛЬТРЫ
Для очистки жидкости вне гидросистемы и ее регенерации ЦЭММ
треста "Донецкуглеавтоматика" изготовлена фильтровальная установка
для очистки масел от механических примесей. Она позволяет очищать
жидкость вязкостью 10-100 мм2 /с в помещениях, допускающих
эксплуатацию электрооборудования нормального исполнения. В установку
входили электромагнитный (см. рис. 33) и гидродинамический фильтры
(см. рис. 38) с вращающимся фильтроэлементом и электростатическими
пластинами. Пропускная способность уч чановки составляла 15 л/мин,
общая мощность приводов насоса и вращения фильтроэлементов 1,6 кВт,
грязеемкость электромагнитного фильтра - 200 г, напряжение на
электродах 2—6 кВ, масса установки 130 кг. о
Испытания установки, проведенные на турбинном масле t = 20 С
на шахте им. К.И. Поченкова п. о. "Макеевуголь", показали, что
максимальная крупность частиц после очистки равна 20 мкм при
максимальной крупности частиц в исходном масле 150 мкм,
массовая концентрация частиц снизилась в 15 раз, ферромагнитных частиц в
196

Рис. 63. Погружной гидродинамический фильтр
очищенном масле не обнаружено (с точностью до 0,001 %), фильтроэле-
мент в процессе работы не засорялся. Подобные установки применяются
для регенерации отработанных масел на Брянковском рудоремонтном
заводе и на шахте им. Ильича п. о. "Стахановуголь".
Идея гидродинамической очистки с вращающимся фильтроэлементом
воплощена в конструкции погружного фильтра (рис. 63). Фильтр
состоит из корпуса 7, входного 14 и выходного 3 патрубков, сливного
патрубка 9 со сливной пробкой 10, вставки 6 с цилиндрической
поверхностью 5, снабженной фильтрующим материалом, фильтрующего элемента
7 цилиндрической формы, расположенного на пустотелом валу 13 с
отверстиями 12 и 11, и отбойника 8, выполненного по дуге окружности.
Радиус г фильтрующего элемента несколько меньше радиуса R
поверхности 5.
Загрязненная жидкость поступает в камеру А корпуса 1 через
входной патрубок 14. Эксцентричное расположение фильтрующего элемента
7 относительно поверхности 5 создает клиновидный слой фильтруемой
жидкости, в котором при вращении фильтрующего элемента 7 двигателем
(на чертеже не показан), согласно гидродинамической теории смазки,
возникает внутреннее давление, действующее на поверхность 5 и
фильтрующий элемент 7 и достаточное для прохождения жидкости через
фильтрующие материалы в полостях В фильтрующего элемента и Г вставки.
Очищенная жидкость из полости В через отверстие 11 попадает в пустотелый
вал 13 и через отверстие 12 выводится из фильтра. Из полости Г
очищенная жидкость выводится из фильтра через выходной патрубок 3.
Частицы загрязнений из клиновидного слоя частью потока жидкости выносятся
в камеру Б корпуса, отделенную от камеры А отбойником 8, и
осаждаются в сливном патрубке 9. Форма отбойника способствует образованию
застойной зоны и осаждению частиц в сливном патрубке, откуда шлам
197

сливается открытием пробки 10. Камеры А и Б сообщаются через
радиальный зазор между отбойником и фильтроэлементом и торцевые
зазоры между отбойником и корпусом.
При налипании частиц на фильтрующие поверхности (при
недостаточном эффекте гидродинамического смыва) толщина клиновидного слоя
уменьшается на величину радиального зазора между отбойником и
фильтроэлементом, увеличивается за счет этого давление в клиновидном
слое и тем самым сохраняется пропускная способность фильтра.
Изменение эксцентриситета за счет установки прокладок между
корпусом 7 и вставкой 6 позволяет регулировать тонкость фильтрования
и пропускную способность. За счет относительного движения фильтро-
элемента и жидкости происходит самоочистка фильтрующей поверхности.
Такая схема позволяет применять погружные фильтры на
всасывающей линии гидросистем, не опасаясь кавитации и даже создавая подпор
на всасе насосов, и эффективно очищать жидкость с малым подпором
или при его отсутствии на линии подачи в фильтр. Конструкция может
быть использована с приводом от одной из передач в редукторах для
циркуляционной смазки, так как здесь совмещается фильтр с неизнаши-
ваемым загрязнениями насосом.
4.6.7. ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ГИДРОДИНАМИЧЕСКОЙ
ОЧИСТКИ
Опыт применения гидродинамической очистки показывает, что в силу
влияния неучтенных расчетом факторов предел тонкости фильтрования
этими фильтрами составляет 8—15 мкм, в зависимости от вязкости
жидкости. Ухудшается эффект самоочистки на илистых загрязнителях. В то
же время в пределах допустимых крупностей частиц 25—40 мкм
гидродинамические фильтры имеют неоспоримые преимущества перед
фильтрами, работающими по другим схемам. Для гидросистем с весьма
жесткими требованиями к тонкости очистки гидродинамические фильтры
производят предварительную очистку в каскаде.
Развитие гидродинамической очистки идет, во-первых, по пути
уменьшения требуемого расхода потока вдоль фильтроэлемента, во-вторых,
поддержания скорости смыва постоянной при изменении давления
нагрузки (в линии очищенной жидкости) или требуемого расхода очищенной
жидкости, что очень важно для систем подпитки, где величина сброса
изменяется в широких пределах.
Эффективная регенерация фильтрующего элемента обычного или
гидродинамического фильтра может производиться по схеме, показанной
на рис. 64. Загрязненная жидкость поступает в фильтр через вводный
патрубок 77, очищается, следуя через фильтрующий элемент 2„ и
выводится через выводной патрубок 70, проходящий через крышку 9. Частицы
загрязнений при этом остаются на фильтрующем элементе. Когда
возникает необходимость в очистке фильтрующего элемента (для
гидродинамического фильтра - в дополнительной очистке), подается напряжение на
198

Рис. 64. Фильтр с электромагнитной регенерацией фильтроэлемента.
контакты электромагнита 12. Толкатель 3 втягивается электромагнитом,
скользящим в стойках 8, и мембрана 5 занимает верхнее положение.
Во время движения вверх своей верхней поверхностью мембрана
выталкивает часть жидкости через поры фильтрующего элемента, освобождая
эти поры от частиц загрязнений. Нижняя поверхность мембраны в это же
время отсасывает часть жидкости, вынуждая вытолкнутые частицы
двигаться вниз, к бункерной части корпуса 1. При этом создается
продольный поток, смывающий загрязнения, не вытолкнутые из фильтрующего
элемента с помощью противотока. Мембрана находится в верхнем
положении до полного осаждения частиц, после чего медленно возвращается
вниз с помощью возвратной пружины 4 и для исключения возможности
поднятия осадка постепенного снижения мощности на электромагните.
Для очистки бункера из сливного патрубка б выворачивается
пробка 7. Для создания гидродинамического неполнопоточного фильтра
внутри сливной пробки устанавливается подпорный клапан,
сбрасывающий часть жидкости при определенном давлении. Настройка клапана
производится на давление в системе и допустимый перепад давления на филь-
троэлементе.
На рис. 65 показан фильтр, схема которого позволяет автостабили-
зировать фильтровальные характеристики при колебании сопротивления
в линии очищенной жидкости. К верхней крышке фильтра 1
прикреплена труба 2, внутри которой концентрически расположена гибкая
диафрагма 3 в виде перевернутого стакана с глухим дном. Жидкость проходит
через патрубок 5, частично очищается и поступает в гидросистему через
патрубок б, а частично сбрасывается через патрубок 4, следуя по
кольцевому зазору между трубой 2 и диафрагмой 3. Если давление сопротивле-
199

ния возрастает, в силу постоянства величины настройки дросселя за
патрубком 4 расход по кольцевому зазору повышается, диафрагма
выгибается к трубе, увеличивая сопротивление в кольцевом зазоре.
Обе указанные принципиальные схемы имеют большое число
конструктивных решений — в зависимости от рабочей жидкости, диапазона
колебания параметра и т. д. Следует отметить, что схема гидродинамической
очистки позволяет автоматизировать процесс регулировки дросселей,
определяющих соотношение расходов.
4. 7. Регенерация рабочих жидкостей
Проблема регенерации нефтепродуктов с каждым годом приобретает
все большее значение в системе смазочного хозяйства. Это объясняется,
во-первых, дефицитностью сырья и неизбежным повышением затрат на
его добычу, переработку и транспортировку; во-вторых, экономическими
требованиями максимального уменьшения сброса нефтепродуктов в
окружающую среду; в-третьих, проблемами повышения долговечности
оборудования. Преждевременный слив рабочих жидкостей из гидросистем
приводит к неоправданным потерям нефтепродуктов с большими
трудозатратами на слив и транспортировку (в лучшем случае) к
регенерирующим установкам на предприятиях нефтесбыта, к простоям оборудования.
Задержка с заменой рабочей жидкости приводит к прогрессивному
изнашиванию гидроузлов, снижению к. п. д., нагреву и, следовательно,
быстрому окислению рабочей жидкости требующей для восстановления
применение более сложных и дорогостоящих средств регенерации при
повышенных отходах.
Утверждение Минуглепромом СССР нормативных документов на
организацию сбора, хранения и использования отработанных
нефтепродуктов и расфасовку смазочных материалов на нефтебазах и
предприятиях отрасли свидетельствует о важности проблемы и о
необходимости принимать меры к уменьшению расхода нефтепродуктов и
стабилизации их качества.
Специфика работы подземного горношахтного оборудования
такова, что наиболее рациональный путь сокращения расхода рабочих
жидкостей — регенерация их непосредственно в емкостях машины и замена
только при капитальном ремонте.
Под влиянием воздействия окружающего воздуха, температур,
давлений, изнашивания деталей, электрического поля происходит
изменение нефтепродуктов — разложение, окисление, полимеризация и
конденсация углеводородов, загрязнение и обводнение. Происходят как
насыщение нефтепродуктов посторонними веществами, поступающими
извне, так и химические превращения, так же вырабатывающие
посторонние вещества: асфальтосмолистые соединения, различные соли,
кислоты и т. п. .
Все это изменяет эксплуатационные свойства рабочих жидкостей и
приводит к их старению. Для легированных жидкостей важным фак-
200

тором является срабатывание присадок, соединение их с другими
продуктами, что также приводит к старению.
Исследования [47] показывают, что термическое разложение и ла-
кообразование возможны только при нагреве нефтепродуктов выше
температуры 400°С, что характерно для моторных масел, но невозможно
для рабочих жидкостей. Под действием катализирующего воздействия
мелкодисперсной стружки меди разложение может начаться при 150° С,
но такая температура не характерна для гидросистем. Масла в
гидросистемах работают в условиях, исключающих возможность глубоких
физико-химических изменений.
Главной причиной старения минеральных масел в гидросистемах
является их окисление, приводящее в запущенном состоянии к
полимеризации с образованием продуктов уплотнения. В отличие от смол и
кислот эти продукты не растворимы в масле; в лучшем случае они образуют
коллоидные растворы и выпадают в виде отложений — осадков.
Следует указать, что в первую очередь окисляются молекулы,
обладающие низкими смазывающими свойствами. Если отобрать из
жидкости эти молекулы, оставшаяся масса будет обладать более высокими
смазывающими свойствами.
Основной причиной окисления, как указывалось, является
загрязненность рабочей жидкости твердыми частицами, особенно в присутствии
воды. В работе [47] показано, что в сухом масле даже
низкомолекулярные кислоты не представляют серьезной опасности для машин: например,
после 500-часового испытания разъедание меди, железа и стали маслами
с кислотным числом 1,5 мг КОН не превысило 0,03 мг на 1 см2
поверхности металла. Эти же опыты показывают, что при наличии даже малых
количеств воды разъедание за указанный период достигает 0,70 мг на
1 см2, т. е. превышает коррозию "сухим" маслом больше чем в 20 раз.
Образующиеся при окислении шлакообразные продукты, отлагаясь
в зазорах, являются причиной аварии гидросистем. В то же время
существует мнение, что незагрязненные нефтяные рабочие жидкости никогда не
изнашиваются. По данным эксплуатации и исследований, потеря
смазочных свойств жидкостью происходит только через десятки тысяч часов.
Доказательством является их работа в герметических отсеках системы
маслотеплоносител ей.
Регенерация смазочных и рабочих жидкостей, работающих при
температурах ниже 100°С, производится на установках, отделяющих только
механические примеси и воду (физические методы регенерации). Здесь
применяются общеизвестные методы: отстаивание, центрифугирование и
фильтрование [47].
Таким образом, для горных машин нецелесообразна сдача
отработанных масел из действующего оборудования, а рекомендуется очистка
жидкости в собственной емкости, вынесенной из гидросистемы
очищающей установкой.
В большинстве случаев встроить эту установку в машину не удается.
Кроме того, периодичность действия ее невелика: один раз в 1—2 мес даже
в наиболее тяжелых условиях. Поэтому, как правило, ее делают мобиль-
j!4-^1
201

ной, с возможностью подсоединения к тому или иному резервуару.
Примером может служить установка для очистки и заливки масла с
центрифугой 1ЦФ (рис. 66), результаты работы которой, как указывалось,
гарантировали работу смазочной жидкости в редукторах исполнительных
органов в течение всего межремонтного срока.
Как видно из схемы, один конец рукава подсоединялся к сливной
пробке, другой — к заливочной. Конструкция этих пробок была
выполнена таким образом, что они открывались только при нажатии их
штуцерами на рукавах. Такое решение позволяло уменьшить утечку жидкости
при отсоединении всасывающего рукава и предохранить емкость от
заливки устройствами (например, лейками, бидонами, масленками), не
имеющими принудительной подачи и очистительных сеток. Жидкость из ванны
многократно пропускается через центрифугу, очищается и после каждого
прохода возвращается в ванну. На очистку до требуемой чистоты
необходимо около 20 мин. Процесс можно значительно ускорить, если
очищаемую жидкость собирать в отдельную емкость, затем специальной
промывочной жидкостью промыть систему, пропуская через фильтр
промывочную жидкость, затем ее собрать, а рабочую жидкость из резервного
бака залить через центрифугу. Это требует двух емкостей, из которых
одна должна быть равной емкости масляного бака, что в условиях
угольного забоя (особенно тонких пластов) затруднено.
Но при спуске комбайна к штреку, где должны быть расположены
установки для очистки и заливки, указанные работы можно провести. Это
позволит по меньшей мере в 2 раза повысить долговечность подшипников
и зубчатых передач. К сожалению, для гидросистем тонкость очистки
недостаточна, хотя свою долю повышения долговечности для этих узлов
установка может внести. Расчеты показывают, что даже при тех парамет-
202

pax, которыми установка обладала, срок службы гидроузлов может
подняться на 20—30 %, а сохранность рабочей жидкости в 1,5—2 раза.
Подъем ее параметров по тонкости очистки в 3 раза (даже за счет
снижения пропускной способности) позволил бы восстанавливать
свойства рабочих жидкостей гидросистем. Поскольку межремонтный срок
службы гидросистем сравнительно невелик, при рациональном выборе
гидравлического масла, удачной конструкции герметизирующих емкость
уплотнений, надежно работающем "сапуне" или другом устройстве,
поддерживающем давление в емкости, правильно установленном фильтре в
гидросистеме и соответствии его параметров этой системе, успешно
действующих теплообменниках, минеральные масла, применяемые для
гидросистем горных машин, могут не заменяться в течение всего межремонтного
срока.
Поскольку основную катализирующую роль при старении масел
играют металлические частицы, целесообразно для регенерации применять
очистку в магнитных и электростатических полях, показавших
возможность задерживать частицы размером до 1 мкм.
В то же время следует указать, что центробежные установки наиболее
пригодны для очистки маловязких жидкостей с малым содержанием
воды, они достаточно сложны по конструкции, и выпуск их ограничен.
На низкую вязкость жидкости рассчитаны пока и фильтры,
очищающие рабочую жидкость в электрическом поле. Кроме того, они могут
работать только с диэлектрическими жидкостями. Наличие солей в воде
не позволяет, например, очищать эмульсии.
Но тонкость фильтрации этими установками настолько высока, гря-
зеемкость настолько велика, а размеры установки и энергозатраты
настолько малы, что для минеральных масел в условиях невзрывоопасных
помещений имеет смысл поставить подогреватели и применять этот
способ очистки. Потенциально это наиболее прогрессивный способ
физической регенерации.
КГМИ была разработана установка для очистки минеральных масел
в условиях рудоремонтных и машностроительных заводов. Установка
состоит из последовательно установленных электромагнитного фильтра
и гидродинамического фильтра с вращающимся филыроэлементом и
электростатическими пластинами (см. рис. 37). Всасывание масла из
системы и продавливание его через фильтры производится насосом. Для
возможности заливки чистого масла, промывки системы, более
качественной очистки к установке придается две емкости (бочки),
смонтированные, как и все остальные узлы, на электрокаре.
Это позволяет установке подъезжать ко всем стендам с
испытываемыми машинами и очищать в них масло. Если до внедрения установки
технологией производства механизмов перемещения предусматривались
после окончания испытаний слив масла и отправка его на регенерацию
предприятиям нефтесбыта, то после внедрения установки жидкость
очищается от продуктов приработочного износа и полностью
восстанавливает свои свойства. Потребность нефтепродукта на каждую машину падает
на 35-40%.
203

На Горловском машиностроительном заводе им. СМ. Кирова, где
испытания идут непрерывно, установлены стационарные технологические
фильтры, постоянно очищающие систему от появляющихся в ней
продуктов износа (см. гл. 6). Это позволяет не только сохранить жидкость,
но и предохранить гидроузлы от технологического износа.
Общим недостатком всех описанных средств регенерации является
плохая очистка от воды и растворителей, попадающих в рабочие жидкости
при изготовлении и эксплуатации.
Фирмой "Элланд кемикл" (США) разработана регенерирующая
установка для восстановления вытекающих через уплотнения жидкостей.
Установка занимает площадь 0,5 м2, имеет высоту 1,56 м и
производительность ~~ 450 л/ч.
Очистка загрязненного масла осуществляется следующим образом.
Масло нагревается до температуры 82°С, пропускается через систему
фильтр-коагулятор и затем вакуумируется для удаления влаги, газов и
низкокипящих загрязняющих веществ (таких как бензин или
растворители) . При пропускании масла через фильтроэлемент с тонкостью очистки
2 мкм удаляются твердые загрязняющие частицы, и жидкость
диспергирует в тонких слоях, что способствует более легкой испаряемости воды.
Когда масло нагрето до 82°С, вода кипит под вакуумом и испаряется.
Обезвоженное масло стекает на дно камеры и возвращается насосом в
масляный резервуар или в сборник очищенного масла. Из
вакуум-установки типа Вентури испарившаяся влага поступает в кондесатор, где с
помощью охлажденной воды пар превращается в воду, которая затем
удаляется. За один проход удаляется 1 % воды. Масла с более высоким
содержанием воды автоматически направляются на рециркуляцию.
Установка может работать непрерывно с постоянной эффективностью удаления
воды, очищая в сутки 11м3 масла.
В системе рециркуляции масла применяют два способа охлаждения:
с помощью конденсатора с водяной рубашкой и водоструйным
эжектором, в котором создается вакуум при протекании воды, и с помощью
конденсатора с холодильным агрегатом и насосом, который перекачивает
конденсат, создавая вакуум. Первый способ охлаждения простой, но
требует большого расхода воды на охлаждение, второй более сложный и
применяется при ограниченном запасе воды.
Опыт эксплуатации показал, что установка успешно регенерирует
гидравлическую жидкость, машинное масло, охлаждающие эмульсии и
теплоносители, смазку, используемую при волочении проволоки, закалочное
масло, масло для компрессоров и насосов, турбинное масло, масляную
изоляцию, трансмиссионное масло, эмульсию для смазывания режущих
инструментов. Восстанавливается не менее 95 % подаваемой на установку
жидкости при цене восстановления менее 13 долл. за 1 м3.
Наиболее сложной проблемой в создании такой установки остается,
по-видимому, очистка механическими фильтрами от твердых частиц
больше 2 мкм. Применение для этих целей магнитной, центробежной или
электростатической очистки может оказаться рациональным для
восстановления рабочих жидкостей горных машин.
204

5. ЗАЩИТА ЕМКОСТЕЙ ГИДРОСИСТЕМ ОТ ЗАГРЯЗНЕНИЙ
Анализ источников поступления загрязняющих частиц в гидросистему
(см. 4. 1) свидетельствует, что при работе в пыльной среде большое
количество вредных примесей поступает из окружающей атмосферы. Для
гидросистем с возвратно-поступательными двигателями-гидроцилиндрами
нарушение целостности уплотнений - основной источник разрушений.
Поскольку гидроцилиндры — наиболее массовый узел
механизированных крепей, их работоспособность определяет работоспособность
всего комплекса. Имеются данные [33], что при наличии абразивных
частиц в рабочей жидкости в силу специфики работы гидравлических
стоек манжеты, рассчитанные на ресурс 15—20 км хода, выходят из строя
через 100-200 м хода. Аналогичная картина наблюдается и при изучении
гидроцилиндров на зарубежном оборудовании. Иными словами, для
гидроприводов механизированных крепей, исполнительных органов
комбайнов, проходческих, нарезных, погрузочных и буровых машин,
имеющих большое число гидроцилиндров, изучение причин изнашивания
уплотнений и разработка на этой основе способов защиты системы от
загрязненности — один из важнейших путей резкого повышения надежности
системы.
Проблемы герметичности вращающихся и движущихся
поступательно деталей гидроузлов сложная и многоплановая [45]. Надежная
герметизация требует взаимоувязки конструкций, материалов и технологии
изготовления как уплотнительных устройств, так д устройств
уплотняемых деталей, режимов работы гидравлических устройств и характера их
деформаций и перекосов при работе, условий окружающей среды,
используемых в гидроприводе рабочих жидкостей и др. Следует учитывать
также изменения, происходящие в материале уплотнений и в жидкостях
с течением времени, и влияние на эти изменения перечисленных выше
факторов.
Закономерности герметизации, научные основы проектирования
и эксплуатации уплотнительных устройств изучает новое научное
направление-герметология [21]. Характер работы уплотнений для
подвижных и неподвижных соединений, ряд новых решений, разработанных
Гипроуглемашем и ИГД им. А.А. Скочинского в этом направлении
применительно к горным машинам, а также методы исследования
герметичности описаны в работах [25, 33,45 и др.].
5. 1. Обеспечение "дыхания" машины
Выше (см. 4. 2) рассмотрены процессы, протекающие в ванне при
нагреве и охлаждении машины. Кроме того, объем жидкости в ваннах
периодически изменяется вследствие перемещения штоков и поршней
цилиндров. В результате этого в ванны засасываются или выталкиваются
из них большие объемы воздуха.
Эти процессы требуют либо очистки входящего и выходящего из ре-
205

Рис. 67. Устройство компенсации давления
в емкости
зервуара воздуха, либо установки компенсирующих устройств,
выравнивающих давление в герметичной системе.
Эти устройства представляют собой эластичные емкости типа силь-
фона (рис. 67), внутренняя полость которого, соединенная с атмосферой,
по мере повышения давления в ванне уменьшается, воздух в ванне
расширяется. При охлаждении машины объем сильфона увеличивается,
соответственно уменьшая объем воздуха в ванне и стабилизируя давление.
Компенсирующие устройства, применяемые в гидровставках "Урал-37",
показали высокую эффективность. Расчеты показали, что такое решение
возможно лишь для емкостей с небольшими масляными ваннами. Для
больших емкостей, например ванн гидросистем с открытой циркуляцией
жидкости или объединенных ванн гидромеханических передач,
требуемая величина эластичной емкости соизмерима с размерами самой ванны.
Применяемые в большинстве гидросистем горных машин воздушные
пробки представляют собой пустотелый болт большого диаметра, полость
которого набита проволокой (путанкой), смоченной индустриальным
маслом. Полость пробки с набивкой связывает атмосферу с ванной
гидросистемы и фильтрует воздух. В сапунах более простой конструкции в
качестве очищающего воздух элемента используется однослойная
проволочная сетка саржевого плетения. Исследование работоспособности этих
сапунов на шахтах в начале эксплуатации показало, что они пропускают
частицы размером до 200 мкм, т. е. эффективность очистки их
чрезвычайно мала.
Осмотр сапунов, проработавших в шахте даже непродолжительное
время, показал, что отверстия в головках обычно настолько забиты
штыбом, что удалить его удается только сверлением, проволочная же
набивка почти свободна от механических примесей. Объясняется это тем,
что головки сапунов утоплены в верхних крышках, причем углубления
всегда заполнены частицами угля и породы и заливаются водой из
орошения. Воздухообмен внутри редуктора поэтому происходит в основном
через стыки крышек и ванны, уплотнения выходных валов и т. д. В тех
случаях, когда эти стыки и уплотнения находятся ниже уровня жидкости,
возникает избыточное давление, повышающее утечки жидкости.
Опыт изготовления отечественных и зарубежных сапунов для
гидросистем показал, что тонкость очистки можно ограничить 25—40 мкм.
Более тонкая очистка нужна на топливных баках и при подаче воздуха
непосредственно в двигатели.
Пропускная способность определяется либо скоростью изменения
206

объема жидкости в ванне, либо скоростью изменения температуры и
объемом воздуха в ванне. Зная объем воздуха Vx в ванне,
dV dT
— = Ki—,
dt dt
dT
где скорость изменения температуры.
dt
Обозначив площадь проходных каналов сапуна через S и считая его
сопротивление пропорциональным квадрату скорости, запишем
dT ч 2
Ар= к( )
Sdt max
где к — коэффициент сопротивления, зависящий от длины проходных
каналов, их формы, кривизны и т. д. Определяется этот коэффициент
по известным уравнениям гидравлики.
Величина перепада давлений Ар на сапуне не должна превышать
1-1,5 кПа.
Все воздушные фильтры разделить на две группы:
фильтры-сапуны и совмещенные с заливными горловинами (заливными
фильтрами) [22].
На рис. 68 показан фильтр-сапун Г45-2.
Анализируя конструкции фильтров-сапунов отечественного и
зарубежного производства, можно сделать следующие обобщения: во всех
сапунах в качестве фильтрующего элемента применяют пористые
материалы: металлокерамику, многослойную бумагу, войлок, нетканую ткань
ФВН(Г45-2) и др.;
для более полного предохранения ванн рабочих жидкостей от
попадания пыли наряду с воздушными сапунами устанавливают масляный
пылеуловитель (рис. 69). Запыленный воздух проходит вниз по
кольцевой полости и, ударяясь о поверхность масла, залитого в масляную ванну,
резко изменяет направление, вследствие чего крупные пылинки
задерживаются;
во всех сапунах имеется защитная крышка или колпак,
предохраняющие наружные всасывающие каналы от запыления. .Располагаются сапуны
в местах, где не может осаждаться пыль;
некоторые типы сапунов работают только при определенном
перепаде давления между ванной и окружающей атмосферой. Например, сапун
типа НСД-6000 фирмы "Эллипсон" (Великобритания) поддерживает в
герметизированных резервуарах вакуум в пределах 3,5 кПа и давление
35 и 70 кПа.
Для горных машин В.Н. Хорин рекомендует вакуум в баках 2 кПа
и давление 5 кПа [44].
Челябинским филиалом научного автотракторного института (ЧФ
207

Рис. 68. Фильтр-сапун Г45-2:
1 — перфорированный стакан;
2 — каркас; 3 — фильтрующая
перегородка j 4 — колпачок
защитный; 5 - проволочная
обвязка
Рис. 69. Воздушный фильтр с масляной
ванной:
1 — каркасная сетка: 2 — пористая
набивка; 3 — колпак
НАТИ) проводились сравнительные испытания сапунов серийных (с
металлической путанкой), с поролоновым и сменным бумажным
фильтрующим элементом.
Было установлено, что степень влияния сапунов с металлической
путанкой в повышении загрязненности гидросистем оценивается
примерно в 10%.
Сравнение сапунов показало, что минимальным сопротивлением
(в среднем 2—5 мм вод. ст.) при номинальном расходе обладают
сапуны с металлической путанкой и сменный бумажный фильтрующий
элемент. С увеличением расхода их сопротивление растет линейно и
незначительно (в среднем 1,5 -г 2,5 мм вод. ст на каждые 10 л/мин).
Сапуны с поролоновым фильтрующим элементом имеют значительно более
высокое начальное сопротивление (20—40 мм вод. ст.), резко
возрастающее с увеличением расхода. Это связяно с уплотнением поролона
за счет напора воздуха.
По коэффициенту отфильтрования бумажный фильтр задерживает
99,9 % частиц, причем по времени коэффициент отфильтрования
достаточно устойчив. Тонкость очистки 3 мкм.
Сапуны с поролоновыми фильтроэлементами имеют также высокий
коэффициент очистки воздуха — 99 %, что обусловлено в основном
интенсивным забиванием в начальный момент пор поверхностного слоя
поролона, т. е. приводит к низкой его грязеемкости, а следовательно, и
низкому сроку службы.
В связи с возможностью получения больших фильтрующих
поверхностей при малых габаритах сапуны с кассетами из фильтрующей бумаги
обладают наибольшей пылеемкостью.
Сапуны с металлической и синтетической путанкой имеют коэффи-
208

циент отфильтрования 60-70 %, т. е. малоэффективны. Номинальная
тонкость фильтрования находится в пределах 60—80 мкм, т. е. такие
сапуны вовсе не задерживают частиц, опасных для гидросистем. По гря-
зеемкости эти сапуны занимают среднее положение между бумажным
элементом и элементом из поролона.
Таким образом, один из путей улучшения "дыхания" гидросистемы
возможен при использовании бумажных фильтрующих элементов. Один
из них (ЭФВ-3-1) диаметром 70 мм и длиною 70 мм выпускается
серийно п. о. "Вторнефтепродукт".
Совершенствования "дыхания" можно добиться встройкой в сапун
клапана тарельчатого типа двойного действия, открывающегося в каждую
сторону при перепаде давлений 14 кПа. За счет этого значительно
сокращается время соединения ванны с атмосферой, что позволяет повысить
коэффициент очистки воздуха до 90 %, даже если в качестве
фильтрующего элемента использовать масляный фильтр. При эксплуатации
промышленных тракторов срок очистки масла, залитого в сапун, составляет
240 ч.
Условия эксплуатации горных машин с точки зрения запыленности
значительно хуже. Тем более необходима разработка новых конструкций
сапунов, осуществляющих надежную очистку воздуха. Устанавливать
сапуны следует в таком месте, например на боковой стенке, чтобы защитить
их от засыпания угольной или породной пылью.
5.2. Уплотнение привалочных поверхностей фланцев и крышек
Привалочные поверхности обычно герметизируются либо с помощью
податливых прокладок, либо с помощью резинового маслобензостой-
кого шнура.
В качестве прокладок применяют резиновый лист, паронит, картон
или металлические прокладки из декапира. Последние необходимы в тех
случаях, когда зазор определяется как результирующее звено суммы
отклонений размеров по длине деталей, образующих его. Более податливые
материалы при сжатии крышкой или фланцем уплотняются, заполняя
оставшиеся после механической обработки впадины, и герметизируют
систему. Однако при многократных сборках и разборках
деформированная поверхность прокладки не попадает в прежние борозды, при этом
возникают зазоры, по которым происходят утечки и проникает в систему
запыленный воздух. Прочность прокладок невелика и зачастую требует
замены после каждой разборки.
Для гидросистем, предъявляющих повышенные требования к
герметизации, применение резинового шнура позволяет получить больший
эффект. Во фланце крышки (или корпуса) фрезеруется канавка, глубина
которой по величине меньше величины диаметра кольца на 10—30 %
[44]. В эту канавку одним из клеев, соединяющих металл и резину,
приклеивается круглый резиновый шнур, концы которого срезаются под
острым углом и также склеиваются, создавая замкнутый контур. Приме-
209

нение шнура требует увеличения ширины фланцев, толщины крышки (или
фланца в корпусе) и весьма трудоемко в изготовлении. Кроме того, под
воздействием высокой температуры и легированных масел резина
стареет, теряет эластичность, уменьшается в размерах, и на стыке возникает
зазор. Шлифовка ее поверхностей для уплотнения непосредственно
стыком - дорогостоящий процесс, причем не всегда эффективный из-за
коробления деталей при естественном старении.
Большое распространение в технике для герметизации привалочных
плоскостей получили специальные герметики, имеющие высокие
адгезионные свойства по отношению к металлам (липкость), а также
высокую вязкость, препятствующую вытеканию из зазора. Обычно эти
герметики, изготавливаемые из дефицитных и дорогостоящих компонентов,
при непродолжительном старении застывают в зазоре, заполняя риски и
борозды и герметизируя зазор. При каждой разборке этот слой
необходимо удалить, что требует дополнительных затрат ручного труда.
Бердянским опытным нефтемаслозаводом (БОНМЗ) и ИГД
им. А.А. Скочинского предложена новая замазка "Урсол" для
герметизации стыков горных машин. Обладая большой липкостью по отношению
к металлам, замазка не изменяет своей вязкости при работе, обладая мас-
ловодостойкостью при повышенных температурах.
КГМИ совместно с Брянковским рудоремзаводом проверялась
эффективность этих замазок на стыке разъема корпусов скребковых
конвейеров: Выбор объекта испытаний объясняется тем, что этот стык
является самым "маслотекучим" местом среди всего комплекса машин в
угольном забое. Заводом-изготовителем между корпусами
устанавливается перед расточкой картонная прокладка толщиной 1 мм. После
коробления деталей из-за старения при ремонте этот стык между
корпусами становится неравномерным — разница достигает 0,8 мм. В
качестве прокладки принимают более тонкий картон или ватман, с тем чтобы
эту разницу уменьшить. Соединение стыка болтами частично пережимает
внешнее кольцо подшипника, частично остается зазор по стыку и люфт
у других подшипников. Это приводит к быстрому выходу из строя
редукторов конвейеров, прошедших капитальный ремонт.
Если учесть, что конвейер состыкован валом с гидромуфтой,
нагреваемой до 100°С и выше, станет ясным, что уплотнения и стыки этих
машин работают в чрезвычайно тяжелых условиях.
Во время испытания уплотнительной замазкой покрывались плоские
привалочные поверхности корпусов и крышек. До температуры 50°С
утечек по стыку не наблюдалось. При температуре (60 ч- 80)° С утечки за
время испытания в редукторах, не смазанных герметиком, составили 5 %
залитой жидкости (2 ч работы), в то время как на опытных стыках
утечки отсутствовали. Вытекания уплотнительной замазки не наблюдалось.
Герметизация сохранялась и при увеличении зазора до 0,3 мм.
Многократные сборки и разборки корпусов редукторов показали,
что липкость замазки сохраняется даже после длительного нагрева.
Хорошие результаты получены и при испытании опытной партии замазки как
на специальных стендах, так и при проверке ее работоспособности на
шахте.
210

Применение уплотнительной замазки позволяет отказаться от
уплотняющих элементов, существенно снизить утечки рабочей жидкости
при меньшей стоимости изготовления.
5. 3. Емкости рабочих жидкостей для горных машин
К одним из важнейших условий поддержания чистоты рабочих
жидкостей и их охлаждения относится обеспечение требований,
предъявляемых к емкостям гидросистем, средствам их транспортировки и
заливки. Основные принципы проектирования баков и резервуаров горных
машин изложены в [44].
Используя отечественный и зарубежный опыт применения
гидропроводов, можно сформулировать следующие требования к емкостям:
оптимальными являются резервуары, сваренные из нержавеющей
стали, хотя они значительно дороже изготовленных из углеродистых
сталей;
при сварке из обычных углеродистых сталей внутренняя поверхность
должна быть тщательно очищена, загрунтована и покрашена маслостой-
кой краской. Качество последней имеет важное значение: очень часто
кусочки пленки краски становятся основной причиной загрязнения
всасывающих фильтров. Японские фирмы после нанесения грунта на
поверхность стенок резервуара, изготовленного из стального проката,
покрывают их эпоксидной смолой, в большинстве случаев белого цвета.
во всех случаях сварочные швы должны быть выполнены снаружи
резервуара;
качество сварки должно проверяться обезжиренным керосином, а
для емкостей, находящихся под давлением, обязательны гидроиспытания
согласно нормам и технологической документации;
применение литых баков и резервуаров, например ванн
гидравлических механизмов перемещения, необходимо рассматривать как
нежелательное, и требования к их очистке и покрытию должны быть
повышены;
учитывая, что в горных машинах ванны гидросистем зачастую
совмещены с масляными ваннами редукторов, ребра жесткости должны
находиться снаружи бака, так как в противном случае затрудняется
возможность очистки;
сливные отверстия должны распологаться ниже уровня дна
резервуара, чтобы обеспечить полный слив жидкости из ванны. Диаметр
сливного отверстия выбирать максимально возможным. Для подсоединения
к сливной пробки регенерирующей установки в пробку необходимо
встраивать отжимное устройство, закрывающие отверстие при
отсоединении всасывающего рукава; дно резервуара должно иметь наклон в
сторону сливного отверстия. При использовании гидропривода в машинах,
угол наклона которых может изменяться в обе стороны от
горизонтального положения, сливные пробки нужно встраивать с двух сторон крайних
низких точках резервуара; применение обтирочного материала для
полного опорожнения емкостей должно быть исключено;

Рис. 70. Отжимное
устройство (клапан)
крышка, герметично закрывающая
резервуар, должна быть прикреплена по
максимальному периметру. Корпус в месте крепления
крышки не должен иметь с внутренней
стороны бурта на фланце, чтобы не затруднять
промывку емкости;
для ванн погруженных гидросистем
горных машин, крышки которых в процессе
эксплуатации покрываются слоем штыба или
пыли, такие элементы, как сапун или
компенсирующее устройство, фильтр для заливки
жидкости со съемным фильтроэлементом, масло-
указатель, должны быть перенесены на
верхнюю часть доступных для осмотра и
подключения вертикальных стенок. При этом все они
должны быть закрыты козырьком крышки.
Заполнение емкости должно производиться только с помощью заливных
устройств:
Для исключения заполнения резервуара, минуя заливной фильтр
(возможна его установка в заливном устройстве), в заливное отверстие
должно устанавливаться отжимное устройство, например такое, как
показано на рис. 70;
дно резервуаров и ванн при достаточно больших размерах может
быть разделено перегородкой на два отсека для улучшения отстоя. В этом
случае швы перегородки также должны быть вынесены наружу;
всас насоса должен быть разнесен с местами сброса жидкости
(дренаж, избыток подпитки, слив гидродинамического фильтра — при
замкнутой циркуляции; слив гидромотора и дренаж — при разомкнутой
циркуляции) ;
объем резервуара рекомендуется проектировать равным не менее
2,5-3-минутной максимальной подаче насоса или 3-кратному объему
рабочих цилиндров. При меньших объемах, как правило, рекомендуется
встраивать в резервуар теплообменники. Объем резервуаров должен
допускать, кроме того, сброс в него жидкости, вытесняемой из
гидроцилиндров;
для герметизированных резервуаров (с компенсирующими
устройствами или без них) рекомендуется свободный от жидкости объем
заполнять азотом под небольшим избыточным давлением. Это уменьшает
окисление масла и повышает пожаробезопасность;
нижний торец всасывающего трубопровода с фильтром или без него
(в последнем случае для повышения площади всасывания конец
трубопровода срезают под острым углом) должен быть расположен не ближе
двух диаметров от днища, а верхний открытый торец — не менее чем на
50 мм ниже максимального уровня масла;
сбрасывающие трубопроводы, во взбежание вспенивания жидкости,
должны быть погружены на величину не менее тройного диаметра трубы.
212

Рис. 71. Пневматический бачок:
1 - цилиндр; 2 - днище верхнее; 3 - воздушный насос; 4 - шток; 5 - рукоятка;
о - ручка; 7 - кран; 8 - резиновый рукав; 9 - наконечник с шариковым
клапаном; IV - рычаг; 11 - крючок; 12 - трубка; 13 - обечайка; 14 - выпускное
отверстие; 15 — заливное устройство
Разновидностью резервуаров для транспортировки жидкости
являются малолитражные средства заправки и доливки гидроприводов
смазочными маслами и рабочими жидкостями. Необходимость в
использовании таких средств четко оговорена в методических рекомендациях
по расфасовке смазочных материалов на предприятиях Минуглепрома
СССР [30], являющихся руководящим документом для угольной
промышленности. Следует, однако, указать, этим документом
допускается применением заправочных бидонов, не имеющих систем
очистки входящего в них воздуха, загрязняющего тем самым рабочую
жидкость. Кроме того, нет указания на периодичность и способ контроля
промывки этих средств.
В качестве основного технического средства заправки и доливки
рабочих жидкостей в гидросистемы подземного шахтного оборудования
рекомендуется пневматический бачок вместимостью 15 л и массой в за-
213

полненном состоянии 18 кг (рис. 71). В верхней части бачка,
представляющего собой цилиндр, имеется воздушный подкачивающий вручную
насос, создающий подпор в 0,02-0,03 МПа, выталкивающий жидкость по
трубке и резиновому рукаву через кран и управляемый рукояткой
запорный клапан. Испытание подобных бачков, проводимое в п. о. "Шахтерс-
кантрацит", показало, что его применение рационально в условиях
достаточно мощных забоев и в подготовительных выработках. Заливка
жидкости в условиях тонких пластов в комбайны, транспортировка бачка
по лаве оказались неудобными. Поскольку масса бачка без жидкости
составила 6—9 кг, следует, по-видимому, искать пути к его облегчению
путем использования более легких алюминиевых или титановых
сплавов, армированной пластмассы и т. п. Это тем более необходимо, что
защита материала от коррозии, очистка бачка и промывка его при
предлагаемой конструкции затруднены. Кроме того, на конце наконечника для
заливки должен устанавливаться фильтр или, в крайнем случае,
заливочная сетка. Осмотр заливочных отверстий угольных комбайнов на
шахтах показал, что заливочные сетки там зачастую либо отсутствуют, либо
имеют просветы для свободного прохода жидкости. Контроль такой сетки
на бачке и замена ее более удобны. Бачок должен быть также снабжен
воздушным фильтром для очистки^ нагнетаемого в бачок воздуха.
Среди удачных решений можно отметить положительный опыт
применения тары разового использования из полимерных пленок и
организацию смазочного хозяйства в п. о. ,,Павлоградуголь,\ Только за счет
организации учета и расфасовки смазки в малоемкую тару удалось в 1,5—
2 раза уменьшить расход смазочных материалов, значительно снизить
загрязненность заливаемой жидкости. Размеры этой тары, технология ее
изготовления и метод расфасовки описаны в методических
рекомендациях.
Оптимальным решением с точки зрения заливки и доливки явилось
бы применение заливочных устройств с центрифугой 1ЦФ или другим
очищающим устройством, в которое можно было устанавливать
герметичные цилиндры с жидкостью, расфасованной на предприятиях
нефтеперерабатывающей промышленности. После установки по торцам цилиндра
пробиваются два отверстия и уплотняются кольцами, предотвращающими
утечки. Одно отверстие соединяется со всасом насоса, а другое — с
воздушным фильтром. Для отбора масла из ванны можно применять такие
же пустые бачки. После заполнения этих емкостей отверстия небольшого
диаметра можно было бы заклеивать специальными пластырями, чтобы
предохранить от загрязнения сливаемую жидкость.
6. СТАБИЛИЗАЦИЯ КАЧЕСТВА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
Поддержание параметров рабочей жидкости требует применения
определенных мер, начиная с проектирования машины. Не менее важна
технологическая очистка деталей и узлов в процессе изготовления,
строгое выполнение инструкции по техническому обслуживанию во время
эксплуатации, тщательная очистка при ремонте машины.
214

Фильтры, заложенные в машину, очищают гидросистему от
загрязнений, находящихся в жидкости резервуара. Частицы же, находящиеся
в системе, особенно при замкнутой циркуляции жидкости, при любых
их размерах имеют возможность изнашивать гидроузлы, не попадая в
самые тонкие фильтры. Поэтому фильтры обеспечивают чистоту
жидкости в процессе эксплуатации, а промывка — в процессе изготовления.
6.1. Требования к конструкции гидроузлов
Возможность поддержания требуемого качества рабочей жидкости
при эксплуатации и снижение отрицательного воздействия попавших в
систему загрязнений закладывается при проектировании машины.
Никакие способы технологического и организационного обеспечения не могут
исправить ошибок в конструкции, если они возникают при
проектировании.
Каждый гидравлический узел может быть разработан в варианте,
чувствительном или нечувствительном к загрязнениям. В последнем случае
функциональные параметры гидроустройства часто значительно ниже, чем
в первом. Перед конструктором стоит дилемма: можно установить
простое нечувствительное к загрязнениям гидроустройство (например, ради-
ально-поршневой насос), повысить надежность системы, упростить
обслуживание, снизить стоимость дополнительного оборудования,
необходимого для функционирования этого узла, но потерять в долгосрочном плане
на технической характеристике самой машины или применить
высокочувствительное к загрязнениям гидроустройство (например,
аксиально-поршневой насос), снабдив его целым рядом дополнительных устройств,
контрольных элементов, блокировок, значительно поднимающим
стоимость машины и снижающим надежность, но рассчитывать при этом
выиграть в долгосрочном плане на производительности машины или ее
габаритах.
В каждом конкретном случае необходимо учитывать не только
чисто технические проблемы, но и реальную культуру производства, степень
подготовки обслуживающего персонала и, конечно, провести
серьезные экономические расчетьд возможных вариантов. Так, применение
аксиально-поршневых гидроустройств для механизмов перемещения
тяжело-нагруженных горных машин было обосновано, хотя требуется
некоторое время на решение сопутствующих проблем.
Применение этих же устройств, например, в гидравлической
предохранительной лебедке, вместо радиально-плунжерных, которые
встраивались туда ранее, недостаточно обосновано, так как стоимость лебедки
поднялась, а надежность не повысилась, параметры лебедки остались
на том же уровне.
Анализ опыта проектирования горных машин показывает, что
применяя вынужденно чувствительный к загрязнениям элемент, в систему
часто необоснованно закладываются и другие узлы, столь же требовательные
к чистоте рабочей жидкости. Например, наряду с аксиально-поршневым
215

насосом в систему закладывается и аксиально-поршневой гидромотор,
хотя исследования [13, 30] и опыт работы доказывают преимущества
высокомоментных радиально-поршневых гидромоторов, разработанных
советскими учеными и конструкторами.
При всех вариантах конструирования должны выдерживаться
определенные условия:
конструктор должен иметь подробные сведения о реакции
комплектующего оборудования на загрязнения. При этом должны учитьшаться
крупность, массовая концентрация, форма и материал загрязняющих
частиц, способствующих изнашиванию того или иного гидроустройства.
Различные узлы по-разному влияют на каждый из этих факторов
загрязнений;
конструктор должен быть хорошо информирован об условиях
эксплуатации оборудования, о возможных нагрузках и ситуациях, которые
могут способствовать загрязнениям, о возможностях технического
оборудования;
в условиях атмосферного загрязнения все сапуны должны быть
снабжены воздушными фильтрами, рассчитанными на длительный срок
эксплуатации, или должны быть установлены мембраны (компенсаторы
давления). Последние особенно целесообразны, если в атмосферном
воздухе имеются жидкие загрязнения;
очистка жидкости, поступающей в резервуар, не должна
производиться непосредственно гидравлической системой машины.
Необходимо учитывать, что новая жидкость, поступающая в цистернах или
бочках, может быть непригодна по чистоте для эксплуатации и нуждается
в очистке. Поэтому основная гидравлическая система должна
отключаться во всех случаях дозаправки, пока вынесенная система не очистит
жидкость в резервуаре;
для обнаружения неисправностей гидросистемы необходимо измерять
давление, температуру или скорости потока в различных точках. Если
это предполагает вскрытие машины (в шахте), отсоединение
трубопроводов или клапанов, то неизбежно дополнительное загрязнение системы.
Конструкция машины должна предусматривать вынесенную наружу
панель с заглушёнными отверстиями, вставляя в которые датчики или
манометры, можно измерять нужные параметры. Кроме того, в
определенных местах системы должны находиться точки отбора проб
жидкости. Проба, взятая из этой точки, должна быть представительной для
исследуемого потока;
желательно выносить на наружную панель всякого рода клапаны,
нуждающиеся в подрегулировании или замене. Все вынесенные наружу
панели, сапуны, хвостовики фильтров и другие узлы, замена или осмотр
которых предусмотрен регламентом обслуживания, должны быть
предохранены от скапливания пыли, штыба, воды и т. п.,
в системе должно быть установлено необходимое число фильтров.
Пропускная способность каждого из них должна быть максимально
возможной — по меньшей мере в 2—3 раза выше пропускаемого расхода.
Перед ответственными узлами необходимо устанавливать дополнительные
216

Рис. 72. Конструктивные варианты с пониженной склонностью к гидроабразивному
износу
фильтры без обвода. По тонкости фильтрования эти фильтры должны
быть несколько грубее, чем предыдущие;
поскольку при температуре в системе свыше 50° С происходит
прогрессирующее окисление масла и резко повышается катализирующая и из-
носовая роль загрязнений, в системе должны быть предусмотрены
холодильники. При этом нужно исключить возможность проникания воды
из холодильников в рабочую жидкость. Следует помнить, что при
охлаждении воздушным потоком в запыленной атмосфере возможно засорение
радиатора пылью. Даже при наличии холодильника возможны места с
локальным нагревом (дроссели, предохранительные клапаны и т. д.).
Конструкция должна предупреждать недопустимый нагрев этих мест;
систему следует оснащать приборами, предупреждающими
возможную аварию. Сигнализация должна срабатывать при недопустимом
повышении температуры, низком уровне масла, забивании фильтра, падении
давления в системе;
каждый элемент конструкции должен быть рассмотрен под углом
снижения его чувствительности к загрязнениям. К сожалению, нет еще
каталога наиболее рациональных с этой точки зрения деталей и устройств
гидропривода. На рис. 72 показаны несколько простых примеров такого
рода конструктивных решений:
на цилиндрической поверхности поршней прорезаются выточки.
Обычно их делают для предупреждения прижима поршня к одной из стенок
отверстия. Опыт показал, что большое число частиц осаждается в этих
выточках (рис. 72, а);
на рис. 72, б показано дроссельное отверстие. Большинство частиц
в потоке масла будет оседать на дне, не проходя через это отверстие;
на рис. 72, в показано использование утечки жидкости для смазки
шаровидной выточки аксиально-поршневого насоса. Частицы
критического размера в этом случае могут осаждаться в выточке плунжера. Это
существенно снижает износ сферической пары;
на рис. 72, г показано два варианта клапанов: с прямым и обратным
конусом. Клапаны с обратным конусом имеют лучшую характеристику
±5-421
217

открывания [4], но волокна, заусенцы и частицы могут быть уловлены
на кромке гнезда клапана, сказываясь на его функции при закрывании.
Клапан с прямым конусом (справа) имеет сравнительно худшую
характеристику открывания, но обеспечивает самоочистку из-за
принудительного направления потока при закрывании;
на рис. 72, д поверхность распределения аксиально-поршневой
гидромашины выполнена из мягкого материала или покрытия, в котором
абсорбируются твердые частицы. По данным Ц. Бюстгофа [50], такое
решение позволяет снизить отказы машин;
в первом приближении при выборе номинальной тонкости очистки
фильтра для различных гидроустройств можно пользоваться
приведенными ниже рекомендациями. Указанная здесь тонкость фильтрования более
высокая, чем зазоры в соответствующих прецезионных парах, так как,
во-первых, абсолютная тонкость очистки у фильтров значительно грубее,
а, во-вторых, учтено влияние крупности частиц на изнашивание.
Узел Номинальная тонкость
фильтрования, мкм
Насос:
аксиально-поршневой с наклонным
блоком цилиндров
аксиально-поршневой с
качающейся шайбой
с шестернями внешнего зацепления
пластинчатый нерегулируемый
пластинчатый регулируемый
радиально-поршневой
Распределительные, предохранительные
и редукционные клапаны
Золотниковые распределители
Гидравлическая винтовая передача
Сервоклапан
25-40
10-15
25
40
25
40
25
10-25
10
10
во всех случаях, когда отказ какого-либо узла может привести к
опасным для здоровья обслуживающего персонала последствиям и к очень
большим экономическим потерям, узел должен дублироваться;
в технической документации должна быть подробно отражена
тщательно продуманная и апробированная программа технического
обслуживания и контроля. Программа эта должна быть достаточной, но
минимальной.
6. 2. Очистка деталей и узлов гидросистем от механических
примесей при изготовлении
Повышение долговечности гидросистем при изготовлении возможно
лишь при решении следующих задач:
тщательная зачистка всех заусенцев при изготовлении;
очистка отдельных деталей после изготовления;
218

очистка и промывка всех отдельных гидроузлов после их сборки;
промывка и тщательная очистка всех трубопроводов, особенно
гибких, перед сборкой;
тщательная очистка заливаемой в гидросистему рабочей жидкости;
очистка жидкости фильтрами в процессе испытаний, в том числе
технологическими полнопоточными фильтрами, встроенными в разрез
силовых магистралей. Режим испытаний не должен допускать повышения
давления в системе до полной ее очистки от технологических
загрязнений;
с целью ускоренной очистки резервуара от имеющихся там
загрязнений необходимо иметь вынесенную систему очистки.
Кроме того, необходимо обеспечить нужную чистоту воздуха в
помещении, где изготавливаются и испытываются гидроустройства, так как
взвешенная в воздухе пыль размером до 160 мкм может свести к нулю
все попытки очистить гидросистему. Так, фирма "Даути"
(Великобритания), выпускающая гидрооборудование для угольных шахт, разделяет
свои помещения на "черные" и "чистые". В "чистых" помещениях, где
производится очистка деталей и сборка, не допускается наличие пылинок
крупнее 10 мкм. Для этого фирме пришлось применить ряд мероприятий
по защите помещений, отделке их, созданию повышенного давления
внутри помещения, очистке поступающего туда воздуха.
6. 2. 1. ПРОМЫВКА ТРУБОПРОВОДОВ
Методы промывки и очистки отдельных деталей и гидроузлов
наиболее полно обобщены в [6, 36] . Однако проблема очистки длинных
трубопроводов остается нерешенной во всем мире. Решение ее требует
выбора промывочной жидкости, соответствующих параметров промывочной
гидросистемы и др.
Поскольку вначале испытаний баланс поступающих и очищенных
загрязнений не приходит в равновесие, а количество частиц в силовом
гидроприводе увеличивается до максимума с началом работы, а затем падает,
необходимость в технологических фильтрах, устанавливаемых в сливном
трудопроводе силовой системы, становится очевидной.
Эффективность очистки зависит в первую очередь от режимов
смывающих потоков (скорости, давления), выбора промывочной жидкости,
способов очистки этой жидкости при промывке, объективности контроля
загрязненности гидросистемы.
Особое значение имеет определение необходимой скорости течения
жидкости по трубопроводу, достаточной для смыва частиц. Очевидно,
что величина скорости зависит от размеров и плотности частиц, ее формы,
шероховатости внутренней поверхности трубопровода, свойств
промывочной жидкости, материала и диаметра трубопровода.
Скорость потока должна воздействовать на частицу так, чтобы
преодолеть силы адгезии между частицей и поверхностью и обеспечить
транспортирование частицы вне поверхности. Более рациональным является
219

турбулентный режим движения, при котором в жидкости возникают
поперечные потоки, увлекающие с собой частицы. Турбулентность должна
быть настолько выражена, чтобы возмущения достигли пристеночного
пограничного слоя, а ламинарный подслой был меньше размера частицы.
Скорости потока при этом должны быть чрезвычайно велики. По данным
Г. Шлихтинга [49], число Рейнольдса должно быть больше 104 - 105.
Турбулентность в значительной мере зависит от шероховатости поверхности,
так как за каждым бугорком возникает завихрение, нарушающее лами-
нарность подслоя. Если размер частиц больше толщины ламинарного
пограничного слоя, то критическая скорость может определяться по
формуле B.C. Кнороза:
100 \/Т
vo =
где R — гидравлический радиус трубопровода, Re — число Рейнольдса.
Для мелких частиц применительно к гидроузлам наибольшее
экспериментальное подтверждение получила формула СВ. Чиркова и Б.В. Зуб-
кова
у 1/7
"у = % <g") >
где v — местная скорость потока, обтекающего частицу, м/с ; v —
средняя скорость потока жидкости, м/с; у — расстояние от стенки до точки,
где определяется v 9 м. Обычно принимают у=* d/2; 5 =60/(Re\A) —
толщина ламинарного подслоя, м.
Исследования показывают, что массовый отрыв частиц от стенок
начинается со скорости v = 1,3/v 0, где vQ— критическая скорость
потока по трубопроводу.
Зная среднюю скорость потока v , можно определить требуемую
для очистки объемную подачу жидкости насосом:
<2Н =3,3-10-41;ср./>2м3/ч,
где D — наибольший внутренний диаметр трубопровода.
Расчеты по этим формулам показывают, что для удаления частиц
размером 5-200 мкм в трубопроводы горных машин необходимо подать
90 м3/ч (~ 1500 л/мин) жидкости, что нереально.
ВМ. Сапожников [36] для определения скорости потока,
отрывающего частицу, предлагает следующую формулу, учитывающую полный
импульс сил, что исключает необходимость учета действия отдельных
составляющих—лобового сопротивления, подъемных сил и сил адгезии,
*от =г;чехР 1
Зрг/ 18 ,
2<рч+->«/ ^(Рч+ —)
220

где i>4 - скорость частицы, v - скорость потока, v 0T - относительная
скорость.
Для полного увеличения частиц размером d потоком необходимо,
чтобы соблюдалось условие
3pv
>
18/i
2<Р+ -)d
^(Рч+ ")
так как d(p4 + — ) > 0, р/2 > 6/i/rf,
0 > 12м/(р О = 12Wrf.
Скорость движения частицы в потоке
Зру
г;, = v — ул = v —vtl exp
ч от ч г
2(д,+ -)<*
18д
] t
d2(P+ -)
или
уч =
I + ехр^
3pv
18
2 (Рч + ~)d
. 2
<*2 (Р., +
Определим среднюю скорость, необходимую для промывки труб
гидросистем горных машин, работающих на масле Индустриальное — 50А при
температуре 20 °С. Промывка должна обеспечить транспортировку
частиц размером более 30 мкм. Вязкость масла И-50А при Г = 20 °С v2Q =
= 400мм2/с=4см2/с, а
12,4
0,003
= 16 • 103 см/с = 160 м/с.
Очевидно, что добиться такой скорости в промываемых
трубопроводах невозможно. Промывку целесообразно проводить маловязкой
жидкостью, например 1,5 %-ной эмульсией ВНИИНП-117 с v20 =3 мм2/с
или керосином Т1 с вязкостью v2q = 2,5 мм2/с. В этом случае
минимальная скорость промывки частиц крупностью 30 мкм для эмульсии
12-0,03
V
тт 0,003
для керосина
120 см/с = 1,2 м/с,
221

12-0-025
°min = 00()3 = 100 м/с = 1,0 м/с.
При максимальном внутреннем диаметре трубопровода D = 20 мм
производительность установки должна быть (при работе на эмульсии)
7TD2 7Г 2,02
Q = — v = 120 = 380 см3/с = 23 л/мин.
4 4
Создание стенда по промывке, обеспечивающего указанные
параметры, не вызывает трудностей, тем более что с установкой подогрева до.
(50 -г 60)° С значительно повышается смывающая возможность
жидкости.
Поскольку смазывающие свойства эмульсий и керосина ниже, чем
индустриальных масел, промывка этими жидкостями возможна только
для отдельных деталей, а не для гидросистемы в целом.
Одним из путей повышения степени очистки при промывке тонких
трубопроводов принято считать увеличение давления в промывочном
стенде. При этом за счет деформации трубопроводов происходит уменьшение
адгезионных связей, что способствует смыву. Однако ввиду того, что
силовые каналы гидросистем угольных комбайнов обычно короткие и
выполняются либо в массивных деталях, либо в толстостенных трубках,
повышение давления в системе горных машин при промывке
нерационально.
Значительного повышения эффективности очистки от загрязнений
отдельных деталей позволяет получить ультразвуковая промывка.
Качество очистки зависит от параметров ультразвукового поля, рабочей
среды, технологической наследственности (т. е. от операций,
предшествующих очистке), характеристики загрязнений, характеристики изделий
(масса, материал, микро- и макрорельефы, конфигурация), способов
хранения и т. п. Сама по себе степень очистки деталей носит
вероятностный характер и не может точно прогнозироваться для конкретной
детали.
В зависимости от указанных факторов нужно выбирать частотный
диапазон, режим излучения, технологическую среду, для которой важна
температура, наличие ПАВ, желательна инъекция в жидкость кавитацион-
ных зародышей. Степень очистки зависит также от некоторых
предварительных приемов. Необходимы, например, предварительная замочка
деталей в органических растворителях, разогрев деталей, выдерживание
определенного расстояния от деталей до излучателя, изменение их
положения в акустическом поле в случае экранирования деталями друг
друга. Важную роль играет очистка технологической среды от попавших в нее
загрязнений. Наконец, после ультразвуковой очистки необходимо
вводить дополнительную операцию очистки.
Оценивая возможности ультразвуковой очистки, можно отметить:
благодаря кавитационным процессам, частицы хорошо отделяются от
поверхности при правильном выборе режимов очистки;
222

при крупносерийном производстве, где возможно создание
отдельных режимов для определенных деталей, подбор режимов очистки и
вспомогательных операций может оказаться экономичным. При загрузке
ультразвуковых ванн различными деталями, да к тому же "навалом",
неизбежно часть деталей оказывается неочищенной;
необходимость последующей очистки деталей чревато опасностью
засорения их волокнами протирочных материалов. Кроме того, требуется
поддержание высокой чистоты воздуха в помещении;
ультразвуковая очистка допустима только для отдельных деталей.
Для сборочных единиц такой способ нерационален, так как в
гидросистему необходимо встроить преобразователи колебаний. Попытки решения
этой задачи пока не увенчались успехом.
Кавитационные процессы в гидросистеме можно создать с помощью
кавитационной шайбы [19]. Расчет площадки местного сужения потока
на входе и выходе в промывочный узел (без учета гидравлических
потерь) ведется по формуле
У2(рн-у_ (-А-/'
р S
н м.н
где S — площадь суженного сечения на входе в промываемый агрегат;
Q — расход моющей жидкости; рн - давление моющей жидкости в
напорной магистрали; рп — давление насыщенного пара моющей жидкости при
заданных температурах промывки; р — плотность моющей жидкости;
S — площадь поперечного сечения напорной магистрали.
В то же время применение гидродинамической кавитации может
привести к серьезной деформации поверхности деталей. Снижение кави-
тационных процессов до безопасного уровня существенно снижает и
промывочные возможности. Поэтому областью применения кавитационного
метода промывки может быть лишь очистка каналов, полостей агрегатов,
переходников, фитингов при условии подбора такого режима, который
бы не вызывал эрозии материала детали. Для промывки отдельных
трубопроводов, а тем более собранных трубопроводных систем, этот метод
не приемлем ввиду ограниченной длины зоны развитой кавитации.
В стадии стендовой проверки находится метод создания
неустановившегося течения жидкости в плоском канале под действием включения по
заданной программе реверсивного золотника с электромагнитным
управлением [36]. Период и цикл подачи здесь существенно зависят от
адгезионных свойств загрязнителя.
Разрабатываемые различными организациями промывочные стенды
отличаются в основном принципом возбуждения колебаний давления,
конструкцией блока акустической развязки (чтобы не возбуждать
колебаний в насосе), частотой и амплитудой изменения давления и расходом
жидкости.
223

a
Z-
Л
1
Ч&п
/0
П
' I к • •
/Уд промывку
гъ
w~f
r>N
ф
//7
It
,д|\
Ванна минерального ванна промывочной
масла жидкости
На промывку
Рис. 73. Схемы работы промывочных устройств
На Горловском машиностроительном заводе им. СМ. Кирова была
разработана и испытана установка пульсирующего потока, создаваемого
бесклапанным насосом. В основу установки положена схема многофазных
пульсирующих передач [2].
На валу приводного двигателя находится эксцентриковая шайба
1 (рис. 73), воздействующая на противоположно расположенные
поршни 2 и 11, прижатые к шайбе либо пружинами (схема рис. 73, а), либо
давлением подпитки (рис. 13, б), При выталкивании жидкости из-под
одного из поршней открывается один из обратных клапанов 4 или 5
и жидкость поступает на промывку. В подпоршневой полости второго
поршня в этот момент происходит разряжение (рис. 73, а),
открываются обратные клапаны 6, 10 или 7, 9, связанные с этой линией, и
происходит всасывание.
При схеме, показанной на рис. 73, б, жидкость в подпоршневую
полость поступает от подпитывающего насоса 13 через гидродинамический
фильтр 12, на котором задерживаются частицы, попавшие в ванну после
ее промывки.
В трубопроводах после поршней встроены подвижные диафрагмы 3 и
8 со ступенчатой перегородкой, повышающие расход жидкости, идущей
на промывку при малом эксцентриситете.
Как и плунжеры, диафрагмы взводятся либо пружинами, либо под
действием давления подпора. В последнем случае ступенчатая перегородка
из-за неравенства сил движется в сторону меньшей площади.
224

Схема, показанная на рис. 73, я, более простая, но требует очистки
промьшочной жидкости внесистемными фильтрами. Это вызывает
потребность еще в одном приводе, каскаде фильтров, фильтроэлементы
которых, как известно, не регенерируются.
При конструктивном выполнении промывочного устройства по
схеме, показанной на рис. 73, б, оба эксцентрика (основного и подпиточного
насоса) располагаются на одном валу, гидродинамический фильтр
обеспечивает непрерывную очистку поверхности фильтроэлемента от осевших на
нее частиц и складирование этих частиц в бункере. Объем бункера таков,
что позволяет опорожнять его только при профилактических осмотрах
стенда.
Схема, показанная рис. 73, в, предназначена для работы на разных
жидкостях.
Поскольку поршни находятся в противофазах, подача жидкости в
систему носит синусоидальный характер. Мгновенное изменение
производительности насоса
QH = eSa>sina>tf CH max = eSco,
где S — площадь поршня; е — эксцентриситет, со — частота вращения вала
насоса.
За время одного оборота подача жидкости в систему будет
происходить дважды. Подача жидкости за один оборот
qo6 = 2eS- 2 = 4eS.
Минутная подача насоса
Qh = ?об п = ^Sn =
Средняя секундная производительность
2со
Q = — eS.
Отношение максимальной производительности к средней
^н. max coSen я
= 1,57.
Если не учитывать ступенчатость диафрагмы, то можно принимать,
что подача жидкости осуществляется обычным двухплунжерным
эксцентриковым насосом с вынесенными клапанами.
Расход жидкости на промывку
бп = т<2н •
где т - кратность диафрагмы.
225

Регулировка частоты пульсации осуществляется изменением частоты
вращения вала приводного двигателя амплитуды расхода — соотношений
площадей диафрагм, амплитуды давления — сопротивлением дросселя на
выходе промываемых трубопроводов.
На рис. 73, в дан вариант гидравлической схемы для тех случаев,
когда в качестве промывочной жидкости необходимо применить кислоту,
сильный щелочной раствор или другую химически активную жидкость.
Подача такой жидкости под большим давлением, как правило, технически
трудно осуществима, так как пропускать ее через насос с обычными
материалами, подшипниками, уплотнениями невозможно, а переход на
каменное литье для всех деталей насоса означал бы снижение во много раз
к. п. д. при требуемых давлениях. Поэтому обычно в таких жидкостях
детали "намокались", выдерживались определенное время,
нейтрализовались, а затем только промывались. Не говоря уже о низкой
эффективности химической реакции в застойной среде, промывка резко
удорожалась и удлинялась во времени.
В стенде по схеме (см. рис. 73, в) можно подавать непрерывно под
давлением любую жидкость с высоким пульсирующими давлением и
расходом. Жидкости в гидросистеме разделяются колеблющимися с
частотой вращения привода диафрагмами. Отличие одной схемы (см.
рис. 73, в) от другой (см. рис. 73, а) заключается в том, что в момент
всасывания клапаны 6 и 13 (или 7 и 14) всасывают разные жидкости:
первый — минеральное масло, наиболее благоприятное для работы
насоса, второй — химически активную промывочную жидкость. При этом
первый (6 или 7) клапан только пополняет утечки, второй — заполняет
правую (по рисунку) подпоршневую полость диафрагмы. Поскольку
во втором вариенте промывочная жидкость после очистки не идет в
насос и, кроме того, основную роль играет химическая реакция, значение
фильтрования не столь велико, как в первом варианте.
Надежность насоса, работающего на чистом минеральном масле
средней вязкости (i>So = 30—50 мм2/с), значительно выше, чем на
промывочной жидкости. Если же проблема очистки промывочной жидкости и в
этом случае стоит достаточно остро, то решается она присоединением под-
питочного насоса по типу выполненного для промьюки (разнесенные
клапаны, диафрагмы) с запиткой загрязненной жидкости из системы
клапанами по правую сторону диафрагмы (аналогично клапанам 13 и 14)
и с подачей выпрямленного потока на фильтр, изготовленный из
нержавеющих деталей и подсоединенный к клапанам 13 и 14.
6. 2. 2. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ОЧИСТКА ГИДРОСИСТЕМ МЕХАНИЗМОВ
ПОДАЧИ И ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЛЕБЕДОК
Выше указывалось, что основная причина износа гидроузлов —
наличие частиц загрязнений, оставшихся после изготовления деталей и их
сборки, и частиц, появляющихся в системе во время испытаний. Послед-
226

ние появляются в результате воздействия на острые кромки пульсации
давления, турбулентности, кавитации и т. д. Как бы тщательно детали и
узлы перед сборкой не промывались, наличие частиц, опасных для
гидросистемы, неизбежно. Поэтому важной проблемой является отбор этих
частиц при испытаниях. Расчеты показывают, что промыть систему в сборе
рабочей жидкостью невозможно, а применение маловязких жидкостей в
этом случае недопустимо из-за низкой смазывающей способности и
больших утечек, что приводит к нагреву гидросистемы.
Наибольшее количество загрязняющих частиц генерирует в систему
насос. Поэтому при испытаниях необходимо между насосом и
гидромотором устанавливать полнопоточный фильтр, защищающий гидроузлы и
не позволяющий частицам вновь попасть через линию низкого давления
в насос и ускорить его изнашивание.
Поскольку фильтр находится под давлением и встраивается в систему
с замкнутой циркуляцией жидкости, исключается применение
центробежных сепараторов, гидроциклонов и электростатических фильтров.
Реально применение магнитной и механической очистки. Но при всех
достоинствах магнитной очистки она задерживает в первую очередь
ферромагнитные частицы и только частично немагнитные (связанные за счет ад-
гезации с ферромагнитными). Среди "неуловимых" частиц для
магнитных фильтров — остатки протирочных паст, продукты износа
шлифовальных кругов, пригары на литье и т. д. Твердость этих частиц много тверже
металла, и поэтому улавливание их особенно важно.
Кроме того, даже в лучших конструкциях магнитных фильтров
с ловушками для частиц возможно сбрасывание осевших на магнит частиц
при большом их "налипании". Необходима своевременная разборка
и очистка фильтра. Поэтому магнитный фильтр можно рассматривать как
один из элементов каскада.
Вторым элементом должен быть установленный за магнитным
механический фильтр. Опыт и расчеты показывают, что подбор таких
фильтров для силовой системы весьма сложен.
При испытании на стенде Горловского машиностроительного завода
им. СМ. Кирова экспериментального насоса в силовую систему был
встроен фильтр с фильтроэлементом саржевого плетения пропускной
способностью 140 л/мин и номинальным перепадом давления 0,02 МПа
при тонкости фильтрования 16 мкм. Фильтр был предназначен для масла
АМГ-10.
По своим параметрам гидросистема соответствовала фильтру (Q =
= 120 л/мин), но испытания проводились на масле Индустриальное-30
при температуре 50—60°С.
Через две минуты испытаний сетка фильтроэлемента настолько
засорилась, что фильтр разорвался. Исследования причин разрыва показало,
что максимальная крупность частиц, поступающих на очистку, не может
быть больше двойной тонкости фильтрования, а класс чистоты масла по
ГОСТ 17216—71, подаваемого на очистку, должен быть не более чем на
два класса ниже требуемого. Если учесть, что максимальная крупность
частиц в системе 120-200 мкм, для обеспечения требуемой чистоты
227

при испытаниях нужен, как минимум, каскад технологических фильтров
на 70, 35, 16 мкм, причем размеры поверхности фильтроэлементов в
каскаде должны расти пропорционально квадрату отношений, т. е. в 4 раза.
По мере увеличения фильтроэлементов расчет соответственно и усилие,
разрывающее корпус. В конце концов возникает необходимость в
сложной, дорогостоящей конструкции очищающей установки. К тому же
требуется частая смена фильтроэлементов, для очистки которых, в свою
очередь, нужны специальные ультразвуковые установки. Фильтроэлемен-
ты тонкой очистки вообще не регенерируются. Более простым оказалось
использование саморегенерирующихся полнопоточных
гидродинамических фильтров с пневматическим или электромагнитным приводом на
пульсацию фильтроэлемента.
Расчеты и экспериментальная проверка показывают, что такие
полнопоточные фильтры обеспечивают нужную степень очистки в 15—20 мкм,
при ячейке 70 мкм, что позволяет подавать на очистку жидкость 17-го
класса чистоты по ГОСТ 17216-71 с частицами до 150 мкм.
Таким образом, отпадает необходимость в многокаскадных схемах,
фильтры не нуждаются в очистке, исключается опасность их засорения,
а благодаря крупной сетке требуемая площадь поверхности
фильтроэлемента в 16 раз меньше, чем у механического статического фильтра равной
производительности и равной тонкости фильтрования.
Гидродинамический фильтр устанавливается последовательно с
магнитным полнопоточным фильтром, затем эти фильтры подсоединяются
в силовую линию, выходящую из гидромотора и идущую в насос. В этом
случае давление в системе равно давлению подпора. При использовании
фильтров, корпуса которых выдерживают максимальное давление системы
более логична встройка фильтров в силовую линию нагнетания. Во всех
случаях по ходу движения жидкости первым устанавливают магнитный
фильтр, а затем гидродинамический.
Поскольку износ пропорционален третьей-пятой степени давления,
испытания, по крайней мере в течение 2 ч, следует вести без нагрузки,
на холостых оборотах.
Наиболее сложной проблемой в процессе промывки как отдельных
деталей, так и системы в сборе является контроль чистоты деталей. Как
правило, применяются косвенные методы по чистоте рабочих
жидкостей: с помощью автоматических счетчиков, с помощью микроскопа,
ускоренными методами и визуальным просмотром.
Все эти методы не отражают в полной мере фактическую чистоту
деталей. Особенно это относится к начальной стадии, когда прилипшие к
поверхности частицы еще "отмокают".
В работе [6] приводятся следующие способы прямого контроля
загрязнения металлических поверхностей: органическими
загрязнителями, окунанием в чистую деионизованную воду (контроль по разрыву
водяной пленки), по запотеванию и путем конденсации паров воды.
Наиболее чувствительным из этих способов является способ конденсации паров
воды. Деталь охлаждается до температуры ниже точки росы в
окружающем воздухе, в местах загрязнений вода собирается в капли, в остальных
228

покрывается тонким слоем инея. Чем более крупная частица загрязнений
лежит на поверхности, тем больший размер капли ее окружает.
Специальные счетчики измеряют степень загрязнения.
Для осмотра глубоких отверстий используют гибкие эндоскопы в
головке которых имеется микроскопическая система, а изображение
по волоконным жгутам передается на экран.
6. 3. Техническое обслуживание гидросистем
при эксплуатации
Важнейшими компонентами технического обслуживания являются
строгое выполнение регламента профилактических мероприятий,
периодический контроль состояния машины и принятие решения о
дальнейшей пригодности гидрофицированной машины к эксплуатации.
Каждый из этих компонентов зависит от типа машины и базовых
узлов гидросистемы, интенсивности работы и нагрузки, от
экономических потерь, связанных с ее отказом, и простоем, а также от возможного
изменения безопасности работ при отказе машины.
Все требования должны быть изложены в сопроводительной
документации.
Ориентировочно можно указать следующую периодичность
профилактического обслуживания общепромышленных систем: осмотр фильтров
следует производить при интенсивной, эксплуатации машины ежедневно
в течение недели, затем через 20 ч работы — на протяжении трех недель и
через 50 ч—постоянно.
Замену фильтрующих элементов обычных механических фильтров
нужно производить при каждом осмотре, если нет индикаторов в
фильтре, показывающих загрязненность;
определять уровень загрязненности следует через 50, 150 и далее
300 ч, если он не превышает "нормальный" для эксплуатации. Если
загрязненность жидкости достигнет "настораживающего" уровня, то
периодичность контроля нужно снизить до 50—100 ч работы. При этом следует
применить очистку жидкости в резервуаре вынесенной установкой. После
достижения "аварийного" уровня загрязненности рабочая жидкость
должна быть немедленно слита, резервуар и детали в нем промыты и
залита свежая жидкость.
В технической документации должны быть указаны пределы
"нормальной", "настораживающей" и "аварийной" загрязненности, причем
нормы эти должны существенно отличаться в сторону расширения от
норм, установленных для выпускаемых заводом машин. Нормы
загрязненности после капитального ремонта должны быть шире, чем после
изготовления, и жестче, чем для эксплуатации.
Изменение состояния гидросистемы, не пришедшей в аварийное
состояние, можно определить при сравнении некоторых контрольных
данных с такими же данными, полученными ранее.
229

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Аксиально-поршневой регулируемый гидропривод /Под ред. В.Н.
Прокофьева. М., Машиностроение, 1969,496 с.
2. А.С 426038 [СССР]. Гидравлический механизм подачи выемочной машины.
Авт. изобр. З.Л. Финкелынтейн, А.Р. Агранат. Опубл. в Б.И., 1974, № 16.
3. Барышев В.И. Повышение надежности и долговечности гидросистем
тракторов и дорожно-строительных машин в эксплуатации. Челябинск, Южно-Уральское
книжное изд-во, 1973.
4. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М., Машиностроение,
1972.
5. Белянин П.Н. Центробежная очистка рабочих жидкостей авиационных
гидросистем. М., Машиностроение, 1976.
6. Белянин П.Н., Данилов В.М. Промышленная чистота машин. М.,
Машиностроение, 1982.
7. Берман ВМ., Верескунов В.Н., Цетнарский ИА. Системы гидропривода
выемочных и проходческих машин. М., Недра, 1982.
8. Боуден Ф.П., ТейборД. Трение и смазка. М., Машиностроение, 1968.
9. Васильев О А. К вопросу создания турбомуфт забойных машин, работающих
на негорючей жидкости. Научные сообщения. М., Инф. выпуск ИГД им. А.А. Ско-
чинского, №75,1970.
10. Виноградов В.Н., Сорокин ГМ, Албагачиев А.Ю. Изнашивание при ударе.
М., Машиностроение, 1982.
11. Давиденков Н.Н Избранные труды. - TI. Динамическая хрупкость и
прочность металлов. Киев, Наукова думка, 1981, 655 с.
12. Денисенко Е.В., Плющов Н.Г., Чекавский В.И. Совершенствование
технического обслуживания и ремонта горношахтного оборудования. М., ЦНИЭИуголь,
1977.
13. Докукин А.В., Рогов А.Я., Фейфец Л.С Радиально-поршневые
гидромоторы многократного действия. М., Машиностроение, 1980.
14. Жужиков ВА. Фильтрование. М., Химия, 1968.
15. Изделия угольного машиностроения. Материалы смазочные.
Техническое требование. Методика выбора. ОСТ 12. 14. 191-81.
16. Келлер O.K., Кратыш Г.С., Лубяницкий Г.Д. Ультразвуковая очистка. М.,
Машиностроение, 1977, 184 с.
17. Клейс HP. О возможности создания методики расчета деталей на ударный
износ. Тр. Таллинского политехнического ин-та. Серия А. № 237. Таллин, ТПИ, 1966,
с. 103-111.
18. Коваленко В.П. Загрязнение и очистка нефтяных масел. М., Химия, 1978.
19. Козырев СП. Гидроабразивный износ металлов при кавитации. М.,
Машиностроение, 1971.
20. Комаров А А. Надежность гидравлических систем. Машиностроение, 1969.
21. Кондаков Л А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем.
М., Машиностроение, 1982.
22. Коновалов В.М., Скрицкий В.Я., Рокшевский В А. Очистка рабочих
жидкостей в гидроприводах станков. М., Машиностроение, 1976.
23. Крагельский И.В., Добычин М.Н., Комбалов B.C. Основы расчетов на трение
и износ. М., Машиностроение, 1977.
24. Лозовский В.Н. Надежность гидравлических агрегатов. М.,
Машиностроение, 1974.
25. Мустафаев СИ. Обеспечение надежности уплотнительных устройств
горных машин. М., ЦНИИЭИуголь, 1982.
26. Никитин ГА., Чирков СВ. Влияние загрязненности жидкости на
надежность работы летательных аппаратов. М., Транспорт, 1969.
27. Пащенко В.Л. Критерии и методы оценки ресурса насосных станций. -
Вестник машиностроения, 1979, № 3, с. 19-22.
230

28. Пат. ФРГ № 1761106. Фильтр для очистки жидкости, смешанной с
твердыми веществами. Авт. Kay Seven Co. Ltd. Токио. Выд. 5 июля 1973 г.
29. Повх И.Л. Аэродинамический эксперимент в машиностроении. Л.,
Машиностроение, 1974.
30. Пономаренко Ю.Ф. Высокомоментные радиально-поршневые
гидромоторы горных машин. М., Недра, 1972.
31. Пономаренко Ю.Ф. Испытание гидропередач. М., Машиностроение, 1969,
292 с.
32. Рабочие жидкости гидросистем шахтных крепей / Долгова Т.В.,
Пономаренко Ю.Ф., Шейн Ю.Г. и др. М., ЦНИЭИуголь, 1976.
33. Расчет и конструирование гидроприводов механизированных крепей /
Ю.Ф. Пономаренко, А.А. Баландин, Н.Т. Богатырёв и др. Под ред. Ю.Ф.
Пономаренко. М., Машиностроение, 1981.
34. Рыбаков К.С Фильтрация авиационных топлив. М., Транспорт, 1973, 164 с.
35. Сагомонян А.Я. Проникание. М., изд. МГУ, 1974.
36. Сапожников В.М. Монтаж и испытание гидравлических и пневматических
систем летательных аппаратов. М., Машиностроение, 1979.
37. Слынько А.И. О гидроэрозионном и гидроабразивном изнашивании
деталей гидромашин. - В сб.: Проблемы трения и изнашивания. Вы. 5. Киев, 1974,
с. 84-86.
38. Справочник по свойствам, методам анализа и очистке воды / Кильский Л.А.,
Гороновский И.Т., Качановский A.M., Шевченко М.А. Киев, Наукова думка, 1980.
39. Тененбаум М.М. Износостойкость конструкционных материалов и деталей
машин. М., Машиностроение, 1966.
40. Турчанинов СП. Долговечность гидротранспортных трубопроводов. М.,
Недра, 1973.
41. Улучшение эксплуатационных свойств масел для гидравлических приводов
путем диспергирования механических примесей / Г.А. Аврунин, Е.С. Венцель,
Г.Ф. Ливада, В.А. Рокшевский. - Трение и износ, 1983, т. 4, № 1, с. 155-158.
42. Финкельштейн З.Л. Расчет гидродинамических фильтров. - В кн.:
Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления. Вып. 7. М., 1979, с. 232-240.
43. Хаппель Дж., Бреннер Г. Гидродинамика при малых числах Рейнольдса.
М., Мир, 1976.
44. Хорин В.Н. Объемный гидропривод забойного оборудования. М., Недра,
1968.
45. Хорин В.Н., Мамонтов СВ.У Каштанова В.Я. Гидравлические системы
механизированных крепей. М., Недра, 1971.
46. Хрущов М.М., Бабичев МЛ. Абразивное изнашивание. М., Наука, 1970.
47. Шашкин П. К, Б рай И.В. Регенерация отработанных нефтяных масел. М.,
Химия, 1970.
48. Шевченко B.C., Бехтер В.Н., Лапотко О.И Долговечность гидравлического
оборудования станков. Минск, Наука и техника, 1973.
49. Шлихтинг Г. Теория пограничного слоя. М., Наука, 1974.
50. Conference dil Contamination in fluid power sistems. Bath. 1976. London -
New York, 1977, p. 144.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Предисловие 3
1. Прогнозирование долговечности деталей гидроустройств 6
1.1. Изнашивание гидроустройств 6
1.1.1. Изнашивание как причина отказов 6
1.1.2. Механизм изнашивания 7
1.1.3. Влияние загрязненности рабочей жидкости на изнашивание ... Ю
1.1.4. Оценка методов прогнозирования износа 12
1.2. Расчет износа деталей гидроузлов 15
1.2.1. Расчет износа деталей в ламинарных потоках 16
1.2.2. Расчет износа деталей в турбулентных потоках 22
1.2.3. Изнашивание поверхности под действием продольной
составляющей скорости частицы 25
1.2.4. Тепловые процессы при гидроабразивном изнашивании 28
1.2.5. Методика расчета долговечности, оптимальной вязкости и
требуемый степени очистки рабочей жидкости 35
2. Рабочие жидкости для гидросистем горных машин 38
* 2.1. Выбор рабочих жидкостей для угольной промышленности 46
2.2. Эмульсии для гидрокрепей 49
2.2.1. Требования к эмульсиям. Способы и средства приготовления . . 49
2.2.2. Опыт эксплуатации и пути совершенствования 61
2.3. Рабочие жидкости для гидромуфт 65
2.4. Минеральные масла для объемных гидросистем 68
2.5. Огнестойкие жидкости 71
3. Оценка качества рабочих жидкостей 74
3.1. Контроль загрязненности рабочих жидкостей 79
3.2. Экспресс-информация о качестве рабочих жидкостей 85
3.3. Определение смазывающей способности 86
3.4. Стендовые испытания рабочих жидкостей 87
4. Очистка и регенерация рабочих жидкостей горных машин 92
4.1. Источники загрязнения рабочих жидкостей 92
4.2. Загрязненности рабочих жидкостей по типам оборудования и
условиям эксплуатации 104
4.3. Выбор схемы очистки рабочих жидкостей 106
4.4. Очистка рабочих жидкостей от механических примесей в силовых
полях 112
4.4.1. Отстаивание 113
4.4.2. Очистка в магнитном поле 115
4.4.3. Центробежные фильтры 121
4.4.4. Гидроциклоны 127
4.4.5. Электростатическая очистка 129
4.5. Механические фильтры 132
4.5.1. Методы оценки фильтрующих материалов 135
4.5.2. Фильтровальные материалы 138
4.5.2.1. Основные свойства и структура фильтровальных тканей .... 139
4.5.2.2. Нетканые материалы 143
4.5.2.3. Бумага и картон 144
4.5.3. Сетчатые фильтры 147
4.5.4. Щелевые фильтры 154
4.5.5. Пористые фильтры 157
4.5.6. Способы поддержания непрерывности работы фильтров 160
4.6. Гидродинамические фильтры .• 166
4.6.1. Теория гидродинамической очистки 171
232

4.6.2. Расчет гидродинамических фильтров с неподвижным фильтро-
элементом 176
4.6.3. Расчет смываемости частиц загрязнения с поверхности фильт-
роэлемента гидродинамического фильтра 178
4.6.4. Расчет фильтра с вращающимся отсасывающим цилиндром.... 181
4.6.5. Неполно поточные гидродинамические фильтры 188
4.6.6. Полнопоточные гидродинамические фильтры 196
4.6.7. Перспективы развития гидродинамической очистки 198
4.7. Регенерация рабочих жидкостей 200
5. Защита емкостей гидросистем от загрязнений ' 205
5.1. Обеспечение "дыхания" машины 205
5.2. Уплотнение привалочных поверхностей фланцев и крышек 209
5.3. Емкости рабочих жидкостей для горных машин 211
6. Стабилизация качества рабочей жидкости 214
6.1. Требования и конструкции гидроузлов 215
6.2. Очистка деталей и узлов гидросистем от механических примесей
при изготовлении 218
6.2.1. Промывка трубопроводов 219
6.2.2. Технологическая очистка гидросистем механизмов подачи и
гидравлических лебедок 226
6.3. Техническое обслуживание гидросистем при эксплуатации 229
Список литературы 231