Влияние гидравлической жидкости на КПД гидросистемы

Чтобы система работала исправно, необходимо осуществить грамотный подбор гидравлической жидкости, которая оптимально подойдет с учетом персональных параметров. Для этого потребуется оценить сразу несколько взаимозависимых факторов. В частности, важно принять во внимание допустимую максимальную нагрузку, типоразмер устройства, температуру, давление и иные условия эксплуатации. Не менее важна интенсивность предстоящей работы, а также область применения оборудования. Комплексный подход позволит подобрать наиболее подходящую жидкость.

Гидравлические системы не способны работать без применения жидкости. Они потребляют ее в огромном количестве. Ежегодно используется порядка 2,25-3 квадриллионов британских тепловых единиц энергии. Причем большая часть из рассматриваемого объема идет на обеспечение работоспособности промышленного оборудования. Именно оно нуждается в качественной гидравлической жидкости.

Известен средний КПД для гидропривода. Значение показателя составляет 21%. Однако организации, использующие оборудование, нуждаются в повышении показателя. Именно поэтому важно определить, позволит ли грамотный выбор масла повысить параметры гидросистемы, добиться роста ее эффективности и одновременно позволить значительно сократить объем энергии, необходимой для поддержания работоспособности.

В чем состоит физический смысл КПД?

Начинать анализ рассматриваемого вопроса нужно с изучения нюансов самой гидросистемы. Ее основная задача – преобразовывать энергию. Изначально она носит механический характер. В процессе работы он меняется, и энергия становится гидравлической. Подобная ситуация обусловлена конструктивными особенностями.

Систему приводит в действие двигатель. Он питается от электричеств, что повышает уровень экологичности и безопасности. Именно это устройство запускает всю гидросистему. В частности, электродвигатель обеспечивает вращение вала насоса.

Вышеуказанные элементы не являются единственными. Дополнительно производитель использовал клапаны разного вида. Они осуществляют направление потока жидкости. Под их воздействием масло движется не хаотично, а поступает непосредственно к исполнительным механизмам. Именно они осуществляют обратное преобразование. В результате происходит обратное преобразование энергии. Она вновь становится механической.

Важнейшую роль в системе играет гидромотор. Он представляет собой насос, который функционирует в обратном направлении. Устройство способно преобразовать энергию, которая присуща рабочей жидкости, меняя ее характер. В результате осуществляется вращение вала. Гидромотор способствует генерации высокой удельной мощности. Она нужна для того, чтобы агрегаты мобильной техники могли исправно функционировать.

Гидромоторы активно используются в разнообразном промышленном оборудовании. Они обеспечивают вращение барабана бетономешалки, способствуют перемещению стрелы оборудования разного вида, приводят в движение механизм, обеспечивающий работу траншеекопателя, асфальтоукладчика.

Если сравнить гидронасосы с другими видами схожего оборудования, можно заметить целый комплекс существенный отличий. Так, устройства объемные. В них расход жидкости не зависит от давления. В реальных условиях использования ни один насос не способен демонстрировать 100% эффективность. Реальный показатель всегда несколько ниже. Это позволяет говорить о сохранении некоторой взаимосвязи между расходом и давлением.

В процессе функционирования устройства вырабатывают сразу 2 вида энергии – кинетическую, которая представлена в виде расхода, и потенциальную, представляющую собой давление. Вышеуказанная особенность позволяет говорить о присутствии необходимости в разделении между зонами, в которых действуют разные значения показателя. В частности, раздел должен касаться областей, в которых присутствует высокое и низкое давление. Они не должны быть едиными.

Именно это правило принимают в учет конструктора, подбирая подходящее решение в процессе создания гидропривода. В частности, особое внимание уделяется движущимся компонентам. Они должны быть надежно уплотнены в зонах контакта. Подобный подход позволит снизить вероятность возникновения перетечки и уменьшить их количество, если подобное все же произойдет.

Важно понимать, что представляют собой внутренние перетечки. Такое название носит перемещение рабочей жидкости. Причем процедура не осуществляется хаотично. Речь идет о перетечке, если масло перемещается из одной зоны в другую, а рассматриваемые области имеют разное давление. Процедура происходит внутри компонентов рассматриваемого устройства. Подобная ситуация негативно сказывается на полезной мощности системы. Она снижается.

В процессе работы системы может происходить повышение уровня давления. Аналогичный рост может происходить и с температурой. Подобная ситуация негативно сказывается на работоспособности устройств, поскольку приводит к возрастанию утечек через соединения. Причем подобный эффект сильнее проявляется, если речь идет о гидросистемах мобильной техники. Ситуация вызвана тем, что в системе присутствуют меньшие по размеру емкости, в которых находится жидкость. Величина теплообменников также значительно снижена, что приводит к тому, что средняя температура работы устройства повышается.

Как добиться изменения значения КПД?

Перед анализом нюансов изменения КПД важно обратить внимание на правила его расчета. Так, полый КПД насоса рассчитывают по следующей формуле:

Полный КПД = Объемный КПД х Механический КПД

Оба показателя, фигурирующие в формуле, имеют крайне важное значение. В первую очередь важен объемный КПД. Он влияет на риск возникновения протечек, которые могут возникнуть в результате перетекания жидкости из областей с высоким давлением в места с низким значением показателя.

Механический КПД также нельзя игнорировать в процессе расчета. Это вызвано его связью с крутящим моментом.

У системы существует несколько режимов функционирования. Одним из наиболее важных считается работа в условиях, когда значение давления приобретает высокие показатели, а частота вращения при этом низкая. При такой ситуации наблюдается быстрое увеличение значения объемного КПД. Однако затем происходит выравнивание показателя.

С механическим КПД происходит иная ситуация. Его значение линейно снижается вместе с увеличением частоты вращения насоса. К аналогичной ситуации может привести повышение уровня вязкости жидкости.

Рис. 1. Кривые Штрибека

Требования, предъявляемые к маслу

Системы могут работать в разных условиях, а также обладать различными характеристиками. В результате меняются требования, предъявляемые к свойствам гидравлической жидкости. Именно от их соответствия установленным нормам зависит надежность и эффективность функционирования системы в целом. Существуют установленные стандарты надежности. Они были выявлены в процессе детального изучения функционирования систем. Стандарты предполагают учет следующих параметров:

Коэффициент полезного действия для гидромотора

Крайне важно принимать во внимание КПД гидромотора. Показатель неразрывно связан с типоразмером насоса. Дополнительно прослеживается присутствие взаимосвязи с расчетным давлением, на которые оказывает влияние при пуске или низкой частоте вращения. Особенно ярко присутствующая взаимосвязь прослеживается в системах, запуск которых осуществляется под нагрузкой. В рассматриваемый перечень включают системы, используемые для подъема транспортировочных контейнеров или копки грунта.

Гидромоторы можно сравнить с классическими автомобильными двигателями. Так, они обладают наименьшей эффективностью, когда работают на холостом ходу или обеспечивают медленное движение транспортного средства. Когда речь идет о гидромоторе, аналогичная ситуация возникает на малых частотах вращения. В этом случае значение КПД минимально. Однако показатель можно повысить, если уменьшить трение, которое возникает на малых частотах вращения. Рост КПД в этом случае происходит за счет увеличения мощности, которая генерируется для перемещения полезной нагрузки.

Если необходимо повысить эффективность работы, важно уделить внимание гидромотору. Улучшение его характеристик положительно скажется на общих значениях показателей всего оборудования в целом.

Крайне важны характеристики гидравлических жидкостей. Они оказывают значительное влияние на общее КПД. Чтобы подтвердить этот факт, достаточно изучить похожие, но несколько отличающиеся друг от друга жидкости, сравнив показатели, который удается добиться, если использовать рассматриваемые масла в системе. Для достижения схожих условий были выбраны масла с содержанием беззольных противоизносных присадок. Проводился анализ следующих гидравлических жидкостей:

В рамках проводимого исследования была осуществлена оценка масел в процессе практического использования. Для этого их применяли в гидромоторах разного вида. Для чистоты эксперимента были подобраны устройства, обладающие схожими характеристиками в отношении потери крутящего момента.

В результате удалось установить, что жидкости, обладающие низким коэффициентом трения, демонстрируют в 2 раза меньше потери крутящего момента, чем стандартные гидравлические масла. Подобное утверждение актуально на малых частотах вращения.

Ситуация меняется, когда частота повышается. Анализ показал, что все устройства теряют крутящий момент в подобных условиях одинаково. Это позволяет сделать вывод о схожести свойств масел вне зависимости от их типа.

Рис. 2. Потери, возникающие при разных значениях

В механическом КПД могу присутствовать различия, которые напрямую связаны с потерями крутящего момента. Так, если производитель масла не стал брать для изготовления нефтяную основу, а также оказался от присадок, влияющих на силу трения, наблюдается более низкий механический КПД на низких частотах вращения. Когда происходит увеличение частоты вращения, КПД увеличивается. Когда достигаются более высокие значения, вновь происходит спад.

Рис. 3. Зависимость между механическим КПД и частотой вращения

Гидравлические насосы

Эффективность использования гидравлических насосов может значительно меняться в зависимости от типа системы. Важно учитывать этот факт, проводя оценку и подбирая подходящую жидкость. Так, может использоваться поршневой насос в открытой гидравлической системе. Он состоит из вала, который вращает блок цилиндров. В результате поршень начинает двигаться. Именно благодаря этому действию происходит заполнение и опорожнение цилиндра. Поршень вытесняет жидкость. Подобная ситуация приводит к ее перемещению в следующую область. Масло легко просачивается в нее, двигаясь через отверстия. Их называют окнами. В системе могут происходить утечки. Причем места их локализации часто различаются.

Рис. 4. Элементы, из которых состоит поршневой насос

В рамках исследования было выполнено сравнение объемных потерь, возникающих в связи с необходимостью осуществить компенсацию давления. Анализ проводился для масел, которые ранее были упомянуты. Это позволило рассмотреть жидкости со всех сторон, проанализировать присутствующие характеристики и понять их влияние на особенности работы устройства. В качестве эталона было использовано масло HM46. Его оценка осуществлялась в течение всего периода анализа.

Рис. 5. Расход утечки

Продолжая рассматривать вопрос, важно обратить внимание на особенности применения поршневого насоса в закрытой гидравлической системе. В этом случае происходит изменение особенностей подачи масла. Оно подается с помощью нагнетания подпиточным насосом. Метод самотека, актуальный для открытой системы, не используется.

Закрытые гидросистемы обычно используются в мобильной технике, а применение подпитки позволяет предотвратить снижение КПД. Часто его потеря происходит в связи с тем, что в насос поступает недостаточное количество масла.

В процессе проведения анализа особенностей работы гидронасосов в закрытых гидросистемах удалось выяснить, что присутствует связь между объемным КПД и значением расхода. Так, коэффициент полезного действия будет снижен на 5%, если расход утечки через корпус насоса возрастет с 2 до 4 литров в минуту.

Значение утечки объемом 1 литр не кажется значительным. Однако важно анализировать показатель, учитывая потерю мощности, к которой приводит подобная ситуация. Потеря 1 литра гидравлической жидкости влечет за собой снижение мощности. Показатель уменьшается на 0,5 кВт. В результате придется потратить дополнительное топливо, чтобы компенсировать сложившуюся ситуацию. Его объем довольно существенен.

Рис. 6. Присутствие связи между утечками, возникающими в системе, и уровнем объемного КПД

Продолжая проведение анализа, необходимо обратить внимание на шестеренные насосы. Их довольно часто применяют в объемных гидроприводах. Причем обычно используют шестеренные насосы внешнего зацепления.

Продолжая анализ, мы изучили КПД сразу нескольких устройств. Для этого были отобраны 16 насосов. В список изучаемого оборудования попали устройства, которые были произведены 7 разными компаниями. Полученная информация была собрана и тщательно проанализирована. В результате удалось выяснить, что объемный КПД был выше, когда температура составляла 50 градусов по Цельсию. При повышении значения показателя до 80 градусов показатель падал. Причем подобная ситуация актуальна для всех насосов.

Интересно значение механического КПД. Значение показателя значительно отличалось в зависимости от модели насоса.

Рис. 7. Основные элементы шестеренного насоса внешнего зацепления

Рис. 8. Значение среднего механического КПД для устройств, изучаемых в рамках исследования

Рис. 9. Показатель среднего объемного КПД

Отдельное внимание было уделено крутящему моменту. Было осуществлено его измерение при различной частоте вращения. Выполнение анализа дало интересные результаты. Когда наблюдалось низкое давление, гидросистемы работали примерно одинаково вне зависимости от значения температуры. Однако рост давления приводил к изменению ситуации. В этом случае при температуре 50 градусов по Цельсию крутящий момент меньше, чем при 80. При этом с расходом насоса возникла прямо противоположная ситуация. Он был больше при 50 градусах.

Вывод

Подбирать масла для обеспечения работы устройств необходимо правильно. Рассматриваемая процедура требует выполнения оценки сразу нескольких параметров, в том числе типоразмер оборудования, условия его использования, допустимая нагрузка, давление и температура. В некоторых случаях допустимо достижение компромисса по ряду параметров, что позволяет достичь определенный баланс. Однако подобное возможно не всегда. По этой причине должна проводиться детальная оценка и грамотный подбор гидравлической жидкости.