При работе гидропривода температура рабочей жидкости (масла) постепенно повышается. Это естественный процесс, вызванный трением в механических узлах, трением в самой рабочей жидкости и потерями энергии при дросселировании. В гидросистеме все потери энергии, в конечном счете, превращаются в тепло, которое, собственно, и идет на нагрев масла. Потери энергии на трение несоизмеримо малы в сравнении с потерями при дросселировании, поэтому в условиях эксплуатации их анализом можно пренебречь. Величина потерянной энергии определяется как разность двух величин. Первая – это приводная энергия на валу насоса, вторая – это выходная энергия на штоке гидроцилиндра или  на валу гидромотора.

ΔN – это часть полезной энергии, потерянная во время работы гидросистемы, основная масса которой приходится на дросселирование рабочей жидкости. Любой элемент гидравлической схемы представляет собой гидравлическое сопротивление, на котором возникает перепад давления. Будь то штуцер (фитинг), клапан, гидрораспределитель или даже участок трубопровода. Замечу, что угловой фитинг с поворотом потока РЖ на 90° имеет несколько большее гидравлическое сопротивление, чем прямой. Поэтому при проектировании и монтаже гидропривода необходимо избегать большого числа угловых соединений и длинных магистралей. Также, следует иметь в виду, что цилиндрические золотниковые элементы привода, такие как гидрораспределители и клапаны имеют внутренние утечки РЖ, обусловленные их конструкцией и регламентируются техническими характеристиками заводами-изготовителями на каждый конкретный гидроаппарат.

Величина нагрева масла ΔТ° зависит от нескольких факторов. Основными являются: объем перекачиваемой жидкости через дросселирующий элемент, свойства самой жидкости (плотность, удельная теплоемкость), а также  перепад давления на дроссельной щели. Под которой мы здесь понимаем любой зазор в гидроаппаратах, через который продавливается под давлением масло. Это и зазор между золотником и корпусом распределителя, и зазор между золотником клапана и его седлом, и проходное сечение дросселя (элемента гидросхемы), с помощью которого регулируем скорость движения (вращения) гидродвигателя.

Рабочая жидкость во время работы гидропривода не только нагревается, проходя через гидроаппаратуру, но и сама отдает свое тепло этой самой гидроаппаратуре. Гидравлические аппараты же все принятое тепло излучают в окружающее пространство посредством своих внешних поверхностей. Причем, чем большую площадь поверхности имеет гидроэлемент, тем большее количество тепла он рассеивает в окружающее пространство. В процессе передачи тепла в пространство участвуют буквально все поверхности элементов гидропривода. Это и гидробак, и направляющие и регулирующие гидроаппараты, и гидродвигатели, и даже магистральные трубопроводы. Исходя из этого, мы видим, что тепло, образуемое в гидросистеме, не только не накапливается, но и рассеивается в окружающее пространство. Поэтому повышение температуры рабочей жидкости в начальный период работы гидросистемы, в дальнейшем замедляется и, в конечном счете, останавливается на какой-то определенной величине. Такая температура РЖ называется установившейся. Это означает, что в тепловом балансе гидросистемы наступает равновесие. Происходит это, когда величина произведенной тепловой энергии равна величине тепловой энергии, рассеянной (излученной) в окружающее пространство.

При использовании минеральных масел в качестве рабочих жидкостей, нормальной считается температура в пределах 50-60°С. Установившаяся температура зависит от двух факторов: от температуры окружающей среды  (начальная температура РЖ перед запуском гидропривода в работу) и от величины приращения температуры  после начала работы.

Температура окружающей среды – это, по сути, температура воздуха в производственном помещении, где эксплуатируется гидропривод. Очевидно, что если один и тот же гидропривод запускать в разных помещениях с различной температурой окружающего воздуха, то и установившаяся температура РЖ в конечном счете будет разной. А вот величина приращения ΔТ, как было сказано выше, зависит от нескольких факторов. И, например, в случае применения в качестве РЖ минерального масла с плотностью 900кг/м3 и удельной теплоемкостью 0,45 ккал/(кг·°С), и опуская все промежуточные математические преобразования, получим выражение зависимости приращения температуры от суммарных потерь давления.

Где: 0,058 – постоянная, зависящая от применяемого масла и его объема, ΔР – перепад давления (суммарная величина всех потерь давления в системе)

В этом выражении и кроется ответ на главный вопрос. Чем больше имеем потерь давления при работе гидросистемы, тем больше нагревается масло, тем выше будет его установившаяся температура.

При длительной эксплуатации гидропривода, неизбежно происходит износ гидроаппаратуры, увеличиваются зазоры в трущихся парах. Это приводит к увеличению потерь энергии. И температура РЖ, в ранее нормально работавшей гидросистеме, начинает повышаться и выходить за допустимые пределы. Нарушается тепловое равновесие гидравлической системы. Суммарная поверхность гидроагрегатов не успевает рассеивать накапливающееся тепло, образуемое в гидросистеме. В результате температура РЖ может достигать кратковременно разрешенных 70°С и даже недопустимых 80-90°С.

Часто, в условиях эксплуатации, когда гидравлический привод работал в нормальном температурном режиме и, вдруг, когда «ни с того – ни с сего» начинает греться масло, механики принимают решение принудительно охлаждать рабочую жидкость и устанавливают воздушные теплообменники или другие маслоохладители. Это решение верно лишь отчасти. Так как это всего лишь борьба со следствием, а не с причиной. Это, несомненно, поможет решить производственные задачи, не останавливая гидропривод. Но лишь на очень короткий период. При первой же возможности специалистам, обслуживающим гидропривод, необходимо отыскать и устранить локальную причину интенсивного разогрева РЖ.

Возможные причины нагрева рабочей жидкости в гидросистемах в «стандартном» и «нестандартном» вариантах

«Стандартным» вариантом я называю случаи, когда гидропривод спроектирован и изготовлен профессионалами с соблюдением всех норм и правил. Привод уже долгое время проработал без каких-либо температурных проблем. И вот, на каком-то этапе эксплуатации, масло начинает интенсивно нагреваться. С этого момента необходим постоянный контроль за температурой РЖ. Хорошо, если есть встроенные в систему датчики температуры. Они сильно облегчают ежедневную диагностику. Если таковых нет, придется пользоваться переносным контактным термометром или термометром с выносным датчиком, который погружается в масло в полости гидробака. Главная задача – отслеживать, чтобы значения установившейся температуры РЖ с каждым днем не превышали допустимых пределов.

Выделим четыре основные возможные причины повышения температуры масла.

Первая – если, вдруг, по каким-то технологическим причинам, вам пришлось уменьшить скорости рабочих органов, ниже оговоренных в технической документации. Сильно уменьшив проходные сечения дросселей, регулирующих скорости гидродвигателей, вы тем самым, увеличиваете перепад давления на этих гидроэлементах. В результате чего получаете большие потери энергии. Выход в данном случае: либо вернуться к допустимым технологическим скоростям, либо уменьшить подачу насоса. Если в системе установлен регулируемый насос, то с этим проблем возникнуть не должно. Просто уменьшаете подачу насоса до необходимой, используя регулировочный  механизм насоса. В случае, если установлен насос с постоянной подачей, то тут нужно принять решение исходя из технологических задач. Если в дальнейшем вам больше не понадобятся большие скорости – установить другой насос с меньшей подачей. Если же со временем опять будут нужны повышенные скорости рабочих органов, то в этом случае лучший вариант: изготовить вторую насосную установку с насосом меньшей подачи. И включать в работу, по мере необходимости, тот или иной насосный агрегат. Тем самым вы предотвратите излишние потери энергии и опасный нагрев РЖ.

Вторая возможная причина – физический износ насоса и увеличение вследствие этого внутренних утечек, приводящих к потерям энергии и нагреву РЖ. Определить это можно по разнице температур масла в баке и участка напорной магистрали непосредственно на выходе из насоса. Существенная разница температур укажет на неисправность насоса, который подлежит замене.

Третья причина – это постепенный износ гидроаппаратуры, увеличение внутренних утечек и, соответственно, увеличение потерь энергии. Найти такой изношенный и дросселирующий гидроаппарат не должно быть большой проблемой. Так температура его выходной магистрали будет выше, чем входной. Обнаружить это можно с помощью контактного термометра. Такой случай из моей практики описан в статье >>>. Когда после десяти лет нормальной эксплуатации станка, температура в гидросистеме стала интенсивно повышаться. Последовательный замер температур поверхностей всех элементов гидропривода, начиная от насоса, привел к редукционному клапану. Температура дренажной линии на выходе из него намного превышала температуру входного трубопровода. После разборки и ревизии самого клапана, было установлено, что в результате физического износа внутреннего посадочного отверстия корпуса, был увеличен зазор между корпусом и золотником. Что и привело к увеличению внутренних перетечек рабочей жидкости из напорной в дренажную линию и, соответственно, местным потерям энергии и нагреву масла. Данная проблема была решена путем замены изношенного клапана на новый.

Четвертая причина - довольно банальная и одновременно сложная с точки зрения ее диагностики. Во время эксплуатации гидросистем, «непонятно каким образом» внутрь гидравлических магистралей попадают инородные предметы.  Такие как кусочки металлической стружки или резино-технических изделий (уплотнительных колец, манжет). Застревая в полостях распределителей, клапанов или в соединительных элементах (фитингах), они «своим телом» перекрывают проходное сечение магистрали, вызывая тем самым непредвиденное дросселирование рабочей жидкости. Такой случайный дроссель будет способствовать не только нагреву РЖ, но и заметному изменению скорости исполнительных механизмов. Диагностика же такого «дросселя» затруднена тем, что он может иметь «блуждающее» положение и при изменении направления потока (реверса) РЖ, может перемещаться из одного конца гидромагистрали в другой. Обнаружение производится путем разборки, тщательной ревизии и продувки сжатым воздухом всех гидроаппаратов, фитингов и трубопроводов на предполагаемом участке гидросистемы.

Рассмотрим «нестандартный» вариант гидропривода. Под ним я подразумеваю гидропривод, изготовленный неспециалистами кустарно. Когда в целях экономии средств гидросистема собирается в условиях эксплуатационного предприятия из тех комплектующих, которые есть в текущий момент под рукой. В таких случаях, как правило, не проводятся расчеты гидропривода. Ни силовой, ни скоростной, ни тепловой. Проблемы с тепловым балансом проявляются уже после первого запуска. И только тогда появляются вопросы типа «а почему?»… Вот в «нестандартном» варианте гидропривода причин нагрева рабочей жидкости тоже может быть масса. Даже, если предположить, что все комплектующие новые, без физического износа. Но, так или иначе, все причины сводятся к потерям энергии при дросселировании и нарушении общего теплового баланса гидросистемы.

Часто допускается ошибка по несоответствию объема гидробака подаче насоса и режиму работы гидропривода. Объем бака при первоначальном расчете должен составлять не менее 3-х минутных подач насоса (3Q) при легком режиме гидросистемы. Далее объем бака уточняется при тепловом расчете. При несоблюдении теплового баланса необходимо увеличивать размеры бака и снова проводить тепловой расчет гидропривода. Также учитываем в тепловом расчете режим работы гидропривода. При легком режиме работы это может быть один объем, а при тяжелом режиме – это будет уже увеличенный объем гидробака. Если в силу определенных обстоятельств мы не можем бесконечно увеличивать геометрию бака, а тепловой расчет показывает, что вовремя работы гидросистемы будет выделяться большое количество тепла, то в этом случае необходимо рассчитать и подобрать теплообменный аппарат для удаления излишков тепла.

Еще одна распространенная ошибка – это когда гидроаппаратура, трубопроводы и фитинги неправильно подобраны по сечению относительно номинальной подачи насоса. Необходимо помнить, что проходные сечения всех элементов гидропривода должны быть не менее сечения выходного отверстия насоса, чтобы не создавать местных гидравлических сопротивлений, на которых впоследствии будем терять энергию. Заведомо завышать проходные сечения гидроаппаратов тоже не имеет никакого смысла, так как сразу неоправданно увеличиваются габариты и масса гидропривода.

Неправильный выбор гидравлического насоса в соответствии с требуемыми скоростями рабочих органов. Следует понимать, что установка насоса с большей, чем требуется подачей, повлечет сброс излишней части потока рабочей жидкости через предохранительный клапан и неминуемый ее нагрев. Очень аккуратно нужно относиться к выбору насоса на стадии проектирования, когда еще все легко исправить.

Отсутствие гидроразгрузки насоса, когда гидропривод не производит технологических действий, очень сильно способствует нагреву РЖ. В этом случае все масло, подаваемое насосом в напорную линию, будет дросселироваться через предохранительный клапан. По сути, вся энергия, затраченная на создание давления в гидросистеме, превратится в тепло. Нагрев рабочей жидкости в этом случае будет очень интенсивный и температура РЖ может достигать критических величин за очень короткий период времени.

При тяжелом режиме работы, когда гидросистема длительное время должна находиться под давлением, необходимо применять гидравлические аккумуляторы. Это оправдано и целесообразно, когда не требуется большого расхода рабочей жидкости. Например, это приводы гидрозажимных механизмов или статические пресса, когда необходимо выдержать прессуемый материал под давлением, а движения прессующих гидроцилиндров практически нет.

И общая ошибка, которую допускают при монтаже готового гидропривода, как «стандартного» так и «нестандартного». Когда гидростанции располагают возле приборов отопления, конвекция тепла от которых повышает начальную температуру . Как мы помним из формулы, приведенной выше в статье, начальная температура РЖ влияет на установившуюся температуру. Также следует избегать установки гидростанций в закрытых нишах фундамента (пола) и внутри самого технологического оборудования, где отсутствует естественная вентиляция воздуха. А также избегать попадания на гидростанцию прямых солнечных лучей.

[1]. Т.М. Башта «Гидропривод и гидропневмоавтоматика», М., «Машиностроение», 1972.

А.С. Титов

Копирование и использование материала или его части в коммерческих целях без согласования с автором запрещено!