Обзор факторов, влияющих на нагрев масла в гидроприводах станков                          

В гидроприводах металлообрабатывающих станков, так же как и в гидроприводах других машин, процесс теплообразования происходит по одним и тем же причинам. Но есть ряд причин, которые присущи только технологическому оборудованию. Это обусловлено особенностями работы, способом установки, местом расположения насосных станций, использованием рабочей жидкости основной гидросистемы в качестве  циркуляционной смазки зубчатых передач и подшипниковых узлов и т.д. Причем тепловыделения в гидросистемах станков имеют большие последствия, влияющие на работоспособность и технологическую точность станков. Передача тепла от рабочей  жидкости к узлам и агрегатам станка приводит к их тепловым деформациям: изменяются  зазоры в сопряженных парах, возникают деформации столов и планшайб, изменяется  взаимное расположение частей станка (нарушается перпендикулярность, параллельность перемещения узлов и т.п.), что в свою очередь приводит к появлению погрешностей при  обработке деталей. В большей степени это проявляется на станках особой и высокой точности. На основании анализа литературы и собственного опыта эксплуатации металлорежущих станков, авторами разработана классификация факторов, влияющих на нагрев рабочей жидкости в гидроприводах станков рис.:

Рассмотрим основные факторы, влияющие на изменение температуры рабочей жидкости в гидроприводах станков. Так как металлообрабатывающее оборудование в основном устанавливается в закрытых помещениях, то начальная температура рабочей жидкости колеблется в пределах от 10-15°С в зимний период до 25-30°С в летний. То есть температура рабочей жидкости в момент включения станка, особенно в жаркое время года уже является относительно высокой. Другой немаловажный фактор – это расположение станков и, в частности, насосных станций вблизи радиаторов отопления и тепловентиляторов. Как правило, температура рабочей жидкости насосных станций, установленных в зоне конвекции тепла, на 2-5ºС превышает температуру рабочей жидкости в среднем по всему помещению. Для гидроприводов, работающих в закрытых  помещениях, сказывается и то обстоятельство, что практически полностью отсутствует  естественное движение воздуха, т.е. нет охлаждающего обдува гидроагрегатов и емкостей. Нередко насосные станции станков устанавливаются в приямках и нишах фундаментов, которые закрываются настилами, в результате чего полностью исключается доступ охлаждающего воздуха.

На тепловыделения в гидросистемах существенно влияет ряд конструктивных  факторов. Теплообразование в механических системах – это нагрев подшипниковых узлов и других пар трения, которые отдают тепло смазывающему маслу, повышая его температуру. Этот фактор имеет место при использовании в системе смазки рабочей  жидкости из емкости основной гидросистемы.

При работе электрооборудования происходит передача тепла от электродвигателей приводов насосов через металлоконструкцию (проставка, колокол) соединений двигателя и насоса или крышку гидробака, к которой крепится насосная установка. От катушек электромагнитов, длительное время находящихся под напряжением, тепло передается корпусам гидрораспределителей и других гидроаппаратов. Основной же нагрев рабочей жидкости происходит непосредственно во время работы самой гидросистемы. На это влияет множество факторов. Один из них – это работа при высоких давлениях. С целью уменьшения металлоемкости и увеличения удельной мощности повышают рабочее давление. Но из соотношения:

                                                    ΔТº,C = 0,058 ·Δp, 

где Δр - перепад давления на дроссельной щели, приведенного в работе [1], очевидно, что перепад давления будет возрастать с увеличением рабочего давления и повлечет приращение температуры ΔTº,C. Из этого же соотношения очевидно и другое, что перепад Dр будет увеличиваться и с уменьшением давления слива. Так как любой гидроаппарат представляет собой гидравлическое сопротивление и имеет индивидуальный параметр Dр, то будет так или иначе способствовать разогреву рабочей жидкости. Наибольший разогрев рабочей жидкости происходит при работе дросселирующих аппаратов, таких как предохранительные и редукционные клапаны, дроссельные регуляторы расхода, перепад давления Δр на которых достигает относительно больших величин.

Дроссельный нагрев рабочей жидкости проявляется при работе гидростатических опор. Это обусловлено вязким трением и дросселированием рабочей жидкости в зазорах опор. Необходимо отметить, что это один из наиболее опасных факторов теплообмена, так как передача тепла происходит непосредственно рабочему органу станка – планшайбе, суппорту и т.д., тепловые деформации  которых неизбежно приводят к погрешностям  обработки деталей.  Например, при изменении температуры планшайбы диаметром 1600мм токарно-карусельного станка на 12ºC происходит деформация поверхности планшайбы на величину 0,25 мм [2].

На незначительный нагрев рабочей жидкости влияет кавитационный режим работы гидросистемы. Расположение гидравлических насосов выше уровня жидкости, негерметичность всасывающей гидролинии, работа насосной системы на вязких жидкостях (ИСП-65, ИСП-110 и т.д.), большое число соединительных элементов в трубопроводах и соединения их под прямым углом в большой степени влияет на образование кавитационного режима. При работе гидропривода происходит движение рабочей жидкости внутри гидросистемы, где имеет место эффект жидкостного трения,  заключающийся в том, что при трении слоев жидкости друг о друга производится работа,  преобразующая энергию жидкости в тепло. И чем больше длина трубопроводов, тем большая работа будет производиться и будет выделяться большее количество тепла. Хотя и увеличение длины трубопроводов влечет за собой и увеличение поверхности  теплоотдачи, что является одним из критериев установления теплового баланса.

Существует ряд факторов, возникающих в процессе эксплуатации гидропривода. Это дросселирование рабочей жидкости по зазорам сопряженных пар в изношенных гидроаппаратах. Наиболее часто это проявляется в аппаратуре золотникового типа. При работе аппаратов изнашиваются золотники и стенки корпусов, увеличиваются зазоры между ними. Через эти зазоры начинает циркулировать рабочая жидкость, соединяя    линии высокого давления с низкой.

Существует трение в уплотнениях, при котором образуется тепло. Этому в большей степени подвержены гидродвигатели: гидроцилиндры и гидромоторы. В них тепло,  выделяемое в местах трения штока (вала), распространяется по штоку (валу) и переходит часть в атмосферу при выдвижении штока, часть в рабочую жидкость при задвигании штока.

При работе на загрязненных рабочих жидкостях нередко возникают недовключения золотников гидроаппаратов в результате попадания под торец золотника грязи, продуктов износа. Такой гидроаппарат становится излишне дросселирующим устройством в системе.

Заметное повышение тепла наблюдается при длительной работе гидроприводов, рассчитанных на кратковременный режим. Например, при повышенных утечках в зажимных механизмах время цикла работы высоконапорной станции увеличивается. А при наличии небольшого объема гидробака и, как следствие, небольшой поверхности теплоотдачи происходит нарушение теплового баланса.

Наряду с вышеописанными существуют факторы, которые возникают в технологическом процессе обработки металла и, так или иначе, способствуют повышению  температуры рабочей жидкости. К таким факторам следует отнести обработку горячих  заготовок, когда тепло заготовки непосредственно передается рабочему органу, а от него – к приводному механизму (чаще всего - гидроцилиндру). В большей степени это касается кузнечно–прессового оборудования. И второй фактор – это тепловыделения на режущем инструменте [3,4,5]. При обработке металла резанием, в точке контакта режущего инструмента и металла в результате трения значительно повышается температура, которая передается через инструмент и заготовку механизмам станка (в частности, шпинделю) с последующей передачей смазывающему маслу.

 Литература 

1. Башта Т.М. Гидропривод и гидропневмоавтоматика. М.: Машиностроение, 1972,с.320.

2. Бушуев В.В., Цыпунов О.К. Тепловые явления в гидростатических опорах. Станки и инструмент, 1987, №11, с.27-29. 

3. Власов С.Н., Черпаков Б.И. Справочник наладчика агрегатных станков и автоматических линий. М.: Высшая школа,1999, с.384. 

4. Полтавцев О.Ф., Соколов А.А., Методы контроля, регистрации и снижения температуры и температурных деформаций металлорежущих станков. Обзор М.: НИИмаш, 1982, с.36. 

5. Проников А.С. и др. Точность и надежность станков с числовым программным управлением. М.: Машиностроение, 1982, с.256.