Проблемы в гидравлических цилиндрах

 1. Проблема воздуха в масле 

Проблема с воздухом в масле встречается в основном в мобильной гидравлике. К ним относятся три важных эффекта, такие как:

1. эффект струйной резки;
2. дизельный эффект;
3. кавитация.

а) Эффект струйной резки

Воздух может быть растворимым или нерастворимым в среде. Во всех гидравлических маслах есть молекулярный растворимый воздух. Молекулы газа, возможно, смешаны или связаны с молекулами масла. В зависимости от типа носителя скорость растворенного воздуха будет варьироваться. Растворимый воздух не влияет на характеристики давления масла, вязкости и работоспособности.

Нерастворимый воздух приводит к неустойчивому поведению масла, особенно при низком давлении (около 60 бар). Например, по мере увеличения скорости среды пузырьки воздуха будут рассеиваться на разные расстояния.

Если среда под давлением содержит нерастворимый воздух, этот воздух находится под давлением и попадет в канавку уплотнения. Впоследствии эти пузырьки воздуха будут освобождены, когда давление упадет, что приведет к выделению огромной энергии, вызванной расширением воздуха. В результате происходит воздействие на металлические поверхности и увеличивается шероховатость поверхности.

В результате этих взрывов, если трещины на уплотняющем элементе находятся в направлении цилиндра, эти небольшие каналы вызывают эффект сопла. По мере увеличения скорости масла оно оказывает струйное воздействие на эти форсунки и вызывает порезы на этих деталях. Между тем, молекулы масла с большой скоростью проходят через уплотнение, проникая сзади и изнашивая его заднюю часть. Если в масле слишком много нерастворимого воздуха, это расширение может разорвать уплотнение наполовину. Этот тип повреждения обычно происходит с изделиями из резиновой ткани, которые были погружены в резиновый раствор. Причина в том, что эти продукты содержат слишком много пористости и воздухопроницаемости, в отличие от гомогенизированных резиновых уплотнений.

Этот вид повреждений можно купировать увеличением размеров паза на этапе проектирования. Настоящей причиной этого повреждения является попадание выходящего сжатого воздуха за уплотнение, а не выдавливание. Пузырьки воздуха под давлением повреждают уплотнительный элемент, когда они расширяются, поглощаясь также уплотнительными элементами из гомогенизированного эластомера. Если эти уплотнения снять для осмотра, можно обнаружить повреждения на уплотнительных губках гидравлических уплотнений. Объем уплотнения увеличивается, а материал становится мягче.

Удары давления могут быть с короткими ходами в гидравлических системах. Пузырьки воздуха в системе нагружены высокотемпературной энергией. В идеальном газе давление должно быть положительной функцией температуры, и температура будет увеличиваться с увеличением давления одновременно. Если нагретые пузырьки воздуха расширяются, они начинают изнашивать уплотнительный элемент и отрывать от него куски с высокой температурой и силой. Исследования в этой области показывают, что температура этих пузырьков воздуха может превышать 200°C и даже достигать 1000°C. Эта температура изменяется в зависимости от размера пузырьков воздуха перед давлением, давлением, скоростью и нагрузкой.

б) Дизельный эффект

Наиболее серьезные повреждения гидравлических цилиндров возникают в результате взрыва воздуха в масле в результате воздействия дизельного топлива. Быстро сжатый воздух быстро достигает таких высоких температур, что смесь воздуха и масла взрывается с огнем. Такая ситуация чаще наблюдается в цилиндрах, работающих на нестационарные нагрузки. При этом взрыве давление увеличится в 5-6 раз по сравнению с номинальным рабочим давлением. В результате повреждаются уплотнения, направляющие элементы и металлические поверхности. Это повреждение проявляется в виде локальных прожогов и оплавлений на уплотнительных элементах и ​​термопластичных деталях. 

По этой причине необходимы некоторые дополнительные приложения для предотвращения попадания воздуха в масло в масляных баках, клапанах насосов и цилиндрах. Инженеры по техническому обслуживанию должны быть уверены, что после замены цилиндра в системе не осталось воздуха. В противном случае воздействие струи и дизельного топлива может привести к повреждению уплотнительного элемента.

Гидравлическая система находится в опасности, когда превышен предел растворенного воздуха при нормальном давлении. Даже иногда при предельном вакууме, связанном с насыщением, из системного масла может образовываться воздух с испарением, и уплотнение может быть повреждено (см. раздел «Кавитация»). Если требуется проверка каких-либо проблематичных уплотнений цилиндра, проверку следует проводить одновременно с разработчиком уплотнения и производителем при снятии уплотнения с цилиндра. Потому что замена уплотнительного элемента не решит проблему.

с) Кавитация

Скорость напорной гидравлической среды увеличивается при передаче через шток (например, клапан). По формуле Бернулли (Pst+Pdyn=константа), когда динамическое давление, связанное со скоростью, увеличивается, статическое давление падает, и его можно продолжить для создания вакуума. В результате растворенный в масле воздух испаряется подобно каплям пара. Это называется кавитацией.

Эти паровые капли взрываются при переходе в точку давления. Если этот взрыв происходит на уплотнительном элементе или металлической поверхности, сила, создаваемая взрывом, повреждает поверхности. Это называется струйной эрозией.

Существует небольшая вероятность кавитации в системах, работающих с гидравлическим маслом, поскольку давление водяного пара масла слишком низкое (1,5–2,5 Торр). создаваемой силы достаточно, чтобы повредить даже металлические поверхности. 

Вывод

Нерастворимый в масле воздух очень опасен для гидравлических систем. Как появляется воздух и как мы можем предотвратить это?

1. Запуск, сборка или разборка системы может привести к образованию воздуха. Воздух должен быть удален при установке нового насоса, клапана или поршня, а также при проведении ремонтных работ для технического обслуживания. Например, перед пуском насосов компетентный человек должен удалить воздух из воздушных клапанов, повернув шток или кулачок вручную. Таким же образом следует удалить воздух из поршней и правильно подсоединить шланг или шланговые фитинги.
2. Незакрепленные элементы могут привести к попаданию воздуха в систему. Использование некачественных материалов для фурнитуры является очень распространенной причиной. С другой стороны, элементы фурнитуры часто расшатываются при работе в условиях ударов и вибраций (например, в тяжелых машинах). По этой причине их следует периодически проверять и, по возможности, использовать химические соединения, повышающие герметичность.
3. Иногда конструктивные особенности машины вызывают попадание воздуха в системы. Большинство конструкторов машин работают с минимальным объемом резервуара и расположением насоса из-за нехватки места. Объем масляного бака должен быть в пределах безопасности, когда масло используется всей системой и пока насос работает. Кроме того, выпускное отверстие для возврата масла не должно располагаться слишком близко к впускному отверстию масляного насоса или слишком высоко, чтобы не создавать турбулентность масла. Уплотнения для тяжелых условий эксплуатации следует использовать, особенно при изготовлении поршней тяжелых машин, которые работают в условиях ударов и вибраций. Выступающий зазор уплотнительного элемента (канавка) должен быть больше, а уплотнение поддерживаться направляющими кольцами.

 2. Задача гидродинамического давления 

Гидродинамическое давление является общей проблемой гидроцилиндров. Самое краткое определение гидродинамического давления состоит в том, что давление в пространстве между уплотнительным элементом в гидравлических цилиндрах и направляющим элементом вызывает своего рода постоянную деформацию уплотнения, достигая значения, значительно превышающего давление в системе. Перед объяснением для вашего удобства приведен список основных терминов.

 

• AB — впускные и выпускные отверстия гидроцилиндра
• C — головка поршня
• D — крышка цилиндра
• E — шток 
• F — направляющий элемент
• G — уплотнение штока
• H — уплотнение поршня
• I — грязесъемник
• S — зазор между штоком и направляющим элементом

На чертеже гидравлического цилиндра двойного действия, как показано на рисунке выше, среда под давлением входит из порта A и приводит к движению штока вправо. При этом сжатая среда заполняет зазор между штоком и направляющим элементом «S» и зазор перед уплотнением штока. Если среда под давлением направляется на сторону B, а сторона A становится резервуаром, шток начинает двигаться влево по длине хода цилиндра под действием давления.

Между тем, если в зазоре «S» были применены жесткие допуски, очевидно, что большая часть гидравлической среды, которая остается на передней поверхности уплотнения, не может образовать резервуар из линии A. В этом приложении на каждом этапе расход масла в среде увеличивается, и система начинает работать как насос и создает большее давление, чем обычно. Следовательно, уплотнение и, возможно, цилиндр повреждены. 

 

На рис. секция штока в конструкции гидроцилиндра удалена, а на графике показано увеличение гидродинамического давления (ph). Результат этого увеличения при повторном движении можно рассчитать по приведенной ниже эмпирической формуле.

Ph= 6V.LY.1/S2

Как видно из приведенного выше уравнения, скорость скольжения гидродинамического давления напрямую связана с длиной направляющей, динамической вязкостью среды и зазором между стержнем и направляющим элементом.

V= скорость скольжения (м/с)

ly= длина направляющей (м)

l= динамическая вязкость (Па.сн)

S= зазор между стержнем и направляющей (мм)

Некоторые советы и решения по гидродинамическому давлению приведены в параграфах ниже. Уменьшение трех цифр, которые приведены в числителе гидродинамической формулы (скорость скольжения, длина направляющей и динамическая вязкость), может показаться решением, но, вообще говоря, из-за возможных проблем с гидравлическим проектированием, мы не должны касаться этих цифр. Если скорость зазора между направляющим элементом и стержнем увеличить, то можно увидеть, что произойдет уменьшение значения гидродинамического давления, пропорционально квадратному корню из этого увеличения. В результате расширения зазора «S» направляющий элемент в гидроцилиндре не будет функционировать должным образом, и возникнут более серьезные проблемы с действием перпендикулярных сил в гидроцилиндре.

Некоторые из деталей, которые используются в качестве направляющих элементов в гидравлических цилиндрах, следующие:

1. Направляющие из фенольной смолы (волокна)
2. Направляющие с замком
3. Бронзовые направляющие
4. Направляющие из полиацеталя (POM) или полиамида (PA)
5. Направляющие из PTFE
6. Металлические кольца со специальным тефлоновым покрытием. 

Очевидно, что в зависимости от типа направляющего элемента решения могут различаться. Открыв спиральные канавки на направляющих элементах из чугуна или бронзы, которые используются на рис.12, можно предотвратить скопление среды, которое может произойти на передней части уплотнительного элемента. 

 

Если невозможно создать винтовые канавки, как показано на рис. 13, гидродинамическое давление можно предотвратить, сделав дренажное отверстие в корпусе штокового уплотнения. 

Если используются направляющие ленты, как показано на рис. 14, наиболее важным фактором является наличие зазора «k» на направляющих элементах. Необходимо оставить зазор, как показано на рисунке, обозначенном буквой «k». Гидравлическая среда, которая остается на передней части уплотнения во время процесса, должна возвращаться в систему через этот зазор. 

Ниже приведены минимальные рекомендуемые значения зазора «k»; 

 

Вывод

Гидродинамическое давление может привести к повреждению уплотнительных элементов гидросистемы и деталей гидроцилиндра. Следовательно, в конструкции и применении гидроцилиндра не должно допускаться нарастание гидродинамического давления.