2.2. Причины изменения технического состояния и отказов гидравлических и пневматических систем

В общую систему с механическими узлами и деталями в современных машинах и механизмах часто включаются гидравлические и пневматические системы, которые обычно выполняют функцию приводов рабочих органов различного назначения.

Такие приводы представляют собой совокупность источника питания энергией и устройства для преобразования и транспортирования энергии к рабочему органу посредством рабочего тела – жидкости или газа.

Основными элементами гидро- и пневмоприводов являются: источники питания, распределители и усилители мощности, исполнительные органы, устройства управления, магистрали и трубопроводы, а также уплотнения, емкости, фильтры и т. п.

Источником питания может быть гидро- или пневмонасос с двигателем или аккумулятор рабочего тела.

Распределители и усилители мощности представляют собой золотниковые пары и дроссели различных типов.

Исполнительными органами являются гидро- и пневмоцилиндры и объемные двигатели.

Устройства управления делятся на устройства механического и электрического управления и в общем случае представляют собой совокупность регуляторов расхода, давления и направления потоков рабочего тела. Роль таких регуляторов выполняют золотниковые пары, дроссели, клапаны, обратные клапаны, гидрозамки и т. п.

Магистрали и трубопроводы выполняют функции путей транспортирования энергии рабочим телом.

Гидравлические и пневматические системы как правило являются ответственными узлами, от которых зависит работоспособность технической системы в целом. Поэтому с целью избежания причин изменения технического состояния гидравлических и пневматических систем к их проектирова-нию, изготовлению и эксплуатации предъявляются повышенные требования.

Конструктивными причинами изменения технического состояния и отказов гидравлических и пневматических систем чаще всего являются:

• ошибки в расчете и распределении нагрузок,

• неправильный выбор материалов и методов термической обработки,

• неправильный выбор методов формообразования деталей,

• неправильный расчет уплотнений и др.

К технологическим ошибкам и дефектам относятся:

• ошибки в составе материалов,

• нарушение технологии формообразования деталей,

• ошибки и дефекты при нанесении упрочняющих и антикоррозионных покрытий,

• ошибки и дефекты термообработки (недостаточная твердость и износостойкость, изменение размеров деталей),

• ошибки и дефекты сварки, сборки и механической обработки.

Конструктивные и технологические негативные факторы проявляются в процессе эксплуатации технических систем, дополняя и ускоряя действие эксплуатационных факторов. Факторы, оказывающие влияние на техническое состояние гидравлических и пневматических систем при их эксплуатации, делят на

• климатические,

• гидравлические и

• механические или нагрузочные.

Наиболее важным из климатических факторов является температура. При этом отрицательное воздействие оказывает не только существенно низкая или высокая температура окружающей среды, но и периодические резкие изменения температуры. Понижение температуры приводит к охрупчиванию пластмассовых и резиновых деталей, загустению смазки, деформации деталей и т. д. Повышенная температура также вызывает деформацию деталей, изменение структуры полимеров, являющихся материалом пластмассовых и резиновых деталей, снижение вязкости смазочных материалов. Резкие изменения температуры ускоряют процесс старения как полимерных так и металлических деталей, приводят к температурной деформации деталей привода.

Влажность воздуха, иней и роса оказывают неблагоприятное воздействие на гидро- и пневмоприводы. Находясь на поверхности и проникая внутрь металла через поры и трещины, влага вызывает его коррозию. При контакте с элементами электронных систем управления она изменяет их электрические параметры, нарушая работу систем управления.

Пыль, песок, водяные брызги также являются существенными климатическими факторами, оказывающими отрицательное воздействие на гидрав-лические и пневматические системы, эксплуатирующиеся в незащищенных местах. Пыль и песок ускоряют износ подвижных соединений и загрязняют рабочие жидкости. Водяные брызги вызывают коррозию металлических деталей и могут вывести из строя детали электропривода и электронной аппаратуры.

Для гидравлических приводов, рабочим телом в которых является жидкость, существенно влияющими на техническое состояние оказываются гидравлические факторы, к которым относятся загрязненность рабочей жидкости, степень содержания в ней воздуха и температурные изменения ее характеристик.

Контактируя с резиновыми уплотнениями, рабочая жидкость часто оказывает на них неблагоприятное воздействие. В зависимости от материала уплотнений и состава рабочей жидкости между ними происходят химические реакции, приводящие к набуханию или усадке уплотнений. Набухание уплотнений может происходить также в результате механического проникновения рабочей жидкости в материал уплотнений. Повышенное содержание серы в рабочей жидкости приводит к отвердению и охрупчиванию поверхности резины с последующим ее растрескиванием. Процессу отвердения способствует повышенная температура поверхностей трения резиновых уплотнений.

Очищенная перед заправкой рабочая жидкость постепенно загрязняется попадающей из окружающей среды через системы дренажа и уплотнения пылью, а также продуктами износа сопряженных деталей привода и окисления как молекул самой рабочей жидкости, так и элементов присадок. Загрязненная жидкость постепенно засоряет фильтры, увеличивая тем самым нагрузку на гидронасосы, способствует износу золотниковых элементов и дроссельных отверстий, что, в свою очередь, приводит к снижению объемного коэффициента полезного действия насоса.

Присутствие в рабочей жидкости воздуха изменяет ее упругость, которая определяет динамические характеристики рабочей жидкости. В настоящее время распространяются системы с автоматическим регулированием давления подачи рабочей жидкости. Наполненная воздухом рабочая жидкость является дополнительным упругим элементом в замкнутой системе автоматического регулирования, что при недостатке демпфирования может привести к потере устойчивости и, вследствие этого, даже выходу из строя гидравлического привода.

При движении рабочей жидкости по каналам привода давление в жидкости распределяется не равномерно, а зависит от скорости потока на отдельных участках. При снижении давления ниже критической величины растворенный в рабочей жидкости воздух выделяется в виде пузырьков, нарушая сплошность потока. Это явление называется кавитацией. При попадании в зону высокого давления кавитационные пузырьки лопаются, вызывая удары жидкости о стенки каналов, что постепенно приводит к раз-упрочнению и разрушению твердых материалов.

Температура оказывает влияние на вязкость и плотность рабочей жидкости. Уменьшение вязкости и плотности при повышении температуры снижает сопротивление движению жидкости, что благоприятно сказывается на механическом коэффициенте полезного действия привода. Однако при этом возрастают утечки рабочей жидкости, а это приводит к снижению объемного коэффициента полезного действия. При понижении температуры объемный коэффициент полезного действия увеличивается, а механический уменьшается. В связи с этим, для каждого гидропривода существует значение температуры рабочей жидкости, при которой общие потери мощности минимальны, а общий коэффициент полезного действия максимален.

К механическим (нагрузочным) факторам, влияющим на техническое состояние гидро- и пневмоприводов, относятся удары, толчки, вибрации и изменение нагрузки на исполнительных органах, обусловленные работой как самих приводов, так и сопряженных с ними механизмов.

Удары, толчки и изменение нагрузки на исполнительных органах могут деформировать пластичные детали конструкции. Кроме того, удары и толчки вызывают колебания упругих элементов конструкции с собственной частотой. Колебания способствуют постепенному появлению трещин в деталях, изготовленных из хрупких материалов, и, в конечном итоге, могут привести к поломке этих деталей. Воздействие вибраций вызывает вынужденные механические колебания конструкции, которые также разрушают хрупкие материалы, вызывают усталостное старение пластичных материалов, а при определенных частотах могут нарушить работу системы автоматического регулирования гидравлического привода.

На устойчивость работы гидравлических и пневматических приводов также оказывают влияние так называемые позиционные нагрузки, инерционные нагрузки и силы трения.

Позиционными называются нагрузки, изменяющиеся пропорционально перемещению исполнительного органа от нейтрального положения. Поэтому другое их название – пружинные нагрузки. Инерционные нагрузки обусловлены инерционностью (массой или моментом инерции) исполнительных органов и связанных с ними масс. Позиционные и инерционные нагрузки превращают привод в колебательную систему, что при недостатке сил трения в приводе приводит к переходным колебательным процессам исполнительного органа, а при попытке автоматического регулирования положения исполнительного органа может вызвать потерю устойчивости.

Как показывает практика, большинство отказов гидро- и пневмоприводов обусловлено выходом из строя уплотнений вследствие усталостного износа и теплового старения резины. В гидроприводах старению резины способствует влияние рабочей жидкости. Большое число отказов происходит из-за разрушения трубопроводов и шлангов. К отказам приводит и повышение усилия страгивания подвижных звеньев золотниковых распределительных устройств и утечки через золотниковые пары, а также износ и засорение дросселей и фильтров. Для приводов с электрическим управлением большая доля отказов связана с выходом из строя электрических элементов – датчиков обратной связи, электроклапанов и т. п. Повышение эксплуатационных силовых нагрузок может привести к механической поломке силовых элементов привода.