Несколько способов повышения надёжности гидросистем

Речь пойдёт, как ясно из названия, о повышении надёжности гидросистем. Всем известно, что самые надёжные гидравлические системы разрабатываются для авиации, но когда речь заходит о том, чтобы перенять часть опыта для самых обыкновенных наземных гидросистем, у конструкторов моментально встаёт перед глазами „авиационный“ ценник и включается режим непреодолимого скепсиса. Поэтому в этом материале мы не будем рассказывать о системах резервирования, многоканальных приводах и способов повышения живучести гидросистемы при взрыве двигателя, а остановимся лишь на приёмах, которые практически не требуют дополнительных вложений, но тем не менее, могут существенно повысить надёжность всей системы.

Самые неприятные отказы в гидросистемах происходят из-за грязи. Если обрыв рукава высокого давления виден и слышен сразу, то грязь обычно приводит к загадочным явлениям, которые порой ставят в ступор не только эксплуатирующий персонал, но и самих конструкторов. 

В системе не поднимается давление? 

В системе слишком сильно поднимается давление? 

Система перегревается? 

Насос орёт? 

Гидравлический распределитель то работает, то не работает? 

Гидромотор подклинивает и дёргается? 

Все признаки поломки пропадают, когда приходит наладчик? 

Тогда это точно грязь…

Поэтому в первую очередь, конечно, речь пойдёт о том как не загадить рабочую жидкость. Начать при этом стоит с самого процесса проектирования. Очень часто в гидравлических схемах мобильной техники можно увидеть следующий эпизод:

Благие намерения заставляют конструктора устанавливать обратный клапан параллельно напорному фильтру. Логика простая: если фильтр вдруг засорится и через него не будет идти жидкость, то она пойдёт в обход через клапан, предохраняя насос от повышения давления.

Не будем утверждать, что этот вариант совсем уж не имеет права на жизнь (всё-таки, почему-то ведь его вставляют в учебники), наверное это неплохой вариант, когда не жалко места, массы и денег (например, в гидроприводе станка). В остальных случаях мы бы использовали этот вариант крайне осторожно по следующим причинам:

1. Нужно всегда помнить, что при низких температурах (например, во время холодного пуска) скорее всего возникнет момент, когда вся жидкость пойдёт через обратный клапан.

2. Под запорно-регулирующий элемент (шарик, конус) может попасть монтажное загрязнение (стружка из соединения) и тогда грязь будет идти в систему на постоянной основе.

Чтобы предотвратить пункты 1 и 2, т.е. чтобы гарантировать, что обратный клапан практически никогда не будет открываться, тонкость фильтрации выбирается достаточно грубая — 25..40 мкм. Таким образом, этот фильтр уже можно считать лишь защитным, но никак не средством очистки рабочей жидкости. Другими словами, предназначен он на случай, когда насос начнёт активно изнашиваться. Теперь давайте представим что должно случиться, чтобы такой фильтр раньше регламентного срока засорился… Очевидно, что в этом случае речь идёт уже не об износе, а о процессе разрушения насоса, когда он лавинообразно начинает поставлять всё больше и больше металлической стружки, забивая фильтр. И вот, когда стружки становится настолько много, что перепад давления превышает силу поджатия пружины клапана… мы пускаем весь этот мусор в систему в обход фильтра! Последствия могут быть различными (вполне возможно, что даже ничего не заклинит, а насос просто перестанет держать давление вследствие износа), но одно можно сказать точно — после этого нужно будет обязательно менять масло и заново промывать всю гидросистему.

Простое решение для сливного фильтра выглядит так:

Сливные фильтры обычно дешевле и меньше по габаритам, а значит можно раскошелиться немного и поставить ещё один фильтр в „холодный“ резерв через обратный клапан. В этом случае после срабатывания индикатора загрязнённости (будь то визуальный или с электрическим выходом) можно не дёргаться, а спокойно дорабатывать до конца смены, а потом уже поменять фильтроэлемент.

Для напорного же фильтра гораздо надёжнее, как ни странно, выглядит предельно простая схема:

В этом случае можно использовать фильтр любой требуемой тонкости фильтрации (хоть 5 мкм) с индикатором загрязнённости, а на случай засорения непосредственно перед насосом ставят предохранительный клапан:

Естественно, сам предохранительный клапан должен быть прямого действия (прежде всего, из-за быстродействия), но даже в этом случае он может быть чувствителен к загрязнению. Типичная ситуация — клапан настраивается сразу после монтажа на определённое давление, а после этого в системе просто не поднимается давление. Причина — попавшая под запорно-регулирующий элемент металлическая частица, коих, понятное дело, насос поставляет (вследствие износа) в достаточно большом количестве.

Решение этой проблемы — настраивать предохранительный клапан на отдельном стенде, в котором присутствует напорный фильтр тонкой очистки. После настройки клапан нужно опломбировать, аккуратно поставить в систему и больше никогда не трогать. Срабатывать в идеале он должен крайне редко и кратковременно, и всегда это должно быть поводом для детального анализа причин экстремальных забросов давления.

В случае же переливного клапана (когда „лишняя“ жидкость сливается в бак для поддержания определённого давления), необходимо использовать следующую схему:

Дроссель усилительного каскада переливного клапана, а также сам пилотный клапан должны быть обязательно защищены фильтром тонкой очистки, здесь вариантов особо быть не может. Кроме того, при активной работе этого клапана, нужно обязательно пускать слив через теплообменник, если нет желания моментально вскипятить бак.

Возвращаясь к теме фильтров, поговорим о всасывающем фильтре насоса…

Вообще, всасывающие фильтры, судя по всему, появились в те времена, когда рабочую жидкость хранили не в закрытых баках, а в десятилитровых оцинкованных вёдрах вместе с ржавыми гвоздями и опавшими листьями. Сейчас их имеет смысл использовать в тех случаях, когда нет никакой технологической возможности сделать гарантированно чистый бак, либо проконтролировать, чтобы рабочие не лили в него что попало.

Причина — от всасывающего фильтра проблем больше, чем пользы. Любое гидравлическое сопротивление во всасывающей линии снижает кавитационный запас насоса и заставляет его истошно орать. В случае же холодного пуска при отрицательных температурах всасывающий фильтр может легко организовать сухую работу насоса с последующим свариванием трущихся узлов. В идеале насос должен всасывать жидкость прямо из бака, вообще без трубопроводов. Поэтому лучше делать как на этой схеме:

В идеале, всё что попадает в бак, должно проходить через фильтр тонкой очистки (включая дренаж насоса). Заправка и доливка жидкости должны осуществляться закрытым способом через заправочные фильтры, а заливную горловину вообще лучше убрать от греха…

Теперь, когда у нас есть идеально чистый бак, а на выходе из насоса стоит фильтр тонкой очистки, казалось бы, можно расслабиться… но нет тут-то было! Помимо загрязнений в виде продуктов износа, есть ещё монтажные загрязнения. Хоть сейчас уже и не принято гнуть трубы, забивая их песком (в авиации это вообще запрещено), а все штуцеры тщательно отмываются в керосине и чистятся ультразвуком, всё равно есть вероятность, что при стягивании соединений образуется заусенец, который спустя некоторое время (дождавшись, когда систему промоют и доведут класс чистоты рабочей жидкости до нужного уровня) отправится путешествовать по гидросистеме и заклинит какой-нибудь жизненно важный золотник. Чтобы предотвратить это, каждый чувствительный к подобным загрязнениям агрегат, необходимо защищать грубым входным фильтром (тонкость фильтрации порядка 100 мкм):

На практике это выглядит не так страшно как на схеме. Просто вокруг гильзы обворачивают достаточно грубую сетку, которая почти не создаёт гидравлического сопротивления и практически ничего не стоит. У многих производителей клапанов даже есть готовые решения на этот счёт.

Конечно, всё, что написано выше — вопросы дискуссионные. Уверены, найдётся много инженеров, которые скажут, что всю жизнь лили отработку в бак экскаватора и всё нормально работало (а если и ломалось, то быстро чинилось). Конечно, далеко не всегда с наземной техникой имеет смысл заморачиваться так же как и с самолётом, но с другой стороны, когда речь идёт лишь о том, чтобы по-другому соединить агрегаты, повышая в несколько раз надёжность, почему бы это не сделать?