14.5. Кондиционеры рабочей жидкости
Кондиционерами рабочей жидкости называются устройства, предназначенные для получения необходимых качественных показателей состояния рабочей жидкости (кондиций). В гидравлических приводах применяются два вида кондиционеров: отделители твердых частиц и теплообменники.
14.5.1. Отделители твердых частиц
Отделитель твердых частиц – это устройство для отделения от рабочей жидкости загрязняющих примесей.
Загрязнения в жидкости появляются в результате износа или окисления деталей гидромашин и гидроаппаратов.
Отделители твердых частиц характеризуются качеством (тонкостью) фильтрации, под которым понимают способность задерживать (отделять) из рабочей жидкости частицы соответствующих размеров. По качеству фильтрации отделители твердых частиц бывают: грубой очистки, задерживающие частицы с условным диаметром до 100 мкм; нормальной очистки – до 10 мкм; тонкой – до 5 мкм и особо тонкой очистки – до 1 мкм. По принципу действия отделители твердых частиц делятся на фильтры и сепараторы.
Фильтр – это отделитель твердых частиц, в котором очистка рабочей жидкости происходит при ее прохождении через фильтрующий элемент (фильтроэлемент). В зависимости от конструкции фильтрующего элемента различают щелевые, сетчатые и пористые фильтры.
В щелевых фильтрах очистка происходит при прохождении жидкости через щели, которые образованы набором пластин (пластинчатые фильтры) или проволочной навивкой (проволочные). В большинстве случаев они используются в качестве фильтров грубой очистки.
В сетчатых фильтрах очистка происходит при прохождении рабочей жидкости через ячейки сетки, полученные в результате квадратного или саржевого плетения из металлической (чаще никелевой) проволоки. Такие фильтры, как правило, используются как фильтры нормальной очистки.
В пористых фильтрах очистка происходит при прохождении рабочей жидкости через поры фильтрующего элемента. К ним относятся бумажные, керамические и металлокерамические фильтры. Такие фильтры обеспечивают тонкую и особо тонкую степень фильтрации.
Рассмотренные фильтроэлементы устанавливаются в корпусе фильтра таким образом, чтобы жидкость проходила через них в гидросистему, а отделенные твердые частицы оставались в корпусе фильтра. На рис. 14.5, а приведена одна из наиболее распространенных конструктивных схем фильтра. Жидкость поступает в фильтр через отверстие в крышке 5 корпуса и попадает в стакан 3 корпуса, где установлен фильтрующий элемент 2. Проходя через фильтроэлемент 2, жидкость очищается, а отделенные твердые частицы оседают на дне стакана 3. Очищенная жидкость через прорези в трубчатом стержне 4, его внутренний канал и отверстие в крышке 5
поступает в гидросистему. Отфильтрованные примеси периодически удаляются через сливное отверстие, закрытое пробкой 1. Фильтроэлемент 2 после засорения может подвергаться очистке с целью многократного использования.
На схемах фильтры условно обозначаются в виде ромба с прерывистой линией внутри, под которой понимается фильтроэлемент (рис. 14.5, б, в).
В некоторые фильтры встраивают клапаны для обеспечения работы гидросистемы при засорении фильтра. Например, на рис. 14.5, 6 приведена принципиальная схема фильтра с клапаном перепада давления. При засорении фильтроэлемента 2 и увеличении на нем перепада давлений открывается клапан 6 и часть потока жидкости (или весь поток) движется, минуя фильтроэлемент. Кроме того, выпускаются фильтры с индикаторными устройствами, которые показывают степень засорения фильтроэлемента.
При выборе типа фильтра учитывают расход жидкости, требуемую тонкость фильтрации, давление и место установки фильтра в гидросистеме. Включение фильтров в гидросистему может производиться по двум схемам: последовательно (через фильтр проходит весь поток рабочей жидкости) и параллельно (обеспечивается фильтрация только части потока).
Для фильтра, включенного во всасывающую гидролинию (перед насосом), характерна работа при низком давлении. Однако по мере загрязнения фильтра увеличивается сопротивление во всасывающей линии и возрастает вероятность возникновения кавитации на входе насоса. Обычно в таких местах устанавливают фильтры грубой очистки с малым рабочим перепадом давления, рассчитанные на большой расход жидкости.
Для фильтра, включенного в напорную линию (после насоса), характерна работа при высоком давлении рабочей жидкости. Поэтому у корпуса такого фильтра существенно увеличена толщина стенок для обеспечения требуемой прочности. Соответственно возрастает его масса. Кроме того, при таком включении фильтра насос не защищен от примесей, имеющихся в жидкости.
Установка фильтра в сливной линии, хотя непосредственно и не предохраняет гидравлические агрегаты от загрязняющих частиц, имеет существенные преимущества. Во-первых, фильтр не препятствует всасыванию. Во-вторых, корпус фильтра не подвержен большому давлению и при этом защищает жидкость, находящуюся в гидробаке, от продуктов износа. Однако в этом случае при загрязнении фильтра возрастает давление в сливной гидролинии.
На рис. 14.5, в показана схема установки фильтра в гидролинию, в которой возможен реверс потока жидкости. Обратные клапаны 7, 8, 9 и 10 обеспечивают постоянное направление потока рабочей жидкости через фильтр независимо от направления потока рабочей жидкости в гидролинии.
Расчет фильтров сводится к определению площади фильтрующей поверхности исходя из расхода Q, допустимого перепада давлений Δр на фильтре и удельной пропускной способности фильтрующего материала q. Площадь S фильтрующей поверхности определяется по формуле
Для наиболее часто используемых материалов можно принимать следующие значения q: густая металлическая сетка – 0,05 л/см2 сетка из хлопчатобумажной ткани – 0,09 л/см2 мягкий густой войлок толщиной 10 мм – 0,015 л/см2 пластинчатый фильтр с зазором 0,08 мм – 0,08 л/см2.
Сепараторы – это отделители твердых частиц, в которых очистка рабочей жидкости происходит под воздействием каких-либо сил. В зависимости от физической природы действующей силы сепараторы разделяются на магнитные, центробежные, электростатические.
В гидроприводах применяются в основном магнитные сепараторы, улавливающие ферромагнитные включения, которые появляются в рабочей жидкости. Промышленностью серийно выпускаются магнитные сепараторьт типа ФМ с пропускной способностью от 0,1 до 7,0 л/с и качеством фильтрации до 5 мкм. Магнитные сепараторы могут отфильтровывать только частицы, обладающие магнитными свойствами. Простейшими магнитными сепараторами являются сливные пробки, изготовленные из магнитного материала.
В центробежных сепараторах (центрифугах) жидкость очищается под действием центробежных сил. Принципиальная схема
такого сепаратора представлена на рис. 14.6, а. Жидкость, подлежащая очистке, подается через полую ось в полость вращающегося ротора (n = 1000…8000 об/мин), в котором она раскручивается. При этом тяжелые примеси отбрасываются под действием центробежных сил к стенкам ротора и осаждаются на них.
Электростатические сепараторы применяются для тонкой очистки жидкости от электризованных твердых частиц. Принцип действия такого сепаратора заключается в том, что находящиеся в жидкости частицы 1 (рис. 14.6, б) заряжаются статическим электричеством при движении их с диэлектрической жидкостью в результате электризации трением. Попадая в электрическое поле, созданное электродами 3 и 4, помещенными в корпус 2 сепаратора, эти частицы притягиваются к тому или другому электроду в зависимости от знака электрического заряда частицы. В момент соприкосновения заряженной частицы с электродом ее заряд может нейтрализоваться. Поэтому для удержания частицы на электроде устанавливаются пористые диэлектрические пластины 5.