EN
Гидравлическая система не может обходиться без таких ключевых компонентов, как гидравлические насосы, гидравлические клапаны, гидравлические двигатели и гидравлические цилиндры. Кто-то может спросить: поскольку вода повсюду и дешева, можно ли напрямую использовать воду вместо гидравлического масла?
Ответ таков: теоретически это возможно, однако последствия будут неудовлетворительными. Это всё равно что пытаться буксировать грузовик на обычном велосипеде: он сдвинется несколько раз, но рассчитывать на высокую производительность или длительный срок службы не приходится. Рассмотрим причины с пяти точек зрения ниже.
1. Недостаточная смазка
Принцип: гидравлическое масло образует стабильную масляную плёнку на металлической поверхности (жидкостная смазка / эластогидродинамическая смазка), превращая прямой контакт между металлами в сдвиг «масло по маслу», что значительно снижает износ и выделение тепла. Вода практически не образует плёнки, а её способность к граничной смазке близка к нулю.
Справочная шкала: динамическая вязкость воды при 20 ° C ≈ 1 МПа · °C; динамическая вязкость гидравлического масла ISO VG 32 при 40 ° °C составляет примерно 25–30 мПа· · с (незначительно варьируется в зависимости от плотности). Вода в 20–30 раз менее вязка, чем обычные гидравлические масла.
Области, склонные к возникновению проблем:
Износ боковой плиты и рабочих поверхностей зубьев шестерёнчатого насоса, заедание и заклинивание;
Царапины и синюшность на поверхности трения между концом лопатки лопастного насоса и неподвижным кольцом;
Сухое трение на сопрягаемых поверхностях цилиндровой втулки и плунжера аксиально-поршневого насоса, а также на поверхности скольжения подшипника-подошвы на наклонной шайбе;
Малый зазор между золотником и корпусом клапана (в пределах нескольких микрометров) может стать «растрёпанным» и заклинить после потери смазки.
Пример
Проведение испытания плунжерного насоса низкого расхода с рабочим давлением 25 МПа на чистой воде: даже без нагрузки в течение десятков минут или нескольких часов может наблюдаться быстрый рост температуры и громкий аномальный шум; при осмотре обнаруживаются царапины на поверхности скользящей подушки, а на торцевой поверхности плунжера — чёрные и синие следы.
Если в пластинчатом насосе исчезнет масляная плёнка, то уже через несколько часов работы возникнут резкий свист и невозможность достижения номинального давления. После разборки на кромках лопастей будут видны явные «канавки».
2. Проблемы коррозии
Принцип: вода содержит растворённый кислород и электролиты, что способствует электрохимической коррозии; одновременно она ускоряет образование питтинговой и щелевой коррозии. Вода также вызывает поглощение воды и набухание типичных уплотнительных и эластичных материалов (например, NBR, PU и др.), ускоряя их старение.
Области, склонные к возникновению проблем: питтинговая коррозия на посадочной поверхности золотника и корпуса клапана → прилипание и ползание; хромированный слой на поршневом штоке масляного цилиндра подвергся коррозии, а уплотнительная кромка заточилась; коррозия на боковой пластине и внутренней стенке корпуса шестерёнчатого насоса → попадание абразивных частиц в циркуляцию; уплотнительный элемент (NBR/PU) впитывает воду, теряет твёрдость и изменяет свои размеры, что приводит к увеличению утечек. Пример: если наружное оборудование после погружения в воду не осушить и не слить остатки воды вовремя, то через три–пять дней на сердечнике клапана может образоваться поверхностная ржавчина, проявляющаяся замедленным срабатыванием и вибрацией при запуске. В некоторых машинах для литья под давлением по ошибке охлаждающую воду подключают к гидравлической системе, что вызывает появление ржавых пятен на гильзе цилиндра уже через несколько дней, а затем — царапины на уплотнительной кромке из-за питтинговой коррозии и резкое увеличение утечки масла.
3. Риск кавитации
Принцип: У воды низкая температура кипения и высокое давление насыщенных паров. Как только локальное давление на входе насоса становится ниже давления насыщенных паров воды, вода испаряется с образованием пузырьков; эти пузырьки мгновенно коллапсируют в зоне высокого давления, порождая микроструи и ударные волны, которые формируют ямки (очаги кавитации), напоминающие эффект пескоструйной обработки. Справочное значение: давление насыщенных паров воды при 60 ° °C составляет около 20 кПа — значительно выше, чем давление насыщенных паров гидравлического масла; поэтому при одинаковых условиях всасывания кавитация возникает вероятнее. Области, склонные к проблемам: вершины зубьев шестерённого насоса — зона входа в боковую плиту, входная камера лопастного насоса, всасывающее окно распределительной плиты плунжерного насоса; локальные зоны пониженного давления в местах дросселирования и на острых углах.
Пример
Шестерёнчатый насос производительностью 30 л/мин при работе на воде с частотой вращения 1500 об/мин и при наличии длинного всасывающего трубопровода или тонкого фильтрующего элемента будет издавать «шум, напоминающий шлифовку наждачной бумагой / гудение». Через несколько дней на боковой пластине появятся язвы и полумесяцевидные углубления, а объёмный КПД снизится с 90 % до 60–70 %.
Малое отверстие клапана ограничивает расход водяной среды. При высоких температурах на корпусе и седле клапана часто образуются игольчатые язвы, что приводит к увеличению внутренней утечки и шума.
4. Принцип недостаточной вязкости: герметизация и контроль утечек в гидравлических системах в значительной степени зависят от вязкости рабочей среды. Проще говоря, ламинарная утечка Qleak в зазоре приблизительно пропорциональна 1/μ μ 1/μ μ (при фиксированной геометрии и перепаде давления). При замене рабочей среды с вязкостью 30 мПа·с · на 1 мПа·с · теоретическая утечка может возрасти в десятки раз.
5. Принцип температурной чувствительности: при замерзании воды при 0 °C ° C, его объем увеличивается примерно на 9 %, что приводит к образованию трещин в тонкостенных деталях/трубопроводах; при высоких температурах интенсифицируется испарение и растет давление паров, что вызывает более частое возникновение кавитации и колебания давления. Гидравлическое масло содержит присадку для улучшения вязкостно-температурных свойств и антиоксидант, обеспечивая широкий рабочий диапазон температур.
Влияние на месте эксплуатации: низкая температура — замерзание → трещины на всасывающем патрубке насоса/корпусе; воздействие особенно сильно в момент пуска, когда уплотнительная кромка «разрывается»; высокая температура — частая кавитация и кавитация на входе в насос; повышение пульсаций давления и шума приводит к быстрым колебаниям исполнительных компонентов.
Пример
Наружное оборудование на севере ночью охлаждалось ниже нуля, и остаточная вода в трубопроводе замерзла. На следующий день при запуске на корпусе шестерёнчатого насоса появились мелкие трещины;
На участке непрерывной разливки стали в металлургическом производстве при температуре окружающей среды 60–70 °C ° C, в испытательной схеме, где в качестве рабочей среды используется вода, при высоких температурах часто возникает шум на выходе насоса и падение давления. Лишь после возврата к водно-этиленгликолевой смеси работа схемы едва стабилизировалась.
Прямое следствие: значительное снижение объёмного КПД (особенно выражено при повышенных давлениях); медленное нарастание давления и «ползучесть» нагрузки; внутренняя утечка в сердечнике клапана возрастает, что приводит к расхождению в статическом давлении системы и увеличению нагрева. Пример: при использовании воды в качестве рабочей среды шестерёнчатый насос с номинальным давлением 20 МПа ещё способен вращаться в холостом режиме, однако не может развить давление под нагрузкой 8–10 МПа; после замены той же самой рабочей среды на гидравлическое масло VG46 насос восстанавливает способность создавать давление 18–20 МПа. Компоненты, такие как пропорциональные сервоклапаны, чрезвычайно чувствительные к малым зазорам, при замене рабочей среды на низковязкую демонстрируют серьёзные утечки в нулевом положении и дрейф, из-за чего стабилизация контура позиционирования становится затруднительной.
С учетом изложенных мною соображений гидравлические двигатели по-прежнему лучше совместимы с гидравлическим маслом.
Однако следует отметить, что в промышленности существуют водосодержащие гидравлические жидкости (HFA/HFB/HFC, например, водный этиленгликоль), а также насосы/клапаны/уплотнения и материалы, специально разработанные для их применения (нержавеющая сталь/никелевое покрытие, керамика, EPDM/PTFE и др.). Тем не менее это относится к специализированной системной инженерии, и недостаточно просто заменить существующую масляную систему водой.