Водная гидравлика - проблемы и тенденции

Водная гидравлика - весьма заманчивая идея, особенно с точки зрения пожаробезопасности, экологической чистоты и низкой стоимости рабочей жидкости (РЖ). Она уже довольно продолжительное время занимает умы конструкторов гидрооборудования, однако ее окончательное решение, возможно, еще впереди.

Анализируя эту проблему, подчеркнем, что речь идет об использовании именно чистой воды в качестве РЖ.

Водомасляные эмульсии с высоким содержанием воды (до 95–98 %) широко применяются, особенно в прессовом, горнодобывающем и металлургическом гидрооборудовании, но данное направление не рассматривается в статье.

НИОКР по созданию водной гидравлики ведутся передовыми инофирмами уже несколько десятилетий. На Ганноверской ярмарке 1999 г. три фирмы (Hytar Oy Water Hydraulics, Danfoss Antriebs- und Regeltechnik GmbH и Fenner Fluid Power) предлагали аксиально-поршневые насосы для работы на воде с давлением до 14 МПа. Поворотные приводы фирмы Walter Voss Fluidtechnik GmbH работают с таким же давлением. В экспозиции фирмы Danfoss Antriebs демонстрировались модульные гидроаппараты для работы на воде, пластинчатый гидромотор (рабочий объем Vо = 160 см³; давление р = 5 МПа; частота вращения n = 15…200 мин^-1), направляющие аппараты с корпусом из высококачественной коррозионно-стойкой стали и регулятор потока (р = 5 МПа; расход до 25 л/мин), комплектные насосные установки.

Система управления механизмом наклона плавильной печи немецкой компании "Тифенбах Контрол Системз ГмбХ"

Аксиально-поршневые гидромашины финской фирмы Hytar Oy Water Hydraulics могут работать на чистой питьевой воде, морской воде и жидкостях HFA. Их параметры: V_о = 20, 31 и 40 см³, р = 21…16 МПа. Уже имеются примеры промышленного внедрения в металлургии.

Фирма Link+Sturzebecher GmbH представила новые варианты цилиндров из усиленного волокнистого синтетического материала, которые эксплуатируются с различными РЖ (в том числе с водой). При ходе 250 мм и развиваемом усилии до 1979 кН масса не превышает 47 кг. Специальное исполнение рассчитано на давление до 70 МПа.

Пропорциональный клапан с коническим седлом фирмы Walter Voss Fluidtechnik GmbH способен регулировать давление воды до 32 МПа. Запорный элемент клапана изготовлен из керамики, остальные детали – из высококачественной стали. Демонстрировался также поворотный двигатель (180 ^оС) для экскаватора, работающий на чистой воде при давлении до 16 МПа и развивающий момент до 180 Н∙м. Вместе с тем в последние годы эти сенсационные разработки как-то приутихли, хотя на VII Международной конференции по гидроприводам (г. Аахен, 2010 г.) и было представлено несколько докладов по водной гидравлике. Причиной этому является, на наш взгляд, ряд трудноразрешимых (или вообще неразрешимых) проблем, присущих воде, используемой в качестве РЖ в гидроприводах:

• Плохая смазывающая способность требует тщательного подбора материалов трущихся пар, значительно ускоряет износ и снижает долговечность компонентов гидропривода, прежде всего насосов. Известно, что гидромашины ведущих мировых производителей, например Bosch Rexroth допускают работу на водосодержащих эмульсиях, однако при этом вдвое снижаются допустимое рабочее давление и частота вращения, существенно ухудшаются условия работы подшипников;

• Коррозионная активность воды усложняет выбор подходящих конструкционных материалов (коррозионно-стойкие стали, цветные металлы, керамика, волокнистые синтетические материалы и др.) и покрытий, что существенно удорожает изготовление компонентов гидрооборудования;

• Ограниченный диапазон тепловых режимов и высокая испаряемость воды исключают возможность использования водной гидравлики, например, в мобильных машинах, работающих в различных климатических зонах.

Кстати, в процессе эксплуатации водомасляных эмульсий требуется периодическая проверка процентного содержания составных частей (воды и масла);

• Поскольку вода имеет пониженную вязкость по сравнению с минеральными маслами, для получения приемлемых значений КПД необходимо уменьшать зазоры в трущихся парах, что усложняет изготовление компонентов и снижает надежность их работы, а также требует значительного повышения качества фильтрации;

• Воде присущи опасности бактериологического разложения и образования накипи, способной вызвать заклинивание деталей и засорение малых отверстий.

Поскольку использование в качестве РЖ водомасляных эмульсий позволяет успешно решить проблемы пожаробезопасности, экологической чистоты и низкой стоимости, а также частично ослабить указанные выше негативные факторы, переход на чистую воду в промышленных гидроприводах вряд ли технически оправдан. Вместе с тем элементы водной гидравлики широко используются в установках гидроструйной резки, очистки поверхностей струей воды высокого давления, стендах для прочностных испытаний. Имеются сообщения о том, что значительный прогресс в гидроприводах морских глубоководных установок для выполнения геологоразведочных и горных работ достигнут благодаря применению водосодержащей экологически чистой биодеградирующей жидкости КГЖ-4, содержащей 98% морской воды и 2% концентрата КГИ-4. Думается, что в ближайшие годы интерес к водной гидравлике будет возрастать в ряде специфических областей применения, некоторые из которых указаны выше.

В. К. Свешников, к. т. н., ЭНИМС