Влияние марок гидравлических масел на полноту и точность диагностирования гидроагрегатов российского и зарубежного производства

В гидравлических системах объемных гидроприводов в качестве рабочей жидкости (РЖ) применяется гидравлическое масло, что обеспечивает безотказную работу и преждевременный износ его деталей [1 ‒ 3]. Выбор РЖ осуществляется с учетом требований заводов-изготовителей объемных гидроприводов¹.

Основными производителями российских и зарубежных РЖ являются

Lukoil, Gazpromneft, Bashneft, Rosneft, SHELL, Mobil, Hydrau Gard, Castrol, Total и другие2. Данные масла имеют различные физико-химические свойства из-за разнообразного набора присадок в своем составе (антикоррозионных, ан-тиокислительных, противоизносных, загущающих и т. д.)3. Поэтому актуальной задачей является выбор РЖ, которая будет использоваться в стендовом оборудовании для диагностики новых и имеющих наработку объемных гидроприводов российского и зарубежного производства [4; 5].

Перечислим основные критерии выбора РЖ для достоверного контроля технического состояния объемных гидроприводов в условиях ремонтного производства.

Во-первых, заводы-изготовители объемных гидроприводов в качестве РЖ рекомендуют применять гидравлические масла с разными характеристиками: для российских гидроагрегатов – МГЕ-46В по ГОСТ 17479.3-85 (используется при рабочем давлении до 35 МПа, с кратковременным повышением до 42 МПа), для зарубежных гидроагрегатов – Hydrau Gard 46 Plus или SHELL TELLUS S2 V46 по ISO-11158 (используются при рабочем давлении до 42 МПа, с кратковременным повышением до 48 МПа) [6; 7].

Во-вторых, стендовое оборудование будет использовано для контроля технического состояния российских и зарубежных объемных гидроприводов, параметры диагностирования которых различны [8; 9].

В-третьих, стендовые испытания гидроагрегатов, по требованиям заводов-изготовителей, проводятся при следующих температурах РЖ: для МГЕ-46В – 50 ± 5 ^оС, для SHELL TELLUS S2 V46 – 80 ± 5 ^оС, однако вязкость при этом значительно изменяется и приводит к снижению точности определения параметров диагностирования [10 ‒ 12].

Цель исследования – определить закономерности изменения параметров диагностирования новых и имеющих наработку гидроагрегатов российского и зарубежного производства от температуры РЖ.

Обзор литературы

В работах [13; 14] представлено исследование влияния температуры гидравлического масла на производительность шестеренного насоса. Исследования заключалось в определении объемной 376

подачи насоса при различных температурах гидравлического масла, для условий переменной скорости и давления. Наиболее эффективная работа шестеренного насоса обеспечивается до температуры 60 °C. Данные исследования позволяют определить только условия применения шестеренных насосов в гидравлических системах машин.

В научной статье [15] представлены исследования связи вязкости всесезонных гидравлических масел с производительностью гидравлических насосов. Определены внутренние потери потока гидравлической жидкости в гидронасосе, гидромоторе, регуляторе потока и предохранительном клапане при различных значениях давления, частоты вращения и температуры. Результаты исследований показали, что вязкость всесезонных гидравлических масел линейно снижается на протяжении всего периода испытаний. Однако внутренние потери потока в гидронасосе не показали статистически значимого увеличения при снижении вязкости. Кроме того, снижения крутящего момента и входной мощности гидравлических насосов являются более значимыми показателями всесезонных гидравлических масел, чем производительность.

В работах [16; 17] описаны результаты использования гидравлических масел с наночастицами оксида цинка ZnO для прогнозирования вязкости. Согласно лабораторным результатам, в температурном диапазоне от 25…50 °C и концентрациях наночастиц в диапазоне 0,125…1,5 % наблюдается увеличение коэффициента теплопередачи. Из результатов следует, что оптимальной является объемная концентрация ZnO – 1 %, при которой коэффициент тепловых характеристик увеличивается с повышением температуры и имеет максимальное значение. Однако отсутствуют данные применения данного гидравлического масла с наночастицами в объемном гидроприводе.

Исследования по подбору вязкостных присадок для гидравлических масел методом проведения экспериментов и обработки полученных результатов представлены в работах [18 ‒ 20]. Определялось оптимальное содержание присадки для получения масел уровней вязкости ISO VG 32 и ISO VG 46. Установлено, что высокая гидравлическая эффективность наблюдается при числах Рейнольдса от 500 000 до 700 000. Увеличение концентрации присадки более 40 частей на объем снижает эффективность, что связано с возникновением турбулентного потока. Полученные результаты могут быть использованы в исследованиях по разработке гидравлических масел уровня HVLP .

Таким образом, из проведенного анализа представленных работ и [21; 22] можно сделать вывод, что ни одно из представленных исследований не позволяет достигнуть заявленной цели. Поэтому предлагается провести собственные стендовые испытания новых и бывших в эксплуатации гидроагрегатов российского (ГСТ-90) и зарубежного (Danfoss Power Solutions серии 90) производства с рекомендованными гидравлическими маслами. Данные исследования позволят определить закономерности изменения параметров диагностирования от марки и температуры гидравлических масел.

Материалы и методы

Экспериментальные исследования проводились на стендовом специализированном оборудовании, разработанном авторским коллективом МГУ им. Н. П. Огарева [2; 23].

На первом этапе было определено влияние свойств РЖ на параметры диагностирования широко представленных в Республике Мордовия гидроагрегатов российского (ГСТ-90, ГСТ-112) и зарубежного ( Danfoss Power Solutions ) производства, которые используются для сельскохозяйственной, дорожно-строительной и другой техники [24].

В качестве РЖ применяли гидравлические масла МГЕ-46В [6] и SHELL TELLUS S2 V46 [7], рекомендованные заводами-изготовителями объемных гидроприводов. Физико-химические характеристики рекомендованных гидравлических масел рассмотрены в таблице 1.

Из таблицы 1 следует, что кинематическая вязкость представленных гидравлических масел при увеличении температуры от +40 до +100 ºС уменьшается: для РЖ МГЕ-46В ‒ на 85 %; для РЖ SHELL TELLUS S2 V46 ‒ на 83 %.

Т а б л и ц а 1

T a b l e 1

Физико-химические характеристики гидравлических масел Physico-chemical characteristics of hydraulic oils

Свойство / Features	МГЕ-46В / MGE-46B	Shell Tellus S2 V46
Класс вязкости по ISO / Viscosity class according to ISO	46,0	46,0
Тип жидкости по ISO / Type of liquid according to ISO	HH/HL	HV
0°C	639,0	600,0
Кинематическая вязкость, мм2/с /        +40°C Kinematic viscosity, mm2/s	41,4…50,6	46,0
+100°C	7,0	7,9
Индекс вязкости / Viscosity index	90,0	143,0
Плотность, кг/м3 / Density, kg/m3	875,0	872,0
Температура воспламенения, °C / Ignition	190,0	225,0
temperature, °C
Температура замерзания, °C / Freezing point, °C	-32,0	-36,0

Физический показатель «индекс вязкости РЖ» определяет значение вязкости от температуры. То есть данный индекс для МГЕ-46В имеет наименьшее значение, а для SHELL TELLUS S2 V46 ‒ наибольшее соответственно. Благодаря этому РЖ производства SHELL в процессе стендовых испытаний обеспечит определение параметров диагностирования с большей точностью и достоверностью.

Дальнейшие исследования авторов были направлены на определение степени влияния величины температуры РЖ и на параметры диагностирования новых и имеющих наработку гидроагрегатов российского и зарубежного производства. За анализируемые параметры диагностирования принимали объемный КПД и крутящий момент, развиваемые объемными гидроприводами в процессе эксперимента.

Для этого были подготовлены комплекты объемных гидроприводов ГСТ-90 [8] и Danfoss Power Solutions серии 90 [9], технические характеристики которых удовлетворяли требованиям заводов-изготовителей. Испытания объемных гидроприводов на стендовом оборудовании проводили, согласно гидравлической схеме, представленной на рисунке 1.

Том 33, № 3. 2023

В процессе испытания контролировали следующие параметры, развиваемые гидроагрегатами объемного гидропривода: частоту вращения (об/мин); давление в линиях управления и нагнетания (МПа); подачу и расход (л/мин) в линиях нагнетания; температуру (ºC) РЖ; выходной крутящий момент (Н∙м); объемный КПД.

Испытания проводили при номинальных значениях частоты вращения и давления в линии нагнетания гидроагрегатов в соответствии с требованиями заводов-изготовителей. Переменными в эксперименте принимались такие параметры объемного гидропривода, как давление в линиях нагнетания и управления; частота вращения приводных валов, подача (расход) РЖ.

Исследования начинали от минимального значения температуры РЖ в линиях нагнетания, установленного заводами-изготовителями объемного гидропривода + 45 ºС с последующим пошаговым увеличением +5 ºС до максимального значения +85 ºС.

Для ГСТ-90 и ГСТ-112 эксперимент проводили при температуре РЖ от +45…+55 ºС до +85 ºС [8]. Для объемного гидропривода Danfoss Power Solutions серии 90 эксперимент проводили при

Р и с. 1. Гидравлическая схема стендового оборудования: 1 – электродвигатель;

2 и 3 – испытуемые гидронасос и гидромотор объемного гидропривода; 4 – манометры;

• 5    – дроссель; 6 – расходомеры; 7 – гидронасос гидравлического нагружающего устройства;

8 – гидробак гидравлического нагружающего устройства; 9 – вентиль;

10 и 11 – предохранительный и обратные клапаны; 12 – линии нагнетания

F i g. 1. Hydraulic scheme of bench equipment: 1 – electric motor; 2 and 3 – tested hydraulic pump and hydraulic motor of volumetric hydraulic drive; 4 – pressure gauges; 5 – throttle; 6 – flow meters;

• 7    – hydraulic pump of hydraulic loading device; 8 – hydraulic tank of hydraulic loading device;

9 – valve; 10 and 11 – safety and check valves; 12 – discharge lines температуре РЖ от +60 ºС до +85 ºС [9]. Заводом-изготовителем за критерий предельного состояния гидроагрегатов принято снижение величины объемного КПД от 20 % [4; 5].

Результаты исследования

Результаты проведенных экспериментальных исследований представлены в таблице 2, а также на рисунках 2 и 3.

Анализ таблицы 2 показал, что в рабочем диапазоне температур +45…+55 ºС объемный КПД новых гидронасосов ГСТ-90 при стендовых испытаниях с РЖ МГЕ-46В составляет 0,954…0,952, для РЖ SHELL TELLUS S2 V46 – 0,958…0,956 (снижение на 0,2 %).

Крутящий момент новых гидромоторов ГСТ-90 при той же температуре находится в диапазонах 324…322 Н∙м (снижение на 0,62 %) для гидравлического масла МГЕ-46В и 325…324 Н∙м (снижение на 0,3 %) для SHELL TELLUS S2 V46 соответственно.

Испытания имеющих наработку гидронасосов и гидромоторов показали, что для РЖ МГЕ-46В объемный КПД гидронасоса составляет 0,73…0,7 (снижение на 3,6 %), крутящий момент гидромотора при этом составляет 317…310 Н∙м (снижение на 2,2 %), для РЖ SHELL TELLUS S2 V46 объемный КПД составляет 0,72…0,71 (снижение на 1,4 %), крутящий момент гидромотора составляет 317…314 Н∙м (снижение на 0,96 %).

Следовательно, наибольшая погрешность определения объемного КПД и крутящего момента для новых и имеющих наработку гидронасосов и гидромоторов ГСТ-90 с учетом температуры +55 ºС достигается для РЖ МГЕ-46В в первом случае 0,2 % и 0,62 %, во втором ‒ 2,2 % и 3,6 %. Поэтому РЖ зарубежного производителя SHELL в процессе стендовых испытаний обеспечит определение параметров диагностирования гидроагрегатов с большей достоверностью.

Т а б л и ц а 2

T a b l e 2

Зависимость объемного КПД и крутящего момента нового и имеющего наработку гидроагрегатов ГСТ-90 от температуры с исследуемыми марками гидравлических масел The dependence of the volumetric efficiency and torque of the new and having operating time hydraulic units GST-90 on the temperature with the studied brands of hydraulic oils

Температура, ºС / Temperature, °C	Новый объемный гидропривод ГСТ-90 / New volumetric hydraulic drive GST-90				Бывший в эксплуатации объемный гидропривод ГСТ-90 / Used volumetric hydraulic drive GST-90
	Объемный КПД / Volumetric efficiency		Крутящий момент / Torque		Объемный КПД / Volumetric efficiency		Крутящий момент / Torque
	Марки гидравлических масел / Brands of hydraulic oils				Марки гидравлических масел / Brands of hydraulic oils
	МГЕ-46В / MGE-46B	SHELL TELLUS S 2	МГЕ-46В / MGE-46B	SHELL TELLUS S 2	МГЕ-46В / MGE-46B	SHELL TELLUS S 2	МГЕ-46В / MGE-46B	SHELL TELLUS S 2
40          0,955     0,958    325,50    325,67    0,726     0,730    319,03    318,88 45          0,955     0,957    325,43    325,65    0,723     0,728    316,85    317,41 50          0,954     0,956    323,84    325,01    0,710     0,724    313,69    316,17 55          0,953     0,955    322,25    324,05    0,697     0,712    310,32    314,24 60          0,945     0,954    320,66    323,90    0,665     0,702    308,74    312,32 65          0,936     0,952    319,07    322,46    0,636     0,684    306,75    310,29 70          0,927     0,945    317,48    320,98    0,593     0,656    304,07    308,95 75          0,907     0,934    315,83    319,49    0,547     0,628    301,83    306,43 80          0,891     0,925    314,31    318,01     0,525     0,604    298,96    304,67 85          0,870     0,901    312,73    316,53    0,486     0,586    296,62    302,11 Technologies, machinery and equipment                                                      379

а)

• b)

Р и с. 2. Результаты определения объемного КПД нового (а) и имеющего наработку (b) гидронасоса объемного гидропривода Danfoss Power Solutions серии 90 с исследуемыми марками гидравлических масел в зависимости от температуры:

• 1    – кривая определения объемного КПД для нового и имеющего наработку гидронасоса с РЖ МГЕ-46В; 2 – кривая определения объемного КПД для нового и имеющего наработку гидронасоса с РЖ SHELL TELLUS S2 V46 ;

∆ ₁ и ∆ ₂ – величины погрешностей определенная объемного КПД при температуре +69 ºС для нового и имеющего наработку гидронасоса между исследуемыми марками гидравлических масел

F i g. 2. The results of determining the volumetric efficiency of the new a) and operating time

• b) hydraulic pump of the Danfoss Power Solutions 90-series volumetric hydraulic drive with the brands of hydraulic oils under study, depending on temperature:

• 1    – curve of determining the volumetric efficiency for the new and having operating time hydraulic pump with WF MGE-46V; 2 – curve of determining the volumetric efficiency for the new and having operating time hydraulic pump with SHELL TELLUS S2 V46 ;

∆1 and ∆2 – values of errors in determining the volumetric efficiency at a temperature of +69°C for a new and having operating hydraulic pump between the brands of hydraulic oils under study

Р и с. 3. Результаты определения крутящего момента нового (а) и имеющего наработку (б) гидромотора объемного гидропривода Danfoss Power Solutions серии 90 с исследуемыми марками гидравлических масел в зависимости от температуры:

• 1    – кривая определения крутящего момента нового и имеющего наработку гидромотора с РЖ МГЕ-46В; 2 – кривая определения крутящего момента нового и имеющего наработку гидромотора с РЖ SHELL TELLUS S2 V46 ; ∆ ₃ и ∆ ₄ – величины погрешностей определенная крутящего момента при температуре +69 ºС для нового и имеющего наработку гидромотора между исследуемыми марками гидравлических масел

F i g. 3. The results of determining the torque of a new a) and having operating time

• b) hydraulic motor volume hydraulic drive Danfoss Power Solutions 90-series with the brands of hydraulic oils under study, depending on temperature: 1 – curve of determining the torque of a new and operating time hydraulic motor with WF MGE-46V; 2 – curve of determining the torque of a new and having operating time hydraulic motor with WF SHELL TELLUS S2 V46;

∆3 and ∆4 – values of the errors of the torque measurement at a temperature of +69°C for a new and having operating hydraulic motor between the brands of hydraulic oils under study

Из рисунка 2 следует вывод, что в рабочем диапазоне температур +60…+85 ºС объемный КПД новых гидронасосов Danfoss Power Solutions серии 90 при стендовых испытаниях с РЖ зарубежного производителя SHELL TELLUS S2 V46 составляет 0,96…0,95 (снижение на 1,05%), что не противоречит нормам завода-изготовителя [5], для РЖ российского производителя МГЕ-46В – 0,95…0,93 (снижение на 2,2 %).

Испытания имеющих наработку гидронасосов Danfoss Power Solutions серии 90 показали, что для РЖ SHELL TELLUS S2 V46 объемный КПД составляет 0,82…0,80 (снижение на 2,5 %), для РЖ МГЕ-46В ‒ 0,81…0,76 (снижение 6,6 %).

Для РЖ МГЕ-46В предельная (максимальная) температура, равная +69 ºС, соответствует паспортному значению объемного КПД – 0,95 гидронасоса Danfoss Power Solutions серии 90.

Наибольшая погрешность определения объемного КПД для новых и бывших в эксплуатации гидронасосов Danfoss Power Solutions серии 90 между исследуемыми марками гидравлических масел составляет ∆ ₁ = 0,5 % и ∆ ₂ = 1,4 % при температуре +69 ºС. С увеличением температуры до +85 ºС погрешность определения объемного КПД для РЖ SHELL TELLUS S2 V46 и МГЕ-46В увеличивается и составляет 2,4 % и 5,0 % соответственно.

Из рисунка 3 следует, что в рабочем диапазоне температур +60…+85 ºС крутящий момент новых гидромоторов Danfoss Power Solutions серии 90 в при стендовых испытаниях с РЖ зарубежного производителя SHELL TELLUS S2 V46 составляет 647…642 Н∙м (снижение на 0,78 %), для РЖ российского производителя МГЕ-46В – 645…637 Н∙м (снижение на 1,3 %).

Испытания имеющих наработку гидромоторов Danfoss Power

Том 33, № 3. 2023

Solutions серии 90 показали, что для РЖ SHELL TELLUS S2 V46 крутящий момент гидромотора составляет 612…599 Н∙м (снижение на 2,1 %), для РЖ МГЕ-46В ‒ 604…590 Н∙м (снижение на 2,4 %).

Наибольшая погрешность определения крутящего момента для новых и бывших в эксплуатации гидромоторов Danfoss Power Solutions серии 90 между исследуемыми марками гидравлических масел составляет ∆ ₃= 0,4 % и ∆ ₄= 1,3 % при температуре +69 ºС.

С увеличением температуры до +85 ºС погрешность определения крутящего момента для РЖ SHELL TELLUS S2 V46 и МГЕ-46В увеличивается и составляет 0,8 % и 1,5 % соответственно. Согласно данным исследованиям, гидравлическое масло марки МГЕ-46В в рабочем температурном диапазоне +60…+69 ºС является годным для определения объемного КПД и крутящего момента гидропривода Danfoss Power Solutions серии 90.

Обсуждение и заключение

Полученные в статье результаты показали, что разномарочные гидравлические масла, в настоящее время используемые в качестве РЖ, оказывают влияние на достоверность определения параметров диагностирования различных объемных гидроприводов российского и зарубежного производства.

Установлено, что РЖ МГЕ-46В в оптимальных температурных диапазонах +60…+69 ºС позволяет обеспечить полноту диагностирования новых и имеющих наработку российских и зарубежных гидроагрегатов с высокой точностью в соответствии с требованиями ГОСТ 17108 и заводов-изготовителей. Поэтому данное гидравлическое масло можно, применять как универсальную РЖ для контроля технического состояния разномарочных гидроагрегатов на ремонтных предприятиях.

Vol. 33, no. 3. 2023 ENGINEERING TECHNOLOGIES AND SYSTEMS ^2^

Поступила 13.06.2023; одобрена после рецензирования 27.07.2023; принята к публикации 10.08.2023.

Об авторах:

Все авторы прочитали и одобрили окончательный вариант рукописи.

Submitted 13.06.2023; revised 27.07.2023; accepted 10.08.2023.