книги / Элементы гидравлических систем и объёмного гидропривода

Преимуществом резонансных датчиков является высокая точность и стабильность характеристик, которая зависит от качества используемого материала.

К недостаткам можно отнести индивидуальную характеристику преобразования давления, значительное время отклика, невозможность проводить измерения в агрессивных средах без потери точности показаний прибора.

3.4.5. Индукционный метод

Индукционный способ основан на регистрации вихревых токов (токов Фуко). Чувствительный элемент состоит из двух катушек, изолированных между собой металлическим экраном (рис. 84). Преобразователь измеряет смещение мембраны при отсутствии механического контакта. В катушках генерируется электрический сигнал переменного тока таким образом, что заряд и разряд катушек происходит через одинаковые промежутки времени. При отклонении мембраны создается ток в фиксированной основной катушке, что приводит к изменению индуктивности системы. Смещение характеристик основной катушки дает возможность преобразовать давление в стандартизованный сигнал, по своим параметрам прямо пропорциональный приложенному давлению.

Рис. 84. Принципиальная схема индукционного преобразователя давления

Преимуществом такой системы, является возможность измерения низких избыточных и дифференциальных давлений, достаточно высокая точность и незначительная температурная зависимость.

191

Однако датчик чувствителен к магнитным воздействиям, что объясняется наличием катушек, которые при прохождении переменного сигнала создают магнитное поле.

3.4.6.Ионизационный метод

Воснове метода лежит принцип регистрации потока ионизированных частиц. Аналогом являются ламповые диоды (рис. 85).

Рис. 85. Ионнизационный датчик вакуума

Лампа оснащена двумя электродами: катодом и анодом, а также нагревателем. В некоторых лампах нагреватель отсутствует, что связано с использованием более совершенных материалов для электродов. Корпус лампы выполнен из высококачественного стекла.

Преимуществом таких ламп является возможность регистрировать низкое давление – вплоть до глубокого вакуума с высокой точностью. Однако следует строго учитывать, что подобные приборы нельзя эксплуатировать, если давление в камере близко к атмосферному давлению. Поэтому подобные преобразователи необходимо сочетать с другими датчиками давления, например, емкостными. Помимо прочего, ионизационные лампы должны оснащаться дополнительными приборами, поскольку зависимость сигнала от давления является логарифмической.

Различные сферы применения определяют свои требования к датчикам: для промышленности – надежность и стабильность характеристик, для лабораторных измерений – точность измерения давления и т.д. Еще одним важным параметром является цена датчиков, которые используют тот или иной принцип преобразования дав-

192

ления. Поэтому при выборе преобразователя необходимо определить наиболее выгодный вариант соотношения цены и возможностей прибора. В основном это касается резонансных, индукционных, емкостных и ионизационных датчиков.

Основные достоинства и недостатки различных методов преобразования давления в электрический сигнал приведены в табл. 11.

						Таблица 11
Сравнительная характеристика преобразователей давления
Вид		Достоинства			Недостатки
преобразователя
Тензометрический	1.	Высокая	степень	за-	1. Неустранимая	нестабиль-
(КНС-преобразо-	щиты от агрессивной				ность градуировачной харак-
ватели)	среды.				теристики.
	2.	Высокий предел рабо-			2. Высокие гистерезисные эф-
	чей температуры.				фекты от давления и тем-
	3.	Серийное	производст-		пературы.
	во.				3. Низкая устойчивость при
	4.	Низкая стоимость			воздействии ударных нагрузок
					и вибраций
Пьезорезистивный	1.	Высокая стабильность			Ограничение по	температуре
(на монокристал-	характеристик.				(до 150 ºC)
лическом крем-	2.	Устойчивость к удар-
нии)	ным нагрузкам и вибра-
	циям.
	3.	Низкие гистерезисные
	эффекты; высокая точ-
	ность.
	4.	Низкая цена.
	6.	Возможность измерять
	давление различных			аг-
	рессивных средств

193

						Окончание табл. 11
Вид		Достоинства				Недостатки
преобразователя
Емкостный	1.	Высокая точность.		1.	Нелинейная зависимость ем-
	2.	Высокая стабильность		кости от приложенного давле-
	характеристик.			ния.
	3.	Возможность измерять		2.	Необходимо дополнительное
	низкий вакуум.			оборудование или			электриче-
	4.	Простота конструкции		ская схема для преобразования
				емкостной зависимости в один
				из стандартных выходных сиг-
				налов
Резонансный	1.	Высокая стабильность		1.	При измерении давления аг-
	характеристик.			рессивных сред			необходимо
	2.	Высокая точность из-		защищать чувствительный эле-
	мерения давления			мент, что приводит к потере
				точности измерения;
				высокая цена.
				2.	Длительное время отклика.
				3.	Индивидуальная		характери-
				стика		преобразования		давле-
				ния в электрический сигнал
Индукционный	1.	Возможность измерять		1.	Сильное влияние магнитно-
	дифференциальные дав-			го поля.
	ления с высокой точно-			2.	Чувствительность к			вибра-
	стью.			циям и ударам
	2.	Незначительное	влия-
	ние температуры на точ-
	ность измерения
Ионизационный	1.	Возможность измере-		1.	Невозможность		использо-
	ние высокого вакуума.			вать		подобные приборы при
	2.	Высокая точность.		высоком давлении (низкий ва-
	3.	Стабильность	выход-	куум является порогом).
	ных параметров			2.	Нелинейная зависимость вы-
				ходного сигнала от приложен-
				ного давления.
				3.	Высокая хрупкость.
				4.	Необходимость		совмещать
				с другими датчиками давления

194

В большинстве случаев преобразователи должны отвечать требованиям по точности, стабильности выходных характеристик, надежности, долговечности, иметь низкую цену. Таким требованиям удовлетворяют пьезорезистивные датчики давления и КНС-преобра- зователи (см. табл. 11). КНС-преобразователи – надежные датчики, работающие при высоких температурах (более1500 °C) , но ниже по

точности и стабильности выходных характеристик, по сравнению с преобразователями на монокристаллическом кремнии. Требованиям высокой стабильности выходных характеристик при малых температурах отвечают интегральные преобразователи давления. Они являются в этом случае оптимальными.

Выбор типа и класса прибора для измерений давления должен производиться в зависимости от рабочей среды, измеряемого давления, расположения присоединительного штуцера, предела допускаемой погрешности измерений и условий эксплуатации приборов в составе гидроприводов или гидросистем.

195

4. ВСПОМОГАТЕЛЬНЫЕ ЭЛЕМЕНТЫ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ

Вспомогательные элементы обеспечивают нормальное функционирование гидросистемы. К ним относятся кондиционеры рабочей жидкости, гидробаки, гидравлические реле давления, уплотнители и другие устройства, не являющиеся основными в составе гидропривода, но без которых невозможна его работа.

4.1. Кондиционеры рабочей жидкости

Кондиционерами рабочей жидкости называются устройства, предназначенные для получения необходимых качественных показателей и состояния рабочей жидкости. В объемных приводах применяются два вида кондиционеров: фильтры и теплообменники [1, 3, 9, 11].

Фильтры – это устройства для отделения твердых загрязняющих примесей от рабочей жидкости. Фильтры используются для отделения твердых частиц от жидкости или пыли от газа.

Загрязнения попадают в гидросистему на разных этапах производства и эксплуатации гидрофицированного оборудования.

Остаточные продукты технологических процессов производства, ремонта и консервации гидроагрегатов невозможно удалить полностью даже при тщательной промывке. Загрязнения в виде стружки, пыли, частиц краски, воды или консервантов попадают в рабочую жидкость при запуске системы.

При сборке гидроприводов могут появиться такие загрязнения, как кусочки уплотнительных материалов, остатки процессов травления и промывки, окалина, продукты сварки.

В эксплуатации загрязнения образуются в результате изнашивания деталей, старения уплотнений, деструкции рабочей жидкости и попадания пыли извне.

Фильтры предназначены для выполнения следующих функций: 1) очистка рабочей жидкости внешним фильтром при заполне-

нии гидросистемы;

196

2)очистка воздуха, поступающего из окружающей среды при изменении уровня жидкости в гидробаке;

3)непрерывная очистка рабочей жидкости в эксплуатации. Основным методом фильтрации в гидроприводах является ме-

тод проталкивания рабочей жидкости из загрязненной полости в чистую полость через фильтроэлемент под давлением (всасывающие, напорные, сливные) или под действием собственного веса (заливные).

Фильтроэлементы должны обеспечивать:

•заданную тонкость фильтрации для всех классов чистоты;

•эффективную фильтрацию в широком диапазоне перепада давлений;

•достаточную грязеемкость;

•большую площадь фильтрующей поверхности;

•высокую устойчивость к перепаду давлений;

•длительный срок службы.

По конструкции фильтроэлемента фильтры делят на щелевые, сетчатые и пористые.

Щелевые фильтрующие элементы конструктивно представляют набор пластин или намотку проволоки на стакан с заданным шагом, через зазоры между которыми проходит очищаемая жидкость.

Сетчатые фильтрующие элементы формируются из сетки саржевого или квадратного плетения, изготовленной из металлической проволоки или текстильных материалов.

Фильтрующие элементы пористых фильтров изготавливаются из керамики, металлокерамики, а также из различных нетканых материалов – волокон целлюлозы, стекловолокна, текстиля, спрессованной металлической фибры.

Щелевые и сетчатые фильтры обеспечивают поверхностную фильтрацию. Частицы задерживаются на поверхности фильтроматериала. Загрязнения, размеры которых меньше размера зазоров, будут проходить через фильтроматериал. Функциональность таких фильтров после удаления загрязнений в большинстве случаев может быть восстановлена.

197

В пористых фильтрах загрязнения задерживаются внутренними слоями в порах фильтроматериала, не подлежащего восстановлению после достижения предельной загрязненности.

Основными показателями, характеризующими фильтры, являются тонкость фильтрации, эффективность фильтрования, перепад давления при заданном расходе в фильтре, грязеемкость, срок службы и прочность.

Тонкость фильтрации определяется максимальными размерами частиц, задерживаемых фильтрующим элементом. Различают абсолютную и номинальную тонкость фильтрации. Абсолютная тонкость фильтрации характеризует минимальный размер загрязняющих частиц, полностью задерживаемых фильтром, а номинальная тонкость фильтрации – размер частиц, задерживаемых на 90 %. В отечествен-

ной практике фильтры оцениваются по номинальной тонкости фильтрации.

По номинальной тонкости фильтрации различают фильтры грубой (более100 мкм), нормальной (100...10 мкм), тонкой (более

5,0 мкм) и особо тонкой (более 1,0 мкм) очистки. Выбор тонкости

фильтрации зависит от требуемого класса чистоты, который должен обеспечиваться фильтром.

Классы чистоты жидкостей назначаются по ГОСТ 17216–2001 «Чистота промышленная. Классы чистоты жидкостей», NAS-1638

и ISO DIN 4406.

Эффективность фильтрования может быть охарактеризована коэффициентом очистки

kδ =(1−n2 / n1 ),	(48)
где kδ – коэффициент очистки; n1 и n2	– число частиц заданного

размера δ до и после очистительного устройства соответственно. Степень фильтрации оценивается также β-фактором, определе-

ние которого основано на многопроходном тесте по ISO 4572:

198

βx = n1 / n2 ,	(49)
где βx – β-фактор; n1 и n2 – число частиц заданного размера	x до
и после очистительного устройства соответственно.

Отношение 75:1 обычно используется для определения уровня фильтрации. Величина β10 = 75 означает, что в фильтре задерживается 75 частиц размером 10 мкм и лишь одна частица проходит через

фильтроэлемент. Это приблизительно соответствует определению абсолютной фильтрации.

Расход, который может пропускать фильтр при заданном перепаде давления и вязкости рабочей жидкости, характеризует пропускную способность фильтра. Перепад давления в фильтре определяет его сопротивление.

Грязеемкость фильтра характеризуется максимальной массой загрязнений, удерживаемых фильтроэлементом без разрушения и закупоривания его ячеек.

Прочность определяется прочностью фильтроэлемента и корпуса, а срок службы – временем работы фильтра в гидроприводе с выполнением им своего основного функционального назначения.

В зависимости от места установки фильтра в гидросистеме различают фильтры всасывающие, напорные, сливные, заливные и воздушные.

Всасывающий фильтр предназначен для защиты насоса от грубых загрязнений. Он должен быть рассчитан на расход, соответствующий номинальному расходу насоса, обеспечивая полнопоточную фильтрацию, и иметь малый перепад давления, что достигается установкой фильтроэлемента с большой площадью фильтрующей поверхности. Всасывающий фильтр рекомендуется дополнять подпорным клапаном и индикатором загрязенности.

Конструкция всасывающего фильтра выполняется без корпуса с монтажом на всасывающем трубопроводе или в корпусном исполнении с установкой под уровень рабочей жидкости в гидробаке.

Сменный фильтроэлемент состоит из верхней крышки, нижнего донышка, металлического перфорированного или сетчатого каркаса,

199

однослойного или многослойного фильтрующего материала в виде многолучевой звезды или гофрированного с опорной металлической (или полимерной) сеткой и нижней опоры, обычно в виде пружины.

Подпорный клапан предназначен для защиты фильтроэлемента от повреждений и для поддержания заданного перепада давления путем протекания рабочей жидкости во время работы при загрязненном фильтроэлементе или при существенном повышении вязкости рабочей жидкости, что обычно происходит при понижении температуры окружающей среды.

Индикатор загрязненности служит для визуального контроля загрязнения фильтроэлементов. На верхней крышке фильтра устанавливают вакуумметр или вакуумные датчики с нормально разомкнутыми или с нормально замкнутыми контактами на давление 0,02 МПа или настраиваемые реле давления.

Напорные фильтры монтируются на выходе из насоса и предназначены для фильтрации всего потока (полнопоточные), или на ответвлении от напорной гидролинии (пропорциональные). Они обеспечивают защиту чувствительных к засорению или дорогостоящих элементов гидропривода, расположенных после насоса, поэтому должны располагаться как можно ближе к защищаемым гидроаппаратам.

Корпуса напорных фильтров имеют высокую прочность, увеличенную массу и потерю мощности при повышенных расходах, выдерживают большой перепад давления. Напорные фильтры снабжаются индикаторами загрязненности и подпорными клапанами.

Конструкция напорного фильтра показана на рис. 86. Фильтр состоит из корпуса 2, в котором выполнены входное A и выходное B резьбовые отверстия. В корпус ввинчивается стакан 3 с фильтроэлементом 4, а также индикатор загрязненности 1.

Сливные фильтры устанавливаются на выходе из сливных гидролиний. Они предназначены для улавливания загрязнений, образовавшихся в процессе работы гидропривода и попавших в рабочую жидкость. Сливные фильтры, обеспечивающие как полнопоточную, так и пропорциональную фильтрацию, являются фильтрами низкого

200