Какви са факторите, които влияят на производителността на хидравличните помпи?

Вътрешни загуби на ефективност в хидравлични помпи

Ефективността на хидравличния помпаж директно влияе върху оперативните разходи и надеждността на системата, като три основни категории загуби влошават производителността.

Обемни загуби: вътрешни течове и ефекти от компресирането на флуида

Когато флуидът изтича през микроскопичните зазори между движещите се части и техния корпус, естествено намалява количеството на доставения поток. Проблемът се влошава, защото флуидите всъщност могат да се свиват под налягане, като променят обема си в зависимост от налягането в системата, което е особено забележимо при системи, работещи при високо налягане. По-старите помпи обикновено губят още 15 до 30 процента повече течност с течение на времето поради износване. Новите помпи обикновено работят с около 95% ефективност, но след години експлоатация много от тях падат под 80% ефективност, според данни на Engineering Toolbox от 2023 г. Какво се случва след това? Помпата трябва да работи по-усилено, за да произведе същото количество изходящ поток, което означава, че разходите за енергия значително нарастват — понякога дори с до една четвърт повече от допустимото.

Механични загуби: триене, износване на лагери и съпротивление на уплътненията

Триенето възниква в онези плъзгащи се части, които познаваме толкова добре – като лагери, бутала и зъбни колела, а това триене поглъща между 7 и 12 процента от енергията, подадена към системата. Когато лагерите започнат да се износват, те създават значително по-голямо дращящо въртящо усилие – понякога до 40% допълнително съпротивление. А не искам дори да започвам за старите уплътнения. Те допускат различни нежелани сили на дращене, които могат да намалят механичната ефективност с около 8%, особено при високо налягане. Какво означава всичко това? Е, просто енергията, която преди беше продуктивна, вместо това се превръща в топлина и не задвижва флуидите там, където трябва. Натрупването на топлина ускорява износването на компонентите в цялата система. Затова редовните проверки на смазването имат огромно значение, за да се предотврати директното триене на металните повърхности една в друга и да се осигури добро общо машинно представяне.

Хидравлични загуби: Турбулентност, отделяне на потока и съпротивление на клапаните

Неефективните хидравлични системи често са резултат от проблеми като турбулентност вътре в портовете, отделяне на потока при рязките ъгли или внезапни промени в размера, както и загубата на налягане при преминаване през регулиращите клапани. Когато флуидът се движи турбулентно, това просто се превръща в загубена топлина. Отделянето на потока създава досадни вихри, които буквално отнемат кинетична енергия от системата. И не трябва да забравяме и за съпротивлението на клапаните, особено при разпределителни клапани, където загубите понякога могат да погълнат около 20% от общото системно налягане. За да работи системата гладко, инженерите трябва да се насочат към подобряване на дизайна на портовете, да обмислят поставянето на по-големи или клапани с по-нисък диференциално налягане, когато е възможно, и като цяло да следят внимателно внезапните преходи в тръбопроводите, които нарушават естествения режим на потока. Тези корекции допринасят значително за запазване на желателното ламинарно течение, което е от решаващо значение за добрата хидравлична производителност.

Хидравлични свойства на течността и тяхното влияние върху производителността на помпата

Ролята на вискозитета при уплътняването, смазването и обемната ефективност

Правилната вискозност има ключова роля за поддържане на подходящо уплътнение, добра смазване и управление на течението на флуидите през системите. Когато вискозността е точно подходяща, се създава здрав защитен слой между плътно прилежащите части, което помага да се предотвратят вътрешни течове в системата. Това е от голямо значение, тъй като прекомерните течове могат да намалят обемната ефективност с около 15 процента в системи под високо налягане, според Доклада за флуидната динамика от 2023 година. Правилната вискозност също осигурява добро смазване на лагерите и уплътненията, което намалява износването вследствие на триене и икономисва енергия едновременно. От друга страна, ако флуидът е твърде разреден, ще възникват по-големи течове и няма да осигурява достатъчна защита. Ако пък е твърде гъст, системата ще трябва да работи по-усилено срещу съпротивлението, което води до изразходване на повече енергия от необходимото. Спазването на препоръчителните от производителите стойности за вискозност не е важно само за постигане на максимална ефективност на тези системи, но действително удължава живота на компонентите, преди да се наложи подмяната им.

Температурно предизвикани промени във вискозитета и ефективност при точката на най-добра ефективност (BEP)

Промените в температурата наистина оказват значително влияние върху вискозитета на течността, което от своя страна засяга производителността на помпите в техните точки на най-добра ефективност (BEP), където те използват минимално количество енергия за всеки единица подаван поток. Когато температурата се повиши с около 30 °C, течността става приблизително два пъти по-малко вискозна. Това усилва вътрешната течност и отклонява работния режим далеч от онази оптимална точка, която наричаме BEP. Според някои проучвания, проведени в рамките на Изследването на топлинната ефективност през 2023 г., такава промяна може да намали общата ефективност на системата с приблизително 10 %. При горещо време течността се разрежда, което принуждава уплътненията да работят по-интензивно и намалява ефективността на смазването. В студени условия обаче се наблюдава обратният ефект — течностите стават по-гъсти и създават по-голямо съпротивление на течението, като при това изискват допълнителна мощност. Затова много предприятия днес предпочитат течности с висок индекс на вискозитет (HVI). Тези специални формулировки помагат системата да продължи да работи стабилно близо до BEP дори при колебания на температурата. Освен това те намаляват проблеми като кавитационни повреди и прекомерно износване на компонентите, което води до намаляване на разходите за поддръжка с течение на времето.

Експлоатационни условия: Кавитация, NPSH и работа при отклонение от проектните параметри

Механизми на кавитация и изисквания за критичен запас на NPSH за надеждна работа на хидравлични помпи

Когато налягането в течността падне под нивото, необходимо за поддържане на течното състояние, възниква кавитация. Това води до образуването на малки мехурчета от пара, които след това експлозивно се срутват, когато преминат в зони с по-високо налягане. Резултат са микроскопични струи сила и мощни ударни вълни, които разрушават важни компоненти като работни колела, корпуси на помпи и регулиращи вентили. Проучвания показват, че това разрушаване може да намали ефективността на системата с около 12 процента и сериозно да повлияе на надеждността на оборудването с течение на времето, според последни изследвания. За предотвратяване на този феномен управляването на така наречената Чиста Положителна Височина на Всмукване (NPSH) става абсолютно критично за осигуряване на правилната експлоатация.

• Изисквана NPSH (NPSHR) е минималната височина на всмукване, необходима на помпата, за да се избегне образуването на пара
• Налична NPSH (NPSHA) е действителната височина на всмукване, осигурена от системата
• Кавитацията става вероятна и нанасяща щети, когато NPSHA падне под NPSHR

Работа при условия извън проектните — особено при нисък дебит, висока температура на флуида или увеличено съпротивление в системата — влошава спадовете на налягането и образуването на мехурчета. Запазването на резерв от 25% над NPSHR на производителя е широко признат за най-добър подход за промишлена надеждност. Основни стратегии включват:

Редовната проверка на смукателните филтри, правилната дълбочина на потапяне на резервоара и наблюдението на тенденциите в налягането на входа са от съществено значение за запазване на този резерв за безопасност.

Превантивно поддържане и цялостност на компонентите за устойчиво хидравлично помпено представяне

Следенето на състоянието на хидравличните помпи преди да възникнат проблеми се оказва един от най-добрите начини за осигуряване на продължителна и ефективна работа. Когато техниците забележат навреме признаци на износване по уплътненията, лагерите или повърхностите на буталата, те предотвратяват по-сериозни повреди в бъдеще. Никой не иска неочаквани повреди, които водят до загуба на време и пари. Чистата течност също има голямо значение. Мръсотията и частиците в системата износват компонентите по-бързо от нормалното и ослабват защитните пленки между движещите се части. Според проучване, публикувано миналата година в „Fluid Power Journal“, редовната смяна на филтрите в комбинация с периодично тестване на течността може да удължи живота на компонентите с около една четвърт. Много предприятия вече следят параметри като разликите в налягането във времето, анализират моделите на вибрации и проследяват температурните колебания в течностите. Тези наблюдения помагат да се засекат малки проблеми, преди да се превърнат в сериозни трудности или пълни откази на системата. Обектите, които прилагат такава внимателна стратегия за поддръжка, обикновено отчитат около 30 процента по-малко неочаквани спирания, като в същото време запазват оборудването си в оптимално работно състояние дори при тежки условия на експлоатация.

Често задавани въпроси

Какви са основните видове загуби при хидравлични помпи?

Хидравличните помпи изпитват обемни, механични и хидравлични загуби. Обемните загуби възникват от вътрешни течове и свиваемост на флуида, механичните загуби – от триене и износване, а хидравличните загуби – от турбулентност и съпротивление на клапаните.

Как вискозитетът влияе на производителността на хидравличните помпи?

Вискозитетът играе ключова роля за ефективността на уплътняването и смазването. Правилните нива на вискозитет предотвратяват течове, намаляват износването и поддържат ефективността на системата. Промените във вискозитета поради температурни колебания могат значително да повлияят на ефективността на помпата.

Какво е кавитация и защо е вредна за хидравличните системи?

Кавитацията възниква, когато спадът на налягането позволява образуването и срутването на парни мехурчета, което поврежда компоненти като работни колела и клапани. Тя намалява ефективността и надеждността на системата, затова управлението на NPSH е от съществено значение.

Защо е важно предварителното обслужване на хидравлични помпи?

Превантивното поддържане помага за ранното откриване на износване, предотвратявайки по-големи проблеми и непредвидени повреди. Редовното поддържане осигурява чиста течност и намалява износването на компонентите, удължавайки живота и надеждността на оборудването.