Гидравлические среды — это жидкости, которые используются для передачи  сил и давления в замкнутых системах. Эти функциональные жидкости обычно делят на три основные группы:

  • масла Н, соответствующие стандарту DIN 51502: продукты на основе минеральных масел;
  • трудновоспламеняемые среды HF: огнестойкие гидравлические жидкости;
  • гидравлические жидкости, удовлетворяющие экологическим требованиям HE.

В соответствии с критериями трудновоспламеняемости жидкости типа HF в стандарте DIN ISO 12922 по своему химическому составу подразделяются на две группы:

  • водосодержащие гидравлические жидкости (HFA, HFB, HFC) и
  • безводные синтетические гидравлические жидкости (HFD).

В этой статье обсуждаются исключительно водосодержащие гидравлические жидкости типа HFA — другими словами, эмульгируемые (HFA-E), а также водорастворимые (HFA-S), трудновоспламеняющиеся гидравлические жидкости.

Обладают ли трудновоспламеняющиеся гидравлические жидкости антифрикционными свойствами?

Жидкости типа HFA представляют собой с точки зрения трибологии среды для передачи сил, которые должны находиться в контакте с самыми различными компонентами гидравлического оборудования, например, с материалами уплотнений, стенками цилиндра, клапанами, седлом клапана и насосами.

Важным для функционирования жидкостей типа HFA является то, какими качествами они обладают при непосредственном контакте с парой трения. При этом следует выделять следующие критические области:

  • уплотнение /стенка цилиндра;
  • клапан / седло клапана;
  • детали насоса в зависимости от типоразмера.

В соответствии с 7-м Люксембургским отчетом (о требованиях и испытаниях трудновоспламеняющихся жидкостей для гидравлических словых установок и систем управления в угольной промышленности) жидкости HFA испытываются на смазывающие свойства, при этом обычно эти жидкости полностью соответствуют необходимым требованиям.

Проблемы, которые возникают во время практического использования, в основном можно объяснить другими причинами, например:

  • нежелательной способностью к вспениванию;
  • проблемами кавитации;
  • неправильным выбором концентрации.

Аналогично следует рассматривать трибологические факторы воздействия на пары конструктивных элементов клапана — все сказанное выше относится и к этому случаю. До сих пор система «материал уплотнения / среда HFA / поршень / стенка цилиндра» проверялась в соответствии с 7-м Люксембургским отчетом на статическую совместимость материала уплотнения и среды HFA.

Полученные результаты показывают следующее:

  • все материалы уплотнений подвергаются в воде для приготовления смесей более или менее заметным изменениям формы и / или массы;
  • в зависимости от химического состава применяемой жидкости HFA эти эффекты могут усиливаться или ослабляться.

Не содержащие минерального масла (синтетические) жидкости обнаруживают самую плохую совместимость, это означает, что происходит очень сильное набухание уплотнения. Среды с небольшим содержанием минерального масла от 10 до 45% (полусинтетические) ведут себя лучше, однако, зачастую недостаточно совместимы, в то время как среды с высоким содержанием минерального масла (> 60%) имеют значительно лучшую совместимость с уплотняющими материалами.

Общая тенденция, состоящая в том, что при снижении процентного содержания минерального масла совместимость среды и уплотнения уменьшается, считается принципиальной. Учитывая эти неоднократно доказанные  и бесспорные результаты, можно сделать следующие важные выводы:

  • должен существовать механизм «пассивирования» поверхности, выполняющий функцию защиты поверхности уплотнения;
  • этот механизм должен быть эффективен  также для металлических поверхностей;
  • постулируется эффект, который описывает антифрикционные свойства жидкостей HFA, в результате которого появляется блокирующее действие, приводящее к заметному улучшению совместимости с уплотнением и повышению смазочного действия и антикоррозийной защиты. Этот эффект предлагается обозначить понятием «эффект памяти», так как «память» соответствуеющего состава в гидравлической системе, содержащего минеральное масло, оказывает положительное влияние на износостойкость.

До сих пор это постулат успешно использовался в производственной практике, однако, не был подтвержден испытаниями в лабораторных условиях или на испытательном полигоне.

Выход домкрата передвижки крепи на шахте «Вест»

В ходе подготовки нового добычного участка на шахте «Вест» компании «Дойче Штайнколе АГ» (DSK, в настоящее время «РАГ Акциенгезельшафт), Камп-Линтфорт, бывшая эксплуатации щитовая крепь до ввода в эксплуатацию нового очистного забоя, как обычно, направлялась на временное хранение. После начала производства случались нарушения, связанные с необычно частыми отказами домкратов передвижки. при выполнении необходимой замены уплотнений были отмечены признаки значительной коррозии, особенно в верхней части цилиндра, так что замена домкрата передвижки становилась неизбежной.

Учитывая значительные издержки, которые несет шахта, принципиальным вопросом является, смособна ли жидкость HFA с возможным «эффектом памяти» предотвратить подобные повреждения.

Условия использования жидкостей HFA

Шахта «Вест» располагает разными источниками водоснабжения для приготовления жидкостей HFA. Как известно, в готовых к применению смесях вода с содержанием 97-98% является самым значительным компонентом и гарантирует, таким образом, абсолютную пожарную безопасность в шахте.

Кроме того, свойства примешиваемой воды влияют на такие рабочие характеристики жидкостей HFA как:

  • коррозионная защита,
  • стабильность водной смеси,
  • микробиологическая нагрузка,
  • образование цинкового мыла.

Таким образом, качество воды имеет решающее значение и поэтому требует повышенного внимания.

 Фактические данные за 2003г. четко демонстрируют, каким был состав воды в последние годы. Пиковая нагрузка в 2002г. замерялась на выемочном участке №243 с общей электропроводностью около 3 000 мкСм/см.

В этих экстремальных условиях необходимо учитывать пригодность к применению жидкостей HFA, особенно с точки зрения стабильности среды и коррозионной защиты. В описываемый период на шахте «Вест» работали с жидкостями HFA типа HFA-S, при этом естественно, что вследствие полной растворимости в воде компонентов смеси никаких трудностей в смысле  стабильности системы HFA не обнаружено. Что касается этих жидкостей, то вследствие их растворимости  существует лишь теоретическая возможность образования поверхностей пленки с особыми защитными свойствами.

Для решения возникающих проблем компания «ДМТ ГмбХ», Эссен, совместно с DSK и всеми производителями и поставщиками HFA осуществила описанные в следующем разделе испытания и различные следующие проверки.

 Описание и использование испытательного стенда «ДМТ»

 На стенде «ДМТ» для испытания стоек крепи с жидкостью HFA два домкрата передвижки с рабочим давлением 250 бар установлены друг напротив друга.

Штоки цилиндров, попеременно находясь в активном  и пассивном состоянии, движутся друг к другу с давлением примерно 250 — 300 бар, причем каждый раз давление пассивного цилиндра ограничивалось предохранительными клапанами примерно до 200 бар.

Для испытаний использовались еще не эксплуатировавшиеся домкраты передвижки компании «ДБТ ГмбХ» (в настоящее время «Бьюсайрус Интернэшнл Инк.», Южный Милуоки, штат Висконсин, США), типа SC 135/90-900; ZNR:8241.009.000.00.00, а также домкраты передвижки из очистного забоя шахты «Вест», на которых имелись значительные следы коррозионного разрушения вследствие повреждения уплотнений. Состояние этих цилиндров свидетельствует об их интенсивном использовании и усиленной коррозии.

В качестве гидравлической жидкости применялся 2%-ный раствор  концентрата HFA в воде типа Z, чтобы создать предпосылки для  сопоставления проверяемых жидкостей и чтобы по возможности максимально смоделировать требования шахты.

Вследствие негарантированной стабильности эмульсии HFA в воде типа Z не все применяемые жидкости в «ДСК» среды подвергались испытанию (особенно это касается полусинтетических сред).

На вышеприведенном рисунке показана диаграмма нагружения при исходном измерении. Отображено давление в поршневой полости и кольцевом пространстве использованного и нового цилиндра, а также  ход поршня цилиндов. Целенаправленные циклы нагружения повторялись до тех пор, пока замеренная потеря давления не становилось слишком большой или пока уплотнение полностью не выходило из строя.

Влияние качества воды для гидравлических испытаний

Как уже указывалось выше, состав и свойства шахтной воды для смешивания подвержены очень сильным колебаниям, поэтому для обеспечения воспроизводимости и сопоставимости вернулись к использованию некоторой «синтетической» воды с максимальными требованиямик средам HFA, а именно воды типа Z в соответствии с 7-м Люксембургским отчетом.

Установлено, что все испытания необходимо производить в воде типа Z м 2%-ным содержанием концентрата HFA.

Проверка гидравлической эмульсии P 87 AF-TAD

В процессе исследования систем HFA-E проходил проверку и гидравлический концентрат P 87 AF-TAD компании «Карл Бехем ГмбХ», Хаген, так как всесторонние предварительные исследования показали, что концепцией концентратов HFA-E с высоким содержанием минерального масла, особенно в случае трудностей с используемой водой, обеспечиваются заметные преимущества в производственнх условиях.

В ходе обычных анализов исследовалась исходная эмульсия (2%-ный раствор в воде типа Z), а также используемая для приготовления эмульсии вода.

Результаты испытаний

Лучшие результаты, несомненно, достигнуты при применении гидравлического концентрата P 87 AF-TAD: во — первых, лишь только после  1 640 циклов нагружения отказывал домкрат передвижки вследствие коррозионного повреждения. Этот результат особенно знаменателен, так как все жидкости HFA, которые также проходили проверку в этой серии испытаний, показали более низкие результаты. Наблюдаемая тенденция свидетельствует о том, что в зависимости от содержания минерального масла в рассматриваемой жидкости HFA можно достичь такого количества циклов нагружения, которое примерно сопоставимо с параметрами, характерными для новых домкратов передвижки. Так как все исследования производились при 2%-ном разбавлении в водетипа Z, необходимая минимальная концентрация в «активно» эмульгирующем  минеральном масле получается таким образом, чтобы вызывать эффективное образование защитной пленки на поверхности цилиндра.

Результаты трудоемких испытаний показывают следующее:

  •  гидравлический концентрат P 87 AF-TAD обладает выраженной склонностью к активному образованию пленки на поверхностях и обеспечивает, таким образом, трибологическое действие.
  • образовавшаяся в результате динамического равновесия сорбции и десорбции пленка из минерального масла обеспечивает превосходную совместимость с материалами уплотнений и необходимые антифрикционные  свойства, так что даже уже корродированные поверхности цилиндра, оказывающие сильное абразивное воздействие, не вызывают быстрого механического разрушения уплотнений.

Этот эффект способствует тому, что система допускает вполне возможное с условиях подземных горных работ кратковременное снижение концентрации эмульсии HFA без немедленного выхода из строя, по крайней мере, в течение определенного периода времени. 

В качестве резюме хотелось бы представить для обсуждения понятие «эффект памяти» и узнать, насколько правомерно использовано нами это понятие.