Причины кавитации в насосах: симптомы, основные причины и стратегии предотвращения

Гидравлический насос строительной машины проработал всего 480 часов, прежде чем техник заметил характерный шум, похожий на гравий, доносившийся со стороны всасывания. Когда агрегат был открыт, в области впуска и картридже насоса были обнаружены глубокие ямки и шероховатые поверхности. Это была кавитация, а не бракованная деталь. Кавитация является основной причиной преждевременного выхода из строя насосов в гидравлических системах, и ее почти всегда можно избежать, если понять условия, которые ее вызывают.

Кавитация возникает, когда давление жидкости на входе насоса падает ниже давления паров масла, образуя пузырьки пара, которые резко схлопываются, когда их выталкивают в зону высокого давления внутри насоса. Обрушение создает локализованные ударные волны, которые разрушают металл, вызывают вибрацию и в конечном итоге приводят к разрушению насоса. Для строительная техника операторов, это означает незапланированные простои и дорогостоящий ремонт. Один только сменный картридж насоса может стоить сотни долларов, а простой экскаватора или гидравлического пресса может стоить еще дороже.

Что такое кавитация и почему она разрушает насосы

Кавитация – это физический процесс, который происходит в любом жидкостном насосе. Каждая гидравлическая жидкость имеет давление паров, которое увеличивается с температурой. Когда давление на стороне всасывания насоса падает ниже давления пара, жидкость начинает кипеть при температуре окружающей среды, образуя микроскопические пузырьки. Когда эти пузырьки попадают в область высокого давления насоса, они схлопываются окружающей жидкостью. Эти взрывы действуют как микроскопические молотки на металлические поверхности, генерируя ударные волны с локальным давлением, которое может превышать 1000 бар.

Разница между доступным и требуемым NPSH — это то, что инженеры называют запасом NPSH. Поддержание этого запаса в норме — самое важное правило проектирования для предотвращения кавитации.

Повреждения от этого процесса имеют характерный вид. Пораженные участки, обычно всасывающее отверстие, входная кромка лопастного картриджа или рабочее колесо, покрыты ямками и кажутся шероховатыми на ощупь. В тяжелых случаях металл вообще отсутствует. Производительность насоса падает, шум становится громче, возрастает риск полной поломки насоса.

Основные причины кавитации в насосах

Понимание причин является первым шагом на пути к профилактике. Существует две основные категории: причины на стороне всасывания и причины на стороне нагнетания. В таблице ниже приведены наиболее распространенные из них.

Наиболее распространенной категорией является кавитация на стороне всасывания. Это происходит, когда насос просто не может перекачивать достаточно жидкости. Чаще всего виноват фильтрующий элемент: по мере засорения фильтра перепад давления на нем возрастает, а давление на входе насоса падает ниже давления паров. Это может вызвать даже фильтр с небольшим количеством загрязнений.

Вторая распространенная причина — сама всасывающая линия. Если линия уже, чем рекомендует производитель насоса, или если в ней слишком много колен и фитингов, скорость жидкости во всасывающей линии возрастает, а местное давление падает. То же самое происходит, когда насос установлен высоко над резервуаром: высота всасывания превышает ту, которую жидкость может безопасно подать.

Температура жидкости — это скрытая причина, которую операторы часто упускают из виду. Давление паров большинства гидравлических масел значительно возрастает при температуре выше 60°C. Если система работает при температуре 70°C с низким уровнем масла или частично забитым фильтром, кавитация может начаться, даже если расчеты NPSH на этапе проектирования выглядели правильно.

Кавитация на стороне нагнетания встречается реже, но все же серьезна. Если выпускная линия засорена, если клапан открыт лишь частично или если уставка сброса давления превышает номинальную производительность насоса, давление в насосных элементах может упасть ниже давления паров. В поршневых насосах и лопастные насосы одинаково, это состояние производит один и тот же характерный шум и повреждения.

Захват воздуха из негерметичной всасывающей линии также может имитировать симптомы настоящей кавитации. Когда насос засасывает воздух, газовые карманы разрушаются с таким же шумом и вызывают аналогичную эрозию. Разница в том, что основной причиной является воздух, а не давление пара. Проверка и затяжка всех соединений всасывающей линии — это простой шаг, позволяющий избежать многих ложных срабатываний.

Как обнаружить кавитацию до того, как насос выйдет из строя

Кавитация дает четкие предупреждения. Самый надежный — звук: устойчивый «камешок в банке» или гравийный стук, который усиливается при увеличении рабочей нагрузки. Вибрация – второй признак. Насос, который работает плавно при 1800 об/мин, но начинает работать с перебоями при 2200 об/мин, говорит о том, что впускное отверстие ограничено.

Изменения производительности также распространены. Поток постепенно падает, и гидравлический цилиндр или двигатель на стороне выпуска движется медленнее, чем в новой системе. Показания давления на выходе насоса колеблются, и масло может вспениваться в бачке.

Открывая насос во время перерыва в обслуживании, осмотрите картридж насоса. Внутренний блок лопастей часто является первой деталью, на которой обнаруживаются повреждения. Изъязвленные кончики лопастей, задиры на пластине порта и шероховатые поверхности на всасывающем канале — все это индикаторы того, что произошла кавитация. Хорошей новостью является то, что картридж является сменным компонентом. В насосе типа T6/T7 картридж можно заменить без замены корпуса насоса, что снижает стоимость ремонта.

Конструкция лезвия с двойной кромкой картриджа T6/T7 В серии T используется конструкция лопастей с двумя кромками, причем двойные кромки попеременно контактируют со статором, чтобы уменьшить воздействие лопастей на статор. Маслонасос с сердечником Т-серии... Посмотреть продукт →

Как предотвратить кавитацию в реальных гидравлических системах

К профилактике можно подходить на трех уровнях: проектирование системы, правила эксплуатации и техническое обслуживание.

Советы по проектированию системы

• Рассчитайте NPSHa для наихудшего случая: высокая температура масла, загрязненный фильтр и самый низкий уровень масла в резервуаре. Поддерживайте запас по крайней мере на 15–20 % выше требуемого NPSHr насоса.
• Линия всасывания должна быть как можно более короткой и прямой. Скорость жидкости во всасывающей линии не должна превышать 1,2 м/с для гидравлического насоса. При необходимости используйте трубу большего размера.
• Сведите к минимуму количество фитингов, колен и клапанов на стороне всасывания. Каждый дополнительный фитинг увеличивает падение давления.
• По возможности используйте фильтр возвратной линии, а не всасывающий фильтр. Если всасывающий фильтр неизбежен, выберите фильтр с низким перепадом давления и большим байпасом.
• В бачке поддерживайте уровень жидкости, закрывающий впускное отверстие насоса. Используйте перегородку, чтобы предотвратить завихрение масла и попадание воздуха в насос.
• Выберите насос с NPSHr, соответствующим имеющемуся NPSH. Лопастной насос серии V имеет компактный картридж и бесшумную работу, что делает его более подходящим для систем, чувствительных к всасыванию.

Одиночный малошумный насос серии V Малошумный внутрилопастной насос серии V соответствует требованиям станкостроительной промышленности. Эти насосы имеют высокое давление. Благодаря большой емкости, компактным размерам, низкому уровню шума и длительному сроку службы... Посмотреть продукт →

Операционные привычки

• Запустите насос в диапазоне скоростей, указанном производителем. Большинство лопастных насосов рассчитаны на скорость от 1200 до 2500 об/мин. Постоянное повышение скорости насоса до 3000 об/мин приводит к кавитации, даже если линия всасывания выглядит нормально.
• Поддерживайте температуру жидкости в диапазоне 40-60°C. Используйте теплообменник, когда машина работает непрерывно.
• Не устанавливайте предохранительный клапан выше максимального давления, указанного производителем насоса. Уставка давления должна соответствовать конструкции системы, а не теоретическому пределу насоса.
• Для применений с высоким давлением и переменной нагрузкой поршневой насос, такой как серия A10VSO, имеет жесткую конструкцию и хорошую устойчивость к высокому давлению.

Поршневой насос серии A10VSO 31 Описание продукта: Посмотреть продукт →

Советы по обслуживанию

• Заменяйте всасывающие фильтры по графику, а не тогда, когда срабатывает индикатор. Фильтр, засоренный на 80%, все еще может создавать достаточное давление в возвратной линии, но падение давления на стороне всасывания уже может быть достаточно высоким, чтобы нарушить работу впускного отверстия насоса.
• Проверяйте картридж насоса во время каждого планового обслуживания. Если кончики лопастей имеют износ или точечную коррозию, это ранний сигнал.
• Следите за температурой и загрязнением масла. Высокая температура и грязь — смертельно опасное сочетание.

Итог

Кавитация является признаком того, что гидравлическая система плохо спроектирована, неправильно эксплуатируется или плохо обслуживается. Сам насос часто является жертвой, а не причиной. Отрегулируйте условия на входе, следите за тем, чтобы масло было холодным и чистым, и выбирайте насос, требования к NPSH которого соответствуют фактической системе. Это самый простой путь устранения кавитационных повреждений и поддержания работоспособности гидравлического оборудования.