Diagnostyka pomp hydraulicznych. Czym i jak przeprowadzić test?

Ciśnienie robocze pompy

Wyrażone jest w barach lub Pascalach i określa nominalne dopuszczalne obciążenie pompy w pracy ciągłej. Oznacza to, że pompa w tym zakresie ciśnień przy zachowaniu stałej prędkości obrotowej wałka i utrzymaniu temperatury w zakresie normalnych temperatur roboczych oleju będzie utrzymywała swoje parametry robocze. Niektórzy producenci określają jeszcze minimalne i maksymalne ciśnienia robocze. Jest to przydatne w sytuacji, gdy w układzie potrzebny jest impuls ciśnienia powyżej nominalnego ciśnienia roboczego, trwający np. sekundę albo dwie, co nie doprowadza do zniszczenia pompy. Inni zaś określają czas pracy przy maksymalnym ciśnieniu roboczym wyrażony wartością procentową. Najczęściej jest to 10% ogólnego czasu pracy.

Jak sprawdzić wydajność pompy hydraulicznej?

Wyrażona w litrach na minutę. Ten sposób podawania wydajności pompy jest obarczony błędem, ponieważ trzeba wiedzieć, że podana wartość jest liczona dla 1000 obrotów na minutę wałka silnika napędzającego pompę. Czyli jest to wartość czysto teoretyczna, bo rzadko się zdarza, aby akurat tyle wynosiła prędkość obrotowa silnika. Typowe obroty silnika elektrycznego to 1450 obr./min, a przy zastosowaniach mobilnych rzadko się zdarza, że maszyna porusza się ze stałą prędkością jazdy. Obroty w silnikach spalinowych w cyklu roboczym maszyn wahają się od 600 do 2500 obr./min. Jak z tego wynika, podanie wydajności w litrach nie jest dokładne. Do celów konstrukcyjnych podaje się je w centymetrach sześciennych na obrót. Wartość tę należy każdorazowo przemnożyć przez liczbę obrotów na minutę silnika napędzającego pompę, aby uzyskać właściwą wydajność pompy przydatną do celów konstrukcyjnych lub diagnostycznych. Wydajność pompy zawsze zatem należy rozważać, znając prędkość obrotową silnika napędzającego.

Robocza temperatura oleju

Wyrażona w st. Celsjusza, choć przez producentów oleju i typowych elementów hydrauliki siłowej najczęściej podawana w Kelwinach. Informacja ta jest istotna o tyle, że nie można określać wydajności pompy w oderwaniu od rodzaju medium w układzie hydraulicznym. Podstawowym wyróżnikiem olejów hydraulicznych jest ich lepkość, a co za tym idzie – gęstość w stosunku do temperatury roboczej układu hydraulicznego. Każdy z producentów pomp zakłada i podaje przedział temperatur roboczych oleju oraz jego rodzaj. Wydajność pompy jest w sposób bezpośredni związana z tymi parametrami i zmiana temperatury oleju zawsze powoduje zmianę wydajności pompy.

Wykres nr 1 obrazuje zależność wydajności pompy od ciśnienia roboczego. Krzywa została wykreślona teoretycznie dla pokazania tej zależności i jednego bardzo ważnego punktu związanego z określaniem sprawności pompy. Jeżeli przyjrzymy się wykresowi, widać na nim, że ilekroć podniesiemy ciśnienie w układzie, to stracimy część wydajności. W sytuacji gdy mamy do czynienia ze sprawną pompą, to w zakresie ciśnienia nominalnego widzimy niewielki spadek wydajności, natomiast po przekroczeniu wartości ciśnienia nominalnego spadek wydajności jest znaczny. Gdy mamy do czynienia z uszkodzoną pompą, możemy spotkać się z sytuacją, że wydajność pompy w pewnym momencie dojdzie do wartości zero przy osiągnięciu skrajnej wartości ciśnienia. Na wykresie przedstawia to punkt A. Jest to bardzo ważna informacja, która mówi nam, że nie można rozpatrywać sprawności pompy wyłącznie przez pryzmat ciśnienia. Punkt A w sposób oczywisty mówi nam, że możemy mieć ciśnienie, ale możemy nie mieć wydajności. Oczywiście w praktyce posiadamy jakąś minimalną wydajność, ale wystarcza ona wyłącznie do utrzymania ciśnienia, czyli pokrywa wyłącznie przecieki wewnętrzne pompy lub całego układu hydraulicznego.

Wykres nr 2 pokazuje nam zależność wydajności od temperatury. Analizując krzywą, możemy zobaczyć, że pompa w miarę warastania temperatury oleju traci część wydajności. Jak już wcześniej wspominałem, nie można pominąć tego zagadnienia w rozpatrywaniu sprawności pompy, a zwłaszcza biorąc pod uwagę pompę uszkodzoną. Na wykresie kolorem zielonym zaznaczono zakres normalnych temperatur roboczych oleju i w stosunku do nich spadku wydajności. Widać wyraźnie, że w miarę nagrzewania się oleju będziemy mieli do czynienia ze spadkiem wydajności, choć przy sprawnej pompie spadek ten będzie minimalny i w zakresie nominalnych temperatur roboczych nie będzie odczuwalny. Analizując jednak uszkodzoną pompę, trzeba wiedzieć, że właśnie szybkość wzrostu temperatury oleju będzie jedną z cech obrazujących jej sprawności. Wynika to z budowy pompy. Wszystkie pompy smarowane są przeciekami, a ich nadmiar odprowadzany jest do kanału ssącego pompy. Budowa ta determinuje zjawisko nagrzewania się oleju, ponieważ olej wielokrotnie w uszkodzonej pompie przepływa w niej w krótkim obiegu i jest w związku z tym wielokrotnie podgrzewany przy wytwarzaniu ciśnienia. Ma to olbrzymi wpływ na powstawanie ciepła w pompie.

Przy rozważaniu sprawności pompy musimy brać pod uwagę jednocześnie wykres nr 1 i 2, ponieważ dopiero wtedy możemy uzyskać pełny obraz sprawności pompy, a pominięcie któregoś z parametrów w rezultacie będzie prowadziło do wyciągnięcia błędnych wniosków. Wiedza ta jest nam potrzebna do prawidłowego przeprowadzenia diagnostyki pompy hydraulicznej.

Czym jest hydrotester?

Najprostszą metodą diagnostyki pompy jest użycie hydrotestera, czyli przyrządu składającego się z pięciu elementów, którymi są:

• manometr,
• przepływomierz,
• termometr,
• zawór dławiący,
• zawór bezpieczeństwa.

Budowę hydrotestera determinuje oczywiście konieczność sprawdzenia trzech podstawowych wartości jednocześnie, o których pisałem wcześniej. Zdjęcie przedstawia typowy hydrotester przenośny umożliwiający badanie pomp w miejscu zainstalowania.

W handlu występują też hydrotestery elektroniczne. Ich budowa jednak jest taka sama jak tych analogowych. Różnica polega tylko na tym, że do badania ciśnienia używa się np. tensometrycznych przetworników ciśnienia, z których odczytuje się sygnał elektryczny i turbinki połączonej z tachometrem do odczytu prędkości przepływu oleju. Pozwala to na połączenie hydrotestera i zwizualizowanie całego testu np. w formie wykresu. Nie zmienia to jednak w niczym budowy testera.

Metodologia prowadzenia diagnostyki pompy jest uzależniona od warunków, w jakich jesteśmy zmuszeni przeprowadzić dany test.

Służby utrzymania ruchu najczęściej będą zmuszone do prowadzenia testów w miejscu zainstalowania pompy. Jest to najbardziej w tym przypadku właściwa forma, bo do celów serwisowych nie potrzebujemy budować stanowiska badawczego. Przy wykorzystaniu przenośnego hydrotestera jesteśmy w stanie zasymulować pompie warunki pracy na maszynie, wystarczy tylko wybrać właściwy punkt wpięcia testera. Najprościej jest podpiąć go do kanału ciśnieniowego pompy, a wypływający z niego olej po pomiarze odprowadzić wężem bezpośrednio do zbiornika. Jest to metoda bezpośredniego pomiaru pompy, gwarantująca najbardziej dokładny pomiar. Niestety, w praktyce zdarza się, że budowa układu nie pozwala na bezpośredni pomiar pompy, bo jest ona połączona od razu z blokiem zaworów. W takim przypadku są dwa wyjścia. Jedno, bardziej pracochłonne, polega na wykonaniu przyłączki, którą przykręcamy do pompy w miejce bloku. Jest to de facto pomiar bezpośredni, ale niewymagający doświadczenia w interpretowaniu pomiarów. Druga metoda polega na wpięciu się w pierwsze dostępne miejsce za blokiem połączonym z pompą albo wpięcie się do bloku. Wymaga to większego doświadczenia osoby prowadzącej test, ponieważ musi ona znać zasady działania elementów zainstalowanych w bloku i w związku z tym musi umieć zinterpretować pomiar zaburzony np. zaworem przelewowym lub dławikiem.

Inaczej jest, gdy test pompy prowadzi firma zajmująca się naprawą pomp. W takim przypadku musimy posiadać stanowisko, które pozwoli na zasymulowanie warunków roboczych pompy. Powinno być ono wyposażone w zbiornik oleju i silnik napędzający pompę, najlepiej sterowany falownikiem (pozwoli to na symulowanie różnych prędkości roboczych pompy, a co za tym idzie – sprawdzenie różnych wydajności). Oczywiście musimy na takim stanowisku mieć do dyspozycji albo hydrotester, albo pojedyncze jego części, czyli: przepływomierz, termometr, manometr i zawór, którym obciążymy pompę. W przypadku serwisów pomp zmienia się też trochę metoda pomiaru, ponieważ najczęściej nie wiemy, w jakich warunkach pracuje pompa, więc musimy przeprowadzić test, symulując wszystkie możliwe warunki jej pracy.

Jeżeli chodzi o SUR, to tę kwestię mamy rozwiązaną, bo testując pompę w miejscu zainstalowania, interesuje nas, jak zachowuje się ona w tej aplikacji. Ważny jest sposób prowadzenia testu. Oczywiste wydaje się, że metoda testowania powinna w najbliższy możliwy sposób przypominać warunki pracy pompy w układzie. Czasami jednak ze względu na konieczność przyspieszenia testu możemy obciążyć pompę ciśnieniem maksymalnym po to, by np. wymusić szybszy wzrost temperatury (oczywiście jeżeli ciśnienie robocze jest niższe od ciśnienia maksymalnego pompy).

Pompa hydrauliczna – test

Podstawowa metoda prowadzenia testu:

1. Po podłączeniu się do pompy testerem sprawdzamy, czy zawór dławiący jest rozkręcony. Powinien być w pozycji całkowitego otwarcia, aby przypadkowo nie obciążyć pompy w trakcie rozruchu.
2. Jeżeli upewnimy się, że tester jest prawidłowo połączony z pompą, wąż odprowadzający jest umieszczony w zbiorniku, a zawór jest całkowicie otwarty, możemy włączyć pompę.
3. Po uruchomieniu pompy pojawi się nam odczyt przepływu oleju na przepływomierzu. Pokazana wartość to maksymalna geometryczna wydajność pompy w tych warunkach instalacji.
4. Jeżeli mamy stabilny odczyt przepływu, możemy przystąpić do obciążania pompy. Niestabilny odczyt przepływu może świadczyć o uszkodzeniu pompy lub nieszczelności kanału ssącego.
5. Efektem obciążenia pompy powinien być wzrost ciśnienia widoczny na manometrze. Ciśnienie podnosimy maksymalnie do ciśnienia nominalnego pompy lub do ciśnienia roboczego układu.
6. Jeżeli w trakcie podnoszenia ciśnienia nie widzimy spadku wydajności pompy, pozostawiamy pompę obciążoną i obserwujemy temperaturę oleju.
7. Jeżeli temperatura wzrasta i stabilizuje się w przedziale 40–70°C, a wydajność pompy spada nieznacznie w stosunku do pierwotnej wydajności geometrycznej pompy, możemy uznać, że pompa jest sprawna. Jeżeli któraś z wartości, najczęściej temperatura lub wydajność, w trakcie testu się zmienia, stanowi to wskazanie, że pompa jest uszkodzona.
8. Po wykonaniu pomiaru rozkręcamy zawór obciążający pompy, a następnie wyłączamy silnik napędzający.

Jest to najprostsza procedura testu, którą może przeprowadzić nawet mało doświadczony pracownik. W sytuacji kiedy mamy do czynienia z niejednoznacznym wynikiem pomiaru lub z pompą o zmiennej wydajności, przydatny staje się wykres sprawności pompy, który zawsze znajduje się w jej karcie katalogowej.

Wykres nr 3 przedstawia poszczególne zależności, o których była mowa wcześniej, w powiązaniu z prędkościami obrotowymi napędu oraz zapotrzebowaniem na moc. Wykres taki jest bardzo pomocny w sytuacji gdy z pomiaru nie wynika jednoznacznie, że pompa jest uszkodzona. Porównując wartości pomiaru wykonanego hydrotesterem z nominalnymi wartościami odczytanymi z wykresu, można określić stan pompy.

Do wykonania testu pompy w warunkach serwisowych może nam wystarczyć sam przepływomierz, ponieważ w maszynach pozostałe elementy testera są zabudowane fabrycznie. Jeżeli w układ między pompę a blok sterujący wepniemy przepływomierz i uruchomimy maszynę w normalnym cyklu roboczym, to uzyskamy ciągły odczyt wydajności pompy w każdym momencie cyklu roboczego. Odczytu temperatury możemy dokonać na termometrze zainstalowanym w zbiorniku, a ciśnienia na manometrze, w który wyposażona jest większość układów. Jest to całkowicie równoważna metoda testu z testem hydrotesterem, a w pewnych przypadkach może być źródłem większej ilości informacji niż zwykły test.

Zdarza się, że maszyny pracujące w cyklu pracy ciągłej, gdzie pompa jest obciążona przez kilkadziesiąt godzin, dopiero po tym czasie wykazują niedomagania. Wówczas aby wykonać diagnostykę pompy, lepiej jest przepływomierz wpiąć na stałe, co pozwala na ciągłą obserwację wydajności pompy i ustalenie, czy to ona stanowi powód niedomagań maszyny.

W artykule odsłoniłem jedynie wierzchołek góry lodowej – problem diagnostyki pomp hydraulicznych przy pomocy hydrotestera. W trakcie kilkudziesięciu lat praktyki zawodowej przeprowadziłem setki testów, a nadal zdarza mi się test, z którego interpretacją mam problem. Mimo to zachęcam do używania hydrotestera, bo to moim zdaniem jedno z najlepszych urządzeń do diagnostyki nie tylko pomp, ale całych układów hydraulicznych. Jakiś czas temu pisałem już w SUR o możliwych zastosowaniach hydrotesterów w serwisowaniu hydrauliki siłowej. Urządzenie takie we wprawnych rękach mechanika daje wgląd w zachowanie się układu hydraulicznego maszyny i odpowiada na wiele pytań, na które z pozoru nie można uzyskać odpowiedzi.