CC BY
14
АВАРИЙНОЕ УСТРОЙСТВО ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН
Коновалов М. Н., Дроздовский Г.П., Андронов И.Н. (УГТУ, г. Ухта, РФ)
The device of emergency ecological protection of system of a hydrodrive of wood machines.
Известно, что сложные климатические работы, динамическое воздействие со стороны предмета труда - приводят к недостаточной надежности лесопромышленного оборудования. Как показывает анализ эксплуатационной надежности отечественных лесозаготовительных машин [1], гидросистема имеет значительный процент отказов (30%-54% от всех отказов по машине); на механические повреждения гидропривода приходится 36%-45% от общего числа, а нарушение функционирования резино-технических изделий (РВД, уплотнения) составляет 48%-50%. Гидрошланги и трубопроводы, подвержены интенсивным процессам старения и усталостного разрушения (разрывы от 29,7% до 44,4%; расслоение; разрушение рабочих оболочек), особенно в условиях знакопеременного динамического нагружения при отрицательных температурах, что определяет их низкую надежность и наибольший процент отказов по гидросистеме (внешняя негерметичность - 42%, причем из них 44% - отказы уплотнений, а 56% разрывы трубопроводов и рукавов высокого давления (РВД)). Следствием разгерметизации гидропривода является экологически вредный выброс гидрожидкости в окружающую среду (до 500 л), что приводит к экологическому загрязнению, простоям технологического оборудования и дополнительным затратам на горюче-смазочные материалы (ГСМ).
Существующие предохранительные устройства имеют множество недостатков. Одни по принципу действия зависят от вязкости гидрожидкости и часто дают ложные срабатывания при ее повышении, особенно в условиях низких температур. Другим предохранительным устройствам требуются значительные дополнительные электромеханические связи, что существенно усложняет и удорожает структуру гидропривода. Еще одним недостатком является то, что участки гидросистемы (напорные, магистральные, сливные ) имеют различные рабочие параметры, особенности нагружения и время циклической эксплуатации. Например для гидропривода ходовой части или нереверсивного гидропривода, неконтролируемость сливных линий может быть значительной по времени, в отличии от агрегатов с ограниченным сливом. Все это затрудняет адекватный выбор предохранительных устройств для соответствующей гидросистемы.
Устранение некоторых из этих недостатков возможно за счет применения аварийного устройства экологической защиты на базе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ). Принципиальная схема данного устройства показана на рис.1.
Принцип работы заключается в следующем: рабочий элемент из сплава с ЭПФ (втулка) 3 находится в состоянии теплового баланса, т. е. материал с ЭПФ
не должен достигать температуры начала обратного мартенситного перехода за счет температуры проходящей через него рабочей жидкости (жидкость служит как охладитель). В процессе работы масло, поступающее через сливную линию 11 проходит по винтовому контуру втулки 4, охлаждая элемент с ЭПФ, тем самым предотвращая его воздействие на клапан 1 (сказывается условие теплового баланса). Таким образом клапан 1 открыт и гидрожидкость от насоса через напорную полость поступает к распределителю, образуя замкнутую систему гидропривода. В случае разгерметизации тубопровода, поток через сливную магистраль прекращается, втулка с ЭПФ нагревается (от нагревательного элемента 5), создавая давление на клапан 1(создается усилие и удлинение от нагрева ). Тем самым происходит закрытие клапана 1 и открытие клапана 2, предотвращая доступ гидрожидкости к элементам гидросистемы. Данное устройство позволяет контролировать герметичность напорных и сливных гидролиний в процессе эксплуатации, с эффективным отводом масла (в случае выброса) через открытый клапан 2 в бак. Для предотвращения ложного срабатывания нагревательный элемент включается и выключается автоматически с включением потребителя через распределитель. В летнее время для устойчивого теплового баланса в аварийном устройстве, рекомендуется применять материал с ЭПФ с более высокой температурой начала обратного мартенситного перехода или на сливной линии до входа в аварийное устройство устанавливать охладитель (радиатор или змеевик).
Таким образом данное аварийное устройство экологической защиты системы гидропривода лесозаготовительных машин на базе материалов с ЭПФ, позволит повысить экологичность и надежность технологического оборудования в случае аварийного разрыва гидролиний.
Рисунок 1 - Схема аварийного устройства:
1,2 - рабочий клапан, 3-втулка из материала с ЭПФ, 4 - втулка охлаждения, 5 - нагревательный элемент, 6 - медная втулка, 7 - пружина противодействия, 8 - предохранительный клапан, 9 - напорная линия от насоса, 10 - напорная линия к распределитею, 11 - сливная линия.
В качестве увеличения теплоотдачи применяем в зоне теплообмена завих-рители в виде спирального прохода. Использование завихрителей в системе наиболее благоприятно. Увеличивается КПД, улучшается теплоотдача - повышается скорость остывания металла с эффектом памяти формы (образуется турбулентный режим).
При турбулентном режиме для определения коэффициента теплоотдачи рекомендуется уравнение согласно источнику [2]
ЫиЖ = 0,021- Я™ - Рж°;43'
Гр л
гж
0,25
Р
V гсс у
(1)
где Рж - число Прандтля для жидкости принимаем, Рж = 290; ?гст - число Прандтля для металла с ЭПФ принимаем ?гст= 48; Rе - критерий Рейнольдса.
Для решения этого критериального уравнения необходимо знать температуру нагрева металла (^=120° С). Определяем величину коэффициента теплоотдачи а от стенки к маслу согласно источнику [2] .
а = Nиж-^т ' (2)
а
вн
где Хж - коэффициент теплопроводности охлаждающей жидкости, Вт/(м °С), Хж = 0,1217 Вт/(м °С); ёвн - диаметр сечения винтового прохода , м.
Расчет теплоотдачи в изогнутых трубках [2] производится по формулам для прямой трубы с последующим введением в качестве сомножителя поправочного коэффициента ек
8= 1 +1.77 —, (3)
к к
где К - радиус охладительного контура; м.
Коэффициент теплоотдачи а от стенки к жидкости согласно источнику [2] для сечения с завихрением
а =а-8, (4)
Количество теплоты, передаваемое от металла охлаждающей жидкости
д = я-авн -1 -а-А, (5)
где 1 - длина материала с ЭПФ, м; А1 - разница начальной и конечной температур
А1 = (1 к -1 н)
А1 = (120 - 40) = 80 °С
Количество теплоты передаваемое в единицу времени через стенку материала с ЭПФ
б,, (6) — • 1п ^
где - наружный диаметр втулки с ЭПФ, м; ё2 - внутренний диаметр втулки с ЭПФ, м; Хж - коэффициент теплопроводности охлаждающей жидкости, Вт / (м0С), ^ = 42 Вт/(м 0С).
По формулам (1-6) произведем расчет (диаметры винтового прохода: ёвн1=10мм, ёвн2=15 мм, ёвн3=20 мм; размеры втулки с ЭПФ: ^=0,15 м, ё2=0,1 м, 1=0,15 м). Выстроим зависимость (рис.2) количество передаваемого тепла 0(кДж/час) от диаметра сечения винтового прохода ёвн
о я
У
*
5
104000 100000 96000 92000 88000 84000 80000
10
15
20
5
Рисунок 2 - Зависимость количества передаваемого тепла от диаметра сечения винтового прохода.
Количество теплоты передаваемое в единицу времени через стенку материала с ЭПФ согласно формуле (6) 0^19800 кДж/час (существенно меньше чем 0). Таким образом, применение винтового прохода в охладительной втулке разрабатываемого аварийного устройства, позволяет эффективно охлаждать рабочий элемент из материала с ЭПФ.
Литература
1. Тюкавин В. П., Попов Ф. П. Повышение надежности лесных машин. (Межиздательская серия "Надежность и качество"). М.: Лесная промышленность, 1978.- 168 с.
2. Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип. М.: Энергия ,1977.- 344 с.
