CC BY
19
УДК 62-82:636.084.74
ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА КОРМОРАЗДАТЧИКА МИР-10
В.П. Карпов, кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник И.А. Тихомиров, кандидат с.-х. наук, ведущий научный сотрудник Всероссийский научно-исследовательский институт механизации животноводства E-mail: [email protected]
Аннотация. Представлен анализ рабочих процессов многофункциональной машины МИР-10, показывающий большой диапазон требуемых скоростных режимов основного рабочего органа - ротора. Различие в минимальной и максимальной скоростях вращения ротора - 15-кратное. Дается обоснование гидравлического привода по аналогии с решением этой задачи в других сложных и энергонасыщенных сельскохозяйственных машинах. Представлен выбор ключевых элементов гидравлической схемы, упор сделан на использовании простейших регуляторов расхода дроссельного типа отечественного производства. Исследования характеристик гидропривода выполнены на экспериментальном образце раздатчика МИР-10, на котором была смонтирована данная гидротрансмиссия. Привод осуществлялся от электродвигателя мощностью 50 кВт, сблокированного с коробкой скоростей, обеспечивающих различную входную скорость насоса; выходная скорость ротора устанавливалась регулятором и контролировалась стробоскопическим тахометром. Эксперименты показали, что диапазон регулировки скорости соответствует требуемому, зона действия регулятора уже, чем предусмотрено конструкцией регулятора, дается пояснение причин этого. Определены пределы максимальных оборотов при различных нагрузках трансмиссии и установлен факт «проседания» скорости под нагрузкой, т.е. показатель мягких свойств регуляторной характеристики. Представлены расчетные графики, позволяющие сравнить показатели работы мягкой и жесткой характеристик гидропривода, показывающие существенное снижение эффективности мягкой характеристики. Данную гидросистему необходимо создавать на основе регулируемых модификаций насосов, имеющих переменный рабочий объем, что обеспечивает полную жесткость характеристики и соответствие получаемых оборотов рабочих органов требованиям технологических процессов. Ключевые слова: кормораздатчик, гидравлический привод, регулирование скорости.
Одним из перспективных направлений совершенствования машин для раздачи кормов крупному рогатому скоту является создание техники, способной совмещать несколько операций. Получаемое при этом сокращение номенклатуры машин на ферме само по себе дает значительный экономический эффект. Кроме того, в таких машинах применяются более совершенные технологические элементы и системы, например, гидравлика, автоматика, которые нередко оказываются способны дополнительно расширить сферу их использования.
Эти особенности можно проследить на примере создания многоцелевого кормораздатчика МИР-10 [1]. В перечень задач, которые решает такой раздатчик, входит раздача кормов, смешивание различных компонентов рациона, измельчение кормов и подстилки, заготовленных в виде рулонов, внесение
подстилки в боксы и на площадки, самозагрузка рулонов и рассыпных кормов [4,5].
Раздатчик включает горизонтальный вращающийся цилиндрический бункер, в торце которого размещен фронтальный ротор -крыльчатка с горизонтальной осью вращения, на рабочей кромке лопастей которого установлены измельчающие сегменты. Особенность технологического процесса основана на том, что все чрезвычайно разнообразные операции, перечисленные выше, выполняются с активным использованием ротора, работающего в различных скоростных режимах, причем ключевую роль играет именно широкий диапазон скоростей вращения ротора.
Предварительные исследования [1, 2] показывают, что необходимая скорость вращения ротора в различных режимах находится в пределах, представленных в табл. 1.
Таблица 1. Динамика процессов рото ра МИР-10
Операция Скорость вращения, об/мин Материал и его характеристики Линейная скорость на выходе, м/с
Раздача кормов 100-150 Основной корм 100-400 кг/м3 5-8
Измельчение рулонов и разбрасывание подстилки 500-1000 Сено, солома 60-150 кг/м3 25-40
Самозагрузка кормов - вентиляторный режим 1200-1500 Воздух 1,24 кг/м3 50-60
Из этих данных видно, что необходимо как минимум 15-кратное изменение скорости вращения ротора. Учитывая, что передаваемая мощность в наиболее тяжелых режимах составляет более 50 кВт, подобрать чисто механические средства для решения такой задачи представляется весьма затруднительно. В этих условиях более предпочтительно выглядят гидравлические системы. Существующие гидротрансмиссии, применяемые в сельскохозяйственной технике, в частности, в современных зерноуборочных комбайнах, имеют сопоставимый диапазон вариации и передаваемой мощности.
Наиболее простым и дешевым вариантом гидравлики являются системы, работающие по так называемой «открытой схеме», основанной на использовании регулятора расхода дроссельного типа. Упрощенная принципиальная схема такой гидравлической системы показана на рисунке 1. Из известного в гидравлике условия неразрывности потока жидкости скорость вращения насоса или гидромотора связана с потоком жидкости зависимостью:
Q
П = - , (1) V
где п - скорость вращения, об/мин; ( -поток рабочей жидкости, л/мин; V - рабочий объем мотора (насоса), л.
С учетом этого для гидротрансмиссии МИР-10 были выбраны следующие ключе-
вые элементы: гидронасос 2 и гидромотор 3 - аксиально-поршневые нерегулируемые машины соответственно МГ112/32М и МН-56/32РЭ производства Шахтинского завода «Гидропривод». В качестве регулятора 4 использовался регулятор расхода с предохранительным клапаном МБПГ55-15М производства Грязинского ОАО «Гидравлик».
Учитывая, что гидронасос приводится от ВОМ трактора типа МТЗ со скоростью вращения 500 или1000 об/мин, поток жидкости в трансмиссии может составлять 56 или 112 л/мин, а скорость вращения мотора (поз. 4, рис. 1) от 0, когда весь поток жидкости сбрасывается регулятором в бак, до 1000 или 2000 об/мин.
Данные цифры оценочные, они не учитывают утечки и потери в гидроагрегатах, которые не превышают нескольких %. В целом, получаемые скорости соответствуют требуемым значениям, указанным выше.
Рис. 1. Схема гидротрансмиссии ротора:
1 - масляный бак; 2 - насос; 3 - регулятор расхода;
4 - гидромотор
Для проверки изложенных положений данная схема была смонтирована на опытном образце раздатчика МИР-10; проведены соответствующие исследования. Привод осуществлялся от специальной станции, включающей электродвигатель АОЛ225-4 мощностью 55 кВт, и=1500 об/мин, сблокированный с автомобильной коробкой передач, обеспечивающей входную скорость вращения вала приема мощности раздатчика от 360 до 1400 об/мин. Замеры скорости вращения ротора выполнялись стробоскопическим тахометром «TESTO 365». Регулировка нагрузки осуществлялась снятием ротора с приводного вала - холостой ход, и установ-
кои роторов с различным числом и размерами лопастей, что создавало различное сопротивление его вращению. Регулировалась скорость вращения ротора рукояткой регулятора расхода МБПГ55 (поз. 3, рис. 1). Полученные регуляторные характеристики представлены на рисунке 2.
800
| 700
600 500
1400 | 300
" 200 £
% 100 а ° 0 и
— • — Подъем
-Спад
-- Нагрузка
3,3 3,5 3,7 3,9 4,1 4,3 4,5 Положение регулятора скорости
Рис. 2. Регуляторная характеристика гидротрансмиссии ротора
Замеры выполнены при входной скорости вращения вала п=388 об/мин. Первое, на что стоит обратить внимание - узкая зона действия регулятора. Конструктивно регулятор имеет 40 делений - 4 оборота рукоятки по 10 делений на шкале. Но фактически регулирование от 0 до максимума происходит только в пределах одного оборота - 10 делений. Возможно, другие диапазоны регулировки будут при других нагрузках и входных оборотах. Линии роста и спада оборотов почти совпадают, хотя небольшая, но стабильная разница сохраняется во всем диапазоне регулировки. Связано это с неизбежными зазорами в механизме передачи регулятора: рукоятка - дроссельный клапан.
После достижения максимальных оборотов график четко переходит в горизонтальную линию, т.е. регулирование прекращается. Это значит, что величина потока масла достигла максимальной величины, подаваемой насосом, дальнейшее открытие дросселя не дает повышения скорости вращения ротора. Причем наибольшая скорость достигается при разных нагрузках. Так, на холостом ходу, когда на валу насоса нет ротора, Иmax= 650 об/мин, а при наличии ротора, работа-
ющего в данном случае с аэродинамической нагрузкой как вентилятор, Иmax=500 об/мин.
Отсюда следует первый неизбежный вывод, характеризующий главную регулятор-ную характеристику данной гидросистемы: привод «мягкий», сильно проседающий под нагрузкой, по крайней мере в данном диапазоне производительности насоса и скорости вращения ротора. Это неизбежное свойство гидросхемы с дросселирующим или «струйным» типом регулировки, когда сильно сказываются такие факторы, как давление рабочей жидкости, ее скорость во внутренних полостях и клапанах прибора, температура и многое другое. 4,7 4,9 Учитывая, что данные замеры проведены в начальном диапазоне загрузки насоса, (0=40 л/мин при скорости 368 об/мин), можно ожидать, что при более высоких нагрузках регулятор-ная характеристика системы сместится в сторону большей жесткости.
На рис. 3 представлен график, иллюстрирующий влияние жесткости гидросистемы на ее возможности. Жесткая система обеспечивает постоянство оборотов независимо от нагрузки, при этом мощность растет пропорционально скорости вращения. В мягкой системе наблюдается обратная пропорция скорости вращения от нагрузки и, соответственно, существенное снижение полезной составляющей мощности.
Получить жесткую регуляторную характеристику гидросистемы на основе дросселирующих регулирующих элементов сложно, даже используя их лучшие импортные образцы. Поэтому более рационально использовать гидравлические схемы с регулируемыми моторами или насосами.
Регулируемые гидравлические машины имеют изменяемый рабочий объем и, соответственно, создают любой по интенсивности поток рабочей жидкости, от 0 до максимального [3]. Согласно формуле (1) и условию несжимаемости жидкости такие машины имеют полностью жесткую регуляторную характеристику.
700
T
N III
о tuu
re
ч
nz 400
=г
£ :oo
LO
_Q
n ;nn
rj
Q_
(J ^ 100
\ 1 -/1
z
>
r.
\ 4
15
10
so
НАГРИКА>
7Е
100
Рис. 3. Характеристика гидропривода:
1,2 - скорость при жесткой и мягкой характеристиках, соответственно; 3, 4 - мощность при жесткой и мягкой характеристиках, соответственно
Регулируемые модификации гидравлических машин несколько сложнее по конструкции и, соответственно, имеют более высокую стоимость, но тем не менее широко применяются в отечественном сельхозмашиностроении, например, в конструкции ходовой части зерноуборочных комбайнов типа «Дон».
Технология работы многофункционального раздатчика МИР-10 предопределяет широкий (15-кратный) диапазон скоростного регулирования основного рабочего органа раздатчика - дозирующе-измельчающего ротора в различных режимах работы. Наиболее эффективно эта задача может быть решена с
помощью технических средств гидравлики. Простейшая гидросистема, работающая на основе дросселирующих элементов, обеспечивает требуемый диапазон регулировки, но при реальной нагрузке имеет излишне мягкую характеристику. В гидросистеме необходимо использовать принцип изменения рабочего объема насосов и гидромоторов, т.е. применять их регулируемые модификации.
Литература:
1. Расчет процесса раздачи кормов / Карпов В.П. и др. // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №1(9). С. 51-55.
2. Обоснование технологической схемы и режима работы многофункционального смесителя-раздатчика кормов // Вестник ВНИИМЖ. 2013. №3. С. 176-180.
3. Справочник конструктора с.-х. машин. М., 1961.
4. Иванов Ю.А. Новые технологии в животноводстве // Техника и оборудование для села. 2010. №1. С. 36.
5. Технологические требования к новым техническим средствам в животноводстве / Иванов Ю.А. и др. М., 2010.
Literatura:
1. Raschet processa razdachi kormov / Karpov V.P. i dr. // Vestnik VNIIMZH. 2013. №1(9). S. 51-55. 2 . Obo snovanie tekhnologicheskoj skhemy i rezhima ra-boty mnogofunkcional'nogo smesitelya-razdatchika kormov // Vestnik VNIIMZH. 2013. №3. S. 176-180.
3. Spravochnik konstruktora s.-h. mashin. M., 1961.
4. Ivanov YU.A. Novye tekhnologii v zhivotnovodstve // Tekhnika i oborudovanie dlya sela. 2010. №1. S. 36.
5. Tekhnologicheskie trebovaniya k novym tekhniches-kim sredstvam v zhivotnovodstve / Ivanov YU.A. i dr. M., 2010.
THE MIR-10 FEEDER'S HYDRAULIC DRIVE CHARACTERISTICS V.P. Karpov, cand. of tech. sciences, leading research worker I.A Tikhomirov, cand. of agricultural sciences, leading research worker All-Russian research institute of animal husbandry mechanization
Abstract. The MIR-10 multifunctional machine working processes analysis, showing a desired speed large range of the rotor's main working body is presented. The difference in rotor rotation's minimum and maximum speeds is -15-folded. The hydraulic driver justification, by analogy with this problem solution at other complex and powerful agricultural machines is given. The hydraulic scheme key elements' choice is presented, the emphasis is on the domestic production of throttle flow regulators simplest type using. The hydraulic drive characteristics study is performed on the MIR-10 distributor experimental sample, on which there was installed this hydrotransmission. The drive was carried out the 50 kW capacity electric motor, mated to the gearbox, providing variety of input pump speed; the rotor output speed was set by the regulator and controlled by a stroboscopic tachometer. The experiments had showed that the speed regulation diapason corresponds to the required one, regulator action zone is some narrower than it is in the regulator design provided, this reasons explanation is given. The turnovers' maximum limits at vary transmission loads are defined and the "settling" speed's fact under load, i.e., the regulatory characteristics' soft properties rate are defined. The estimated graphs allow to compare the hydraulic drive's soft and hard characteristics performance, showing the soft characteristic effectiveness significant reduction in are presented. The given hydraulic system it is necessary to create on the basis of pumps' controlled modifications, having a variable work bulk, which ensures complete rigidity of characteristic and the working bodies given turnovers in compliance with the technological processes requirements providing. Keywords: feeder, hydraulic drive, speed regulation.
