CC BY
17
cnccTER y о Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2020, №1 jout^'ÎICsE=s Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2020, No.1
DOI: 10.22281/2413-9920-2020-06-01-27-33
УДК (УДК) 656.1:62-82
ИССЛЕДОВАНИЕ ПРОЦЕССА РАЗГЕРМЕТИЗАЦИИ НАГНЕТАТЕЛЬНОГО
ТРУБОПРОВОДА ГИДРОСИСТЕМЫ
INVESTIGATION OF THE PROCESS OF DEPRESSURIZATION OF THE HYDRAULIC
DISCHARGE PIPELINE
Воскресенский Г.Г., Иванченко С.Н. Voskresenskij G.G., Ivanchenko S.N.
Тихоокеанский государственный университет (Хабаровск, Россия) Pacific national university (Khabarovsk, Russian Federation)
Аннотация. В статье рассмотрены устройства для защиты гидравлических систем от аварийных выбросов рабочей жидкости при разгерметизации трубопроводов. Представлена информация о влиянии гидравлического масла, используемого в качестве рабочей жидкости, на окружающую среду. Установлено, что гидравлическое масло, разлившееся на поверхности в результате аварийного выброса при разгерметизации нагнетательных трубопроводов, относится к отходам 3 класса опасности. Период восстановления окружающей среды после вредного воздействия разлившегося гидравлического масла составляет не менее десяти лет и является нарушением экологических и санитарно-эпидемиологических требований. Разработана математическая модель, включающая уравнения расходов гидравлического масла и утечек из поврежденной части нагнетательного трубопровода, объема разлившегося гидравлического масла, интенсивности изменения давления в нагнетательной и сливной магистралях. Представлены результаты численного анализа математической модели о влиянии параметров гидравлической системы на динамику изменения давления в нагнетательной и сливной магистралях с целью поиска информационных параметров для создания устройств, исключающих значительные потери рабочей жидкости. Установлено, что информационным параметром для создания системы защиты гидросистемы от аварийных выбросов гидравлического масла является производная давления.
Ключевые слова: разгерметизация нагнетательных трубопроводов, объем утечек.
Abstract. In the article the review of devices for protection of hydraulic systems from emergency emissions of working fluid at depressurization of pipelines is given. The information on the influence of hydraulic oil used in the working fluid quality on the environment is presented. It has been established that hydraulic oil spilled on the surface as a result of emergency discharge during depressurization of discharge pipes belongs to the waste of the 3rd hazard class. The period of recovery of the environment after the harmful effects of spilled hydraulic oil is at least ten years and is a violation of environmental and sanitary-epidemiological requirements. A mathematical model has been developed that includes the equations of hydraulic oil flows and leaks from the damaged part of the discharge pipeline, the volume of spilled hydraulic oil, the intensity of pressure changes in the discharge and discharge lines. The results of numerical solution of mathematical models on the impact parameters of the hydraulic system on the dynamics of pressure changes in the injection and drain lines in search of information parameters for building devices that exclude significant loss of working fluid. It is established that the pressure derivative is the information parameter for the creation of the system of protection of the hydraulic system from emergency emissions of hydraulic oil
Keywords: discharge depressurization of pipelines, leakage volume.
Дата принятия к публикации: Дата публикации:
11.12.2019
25.03.2020
Сведения об авторах:
Воскресенский Геннадий Гаврилович -
доктор технических наук, профессор, кафедра «Транспортно-технологические машины в строительстве и горном деле», ФГБОУ ВО «Тихоокеанский государственный университет», e-mail: 004179@pnu.edu.ru.
Иванченко Сергей Николаевич - доктор технических наук, профессор, ректор ФГБОУ ВО «Ти-
Date of acceptance for publication: 11.12.2019
Date of publication: 25.03.2020
Authors' information:
Gennadij G. Voskresenskij - Doctor of Technical Sciences, Professor of Department of Transport and Technological Machines in Construction and Mining, Pacific National Uuniversity,
e-mail: 004179@pnu.edu.ru.
Sergej N. Ivanchenko - Doctor of Technical Sciences, Professor, Rector of Pacific national university,
1ШШ
27
спсстс!? у о Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2020, №1 5ои ^л"35 Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2020, ^.1 _РО!: 10.22281/2413-9920-2020-06-01-27-33
хоокеанский государственный университет», { е-таИ: sni@mail.khstu.ru.
е-таИ: sni@mail.khstu.ru. {
1. Введение
Гидравлический привод получил широкое применение в строительных, дорожных и горных машинах по сравнению с механическим вследствие высокой эффективности, и их компактности приводов, так как мощность к исполнительным механизмам передается по трубопроводам, а не механическими передачами. Масса строительных и карьерных экскаваторов на 30.. .40% меньше, чем экскаваторов с канатным приводом. Мощность гидропривода соизмерима с мощностью основного двигателя [2, 4, 10, 13].
В то же время, практика эксплуатации машин с гидроприводом показала, что при повышении давления возможны разрушения трубопроводов, чаще гибких рукавов высокого давления, особенно в зимнее время при пуске привода после перерывов в работе из-за существенного повышения вязкости и запаздывания срабатывания предохранительных клапанов.
Разгерметизация трубопроводов приводит к потерям рабочей жидкости, которая загрязняет грунт на строительных площадках, почву на лесозаготовках, а соприкасаясь с грунтовыми водами, негативно влияет на окружающую среду [5-9, 13].
Проблема создания экологически чистых, безопасных для окружающей среды гидроприводов приобретает все большую актуальность.
Разрушение рукавов высокого давления происходит практически мгновенно из-за некачественного обжатия металлической запорной арматуры и поэтому важно оценить величину потерь рабочей жидкости.
Объем разлившегося гидравлического масла на поверхность зависит от мощности установленного гидропривода, времени реакции машиниста на отказ работы исполнительных механизмов при совершении его управляющего воздействия. Оно составляет 20.25% минутного расхода насосов, достигая 50.100 литров для машин мощностью 100.150 кВт [13].
Гидравлическое масло, разлившееся на поверхности, относится к отходам 3 класса опасности, т.е. к умеренно опасным отходам. Несмотря на это, период восстановления вредного воздействия после аварийной ситуации составляет не менее десяти лет. Аварийный выброс рабочей жидкости является явным нарушением экологических и санитарно-эпидемиологических требований [7, 8, 13].
В свою очередь, замены жидкости в случае аварии сами по себе довольно затратные, что является экономической стороной данной проблемы. Стоимость двухсот литров гидравлического масла импортного производства в среднем достигает до ста тысяч рублей.
Таким образом, проблема защиты гидросистемы от аварийных выбросов рабочей жидкости является экономической и, в значительной мере, экологической.
2. Материалы и методы
Целью работы является исследование процессов разгерметизации гидросистем мобильных машин и создание устройств их защиты от потерь рабочей жидкости. Исследование динамических характеристик гидропривода позволяет получить информационные параметры, определяющие структуру систем защиты гидросистем.
Разрушение трубопроводов наступает вследствие пиков давления при запаздывании срабатывания предохранительных клапанов, особенно в зимнее время, а также некачественного обжатия запорной арматуры.
Одна из первых работ по разработке устройств защиты гидросистем от аварийных выбросов из гидросистем выполнена Ю.Н. Смирновым в Ленинградском механическом институте [11]. В исследованиях [2, 12] представлены результаты конструкторских разработок в ограничении аварийных выбросов рабочей жидкости. В Тихоокеанском государственном университете создан аварийный клапан, успешно примененный на экскаваторе ЭО-4124 [1]. В предлагаемом
шш
28
DIRECTORY OF OPEN ACCESS JOURNALS
Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2020, №1 Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2020, No.1
DOI: 10.22281/2413-9920-2020-06-01-27-33
устройстве при разрушении рукава высокого давления рабочая жидкость от насоса направляется через аварийное устройство в бак, минуя разрушенный участок гидросистемы. Утечки рабочей жидкости на поверхность грунта сокращаются в несколько десятков раз.
Расчетная схема гидропривода представлена на рис. 1.
Рабочая жидкость из бака 1 насосом 2 направляется в гидроцилиндр 3, на шток которого действует сила Гидроцилиндр 3 рабочего оборудования закреплен на базовой части машины, характеризующийся приведенной упругостью С. При достижении давления Р0, соответствующему давлению разрыва трубопровода, происходят утечки рабочей жидкости в окружающую среду, поршень гидроцилиндра под действием упругой составляющей смещается и формирует дополнительный расход утечек, кроме утечек из насоса 2. Давление в трубопроводе снижается и освобождается объем рабочей жидкости, вызванный её сжимаемостью, а шток останавливается.
Уравнение расходов из поврежденной части трубопровода выразим [3, 5, 10] как
ОН ~аР + ^^ + XF = Qy, (1) Е т
где ОН - теоретическая производительность насоса, см3/с; а - коэффициент утечек в насосе, см5/кг-с; У0 - объем рабочей жидкости в нагнетательной магистрали, см ; Е -приведенный мо дуль упругости рабочей жидкости и гидросистемы, кг/см2; Р - давление, кг/см2; F - площадь поршня, см2; ОУ -величина расхода утечек, см3/с.
Коэффициент утечек выразим в виде
= (1 ~v>Q
Рн
где 7] - объёмный коэффициент полезного действия гидронасоса (] = 0,94.0,96); Рн -нормальное давление, кг/см2.
Расход утечек Оу запишем в линеаризированной форме:
ОУ = — ■ Р, или ОУ = А ■ Р., 8Р
где А - коэффициент утечек, см 5/кг-с.
В результате разрушения трубопровода давление резко снижается, а затем остается постоянным, определяемым сечением разрушенной части трубопровода, Руст.
Расход утечек рабочей жидкости в этот период будет составлять
О = А ■ Р .
у уст
Можно предложить, что этот расход утечек будет равен производительности насоса, тогда
A =
QH -V Pycm _ Q
Си
P
P
1 Pycm
P
(1 -v)
или
A =
QH-V
P
' ycm
Перемещение поршня Х под действием упругих сил составляет
X =
( Po - P )-F
C
Скорость перемещения поршня определим с допущением, что инерционными силами можно пренебречь.
С учетом принятых условий и допущений уравнение (1) примет вид
dp dt
a aij Pj,
(2)
где
ao = Q
( V F ^-1 — +
E C
J
a
1 =(v + A)
V F
Vo + —
E C
2 Л-1
Давление Р в нагнетательной магистрали определяется решением уравнения (2)
сиистсп г о Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2020, №1 5ои ^л"35 Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2020, ^.1
РР!: 10.22281/2413-9920-2020-06-01-27-33
р = р. + ^ -(1 - ^ ).
Интенсивность изменения давления
йРх йг
_ п — а^г . — а^г
01 о
(3)
(4)
Величина расхода утечек
<2у = Ар
Объем жидкости, разлившейся из гидросистемы
Г = / Оу-йг.
Уу=АР01 еа'гсИ АР
+ -
Аап
а
Аа
а
к=-
а
— е-а'г 1 + Аа>. а
(1 — е-а'' )-
г — -
1
Аа
а,2
| е-а'гйг + С, — е-а'г).
Численные расчеты приведены для экскаватора ЭО-4124. Исходные данные для расчета:
(?н = 3000 см3/с; Ро = 250 кг/см3; F = 200 см3;
Г = 10000 см3; Е = 5000 кг/см2; = 0,95;
а = 0,6 см5/кгс; А = 119,4 см5/кгс; а0 = 882 кг/см2с; а1 = 35,3 с-1; а0 / а1 = 25 кг/см3. С учетом числовых значений получены уравнения
Р = 250е
35,3г + 25(1 — е -35'3г) (5)
^ = —8825е -35 3г йг
+882е—
(6)
= 119,4 Р (г), Гу = 845,6 (1 — е~35,3г) + 3000г — 23,95 (1 — е~35'3г).
Результаты расчетов показывают, что процессы снижения давления происходят кратковременно до 0,1 с. Интенсивность изменения давления может быть важным информационным параметром для создания устройств, исключающих значительные потери рабочей жидкости. Объем утечек рабочей жидкости определяется производительностью насоса и временем утечек с учетом значений деформируемого объема гидросистемы и рабочей жидкости.
В сливной магистрали стационарный процесс течения рабочей жидкости через фильтр нарушается в момент разрыва трубопровода в нагнетательной магистрали. Поршень гидроцилиндра под действием сжатой
Рис. 2. Графики переходных процессов в нагнетательной магистрали гидросистемы при разрыве трубопроводов
пружины смещается вправо и уравнение расхода в сливной магистрали имеет вид
вФ+а=а8еФ, (7)
где Qф - расход рабочей жидкости через фильтр, см3/с,
Qф = кР2;
Qх - расход рабочей жидкости, вызванный перемещением гильзы гидроцилиндра, под действием усилий сжатой пружины, см3/с,
Qx = Q = — Г02 йР2
^¿деф
Е2 йг
где Р2 - давление в сливной магистрали, кг/см3; к - коэффициент расхода рабочей жидкости через фильтр, см5/кг-с; х - скорость перемещения гильзы гидроцилиндра, см/с; Qдеф - расход, определяемый сжимае-
шш
30
cnccTER v о Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2020, №1 jou^^л^35 Nauchno-tekhnicheskiy vestnikBryanskogogosudarstvennogo universiteta, 2020, No.1
DOI: 10.22281/2413-9920-2020-06-01-27-33
мостью рабочей жидкости, см /с; У2 - объем рабочей жидкости в сливной магистрали,
3 /-.
см ; е2 - модуль упругости сливной магистрали, кг/см2.
Уравнение (7) можно выразить
FF
kP2 («0 aiP01 ^ 1 = С
V02 dP2 (g) E2 dt
После преобразований уравнение (8) можно представить
dP2 dt
+ Bi • P2 = -B2 • e"«
(9)
где
B = B2 = ^• ^•(«1 • P01 -«0) .
V02 V02 С Решением уравнения (9) является зависимость:
f
P2 =
P20 +
B,
Л
ai - B1 у
e ^ +-
B
a1 - B1
-e
(10)
Скорость изменения давления
dPL dt
f
= -B
P -
20
B
Л
ai - Bi у
e ^ -■
^^ e ^ .(11)
a1 - B1
Расчеты выполнены для значений: F = 200 см2; F1 = 137 см2; E2 = 150 кг/см2; V02 = 5000 см3; P01 = 250 кг/см2; к = 1000; a0 = 35,3 с-1; P02 = 3 кг/см2; B1 = 30; c = 28500 кг/см; a1 = 35,3 с-1; a0 = 882; B1 = 229.
dP
С учетом численных значений P2 и
примут вид:
P2 = 40,2e ~30t + 43,3e ^, (12)
35,3t
dPP
dt
2 = 1206e~30t - 1524e-
(13)
ниями давления в сливной магистрали при переключении секций гидрораспределителя.
На графиках (рис. 3) представлены расчетные значения, полученные с помощью соотношений (12) и (13).
Результаты расчетов показали, что давление в нагнетательном трубопроводе снижается до установившегося за 0,1 с, а в сливном трубопроводе наблюдается возможное проявление кавитации (рис. 2, 3) из-за перемещения цилиндра под действием упругости рабочего оборудования и ходовой части.
Испытания аварийного устройства, разработанного в работе [1], показали, что возможны ложные срабатывания, вызванные колеба-
4 3
2 4
I I
е-
-1 -2 50 О -50 -100
сч
I -150 * -200 •е? -250 -300 -350
.«е
/// /// 7 // V/t, 10"2 с
ш 5 2 | 2 5 3 0 3
t, 10"2 с
1 [) ] 5 2 0 2 5 3 0 3
Рис. 3. Графики переходных процессов в сливной магистрали гидросистемы при разрыве трубопроводов
Vaj = 13000 см3
Va! = 10000 см3
S000 см3
v02 = 5000 cm3
VOI = 2000 cm3
Рис. 4. График влияния объема рабочей жидкости в сливной магистрали (У02) на изменение давления в ней (Р2)
Рис. 5. График влияния объема рабочей жидкости в сливной магистрали (У01) на интенсивность изменение давления в сливной магистрали в момент I
cnccTER у о Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2020, №1 jouNauchno-tekhnicheskiy vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2020, No.1
DOI: 10.22281/2413-9920-2020-06-01-27-33
Voi = 10 ООО см3
= 8000 CM3
Vol
Vol - 6000 CM3
Vol = 4000 CM3
Vol = 2000 on3
Рис. 6. График влияния объема рабочей жидкости в нагнетательной магистрали (Г01) на изменение давления в нагнетательной магистрали (Р;)
Рис. 7. График влияния объема рабочей жидкости в нагнетательной магистрали (Г01) на интенсивность изменение давления в нагнетательной магистрали (йР;/йг) в момент времени г
Изменения давления не могут быть информационным параметром для создания системы защиты от аварийного выброса рабочей жидкости. Положение поршня в гидроцилиндре определяет объемы У01 и Г02 в магистралях. Имеется возможность рассчитать производные от изменения давления во времени, которые обладают большей информа-
тивностью для разработки систем защиты от аварийных выбросов рабочей жидкости.
Результат расчетов изменения давления и производных от объемов представлены на
о йРх йР2 рис. 4-7. Значения производных —1 и -
йг йг
зависят от объема Г01, Г02 и времени действия давления. Анализ значений производных показал, что этот параметр может быть использован в качестве информационного для создания системы защиты гидросистемы от аварийного выброса рабочей жидкости.
3. Заключение
При разрушении нагнетательного трубопровода давление в сливной магистрали так же резко снижается и возникает вероятность проявления кавитации в сливном трубопроводе.
Расчеты по зависимостям (3), (4), (12) и (13) показывают, что интенсивность изменения давления в сливной магистрали значительно меньше, чем в нагнетательной магистрали. Поэтому интенсивность изменения давления в нагнетательной магистрали может быть принята в качестве информационного параметра для создания устройства, переключающего подачу рабочей жидкости от насоса на слив в бак при разрыве трубопровода.
Современные гидравлические системы мобильных машин снабжены датчиками давления в нагнетательной и сливной магистралях. Золотниковое устройство, установленное на выходе насоса, может включаться при достижении предельных значений информационных параметров. Испытания устройства [1] на экскаваторе ЭО-4121А показали, что утечки рабочей жидкости при открытии крана, установленного на нагнетательном трубопроводе не превысили 0,5 л.
Список литературы
1. Гидравлическая система: А.с. 1492114 СССР / Воскресенский Г.Г., Львов Е.Н., Лещинский А.В., Гурков А.В.; заявл. 08.04.88; опубл. 30.12.89, Бюл. № 48. 3 с.
2. Баторшин В.П., Зенков С.А. Исследование отсечного клапана // Исследование и испытание отсечного клапана строитель-
$ References
t 1. Inventor's certificate USSR 1492114.
$ Hydraulic system. Voskresensky G.G., Lvov
$ E.N., Leszczynski A.V., Gurkov A.V. De-
t clared 08.04.1988. Published 30.12.1989. (In
t Russian)
t 2. Batarshin P.V., Zenkov S.A. Investiga-
t tion of the shut off valve. In: Issledovanie i
cnccTER y о Научно-технический вестник Брянского государственного университета, 2020, №1 jouT^'ílCsE=s Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Bryanskogo gosudarstvennogo universiteta, 2020, No.1 _DOI: 10.22281/2413-9920-2020-06-01-27-33
ных машин и оборудования: сб. научн. тру- $
дов. Хабаровск, 1993. С. 78-92. $
3. Башта Т.М. Машиностроительная $ гидравлика: Справочник. М.: Машинострое- $ ние, 1971. 672 с. $
4. Галдин Н.С. Гидравлические маши- $ ны, объемный гидропривод. Омск: СибАДИ, $ 2009. 272 с. $
5. Гредел Т.Е., Алленби Б.Р. Промыш- $ ленная экология. М.: Изд-во ЮНИТИ, 2004. $ 527 с. $
6. Грин Н., Стаут У., Тейлор Д. Биоло- $ гия. М.: Мир, 1993. 368 с. $
7. Женихов Ю.Н., Иванов ВН. Обра- $ щение с опасными отходами. Тверь: ТГТУ, $ 2004. 224 с. $
8. Игнатов В.Г., Кокин А.В. Экология и $ экономика природопользования. Ростов-на- $ Дону: Феникс, 2003. 512 с. $
9. Исидоров В.А. Экологическая химия. $ СПб.: Химиздат, 2001. 304 с. $
10. Лепешкин А.В., Михайлин А.А., $ Шейпак А.А. Гидравлика и гидропневмо- $ привод. М.: МГИУ, 2003. 352 с. $
11. Смирнов Ю.Н. К расчету аварийного $ автоматического запорного клапана // Про- $ блемы гидроавтоматики: сб. научн. трудов. $ М.: 1969. С. 76-85. $
12. Фомин Н.А., Макалин В.С., Сизын- $ цев Н.Е. Эффект отсечного клапана // Меха- $ низация строительства. 1990. №10. С. 2-4. $
13. Сайдлер А.А., Воскресенский Г.Г. К $ вопросу о разгерметизации гидросистемы $ мобильных машин // Ученые заметки ТОГУ. $ 2013. С. 1453-1456. $
Í Í Í Í Í Í Í Í Í Í Í Í
ispytanie otsechnogo klapana stroitelnykh mashin i oborudovaniya [Research and testing of the valve of construction machinery and equipment]. Khabarovsk, 1993, pp. 78-92. (In Russian)
3. Bashta T.M. Mashinostroitelnaya gidravlika: Spravochnik [Engineering hydraulics: a Handbook]. Moscow, Mashinostroenie, 1971. 672 p. (In Russian)
4. Galdin N.S. Gidravlicheskie mashiny, obemnyy gidroprivod [Hydraulic machines, volumetric hydraulic drive]. Omsk, SibADI, 2009. 272 p. (In Russian)
5. Gredel T.E., Allenbi B.R. Promyshlen-naya ekologiya [Industrial ecology]. Moscow, UNITY, 2004. 527 p. (In Russian)
6. Green N., Staut U., Tejlor D. Biologiya [Biology]. Moscow, Mir, 1993. 368 p. (In Russian)
7. Zhenikhov Yu.N., Ivanov V.N. Obrash-chenie s opasnymi othodami [Hazardous waste management]. Tver, TSTU, 2004. 224 p. (In Russian)
8. Ignatov V.G., Kokin A.V. Ekologiya i ekonomika prirodopolzovaniya [Ecology and Economics of nature management]. Rostov na Donu, Feniks, 2003. 512 p. (In Russian)
9. Isidorov V.A. Ekologicheskaya khimiya [Ecological chemistry]. Saint Petesburg, Khimizdat, 2001. 304 p. (In Russian)
10. Lepeshkin A.V., Mikhaylin A. A., Sheypak A.A. Gidravlika i gidropnevmoprivod [Hydraulics and hydropneumatic]. Moscow, MGIU, 2003. 352 p. (In Russian)
11. Smirnov Yu.N. To calculation of the emergency automatic shut-off valve. In: Prob-lemy gidroavtomatiki [Problems of hydraulic automation]. Moscow, 1969. pp. 76-85. (In Russian)
12. Fomin N.A., Makalin V.S., Sizintsev N.E. Effect of the shut off valve. Mechanization of construction, 1990, No. 10, pp. 2-4. (In Russian)
13. Sajdler A.A., Voskresenskij G.G. On the issue of hydraulic depressurization of mobile machines. Uchenye zametki TOGU, 2013, pp. 1453-1456. (In Russian)
1ШШ
33
