CC BY
79
УДК 621.878.25
МЕТОДОЛОГІЯ ПІДВИЩЕННЯ ПРОДУКТИВНОСТІ БУДІВЕЛЬНИХ І ДОРОЖНІХ МАШИН НА ВСІХ СТАДІЯХ ЖИТТЄВОГО ЦИКЛУ
М.П. Ремарчук, доцент, к.т.н., ХНАДУ
Анотація. Підвищення продуктивності будівельних і дорожніх машин забезпечено за рахунок зменшення енергетичних витрат в їх гідросистемах.
Ключові слова: методологія, будівельні і дорожні машини, продуктивність, енергія, потужність, життєвий цикл.
Вступ
Робоче обладнання сучасних будівельних і дорожніх машин (БДМ) приводиться в рух гідросистемою, яка є елементом підсистеми БДМ. В свою чергу, БДМ є підсистемою більш складнішої системи, в яку входять оператор, БДМ і робоче середовище. Ієрархічне з’єднання підсистем і їх елементів в єдине ціле «оператор - СДМ - робоче середовище» представимо у вигляді налагоджуваної енергоінформаційної системи (НЕС).
Постановка науково-прикладної проблеми
Аналіз НЕС показує, що підсистема БДМ в робочому циклі використовує всю потужність первинного двигуна (двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ), електричного двигуна або паливного елемента) для перетворення її в реальну продуктивність. Гідросистема як елемент БДМ, в залежності від призначення машини, забезпечує перетворення в продуктивність від 30-90 % ефективної потужності первинного двигуна. З цього витікає те, що чим більша частка ефективної потужності двигуна використовується гідросистемою, тим більший вплив її на продуктивність БДМ. Наприклад, у бульдозера або у автогрейдера гідросистема споживає тільки 30-50 %, а у екскаватора - 90 % загальної потужності первинного двигуна. Коли потужність від ДВЗ використовується тільки гідросистемою або одночасно гідросистемою і трансмісією, то однаковий стан гідросистеми по-різному
впливає на продуктивність БДМ і на витрату енергії при роботі первинного двигуна. Збільшення напрацювання БДМ приводить до явища, характерною ознакою якого є постійне зростання внутрішніх втрат потужності, в результаті якого знижується продуктивність і збільшуються неефективні витрати енергії первинного двигуна.
Встановлення в процесі роботи гідросистеми БДМ такого її стану, коли зниження продуктивності та зростання неефективних витрат енергії первинного двигуна допускається до визначеного граничного рівня, а також коли в інтервалі напрацювання до граничного рівня розраховується залишковий ресурс роботи гідросистеми, то такі результати можуть бути отримані тільки на основі застосування системного підходу і при рішенні оптиміза-ційної задачі, а також при удосконаленні методів і засобів діагностування гідросистем [1-7]. Наведена науково-прикладна проблема є актуальною і вимагає невідкладного рішення.
Мета і задачі досліджень
В процесі функціонування НЕС зростання втрат потужності в гідросистемі приводить до зниження продуктивності машини і до зростання неефективних втрат енергії первинного двигуна, які визначаються на всіх етапах життєвого циклу через загальний коефіцієнт корисної дії (ККД) гідросистеми і БДМ в цілому. В такій постановці науково-прикладна проблема розв’язується вперше.
Для її вирішення сформульована мета і задачі досліджень. Метою роботи є підвищення продуктивності БДМ за рахунок зниження втрат потужності в їх робочому циклі на основі удосконалення гідросистем і їх елементів, розробки уточнених математичних і нових імітаційних моделей, які відкривають можливості для розвитку методів їх проектування з заданим ККД і визначення стану в умовах експлуатації по цьому показнику.
При застосуванні системного підходу визначені основні напрямки по зменшенню втрат потужності в робочому циклі БДМ шляхом удосконалення: - елементів і гідросистеми в цілому; - засобів і методів діагностики гідросистем; - системи навантаження і рекуперації енергії первинного двигуна БДМ. Згідно прийнятих напрямків, сформульовані задачі досліджень, які представлені на рис. 1 у вигляді структурної схеми. Основними задачами досліджень є: - обґрунтовування принципу створення нових гідромоторів для механізмів БДМ на основі застосування силових гідроциліндрів і нових клапанних гід-ророзподільників з уточненням математичних залежностей для визначення радіальних зусиль, сил тертя, параметрів рідинного гідродинамічного і гідростатичного змащення в їх рухомих з’єднаннях; - розробка моделі для визначення раціонального діаметра трубопроводу гідросистеми БДМ; - наукове обґрунтовування нового принципу проектування гідросистем БДМ, який базується на гіпотезі про рівність потужності, споживаної вторинним гідродвигуном на стадії зрушення і при сталому режимі роботи, встановленні адекватності між теоретичними дослідженнями і експериментальними даними; - розробка імітаційної моделі процесу функціонування різних за конструктивним виконанням БДМ при врахуванні зовнішніх дій і внутрішніх зв’язків кожного з елементів складної системи НЕС для встановлення величини гранично допустимого зниження загального ККД і залишкового ресурсу роботи гідросистеми; -розробка методу для визначення загального ККД гідросистеми БДМ на основних стадіях їх життєвого циклу і реалізація макетного зразка приладу для вимірювання загального ККД; - наукове обґрунтовування принципу роботи первинного двигуна БДМ в режимі постійної (незмінної) витрати потужності на основі застосування засобів акумулювання енергії при змінному навантаженні, яке сприймається гідросистемою; - отримання
математичної залежності для визначення стану ДВЗ в умовах експлуатації по витратам палива.
Рішення задачі
Підвищення продуктивності БДМ досягнуто на основі наукових розробок, наведених [17]. В структурну схему НЕС, входить одна з основних підсистем БДМ. Зокрема, в підсистему БДМ входять такі елементи як ДВЗ, гідросистема, трансмісія і інші, з’єднання яких наведено на рис. 2. Внутрішнім показником НЕС, прийнятий змінний в часі загальний ККД елементів підсистем з урахуванням схеми їх з'єднання в досліджуваній системі. Позначення (див. рис. 2) відповідають наступному: О, N - витрати палива і потужність двигуна; Д - двигун; цсі — загальний ККД первинного двигуна; г|у, цс , г|\у, цґг - загальний (початковий) ККД гідросистеми, додаткової гідросистеми машини, рухомих з’єднань робочих органів машини та трансмісії машини; Ип, Иїг, N - потужність, що використовується гідросистемою, трансмісією і додатковою гідросистемою керування основною гідросистемою; П,(У, Q) -експлуатаційна продуктивність БДМ.
Вплив основних стадій життєвого циклу БДМ на величину загального ККД гідросистеми показаний на рис. 3. Величина загального ККД гідросистеми БДМ при проектуванні визначається на основі розрахунку при номінальному навантаженні гідросистеми і постійних зовнішніх умовах, в результаті яких встановлюється його конкретне значення (див. рис. 3), наприклад птх. По завершенні виробництва машини і проведенні приймальних випробувань (а також обкатки машини) величина загального ККД гідросистеми при дотриманні тих же умов навантаження, становитиме, наприклад значення Пр в, яке слід прийняти як початкове паспортне значення. Загальний ККД гідросистеми є достатньо чутливим до зміни умов роботи (до навантаження, до температури і інших чинників), тому для визначення стану гідросистеми при вимірюванні величини загального ККД необхідно витримувати початкові умови, які були прийняті на стадії приймальних випробувань або при обкатці машини.
Науково-прикладна ][=£> проблема
Дослідження в робочому циклі будівельно-дорожніх машин (БДМ) явища зростання внутрішніх втрат потужності в їх гідросистемах, в результаті яких підвищуються неефективні витрат енергії первинного двигуна і знижується продуктивність БДМ для елемента і підсистеми налагоджуваної енергоінформаційної системи (оператор - БДМ - зовнішнє середовище)
( Удосконалення^ і Насоси,
елементів схеми їх
гідросистеми з’єднання
Теоретичні с дослідження
Експеримен-
тальні
дослідження
Практичні
результати
С Об’єкт і предмет дослідження ) Стан питання. (Патентні дослідження) і .. ^
| Гідромотори (ГМ) | | Гідроциліндри | | Гідророзподільники | | Трубопроводи |
І у
па І Э.Э
Обгрунтування параметрів гідроциліндрів для ГМ
ж.
Уточнення радіальних зусиль і процеса рідинного тертя в з’єднаннях циліндра
Величина раціонального діаметра трубопроводу
Рівень пульсації тиску
Розподіл тиску рідини в кільцевому каналі
Втрати потужності в розподільнику
Створення нових ГМ
^ Удосконалення:
- гідросистеми в цілому;
- засобів і методів діагностування гідросистем
Нові вузли гідроциліндра
Нові клапанні гідророзподільники
Щ
Методика розрахунку діаметра трубопроводу
Гідравлічні системи БДМ
Удосконалення системи навантаження і рекуперації к-енергії первинного двигуна/
Теоретичні
дослідження
Експеримен
-тальні
дослідження
Практичні
результати
Вирішення
проблеми
Гіпотеза про рівність потужності при зрушенні і сталаму режимі роботи вторинного гідродвигуна
Визначення загального ККД гідросистеми при проектуванні, приймальних випробуваннях, обкатки і в експлуатації
Обгрунтування гіпотези про рівність потужностей
т:
Вимірювання загального ККД гідросистеми екскава-тора-стенда
Допустиме зниження загального ККД гідросистеми і її залишковий ресурс
Визначення циклового ККД БДМ та загального ККД гідросистеми на прикладі екскаватора ЭО-3322А
Обгрунтування роботи первинного двигуна в режимі сталих витрат потужності при змінному навантаженні гідросистеми БДМ
Створення дизель-еле-ктро-гідравлічної або електро-гідравлічної системи з довантаженням двигуна до ста-
Методика і Експериментально- Методика виз-
проектування теоретичнии метод -> начення залиш-
гідросистем визначення ККД кового ресурсу
4 1
Визначення витрат палива
Підвищення продуктивності БДМ в умовах експлуатації*
Рис. 1. Структурно-логічна схема дослідження
Аналіз початкового значення ККД (див. рис. 3) показує, що необхідну величину загального ККД гідросистеми можна забезпечити ще на стадії проектування БДМ. Якщо відоме гранично допустиме значення загального ККД гідросистеми для конкретної БДМ і при застосуванні методики діагностування, яка наведена в роботі [2], то можливе відновлення ККД до значення близького до початкового. Це здійснюється за рахунок заміни зношених елементів на нові. Процес ідентифікації гідросистеми БДМ по величині загального ККД на стадії проектування, оцінка стану при приймальних випробуваннях і в умовах експлуатації показаний на рис. 4, де використані наступні позначення: пр, Пф,
П0, Пд - величина ККД гідросистеми відповідно, розрахункове, фактичне, по завершенню обкатки (паспортний показник) і при діагностиці. Навіть за постійних зовнішніх умов роботи продуктивність БДМ залежить від багатьох чинників, зокрема від ефективної потужності ДВЗ, яка у свою чергу залежить від питомої теплоти (42,5 МДж/кг) і кількості згоряння палива, ККД ДВЗ, ККД гідросистеми, в тому числі, стану додаткової гідросистеми управління і робочого обладнання машини. Зменшення втрат потужності в гідросистемі БДМ, тобто збільшення загаль-
ного ККД гідросистеми в даній роботі досягнуто за рахунок упровадження розроблених науково обґрунтованих технічних рішень, які забезпечили підвищення продуктивності БДМ, яка визначається таким чином: зростання загального ККД гідросистеми нової машини по відношенню до машини з базовою гідросистемою Пгс б приводить до появи додаткової потужності. Вивільнена потужність ДВЗ визначаться як
Щс=(рОКвт)/60 1/г|гс б - 1/лг,
(1)
де р, Q - тиск і витрати рідини модернізованої і традиційної гідросистем БДМ, прийняті, як припущення, однаковими; Квг - коефіцієнт використання за часом роботи потужності ДВЗ БДМ.
Приймаючи, як припущення, що характер приросту продуктивності БДМ, лінійний, загальна продуктивність БДМ при модернізації гідросистеми складе величину
Пн = Пт + (АЛ^ГС Пт)/іУД]
(2)
де Пт - експлуатаційна продуктивність БДМ з традиційною гідросистемою.
Навантаження машини номінальне
Рис. 2. Структурно-функціональна схема НЕС
Рис. 3. Взаємозв’язок стадій життєвого циклу БДМ з величиною загального ККД гідросистеми
1. Проектування гідросистем будівельних і дорожніх машин (БдМ)
ґ~
Експериментально-теоретичий метод визначення загального ККД гідросистеми БДМ по завершенню обкатки
1.5. Утилізація
Рис. 4. Алгоритм ідентифікації якості гідросистеми БДМ по загальному ККД
При врахуванні характеру зниження загального ККД машини поточна продуктивність Пгрозраховується за залежністю
П,;=(П(/(тьО)и)/тін, (3)
де /(17,1) - функція, що описує закономірність зниження загального ККД БДМ з ура-
хуванням терміну роботи машини і особливостей розподілу енергопотоків між споживачами; г|н - початкове значення загального ККД БДМ; п - показник ступеня, що відображає особливості характеру загального ККД машини в процесі її експлуатації, який може змінюватись в широких межах.
Загальний ККД БДМ, наприклад, за лінійним характером зниження /(п, і), визначається за формулою
(Лг сіс \-dtr-dc Л
---+ —+----------------- , (4)
чг| її г| с
де Лг, йе -потужність ДВЗ в частках одиниці, що використовується трансмісією, додатковою гідросистемою керування; А - коефіцієнт рівнянням, що визначає лінійний характер зниження загального ККД гідросистеми БДМ; і - час напрацювання; п - поточне зростання втрат загального ККД гідросистеми БДМ.
Якщо відома залежність, що визначає характер зниження загального ККД, який, наприклад, співпадає з (4), і якщо відоме значення гранично допустимого зниження загального ККД, а також час роботи модернізованої і традиційної гідросистем, то фактичну продуктивність для цих БДМ можна визначити подвійним інтегруванням рівняння (3).
Висновки
Виконані дослідження мають наукову і практичну цінність, оскільки вони дозволяють на основі використання (при розрахунку і вимірюванні) загального ККД гідросистеми встановити рівень підвищення продуктивності БДМ [1-7] на всіх стадіях життєвого циклу за рахунок: - розробки методики проектування гідросистем з визначенням робочих параметрів і вибором насоса на основі рівності потужностей при зрушенні і сталому режимі роботи; - створення нової елементної бази для гідросистем БДМ, для яких властиве менше споживання енергії (нові гідромотори, в конструкції яких використовуються силові гідроциліндри з гідродинамічним і гідростатичним змащенням рухомих з’єднань, нові клапанні гідророзподільники і інші) і науково обґрунтовані схемні рішення гідросистем, які забезпечують ефективне їх функціонування; - розробки математичних моделей для визначення загального ККД гідросистеми для приймальних випробувань и для умов експлуатації та створення на їх основі макетного зразка комп’ютерного приладу для діагностики гідросистем БДМ; - розробки імітаційної моделі для визначення граничного значення загального ККД і ресурсу роботи гідросистеми і наукове обґрунтування методу визначення залишкового ресурсу роботи
гідросистеми БДМ; - розробки алгоритму функціонування системи автоматичного регулювання для забезпечення сталих витрат потужності первинного двигуна при змінних витратах потужності гідросистеми в робочому циклі БДМ.
Література
1. Ремарчук Н.П. Диагностирование, прогно-
зирование ресурса и определение эффективности гидропривода МЗР с использованием его общего КПД // Вестник НТУ «КПИ». Т.1. - К: ММІ НТУУ «КПІ». - 2002. - Вып. 42. -С.197-201.
2. Пат. 74044 Україна, МКВ G01L3/26. Спо-
сіб визначення загального коефіцієнта корисної дії гідроприводу мобільних машин / М.П. Ремарчук, В.В. Нічке, О.І. Жинжера і ін. (Україна). -№ 2003087896; Заявл. 21.08.2003;
Опубл. 17.10.2005, Бюл. № 10. - 12 с.
3. Ремарчук М.П. Вдосконалення методики
визначення гранично допустимого рівня зниження загального ККД гідросистем мобільних машин // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. -Харьков: Технологический центр. -
2005.-№6/2 (18).-С. 172-181.
4. Ремарчук М.П. Зниження енерговитрат в
гідросистемах самохідних кранів на основі уніфікації їх комплексних модулів // Науковий вісник будівництва.. - Харків: ХДТУБА. - 2005. - Вип. 32. -С.111-128.
5. Ремарчук М.П. Дизель-електро-гідравліч-
ний привод мобільних машин // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА. -
2006. - Вип. 36. - С. 224-245.
6. Ремарчук М.П. Визначення стану гідроси-
стем і функціонального рівня будівельних і дорожніх машин // Науковий вісник будівництва. - Харків: ХДТУБА. -
2007. - Вип. 41. - С. 200-206.
7. Ремарчук М.П. Вантажопідйомна лебідка
стрілового крана // Восточно-Европейский журнал передовых технологий. -Харьков: Технологический центр. -
2007. -№3/1 (27). - С. 33-38.
Рецензент: С.Є. Селіванов, професор, д.т.н., ХНАДУ.
Стаття надійшла до редакції 15 червня 2007 р.
