О ВЛИЯНИИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ОБЪЕМНОМ ГИДРОПРИВОДЕ МАШИН Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

МАШИНОВЕДЕНИЕ, СИСТЕМЫ ПРИВОДОВ И ДЕТАЛИ МАШИН

УДК 62-82

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-309-314

О ВЛИЯНИИ ОТРИЦАТЕЛЬНЫХ ТЕМПЕРАТУР НА ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ПОТЕРИ В ОБЪЕМНОМ ГИДРОПРИВОДЕ МАШИН

Н.Г. Гринчар, Н.А. Шиляев

В статье рассматривается вопрос о влиянии отрицательных температур на работу объемного гидропривода строительных, дорожных и землеройных машин на примере гидропривода экскаватора ЕТ-18. В гидроприводах машин, работающих в условиях холодного климата, охватывающего большую часть территории России, при пуске и в начальный период работы значительно возрастают потери давления в трубопроводах гидравлических систем строительных, дорожных и других мобильных машин. Данное обстоятельство приводит не только к энергетическим потерям, но и нередко к отказам и повреждениям, в том числе средней и тяжелой степени. Показано, что при работе в условиях отрицательных температур, энергетические потери в начальный период работы машины кратно возрастают и оказывают значительное влияние на работу привода. При определении потерь необходимо учитывать как минимум следующие основные возможные места потерь: на собственно гидроаппаратах; на местных сопротивлениях, по длине трубопровода. Суммарные потери могут достигать при некоторых температурах 10 % и более от номинального давления, что негативно сказывается на общем КПД гидропривода. Данное обстоятельство следует учитывать при планировании и организации работ машин. Соответственно, при проектировании самоходных гид-рофицированных машин необходимо заблаговременно оценивать потери давления рабочей жидкости, так как они позволяют установить эффективность работы гидропривода и определить предел его работоспособности при низких температурах.

Ключевые слова: строительные машины, гидропривод, низкие температуры, потери давления в трубопроводе, вязкость.

В гидроприводах машин, работающих в условиях холодного климата, при пуске и в начальный период работы значительно возрастают потери давления в трубопроводах [1 - 5]. При температуре -50...-60° С потери давления рабочей жидкости в гидролиниях привода могут возрастать в 15.20 раз по сравнению с потерями давления при +50° С, что приводит к существенному повышению коэффициента износа элементов гидропривода. Для уменьшения потерь давления в трубопроводах обеспечивают минимальную протяженность трубопроводов, сокращают число изгибов, соединений, переходов и т. п. [3, 6, 7]. Допустимая скорость рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе - 1,2 м/с, а в сливном - 2 м/с. В нагнетательном трубопроводе при номинальном давлении 32 МПа - 7 м/с [3, 6, 7].

При проектировании самоходных гидрофицированных машин необходимо заблаговременно оценивать потери давления рабочей жидкости, так как они позволяют установить эффективность работы гидропривода и определить предел его работоспособности при низких температурах, определить КПД гидропривода и уточнить параметры гидродвигателей [3, 6, 7].

Гидросистема считается работоспособной, если потери давления не превышают 6 % от номинального давления насосов [8].

В гидросистемах самоходных машин, предназначенных для эксплуатации в районах Сибири и Крайнего Севера, потери давления в зимнее время допускаются до 12 %, а в период разогрева рабочей жидкости - 20 %. Если это значение превышено, то необходимо предусмотреть устройство предпускового разогрева рабочей жидкости в гидроприводе [1, 2, 8,].

Как известно, потери давления в гидросистеме, обусловленные трением жидкости о стенки трубопроводов и гидрооборудования и внутренним трением жидкости, зависят от длины, диаметра и формы трубопроводов, скорости течения и вязкости рабочей жидкости, раз-ветвленности гидросистемы, режима течения жидкости в трубопроводе.

Общая величина потерь давления может быть определена как сумма потерь в отдельных элементах гидросистемы [3, 6]:

Е АР = Е APn +Е A/M +1 АРГО , Па (1)

где Е ЛРп - суммарные путевые потери давления на прямолинейных участках трубопроводов; ЕАРМ - суммарные местные потери давления в изгибах трубопроводов, штуцерах, переходниках, тройниках; ЕАРго - суммарные потери давления в гидрооборудовании (распределителях, обратных клапанах, фильтрах и т. д.).

При расчете гидравлических потерь напорный и сливной трубопроводы разбиваются на отдельные участки, в каждом из которых равны скорость и диаметр трубопровода. При этом необходимо помнить, что в один и тот же промежуток времени в различных участках гидросистемы числа Рейнольдса будут различными, более того, режим течения жидкости может быть в одной точке гидросистемы ламинарным, а в другой - турбулентным. При расчете рассматривают суммарную длину напорного трубопровода и принимают скорость потока жидкости в нем на всех участках одинаковой. Аналогично выполняют расчет сливного трубопровода.

Потери давления в гидрооборудовании можно определить простым суммированием без расчета потерь в гидроаппаратах, встречающихся по ходу напорного или сливного трубопровода. В этом случае потери давления в каждом гидроаппарате должны быть известны из технических характеристик. Более точные результаты с учетом изменения температуры рабочей жидкости, могут быть получены расчетом местных потерь давления в гидроаппаратах. Для этого необходимо учесть коэффициент местных сопротивлений гидроаппаратуры [6, 7]. (табл. 1.) При расчете местных потерь давления можно объединить коэффициенты местных сопротивлений трубопроводов и гидроаппаратуры и получить общие результаты или считать раздельно.

Потери давления по длине трубопровода:

1 V2

ЕАРП = А,-р--• —, Па (2)

d 2

где X - коэффициент трения жидкости о стенки трубопроводов; р - плотность жидкости; 1 - протяженность трубопровода, м; d - диаметр трубопровода, м; V - скорость потока жидкости, м/с.

Таблица 1

Значения коэффициентов местных сопротивлений

Наименование оборудования Значение коэффициента

Распределитель золотниковый 3...5

Предохранительный клапан 2...3

Дроссель 2.2,2

Обратный клапан 3.5

Фильтр 2.3

Переходник 0,1.0,15

Внезапное расширение (вход в гидробак) 0,8.0,9

Коэффициент трения жидкости о стенки трубопровода зависит от числа Рейнольдса,

л 64 П

которое определяет режим течения жидкости: ^ = —, Па, при ламинарном режиме;

Re

^ _ 0,3164 , Па, при турбулентном режиме. Re0,25

Плотность рабочей жидкости, в свою очередь, зависит от температуры (рис. 1) [1, 2, 9,

10]:

Ламинарному режиму течения жидкости в трубопроводах круглого поперечного сечения соответствуют числа Рейнольдса Re<2200-2300, а турбулентному - Re>2200-2300. Для трубопроводов круглого сечения число Рейнольдса можно определить по формуле:

Яе =

V ■ а

(3)

где V - вязкость рабочей жидкости при заданной температуре.

р ЕГ/М3

940 920" 900 880 860 840 820

N

ч

МГ-20

ВМГ АМГ-10

-М8 В Г" ,М10Вз

-40 -20 0 20 40 60 ^

Рис. 1. Зависимость плотности рабочей жидкости от температуры

Отметим, что для широко распространенных масел для гидросистем строительных и дорожных машин, таких как ВМГЗ, АУ (веретенное), ИС-20, вязкость меняется весьма значительно, при переходе от низких температур к положительным (табл. 2)

Вязкость рабочих жидкостей для гидросистем

Таблица 2

Рабочая жидкость Температура

-20°С +20°С

ВМГЗ 200 сСт 33 сСт

АУ 500 сСт 43 сСт

ИС-20 3000 сСт 80 сСт

V

Местные потери давления в трубопроводах и гидроаппаратуре рассчитывают по формуле [3]:

V 2

еа/м=р-?-ь ■ — , (4)

где ^ - коэффициент местных сопротивлений (см. табл. 1); Ь - поправочный коэффициент

учитывающий влияние вязкости жидкости на местные потери, Ь = / (Яе) .

Потери давления в гидродвигателях самоходных машин определяют в диапазоне температур -40°С ... +60°С (для гидроприводов с шестеренными насосами от -20°С) с интервалом 20°С при работе на зимнем и летнем масле [1, 2, 8].

Рассмотрим влияние низких температур на примере гидросистемы гусеничного экскаватора ТВЭКС ЕТ-18-20 (рис. 2).

Рис. 2. Экскаватор ЕТ-18

Одноковшовый экскаватор ЕТ-18 представляет собой многоцелевую землеройную машину, предназначенную для разработки котлованов, траншей, карьеров в грунтах 1-1У категорий, погрузки и разгрузки сыпучих материалов, разрыхленных скальных пород и мерзлых

311

грунтов при величине кусков не более 200 мм, а также для других работ в условиях промышленного, городского, сельского, транспортного и мелиоративного строительства. Согласно паспортным данным, экскаватор сохраняет работоспособность в диапазоне температур окружающего воздуха от -40°С до +40°С0.

В экскаваторе применен трёхпоточный насосный агрегат Bosch Rexroth A8VO55, состоящий из двух регулируемых аксиально-поршневых качающих узлов с рабочим объемом

Ур = 55 см3, отвечающих за перемещение рабочих органов, и одного шестерённого насоса, питающего гидромотор вентилятора теплообменника. Максимальная скорость вращения вала насоса - 2500 об/мин.

В экскаваторе модели ЕТ-18-20 применяется отечественный дизельный двигатель Д-245, максимальная скорость вращения которого Пдв=2400 об/мин.

На рис. 3 представлен фрагмент гидросхемы экскаватора ЕТ-18. Для непосредственной оценки влияния низких температур на работу гидросистемы рассмотрим рабочий участок от основного насоса до гидроцилиндров подъема-опускания стрелы. При этом в расчете необходимо будет учесть местные сопротивления всех компонентов (см. табл. 1), которые будут пропускать через себя поток жидкости при выполнении операции по подъему или опусканию стрелы экскаватора.

ЦП

О

Ц12

(Hgl*

Щн

щ

Щ"

т

■ ä систему

б систему

J > 4

ri- J-,

■ Б

Рис. 3. Гидросхема подъема стрелы экскаватора ЕТ-18 Б - бак; НА - насосный агрегат; Р1 - гидрораспределитель со встроенными антикавитационными клапанами; Ц1.1, Ц1.2 - гидроцилиндры подъема стрелы; Ф - фильтр с датчиком загрязнения

При расчетах за максимальный расход примем подачу насоса Qн на максимальных оборотах двигателя ПдВ, равную 119 л/мин.

Скорости в трубопроводах принимаем, исходя из рекомендуемых при номинальном давлении рн = 280 бар: в напорном - 7 м/с; во всасывающем - 2 м/с.

Результаты полученных данных сведены в табл. 4. Все табличные коэффициенты, значения плотности и вязкости приняты для гидравлического масла ВМГЗ, как наиболее часто используемой рабочей жидкости в гидроприводах строительных машин при работе в зимнее время.

Потери давления^ в гидросистеме подъема стрелы экскаватора ЕТ-18

Таблица 4

Темпера-тура, °С

Число Рейнольд-са

Коэффи-циент трения

Потери по длине трубопровода, МПа

Местные потери, МПа

Суммарные потери, МПа

-40

115

0,65

9,7

1,2

10,9

-20

630

0,12

3,8

0,5

4,3

1938

0,039

2,5

0,2

2,7

+20

4667

2,62

1,5

0,1

1,6

+40

8400

3,03

1,1

< 0,1

1,1

+60

12600

3,35

1,3

< 0,1

1,3

0

Как видно из полученных значений, уже при температуре окружающего воздуха чуть ниже -20°С, для данной гидросистемы требуется установка предпусковой тепловой подготовки рабочей жидкости.

Список литературы

1. Бардышев О.А., Гаркави Н.Г., Тесленко Н.Г. Техническая эксплуатация строительных машин на Севере. Л.: Стройиздат, 1981. 183 с.

2. Вашуркин И.О. Тепловая подготовка строительных машин в условиях сурового климата. СПб.: Наука, 2005. 238 с.

3. Гринчар Н.Г., Зайцева Н.А. Основы гидропривода машин: учебное пособие. Ч.2. М.: ФГБОУ УМЦ по образованию на ж. д. т., 2016. 565 с.

4. Гринчар Н.Г., Шиляев Н.А. Влияние низких температур на эксплуатационные характеристики гидропривода // Сб. науч. тр. международной научно-практической конференции. «Энерго-ресурсосберегающие технологии и оборудование в дорожной и строительной отраслях». Белгород: Изд-во БГТУ, 2021. С. 50-55.

5. Каверзин С.В., Лебедев В.П., Сорокин Е.А. Обеспечение работоспособности гидравлического привода при низких температурах: учеб. пособие для вузов. Красноярск: Офсет, 1998. 240 с.

6. Полякова Л.Е., Ямпилов С.С., Блекус В.Г. Гидравлический расчет объемного гидропривода: учеб. пособие для вузов. Улан-Удэ: Восточно-сибирский государственный технологический университет, 2001. 19 с.

7. Жуков Н.П. Гидравлический расчёт объёмного гидропривода с возвратно-поступательным движением выходного звена: учеб. пособие для вузов. Тамбов: Изд-во ГОУ ВПО ТГТУ, 2010. 32 с.

8. Васильченко В.А. Особенности расчета гидросистем строительных и дорожных машин, работающих при низких температурах. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 1971. 45 с.

9. Кондаков Л.А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем. М.: Машиностроение, 1982. 216 с.

10. Ковалевский В.Ф. Теплообменные устройства и тепловые расчеты гидропривода горных машин. М.: Недра, 1972. 224 с.

Гринчар Николай Григорьевич, д-р техн. наук, профессор, nggrin@yandex.ru, Россия, Москва, Российский университет транспорта (МИИТ),

Шиляев Никита Альбертович, магистр, na_shilyaev@inbox. ru, Россия, Москва, Российский университет транспорта (МИИТ)

ON THE EFFECT OF NEGATIVE TEMPERATURES ON HYDRAULIC LOSSES IN THE VOLUMETRIC HYDRAULIC DRIVE OF MACHINES

N.G. Grinchar, N.A. Shilyaev

The article considers the issue of the influence of negative temperatures on the operation of the volumetric hydraulic drive of construction, road and earthmoving machines on the example of the hydraulic drive of the excavator ET-18. In hydraulic drives of machines operating in a cold climate covering most of the territory of Russia, pressure losses in pipelines of hydraulic systems of construction, road and other mobile machines increase significantly during start-up and during the initial period of operation. This circumstance leads not only to energy losses, but also often to failures and damage, including moderate and severe. It is shown that when working in conditions of negative temperatures, energy losses during the initial period of operation of the machine multiply and have a significant impact on the operation of the drive. When determining losses, it is necessary to take into account at least the following main possible places of losses: on the hydraulic devices themselves; on local resistances, along the length of the pipeline. The total losses can reach 10% or more of the nominal pressure at some temperatures, which negatively affects the overall efficiency of the hydraulic drive. This circumstance should be taken into account when planning and organizing the work of machines. Accordingly, when designing self-propelled hydrofected machines, it is necessary to assess the pressure losses of the working fluid in advance, since they allow you to establish the efficiency of the hydraulic drive and determine the limit of its operability at low temperatures.

Key words: construction machines, hydraulic drive, low temperatures, pressure losses in the pipeline, viscosity.

Grinchar Nikolay Grigoryevich, doctor of technical sciences, professor, nggrin@yandex.ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT),

Nikita Albertovich Shilyaev, master, na_shilyaev@inbox. ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT)

УДК 62-2

DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-314-321

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В ПОЛИМЕРНЫХ МАТЕРИАЛАХ ДЛЯ ДЕТАЛЕЙ МАШИН В УСЛОВИЯХ ОДНОСТОРОННЕГО ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ

К.С. Иванов, А.В. Широухов, Н.А. Мороз

В статье рассмотрены механические свойства полимеров в условиях воздействия изменяющихся температур, обоснована актуальность применения термореактивных полимеров в стеклообразном аморфном состоянии в качестве термо и электроизолирующих элементов механизмов и аппаратуры. Показана методика нахождения тепловых напряжений, возникающих в конструкциях под действием одностороннего термического воздействия.

Ключевые слова: аморфные стекловидные полимеры, одностороннее термическое воздействие, термические деформации, напряжения.

В настоящее время передовые отрасли промышленности испытывают затруднения в реализации конструкторских решений из-за скудного спектра конструкционных материалов, соответствующих новым требованиям. В свете данной проблемы, становятся актуальными вопросы, связанные с рассмотрением технологий создания полимерных материалов и соответственно изучением их механических свойств. Одним из востребованных направлений является направление исследований связанных с изучением механических свойств полимерных материалов и разработкой методик определения прочностных характеристик, используемых в проектных и проверочных расчетах. Отдельного рассмотрения требуют расчеты, связанные с воздействием температур, как высоких, так и низких, так как полимеры склонны к изменению своих механических свойств. При этом следует учитывать, что динамика изменения свойств полимеров по сравнению с металлами носит характер степенной функции.

Исследования зависимости механических свойств полимеров от низких температур крайне важны, особенно на волне создания целого спектра конструкций и механизмов, предназначенных для эксплуатации в условиях Крайнего севера. Так же актуально исследование поведения механических свойств полимеров в условиях воздействия экстремальных температур, например, при пожаре. Вместе с тем, массовое применение полимеры находят и в конструкциях, работающих в условиях повышенных температур. При этом следует учитывать особенности использования полимеров не только в тепловых машинах, где повышенные температуры являются следствием рабочего процесса, но и в «холодных» машинах, где нагрев является результатом работы в условиях упругого гистерезиса при многократном повторении циклов нагруже-ния. В данном случае, повышение температуры происходит на фоне изменения размеров деталей, что так же приводит к возникновению внутренних напряжений. Таким образом, исследование механических свойств полимеров в условиях воздействия изменяющихся температур является важным и востребованным направлением.

Механические свойства любого материала представляют собой разнонаправленные, как в физико-химическом, так и в структурно-механическом понимании, параметры, которые в целом характеризуют материал с точки зрения способности сопротивляться действующим нагрузкам без разрушения и деформаций, т.е. с точки зрения прочности и жесткости. Основным показателем, характеризующим прочность, принято считать напряжения, возникающие в структуре материала.

При рассмотрении напряжений, возникающих в результате теплового воздействия необходимо выделить два случая: