CC BY
35
Orekhovskaya Alexandra Aleksandrovna, candidate of agricultural sciences, head of department, orehovskaia_aa@bsaa.edu.ru, Russia, Maiskiy village, Belgorod State Agrarian University named after V.Ya. Gorin,
Ivanov Alexander Alekseevich, candidate of technical sciences, docent, aivanov@tvgsha.ru, Russia, Tver, Tver State Agricultural Academy,
Krivonogova Alexandra Stanislavovna, candidate of technical sciences, docent, kas.spb.lta@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint Petersburg State Forest Technical University,
Pushkov Yury Leonidovich, candidate of technical sciences, docent, pushkov_yura@mail.ru, Russia, St. Petersburg, Saint Petersburg State Forest Technical University
УДК 62-82
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-326-332
ПОДГОТОВКА ГИДРОПРИВОДА К ЭКСПЛУАТАЦИИ В УСЛОВИЯХ НИЗКИХ ТЕМПЕРАТУР
Н.Г. Гринчар, Н.А. Шиляев
В статье рассматриваются основные способы обеспечения работоспособности рабочей жидкости гидроприводов строительных и дорожных машин в условиях низких температур. Известно, что понижение температуры окружающего воздуха приводит к повышению вязкости рабочей жидкости, повышению сопротивления течению жидкости в трубопроводах и узлах гидросистемы, что весьма негативно сказывается на работе гидроаппаратов, их надежности и долговечности. Из практического опыта авторов можно утверждать, что запуск и работа насосов возможны, если температура рабочей жидкости составляет -10 °С и выше. Соответственно, для удовлетворительной работы гидропривода при отрицательных температурах целесообразен предварительный разогрев рабочей жидкости до состояния, при котором кинематическая вязкость будет такова, чтобы обеспечить корректную работу насосов. Основными способами подогрева рабочей жидкости на сегодняшний день являются: прогрев гидробака выхлопными газами; дроссельный разогрев рабочей жидкости; использование малого гидробака для быстрого разогрева рабочей жидкости вследствие циркуляции ее в малом контуре гидросистемы; использование электрических нагревателей (ТЭН) для разогрева отдельных элементов гидропривода. Отмечается, что на сегодняшний день данная задача полностью не решена. Указанное обстоятельство следует учитывать при планировании и организации работ машин.
Ключевые слова: строительные машины, гидропривод, низкие температуры, рабочая жидкость, температурный режим.
Опыт эксплуатации гидравлических систем показывает, что их работоспособность существенно зависит от теплового режима работы системы [1 - 7]. Понижение температуры окружающего воздуха приводит к повышению вязкости рабочей жидкости, повышению сопротивления течению жидкости в трубопроводах и узлах гидросистемы. В момент запуска, например, при работе на жидкостях марок М8Б и АУ, насос некоторое время либо вообще не прокачивает её, либо работает в кавитационном режиме [1, 3, 4]. Температурно-вязкостная характеристика некоторых широко распространенных гидравлических масел представлена на рис. 1.
Известно также, что оптимальной вязкостью для работы большинства гидроагрегатов считается вязкость в диапазоне 30^40 сСт, что соответствует диапазону температур 40^60°С. Такая температура наиболее благоприятна для работы гидросистемы и соответствует требованиям ГОСТ, но фактически в условиях эксплуатации она изменяется от +35 °С в осенне-зимний период до +80.. ,90°С в летний.
V, с С m
5000 2000
И-ЗОА
-40 0 40 80 °С Рис. 1. Температурно-вязкостная характеристика гидравлических масел
В существующих гидросистемах при низких температурах окружающего воздуха температура рабочей жидкости не поддерживается в оптимальных пределах, так как тепловой баланс не постоянный. Основным источником нагрева жидкости является её дросселирование в регулирующей аппаратуре. Жидкость нагревается также при преодолении сопротивлений в процессе движения по рабочим каналам гидравлических агрегатов и систем. Следовательно, температура рабочей жидкости зависит как от температуры окружающего воздуха, так и от напряженности работы гидромеханизма [1, 4, 5, 8]:
^ - (1)
- to +
к • F
т
где tж; ¿о - температура рабочей жидкости и воздуха, соответственно; Q - тепло, выделяемое гидросистемой; р - площадь поверхности бака и узлов гидромеханизмов; к - коэффициент теплоотдачи от бака и узлов гидропривода.
В ряде работ количество тепла, выделяемого гидросистемой, определяют по формуле
[7, 9]:
QT - 632 • Nnp • (1 -Побщ)
(2)
пр
где Nnp - затраты мощности на привод механизма; ^общ - общий КПД системы.
Каверзин С.В., приводя в [4] формулы (1, 2), указывает, что повышение температуры рабочей жидкости может быть вызвано повышенным износом узлов и падением объёмного КПД. Изменение вязкости и механического КПД автор не учитывал.
Пуск гидрофицированных строительных машин при отрицательных температурах обычно обеспечивается комплексом мероприятий, а именно: применением маловязких зимних масел или загущенных всесезонных масел с отлогими вязкостно-температурными характеристиками, предпусковых подогревателей различных конструкций. Из опыта работы авторов в Заполярье с передвижной диагностической станцией гидроприводов [6] можно утверждать, что запуск и удовлетворительная работа шестеренных и аксиально-поршневых нерегулируемых насосов возможны, если температура рабочей жидкости составляет -10°С и выше.
Изучение опыта эксплуатации гидравлических систем в условиях работы в районах Крайнего Севера России показало, что улучшение тепловых режимов гидравлических систем в холодное время года можно осуществить несколькими способами, представленными на рис. 2.
Тепловая подготовка сопряжена с энергетическими и временными затратами, как это видно из рис. 3. На данный момент наиболее распространены такие способы тепловой подготовки: прогрев гидробака выхлопными газами; дроссельный разогрев рабочей жидкости; использование малого гидробака для быстрого разогрева рабочей жидкости вследствие циркуляции ее в малом контуре гидросистемы; использование электрических нагревателей (ТЭН) для разогрева отдельных элементов гидропривода.
Эти способы направлены прежде всего на прогрев рабочей жидкости в гидробаке, без локального разогрева элементов гидрооборудования. Каждый из способов имеет как свои плюсы, и свои минусы.
Рис. 2. Основные способы улучшения тепловых режимов гидравлических систем
строительных и дорожных машин
Г с о
-10
-20
-зо ........I..........г..........\..........!..........■)
_40 Щ-.__I---]-----:---J-!_\_ь
О 10 20 30 40 50 60 70 х.
Рис. 3. Сравнительные графики темпа прогрева гидрожидкости [1]: 1 - без использования специальных методов; 2 - с использованием малого гидробака;
3 - с применением дросселя; 4 - прогрев отработавшими газами; 5 - с использованием
электронагревательных элементов
Принцип действия прогрева гидробака выхлопными газами основан на том, чтобы использовать отработанную тепловую энергию двигателя, которая выбрасывается вместе с отработанными газами. До 20-30 % тепловой энергии выбрасывается двигателем вместе с выхлопными газами. Струя отработанных газов дизеля, двигаясь по магистральному газопроводу, направляется к теплообменнику радиаторного типа, расположенному в гидробаке машины. Горячие газы нагревают стенки теплообменника, которые в свою очередь передают тепло рабочей жидкости, находящейся в гидробаке. При такой подготовке гидропривода машины к работе рабочая жидкость разогревается до минимально допустимой температуры или выше, при которой возможно нормальное прокачивание рабочей жидкости насосом через гидролинии.
Регулируя подачу выхлопных газов с помощью заслонок, можно изменять интенсивность нагрева и температуру рабочей жидкости.
328
В экстремальных условиях, когда температура воздуха составляет — 40оС и ниже, с помощью подобной системы целесообразно использовать такой метод не только в предпусковой период, но и во время работы, так как при очень низких температурах в длинных магистралях гидросистем строительных и дорожных машин рабочая жидкость может загустевать недопустимо сильно, что приводит к нарушениям в работе гидропривода, а в некоторых случаях и к отказам.
Однако, несмотря на перечисленные выше достоинства этой системы, она не получила распространения по нескольким причинам. Во-первых, гидравлическая жидкость претерпевает значительные локальные перегревы в режиме её разогрева, так как температура отработавших газов при выпуске их из двигателя в несколько раз превышает рациональную температуру рабочей жидкости. Под воздействием высокой температуры ускоряется интенсивность процесса окисления масла - это является основным фактором старения масла, при котором выделяются и выпадают в осадок органические кислоты и смолистые вещества, которые засоряют маслопроводы и каналы.
Система не получила распространения также из-за определенной сложности ее установки на машину. В силу особенностей конструкции, оборудование для разогрева должно устанавливаться еще на этапе изготовления машины, но этого не происходит из-за нежелания производителей строительной техники изменять унифицированные конструкции своих машин, а также из-за неизбежного повышения стоимости модернизированной машины.
Нередко в эксплуатационных условиях прогрев рабочей жидкости осуществляется дросселированием. Как известно, таким способом можно также регулировать подачу жидкости в гидродвигатель. При дроссельном регулировании мощность, потребляемая насосом, остается постоянной, а скорость поршня гидроцилиндра (частота вращения вала гидромотора) изменяется в зависимости от величины сопротивления дросселя. Часть рабочей жидкости, находящейся под давлением, «стравливается» и перепускается через переливной клапан в гидробак, не выполняя полезной работы. При этом происходит нагрев жидкости, величина которого определяется теряемой на переливном клапане гидравлической мощности, так как дроссельное регулирование основано на изменении величины потерь, т. е. на изменении КПД гидропривода. В связи с этим дроссельное регулирование применяется при относительно малых передаваемых мощностях в гидроприводе.
Недостатком данного метода является то, что при прохождении жидкости под давлением с высокой скоростью через каналы и зазоры направляющей и регулирующей гидроаппаратуры и другие местные сопротивления происходит многократное «мятие» жидкости, что весьма отрицательно влияет на её физико-химические свойства. В процессе дросселирования масла при больших давлениях происходит деструкция молекулярных цепочек, в результате уменьшается вязкость, ухудшаются смазывающие свойства, и наблюдается потемнение масла.
Дроссельный разогрев жидкости при низких температурах нецелесообразен также и потому, что в случае применения дросселя насос будет работать с повышенными нагрузками при загущенной вязкой рабочей жидкости, что может повлечь выход из строя насоса.
В связи с вышесказанным данный способ используется в исключительных случаях при низких температурах окружающего воздуха.
Для прогревания рабочей жидкости может использоваться малый (дополнительный) гидробак, обеспечивающий быстрый разогрев рабочей жидкости при циркуляции её в малом контуре гидросистемы (рис. 4).
к гыдг'одши ателге
Рис. 4. Схема прогрева рабочей жидкости с применением малого гидробака: 1 - основной гидробак; 2 - насос; 3 - предохранительно-переливной клапан, 4 - гидрораспределитель; 5 - малый гидробак, 6 - вентили
Этот способ основан на том, что жидкость в небольших объемах можно прогреть значительно быстрее, чем прогревать весь бак с рабочей жидкостью, который может быть значительных объемов 200-300 л, а у путевых машин, как например ВПР-02 - и до 1200 л. Система состоит из 2 контуров для рабочей жидкости (малого и большого). Малый контур служит для циркуляции рабочей жидкости в процессе тепловой подготовки. Большой контур (основной) работает тогда, когда гидросистема работает в обычном режиме. Рабочая жидкость поступает в насос 1 (см. рис. 4) через всасывающую магистраль малого гидробака, в процессе тепловой подготовки, прокачивается через распределитель 4, находящийся в нейтральном положении. Жидкость под действием естественных сопротивлений (трения) в трубопроводах, постепенно разогревается в малом контуре гидросистемы и поступает обратно в малый гидробак. Когда тепловая подготовка завершена, перекрытием вентилей 6 систему переключают на большой контур гидросистемы. Жидкость поступает уже через основной бак 1, тем самым гидравлическая система переходит в обычный режим работы. Этот способ схож с дроссельным разогревом рабочей жидкости, описанном выше.
Прогрев малого гидробака может также осуществляться дросселированием через предохранительно-переливной клапан, если распределитель 4 имеет запертую нейтраль. В этом случае можно регулировать интенсивность разогрева рабочей жидкости, регулируя настройку клапана. Этому варианту, однако, присущи те же недостатки, что и дроссельному прогреванию, хотя и несколько меньшей степени.
Наиболее широкое распространение получили электрические устройства прогрева для предпусковой подготовки гидропривода.
В настоящее время промышленностью выпускаются различные виды нагревательных элементов от простейших нагревательных ТЭН до высокотехнологичных нагревателей на основе полупроводниковой матрицы. Каждый из видов нагревательных элементов имеет как свои достоинства, так и недостатки, выражающиеся в цене, потребляемой мощности, размере [10].
Трубчатый электронагреватель (ТЭН) представляет собой электронагревательный прибор в виде металлической трубки, заполненной теплопроводящим электрическим изолятором. Точно по центру изолятора проходит токопроводящая нихромовая нить высокого сопротивления для передачи необходимой удельной мощности на поверхность ТЭН. Способ подразумевает установку электронагревателей (ТЭНов) в гидробак машины. Тепловая подготовка осуществляется перед началом рабочей смены строительно-дорожной машины. Нагрев рабочей жидкости возможен за очень короткий срок, по сравнению с другими видами тепловой подготовки, направленной на прогрев гидробака. Также стоит отметить, что КПД ТЭНов, погруженных непосредственно в гидрожидкость, приближается к 100 %, т. к. теплу некуда уходить, кроме как на разогрев масла.
При описанных выше достоинствах, а также ввиду конструктивных особенностей, ТЭН эффективно можно использовать только для прогрева гидробака. Приспособить подобные агрегаты на другие компоненты гидропривода, например, на гидроцилиндр, не представляется возможным.
Из достоинств можно отметить невысокую стоимость данных нагревательных элементов, простоту расчета. Из минусов - неизменяемую форму, постоянную потребляемую мощность, требование автоматического контроля температуры, т. е. для применения ТЭНов в системе тепловой подготовки гидропривода, нужны датчики системы автоматики, которые должны отслеживать нагрев рабочей жидкости во избежание перегрева. Для гидропривода температура рабочей жидкости не должна превышать 65-80°С. Автоматическая система должна отключать ТЭНы по достижении нужной температуры рабочей жидкости.
Данный метод прогрева рабочей жидкости уже достаточно давно используется в системах прогрева как двигателей внутреннего сгорания (в крышку картера двигателя встраивается нагревательный ТЭН, который используется перед запуском) так и для гидробаков некоторых строительных и дорожных машин, работающих в условиях низких температур, как например для буровых машин транспортного строительства типа БТС-150, СБШ-160.
Для электроподогрева может использоваться также резистивный нагревательный кабель, в котором нагрев происходит под воздействием проходящего тока. Чем больше сопротивление кабеля, тем больше его мощность.
Резистивные нагревательные кабели бывают одножильные и двужильные. Любой рези-стивный нагревательный кабель в своей основе содержит нагревательную проволоку из нихрома или другого материала. Длину и диаметр проволоки рассчитывают исходя из величины
напряжения сети и заданной мощности нагревательного элемента [10]. Отличия заключаются в конструкции кабелей, способе монтажа и мощности на погонный метр. Внешняя оболочка кабеля, чаще всего выполняемая из ПВХ, должна быть устойчива к ультрафиолету для использования на открытом воздухе.
Могут применяться также саморегулирующиеся кабели, имеющие в своей конструкции полупроводниковую матрицу, которая в зависимости от внешней температуры изменяет сопротивление и, соответственно, выдаваемую мощность. Срок службы матрицы около 15 лет, что сравнимо со сроком эксплуатации строительной техники.
Все описанные методы, однако не обеспечивают прогрев рабочей жидкости, находящейся в гидроаппаратах и трубопроводах, где вследствие переохлаждения могут образовываться «вязкие пробки», препятствующие нормальной работе гидропривода. Особенно это относится к гидроцилиндрам, находящимся как правило на открытом воздухе, в связи ч с чем вопрос подогрева рабочей жидкости в гидроприводе машин, работающих в условиях низких температур нельзя считать решенным.
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., 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.
4. Васильченко В.А. Особенности расчета гидросистем строительных и дорожных машин, работающих при низких температурах. М.: ЦНИИТЭстроймаш, 971. 45 с.
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. Гринчар Н.Г., Ковальский В.Ф. Передвижная лаборатория технической диагностики гидроприводов // Экспресс-информация. М.: НИИНФОРМТЯЖМАШ, 1984. Вып. 10. С. 5-6.
7. Ковалевский В.Ф. Теплообменные устройства и тепловые расчеты гидропривода горных машин. М.: Недра, 1972. 224 с.
8. Гринчар Н.Г., Зайцева Н.А. Основы гидропривода машин: учеб. пособие. Ч. 2. М.: ФГБОУ УМЦ по образованию на ж. д. т., 2016. 565 с.
9. Тепловая подготовка гидропривода мобильных машин с использованием системы ав-тематического управления / В.В. Конев, Д.М. Бородин, Е.В. Половников и др. // Инженерный вестник Дона. 2019. №6. 13 с.
10. Козлов В.Е. Электронагревательные устройства автомобилей и тракторов. Л.: Машиностроение, 1984. 127 с.
Гринчар Николай Григорьевич, д-р техн. наук, профуссор, nggrin@yandex.ru, Россия, Москва, Российский университет транспорта (МИИТ),
Шиляев Никита Альбертович, магистр, na_shilyaev@inbox.ru, Россия, Москва, Российский университет транспорта (МИИТ)
PREPARATION OF THE HYDRAULIC DRIVE FOR OPERATION AT LOW TEMPERATURES
N.G. Grinchar, N.A. Shilyaev
The article discusses the main ways to ensure the operability of the hydraulic fluid of hydraulic drives of construction and road vehicles at low temperatures. It is known that a decrease in ambient air temperature leads to an increase in the viscosity of the working fluid, an increase in the resistance to fluid flow in pipelines and hydraulic system nodes, which has a very negative effect on the operation of hydraulic devices, their reliability and durability. From the practical experience of the authors, it can be argued that the start and operation of pumps is possible if the temperature of the working fluid is -
331
10 oC or higher. Accordingly, for satisfactory operation of the hydraulic drive at negative temperatures, it is advisable to preheat the working fluid to a state at which the kinematic viscosity will be such as to ensure the correct operation of the pumps. The main methods of heating the working fluid today are: heating the hydraulic tank with exhaust gases; throttle heating of the working fluid; the use of a small hydraulic tank for rapid heating of the working fluid due to its circulation in a small circuit of the hydraulic system; the use of electric heaters (TEN) for heating individual elements of the hydraulic drive. It is noted that to date, this task has not been completely solved. This circumstance should be taken into account when planning and organizing the work of machines.
Key words: construction machines, hydraulic drive, low temperatures, working fluid, temperature regime.
Grinchar Nikolay Grigoryevich, doctor of technical sciences, professor, nggrin@yandex.ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT),
Shilyaev Nikita Albertovich, master, na_shilyaev@inbox. ru, Russia, Moscow, Russian University of Transport (MIIT)
УДК 303.833.73
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-7-332-336
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НОВЫХ МАТЕРИАЛОВ И КОНСТРУКЦИЙ ПРУЖИН В УСЛОВИЯХ ПОВЫШЕННЫХ ТЕМПЕРАТУР ПРИ ИЗГОТОВЛЕНИИ СУДОВОЙ
И ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
В.А. Ленина, М.Ю. Силаев, Д.А.Беспалов, С.А. Войнаш, В.А. Соколова, А.А. Ореховская
При строительстве современных АЭС особое внимание уделяется безопасности. Немаловажную роль в системе АЭС занимает трубопроводная арматура, которая включает в себя запорную, регулирующую и предохранительную аппаратуру. При высоких давлениях и при больших диаметрах трубопроводов сама арматура может стать источником возникновения нештатных ситуаций, поэтому главное направление в развитии основных трубопроводов на атомной станции - применение, возможно, более простой и надёжной арматуры. Предложен вариант замены винтовых пружин на конструкцию тарельчатых пружин из титанового сплава.
Ключевые слова: пружины, заневоливание, титановый сплав ВТ23, релаксация, осадка.
Введение. Перед конструкторами-проектировщиками систем безопасности паровой арматуры стояла задача разработки клапана, назначение которого заключается в том, чтобы обеспечить быстрое отключение трубопровода для предотвращения аварии. В качестве конструкции выбран отсечный запорный тип клапана, такой вид арматуры выступает в качестве активного предохранителя от протечек и затопления. Необходимым требованием к работе данного клапана является его быстродействие, которое обеспечивается срабатыванием пружины, входящей в конструкцию клапана. Кроме этого, при проектировании клапана необходимо иметь пружину, которая позволит использовать клапан длительное время. Выбор материала определяется условиями непосредственного воздействия: температуры, среды эксплуатации и вида нагружения.
Материалы и методы исследования. Конструкторами-проектировщиками при проектировании предохранительного клапана в качестве материала для пружины была выбрана рес-сорно-пружинная сталь марки 50ХФА. В качестве конструкции пружины выбрана винтовая цилиндрическая пружина сжатия. Геометрические размеры были рассчитаны из учёта требуемого рабочего усилия, расчётное касательное напряжение т2, составило 569 МПа. Пружина (объект исследования) эксплуатируется в условиях воздействия влаги, что требует дополнительного нанесения антикоррозийного покрытия. Для защиты от коррозии было выбрано нанесение цинкового покрытия.
