CC BY
72
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
293
УДК 625.7.08.002.5; 616-07; 62-187
ТЕМПЕРАТУРНАЯ ПОДГОТОВКА ГИДРОПРИВОДОВ МОБИЛЬНЫХ МАШИН
Н.Г. Лимонов, доц., к.т.н., Харьковский национальный автомобильно-дорожный
университет
Аннотация. Установлены зависимости, связывающие время разогрева рабочей жидкости с основными параметрами гидропривода, при условии обеспечения постоянного давления на входе насоса на всём протяжении разогрева.
Ключевые слова: гидропривод, время температурной подготовки гидропривода, обеспечение постоянного давления на входе насоса.
ТЕМПЕРАТУРНА ПІДГОТОВКА ГІДРОПРИВОДІВ МОБІЛЬНИХ МАШИН
І.Г. Шмонов, доц., к.т.н., Харківський національний автомобільно-дорожній
університет
Анотація. Визначено залежності, що пов ’язують час розігрівання робочої рідини з основними параметрами гідроприводу, за умови забезпечення постійного тиску на вході насоса протягом всього розігрівання.
Ключові слова: гідропривід, час температурної підготовки гідроприводу, забезпечення постійного тиску на вході насоса.
THE MODE OF TEMPERATURE PREPARATION OF MOBILE MACHINES HYDRAULIC DRIVES
I. Pimonov, Assoc. Prof., Cand., Eng. Sc.,
Kharkiv National Automobile and Highway University
Abstract: The problem of increasing efficiency of construction machines hydraulic drives performance by establishing the dependence that links the time of the working liquid warming-up for the necessary range of temperatures with the basic parameters of hydraulic drive and that determines the condition of providing permanent pressure on the entrance of the pump during the whole warming-up period has been solved.
Key words, hydraulic drive, time of hydraulic drive temperature preparation, providing permanent pressure on the entrance of the pump
Введение
Гидравлический привод нашел широкое распространение в дорожном строительстве, лесном комплексе, сельском хозяйстве и других отраслях производства. В гидрофициро-ванных машинах до 100 % мощности приводного двигателя потребляется гидроприводом. Эффективность работы гидропривода обеспечивается качественными проектиро-
ванием, изготовлением и эксплуатацией, которая включает в себя необходимый уровень ТО и Р с применением современных методов и средств технической диагностики, очистку рабочей жидкости от загрязнений, а также рациональный тепловой режим гидропривода.
Тепловой режим гидропривода влияет на потери мощности, долговечность его агрегатов и способность рабочей жидкости сохранять
294
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
необходимые параметры. От температуры (вязкости), соответствующей пределу прока-чиваемости, определяющей возможность зимнего пуска гидропривода [1-4], разогрев рабочей жидкости проходит этап возможных кавитационных явлений.
Исследованию и оптимизации теплового режима гидроприводов посвящено много работ [1-6], однако они не нашли своего развития в установлении рационального режима температурной подготовки рабочей жидкости на начальном этапе от температуры, соответствующей пределу прокачиваемое™, до температуры, позволяющей длительную работу.
Анализ публикаций
Значение вязкости, соответствующее пределу прокачиваемое™ для аксиально-поршневых насосов, работающих на масле
МГЕ-46В, превышает 2000 сСт, что соответствует температуре ниже - 10 °С (263 К) [3, 4]. Ниже этой критической температуры наступает разрыв сплошности потока, начинает нарушаться или прекращаться подача рабочей жидкости, что ведёт к потере работоспособности гидропривода [3, 4].
После критической температуры ещё имеют место большие гидравлические сопротивления во всасывающей гидролинии насоса и в самом насосе [1, 2]. Эти сопротивления создают недостаточное заполнение рабочего объема насоса, что вызывает его кавитацию, сопровождаемую пульсацией давления и шумом.
Пульсация давления обусловлена гидравлическими ударами, вызванными нарушением подачи рабочей жидкости во всасывающую полость насоса. Амплитуда этих пульсаций может достичь величин, снижающих долговечность насосов или вызывающих их разрушение [1, 2]. Поэтому для температурной подготовки гидропривода к работе от предела прокачиваемое™ необходимы специальные мероприятия, вытекающие из следующего.
Работоспособность гидропривода при низких температурах определяется абсолютным давлением во всасывающей камере насоса. Минимальное давление на входе в шестеренные насосы с внешним зацеплением рв = 0,07 МПа, а для насосов с внутренним
зацеплением и аксиально-поршневых
^в=0,08 МПа [1, 2].
Согласно уравнению Бернулли, абсолютное давление во всасывающем трубопроводе насоса определяется
Р = Р0 + J'h -Р0-1 =
= Р0 +Y-h -(Р1 + Р2 + Рз) =
= Р0 -Y'h-yU-‘І1 + C1 •b + C2 •b)- (1)
- 75 • L•v у (n • q0 -10-6)2 2 •d2 • и ' 2 • g ’ f ’
где р0 - атмосферное давление, Па; р0-1 -допустимые потери давления во всасывающей магистрали насоса, Па; p1, p2, р3 - соответственно составляющие допустимых потерь на входе во всасывающую магистраль, на линейном участке всасывающего трубопровода и на входе в насос, Па; у - удельный вес жидкости, Н/м3; h - высота бака над насосом, м3; р - плотность рабочей жидкости, кг/м3; и - допустимая скорость движения рабочей жидкости во всасывающей магистрали, м/с; ^ - коэффициент сопротивления на входе всасывающего трубопровода насоса; - коэффициент местных со-
противлений на входе в насос и в самом насосе; L - длина всасывающего патрубка, м; d - диаметр трубопровода гидропривода,
м; q0 - рабочий объём насоса, м3; n - частота вращения вала, об./с; f - площадь сечения
всасывающего трубопровода, м2; v - вязкость рабочей жидкости, м2/с; g - ускорение силы тяжести, м/с2; b(Re) - поправочный коэффициент, учитывающий изменение значений местных потерь от числа Рейнольдса.
При числах Re > 2300 b=1 при Re<2300 коэффициент b находят по графикам [2]. На основании зависимости (1) возможны следующие основные технические решения, способствующие снижению потерь давления во всасывающей магистрали насоса на этапе разогрева рабочей жидкости до значений, обеспечивающих возможность длительной работы гидропривода (+5 °С, 500 сСт): увеличение высоты всасывания (h) или применение наддува над жидкостной поверхностью гидробака инертным газом или
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
295
воздухом; уменьшение скорости движения жидкости во всасывающем трубопроводе и за счёт увеличения диаметра d всасывающего трубопровода; уменьшение длины всасывающего трубопровода L; снижение местных сопротивлений на участке всасывания.
Достижение необходимой температуры возможно также за счет системы терморегуляции, а достижение необходимой вязкости, -за счёт замены сорта рабочей жидкости. На этом этапе разогрев возможен также: применением специальных условий междусменного хранения машин, дополнительного источника тепла или аккумулирования тепловой энергии; специальных режимов работы насоса без нагрузки с уменьшенной частотой его вращения, позволяющих повысить температуру рабочей жидкости в безкавитационном режиме.
Вследствие кратковременности этого этапа исследователи [3] допускают возможность его прохождения при номинальных частоте вращения насоса и давлении рабочей жидкости. Однако при этом отмечается нежелательность дроссельного режима разогрева рабочей жидкости, в следствии работы насоса в неблагоприятных и даже аварийных условиях. Кроме этого, при дросселировании увеличивается перепад давления на входе и выходе насоса, что вызывает увеличение негативных влияний кавитационных процессов на гидропривод.
- устанавливается зависимость давления во всасывающей магистрали насоса от параметров гидропривода;
- устанавливается зависимость частот вращения насоса (подачи) от вязкости рабочей жидкости, затем вязкости от температуры и, в конечном итоге, частоты вращения насоса от температуры рабочей жидкости, обеспечивающих бескавитационную работу насоса.
Используя последнюю зависимость, устанавливаем математическую связь времени нагрева рабочей жидкости с основными параметрами гидропривода при обеспечении постоянного и допустимого значений давления во всасывающей магистрали насоса.
На начальном этапе температурной подготовки рабочей жидкости от температуры, соответствующей пределу прокачиваемости, до температуры, позволяющей длительную работу, гидрофицированная машина только готовится к выполнению производственных операций. Поэтому энергозатраты на этом этапе определяются в основном его продолжительностью .
Исследование влияния параметров гидропривода на время разогрева рабочей жидкости
Находим время нагрева рабочей жидкости при постоянной частоте вращения вала насоса [3, 4]
Цель и постановка задачи
Содержание статьи направлено на исследование связи между временем температурной подготовки гидропривода и основными его параметрами, а также установлением режима температурной подготовки рабочей жидкости, обеспечивающего минимум энергозатрат на своё осуществление. Для достижения этой цели устанавливается влияние основных параметров гидропривода на время разогрева рабочей жидкости при постоянной подаче. Затем устанавливаются частоты вращения вала насоса, обеспечивающие его бескавитационную работу на этапе разогрева от температуры продавливания до температуры, позволяющей длительную его работу. Последняя задача решается в следующей последовательности:
г =
Щи ■ Сгп . 1п
Кгп • Fra
mгп 'Сгп • 1п
Кгп • Frn •(T0 -T) + Qin j ( n• q0• p• (i-^o6) ^
(2)
Krn • Frn
Krn • Frn •(To -T) + Q
ГП J
где t - время нагрева, c; n - частота вращения вала насоса, об./с; q0 - рабочий объем
насоса, м3; цоб - общий коэффициент полезного действия гидропривода; p - давление гидросистемы, Па; T - температура рабочей жидкости, К; T0 - начальная температура рабочей жидкости, К; кш -
коэффициент теплопередачи, ^Т ; Frn -
м2 • К
площадь теплообмена, м2; mrn - масса гидропривода, кг
296
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
тгп = mro + трж;
(3)
где тго - масса гидрооборудования, кг; трж - масса рабочей жидкости, кг; сгп - теп-
Дж .
лоемкость гидропривода,
кг • К
Сравнение результатов показывает, что при одинаковом относительном изменении параметров гидропривода наибольшее влияние на время разогрева рабочей жидкости оказывают общий КПД гидропривода и давление (в три - четыре раза большее, чем площадь теплоотдачи и коэффициент теплопередачи).
c
ГП
Сж • трЖ + Сго • тГО
т + т
тржг тг<
Параметры на рисунке расставлены по убы-(4) ванию степени их влияния на время разогрева рабочей жидкости.
где сх -
Дж . с
кг • К ’ г‘
теплоемкость рабочей жидкости, - теплоемкость гидрооборудова-
ния,
Дж
кг • К
Используя формулу (2), определяем влияние на время нагрева рабочей жидкости основных параметров гидропривода при их одинаковом относительном изменении.
Степень влияния параметров гидропривода на время нагрева оценивалась по формуле (5)
Рис. 2. Влияние параметров гидропривода на время разогрева рабочей жидкости при постоянной подаче
т
max
т
mm
Определение частот вращения насоса, обеспечивающих его безкавитационную работу
Время нагрева рабочей жидкости гидропривода экскаватора ЭО-4325 на заданные интервалы температур рассчитывается по формуле (2) при постоянной частоте вращения вала насоса. Соответствующая зависимость приведена на рис. 1.
Ґ, c
2x03
3
15x10
3
1x10 500 0
260 265 270 275 280 ^ ^
Рис. 1. Время температурной подготовки рабочей жидкости при постоянной подаче
Результаты определения и сравнения степени влияния параметров гидропривода на время разогрева по формулам (2), (5) приведены на рис. 2.
По мере уменьшения вязкости рабочей жидкости при её разогреве уменьшаются потери давления во всасывающем трубопроводе насоса. Это позволяет увеличивать частоты вращения насоса так, чтобы потери оставались постоянными на уровне, обеспечивающем безкавитационный режим работы насоса, но ускоряли, за счёт увеличения частоты вращения насоса (подачи), разогрев рабочей жидкости.
По данным, приведенным в работе [1], безкавитационный режим работы аксиально-поршневых насосов при критической температуре продавливания (-10 °С, 2000 сСт) может быть обеспечен подачей насоса, соответствующей частоте его вращения около 600700 об./мин (10-11,6 об./с).
Завершением этапа является достижение рабочей жидкостью температуры, обеспечивающей возможность длительной работы насоса (+5 °С, 500 сСт). При этом должно быть обеспечено необходимое давление во всасывающей магистрали насоса, которое определяется зависимостью (1).
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
297
В работе [1] приведены графики зависимости поправочного коэффициента b местных потерь от числа Рейнольдса Re b = f (Re) при
ламинарном режиме течения рабочей жидкости, который имеет место при температурной подготовке.
Аппроксимируем приведенную в работе графическую зависимость аналитической зависимостью вида
ь =------1------. (6)
^i + bi •(Re)C1
Представив число Рейнольдса в развернутом виде, получаем
b =
a + bi •
^ d • n • q0 ) 1
(7)
где ax = 6,9921 •104, bi = 9,6474•104,
Ci = 1,085897 - постоянные коэффициенты формулы.
Подставив зависимость (7) в формулу (2), получим
P = Po +Y*h -
Г( n -q0 -10~6)2 2 • g • f2
(8)
1 + -
a.+ v() 1 a, + b,-[V1
75 • L-v-10-6-y n • q0-10-6 d 2 • 2 • g • f '
5-25 5® ; ^30 5® ; 7-35 2® ; 8-40 2® c c c c
Рис. 3. Зависимость давления на входе в насос от вязкости рабочей жидкости для разных частот вращения вала насоса
Используя графические зависимости, приведенные в работе [1], аппроксимируем функции T = f (v) зависимостью вида
T = а2 • (V-b2)C2, (9)
где а2 = 374,787, b2 = -244,545,
C2 =-0,04608 - коэффициенты формулы;
T - температура рабочей жидкости, К.
Используя зависимости (8) и (9), находим функцию n = f (T), аппроксимируя её зависимостью следующего вида
n = а3 + b3 • T + C3 • T2, (10)
Используя полученную формулу (8), строим кривые изменения давления во всасывающей полости насоса в зависимости от вязкости (температуры) рабочей жидкости для частот вращения, изменяющихся в диапазоне от 5об./с (прямая 1) до 40 об./с (прямая 8, рис. 3).
где а3 = 10438,473 , b3 = -79,91246 ,
C3 = 0,153087 - коэффициенты формулы.
Получение зависимости времени нагрева рабочей жидкости от параметров гидропривода
Используя графики на рисунке и формулу (8), определяем значения вязкости, обеспечивающие допустимое давление на входе насоса для всех частот его вращения в рассматриваемом диапазоне (8 •Ю4 Па, прямая А, рис. 3).
Количество тепла, выделяемое в гидроприводе в единицу времени, соответствует потерянной мощности и может быть определено по формуле
Q = (1 -лЖн, (11)
298
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
где л - общий КПД гидропривода; NH - После подстановки принятых обозначений в мощность привода насоса, Вт. формулу (10) последняя приобретает вид
При расчете общий КПД может быть выбран в пределах 0,7-0,8. Мощность насоса вычисляют по формуле
NH = QH ■ PH, (12)
где Qh - подача насоса, м3/с; PH - давление насоса, Па.
Мощность потерь создаёт энергию потерь, которая идет на нагрев рабочей жидкости и рассеивается в окружающую среду
Л = А + Ap, (13)
Аз ■ п ■ d% = C3 ■ dT + D3 ■ (Тж — T0) ■ d%. (16)
После разделения переменных получаем следующее выражение
d т =
С3
А ■ n — D„ ■ + D„ ■ Т
■ dT.
(17)
Введем дополнительные обозначения
Kз = Аз ■ сз;
Q3 = Аз ■ аз+D ■ Т0;
рз = Аз ■ ьз— D;
M „ =
V
а
K „
P:
4 ■ K
2 •
где Ап - энергия потерь в гидроприводе; At -энергия потерь на нагрев гидропривода; Ар -
энергия потерь, рассеиваемая в окружающую среду.
С учётом дополнительных обозначений получаем следующую формулу для определения времени температурной подготовки гидропривода в зависимости от основных его параметров
Время нагрева рабочей жидкости находим из уравнения теплового баланса
п ■ 40 ■f1 -Лоб )■ Р ■d т =
= m ■ c ■ dT + к ■ F ■ (Т — Т) ■ dт,
ГП ГП ГП ■Los ’
где т - время разогрева гидропривода, с; р -давление системы, Па; Т - температура рабочей жидкости, К; m - приведенная масса гидрооборудования и рабочей жидкости, кг; c - средняя удельная теплоемкость гидрооборудования и рабочей жидкости, ;
кг ■ К
Вт
к - коэффициент теплопередачи, —------;
м2 ■К
F - площадь теплоотдающих поверхностей, м2; Т0 - температура окружающей среды, К.
m = што + трж, (15)
где тго - масса гидропривода; трж - масса рабочей жидкости.
1 ± Ж
=-f
Y J
С
K t»(t.+2K )2+м,2
dT
С„
Kз M з
• arctg
ґ р \
Т +— ж 2- K
м„
с„
K3 M з
• arctg
Ґ P Л
т0 +-р-
2. К3
M „
(18)
Введём следующие обозначения:
Аз = 40 -(1—Лоб )■ р; сз = тгП ^гп;
D = кШ ^гп .
Рис. 4. Время температурной подготовки рабочей жидкости при постоянном давлении во всасывающей магистрали насоса и переменной подаче
Вестник ХНАДУ, вып. 65-66, 2014
299
На основе зависимости (18) определяется время разогрева рабочей жидкости от температуры продавливания (263 К) до температуры, обеспечивающей возможность длительной работы гидропривода (278 К), а также время, необходимое для достижения любого промежуточного значения температур в этом интервале.
Выводы
Получена аналитическая зависимость, связывающая время разогрева рабочей жидкости с основными параметрами гидропривода, при условии обеспечения постоянного давления на входе насоса на всём протяжении разогрева.
Осуществление разогрева рабочей жидкости с постоянным допустимым давлением на входе насоса, достигаемого за счёт увеличения подачи по мере разогрева рабочей жидкости, позволяет сократить время температурной подготовки гидропривода к работе на 40-60 % и, соответственно, сократить энергозатраты этого процесса.
Степень влияния основных параметров гидропривода на время его разогрева при постоянной подаче убывает в следующей последовательности: общий КПД, давление, массы рабочей жидкости и гидрооборудования, коэффициенты теплопередачи и площадь теплоотдачи.
Литература
1. Башта Т.М. Машиностроительная гидравлика: справочное пособие / Т.М. Башта. - М.: Машиностроение, 1971. - 672 с.
2. Васильченко В.А. Теплообменники для
гидравлических систем мобильных машин / В.А. Васильченко // Строительные и дорожные машины. - 2006. - № 10. -С .27-29.
3. Каверзин С.В. Гидравлические баки само-
ходных машин (проектирование, расчёт, эксплуатация) / С.В. Каверзин, А.С. Ка-верзина, С.В. Подсосов; под ред. Кавер-зина С.В. - Красноярск: ИПЦ КГТУ, 2001. - 75 с.
4. Каверзин С.В. Стабилизация температуры
рабочей жидкости гидроприводов строительных машин / С.В. Каверзин, А.С. Каверзина, С.В. Подсосов. - Красноярск: Изд-во Красноярского ун-та, 2001. - 252 с.
5. Пімонов І.Г. Обґрунтування технічних рі-
шень з енергозбереження в гідроприво-дах БДМ їх температурним режимом / І.Г. Пімонов // Проблеми розвитку дорожньо-транспортного і будівельного комплексів: збірник статей і доповідей. Міжнар. науково-практичної конференції (03-05 жовтня 2013 р.). - Кіровоград, 2013. - С. 104-106.
6 Пімонов Г.Г. Система регулювання температури робочої рідини гідроприводу / Г.Г. Пімонов, І.Г. Пімонов // Проблеми розвитку дорожньо-транспортного і будівельного комплексів: збірник статей і доповідей Міжнар. науково-практичної конференції (03-05 жовтня 2013 р.). -Кіровоград, 2013. - С. 258-261.
Рецензент: Е.С. Венцель, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 14 апреля 2014 г.
