Научная статья на тему 'Увеличение ресурса работы первичного двигателя строительных и дорожных машин со стреловым рабочим оборудованием'

Увеличение ресурса работы первичного двигателя строительных и дорожных машин со стреловым рабочим оборудованием Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
171
98
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
гидропривод / мощность / двигатель / ресурс / строительные и дорожные машины
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

The problem of maintaining prime-mover"s work in constant capacity mode in order to increase the engine resource life and use fuel energy in full has been considered.

Текст научной работы на тему «Увеличение ресурса работы первичного двигателя строительных и дорожных машин со стреловым рабочим оборудованием»

УДК 621.225:69.002.51

УВЕЛИЧЕНИЕ РЕСУРСА РАБОТЫ ПЕРВИЧНОГО ДВИГАТЕЛЯ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН СО СТРЕЛОВЫМ РАБОЧИМ ОБОРУДОВАНИЕМ

А.П. Холодов, инженер, Н.П. Ремарчук, доцент, к.т.н., ХНАДУ, А.И. Власов, инженер, НПП «Газтехника»

Аннотация. Рассматривается проблема поддержания первичного двигателя в режиме постоянной мощности, что увеличивает ресурс его работы.

Ключевые слова: гидропривод, мощность, двигатель, ресурс, строительные и дорожные машины.

Введение

Режим работы двигателя определяется внешней нагрузкой, частотой вращения и тепловым состоянием Известно, что для продления срока службы двигателя необходимо использовать его в режиме без перегрузок и их резких перепадов [1]. Так же известно, что для различных механизмов, например при опускании стрелового механизма, погрузке или при уменьшении скорости движения гидрофицированых мобильных машин, мощность, затрачиваемая на эти процессы, используется не эффективно, в основном превращаясь в тепловую энергию [2]. Во избежание подобных случаев предлагается использовать процесс рекуперации энергии.

Анализ публикаций

Известно, что работа двигателей строительно-дорожных машин в режиме холостого хода, что сопровождается частыми переключения ми режимов работы и нерациональным Расходом мощности, составляет 25-40 % [3]. По результатам исследований экскаваторов выявлено, что при работе обратной лопатой полезное использование энергии составляет примерно 51 %: на подъем стрелы 14,7 % поворот рукояти 17,3 % поворот ковша 15,8 % и поворот платформы 3,2 %. Одной из наиболее рациональных энергосберегающих гидросистем является установка на валу первичного двигателя гидронасоса для подкрутки дополнительного гидромотора, который кинематически связан с маховиком и двумя до-

полнительными насосами-гидромоторами для преобразования энергии попутных нагрузок [4].

При эксплуатации гидравлических экскаваторов существует несколько видов энергетических потерь. Около 25 % энергозатрат цикла составляют потери, связанные с подъемом элементов рабочего оборудования (без грунта), которые при опускании идут на нагрев рабочей жидкости. Сокращение этих потерь может быть достигнуто локальной рекуперацией энергии опускания оборудования. На рис. 1 приведены различные схемные решения гидропривода с рекуперацией энергии опускания оборудования, применяемые на отечественных и зарубежных, например фирмы Komatsu, экскаваторах [2, 5]. Для привода траншейных, роторных и каналостроительных экскаваторов в силу общности их рабочего процесса мощность можно представить выражением [6]

N-N0=U К0,

где N - мощность силовой установки; -суммарная мощность холостого хода, вспомогательных механизмов и процессов; П -производительность: К{] — Y.KI - суммарная удельная энергоемкость потребителей; здесь /-тип потребителя: привод передвижения

(Кпр), приводы конвейера (), шнека ()

и ротора (# ).

Рис. 1. Схемы стрелоподъемного механизма гидропривода с рекуперацией энергии опускания оборудования: а - Россия, б -фирма Komatsu со вспомогательным стрелоподъемным цилиндром

Для экскаваторов 3-й размерной группы разработана топливосберегающая система автоматического управления двигателем (САУД), предназначенная для уменьшения подачи топлива при переходе гидропривода на режим холостого хода и увеличения ее в момент включения любого из механизмов машины. САУД позволяет экономить топливо в период кратковременных технологических перерывов в работе экскаватора, когда машинист не снижает частоту вращения вала двигателя, например, при подаче транспорта под погрузку, при ручной загрузке ковша строительным мусором.

Эксплуатационные испытания трех экскаваторов ЭО-3322Д оснащенных САУД , в течении года показали, что средняя экономия топлива на различных видах работ составила 10-12 %.Применение САУД на каждом экскаваторе дает экономию до 2,5 т дизельного топлива в год [7].

Цель и постановка задачи

Целью работы является повышение ресурса работы первичного двигателя строительных и дорожных машин. Задачами исследования являются разработка принципиальной схемы привода механизма копания с приводом, а также ее математическое описание.

Решение задачи

При копании экскаватора возможны три режима нагружения его силовой установки, приводимой двигателем внутреннего сгорания (ДВС): - мощность, развиваемая ДВС Ждвс равна мощности, затрачиваемой на

копание грунта 7VKon, то есть Nmc = NKon ; -

мощность ДВС больше мощности затрачиваемой на копание грунта и для поддержания режима постоянной мощности ДВС часть энергии идет на зарядку гидропневмоакку-

муляторов Nmc = NKon + iVraA ; - мощность ДВС - меньше мощности затрачиваемой на копание грунта, то есть (N^c < NKon) и для

поддержания режима постоянной мощности ДВС и недостающая часть мощности используется из ГПА N'Tпд = Nmc + NKon,

-^двс = C0nst , Л^коп > -^двс •

Упрощенная схема системы, обеспечивающая работу двигателя в постоянном режиме, представлена на рис. 2.

Рис. 2. Упрощенная схема привода механизма (подъема) копания с приводным двигателем внутреннего сгорания

На рис. 2 представлены: 1-ДВС; 2 - насос; 3 -рабочий гидроцилиндр; 4 - рабочее оборудование; 5 - блок гидропневмоаккумуляторов; 6 - электрогидроклапан; 7 - распределитель с электромагнитным управлением; 8 -датчик давления в рабочем гидроцилиндре; 9

- датчик мощности, развиваемой гидропневмоаккумулятором (ГПА); 10 - блок сравнения сигналов; 11 - блок логики, управляющий мощностью ДВС; 12 - датчик,

измеряющий момент ДВС; 13 - датчик измеряющий угловую скорость ДВС; 14 - расходомер.

Схема работает следующим образом. Оператор задает какое-то значение мощности ДВС. Перед началом копания происходит зарядка блока гидропневмоаккумуляторов. При копании грунта, когда мощность ДВС равна мощности нагрузки (Ад,,,. = А:,КО||) гидравлический насос 2 подает жидкость под давлением через распределитель 7 и датчик давления 8 в напорной магистрали гидропривода к рабочему цилиндру 3 происходит процесс копания грунта. В случае когда мощность затрачиваемая на копание грунта больше мощности производимой ДВС, в блоке

управления ДВС происходит сравнивание сигналов, поступающих с датчиков момента ДВС 12 и угловой скорости ДВС 13 датчиков давления нагрузки 8. электронная схема на базе «логики» дает команду на открытие пропорциональных электрогидроклапанов 6 соединяющих блок ГПА с напорной магистралью рабочего гидроцилиндра 3. При этом величина мощности, которую развивает ГПА, измеряется при помощи датчика давления ГПА 9 путем преобразования его сигнала в блоке суммирования сигналов. При этом в приводе соблюдается равенство

N =N

JvflBC ГПА

-N

В) ^ДВС + ^ГПА — N.

нагр '

Уравнения движения масс для ДВС, расчетная схема которого приведена на рис. 3, а [8], имеет вид

а б

Рис. 3. Расчетная схема двигателя и насоса

d(£)T

^ДВС-^упр^ДВС-^

dt

ПричемNKon > Ад,,,., NRBC = const. После

окончания процесса копания оператор переключает распределитель 7 на перемещение штока рабочего гидроцилиндра в обратном направлении (идет процесс извлечения ковша из забоя и его разгрузки). При этом скорость перемещения штока рабочего гидроцилиндра будет превышать скорость штока в режиме, когда Ад,,,. = NK0Tl в это время гидропневмоаккумулятор будет отключен от гидропривода. В случае, когда мощность нагрузки будет меньше мощности ДВС, электронный блок сравнивает электрические сигналы с датчиков мощности ДВС 11, гидропривода 8 и дает команду на открытие электрогидроклапанов 6. происходит процесс зарядки гидропневмоаккумуляторов до мощности, величина которой измеряется датчиком мощности ГПА 9. При этом соблюдается равенство А'гпа = А'кпп - А'Д|1С . Гидравлическая схема предложенной системы представлена на рис. 5. Задача автоматического регулирования ДВС сводится к поддержанию ^двс = const при изменении мощности, определяемой внешней нагрузкой N . Этого

можно достичь за счет гидропневмоаккумуляторов и управление мощностью, идущей на зарядку ГПА и наоборот от ГПА в гидропривод. Измеряя мощность в напорной магистрали гидропривода рабочего цилиндра и сравнивая с NдВС = const, автоматическая

система регулирования включает на зарядку или разрядку блок ГПА. При помощи пропорциональных распределителей с электромагнитным управлением:

Расход жидкости для насоса, расчетная схема которого наведена на рис. 3, б [8], составляет

а=унпн-кунРн.

Для гидроцилиндра [8] с массой щ, расчетная схема наведена на рис. 4.

а) N.

ДВС ^нагр 5 б) Л^двс — Л^нагр

- N

1 V г

Рис. 4. Расчетная схема гидроцилиндра с рабочим оборудованием

Рш А ~Рс А2-К-^12~К=т1^1Л ■

Расход жидкости в гидросистеме [8]

бн = V А + ж Е~1 dp|dt+Kypli

где рн , рс - давление в напорной и сливной магистрали гидроцилиндра, МПа; пн - частота вращения вала насоса, мин-1 ;МДВС , М - момент двигателя и момент, приведенный от сил сопротивления,Н-м; Ми-момент идущий на привод насоса; /двс , /н -момент инерции движущихся частей ДВС и насоса, кг м2; К , Ку - коэффициент потерь жидкости в насосе и цилиндре; содвс- угловая скорость вращения коленчатого вала двигателя, с 1: Ун— рабочая камера насоса; Ж - объем жидкости в полости рабочего гидроцилиндра, дм3;

v

Рис. 5. Гидравлическая схема системы: 1 - ДВС; 2 - генератор; 3 - электродвигатель; 4 - насос; 5 - электрогидрораспределитель; 6 - регулируемый дроссель; 7 - рабочий гидроцилиндр; 8 - рабочее оборудование; 9 - гидропневмоаккумулятор; 10 - электрогидрораспределитель; 11 - фильтр; 12 - предохранительный клапан

А, А - площадь безштоковой и штоковой

2 т-'

полости цилиндра, мм ; Fc - сила жесткости, кН; F 12 - сила вязкого трения а также трение в уплотнениях гидроцилиндра и подвижных его сопряжениях кН; щ - приведенная к штоку гидроцилиндра масса поршня и штока с внешней нагрузкой, кг; R - внешняя нагрузка, кН

Выводы

В дальнейшем для практического подтверждения приведенных теоретических утверждений будет проведен эксперимент, в ходе которого будут решены следующие задачи: определить в рабочем цикле строительных машин составляющие нерационального использования мощности первичного двигателя; обеспечить условия работы первичного двигателя в режиме постоянного расхода мощности; разработать гидросистему двухстадийной рекуперации энергии; обосновать выбор объема гидроаккумуляторного блока; обосновать уровень давления в газовой полости гидроаккумулятора; обосновать место расположения гидроаккумуляторного блока на машине; разработать систему автоматического управления процессом аккумулирования энергии и возврата ее в гидросистему.

Литература

1. Хачиян А.С., Морозов К.А., Трусов В.И. и

др. Двигатели внутреннего сгорания: Учебник для вузов. - М.: Высшая школа, 1978. - 280 с.

2. Ремарчук М.П. Дизель-электро-гидравли-

ческое управление рабочим оборудованием мобильных машин //Науковий вю-

ник будiвництва. - 2006. - №36. -С.224-244.

3. Родионов Ю.В. Ресурсосбережение при

эксплуатации СДМ на холостом ходу // Строительные и дорожные машины. -2005. - №10. - С. 32-35.

4. Якушев А.Е. Исследование энергосбере-

гающих систем // Строительные и дорожные машины. - 2003. - №12. - С. 35-38.

5. Башкиров В.А. Параметры аккумулятор-

ной установки системы рекуперации энергии опускания рабочего оборудования экскаватора // Строительные и дорожные машины. - 1989. - №1. - С. 1012.

6. Гарбузов И.Г. Распределение потока мощ-

ности в траншейных роторных и каналостроительных машинах // Строительные и дорожные машины. - 1987. - №8.

- C. 25-26.

7. Грязнов В.Н., Михайлов А.М. Система

автоматического регулирования двигателем экскаватора // Строительные и дорожные машины. - 1986. - №9. - С. 8-9.

8. Крикун В.Я. Выбор стратегии управления

экскаваторами непрерывного действия на основе расчетных энергопотоков // Строительные и дорожные машины. -2003. - №4. - С. 35-41.

9. Малиновский В.А., Зарецкий Л.Б., Бенер-

гард Ю.Г. и др. Расчет и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ. - М.: Машиностроение, - 1980. -324 с.

Рецензент: В.В. Ничке, профессор, д.т.н., ХНАДУ.

Статья поступила в редакцию 6 июня 2007 г.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.