CC BY
107
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.
