CC BY
38
УДК 62-82 Е.А. Мандраков
ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРЫ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ БЕЗ УЧЕТА СЖИМАЕМОСТИ НА ДИНАМИКУ ГИДРОПРИВОДА ЛЕСОПОГРУЗЧИКА
В статье рассматриваются вопросы о влиянии температуры рабочей жидкости на динамику гидропривода подъема стрелы с грузом и поворотного основания. По результатам математических расчетов автора, наибольшее влияние температуры рабочей жидкости проявляется в начальный период движения стрелы. Влияние температуры рабочей жидкости на движение поворотного основания сказывается в меньшей степени, что обусловлено наличием большого местного сопротивления в виде дросселя.
Ключевые слова: гидравлический привод, динамические нагрузки, вязкость, рабочая жидкость, лесопогрузчик.
E.A. Mandrakov
THE INFLUENCE OF THE WORKING LIQUID TEMPERATURE WITHOUT TAKING INTO ACCOUNT THE COMPRESSIBILITY ON THE LOGGER HYDRAULIC DRIVE DYNAMICS
The issues on the influence of the working liquid temperature on the dynamics of the hydraulic drive of the boom raising with the load and swivel base are considered in the article. According to the results of the author's mathematical calculations, the greatest influence of the working liquid temperature is revealed in the initial period of the boom raising. The working liquid temperature influence on the movement of the rotary base is revealed in the lesser extent, due to the large local resistance in the form of a throttle.
Key words: hydraulic drive, dynamic load, viscosity, working liquid, logger.
Введение. Динамике гидропривода лесопогрузчика посвящен ряд исследовательских работ [1-3]. В статье [1] описана кинематическая схема навесного оборудования, приведено уравнение закона сохранения энергии с учетом энергии внутренних сил и намечены пути по составлению математической модели. В работах [2, 3] рассматривается начальный этап движения стрелы при неподвижном основании и не рассматривается движение стрелы совместно с поворотным основанием. В работе [2] дано определение зависимости приведенных сил механизма подъема стрелы погрузчика к штоку гидроцилиндра от величины его хода, а в статье [3] предложена математическая модель гидропривода подъема стрелы, но она не учитывает изменения приведенной массы при движении навесного технологического оборудования.
Вязкость жидкости, под которой понимается ее сопротивление деформации сдвига, является наиболее важной характеристикой для расчета и проектирования объемного гидравлического оборудования.
Наиболее важным фактором, оказывающим влияние на вязкость, является температура. Зависимость вязкости от температуры различна для разных по составу рабочих жидкостей. Обычно с повышением температуры вязкость жидкостей уменьшается.
Вязкость рабочей жидкости оказывает непосредственное влияние на рабочие процессы и явления, происходящие как в отдельных элементах гидрооборудования, так и во всей гидросистеме. При чрезмерно высокой вязкости нарушается сплошность потока, происходит незаполнение рабочих камер насоса, возникает явление кавитации, снижаются подача и ресурс насоса [4].
Цели исследований. Изучение влияния температуры рабочей жидкости на динамику гидропривода лесопогрузчика.
Задачи исследований. Разработка математической модели гидропривода лесопогрузчика; реализация указанной модели на ЭВМ; проведение систематических расчетов; анализ результатов.
Материалы и методы исследований. Описание физической модели. При подъеме груза из положения набора в положение разгрузки на первой половине траектории движения груза вращающий момент относительно шарнира А (основания) гидроцилиндров подъема стрелы больше суммарного момента сил тяжести, приложенных к стреле и челюсти с грузом, а вращающий момент относительно шарнира D (рамы, закрепленной на базовой машине) гидроцилиндров поворота основания со стрелой меньше суммарного момента сил тяжести, приложенных к поворотному основанию, стреле и челюсти с грузом. Поэтому сначала происходит поворот стрелы относительно точки Д а затем поворот основания вместе со стрелой относи-
тельно точки D. Это позволяет рассматривать навесное оборудование как механизм с одной степенью свободы. Расчетная схема приведена на рис. 1.
Гидроцилиндры стрелы и основания имеют общие нагнетающую и сливную магистрали и разные направления действия.
Рис. 1. Расчетная схема стрелы и поворотного основания челюстного лесопогрузчика перекидного типа ЛТ-18: (рст , сросн - угол поворота соответственно стрелы и основания; сост , о)осн - угловая скорость стрелы и основания; А, Б - шарнир, относительно которого происходит поворот соответственно стрелы и основания; Пгц, Г2 гц - усилия, развиваемые соответственно гидроцилиндрами
стрелы
и основания; , Б2, Б3 - центр масс соответственно стрелы, груза и поворотного основания;
^ , G2, G3 - вес соответственно стрелы, груза и поворотного основания
Закон движения механизма машинного агрегата формируется под действием сил, приложенных к его звеньям. При рассмотрении лесопогрузчика учтены силы тяжести звеньев, силы давления и силы трения в гидроцилиндрах.
Выполнив приведение сил и масс, механизм с одной степенью свободы можно заменить его динамической моделью. Эта модель имеет переменный приведенный момент инерции Л^ и к ней приложен сум-
марный приведенный момент М2Р. Закон движения модели такой же, как и закон движения начального звена механизма [5].
При подъеме стрелы за начальное звено принимаем стрелу. При повороте основания за начальное звено принимаем поворотное основание, при этом стрела неподвижна относительно основания и движется вместе с ним как одно целое.
Уравнения движения в дифференциальной форме для двух участков траектории запишем в виде:
—а 1 —ЛТ'ст' . ^ . ст .-ст_ +--2-= м £ ■ст
— 2 —(ст. Ст
1 Л Л ТпР ■ осн ■ Лгг^.оа^ + ^ о^-^ = мпР
2 — 2 °с". 2
(1)
где ЛПр.ст., Л%.осн. - суммарный приведенный момент инерции соответственно к стреле и основанию; сост , а(сн - угловая скорость соответственно стрелы и основания; (рст , (осн - угол поворота соответственно
стрелы и основания; МП.ст., М'Пр.осн. - суммарный приведенный момент соответственно относительно шарнира А и шарнира й.
Математическая модель. При составлении математической модели навесное оборудование рассматривается как плоский механизм. Поскольку большинство трубопроводов обладает большой жесткостью, их упругость не учитывается.
Математическую модель с учетом перечисленных выше допущений можно записать в виде:
МГЦ.ст. (Т, (ст. ,С ст. ) - МО. ст. (( ст. ) = Jпр.ст. (( ст. ) ' —^Т + С~ '
М 2 а(с.
О0 Оу.ст. Ок.ст. О1ст. ((* ст., С ст. ) 0
О2 (( ,с )-О = о
*~'2ст.хг ст.? ст. / л^сл.ст.
(2)
МГЦ.осн. (Т, (осн. , Сосн. ) - МО. осн. ((осн. ) = Л пр.осн. ((осн. ) • —С°сН. + ' Л ПР'ос"'
— 2 —(осн.
О0 - Оу. осн. - Ок. осн. - О1осн. ((осн, с осн.) = 0 ,
О2 (( с )-О = о
л^2осн. \г осн.' осн. / ¿^сл.осн.
где Т - температура рабочей жидкости; (ст , (осн - угол поворота соответственно стрелы и основания; сост , сожн - угловая скорость соответственно стрелы и основания; МГЦст (Т\(ст ,аст ), МГЦосн (Т,(осн ,сосн ) - момент, развиваемый гидроцилиндрами соответственно стрелы и основания; МО ст ((ст ), МО осн ((осн ) - момент внешних сил относительно точки поворота соответственно стрелы и основания; Лпр ст ((ст ), Лпр осн ((осн ) - приведенный момент инерции соответственно к стреле и основанию; О0 - подача насоса; Оу ст , Оу осн - расход, вызванный утечками рабочей жидкости соответственно при движении стрелы и основания; Ок ст , Ок осн - расход жидкости через предохранительный клапан соответственно при движении стрелы и основания; Ох™.((ст.Сст.), О1осн.((осн.,сосн.) - расход жидкости, поступающий соответственно в поршневые полости гидроцилиндров стрелы и штоковые основания; О2ст.((ст Сст.), О2осн ((осн.,сосн.) - расход жидкости, вытесняемой соответственно из штоковых полостей гидроцилиндров стрелы и поршневых полостей гидроцилиндров основания; Осл ст , Осл осн - расход жидкости в сливных трубопроводах соответственно гидроцилиндров стрелы и основания.
Зависимости момента от температуры рабочей жидкости, угла поворота и угловой скорости соответственно гидроцилиндров стрелы и гидроцилиндров поворотного основания запишем в виде [6]:
МГЦ.ст. (Т, (ст. ст. ) = РГЦ.ст. (Т Vст. ст. ) ' АВ "
АС
ВС ( .)
(( .+о-8);
МГЦ. „с. (Т, (осп., ®осп. ) = РГЦ.осп. (Т V
,аг
осп. 5 осп
)• БЫ •■
(фосп.)
(п-Фосп.).
Зависимость усилия от температуры рабочей жидкости, угла поворота и угловой скорости, развиваемого соответственно гидроцилиндрами стрелы и гидроцилиндрами поворотного основания, найдем по формулам:
(
РГЦ.ст. (т, фст., ® ст. )
г • 5
1ст.
■ л
Р
Гр -
н.тах к
л
е,
V ¡¿о у у
• Qlст.(Vст., ст. ст. ((ст., ст. ^ 00 ) +
+
ГГ Л
Рк • ^ V
0таХ ^ ^ ^ ^^ • (йст . ((ст , ^ст . ) > 00 ) "" ^е.ст . (Т, ( ., ^ст . ) - АРп.т Т, (ст , ^ст . ) -
бтах
- г1 • ^2ст. • АРс.ст. (Т, (ст., ®ст. )
тах ^о уу
Л
— г • Р
1 1тр.ст.
РГЦ.осн.(Т ,Фосп.,®осп) =
ГГ
г2 • 51осн.
Р,
г м р - р
п.тах к
00
VV
• 01 осп. ((осп.,® осп.)
/у
•(б1 осп .(осп ®осп .)< 00 ) +
Г Г
Рк
V V
0тах ^.-(...О ^^•(01осп.(фосп.,®Осп.)> 00 )-АРе.осп.(Т, (осп., ® осп. )" АРп.осп. (Т ,(осп,0--^тах -^0 у у
- г,
52осп. (Арс.осп. (Т' (осп.' ^ осп. ) осп. (фосп.' ® осп. ))
- г • Р
2 2тр.осп.
Определим зависимость путевых и местных потерь давления от температуры рабочей жидкости, угла поворота и угловой скорости соответственно во всасывающей, напорной и сливной гидролинии гидроцилиндра стрелы:
Ап (Т (О а ) = 75 • ЧТ ) Р •(1е.ст. + ^ е. эке. ст. ) ^ Г 01ст.(фст.. «с^ 1 ^ (е (( ^ ) < е )
г е.ст.\ утст.у ст.) — »2 о \-^1ст. \гст.' ст./ £~<кр.е.ст.)
2 • йе.ст. V 5е.ст. у
03164 • ЧТ)°' 25 • Р • (1е.ст. + 1е.же. осп. ) Г 01ст. (( ст., Юст. Л^ 75 ( ^ ) > 0 )
\г^1ст. \т ст. ст. ) г^кр.е.ст. /
+
+
2 • й 1
1, 25 е. ст.
S.
е. ст. у
Л« (Т ( гл ) 75 -у(Т )^Р^(1и.ст. + К.эке.ст) (01ст. ((ст., ® ст. )1 ^ (( ^ ) +
АР„. ст . (Т , (ст ., ®ст. ) = -—2---^- I ^ ^т. (™., ®ст . ) < 0кр . п. ст. ] +
2 • й п.ст. V ^ « ст. у
+
0,3164 •У(Т)0,25 • Р • ^ н.ст. + ^ п.эке.ст. ) Г 01ст. ((ст., ®ст. ^ (0 (( „ )> 0 )
\-^1ст. ст^ ст. ' ¿--кр.п.ст /
2 • й 1
5
м.ст. у
+
ар с. ст.(т
+
)= 75 -у(Т) • Р • (с.ст. + К.экв.см) {О2ст. ((ст., С ст. Л О ( )< О )
ст. V ' т сш.^ ст. ' о Л2 о \^2ст.\т ст.? ст. ' — кр.с.ст. '
2 • а с.ст. V 5 с.ст. )
0,3164 •У(Т)°25 •р\К.Сш+ 1 с.экв.ст. ) С О2сш.((сш.,Ссш)Т5 .(О (( с )> О )
\*--2СШ.\Г СШ.> СШ. ' л^-кр.с.ст '
+
2 • а 1
s„
Определим зависимость путевых и местных потерь давления от температуры рабочей жидкости, угла поворота и угловой скорости соответственно во всасывающей, напорной и сливной гидролинии гидроцилиндра поворотного основания:
Ар (Т( с ) = 75-у(Т)р( 1 Т.+ 1 в.экв.осн.) /О1оЛ(ос,,СосН)\(п (( с )< О ) +
1 в.оснЛ ' Тосн., осн./ - т2 о у^ХоснЛ' осн., осн./ У^кр.в.осн./
2 •ав.осн. V 5в.осн. )
+
0,3164 • У'25 • Р • (1восн. + ¡в.экв.осн. ) \ О1осн {(осн с осн )
>1,75
2^ а
1,25 в осн
5
^°1осн. (((осн., Сосн. ) > Окр.в.осн. )
в.осн. )
Ар (Т ( (О )= 75 ' у(Т Р'( н.осн. + 1н.экв.осн) С О1осн.((осн.,®осн. Л (О (( с )< О ) +
-Гн.оснЛ ' тосн. ' осн. ' ^ 12 Г» \*--1осн.\тосн.> осн. ' — ^кр.н.осн. '
н.осн. V н.осн. )
+
0,3164 • у(Т Г5 •Р^/. н,0Сн.+ 1н.эк,осн.) Г Охосн((
/и5 н осн
,с )
осн осн
V,75
^°1осн. ((осн., С осн. ) > Окр. н. осн. )
н.осн. у
Ар (Т ( с )= 75 ' у(Т )р(1с.осн+1с.экв.осн.) Г О2осн.((осн.,Сосн)] (О (( с )< О ) +
Ус.оснЛ ' тосн., осн./ п. т2 о \&2осн.\тосн., осн./ кр.с.осн.'
н.осн. V н.осн. )
+
0,3164 ^ )°'25 • р • (/с.осн. + К.эквосн. ) ( О2осн.((осн.,Сосн)Л1'75
2^
с.осн.
5
(°2осн. (((осн., Сосн. ) > Окр.с.осн. )
с.осн.
Зависимость потери давления от угла поворота и угловой скорости на дросселе гидроцилиндра поворотного основания найдем по формуле:
АРдр.осн.((осн.,Сосн) =
^с. др • р Г О2осн {(осн .,сосн Л
5
с.осн. )
Для расчета в программе MathCAD систему уравнений (2) представим в форме Коши:
—(см. с
- = с
Ж сШ
— Лпр.ст. ((ст. )
МГЦ.ст. (Т, (ст. ,Сст. )- МО. ст. ((ст. ) -
с
ст. пр.ст
2
ст. )
—(он с
- = с
—г осн
—■с,..,
— Лпр.осн{(осн)
Г 2 —Л
МГЦ.он (Т, (жн. , сжн ) - Мо. осн . ((осн ) - Сосн . пР . осн .
2 —(
Т I
осн. )
(3)
2
2
2
1
Результаты исследований и их обсуждение. На рисунке 2, а, б приведены результаты расчета движения стрелы и поворотного основания (в, г) для разных температур рабочей жидкости без учета сжимаемости. Здесь же показаны зависимость изменения угла подъема стрелы от времени для разных температур рабочей жидкости (а) и зависимость изменения угла поворота основания от времени для разных температур рабочей жидкости (в).
Из рисунка 2, а видно, что понижение температуры рабочей жидкости приводит к увеличению времени подъема стрелы, при этом при изменении температуры рабочей жидкости от 25 до 20°С время подъема стрелы увеличивается на примерно на 1 %, а при изменении температуры рабочей жидкости от 20 до 15°С время подъема стрелы увеличивается на 9-10 %.
Из рисунка 2, в видно, что понижение температуры рабочей жидкости приводит также к увеличению времени движения поворотного основания, при этом при изменении температуры рабочей жидкости от 25 до 20°С время движения поворотного основания увеличивается на примерно на 0,5 %, а при изменении температуры рабочей жидкости от 20 до 15°С время движения поворотного основания увеличивается на 4-5 %.
Зависимость изменения угловой скорости вращения стрелы от времени для разных температур рабочей жидкости приведена на рис. 2, в, а зависимость изменения угловой скорости вращения поворотного основания от времени для разных температур рабочей жидкости на рис. 2, г.
, рад
(о
., рад
Ц5
0.5
-<Ц5
**
г
£ У'
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 10 12 14 16 18 20 22 24 26 2« 30 32 34
I С
I С
0.25
0:2
0.15
0.1
0.05
V*»4
/
4 *
* * . Г.»
1* С у
02
0.15
0.1
0.05
* * * Г
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 10 12 14 16 18 20 22 24 26 28 30 32 34
I с I с
б
г
Рис. 2.. Влияние температуры рабочей жидкости на время изменения угла подъема (а) и угловой скорости (б) стрелы, а также на время изменения угла поворота (в) и угловой скорости (г) основания:
Т=15 °С (у=325-Шв мУс); .......- 7=20 °С {м=22Ь' 106 мУс);
..... _ 7=25 ос (у= -¡60-106 мУс)
а
в
С
С
Из рисунка 2, б видно, что угловая скорость вращения стрелы в начале движения достигает локального максимума, затем происходит плавное незначительное уменьшение до локального минимума, после которого происходит дальнейшее плавное увеличение до конца подъема стрелы. С понижением температуры рабочей жидкости величина локального максимума уменьшается, а время достижения этого максимума увеличивается.
На рисунке 2, г показано, что угловая скорость вращения поворотного основания в начале движения резко увеличивается, далее плавно возрастает до максимального значения в конце поворота основания. Понижение температуры рабочей жидкости не оказывает большого влияния на величину угловой скорости поворотного основания.
Заключение. Результаты расчетов показывают, что наибольшее влияние температуры рабочей жидкости проявляется в начальный период движения стрелы. Влияние температуры рабочей жидкости на движение поворотного основания сказывается в меньшей степени, что обусловлено наличием большого местного сопротивления в виде дросселя.
Литература
1. Кондрашов П.М., Мельников В.Г. Нетрадиционный метод автоматизации поочерёдного включения исполнительных механизмов // Вестн. Краснояр. гос. техн. ун-та. - 2000. - № 18. - С. 16-20.
2. Щеглов Е.М. Снижение динамических нагрузок в гидроприводе лесопогрузчика: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Красноярск, 2001. - 24 с.
3. Абрамов В.В. Повышение работоспособности гидрофицированных самоходных машин дегазацией рабочей жидкости: автореф. дис. ... канд. техн. наук. - Красноярск, 2000. - 23 с.
4. Васильченко В.А. Гидравлическое оборудование мобильных машин: справочник. - М.: Машиностроение, 1983. - 301 с.
5. Теория механизмов и механика машин: учеб. для втузов/ К.В. Фролов, С.А. Попов, А.К. Мусатов [и др.]; под ред. К.В. Фролова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Высш. шк., 1998. - 496 с.
6. Мандраков Е.А., Никитин А.А. Динамика гидросистем: монография. - М.: ИНФРА-М; Красноярск: СФУ, 2014. - 128 с.
УДК 629.114.2 Н.И. Селиванов, И.А. Селиванов, Э.Г. Шрайнер
ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ПОТРЕБНОСТЬ В ВЫСОКОМОЩНЫХ КОЛЕСНЫХ ТРАКТОРАХ
Обоснованы рациональные интервалы показателей технологичности колёсных 4К4б тракторов для операционных технологий основной обработки почвы. Определена технологическая потребность и показана фактическая обеспеченность высокомощными тракторами АПК Красноярского края.
Ключевые слова: высокомощные тракторы, показатели технологичности, нормативы потребности, фактический состав парка.
N.I. Selivanov, I.A. Selivanov, E.G. Shreiner THE TECHNOLOGICAL NEED IN THE POWERFUL WHEELED TRACTORS
The rational intervals of the manufacturabilityindicators of 4K4b wheeled tractors for the operationaltechnolo-gies of the main soil processing are substantiated. The technological need is determined and the actual provision of the Krasnoyarsk Territory AIC with powerful tractors is shown.
Key words: powerful tractors, manufacturability indicators, need standards, parkactual composition.
Введение. Меньшие затраты мощности и топлива при наивысшей производительности с конечной оценкой себестоимости продукции являются главными критериями технического обеспечения операционных технологий обработки почвы. Поэтому внедрение ресурсосберегающих технологий почвообработки в АПК Восточной Сибири ориентировано на использование широкозахватных почвообрабатывающих и посевных комплексов с высокомощными (свыше 205 кВт (280 л.с.)) отечественными и зарубежными тракторами колесной формулы 4К4б, которые относят к 6-8 тяговым классам по ГОСТ 27021-86 и IV категории по стандарту
