CC BY
32
УДК 631. 3-82
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ СИСТЕМ МОБИЛЬНЫХ МАШИН И ОБОРУДОВАНИЯ, РАБОТАЮЩИХ В ТЯЖЁЛЫХ
УСЛОВИЯХ ЭКСПЛУАТАЦИИ
© 2009 г. А.И. Озерский
Ростовский на Дону государственный Rostov-on-Don State
университет путей сообщения Transport University
Выполнен анализ и проведены исследования способов и средств повышения эффективности гидравлических систем мобильных машин и оборудования, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации. Показано, что повышение эффективности гидравлических систем в указанных условиях может быть достигнуто полной изоляцией от внешней среды жидких и газообразных рабочих тел гидросистем указанных машин и оборудования.
Ключевые слова: эффективность гидравлических систем мобильных машин и оборудования; тяжёлые условия эксплуатации; изоляция от внешней среды жидких и газообразных рабочих тел гидравлических систем.
The analysis is executed and the researches of ways and means of increase of efficiency of hydraulic systems of mobile machines and equipment working in heavy conditions of operation. Is shown, that the increase of efficiency of hydraulic systems in the specified conditions can be achieved by complete isolation from external environment liquid and gas of working bodies of hydraulic systems of the specified machines and equipment.
Keywords: efficiency of hydraulic systems of mobile machines and equipment; heavy conditions of operation; ways and means of isolation from external environment liquid and flues of working bodies of hydraulic systems.
Проблемы совершенствования современных мобильных машин и оборудования для транспорта, машиностроительной и горной промышленности, сельского хозяйства, а также для военной техники приводят к необходимости внедрять новые и перспективные технологии их производства, методы и средства их энерго- и ресурсосбережения, повышения сроков хранения, эффективности и надёжности работы в период эксплуатации [1].
В первую очередь это относится к машинам и оборудованию, работающим в тяжёлых условиях их эксплуатации [1 - 3]. Это - горнодобывающие, дорожно-строительные, сельскохозяйственные машины и оборудование, а также военная техника в период боевых действий. Именно для этих машин намечаются тенденции к установке на них робототехнических установок и манипуляционных систем [4]. Наибольшим нагрузкам и износу здесь подвержен силовой гидравлический и пневматический привод, который повсеместно применяется на этих машинах и оборудовании [2, 3].
В настоящей статье сделана попытка обоснования эффективности и целесообразности нового направления в разработке и технологии производства указанных машин и оборудования, работающих в сложных и тяжёлых условиях их эксплуатации, а именно: изоляции их пневмо- и гидросистем от внешней среды [1].
Принципиальная возможность и целесообразность применения изоляции от внешней среды пневмо- и гидросистем, установленных на машинах и оборудовании, работающих в тяжёлых условиях эксплуатации, может быть обоснована имеющимся опытом её эффективного применения на подобных (автономных) системах в космической, ракетной, авиационной, а также подводной техники, работа которых происходит
в режимах автономии при условиях их частичной или полной изоляции от внешней среды. При внедрении методов и средств, обеспечивающих надёжную работу гидро- и пневмосистем в тяжёлых условиях их эксплуатации, можно использовать богатый опыт разработки, технологии производства и эксплуатации указанной техники [5, 6].
Изолированные от внешней среды гидравлические и пневматические системы указанных выше мобильных машин и оборудования предполагается поставлять полностью заправленными рабочими телами от предприятий-изготовителей в комплекте с выпускаемой продукцией. Здесь можно использовать опыт производства и эксплуатации, например, холодильной техники, где используются герметичные заправленные фреоном системы.
Наряду с этим изолированные от внешней среды жидкие и газообразные рабочие тела для гидро- и пневмосистем (а также жидкие и консистентные смазки для систем смазки) указанных выше машин и оборудования предполагается дополнительно поставлять от предприятий-изготовителей в запаянных и абсолютно герметичных ёмкостях. Эти ёмкости устанавливаются на свои рабочие места вместо ранее установленных ёмкостей со старыми (отработавшими) рабочими телами, либо на пунктах технического обслуживания и ремонта техники, либо непосредственно перед их применением в условиях эксплуатации. Здесь также можно использовать опыт, например, пищевой промышленности, где широко применяются герметичные ёмкости: с жидкими пищевыми продуктами, питьевой водой, герметичные упаковки, пакеты и т.п.
Применение изолированных от внешней среды гидравлических систем, а также ёмкостей с рабочими
жидкостями потребует предварительного насыщения этих жидкостей каким-либо химически не активным (в частности, не содержащим кислорода) газом: азотом и др., который под небольшим избыточным давлением будет находиться в свободных от жидкости полостях этих ёмкостей (в газовых «подушках» ёмкостей). Это мероприятие целесообразно выполнять с целью длительного хранения этих жидкостей, а также для создания необходимого избыточного давления в ёмкостях, предохраняющих их от разрушения (потери устойчивости оболочек ёмкостей) атмосферным давлением в случае образования в них вакуума. При недостаточном насыщении рабочих жидкостей газом образование вакуума может наступить вследствие диффузии газа в жидкость, которая происходит при изменении давления в газовой полости, вызванном переменой температуры окружающей среды.
Таким образом, в типовых условиях рабочая жидкость гидропривода после её изготовления и перед заправкой её в герметичные ёмкости для хранения и транспортировки должна быть насыщена химически не активным газом до равновесного состояния, т.е. должна быть газонасыщенной. Объём свободных от жидкости газовых полостей (газовых подушек) указанных ёмкостей должен быть, по возможности, минимальным. Бак с рабочей жидкостью в рассматриваемых гидросистемах должен быть герметичным. При запуске гидросистемы, изолированной от внешней среды, рабочая жидкость из герметичного бака будет поступать в насосы и затем заполнять пустые каналы магистралей элементов и агрегатов такой гидросистемы. При этом вследствие падения свободного уровня жидкости в баке с газонасыщенной жидкостью происходит выделение пузырьков газа, растворённого в жидкости. Таким образом, в каналы магистралей элементов и агрегатов силового объёмного гидравлического привода будет поступать двухфазная газожидкостная среда, а в ёмкости с рабочей жидкостью, изолированной от внешней среды, образуется вакуум.
Появление вакуума может привести к кавитаци-онному срыву работы подкачивающих лопастных насосов, подающих рабочую жидкость на вход в основные объёмные гидравлические насосы привода.
Чтобы в момент запуска указанной гидравлической системы исключить образование вакуума в газовой полости бака для хранения рабочей жидкости необходимо либо достаточно сильно «надуть» эту полость газом перед запуском гидросистемы, либо каким-либо образом компенсировать выработку жидкости из бака так, чтобы уровень её в баке оставался неизменным. Можно применять эти способы совместно. Анализ эффективности этих способов требует проведения исследований для создания устройств, обеспечивающих надёжность работы рассматриваемых гидравлических систем, изолированных от внешней среды, не только при их первоначальном запуске, но также в период их эксплуатации.
Так как для объёмного гидропривода присутствие газовых пузырьков в рабочей жидкости привода является явлением вредным (вызывает просадку, неустой-
чивость работы привода, толчки при работе и т.п.), то необходимы исследования для создания эффективных устройств сепарации пузырьков из газожидкостной среды (рабочей жидкости) привода. Здесь следует использовать опыт авиационной техники, где в подобных случаях широко применяются сепарационные системы [5].
Опыт эксплуатации подобных гидравлических систем в авиационной и ракетной технике показывает, что для надёжной работы исследуемых систем подкачивающие гидронасосы наиболее рационально выполнять лопастными (шнеко-центробежными) со струйными насосами (инжекторами), установленными в магистрали на входе в осевой (шнековый) насос. В этом случае вся система подачи рабочей жидкости приобретает высокие антикавитационные свойства [6].
При анализе эффективности и надёжности работы подобных (изолированных от внешней среды) гидравлических систем возникают задачи, связанные с необходимостью проведения предварительных расчётов и экспериментальных исследований динамики запуска струйных и лопастных насосов при заполнении газожидкостной средой каналов гидравлических магистралей, элементов и агрегатов гидравлических систем.
Круг задач такого типа является частным случаем задач расчёта параметров движения газожидкостных сред с контактными разрывами в каналах гидравлических магистралей, элементов и агрегатов гидравлических систем теплоэнергетических и робототехниче-ских установок, рассмотренных в [7, 8].
С целью проверки достоверности и оценки точности расчетов на ЭВМ динамики исследуемых процессов (на этапе проектирования теплоэнергетических и робототехнических установок, работающих в тяжёлых условиях их эксплуатации) был разработан и создан экспериментальный комплекс, схема которого показана на рис. 1.
На этом комплексе проводились исследования динамики запуска струйных и лопастных насосов при заполнении жидкой и газожидкостной средой каналов гидравлических магистралей, элементов и агрегатов гидравлических систем с изолированными от внешней среды баками для хранения рабочей жидкости.
Эксперименты проводились на ненасыщенной газом технической воде и на технической воде, насыщенной углекислым газом до равновесного состояния, а также - на гелеобразной жидкости.
В состав экспериментального комплекса вошли: модельная установка с изолированным от внешней среды баком для хранения рабочей жидкости (рис. 2); баллоны со сжатым воздухом, углекислым газом, и технической водой; насосная установка для подачи воды в баллоны и в гидравлическую систему; компрессор для подачи сжатого воздуха (с давлением до (100 - 200) -105Па); сатуратор для приготовления
смеси воды с воздухом или углекислым газом; необходимое электрическое, пневматическое и гидравлическое оборудование: запорные краны, электро- и пневмоклапаны и т.п.
Бак с воздухом для наддува
в
_Т__Т
Слив
Рис. 1. Схема экспериментального комплекса
В состав модельной установки входили: основной бак для хранения рабочей жидкости, изолированный от внешней среды, а также дополнительный бак для наддува воздухом воздушной полости основного бака, пневмоклапаны, лопастной и струйный насосы, датчики давления и датчики контроля положения фронта потока, дроссельные шайбы для измерения расхода жидкости и т.п.
полнены из прозрачного органического стекла с целью наблюдения особенностей движения в них фронта жидких, газожидкостных и гелеобразных сред визуально, а также для фото- и видеосъёмки.
Бак струйного насоса
£
Лопастный насос
Струйный
х = 0 i
Х Кл№1
СУ
насос
Q
1®
Бак наддува
<-N
Л х
£
Основной бак
Рис. 2. Схема модельной установки. Здесь х - положение фронта жидкости, заполняющей канал гидравлической магистрали модельной установки. Цифрами в кружочках указаны датчики давлений в контрольных точках магистрали
Давление газа в газовой полости основного бака (в условиях эксперимента это был воздух), в зависимости от заданных условий проведения эксперимента, поддерживалось либо постоянным с помощью редуктора, либо изменялось в зависимости от выработки жидкости в процессе заполнения каналов магистрали при условии, что канал наддува бака воздухом был закрыт. Редуктор был установлен на пневматической линии, которая соединяла основной бак с баком для наддува. Основной бак, все магистрали, а также корпуса струйного и лопастного насосов (рис. 3), установленных на линии движения жидкости, были вы-
Рис. 3. Внешний вид лопастного гидравлического насоса
Гидравлические магистрали содержали также съёмные прозрачные элементы с каналами сложных геометрических форм: ответвления от основных магистралей, дроссельные шайбы, малые осевые гидромашины (турбинки), применяемые в качестве лопастных расходомеров, и т.п. Для визуализации картины движения и заполнения каналов магистралей и названных элементов и агрегатов (например, струйных и лопастных насосов) указанными жидкостями последние подкрашивались тушью. Данные об изменении давления в контрольных точках каналов магистрали фиксировались с помощью индуктивных датчиков давления типа ДДИ-20. Полученные сигналы усиливались с помощью аппаратуры усиления ИД 2-И и регистрировались осциллографами Н-115. В каналах магистралей устанавливались также датчики, фиксирующие момент подхода к ним фронта потока жидкости. Контакты датчиков замыкались в том случае, если фронт жидкости проходил через контакты.
Так как все исследуемые процессы были, в основном, достаточно высокоскоростными (скорость движения жидкости достигала 10 м/с и более), то в отдельные ответственные моменты времени процессы фиксировались с помощью видеокамеры (48 кадров в секунду) (рис. 4), а также - с помощью фотоаппарата. Для уменьшения времени проведения экспериментов, обеспечения требуемой синхронизации и за счет этого повышения достоверности результатов проведенных опытов, а также для удобства регистрации и обработки данных опытов работа всего экспериментального комплекса управлялась часовым командным механизмом.
Рис. 4. Процесс последовательного затекания жидкости в ответвление от основного канала гидравлической магистрали, зафиксированный с помощью видеокамеры
На первом этапе основное внимание было уделено проведению теоретических (расчётам на ЭВМ) и экспериментальных исследований динамических характеристик процессов заполнения жидкой и газожидкостной средами каналов гидравлических магистралей, а также - элементов и агрегатов исследуемой гидросистемы, изолированной от внешней среды. На первом этапе экспериментов струйный и лопастной насосы не включались. На втором этапе исследовались процессы заполнения жидкостью каналов магистралей при запуске только одного струйного насоса. Затем эти же исследования проводились при запуске только одного лопастного насоса. На третьем этапе исследовались процессы заполнения жидкостью каналов магистралей модельной установки при последовательном запуске струйного и лопатного насосов.
В результате этих исследований были построены физические и математические модели динамики процессов заполнения жидкостью каналов гидравлических магистралей гидравлических систем жидкими средами при запуске струйных и лопастных насосов [7]. Эти модели учитывали особенности процессов заполнения жидкостью каналов со сложными геометрическими формами: с сужением и расширением каналов [9], с ответвлениями и т.п. [10].
Указанные модели основаны на использовании подхода Лагранжа к решению задач динамики одномерного движения жидких сред с контактными разрывами в каналах гидравлических систем теплоэнергетических установок [7]. Под контактными разрывами здесь понимаются такие поверхности в сплошных жидких средах, через которые отсутствует поток массы вещества и на которых терпят разрыв основные параметры среды: плотность, температура, вязкость, концентрация какого-либо вещества, растворённого в жидкости и т.п. [6, 7].
К рассматриваемым явлениям относят, в частности, движение сплошных жидких сред с подвижной границей их раздела, двух различных жидкостей, а также жидкости и газа, жидкости и твёрдого тела.
Такие явления имеют место при движении жидких сред в каналах с подвижными поршнями или с другими подвижными элементами, граничащими с жидкостью (в частности, в объёмном гидроприводе).
Здесь на основе подхода Лагранжа (для одномерного случая) получены основные уравнения движения, которые являются аналогами (обобщениями) уравнения энергии Д. Бернулли на случай перемещения несжимаемых жидких сред с контактными разрывами в каналах сложных геометрических форм [7].
Показано, что в общем случае расчёт параметров одномерного движения несжимаемых жидких сред с контактными разрывами в каналах гидравлических магистралей, содержащих струйные и лопастные насосы, сводится к решению задачи Коши для системы обыкновенных нелинейных дифференциальных уравнений второго порядка относительно координаты одного из разрывов.
В указанных моделях учитывались полученные в [8] рекомендации для расчёта ударного повышения давления при заполнении сжимаемой жидкостью каналов с местными гидравлическими сопротивлениями сложных гидравлических форм. Использовались также и рекомендации для учёта явлений перераспределения расходов жидкости между основным и ответвлённым каналами на режимах их заполнения [9].
На рис. 5 показаны результаты сопоставления данных эксперимента и расчётов на ЭВМ динамики изменения давления в контрольных точках магистралей модельной установки в процессе их заполнения жидкостью при последовательном запуске струйного и лопастного насосов. В этом случае опыты и расчёт проводились при условии, что в газовой полости бака давление газа поддерживалось неизменным (РБ = = со^^. На приведенном рисунке линии 1 соответствуют отношению 5 площадей сечения сопла и камеры смешения инжектора, равному 5 = 0,01; линии 2 соответствуют 5 = 0,04 . На этом же рисунке для сравнения и анализа особенностей динамики исследуемых процессов приведены данные расчётов на ЭВМ изменения давления жидкости (кривые с индексом 1 %) при минимальных объёмах изолированной от внешней среды газовой полости бака для хранения рабочей жидкости объёмного гидропривода. Начальный относительный объём газовой полости бака был равен 1 %. Процесс уменьшения давления газа в газовой полости бака, обусловленный уменьшением уровня жидкости при заполнении каналов магистрали, считался изотермическим.
На рис. 6 показана схема, обеспечивающая компенсацию пусковых расходов жидкости из основного бака объёмного гидропривода с целью поддержания постоянного давления газа в газовой полости основного бака, (РБ = сош^ изолированного от внешней среды. Компенсация пусковых расходов жидкости организована с целью обеспечения условий для безкавитационного запуска струйных и лопастных насосов объёмного гидропривода с минимальными объёмами газовых полостей баков, изолированных от внешней среды.
Рб,МПа Р7,МПа
Рис. 5. Сопоставление данных эксперимента (штриховые линии) и расчётов на ЭВМ (сплошные линии) при разных отношениях £ площади сопла и камеры смешения: кривая 1 - при 5 = 0,01; 2 - при 5 = 0,04
Рис. 6. Схема компенсации пусковых расходов жидкости: 1 - основной бак; 2 - бак инжектора; 3 - основная магистраль; 4 - магистраль компенсации; 5 - магистраль инжектора; 6 - устройство регулирования расхода Q(t) компенсации жидкости
На рис. 7 а, б показаны результаты расчётов на ЭВМ процессов компенсации пусковых расходов Q(t) жидкости из бака гидропривода при разных отношениях 5 площадей сопла и камеры смешения инжектора и при различных по времени моментах запуска лопастного насоса (на рис. 7 б кривая А и В).
Результаты исследований, изложенные в настоящей статье, показывают принципиальную возможность повышения эффективности гидросистем машин и оборудования, работающих в сложных и тяжёлых условиях их эксплуатации, путём изоляции их пневмо-и гидросистем от внешней среды.
Повышение эффективности указанных гидросистем может быть реализовано с помощью струйных насосов (инжекторов), установленных на входе в лопастные подкачивающие шнеко-центробежные насосы. Это обеспечивает высокие антикавитационные свойства всей системы подачи рабочей жидкости гидропривода.
Q, кг/с
Q, кг/с
I Ï Г Запуск инжектора
0,4 0,8 1,2 1,6 t
Запуск лопастного насоса
0,4 0,8 1,2 1,6 t, c б
Рис. 7. Расчёты на ЭВМ компенсации пусковых расходов жидкости (обозначения те же, что и на рис. 5)
В указанных условиях изоляции и при минимальных объёмах газовых полостей баков для хранения рабочей жидкости привода целесообразно использование устройств, обеспечивающих предпусковой надув баков и компенсацию расходов рабочей жидкости гидропривода при запуске гидросистемы.
Литература
1. Озерский А.И., Бабенков Ю.И., Шошиашвили М.Э. Перспективные направления развития силового гидравлического привода // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 6. С. 55-61.
2. Вощинин А.И., Савин И.Ф. Гидравлические и пневматические устройства на строительных и дорожных машинах. М., 1965.
3. Ловкис Э.В. Гидроприводы сельскохозяйственной техники: конструкция и расчёт. М., 1990.
Поступила в редакцию
4. Робототехника. Автоматические манипуляторы и робото-технические системы / под ред. член-кор. АН СССР Е.П. Попова. М., 1984.
5. Аринушкин Л.С. Авиационные центробежные насосные агрегаты. М., 1967.
6. Овсянников Б.В., Боровский Б.И. Теория и расчёт агрегатов питания жидкостных ракетных двигателей. М., 1971.
7. Озерский А.И., Полухин Д.А., Сизонов В.С. Исследование одномерных движений жидких масс с контактными разрывами в магистралях, содержащих насосы // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1979. № 2. С. 143-150.
8. Озерский А.И. К расчёту движения жидких сред с контактными разрывами в каналах сложных геометрических форм // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2008. № 5. С. 20 - 26.
9. Об ударном повышении давления в жидкости при заполнении ею трубопроводов с местными сопротивлениями / А.И. Озерский [и др.] // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1987. № 1. С. 163-166.
10. Затекание жидкости в ответвление от основной магистрали / А.И. Озерский [и др.] // Изв. АН СССР. Энергетика и транспорт. 1983. № 5. С. 166-169.
15 апреля 2009 г.
Озерский Анатолий Иванович - канд. техн. наук, доцент, кафедра «Безопасность жизнедеятельности», Ростовский на Дону государственный университет путей сообщения. Тел. 863-2-72-63-68.
Ozerskiy Anatoliy Ivanovich - Candidate of Technical Sciences, assistant professor, department «Safety of vital activity», Rostov-on-Don State Transport University. Ph. 863-2-72-63-68.
c
а
