автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Исследование энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов

На правах рукописи

ЯКУШЕВ АЛЕКСАНДР ЕГОРОВИЧ

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ЭКСКАВАТОРОВ

Специальность: 05.05.04 - "Дорожные, строительные и подъемно-транспортные машины"

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва -2004

Работа выполнена в Московском государственном строительном университете (МГСУ)

Научный руководитель:

- кандидат технических наук, профессор Александр Владимирович Раннев

Официальные оппоненты:

- доктор технических наук, профессор Евгений Юрьевич Малиновский

- кандидат технических наук, доцент

Александр Васильевич Королёв

Ведущая организация:

- ОАО « Центральный научно-испытательный полигон строительных и дорожных машин» (ЦНИПСДМ)

Защита состоится "■/В " с^е/Л 2004 г. в /¿"часов на заседании диссертационного совета Д212.138.06 при Московском государственном строительном университете по адресу: 129337, Москва, Ярославское шоссе, 26, ауд..

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГСУ

Автореферат разослан " .5" " М^Р? 2004 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Густов Д. Ю.

Актуальность работы. Экономия энергетических ресурсов (топлива и электроэнергии) при эксплуатации строительных и дорожных машин имеет всевозрастающее значение.

Широкие научно-исследовательские работы по совершенствованию гидропривода одноковшовых экскаваторов, проведенные ведущими организациями показали, что применение гидравлического привода создает большие возможности для увеличения к.п.д., повышения энергетических показателей и снижения удельного расхода топлива и электроэнергии. Гидравлические одноковшовые экскаваторы, как и машины с другими типами приводов, в процессе выполнения работ имеют большие потери энергетических ресурсов (топлива или электроэнергии) вследствие пониженных значений к.п.д. отдельных элементов и систем привода в целом. Как показали исследования, эти потери энергии значительно изнашивают силовые элементы гидромашин и в сумме составляют около 50% мощности первичного двигателя. Несмотря на большое количество проведенных исследований, направленных на повышение эффективности гидропривода одноковшовых экскаваторов, требования к энергосберегающим приводам не сформулированы, теория и методы расчета энергосберегающих систем отсутствуют в законченном виде, а их внедрение не нашло своего воплощения в серийном производстве. Следовательно, проведения дальнейших исследований с целью улучшения энергетических показателей экскаваторов - одна из важнейших задач по повышению их технического уровня.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности одноковшового гидравлического экскаватора за счет обоснования и применения рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы.

Научная новизна работы. Новыми научными результатами выполненной работы являются следующие положения:

- сформулированы требования к энергосберегающим гидросистемам и выявлены резервы повышения эффективности гидросистем экскаваторов;

- предлагается новая энергосберегающая гидросистема с рекуперацией энергии в рабочем цикле для эффективного использования мощности силовой установки;

- предложена методика, позволяющая охарактеризовать эффективность использования энергетического потенциала и качества функционирования, как всей машины, так и подсистем;

- впервые разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы при выполнении операции копания; установлено, что параметры пневмогидроаккумулятора (ПГА) следует выбирать из условия энергоемкости копания, а результативным фактором варьирования продолжительности операции копания является площадь дросселирующей щели;

- с целью эффективного использования рекуперируемой энергии впервые получена зависимость коэффициента увеличения вместимости ковша К рСКК;

- впервые получена зависимость времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой от выбранных параметров ПГА (V, к> Р« к) и дросселирующей щели ]

- с помощью рациональной методики - теории планирования эксперимента впервые установлены эффективные параметры системы рекуперации энергии (У.ст Р«) при работе в принятых условиях;

- результаты исследования, полученные на основе уточненных математических моделей и оригинальных программ для ЭВМ, позволили установить критерии эффективности (С|ц (I), П^), Цге, Кв,, Ко), основные технические и экономические параметры одноковшового экскаватора, что определило целесообразность внедрения новой энергосберегающей гидросистемы.

Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанного математического и программного обеспечения, а также предложения по совершенствованию гидросистемы и указанной инженерной методики определения рациональных параметров энергосберегающего устройства позволяют повысить эффективность экскаватора и определить на стадии проектирования основные энергетические параметры машины с целью разработки рационального гидропривода.

На защиту выносятся:

- энергосберегающая гидросистема рекуперации энергии в рабочем цикле для эффективного использования мощности силовой установки;

- методика, характеризующая эффективность использования энергетического потенциала и качества функционирования, как всей машины, так и подсистем; результаты исследований рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы операции копания и рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования

-зависимость определения коэффициента увеличения вместимости ковша а также, дополнительные требования и рекомендации для выбора окончательного варианта конструктивной вместимости ковша;

- зависимость определения времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой в зависимости от выбранных параметров ПГА (У,.*, Рш,к) и дросселирующей щели регулируемого дросселя

- методика и компьютерная программа определения энергетических, основных технических и экономических параметров одноковшового гидравлического экскаватора.

Достоверность. Достоверность полученных результатов подтверждается ранее проведенными экспериментальными и аналитическими исследованиями.

Реализация результатов работы. Разработанная методика для определения рациональных параметров энергосберегающей системы и система показателей эффективности гидравлического привода используются в учебном и научно-исследовательском процессе на кафедре строительных и подъемно-транспортных машин МГСУ. Математическая модель и методика определения параметров энергосберегающей гидросистемы направляется на Воронежский экскаваторный завод (ОАО «ВЭКС») для апробации и использования.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, были обсуждены и одобрены на международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2003», седьмой научно-технической

конференции МИИТ и на кафедре строительных и подъемно-транспортных машин Московского государственного строительного университета.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 статьи.

Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, обших выводов и содержит 179 страниц, в том числе - 129 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 37 рисунков, списка литературы из 115 наименований и приложения на 50 страницах.

Автор выражает большую благодарность профессору кафедры «СиПТМ» МГСУ Ф.К. Клашанову за оказанную помощь в разработке математической модели одноковшового гидравлического экскаватора, а также экономической части диссертационной работы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ Состояние вопроса и задачи исследования

Одноковшовые экскаваторы по-прежнему занимают лидирующее место среди машин для механизации земляных работ в строительстве. Их также широко используют в разных отраслях народного хозяйства, в том числе при погрузке и выгрузке различных материалов, при производстве мелиоративных, ирригационных, сельскохозяйственных, коммунальных и других работ.

Важным преимуществом объемных гидропередач являются высокая перегрузочная способность, реализация больших передаточных отношений, малая инерционность, восприимчивость к автоматизации и возможность дробления гидравлической энергии путем присоединения нескольких гидродвигателей к одному источнику, а также возможность рекуперации энергии с последующим использованием.

Исследованию энергетических потерь в механизмах гидропривода и вопросам улучшения энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов и других землеройных машин посвящено большое количество научных работ, выполненных во ВНИИстройдормаше, МИСИ (МГСУ), СКТБ «Земмаш» (г.Воронеж), ЗАО «Ковровский экскаваторный завод», НПП «ЭЛГА», ООО СП «Святовит», и в других организациях. Здесь следует отметить работы А.В. Раннева, П.В. Панкрашкина, В.А. Васильченко, Б.П. Катюхина, И.Л. Беркмана, Е.Ю. Малиновского, В.А. Башкирова, В.Я. Крикуна, А.В. Крикуна, В.Н. Тарасова, А.Н. Подсвирова, А.В. Королёва, В.П. Болтыхова, А.В. Рустановича, В.Н. Грязнова, В.М. Морсина, В.И. Филиппова, А.И. Соболевского, A.M. Михайлова, Л.В. Ребеко, А.М. Рысенкова и др., а также иностранных авторов К. Фудзи, X. Эдвин, Н. Сатору и др.

По результатам исследований было установлено, что при работе обратной лопатой наибольшие потери возникают в гидрораспределителях, в процессе дроссельного регулирования скоростей рабочего движения (20%) и в первичных предохранительных клапанах (17.2%). Значительно меньше потери в сливных гидролиниях (7.5%), в исполнительных механизмах и вторичных предохранительных клапанах (4.3%). Как показал анализ ранее проведенных исследований, модернизация конструкции элементов гидросистемы, в том числе

гидронасосов, гидроцилиндров, гидромоторов, гидролиний и вспомогательного оборудования, не дает ощутимого положительного результата по снижению энергетических потерь, хотя и приводит к некоторым, полезным усовершенствованиям.

Исследование загрузки гидронасосов в рабочем цикле для экскаваторов 5-й размерной группы (по данным СКТБ «Земмаш») (рис. 1) подтвердили факт неравномерности нагрузки в наиболее тяжелых условиях и неполного использования мощности насосно-силовой установки, где на выполнение рабочего цикла затрачивается около 50% номинальной мощности. Около 20% времени от продолжительности рабочего цикла (заштрихованная область диаграммы) энергия гидронасосов не используется гидродвигателями, а происходит слив рабочей жидкости под давлением через перепускные клапаны.

Рис. 1 Циклограмма загрузки исполнительных механизмов: 1, 2 - копание цилиндром ковша (насосы №1,2); 3,13 - подъём рабочего оборудования (насосы №1, 2); 4 - подъём рабочего оборудования (насос №2); 5 - разгон поворотной платформы на выгрузку (насос №1); 6 - выгрузка грунта под собственным весом (насосы № 1, 2); 7 - торможение поворотной платформы (насос отключён); 8, 9 -выгрузка грунта (насосы № 1, 2); 10 - разгон поворотной платформы в забой (насос №1); 11 - торможение поворотной платформы (насос отключён); 12 -опускание рабочего оборудования (насос отключён).

Сопоставление технико-экономических показателей рассмотренных вариантов и результатов проведенных эксперементов энергосберегающей системы на экскаваторе ЭО-4125 определило наиболее эффективный вариант решения задачи экономичного опускания стрелы по а.с. № 883282. При этом следует обратить внимание, что рекуперация энергии при опускании рабочего оборудования повышает к.п.д. гидросистемы, но загрузка первичного двигателя снижается, что ведет к недоиспользованию его номинальной мощности.

Согласно результатам проведенных работ установлено, что величина кинетической энергии поворотной платформы мала и, следовательно, внедрение

системы рекуперации при торможении поворотной платформы не приведет к значительному улучшению энергетических показателей машины.

Тенденции развития комплексных энергосберегающих систем направлены главным образом на повышение эффективности полноты использования мощности первичного двигателя и решают задачу перераспределения мощности потоков жидкости в наиболее нагруженные операции. Однако негативными сторонами для некоторых решений являются:

- значительное усложнение гидропривода, за счет дополнительного оборудования;

- неэффективность или отсутствие рекуперации энергии движущихся частей экскаватора;

- неэффективное совмещение потоков от энергии силовой установки и заряженного ПГА.

Характерными особенностями энергосберегающих систем являются эффективное снижение потерь энергии при регулировании первичного двигателя и гидронасосов, рекуперация кинетической и потенциальной энергии движущихся частей экскаватора и более полное использование номинальной мощности первичного двигателя.

Для анализа тенденции развития энергосберегающих систем и постановки задач исследования сформулирована классификация энергосберегающих систем гидропривода по виду рекуперируемой энергии, функциональным и конструктивным признакам (рис. 2).

Таким образом, для четкости постановки задачи полезно еще раз подчеркнуть, что, используя результаты предшествующих исследований, в работе не осуществляется учет нагруженности несущей металлоконструкции экскаватора, а исследуются энергетические характеристики гидросистемы с энергосберегающими устройствами, пути их совершенствования и методология определения рациональных параметров.

Для решения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. провести анализ теоретических и экспериментальных исследований в области энергосберегающих гидросистем экскаваторов и дать их оценку;

2. выявить основные причины потерь энергии в рабочем цикле;

3. разработать и исследовать энергетический баланс одноковшового гидравлического экскаватора с рекуперацией энергии движущихся частей экскаватора;

4. разработать систему показателей эффективности использования энергетического потенциала экскаватора.

5. определить качественный резерв повышения показателя эффективности использования мощности первичного двигателя;

6. разработать математическую модель функционирования гидропривода экскаваторов, в том числе с устройством энергосбережения;

7. привести пример конструктивно-технологического решения задачи рациональной рекуперации энергии;

8. разработать методику определения энергосберегающей гидросистемы.

рациональных

параметров

Рис. 2 Классификация энергосберегающих систем гидропривода

Предпосылки к созданию эффективной энергосберегающей гидросистемы

Предпосылками к созданию наиболее рациональной гидросистемы экскаватора с наилучшими показателями является выполнение следующих требований:

- передача энергетического потока при выполнении рабочего цикла с минимально возможными потерями;

- перераспределение интенсивности энергетических затрат в рабочем цикле;

- максимально возможная полнота рекуперации энергетического потока. На основе сформулированных требований к энергосберегающим

гидросистемам и результатов исследований нагружения и энергетического баланса силовой установки, а также экспериментальных исследований, в первую

очередь выявили резервы повышения эффективности гидросистем отечественных экскаваторов.

С целью определения показателей эффективности использования энергии первичного двигателя рассматривали рабочий процесс как замкнутую систему: одноковшовый гидравлический экскаватор—грунт, и ее энергетику на системной основе. Основой энергетического потока является энергоноситель с величиной подачи q„ (для ДВС - дизельного топлива). Выходным параметром является производительность Пэ, характеризующая интенсивность рабочего процесса. Необходимо учитывать, что критерий эффективности гидропривода экскаватора не может быть определен по какому-то одному показателю.

Большой вклад в разработку технических требований к землеройным машинам отражен в научных трудах Н.Г. Домбровского, Д.П. Волкова, А.В. Раннева, СА Панкратова, А.А Ланова, Ю.М. Бузина, И.Л. Беркмана, А.В. Рустановича и других. Однако многие авторы дают различные толкования в определении параметров эффективности гидравлических экскаваторов. Важнейшим показателем эффективности использования энергии первичного двигателя, который сочетает в себе оценку всех возможных энергетических потерь, является к.п.д. Предложенная методика в работах A.B. Раннева определения к.п.д. гидросистемы как отношения полезной работы к затраченной силовой установкой работе А, позволяет дать более полную характеристику отдельных операций и всего рабочего цикла.

Для определения критерия, позволяющего оценить полноту и эффективность использования мощности первичного двигателя были предложены следующие параметры:

Определение критерия технического совершенства гидросистемы:

где: К„, - коэффициент использования мощности двигателя в рабочем цикле.

где: - доля номинальной мощности двигателя, затрачиваемая на привод вспомогательных устройств;

Itp.u — продолжительность выполнения рабочего цикла;

Ncpa„ - средняя установленная мощность двигателя.

Предложенная методика позволяет охарактеризовать эффективность использования энергетического потенциала и качества функционирования, как всей машины, так и её подсистем.

В результате исследования проектных и экспериментальных работ, проведенных ведущими организациями, а также анализа патентной информации, были найдены (на уровне изобретений) новые решения, направленные на сокращение внутренних потерь энергии, то есть на повышение рациональности

конструкции экскаватора в целом. Разработанная автором энергосберегающая гидросистема (рис.3) позволяет рационально использовать мощность первичного двигателя, а также включает гидросистему рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования по а.с. №883282.

Отличительными особенностями энергосберегающей системы гидропривода, являются:

1. На выходе в нейтральном положении золотников установлен ПГА, который позволяет накапливать энергию от гидронасосов 1 и (или) 2.

2. При выполнении операции копания, благодаря клапану 8, в поршневую полость гидроцилиндра поступает суммарная энергия рабочей жидкости ПГА

и силовой установки.

Рис. 3 Предлагаемая принципиальная схема энергосберегающей системы гидропривода одноковшового экскаватора: 1,2- регулируемые насосы; 3,7,14 -гидроцилиндры, соответственно, стрелы, рукояти и ковша; 4, 9 - ПГА; 5 -предохранительные клапаны; 6, 7 - предохранительные клапаны с автоматическими регулятороми; 8 - перепускной клапан; 10, 11 - блоки золотников гидрораспределителей; 12, 13 - устройства объёмного регулирования скорости механизмов; 15 - регулируемый дроссель.

Предлагаемая автором энергосберегающая гидросистема решает задачу перераспределения энергии и улучшает показатели рациональности гидравлического экскаватора, а именно: рекуперация энергии рабочей жидкости при нейтральном положении золотников гидрораспределителей и при опускании рабочего оборудования позволяет повысить критерий технического совершенства гидросистемы, производительность машины и снизить удельный расход топлива.

Дальнейшее исследование диссертационной работы посвящено разработке математической модели гидропривода экскаватора с целью определения рациональных параметров энергосберегающей системы, энергетических и экономических критериев эффективности.

Моделирование энергетических характеристик гидросистем экскаватора с энергосберегающей системой

В основу разработанной математической модели расчёта на ЭВМ энергосберегающей гидросистемы экскаватора, которая включает модель нагружения гидросистемы в рабочем цикле и определения технического и экономического критерия оценки, легли труды Д.П. Волкова, А.В. Раннева, Е.Ю. Малиновского, Е.М. Кудрявцева, В.И. Баловнева, В.Я. Крикуна, В.Н. Тарасова, ЭА Смоляницкого, А.С. Перлова, В.П. Павлова, Н.Н. Живейнова, К. Круля, Ю.Г. Беренгарда, А.Г. Григорьева, Л.Б. Зарецкого, А.В. Крикуна, В.П. Болтыхова, А.И. Филатова, А.П. Фройдлес, В.И. Фёдорова, а также труды других авторов и исследователей.

Особенностью этого раздела является определение эффективного использования рекуперируемой энергии. С этой целью на основании полученных зависимостей ввели коэффициент увеличения вместимости ковша который позволяет на стадии, проектирования определить величину рекуперируемой энергии и из условий эксплуатации выбрать конструктивную вместимость ковша, что приведет к значительному повышению производительности.

гс _1 ^ном ^зар ^1пол.н ^1рек

^■рек.к — л

V

к

Vm.k

где: N„0M- номинальная мощность двигателя; Ук- геометрическая вместимость ковша; Ауд- удельная энергоёмкость операции копания; Т|м,к - к.п.д. шарниров механизмов ковша;

tMp- время зарядки ПГА, определяемая расчётным путём (суммарное время

нейтральных положений золотников в определённой последовательности);

Лпол.н- полное к.п.д. насоса;

Т1ГЛ - к.п.д. гидролинии;

TiptK- к.п.д. рекуперации энергии.

Разработанная в диссертации математическая модель устанавливает функциональную взаимосвязь конструктивных параметров ПГА и гидродвигателя для выполнения операции копания с силовыми характеристиками механизма экскаватора. Рассмотрены основные два режима работы энергосберегающей системы при выполнении операции копания (рис. 4):

- рекуперация энергии в ПГА в режиме нейтральных положений золотников гидрораспределителей;

- подача энергии заряженного ПГА в поршневую полость гидроцилиндра исполнительного механизма.

Начальные условия математической модели характеризуют исходное состояние объекта. К ним относятся начальное значение длин гидроцилиндров рабочего оборудования, давления газа и объем полости ПГА.

Основными параметрами системы «силовая линия — ПГА - гидроцилиндр исполнительного механизма» являются: площадь дросселирующей щели Гдр, начальный конструктивный объем газовой полости начальное давление газа и рабочий объем ПГА.

Основные процессы, происходящие при разрядке - зарядке ПГА описываются энергоемкостью ПГА для политропного цикла по следующей зависимости:

Математическая модель рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования построена на базе работ, проведенных в ВНИИстройдормаше и СиБАДИ. Для всех положений рабочего оборудования получены формулы расчета давлений в силовой гидролинии насоса с учетом приведенной массы и усилия на штоке гидроцилиндров, а также приведены условия эффективного

функционирования при подъеме - опускании стрелы. Отличительной особенностью этой модели от применявшихся ранее является учет существенных потерь энергии в гидрооборудовании энергосберегающей системы.

Адекватность разработанной математической модели экскаватора подтверждена на основе сравнительного анализа теоретических результатов с данными, полученными при экспериментальных исследованиях экскаватора ЭО-4125, оборудованного системой локальной рекуперации по а.с. №883282.

Полученные результаты удельного расхода топлива на ЭВМ меньше экспериментальных данных на 7.5%. Погрешность расчётов производительности не превысила 9.6%. Таким образом, расчёты на ЭВМ по предложенной модели могут быть признаны вполне допустимыми.

Определение рациональных параметров системы энергосбережения при опускании стрелы и выполнении операции копания >

Для улучшения показателей эффективности одноковшовых гидравлических экскаваторов большое значение приобретают выбор рациональных конструктивных параметров энергосберегающей гидросистемы и условия рациональной эксплуатации экскаватора.

Учитывая значительную сложность моделирования системы рекуперации энергии при опускании стрелы (большое число условий, ограничений) для решения поставленной задачи применялась теория планирования эксперимента. В качестве искомых математических моделей используются регрессионные модели полиномиального типа.

В качестве факторов варьирования, определяющих работоспособность системы рекуперации энергии при опускании стрелы, использовались: начальный объем газовой полости (У,л, л); - начальное давление зарядки

В качестве функции отклика приняты основные показатели эффективности гидропривода экскаватора

В результате проведенных исследований получены уравнения регрессионной модели производительности, удельного расхода топлива, к.п.д. гидросистемы, коэффициента использования мощности в рабочем цикле, критерия технического совершенства гидросистемы экскаватора.

На протяжении интервалов варьирования начального давления ПГА функции отклика являются монотонно возрастающими и монотонно убывающими, поэтому выбор окончательного варианта рациональных параметров целесообразно провести по условию экономичного подъема рабочего оборудования в начальной точке.

Интервал варьирования конструктивного объема ПГА имеет экстремум, поэтому по полученным зависимостям определяем значения параметра соответствующего наилучшим показателям эффективности.

Адекватность полученной математической модели подтверждена с помощью сравнения доверительного интервала каждой функции отклика с разностями значений этих функций, полученных с помощью регрессионной и динамической моделей.

Таким образом, в отличие от ранее предложенных методик, проведение полнофакторного эксперимента позволяет с наибольшей точностью и с наименьшими затратами определить эффективные параметры ПГА. Наилучшие показатели эффективности экскаватора достигают при

В качестве факторов варьирования, определяющих работоспособность системы рекуперации энергии при выполнении операции копания, использовались:

- условный проход сечения дросселирующей щели

- начальный объем газовой полости системы энергосбережения при операции копания

- начальное давление зарядки ПГА системы энергосбережения при операции копания

В дальнейшем были определены текущие значения нагрузок в гидроцилиндрах операции копания и разработана инженерная методика определения рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы.

После построения энергетического баланса энергосберегающей системы были определены зависимости начального объема и начального давления ПГА.

Зависимость текущего давления Р^кСО в ПГА от текущего объема газовой полости определяется по политропному закону.

На рис. 5 показаны зависимости, полученные методом варьирования конструктивного объема ПГА.

Рис.5 Зависимость начального и конечного давления газовой полости ПГА от фактора варьирования конструктивного объема: 1 - максимальное давление зарядки ПГА; 2 - начальное давление зарядки ПГА

Чтобы уменьшить, при данном расходе жидкости, колебания в аккумуляторе (разность Рз.к - Р,.к) и одновременно обеспечить достаточно полезный объем, целесообразно произвести оптимизацию начального давления ПГА из условия преодоления максимальной нагрузки гидроцилиндра при завершении операции копания и ограничения давления предохранительных клапанов.

Адекватность полученных уравнений и определения рациональных значений факторов варьирования подтверждены с помощью построения энергетического баланса рекуперируемой энергии гидронасоса и энергии разрядки ПГА по политропному закону:

Разница полученных результатов не превышает 1.5%, что подтверждает адекватность математической модели определения эффективных параметров энергосберегающей гидросистемы.

С целью определения влияния факторов варьирования на продолжительность выполнения операции копания получаем следующую зависимость.

4 V >30

1цк1к ~ ¿й7

^дрк 'Ир ' _Рз*}л , с-V л р -Р X, * 3 К ]+и л * 7+1

V Ас \ Рж

мОи+О,* 2 '

где: ^мх,, - продолжительность цикла копания в проводимой серии опытов при i -ых и к-ых факторах варьирования;

у - количество фиксированных участков при имитации движения механизма ковша;

Уп.„) - полезный объем жидкости в поршневой полости гидроцилиндра в j-ом положении ковша; р - коэффициент расхода; - плотность жидкости.

На рис. 6 показана полученная зависимость продолжительности операции копания от факторов варьирования при имитации выдвижения штока гидроцилиндра ковша.

Из графика видно, что результативным фактором варьирования продолжительности операции копания является площадь дросселирующей щели. Выбор рациональной площади дросселирующей щели будем производить из условия равенства продолжительности операции копания экскаватора с традиционной гидросистемой.

Факторы варьирования соответствуют следующим значениям Fdpk =3 + 0.05-к,(смг) Уы1= 18 + 0.5-Цл)

а) б)

Рис. 6 Зависимость продолжительности операции копания: а) - от факторов варьирования; б) - от варьирования площади дросселирующей щели.

Таким образом, по полученным зависимостям определяем рациональные параметры энергосберегающей системы, удовлетворяющие указанным условиям. Для выбора окончательного варианта возможно незначительное увеличение параметра V,.h> но это может привести к неполной реализации накопленной энергии и увеличению стоимости ПГА. Для исследуемой модели наилучшие показатели эффективности экскаватора в принятых условиях достигают при

FiP = 395мм2, V,.« = 25 л, P« = 24.67 МПа.

Выходными величинами модели являются: вычисляемые переменные рабочего оборудования (усилия на штоках, давления в поршневой полости гидроцилиндров), параметры энергосберегающей гидросистемы (начальное давление и объём газовой полости ПГА, площадь дросселирующей щели), расходы рабочей жидкости, энергетические параметры, производительность, к.п.д. гидросистемы, коэффициент использования мощности первичного двигателя, удельный расход топлива и критерий технического совершенства гидросистемы.

Алгоритм вычисления энергетических параметров одноковшового гидравлического экскаватора с энергосберегающей гидросистемой и определение рациональных параметров реализован на ЭВМ в программе Mathcad.

Оценка эффективности одноковшового гидравлического экскаватора с энергосберегающей гидросхемой

Этот раздел диссертационной работы посвящен анализу влияния исследуемых гидросистем на эффективность экскаватора, в том числе на экономические показатели. Приведены результаты исследований по влиянию на показатели эффективности экскаватора, различных гидросистем, а именно: - гидросистемы традиционного исполнения;

- гидросистемы с рекуперацией энергии при опускании рабочего оборудования;

- энергосберегающей гидросистемы.

Оценочная характеристика экскаватора, полученная методом моделирования рабочего процесса с энергосберегающим приводом, производится путем сравнения энергетических (табл. 1) и экономических факторов эффективности.

Таблица 1 Оценочные показатели одноковшовых гидравлических экскаваторов

Тип гидросистемы п„ м3/ч Чк. * л/м3 Лгс Ко

гидросистема традиционного исполнения 150.170 0.069 0.474 0.417 0.190

гидросистема с рекуперацией энергии при опускании рабочего оборудования 152.320 0.062 0 549 0.367 0.192

гидросистема с устройством энергосбережения 184.819 0.060 0.552 0.456 0.241

На рис. 7 изображена структура движения энергопотока рабочего цикла одноковшового экскаватора с энергосберегающей гидросистемой, которая показывает рекуперацию энергии рабочего оборудования и силовой установки А„...

Рис. 7 Структура движения энергопотока рабочего цикла одноковшового экскаватора с энергосберегающей гидросистемой

Из полученных результатов видно, что применение системы энергосбережения позволяет увеличить производительность экскаватора на 18.7% по сравнению с традиционным исполнением и на 17.6% по сравнению с экскаватором, оборудованным системой рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования; в тоже время расход топлива в экскаваторах, оборудованных системой энергосбережения, уменьшается по сравнению с традиционным вариантом на 13% и экскаватором, оборудованным системой

рекуперации энергии при опускании стрелы - на 3.2%. Аналогичные результаты получены по показателям

Краткий анализ экономических показателей ряда экскаваторов с различными гидросистемами выполнен в соответствии с разработанной ВНИИСтройдормашем «Методикой определения технико-экономической эффективности внедрения в народное хозяйство новых строительных и дорожных машин».

Основным ожидаемым годовым экономическим эффектом ДЭ от применения энергосберегающей гидросистемы является повышение производительности машины АПЭП (м3/год) и экономия топлива ДВ (л/год), которые пересчитываются в денежный эквивалент.

ДЭ = ДПэп + ДВ = 196930 руб.

За счет внедрения энергосберегающей гидросистемы значительно повышается эксплуатационная производительность, которая оправдывает все дополнительные расходы, связанные с освоением новой техники. Это позволит эксплуатационникам более длительно использовать машины на производительной работе и окупить дополнительные первоначальные затраты на приобретение экскаваторов с энергосберегающей системой.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Гидравлические одноковшовые экскаваторы, как и машины с другими типами приводов, в процессе выполнения работ имеют большие потери энергетических ресурсов (топлива или электроэнергии) вследствие пониженных значений к.п.д. отдельных элементов и систем привода в целом. Как показали исследования, эти потери достигают 1/3 или большей величины от энергии, затраченной силовой установкой экскаваторов при их эксплуатации.

2. Работы, выполненные ВНИИстройдормашем и отечественными экскаваторными заводами, подтвердили возможность существенного сокращения потерь энергии и экономии топлива (до 2 — 5 т в год на одну машину) за счет совершенствования конструкции гидравлических экскаваторов и их рабочего процесса.

Иностранные фирмы, выпускающие гидравлические экскаваторы, активно ведут работы по созданию для них энергосберегающих устройств. Однако все проведенные исследования были ограничены только испытаниями экспериментальных образцов машин.

3. С целью развития выполненных работ исследована циклограмма нагружения насосно-силовой установки в рабочем цикле и выявлены негативные явления, заключающиеся в следующем:

большую часть времени загрузка экскаватора связана с постоянным изменением мощностных характеристик в процессе выполнения различных операций, что ведет к неравномерности нагрузки насосов в наиболее тяжелых условиях и недостаточному использованию (до 50%) мощности первичного двигателя.

около 20% от продолжительности рабочего цикла энергия гидронасосов не используется гидродвигателями, а направляется на слив через перепускной клапан.

4. Предлагаемая энергосберегающая гидросистема улучшает показатели рациональности привода гидравлического экскаватора, а именно: рекуперация энергии рабочей жидкости при нейтральном положении золотников гидрораспределителей и при опускании рабочего оборудования позволяют повысить критерий технического совершенства гидросистемы, производительность и снизить удельный расход топлива.

5. На стадии проектирования машины разработанная система показателей позволяет определить эффективность использования энергетического потенциала, как всей машины, так и подсистем и выявить преимущество от внедрения той или иной энергосберегающей гидросистемы.

6. Разработанная математическая модель энергосберегающего гидропривода одноковшового гидравлического экскаватора позволит, при использовании программы, получить наиболее значительную выходную информацию -определение показателей эффективности с учётом инженерного расчёта гидропривода и рабочего оборудования.

7. Впервые разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы при выполнении операции копания. В качестве основного обязательного требования выдвинуто ограничение минимума начального давления ПГА и продолжительности копания. Для выбора окончательного варианта предложены дополнительные требования и рекомендации, обоснованные функционированием гидропривода.

8. Впервые получена зависимость времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой от параметров ПГА и дросселирующей щели регулируемого дросселя, а также от коэффициента увеличения вместимости ковша Крекк

9. Установлено, что параметры ПГА следует выбирать из условия энергоемкости копания, а результативным фактором варьирования продолжительности операции копания является площадь дросселирующей щели. Для экскаватора ЭО-5126 с ковшом вместимостью 1.6 м3 рациональными параметрами энергосберегающей системы операции копания при работе его в принятых условиях являются площадь дросселирующей щели равная 395 мм2, начальный объем газовой полости 25 ли начальное давление газа в ПГА 24.67 МПа.

10. Эффективные параметры системы рекуперации энергии установлены с помощью рациональной методики - теории планирования эксперимента. В качестве основного требования выдвинуто ограничение минимального и максимального давления газовой полости ПГА, обоснованное условием эффективного функционирования. Применение полнофакторного эксперимента позволило определить для экскаватора ЭО-5126 с ковшом вместимостью 1.6 м3 рациональные параметры системы рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования: начальный объем газовой полости У,.с = 63 л и начальное давление газа в ПГА Р»с = 18 МПа.

11. На основе исследований, выполненных в диссертационной работе установлено, что применение энергосберегающей гидросистемы на гидравлических экскаваторах 5-й размерной группы повышает эксплуатационную производительность на 18.7%, расход энергоресурсов снижается на 13% или 2330 л. топлива в год, годовой экономический эффект от использования одной машины составляет 196930 руб.

Выполненные теоретические и экспериментальные исследования, а также анализ полученных результатов исследований позволили наметить направления дальнейших исследований:

- развитие и уточнение алгоритма расчета рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы, как при выполнении операции копания, так и при опускании рабочего оборудования с учетом вероятного характера условий их эксплуатации;

- разработка математической модели энергосберегающей гидросистемы (цикл зарядки-разрядки ПГА) с учетом нагрузок динамического характера;

- установление влияния дополнительных нагрузок от энергосберегающих систем на металлоконструкцию рабочего оборудования.

По результатам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Якушев А.Е. Определение энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов // Подъемно транспортная техника: Тезисы доклада, Московская межвуз. конф. — М.:МГСУ, 2000. -24-25с.

2. Якушев А.Е., Ларюпшн А.М. Разработка энергосберегающей гидросистемы одноковшовых гидравлических экскаваторов 5-й размерной группы // Подъемно транспортные, строительные, путевые машины и робототехнические комплексы: Тезисы доклада, Московская межвуз. конф. -М..МИИТ, 2003. - 45 - 47с.

3. Клашанов Ф.К., Якушев А.Е. Тенденции развития энергосберегающих систем. Интерстроймех-2003. Материалы Междунар. научно-тех. конф. -Волжский: Изд. ВолжскИСИ, 2003. -45-47с.

4. Якушев А. Е. Исследование энергосберегающих систем // Строительные и дорожные машины. - 2003. - №12. - С.35-38.

Лицензия ЛР № 020675 от 09.12.1997 г.

Подписано в печать47.0%,№04г. Формат 60x841/16 Печать офсетная

И-14 Объем 1 пл. Т. /00 экз. Заказ 73

Московский государственный строительный университет. Типография МГСУ. 129337, Москва, Ярославское ш., 26

»-4721

Введение.

Глава 1. Теоретические исследования энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов.

1.1 Исследование энергетических потерь в механизмах гидропривода.

1.1.1 Потери энергии в гидронасосе.

1.1.2 Потери энергии в гидродвигателях (гидромотор, гидроцилиндр).

1.1.3 Потери энергии в гидроаппаратуре (гидрораспределителях, гидроклапанах, гидродосселях и гидролинии).

1.2.1 Обзор и анализ проведенных исследований в области энергосбережения.

1.2.1 Энергосберегающие системы с регулированием первичного двигателя машины.

1.2.2 Совершенствование конструкции насосной силовой установки.

1.2.3 Применение энергосберегающих устройств при опускании рабочего оборудования.

1.2.4 Применение энергосберегающих устройств при разгоне -торможении поворотной платформы.

1.2.5 Исследование систем с применением комплексного энергосбережения.

1.3 Анализ конструктивных и схемных решений энергосберегающих приводов в технике.

1.4 Тенденция развития энергосберегающих гидросистем одноковшовых гидравлических экскаваторов зарубежных фирм.

Тема диссертационной работы охватывает одну из главных проблем, стоящих перед отечественной и зарубежной индустрией в особенности в части Энергосбережения.

За всю историю развития строительного машиностроения задача снижения расхода энергоресурсов по степени важности не выделялась среди многих проблем совершенствования машин: их производительности, уменьшения массы, увеличения срока службы. Но в связи с резким увеличением цен на топливо в настоящее время его экономия на строительных машинах стала одним из основных путей повышения их эффективности.

Одноковшовые экскаваторы по-прежнему занимают лидирующее место среди машин для механизации земляных работ в строительстве. Их также широко используют в разных отраслях народного хозяйства, в том числе при погрузке и выгрузке различных материалов, при производстве мелиоративных, ирригационных, сельскохозяйственных, коммунальных и других работ [1, 2, 3].

Большие теоретические и экспериментальные исследования, проводившиеся во ВНИИстройдормаше [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], а также за рубежом [4, 5, 10, 11, 12, 13, 14], показали, что применение гидравлического привода коренным образом изменило конструктивные и эксплуатационные показатели одноковшовых экскаваторов и значительно повысило их технический уровень. С внедрением гидропривода производительность экскаваторов в строительстве выросла в среднем в 1.3 - 1.5 раза, а удельный расход топлива снизился на 15 - 45% по сравнению с экскаваторами, имеющими механический или дизель-электрический привод [15].

Важным преимуществом объемных гидропередач являются высокая перегрузочная способность, реализация больших передаточных отношений, малая инерционность, восприимчивость к автоматизации и возможность дробления гидравлической энергии путем присоединения нескольких двигателей к одному источнику, а также возможность рекуперации энергии с последующим использованием^, 3, 8,16, 17].

Эффективность одноковшовых гидравлических экскаваторов определяется их способностью быстро и с максимальной производительностью выполнять каждую операцию рабочего цикла. Проведения дальнейших исследований и совершенствование гидравлических экскаваторов с целью улучшения их энергетических показателей - одна из важнейших задач по повышению их технического уровня.

Актуальность темы. Вопросами улучшения энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов и других землеройных машин занимались многие ученые и инженеры: A.B. Раннев, И.Л. Беркман, Б.П. Катюхин, А.В Рустанович, В.А. Башкиров, В.Н. Тарасов, А.Н. Подсвиров, Кадзухико Фудзи, A.B. Королёв, В.П. Болтыхов и др.

По результатам исследований [3, 6, 7,18], было установлено, что при работе обратной лопатой полезное использование энергии составляет порядка 51%. Из них на подъем стрелы расходуется (14.7%), на поворот рукояти (17.3%), на поворот ковша (15.8%) и на поворот платформы (3.2%). Следовательно, потери энергии в рабочем цикле экскаватора составляют порядка 49%. Наибольшие потери возникают в гидрораспределителях, в процессе дроссельного регулирования скоростей рабочего движения (20%) и в первичных предохранительных клапанах (17.2%). Значительно меньше потери в сливных гидролиниях (7.5%), в исполнительных механизмах и вторичных предохранительных клапанах (4.3%). Таким образом, создание гидропривода с энергосберегающими системами - одна из главных направлений решения проблемы рационального использования энергоресурсов и повышения производительности машин.

Характерная особенность энергосберегающей системы - эффективное снижение потерь энергии при регулировании первичного двигателя и гидронасосов и использование кинетической и потенциальной энергии движущихся частей экскаватора и более полное использование номинальной мощности первичного двигателя.

Проведенный анализ гидравлических систем экскаваторов в работах A.B. Раннева [4, 5, 8, 13, 14, 19] показал, что применение гидравлического привода создают большие возможности для увеличения к.п.д., повышения энергетических показателей и снижения удельного расхода топлива и электроэнергии. В настоящее время методы и соответственно комплексная модель определения параметров эффективности, в том числе к.п.д. гидросистемы и одноковшовых экскаваторов, проведены недостаточно полно.

Несмотря на большое количество проведенных исследований, направленных на повышение эффективности гидропривода одноковшовых экскаваторов, требования к энергосберегающим приводам не сформулированы, теория и методы расчета энергосберегающих систем отсутствуют в законченном виде, а их внедрение не нашло своего воплощения в серийном производстве. Следовательно, тема диссертации «Исследование энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов» является актуальной.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности одноковшового гидравлического экскаватора за счет обоснования и применения рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы.

Научная новизна работы. Новыми научными результатами выполненной работы являются следующие положения:

- сформулированы требования к энергосберегающим гидросистемам и выявлены резервы повышения эффективности гидросистем экскаваторов;

- предлагается новая энергосберегающая гидросистема с рекуперацией энергии в рабочем цикле для эффективного использования мощности силовой установки;

- предложена методика, позволяющая охарактеризовать эффективность использования энергетического потенциала и качества функционирования, как всей машины, так и подсистем;

- впервые разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы при выполнении операции копания; установлено, что параметры ПГА следует выбирать из условия энергоемкости копания, а результативным фактором варьирования продолжительности операции копания является площадь дросселирующей щели;

- с целью эффективного использования рекуперируемой энергии впервые получена зависимость коэффициента увеличения вместимости ковша К рек.к;

- впервые получена зависимость времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой от выбранных параметров ПГА (Уя.к, Ра.к) и дросселирующей щели регулируемого дросселя (РдР);

- с помощью рациональной методики - теории планирования эксперимента впервые установлены эффективные параметры системы рекуперации энергии (Уа.„ Ра.с) при работе в принятых условиях;

- результаты исследования, полученные на основе уточненных математических моделей и оригинальных программ для ЭВМ, позволили установить критерии эффективности (г), Пт.О), цгс, К„1, К0), основные технические и экономические параметры одноковшового экскаватора, что определило целесообразность внедрения новой энергосберегающей гидросистемы.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанного математического и программного обеспечения, а также предложения по совершенствованию гидросистемы и указанной инженерной методики определения рациональных параметров энергосберегающего устройства позволяют повысить эффективность экскаватора и определить на стадии проектирования основные энергетические параметры машины с целью выявления рационального гидропривода.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, были обсуждены и одобрены на международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2003», седьмой научно-технической конференции МИИТ и на кафедре строительных и подъемно-транспортных машин Московского государственного строительного университета.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 статьи.

На защиту выносятся:

- энергосберегающая гидросистема рекуперации энергии в рабочем цикле для эффективного использования мощности силовой установки;

- методика, характеризующая эффективность использования энергетического потенциала и качества функционирования, как всей машины, так и подсистем;

- результаты исследований рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы операции копания (Уа.к, Ра.к, Г др) и рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования (Уа.„ Р„.с);

- зависимость определения коэффициента увеличения вместимости ковша (Крек.к)> а также> дополнительные требования и рекомендации для выбора окончательного варианта конструктивной вместимости ковша;

- зависимость определения времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой в зависимости от выбранных параметров ПГА (Уа.к> Ра.к) и дросселирующей щели регулируемого дросселя (Рдр);

- методика и компьютерная программа определения критериев эффективности (О, Пт(0, л гс» Кп1, К0), основных технических и экономических параметров одноковшового гидравлического экскаватора. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ теоретических и экспериментальных исследований в области энергосберегающих гидросистем экскаваторов и дать их оценку значимости;

- выявить основные причины потерь энергии в рабочем цикле;

- разработать и исследовать энергетический баланс одноковшового гидравлического экскаватора с рекуперацией энергии движущихся частей экскаватора; определить качественный резерв повышения показателя эффективности использования мощности первичного двигателя; разработать математическую модель функционирования гидропривода экскаваторов, в том числе с устройством энергосбережения; дать теоретическое обоснование и целесообразность перераспределения энергии насосно-силовой установки с целью уменьшения потерь энергии; привести пример конструктивно-технологического решения задачи рациональной рекуперации энергии; разработать методику определения рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы; разработать систему показателей эффективности использования энергетического потенциала экскаватора.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ

ЭКСКАВАТОРОВ

Широкие научно-исследовательские работы по совершенствованию гидропривода одноковшовых экскаваторов, проведенные ВНИИстройдормашем, МИСИ, Ковровским, Воронежским, Калининским экскаваторными заводами, СибАДИ и другими организациями показали, что применение гидравлического привода создают большие возможности для увеличения к.п.д., повышения энергетических показателей и снижения удельного расхода топлива и электроэнергии.

В настоящей главе рассмотрены задачи, в которых проведен анализ насосно-силовой установки, гидродвигателей, гидроаппаратуры и гидросистем, оценки комбинированных и раздельных энергосберегающих устройств, исследования влияния гидроприводов на эффективность одноковшовых гидравлических экскаваторов, а также определения тенденций развития энергосберегающих гидросистем.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Подводя итог диссертационной работы, сформулируем её основные результаты.

1. Гидравлические одноковшовые экскаваторы, как и машины с другими типами приводов, в процессе выполнения работ имеют большие потери энергетических ресурсов (топлива или электроэнергии) вследствие пониженных значений к.п.д. отдельных элементов и систем привода в целом. Как показали исследования, эти потери достигают 1/3 или большей величины от энергии, затраченной силовой установкой экскаваторов при их эксплуатации.

2. Работы, выполненные ВНИИстройдормашем и отечественными экскаваторными заводами, подтвердили возможность существенного сокращения потерь энергии и экономии топлива (до 2 — 5 т в год на одну машину) за счет совершенствования конструкции гидравлических экскаваторов и их рабочего процесса.

Иностранные фирмы, выпускающие гидравлические экскаваторы, активно ведут работы по созданию для них энергосберегающих устройств. Однако все проведенные исследования были ограничены только испытаниями экспериментальных образцов машин.

3. С целью развития выполненных работ исследована циклограмма нагружения насосно-силовой установки в рабочем цикле и выявлены негативные явления, заключающиеся в следующем: большую часть времени загрузка экскаватора связана с постоянным изменением мощностных характеристик в процессе выполнения различных операций, что ведет к неравномерности нагрузки насосов в наиболее тяжелых условиях и недостаточному использованию (до 50%) мощности первичного двигателя. около 20% от продолжительности рабочего цикла энергия гидронасосов не используется гидродвигателями, а направляется на слив через перепускной клапан.

Предлагаемая энергосберегающая гидросистема улучшает показатели рациональности привода гидравлического экскаватора, а именно: рекуперация энергии рабочей жидкости при нейтральном положении золотников гидрораспределителей и при опускании рабочего оборудования позволяют повысить критерий технического совершенства гидросистемы, производительность и снизить удельный расход топлива. На стадии проектирования машины разработанная система показателей позволяет определить эффективность использования энергетического потенциала, как всей машины, так и подсистем и выявить преимущество от внедрения той или иной энергосберегающей гидросистемы. Разработанная математическая модель энергосберегающего гидропривода одноковшового гидравлического экскаватора позволит описать работу гидравлической системы в функции времени. При использовании программы пользователем может быть получена наиболее значительная выходная информация - определение показателей эффективности с учётом инженерного расчёта гидропривода и рабочего оборудования.

Впервые разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы при выполнении операции копания. В качестве основного обязательного требования выдвинуто ограничение минимума начального давления ПГА и продолжительности копания. Для выбора окончательного варианта предложены дополнительные требования и рекомендации, обоснованные функционированием гидропривода. Впервые получена зависимость времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой от параметров ПГА и дросселирующей щели регулируемого дросселя, а также от коэффициента увеличения вместимости ковша К рек.к.

9. Установлено, что параметры ПГА следует выбирать из условия энергоемкости копания, а результативным фактором варьирования продолжительности операции копания является площадь дросселирующей щели. Для экскаватора ЭО-5126 с ковшом вместимостью 1,6 м3 рациональными параметрами энергосберегающей системы операции копания при работе его в принятых условиях являются площадь дросселирующей щели равная 395 мм2, начальный объем газовой полости 25 л и начальное давление газа в ПГА 24.67 МПа.

10. Эффективные параметры системы рекуперации энергии установлены с помощью рациональной методики - теории планирования эксперимента. В качестве основного требования выдвинуто ограничение минимального и максимального давления газовой полости ПГА, обоснованное условием эффективного функционирования. Применение полнофакторного эксперимента позволило определить для экскаватора ЭО-5126 с ковшом вместимостью 1,6 м3 рациональные параметры системы рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования: начальный объем газовой полости V а.с = 63 л и начальное давление газа в ПГА Р а.с = 18 МПа.

11. На основе исследований, выполненных в диссертационной работе установлено, что применение энергосберегающей гидросистемы на гидравлических экскаваторах 5-й размерной группы может повысить эксплуатационную производительность на 18.7%, расход энергоресурсов снижается на 13% или 2330 л. топлива в год, годовой экономический эффект от использования одной машины составляет 196930 руб.

5.4 Заключение

Проведенные в этой главе аналитические исследования позволили определить показатели эффективности экскаватора с различными типами гидросистем. Путем сравнения факторов, формирующих экономическую и конструктивную эффективность машин, удалось установить целесообразность применения энергосберегающей гидросистемы.

За счет внедрения энергосберегающей гидросистемы значительно повышается эксплуатационная производительность, которая оправдывает все дополнительные расходы, связанные с освоением новой техники, и достигается большой экономический эффект. Это позволит эксплуатационникам дольше использовать машины на производительной работе и окупить дополнительные первоначальные затраты на вновь создаваемых экскаваторах с энергосберегающей системой.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

- применение системы энергосбережения позволяет увеличить производительность экскаватора на 18.7% по сравнению с традиционным исполнением и на 17.6% по сравнению с экскаватором, оборудованным системой рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования;

- в тоже время расход топлива в экскаваторах оборудованных системой энергосбережения уменьшается по сравнению с традиционным вариантом на 19% и экскаватором, оборудованным системой рекуперации энергии стрелы - на 3.2%.

- критерий технического совершенства гидросистемы экскаватора оборудованного энергосберегающей системой, на 21.3% выше по сравнению с экскаватором традиционного исполнения и на 21.7% с экскаватором с системой рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования;

- применение системы энергосбережения позволяет снизить удельные приведенные затраты на 21% по сравнению с традиционным исполнением и на 17.6% по сравнению с экскаватором, оборудованным системой рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования; удельная энергоемкость экскаватора, оборудованного системой энергосбережения, уменьшается по сравнению с традиционным вариантом на 23% и с экскаватором, оборудованным системой рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования - на 21.3%. годовой экономический эффект от использования одной машины 5-й размерной группы с энергосберегающей гидросистемой составляет 196930 руб.

1. Раннев A.B., Панкрашин П.В., Васильченко В.А. Приводы универсальных экскаваторов и их испытания.- М.:"Машиностроение",1964.

2. Раннев A.B. Одноковшовые гидравлические экскаваторы. Пути экономии энергетических ресурсов. // Строительные и дорожные машины, 2000. - №6.

3. Раннев A.B. Универсальные экскаваторы с различными приводами. Обзор. Серия I "Строительные и дорожные машины", раздел 1 "Экскаваторы и стреловые краны". М.,ЦНИИТЭстроймаш,1974.

4. Раннев A.B. Тенденции развития конструкции гидравлических экскаваторов малой мощности. // Строительные и дорожные машины. — 1997. №4.

5. Раннев A.B. Одноковшовые экскаваторы Японии. Развития производства конструкции. // Строительные и дорожные машины. 1999. - №10.

6. Раннев A.B. Энергетические показатели экскаваторов с различными приводами. // Строительные и дорожные машины. — 1962. №7.

7. Ландсман А .Я., Рустанович A.B. Оптимизация замены гидравлических экскаваторов как фактор повышения экономической эффективности и топливной экономичности одноковшовых экскаваторов". Депонированная рукопись, ЦНИИТЭстроймаш. 1981. - №214.

8. Королёв A.B. Электроника в гидравлических экскаваторах. // Строительные и дорожные машины. 1989. - №12.

9. Королёв A.B. Экскаваторы с электронным регулированием трёхнасосной силовой установкой. // Строительные и дорожные машины. — 1990. № 1.

10. Королёв A.B. Экономия энергии на гидравлических экскаваторах.// Строительные и дорожные машины. 1995. - №2.

11. Раннев A.B. Особенности конструкции универсальных одноковшовых экскаваторов средней мощности.// Строительные и дорожные машины. 1997.-№1.

12. Раннев A.B. Гидравлические универсальные одноковшовые экскаваторы большой мощности. // Строительные и дорожные машины. 1997. -№11.

13. Раннев A.B. Развитие конструкций одноковшовых экскаваторов. // Строительные и дорожные машины. 1993. - №3.

14. Волков Д.П., Крикун В.Я., Тотолин П.Е. и др. "Машины для земляных работ". Учебник для вузов,- М.'Машиностроение, 1992.

15. Домбровский Н.Г., Панкратов С.А. Землеройные машина. М.:Стройиздат,1961. 652с.

16. Раннев A.B. Проблемы повышения технического уровня одноковшовых строительных экскаваторов. Труды ВНИИстройдормаш, 1984. Вып. 100.

17. Раннев A.B. Современные одноковшовые гидравлические экскаваторы. // Строительные и дорожные машины. — 1988. №5.

18. Рустанович A.B., Иванов В.Е., Михайлов A.M. "Сравнительные испытания экскаватора ЭО-3323 с серийным и экспериментальным гидроприводом Load Sensing. // Труды ВНИИстройдормаш. М., 1992. - Вып.6.

19. Соболевский А.И. и др. Современные гидрораспределители и пути их совершенствования. // Строительные и дорожные машины. 2000. - № 2.

20. Грязнов В.Н. и др. Система автоматического управления двигателем экскаваторов. // Строительные и дорожные машины — 1986. № 9.

21. Добринский Г.К., Порохнюк В.В., Зильбер А .Я. Электрогидравлические гидосистемы управления гидроприводом строительных и дорожных машин. // Строительные и дорожные машины. 1988. - № 7.

22. Рустанович A.B., Филиппов В.И. Энергосберегающие устройства гидравлических экскаваторов. // Строительные и дорожные машины. 1996. - №9.

23. Багданович J1.B. "Объёмные гидроприводы" К.: Техника. 1971.

24. Морсин В.М., Лейко B.C. "Исследование гидропередачи с объёмным способом регулирования". ВНИИстройдормаш. Труды XLV. М., 1969.

25. Башта Т.М. Объёмные насосы и гидравлические двигатели гидросистем. Учебник для вузов. — М.: "Машиностроение", 1974. с.606.

26. Тарнопольский В.М. Конструктивные особенности и перспективы развития гидроцилиндров. // Строительные и дорожные машины. — 1986. № 7.

27. Ларина В.В., Андрианов А.Н. Моноблочные гидрораспределители с литым корпусом. // Строительные и дорожные машины. — 1991. № 7.

28. Рожкин В.И., Грушецкий Ю.Л. Состояние и перспективы развития гидрораспределителей и регулирующих гидроаппаратов. // Строительные и дорожные машины. 1986. - № 12.

29. Кахова Н.Г., Рустанович A.B. Клапаны давления в гидроприводах строительных и дорожных машин. // Реср. тем. сб. "Строительное, дорожное и коммунальное машиностроение" разд. "Экскаваторы и стреловые краны". М.: ЦНИИТЭстроймаш,1983. - Вып.2.

30. Рустанович A.B., Маркин В.А. Экскаватор ЭО-6123. // Строительные и дорожные машины. — 1988. № 1.

31. Болтыхов В.П., Качкин Ю.М., Рустанович A.B. Гидравлический экскаватор ЭО-5124. // Строительные и дорожные машины. — 1987. №8.

32. Гаврилов Н.И. и др. Одноковшовые универсальные экскаваторы ЭО-4124А и ЭО-4125А. // Строительные и дорожные машины. 1991. - №5.

33. Рустанович A.B. и др. Гидропривод одноковшового экскаватора. а.с.№ 1680885, 1988. Би№36.

34. Щемелёв A.M. и др. Двухпоточный гидропривод строительно дорожной машины. а.с.№ 1587155, Би№31.

35. Рустанович A.B. и др. Гидропривод одноковшового экскаватора. а.с. №1680885 30.09. 1991. Би№36.

36. Раннев A.B., Васильев C.B., Поляков В.Б. Одноковшовый гидравлический полноповоротный мини экскаватор ЭО-1121А. // Строительные и дорожные машины. 1995. - №7.

37. Козлов Н.В. "Диссертация (к.т.н.) "Оптимизация параметров энергосберегающей гидросистемы привода стрелы экскаватора".ф ОМСК:СибАДИ,1988.

38. Тарасов В.Н., Коваленко М.В. Устройство уравновешивания рабочего оборудования стреловой машины. а.с. 2190062. 2002. Би №27.

39. Тарасов В.Н., Козлов Н.В. "Энергосберегающее устройство стрелы одноковшового экскаватора", а.с.1273465 А1. 1985.

40. Кондратьев Л.Ю. и др. Гидроприводы стрелоподъёмных механизмов экскаваторов и лесных машин.// Строительные и дорожные машины. — 2000. № 4.

41. Скобелев Л.С. и др. Гидравлический привод землеройной машины, а.с 1331971. 1987.- Би№31.

42. Кубачёк В.Р. и др. Насосно аккумулиторный гидравлический привод поворота платформы землеройной машины, а.с 1010224. 1983. - Би№13.

43. Тарасов В.Н. и др. Гидропривод поворота платформы, а.с.1134680. 1985.-Би №2.

44. Катюхин Б.П. "Рекуперативный гидропривод одноковшовых экскаваторов. Ленинград: "Ленинградстрой", 1969.

45. Катюхин Б.П. Новый гидропривод одноковшовых экскаваторов. "Бюллетень Главленинградстрой", 1958. №5.

46. Болтыхов В.П. и др. Гидропривод одноковшового экскаватора с рекуперацией энергии, а.с. №1382920. 1988. Би№11.

47. ЩемелёвА.М. и др. Гидропривод одноковшового экскаватора, а.с. 1640306. 1991. Би№13.

48. Тарасов В.Н. и др. Рекуперативный гидропривод одноковшового экскаватора, а.с. 1335654. 1987. Би№33.

49. Щемелёв А. М. Гидропривод экскаватора, а.с. 1643811. 1991. Би№15.

50. Новроцкий К.Л. Теория и проектирование гидро- и пневмоприводов: Учебник для студентов вузов по специальности "Гидравлические машины, гидроприводы и

51. Щ гидропневмоавтоматики".- М.:"Машиностроение",1991.-384с.

52. Виноградов Л.М., Лаптев Ю.М., Телица С.Г. и др. "Пневмогидроаккумуляторы". М.:"Машиностроение",1983.-176с.

53. Андриенко H.H., Хасилев B.JI. Система рекуперации в транспортном средстве фирмы General Elektrik(CIHA) // Строительные и дорожные машины. 1991. - №1.

54. Щемелёв A.M., Лесковец И.В. (Могилёвский машиностроительный институт). "Энергосберегающая система погрузчика"// Строительные и дорожные машины. — 1996.-№4.

55. Королёв A.B. (МикХиС). Особенности развития тяжёлых гидравлических экскаваторов. // Строительные и дорожные машины. — 2000. № 10.

56. Королёв A.B. (ЦНИИОМТП). Модификация одноковшового экскаватора UH07-7 фирмы Hitachi // Строительные и дорожные машины. — 1988. № 9.

57. Рустанович A.B. "Гидросистемы Load Sensing для экскаваторов". //Строительные и дорожные машины. — 1995. №10.

58. Пасынков Р.Н., Добринский Г.К. "Особенности конструкции гидроприводов с LS-управлением". Строительные и дорожные машины. 1990. - №3.

59. Малиновский Е.Ю. НПО "ВНИИстройдормаш". Гидроприводы строительных и дорожных машин. // Строительные и дорожные машины. — 1988. №5.

60. Малиновский Е.Ю. "Исследование приводов строительных и дорожных машин". -М.: ВНИИстройдормаш, 1985. Вып. 103.

61. Бондаренко В.Н. "Наладка гидросистем металлонесущих станков".-М.: "Машиностроение", 1973.

62. Домбровский Н.Г. Экскаваторы. Том 2 М.: Машгиз,1945.

63. Волков В.Р. Динамические нагрузки в универсальных экскаваторах кранах. -М.:Машгиз,1988.

64. Раннев A.B. и др. Строительные машины. Том 1. М.: Машиностроение, 1991.

65. Буланов A.A. Научно-технический расчёт по теме 03-67. "Разработка, исследование и усовершенствование систем гидропривода, и управление экскаватором". М.: ВНИИстройдормаш, 1967. - 218с.

66. Бузин Ю.М. "Энергетические основы рабочего процесса землеройно-транспортной машины". // Строительные и дорожные машины. 2001. - № 5.

67. Бузин Ю.М. Оценки энергетических возможностей землеройно транспортной машины при копании грунта. // Изв. Вузов. Строительство. - 1991. -№12. - С.81-84.

68. Бузин Ю.М. Иерархическая модель рабочего процесса землеройно-транспортной машины. // Изв. вузов Строительство. — 1999. №12. - с.76-82.

69. Акинфиев A.A. Режимы нагружения некоторых механизмов экскаватора ЭО -4125. Проблемы повышения технического уровня одноковшовых гидравлических экскаваторов. Труды ВНИИстройдормаш. М., 1987. — Вып. 112.

70. Рустанович A.B., Маркин В.А. Экскаватор ЭО-6123 // Строительные и дорожные машины. — 1988. №12.

71. Кудрявцев Е.М. Основы автоматизации проектирования машин: Учебник для вузов по специальности "Подъёмно транспортные, строительные, дорожные машины и оборудования" - М.: Машиностроение, 1993. -336с.

72. Малиновский Е.Ю. Расчёт и проектирование строительных и дорожных машин на ЭВМ.- М.: Машиностроение, 1980. 216с.

73. Подсвиров А.Н. Диссертация (к.т.н.) "Разработки конструкции и методики расчёта параметров погрузочного оборудования одноковшового фронтального погрузчика с энергосберегающим гидроприводом", Омск. СибАДИ,1992.

74. Лесковец И.В. Диссертация (к.т.н.) "Обоснование и выбор основных параметров систем энергосбережения одноковшового фронтального пневмо колёсного погрузчика". Могилёв. Могилёвский машиностроительный институт, 1997.

75. Круль К. "Метод определения составляющих сопротивления грунта копанию и нагрузок в шарнирах рабочего оборудования гидравлического экскаватора". //Строительные и дорожные машины. 1992. - № 11-12.

76. Беренгард Ю.Г., Гайцгори М.М. Автоматизация проектирования гидроприводов строительных и дорожных машин. Состояние и проблемы развития. Труды ВНИИстройдормаш. М., 1988. - Вып. 113.

77. Баловнёв В.И. Моделирование процессов взаимодействия со средой рабочих органов дорожно-транспортных машин". М.:Высшая школа, 1981.

78. Перлов A.C., Смоляницкий Э.А. Динамика системы "рабочего оборудования -гидропривод" одноковшового гидравлического экскаватора. Исследование одноковшовых экскаваторов. Труды ВНИИстройдормаш. М.,1972. - Вып. 54.

79. Поляков H.H., Зегжида С.А., Юшков Н.П. Теоретическая механика. -Ленинград, 1985.

80. Григорьев А.Г. Диссертация ( к.т.н. ) "Автоматизация проектирования рабочего оборудования одноковшового гидравлического экскаватора" M., 1990.

81. Расчёт системы гидропривода экскаватора ЭО-3323А с распределителем ЭГСВ. Тема: G233931/3. НПО"ВНИИстройдормаш". М.,1992.

82. Экскаватор одноковшовый ЭО-5126. "ТЯЖЕКС" СКБ "ЗЕММАШ". Проектные расчёты, -Воронеж, 1997.

83. Крикун В.Я., Манасян В.Г. Расчёт основных параметров гидравлических экскаваторов с рабочим оборудованием обратная лопата. Учебное пособие. Первое издание. М.:АСВ, 2001 -104с.

84. Раннев A.B. "Научно технический отчёт", ВНИИстройдормаш по теме "Разработать типовые методики расчёта основных механизмов одноковшовых гидравлических экскаваторов". Том 1. — М., 1982.

85. Смоляницкий Э.А., Ильин В.Ф. "Исследование гидропривода методом физического моделирования". "Исследование приводов строительных и дорожных машин". ВНИИстройдормаш. Труды XLV. М., 1969.

86. Рустанович A.B. "Расчёт основных параметров пневматических аккумуляторов". Труды института 54, ВНИИстройдормаш. М.,1972.

87. Васильченко В. А. Гидравлическое оборудование мобильных машин. Справочник. М.: Машиностроение, 1983. - 301с.

88. Тарасов В.Н. и др. "Аналитический метод кинематических и силовых параметров механизмов рабочего оборудования гидравлических экскаваторов". Инф. сб. "Строительные и дорожные машины", раздел "экскаваторы и стреловые краны".-М., 1971.-№1.

89. Болтыхов В.П., Филатов А.И., Фройдлес А.П. и др. "Гидравлический экскаватор ЭО-5124". М.: Машиностроение, 1991. - 256с.

90. Перлов A.C., Раннев A.B. " К расчёту рабочего оборудования и привода гидравлического экскаватора". Труды XLV, ВНИИстройдормаш. — М., 1969.

91. Фёдоров В.И. "Рабочие органы землеройных машин". М.: Машиностроение, 1990.

92. Рустанович A.B. О снижении потерь дросселирования при опускании рабочего оборудования гидравлических экскаваторов. Проблема повышения технического уровня одноковшовых гидравлических экскаваторов. Труды ВНИИстройдормаш. -М., 1987.-Вып. 100.

93. Башта Т.М. "Машиностроительная гидравлика" М.:"Машиностроение",1971.

94. Беляев Н.М., Уваров Е.И., Степанчук Ю.М. Пневмогидравлические системы. Расчёт и проектирование; под ред. Беляева Н.М. М.гВысшая школа, 1988-271с.

95. Башта Т.М. "Машиностроительная гидравлика. Справочное пособие". М.: Машгиз,1971.

96. Хаймович A.M. "Гидроприводы и гидроавтоматика станков". — Киев: Машгиз,1957.

97. Гейер В.Г. и др. "Гидравлика и гидропривод".Учебник для горных специальностей. М.:"Недра", 1970.

98. Виноградов JI.M., Лаптев Ю.Н., Телеци С.Г. и др. Пневмогидроаккумуляторы. М.: Машиностроение, 1993. - 176с.

99. Смирнов A.A. Диссертация (к.т.н.) "Физико-математическое моделирование гидроприводов при испытании сложных гидросистем" МГТУ им. Баумана. -М.,1995.

100. Кудрявцев Е.М. Моделирование систем машин для земляных работ на ЕС ЭВМ. Учебное пособие. М.: МГСУ, 1982 . * 105. Выгодский М.Я. Справочник по высшей математике. — Ленинград: ТТЛ, 1956.

101. Канторер С.Е. Строительные машины и экономика их применения. Издательство высшая школа. — М., 1970.

102. Канторер С.Е. Методы обоснования эффективности применения машин в строительстве. М.: Госстройиздат, 1961.108. "Методика расчёта основных механизмов одноковшовых гидравлических экскаваторов". Труды ВНИИстройдормаш. Том 2. - М.,1975.

103. Павлов В.П., Живейнов H.H. Проектирование одноковшовых экскаваторов с . применением ЭВМ и САПР.- М.: Машиностроение, 1988.

104. Крикун A.B. Диссертация к.т.н "Нагруженность рабочего оборудования карьерного гидравлического экскаватора прямого копания". — М.: МИСИ,1991.

105. Смоляницкий Э.А., Перлов A.C. "К динамическому анализу рабочего оборудования гидравлического экскаватора". ВНИИстройдормаш, Труды XLV. — М., 1969.

106. Башкиров В.А., Качкин Ю.М. СКТБ "Земмаш". Параметры аккумуляторной установки системы рекуперации энергии опускания рабочего оборудования экскаваторов. // Строительные и дорожные машины — 1989. № 1.

107. Кадзухино Фудзи. Оптимизация энергетики гидравлических экскаваторов. (Перспективы и предложения) "Кэнсэцу Кикай" 1998. - №3. - ст. 10-15.

108. Harnischfeger Edwin. "Hydraulische Steueranordnung". PCT WO 03/006753 AI 23.Mai 2002.

109. Nisimura Satoru. "The device for absorption of potential energy of elevating body of the building machine". JP 3129495 B2, 2002.