автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Обоснование параметров и методика конструирования системы утилизации тепла в приводе мобильной землеройной машины

Санкт-Петербургский Инженерно-строительный институт

?ГЗ С?.

-1 '

На правах рукописи

Вашуркин Игорь Олегович

ОБОСНОВАНИЗ ПАРАМЕТРОВ и МЕТОДИКА КОНСТРУИРОВАНИЯ СИСТЕМЫ УТШЮАЦИИ ТЕПЛА В ПРИЗ ОДЕ МОБИЛЬНОЙ ЗЕМЛЕРОЙНОЙ МАШИНЫ

Специальность 05.05.04 - Дорожные и строительные машины

Автореферат

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Пртербург

1993 тол

Работа выполнена на кафедре "Подъемно-транспортные, строительные и .порожные машины и оборудование" Транспортного факультета Тюменского индустриального института.

Научный руководитель: кандидат технических наук,

доцент Н.Н. Карнаухов Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор С.В.КаЪерзин кандидат технических наук, профессор В.Ф.Карелин Ведущая организация: СКВ "Газстроймашина"

(филиал, г.Тюмень) Защита состоится " 3 " июня 1993 г. в 13^° часов на заседании специализированного совета К 063.31.04 в Санкт-Петербургской Инженерно-строительном институте по ■а^есу: 198103, Санкт-Петербург, ул.Курляндская, •¿/Ь, ауд, 340.

С диссертацией можно познакомиться в библиотеке института.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат технических наук, доцент П.Д.Алексеенко

ОБЩАЯ ХАРАШРЙЯИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ТЕМЫ, Диссертационная работа посвящена решению задач повышения эффективности эксплуатации мобильных землеройных машин, работающих в условиях строительства линейных коммуникаций при низких температурах в северных районах Западной Сибири. В этом регионе работают многие тысячи мобильных машин, из которых только 3-5 % выпупвнн в северном исполнении. Это приводит к снижению их производительности в среднем в Г,5 раза по сравнению с летним периодом, наработка на отказ уменьшается в 2...3 раза, а фактический срок службы по сравнению с нормативным сокращается в 2...5 раз.

Особое место среди других проблем обеспечения работоспособности и эффективной эксплуатации мобильных землеройных машин на объектах линейного строительства, удаленных на десятки и сотни километров от баз механизации, занимают вопросы предпусковой подготовки их приводов, в частности, дизеля и гидросистемы при низких температурах. Они многогранны. йх решение связывают, в первую очередь, с применением высококачественных эимких сортов топлива, смазки, охлаждающей и рабочей жидкостей, с высокими пусковыми качествами дизелей, с применением специальнн* устройств, облегчающих холодный запуск машины в работу. Однако, удовлетворить нормативам и запустить мобильную землеройную машину в работу не Лолее чег-''за 45 минут пда низких температурах не удается без применения специальных систем предпускового подогрева привода. Но яти системы требуют дополнительных затрат

топлива, времени и труда. При атом возникают очевидные противоречия между потребностью в дополнительном топливе и избытком тепловой энергии у работающей машины. К настоящему времени накапливается опыт утилизации тепловой энергии работающей машины, но он во многом сдерживается, так как недостаточно изучены процессы теплоперэноса в прогреваемом в предпусковой период дизеле, отсутствуют простые, компактные и надежные средства аккумулирования тепловой энергии, нет системного методического обеспечения обоснования, расчета параметров и систем утилизации тепла (СУТ) приводов мобильных землеройных машин,

ЦЕЛЬ РАБОТЫ. Повысить эффективность эксплуатации цепного траншейного экскаватора типа ЭТЦ-208В (ДО (поднять выработку, снизить расход топлива, облегчить труд машиниста, увеличить наработку на отказ), обеспечив его предпусковую подготовку.при низких температурах от системы утилизации тепла (СУТ), обосновав параметры и разработав методику ее конструирования и расчета,

НАУЧНАЯ НОВ ЮН А. I, Разработана и предложена конструктивная схема СУТ экскаватора ЭТЦ-20Ш (Д) с тепловым аккумулятором (ТА), построенном на основе теплоаккумулирующего материала (ТАМа) - полиэтилена высокой плотности (ПЭВП). 2. Разработан применительно к северным районам Западной Сибири метод расчета и прогнозирования температурных условий эксплуатации мобильной землеройной техники в заданное время холодного периода года и в заданном месте ее эксплуатации. 3. Экспериментально исследованы и математически описаны процессы предпускового подогрева дизеля Л—160 -

приводного двигателя экскаватора ЭТЦ-208В(Д). 4. Разработаны математические модели и физические макеты СУТ, которые исследованы численно, а лабораторных и натурных условиях. Экспериментально подтверждена работоспособность опытной СУГ и ее элементов, корректность принятых Допущений при математическом описании процессов теплопереноса между средами: жидкий теплоноситель - массив дизеля, жидкий теплоноситель воздух, теплоаккумулирующий материал - жидкий теплоноситель и другими.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ. Исследования выполнены применительно к реальной землеройной машине, оснащенной опытной СУГ. Структура, конструкция и функциональная схема С>Т, разработанные автором диссертации, прошли опытную проверку на математических мои»лях и физических макетах. Методика расчета параметров и конструирования использована ВНЖЗЕММАШем при разработке опытных установок для испытаний СУТ и ее элементов, при конструировании экспериментальной СУТ экскаватора ЭТЦ-208В.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ. Основные положения диссертации докладывались на региональной конференции "Гидравлика и пневматика на пути к рынку" (Санкт-Петербург, 1992 г.); на республиканской конференции "Актуальные проблемы строительства автомобильных дорог" (Санкт-Петербург, 1992 г.), на республиканской конференции "Повышение эффективности землеройных машин" (Воронеж, 1992 г.). В полном объеме диссертация докладывалась на кафедев подъемно-транспортных, строительных и дорожных машин ТюмИИ (Тюмень, 1992 и 1993 годы) н на

- б -

МТС филиала СКВ "Газстроймашина" (Тюмень, 1993 год).

ПУБЛИКАЦИИ. По результатам исследований опубликовано три печатных работы и четыре отчета по НИР.

СТРУКТУРА И СеЬЕЫ РАБОТЫ. Дюсертация состоит яэ введения, вести разделов, заключения, списка литературы на 173 наименований и трех приложений. Работа содержит 143 машинописных страницы основного текста, 47 рисунков и 36 таблиц.

основное содержшЕ работы

ПЕРВЫЙ РАЗДО1. Анализируются условия эксплуатации мобильной землеройной техники в северных районах Западной Сибири, способы а средства их предпусковой подготовки. Отмечается, что к настоящему времени накоплен большой опыт ее эксплуатации при низких температурах, в том числе с использованием разного типа СУТ. Показано, что запасов вторичного тепла приводного двигателя мобильной землеройной извини -дизеля автотракторного типа, вполне достаточно доя обеспечения предпускового прогрева элементов ее привода. Во многих организациях (Красноярский филиал ВНШстройдорьш, НАМИ, КАТИ, ГосНИЩТ, Красноярский политехнический и Тюменский индустриальный институты, ЧТЗ, Ковровский экскаваторный завод, Кировский завод, КамАЗ) длительное время такими исследователям, как С.Д.Гулин, С.В.Каверзин, Б.А.Карепов, i.A.Николаев, А.И.Хорош а другими ведутся работы по созда-шш средств и систем предпусковой подготовки мобильных машин к работе при низких температурах. Их широкое внедрение сдерживается из-яа отсутствия теоретических обобщений и ме-

тодических рекомендаций по обоснованию применения, конструировании и расчету. Показано, что СУТ с ТА широко представлены в технике. Д»на их классификация, очерчена область' рационального применения. Показаны преимущества тепловых аккумуляторов на фазовых переходах (ТАФШ и обоснован выбор ТАМа - полиэтилена высокой плотности (ПЭВШ. Проанализированы сведения о теплоизолирующих материалах (ТШах), являющихся неотемлемой частью СУТ и обеспечивающих сохранность тепла на разных этапах ее функционирования.

Представлен климат севера Западной Сибири и рассмотрены природно-климатические условия эксплуатации мобильной землеройной техники. Установлено, что применительно к задачам диссертации эти сведения нуждаются в доработке.

Для достижения сформированной выше цели исследований поставлены следующие задачи:

1. Обосновать выбор и представить объект исследования, принципиальную конструктивную и функциональные схемы СУТ траншейного экскаватора ЭТЦ-208ВШ. .

2. Обобщить сведения о природно-климатических условиях эксплуатации мобильной землеройной техники в условиях севера Западной Сибири и на этой основе предложить метод прогнозирования температуры воздуха в заданном месте региона и в заданное время сезона с низкими температурами.

3. Исследовать и математически описать процессы теп-лопереноса от жидкого теплоносителя (антифриза 66) к прогреваемому в предпусковом периоде Дизелю Д-160.

4. Провести численные эксперименты с математическими моделями СУТ, предатавить теоретическую основу и разрабо-

таль методику обеспечения конструирования ее элементов.

5. Создать макетные образцы ТА и прогреваемого гидробака (ГБ) экскаватора ЭТЦ-208(Д) и испытать их в натурных условиях.

ВТОРОЙ РАЗДЕЛ. Представлен объект исследования -опытная СУГ, построенная применительно к цепному траншей-ноьу экскаватору типа ЭТЦ-206В(Д). Как это можно заметить, из рассмотрения упрощенной принципиальной схемы, изображенной на рис.1, опытная СУГ состоит из штатной системы I жидкостного теплообмена дизеля, дополненной трубчатым радиатором

2 для подогрева масла в его картере, трубчатым радиатором

3 для подогрева рабочей жидкости в баке 4 гидросистемы и теплового аккумулятора 5. В единый контур доработанная штатная система жидкостного теплообмена дизеля и ТА объединяются магистральными трубопроводами. Направление потока •антифриза обеспечивается распределителями 6 и 7. Циркуляция осуществляется насосом 8, взятым от подогревателя ПЖД-44. СУТ объединена с контейнером 9 для обогрева аккумуляторных батарей. С этой целью в дополнительную часть контура циркуляции введен бак ДО. Для "зарядки" ТА от отработанных газов, гаэовод после выхлопного коллектора имеет ответвление к ТА. При "разрядке" ТА поток горячего антифриза из его рчдиатора направляется по трубопроводу к трубчатому радиатору 2, нагревая масло в картере дизеля, а аатеы поступает в его под-рубавечное пространство. Птдав тепло дизелю, поток антифриза снова подводится к радиатору ТА. Далее циклы повторяются. После того, как прогретый дизель запущен в работу, его штатная система жидкостного теплообмена отключается от опи-

санного выше контура циркуляции. В дополнительный контур вместо дизеля включается трубчатый радиатор 3 гидробака 4. Происходит дальнейшее "разрядка" ТА, чем обеспечивается прогрев рабочей жидкости в баке гидросистемы. Когда температура последнего превысит -15° С прогрев рабочей жидкости в гидробаке завершен. После этого могут быть включены насосы гидросистемы. С началом работы экскаватора начинается 'Ъа-рядка" ТА от отработанных газов дизеля, проходящих по его газовым каналам. Когда температура ТАМа в ТА достигнет 200°С, его "зарядка" закончена. После этого отработанные газы специальной заслонкой направляются не к ТА, а в атмосфе-РУл. В период хранения тепла ТА отключен от остальной системы, а антифриз из него перемещен в подпиточный бак 10. Для этого подпиточный бак II соединен с атмосферой. В этот же период антифриз из бака 10 термосифонным способом перекачивается в трубчатый радиатор 12 контейнера 9, поддерживая температуру в нем от 0 до 5°С. При температуре окружающего воздуха Т0Кр вше расчетной (-50°С) прогрев рабочей жидкости в баке гидросистемы частично или полностью совмещается с прогревом дизеля. В этом случае радиатор гидробака включается последовательна дизелю.

Вновь создаваемая СУГ сложна и многофункциональна. В состав диссертации были включены только отдельные, вопросы ее конструирования и расчета. Их перечень представлен научными задачами, сформулированными выше.

ТРЕТИЙ РАЗД£П, Ощутимое место в разделе занимают исследования внешних воздействий на СУГ, определяющими из которых

- II -

являются температура воздуха и ее распределение по региону и времени в рамках зимнего сезона. Показано, что в Тюменской области действуют многие метеорологические станции и посты, систематически фиксирующие явления природы, включая температуру воздуха, и представляющих информацию в виде сборников рядов числе, привязанных к географическим координатам по времени года. Каждый из рядов наблюдений содержит годовой цикл изменения температуры воздуха, деформированный случайными отклонениями. В соответствии с задачами диссертации, информация была максимально сжата. Это осуществлено на основе реализации принципа ближайшего соседа, когда при дочта-точно частом расположении метеорологических постов, определяемая характеристика, в данном случае температура воздуха, несущественно отличается от характеристики на посту В, ближайшем к рассматриваемому пункту А. При этом реализуется формула Лльбагегния:

С05Й) = ¿¿п1/0 5мК+ соз1/а сов V соз(У# - V) , (15 где К V - широта и долгота рассматриваемого пункта.

Построенная на основе формулы (Л модель дает возможность прогнозировать для любого пункта данной территории среднемесячное значение температуры воздуха и другие природно-климатические характеристики. В результате моделирования и обработки выборки обьемом 2107 элементов получено для северных районов Тюменской области среднее значение температуры воздуха (-16,1 градуса); ее среднеквадратичное отклонение (-16,0 градуса); показатель ассиметрии выборки (0,062); показатель эксцесса выборки (0,128'».

- 12 -

С достоверностью 0,95 диапазон отрицательных температур составил 0 Т0Кр -60°С. Нижний предел этих температур (-50°С) принят в качества расчетного.

Обоснование и расчет параметров ТА и СЭТ в целом связан с исследованием процессов теплопереноса от шзг к ТАМу и к воздуху через одно- двухслойнуп металлическую стенку круглого или прямоугольного сечения, процессов теплопереноса от ТАМа к жидкому теплоносителю - антифризу через стенку трубчатого радиатора и к воздуху через изолированные стенки кожуха ТА, процессов теплопереноса от жидкого теплоносителя - антифриза через поверхность трубчатой формы к воздуху или к маслу гидросистемы и к массиву дизеля через поверхности подрубашачного пространства пускового и основного двигателей. Теоретическая база подобных исследований известна. Она ооновывается на уравнениях молекулярного и конвективного теплопереноса. В инженерном приложении описание процессов.теплопереноса известно. Оно доведено до расчетных формул применительно к простейший теплообменным устройствам и Дополнено эмпирическими коэффициентами, найденными на основе критериев гидродинамического, теплового, теплофизи-ческого и физического подобия. Известные теоретические представления о теплопереносе перечисленных форм приводят к определения теплопередачи соответствующего элемента:

fí¿ = KL F¿ (2)

гда например, для плоской многослойной стенки

// _ J__(3)

^ - и

для цилиндрической однослойной гладкой стенки

В формулах (2)...(4) приняты следующие условные обозначения: K¿ - коэффициент теплопередачи ¿-ой поверхностью, разделяющей среда^кВт/м К; f~¿ - площадь теплопередачи, м;

I/oty и l/ol£ - термические сопротивления жидкости или газа, омывающие стенку с одной и другой стороны, м^ К/кВт?

- то же для слоя материала стенки, м^ К/кВт? J1 а Л - толщина стенки (м) и ее теплопроводность (кВт/мК); c/f и 0/2 - наружный и внутренний диаметры цилиндрической стенки (м).

При расчете и конструировании СУТ эти подходы были реализованы с использованием специально разработанных вычислительных процедур, прошедших проверку при разработке макетных образцов ТА и гидробака.

ЧЕТВЕРТЫЙ РАЗДЕЛ. В разделе пре,оставлены результаты исследований процессов теплопереноса от жидкого теплоносителя - антифриза 65 к прогреваемому в предпусковой период дизелю Д-160. Были проведены испытания опытной СУТ, обеспечивающей прогрев дизеля Д-160. Испытания проводились в камере холода в ГОСНИИГГ (г.4еляг<инск) по методике автора и при его участии.

Конструктивная схема опытной установки изображена на рис. 2.

Дмель в crfope с опытной системой и' насосным arpera-

•с» I

Рис.2 Конструктивная схема опытной установки

I - дизель, 2 - радиатор подогрева иасла в картере, 3 - нзсос, 4 - калориметрический бак

том, размещенным на штатном маете (по аналогии о подогревателем ПВД-44), устанавливался в холодильной камере. Бак, с цельп снижения потерь тепла, располагался в теплом помещении за теплоизолированной стенкой.

В качестве насосных агрегатов использовались два стандартных насосных агрегата от подогревателей ПВД-44 и ГВД-биОМ. На этой установке было проведено 14 серий опытов в широком диапазона температур з камере холода от 0 .до -50°С, при четырех значениях температур антифриза (I3ü°C; II0°C; IüO°C, Э0°С) и при нескольких значениях массового расхода (от 0,155 до и,377 кг/с). Этим было перекрыто практически все поле возможных значений вышеперечисленных параметров в реальных условиях. При Tal « I3U°C наблюдалась высокая интенсивность прогрева дизеля. Оддако эта температура признана недопустимой из-за "закипания" антифриза и повышения давления в системе до 0,1 МПа. В 9 из остальных 13 серий опытов проводился полномасштабный эксперимент, когда после предпускового прогрева запускался дизель. При этом во всех случаях запуск происходил после первой же попытки. Результаты испытаний сравнивались с результатами аналогичных испытаний модернизированной системы предпусковой подготовки дизеля Д-160, построенной на основе подогревателя типа М1Д-44. Этой системой в настоящее время ос надаете я трактор T-I70.2I (исполнение "ХЛ"). Оказалось, что интенсивность подогрева дизеля Д-160 от опытной СУГ выле чем от штатной системы, что объясняется существенно больвим температурным напором. У системы с ПВД-44 в процессе всего перис-

да прогрева дизеля интенсивность теплового потока примерно одинакова (15,0 кВт), в то время как у опытной СУТ она в первоначальный период достигает 60...80 кВт (см.рис.З). Поэтому от нее в первые 6...10 минут к дизелю переносится до 80 Ж требуемой тепловой энергии. Однако греть дизель нужно много дольше (20...30 мин), В этом время наблюдается перераспределение тепла в его массиве, а тело в картере продолжает с высоким темпом прогреваться. ДЬже в атом случае общее время прогрева по отношению к случаю прогрева от подогревателя ПИД сокращается примерно в 1,5 раза.

В результате опытов была получена регрессионная зависимость энергии Эп, требуемой для предпускового прогрева дизеля, вида Эп=89000 - 290 Токр. На расчетном режиме ЭЙ = * 24*10^ кДк. Исследования на основе регресионного анализа связей между температурой антифриза на входе в дизель (Ы) и его температурой на выходе из дизеля (Та2) показали, что эти температуры тесно связаны между собой. Получено рекуррентное выражение этой связи:

Tct2(L) = Td2(L-/) + В-(Тс,Ц1) + Taf(L-f)) , (Ы где л /- pf ; о - 06 •

р(. - коэффициент регрессии между рядам чисел

A Tai(t) - 7crs(¿) ~ 7ás(¿-0 * 'Ectz ~ ficta)+

- 17 -

С - порядковый номер соответствующего опытного значения температуры антифриза, h * 30 с - временной ваг дискретизации опытной функции Та2( ); Ga - массовый расход антифриза, кг/с;

ta(i) = Tar(¿) - Tas(¿}

Испытания подтвердили вывод предшествующих исследователей, утверждавших, что о достаточности предпускового прогрева дизеля можно судить по температуре антифриза Та2 на ого выходе. Она должна составлять не менее 60°С. Это и тесная корреляции между Tal и Та2 позволили прогреваемый дизель идентифицировать емкостью с антифризом массой Ua « 102,3 кг.

Идентификация прогреваемого в предпусковой период дизеля емкостью с антифризом и представление его простой математической моделью позволили поставить и решить задачу описания и численного исследования СУТ, замкнув модели дизеля и ТА между собой, так как это представлено на рио.4. При этом ТА в период "разрядки" отображается емкостью с ТАЫом, массив которого пронизывает трубчатый радиатор с антифризом.

Процессы в подобной системе описываются следующими уравнениями:

Таг* Та2&)+ ~е^ ) '

Т ~ Т + 2аТо е~

"Г

сг/пг

л/ _ 2саОд , /¡т

а = /_£_ V- ).

уР 2са 6т СтГПг/

Уг

здесь /♦¿г — интенсивность соответствующего теплового потока, кВт; Тт - температура ТАМа; Ста и Ит - приведенная удельная теплоемкость (кДк/кгК) и масса (кг! ТАМа.

С использованием системы формул (6) найдена связь между параметром зеплопередачи Та Ат, временем прогрева дизеля и начальной интенсивностью теплоперекоса . При

атом

где

- ТлВк 6 Тс> 1 кВг

/г

(В)

Графики функции и Му(Аг) показаны соответ :твен-

но на рис.5 и рис.6. Видно, что если время принимать в пределах от 20 до 30 мин, то 0,25 Ат 0,15 кВт. Это было принято при конструировании пакетного образца ТА.

Ьн

.40

30

20

10

\

V

\ \

0

Аг

0,2 0,4 0,0 0,8

Рис.5 Зависимость параметра теплопередачи от времени прогрева дизеля

Ма(о)

100

Дг

0 0,2 0,4 0,6 0,0

Рис.6 Зависимость интенсивности теплопереноса от параметра теплопередачи

ПЯТЫЙ РАЗДЕЛ. Посвящен конструированию, обоснованию и расчету параметров Та и радиатора гидробака для СУТ экскаватора ЭТЦ-206В(Д), а также натуральным испытаниям на специальном стенде. В соответствии с предложенной нами методикой были определены основные параметры макета ТА и гид-ро*ака с трубчатым радиатором. При этом макет ТА выполнен в натуральную величину, а какег гидробака имее« половинный обьем. Исследование макетов ТА и гидробака проводились на специальной опытной установке, включающей трактор Т-130, установленный на открытом воздухе, и балансирный Динамометр М-Зб-4/ , смонтированный в специально оборудованном и отапливаемом помещении. Двигатель трактора соединен механической передачей с балансирным динамометром, создающим на его валу требуемый тарированный уровень нагружения. На кабине трактора смонтирован ткетный образец ТА, гаэо-вода которого соединены с магистральным газоводом трактора. На опытной установке 1ыло выполнено три серии опытов, при которых ТА бил "заряжен" от отработанных газов дизеля. После "зарядки" ТА при проведении первой и третьей серии опытов производилась его "разрядка", а после второй серии опнтов стачала изучался процесс сохранения тепла в ТА в межсменный период. Для "разрядки" ТА был специально скомпонован контур циркуляции антифриза, принципиальная схема которого приведена на рисунке 7. Из ее рассмотрения видно, что "разрядка" ТА осуществляется на емкость с антифризом, от которой з последующем идет прогрев масла в *аке гидросистемы.

ТА

Рис.7 Принципиальная схема системы циркуляции антифриза опытной установки

Н - насос, ?1 , Р2 - распределители, ТА - тепловой аккумулятор, ГБ - гедробак, Е - емкость с антифризом, Ш - расходомер, ТГ - тахогенератор, КЗ - калорифер, В - вентилятор

Анализ полученных при натурных испытаниях результатов показал, что макет СУТ работоспособен, все этапы его функционирования протекали удовлетворительно. Тепло от отработанных газов дизеля с интенсивность» до 2,5 кВт переносилось к ТАМу. Этого достаточна для накопления за рабочую смену требуемого количества тепла (приблизительно 35,0 10 кД*). Разряжался макет ТА со средней интенсивностью 20 кВт. Расхождение расчетных и опытных данных по измеряемым параметрам шза, ТАМа и антифриза не превышала 7...II %, что следует признать допустимым. Опыты по грогреву масла в макетном образце гидробака проводились от емкости с нагретым антифризом. Работоспособность созданных автором диссертации конструкций ТА и гидро*ака во всех трех сериях опытов была удовлетворительной.

РАЗЖЯ б. Включает технико-экономическое обоснование эффективности оснащения привода экскаватора ЭТЦ-208В СУГ. Сравнивались экскаваторы ЭТЦ-208&, один из которых зключает СУТ, а другой - систему предпускового подогрева дизеля Д—160 от подогревателя Л1Д-44. Сравнение, выполненное в безразмерных координатах, привело к определению расчетного _ годового экономического эффекта (в ценах 1989 г.), который на одну сдвину составил около 2000 руб/год.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Представлены основные результаты работы и сделаны выводы. В результате анализа состояния вопроса показано, что несмотря на большие усилия исследователей, конструкторов и практиков, проблема обеспечения предпусковой подготовки и эффективной работы мобильной землеройной техники в условиях низких температур по прежнему остается

актуальной. Особую остроту она приобретает для объектов линейного строительства нефте- газопроводов в северных районах Тюменской области, удаленных от населенных пунктов, стационарных баз_ обслуживания, линий электропередачи на десятки и сотни километров.

1С настоящему времени накоплен большой опыт использования разнообразных способов ч средств, облегчающих запуск и повышающих эффективность работы землеройных машин при низких температурах. Они разнообразны по принципам действия и эффекту. Однако их, как правило, объединяет потребность в дополнительном расходе топлива, труда и времени. При этом проявляется очевидное противоречие, заключающееся в том, что при работе землеройных машин большое количество тепловой энергии сгоревшего в приводном двигателе топлива остается неиспользованной и выбрасывается, в частности, с отработанный! газами, в атмосферу. Создаются системы утилизации этой теплоты (СУТ), в том числа с теллозш.'л аккумуляторами (ТА'). Из ТЛ, применяемых в технике, наиболее з(|фэктивны ТА®, в которых используется фазовый переход теплоагскуыулиругаего материала (ТАМа). Анализ сведений о существующих СУТ показал, что они не носят системного характера, не содержат методики конструирования и расчета основных параметров и нуждаются в развитии.

Представлен системный подход к проблеме создания современной СУТ Доя мобильной землеройной машины, разработанный и Тюменском индустриальном институте при участии автора диссер -тации. Обоснован выбор предмета и объекта исследований. Это СУТ да я экскаватора ЭТЦ-208В(Д).

- 24 -

В результате исследования условий эксплуатации установлено, что применительно к рассматриваемой в диссертации проблеме, они могут быть сведены к определению температуры воздуха и режима нагружвния дизеля.

В основу оценок температуры воздуха был положен материал наблюдений за разными показателями климата в Тюменской области. Для практической реализации этот материал был существенно сжат. Предложен метод сжатия информации о климате, алгоритм и программа расчета статистических характеристик температуры я регионе и их определение в заданное время сезона и в заданном месте. Установлено, в частности, что среднее значение температуры воздуха в регионе в зимний период составляет -16,1°С при среднеквадратичном отклонении - 16,0°С. В соответствии с этим с вероятностью 0,95 диапазон температур воздуха в регионе ограничивается пределами О > Токр > -50°С. Их нижний предел (~50°С) принят в качестве расчетного.

Условия нагружения привопа экскаватора ЗТЦ-?.08В(Д1 в регионе, принимаются тяжелыми (по классификации проф. ■ А«И.Тархова^, что при ручном управлении экскаватором соответствует уровню использования мощности дизеля Н = 0,65 (М = 0,6).

В результате представления теоретических предпосылок, методики конструирования и расчета СУТ, показано, что несмотря на сложность и многофакторность проблемы она может быть сведена к известным и типичным задачам теплопереноса от одной среды к другой через однослойную или многослойную стенку плоской или круглой формы с использованием известных

критериев подобия Рв, Рг , , ^и и других.

При экспериментальных исследованиях процессов тепло-переноса от шкета СУТ к дизелю Д-160, находящемуся в камере холода, и в результате сравнения полученных Данных с показателями его предпускового подогрева от системы с ПЖД-55:

- установлено для создаваемой СУТ высокая интенсивность теплопереноса от потока горячего антифриза к массиву дизеля, в первоначальный период достигающая 60...80 кВт, чем определяется ее большой потенциал по сокращению времени предпускового прогрева. Для ПЖД-44 эта интенсивность во время прогрева составляет 15 кВт. Были получены результаты, когда дизель Д-160 при -50°С прогревался за 8. ..10 минут. Однако была выявлена и признана обязательной вторая фаза предпускового прогрева дизеля, когда перераспределяется тепло в его массиве, быстро нагревается масло в картере. В целях сокращения общего времени подготовки экскаватора ЭТЦ-208В(Д) к работе в зтот период целесообразно в контур циркуляции антифриза включить прогреватель ¡гасла в бакз гидросистемы. При этом условия предпускового прогрева дизеля ощутимо не ухудшаться, а общее время подготовки машины к работе сократится до 20. ..30 мин;

- установлено, что количество тепловой энергии Эп , необходимой для предпускового прогрева дизеля Д-160, связана с температурой воздуха Токр уравнением регрессии

Эп = 89000 - 290 Токр.

о

В ¡нечетной ситуации Эп = 24*10 кДж;

- 26 -

Дин прогрева тела в баке гидросистемы в расчетной ситуации требуется дополнительно 3500 цДж. С учетом потребности в сохранении тепла в период межсменного простоя общее количество запасенной энергии в расчетной ситуации должна составить ~ 35»Ю3 кД^.

- Определено, что с позиции моделирования теплопереноса при прогреве дизеля Д-160, последний можно идентифицировать емкостью с антифризом массой М = 102,3 кг. Это позволило аналитически опмсать работу СУТ и рассчитать теплопередачу Ат жидкостного радиатора Та. При этом оказалось 0,25 > Ат> 0,15 кВт/К. Время прогрева дизеля Д-160 в этом случае составит 20...30 минут. В принципе параметр Ат может быть повышен до 0,64. При этом температура антифриза в СУГ не превысит допустимую величину (383 № Даже при Токр = 273 К.

Реализация результатов исследований представлена:

- методикой расчета и-прогнозирования температуры воздуха в заданное время сезона низких температур и в заданном месте региона;

- методикой конструирования и расчета основных параметров ТА и подогревателя гидробака. Методики включают теоретические предпосылки, блок-схемы алгоритмов и подпрограммы для расчетов на ЭВМ. Они прошли апробацию во ВНИИЗЕММАШе, гдз разрабатывались с участием автора проекты макетов ТА и опытного гидробака, а также испытательные установки.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

I. Вашурхин И.О. Структура ^нергопотоков в приводе многоковшового экскаватора. С^. Актуальные про^лемн строительства автомобильных дорог. Материалы респуб.конф.,

- 27 -С-Петербург, 1992, с.39.

2. Вашуркин И.О. Стабилизация теплового состояния привода мобильной строительной машины. Сб. Повышение эффективности землеройных машин. Материалы рсспуб. конф., Воронеж, 1992, с.66.

3. Вашуркин И.О., Карнаухов H.H. Оптимизация теплового режима гидропривода при низких температурах* Повдаеиие эф-' фективности строительных и дорожных маиин. Иежвуэ. сб.

науч. тр. - Ярославский политехнический институт - Лрославль, 1993 - с. 29-34.

Подписано к печати 29.04.93 г. Объём 2.0 п.л.

Злказ 2(9 Тираж 100 экз

Ротапринт Тю1.:ИИ. 625000 г. Тюмень,' ул. Володарского, 38