автореферат диссертации по процессам и машинам агроинженерных систем, 05.20.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных показателей МГА за счет снижения потерь рабочей жидкости при аварийном нарушении герметичности гидролиний

ВСЕСОЮЗНЫЙ ОРДЕНА. ТРУДОВОГО КРАСНОГО ШАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ МЕХАНИЗАЦИИ СЕЛЬСКОГО ХОЗЯЙСТВА (ВИМ)

На правах рукописи

НАСИРОВ Васиф Абулфаз оглы

УДК 631.372-585.2

ПОВЫШЕНИЕ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МГА ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ ПОТЕРЬ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ ПРИ АВАРИЙНОМ НАРУШЕНИИ ГЕРМЕТИЧНОСТИ ГИДРОЛИНИЙ

Специальности: 05.20.01 - Механизация сельскохозяйственного

производства;

05.13.07 - Автоматическое управление и регулирование, управление технологическими процессами (по отраслям сельскохозяйственного производства)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1992

Работа выполнена вп Всесоюзном ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства (ВИЫ)

Научный руководитель

Официальные оппоненты

Ведущее предприятие

- доктор технических наук, профессор, действительный член Инженерной Академии СССР, Член-корр.ВАСХНИ1 КСЕНЕВИЧ И.П.

- доктор технических наук, профессор ТАРАСИК В.П.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник

ШЕВЦОВ В.Г.

- Минский тракторный завод (1ЛТЗ)

Занята

состоится

У1992 г.

в ■( Ъ'' часов на заседании Специализированного Совета при Всесоюзном научно-исследовательском институте механизации сельского хозяйства по адресу: 109428, Москва, 1-й Институтский проезд, д. 5, ВИМ

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВИМ

Автореферат разослан

Ученый секретарь Специализированного Совета, кандидат технических наук Л.В.МАМВДОВА

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

- 'Актуальность работы. Постааченная сегодня перед страной задача интенсификации сельскохозяйственного производства на основе более широкого внедрения комплексной механизации и автоматизации производственных процессов с одновременным ростом машинно-тракторного парка требует непрерывного" увеличения топливно-энергетических ресурсов, использование и потери которых являются источниками загрязнения окружающей среда.

Значительные потери свежих масел в сельском хозяйстве обусловлены недостаточной надежностью гидросистем тракторов и сельскохозяйственных машин. По данным МИС, потери рабочей жидкости гидросистем при эксплуатации МТА составляют 112...225 тыс.т в год. Основная причина потерь рабочей жидкости при эксплуатации МГА - аварийное нарушение герметичности напорных гидролиний гидравлической системы МТА. Наиболее опасный, трудно предотвращаемый и часто встречающийся случай аварийного нарушения герметичности -разрыв рукавов высокого давления. Он приводит к снижению эксплуатационных показателей МГА - большим дополнительным затратам на восполнение потерь рабочей жидкости, простоям сельскохозяйственной техники.

Почва, растительный покров, грунтовые и поверхностные воды в большей степени подвержены опасности загрязнения нефтепродуктами при эксплуатации МГА. Даже самое небольшое их количество может сильно изменить качество воды, почвы и привести к гибели живых организмов. Установлено, что пленка из углеводородов на поверхности воды затрудняет процессы окисления, что оказывает вреднее влияние на нормальное развитие растительного покрова и животных.

Указанные обстоятельства определяют актуальность настоящей работы.

Данная работа выполнена воЛШШ-1 механизации сельского хозяйства (ЕИМ) согласно заданию 02.14И, утвержденному ГКЙТ при Совете Министров СССР №272 от 02.08.88 на 1988-1992 гг.

Цель работы - повышение эксплуатационных показателей МГА за счет снижения потерь рабочей жидкости при аварийном нарушении герметичности гидролиний с помощью разработанной нами системы автоматической 'защиты гидросистемы (САЗГ).

В соответствии о доставленной целью основными задачами работы являлись:

- обоснование целесообразности создания CAST от потерь рабочей жидкости при аварийном нарушении герметичности гидролиний;

- разработка САЗГ;

- разработка математической модели гидросистемы с САЗГ;

- создание программного средства для исследования статики

и динамики гидросистема с САЗГ, а также для изучения универсальности работы разработанной системы защиты во всех отечественных сельскохозяйственных тракторах.

Объект исследования - гадронавесная система трактора МТЗ-80 без гидродогружателя ведущих колео и лозиционно-силового регулятора.

Общая методика исследований. Теоретические исследования САЗГ выполнены с помощью разработанного программного средства МОЗГ (Моделирование системы автоматической защиты гидросистемы). Экспериментальные исследования проведены по разработанной методике на специальном стенде, воспроизводящем конструктивные и функциональные особенности гидронавесной системы трактора МТЗ-80.

Научную новизну работы представляют:

- математическая модель гидрораспределителя Р-80 с дифференциальным перепускным клапаном и' устройством автовозврата золотника;

- математическая модель гидронавесной системы трактора с

САЗГ.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

- разработана САЗГ от потерь рабочей жидкости при аварийном нарушении герметичности гидролиний;

- создано универсальное программное средство МОЗГ на базе персональной ЭВМ 1БМ РС/ХТ/АТ для математического моделирования статики и динамики простых гидронавесных систем тракторов, оснащенных системой автоматической защиты.

Реализация результатов исследований. Программное средство МОЗГ принято для использования в отделе гидроприводов НПО НАТИ и конструкторском бюро Минского тракторного завода.

Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались на Всесоюзном научно-техническом семинаре "Проблемы электронизации тракторов и сельскохозяйственных машин" (Одесса, 1989 г.) и Всесоюзной научной конференции молодых уче-

ных и специалистов по масличным культурам (Краснодар, 1991 г.).

Публикации. Основные положения и результаты диссертационной работы отражены в 6 научных публикациях и 2 заявках на авторские свидетельства, на которые получены положительные решения.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, списка литературы, состоящего из 139 наименований, приложения. Содержание изложено на 14В страницах машинописного текста с 35 иллюстрациями и 7 таблицами. Дополнительный материал представлен на 58 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Зо введении обоснована актуальность работы, сформулированы ее цели и задачи, приведены основные научные положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен анализ надежности гидравлической навесной системы и причин потерь рабочей жидкости при эксплуатации МТА. Обоснована целесообразность создания системы автоматической защиты гидросистемы от потерь рабочей жидкости и проанализирована существующие разработки подобных систем.

На основе анализа работ В.И.Барьшева, В.П.Вегеры, В.А.Диду-ра, О.Н.Дубровского, Г.Л.Кальбуса, А.Б.Клебанова, А.С.Иванова, В.И.Присса, И.П.Терских, Д.Е.Флеера, В.М.Янсона, занимающихся надежностью и диагностированием гидросистемы МТА, установлено, что полный или частичный отказ гидросистемы в основном обусловлен нарушением герметичности ее гидроагрегатов и сопряжений. Нарушение герметичности принято делить на внутреннее и внешнее. Внутреннее нарушение герметичности гидроагрегатов поддается предварительному диагностированию и устранению, при этом потери рабочей жидкооти практически исключаются.

При эксплуатации МТА потери рабочей жидкости в основном происходят во время нарушения внешней герметичности гидросистемы, которое не всегда удается диагностировать. В результате этого происходят мгновенный выброс в большом объеме рабочей жидкости во внешнюю среду.

Анализ причин разгерметизации гидроагрегатов (шестереннего насоса, распределителя, цилиндра, трубопровода, рукава высокого давления) и количества вытекающей при этом рабочей жидкооти из

гидросистемы показал, что основные потери рабочей жидкости про-•исходят при аварийном нарушении герметичности рукавов высокого давления — разрыве, механическом повреждении, вырыве или разрушении арматуры, конструктивных недостатках в.соединительных и запорных устройствах.

Исходя из анализа ресурсов отечественных рукавов высокого давления и технического уровня обслуживания сельхозтехники в хозяйствах, а также из количественного анализа на основе результатов испытаний тракторов на МИС потерь рабочей жидкости обоснована целесообразность создания соответствующих систем автоматической защиты гидросистемы (САЗГ) от потерь рабочей жидкости.

Существующие разработки САЗГ наряду с конструктивными особенностями отличаются по способам контроля аварийного нарушения герметичности рукавов. Основные способы контроля следующие: контроль уровня рабочей жидкости в баке; контроль давления рабочей жидкости в напорной гидролинии; контроль расхода рабочей жидкости через сливную гидролинию; контроль текущего объема рабочей жидкости в гидросистеме.

Недостаток этих способов - певоэложность одновременного выполнения следующих требований: предотвращение введения воздуха в гидросистему; исключение ложных срабатываний системы при колебании давления в напорной гидролинии и уровня рабочей жидкости в баке, а также при использовании в гидросистеме однополостных ги-дроциливдров; миниьшзация потерь рабочей жидкости и мощности на дросселирование жидкости в напорной гидролинии; универсальность работы системы во всех отечественных сельскохозяйственных тракторах.

На основе анализа недостатков и достоинств указанных способов контроля нарушения герметичности гидролинии показано, что наиболее рациональным и эффективным способом контроля является комбинированный , т.е. комбинация способов контроля по давлению в напорной и расходу в сливной гидролиниях.

Б работе основное внимание уделено снижению потерь рабочей жидкости при мгновенных (залповых) утечках, которые происходят во время аварийного разрушения рукавов высокого давления. Вопросы по предотвращению медленных (рутинных) утечек рабочей жидкости через неплотности уплотнительных элементов и зазоры гидроузлов нами не рассматривались в связи с их малостью и периодическими плановыми доливами.

Вторая глава посвящена разработке системы автоматической защиты гидросистемы. Основное внимание уделено разработке принципиальной схемы (рис. I) и исследованию закономерностей функционирования САЗГ.

Рис. 1. Принципиальная схема гидросистемы

3

/-10

№

1Г

л

{8

12

V»

12_

19

7

м

31

У*

с САЗГ:

1 - бак; 2 - насос;

3 - распределитель;

4 - переливный клапан;

5 - предохранительный клапан; 6 - жиклерный дроссель переливного клапана; 7, 8 - соответственно двух- и однопо-лостные гидроцилиндры; 9, 10, 11 - рукава высокого давления; 12, 13 -напорная и сливная гидролинии; 14 - магистраль канала управления!; 15 -бортовая сеть; 16 - электромагнитный клапан;

17, 18 - датчики давления и расхода; 19 - сигнализатор

Работа САЗГ основывается на контроле аварийного нарушения герметичности напорной гидролинии с помощью релейных датчиков давления и расхода, установленных в напорной и сливной гидролиниях; оповещении о возникщей разгерметизации устройством сигнализации; перекрытии потока рабочей жидкости через повреждение рукава автоматическим переводом золотника распределителя в нейтральную позицию.

Принцип работы САЗГ следующий. При разрыве рукава 9 или 10, ведущего к двухполостному гидроцилиндру 7, давление в напорной гидролинии 12 падает и уменьшается расход рабочей жидкости через сливную гидролинию 13, в результате срабатывают датчики давления 17 и расхода 18 и, следовательно, замыкаются их электроконтакты. В последствии замыкается электрическая цепь, включается звуковая

сигнализация 19, срабатывает электрошгнитный клапан 16 и последний, открываясь, соединяет напорную гидролиниш 12 через дроссель 6 переливного клапана 4 и канал управления 14 распределителя 3 со сливом. Под действием перепада давления ш дросселе 6 срабатывает устройство автовозврата золотника распределителя 3 и последний, переходя в нейтральную позицию, изолирует поврежденный рукав 9 или 10 от источника подачи рабочей жидкости. Таким образом снижается потеря рабочей жидкости.

При-разрыве рукава II, ведущего к однополостному гидроцилиндру 8, давление в напорной гидролинии 12 падает и в связи с отсутствием расхода рабочей жидкости через сливную гидролинию 13 оба датчика срабатывают и замыкается электрическая цепь. Дальше процесс срабатывания САЗГ происходит по вышеописанной последоваг-тельности.

В данной главе представлены конструкции элементов САЗГ -датчиков давления и расхода электромагнитного клапана, а также рассмотрены принципы их работ.

В третьей главе дана постановка задач теоретического исследования САЗГ, представлены разработанные математические модели элементов гидросистемы с САЗГ и структура моделирующей программы МОЗГ для исследования динамики и статики гидросистемы с САЗГ. Приведены методика и результаты теоретического исследования.

Для получения достоверной инфоршцш об исследуемой САЗГ, соответствующей реальным условиям функционирования, необходимо ее моделировать в комплексе с гидросистемой трактора. В связи с этим возникла необходимость в разработке математических моделей элементов гидросистемы и САЗГ, в том числе модели распределителя с дифференциальным перепускным клапаном и устройством автовозврата золотника. Важность разработки модели распределителя связана с необходимостью моделирования динамики срабатывания САЗГ, без чего невозможно точное определение быстродействия САЗГ и объема потерь рабочей жидкости при имитации разщва рукава.

Общая модель гидросистемы с САЗГ построена по методу элементно-узловых структур, использующему в качестве исходных модулей модели типовых функционально законченных элементов гидроприводов.

Ниже приводятся математические модели элементов гидросистемы и САЗГ.

Модель насоса описывается уравнениями:

где , и рц • Ра ~ рзсходы и давления соответственно на входе и выходе насоса 'здесь и далее индексы у (} и р означают вход (I) и выход (2) гидроэлементов); - рабочий объем насоса; (0Вр - угловая скорость вращения вала насоса; Кут- коэффициент объемных потерь насоса.

Приняты следующие допущения: рабочая жидкость не сжимаема в полостях насоса; подача рабочей жидкости равномерна; влияние индикаторных характеристик не учитывается.

Модель гидроцилиндра представлена дифференциальным уравнением движения поршня под действием сил давления, внешней нагрузки, трения и уравнениями расходов в полостях подъеда и опускания:

т^^х/оИ4-^Гйр2-РТР31дп(с1х/с41)-Ри.= 0 ; (2)

МрУЛ-О^йх/ИЫ: к<=М+МЛпР; (3)

Мр/сИ: +йгГгс1х/сИ=0; к5=Ц^г(М)/Епр; (4) Е„Р=Еж/М,Еж/(с*„ЕсЛ) (5)

где ГПц - масса поршня и штока; - рабочие площади поршня

в полостях подъема ж опускания; ^ - сила трения; Рц - усилие на штоке; К4, Ке - коэффициенты упругости полостей с жидкостью; л^, - мертвые объемы полостей; {ц - длина хода штока; ЕПр-приведенный объемный модуль упругости полости с жидкостью; -модуль упругости жидкости; Ест - объемный модуль упругости ште-риала стенки цилиндра; с|ц, с(ст ~ диаметр и толщина стенки цилиндра.

Для описания динамических процессов в трубопроводах и рукавах высокого давления использовали математическую модель с сосредоточенными параметрами без учета волновых процессов и инерционной составляющей жидкости

^р4/сИ-а4+о8=о, (6)

а гидравлические потери по длине вычисляли по формуле

где К= 0,25|Г£^р^т>/£пр - коэффициент упругости трубопровода (рукава); р - плотность рабочей жидкости; с/ГР - длина

и диаметр трубопровода (рукава); ЕПР= Е*/(^ГРЕж/(с(стЕст)) " приведенный объемный модуль упругости трубопровода (рукава);

Ьст ~ модуле упругости материала трубопровода (рукава); (Лет -толщина стенки трубопровода (рукава); Л = 6ч/кеи и,31Б/Яе0,25 коэффициент потерь по длине трубопровода (рукава) соответственно при ламинарном и турбулентном течении жидкости.; £е=2№4+0г\ / /В'-с1тр"^хс ~ число Рейнольдса; "\)ж - кинематическая вязкость.

Математическая модель распределителя Р-80 представлена комплексом моделей дросселя (местных сопротивлений), маслопровода, переливного и предохранительного клапанов и устройства автоматического возврата золотника.

Расход жидкости через'дроссель (местные сопротивления) определяется из уравнения:

где fзp - площадь проходного сечения; /¿¿р- коэффициент расхода; р - перепад давления; В - параметр, учитывающий инерционность столба жидкости.

Динамические процессы в шслопроводах распределителя описываются уравнениями, приведенными для трубопровода.

Обобщенное уравнение действующих сил на подвижный элемент кавдого из клапанов распределителя имеет вид:

т^Ш-|рЛ-Шс11-(х+Хо)-с-Рг-РТР=0, о)

где 17]* - масса подвижного элемента клапана; - сумма сил

давлений, действующих на подвижный элемент клапана (например, в уравнении модели переливного клапана этот показатель есть сумма сил давлений, действующих на поршень, седло и хвостовик клапана); Ь - коэффициент вязкого трения; С - жесткость пружины; Рг -гидродинамическая сила; Хо - предварительное сжатие пружины;

Расход жидкости через щель клапана описывается уравнением:

¿0/сЦ-В0-В/1и,я^ш.-х31п(ф/2)-819п(р)т/21р|/р', (ю)

где Цщ - коэффициент расхода жидкости через щель; с1ш, - средний диаметр дросселирующей щели; ф - урол конусности клапана.

Модель устройства автоштического возврата золотника состоит из трех частей - моделей клапана, бустера и золотника. Модель клапана автомата описывается приведенными уравнениями для клапана распределителя, а модель бустера - уравнениями движения бустера и расхода через его канавку:

М2х/сШ-Г5(ргр2)- (х+хоус=0, (п)

где - масса и рабочая площадь бустера.

Уравнение расхода жидкости через канавку бустера аналогично уравнении расхода через дроссель.

Модель золотника без учета инерционной силы и вязкого трения имеет вид

м5Л/Ш;Чх+х.)-с-Рг-рт,'51£пМх/с1Ц=С1, сю

где - ьасса золотника.

Деление (или суммирование) потока рабочей жидкости в узлах производится уравнением расходов гЕ. 0.^ = О .В это уравнение входят расходы с одинаковым знаком (перед буквенным обозначением расхода), если они одинаково ориентированы относительно расстат-риваемого-узла. Противоположно ориентированные расходы берутся с противоположным знаком. Например, для двух сходящихся ( (32 ) в один узел и одного исходящего ( 0о) из этого узла потоков жидкости уравнение имеет вид

Оо=а4+Ц5;

где - коэффициенты расхода; - площади проходных

сечений в уздах I и 2. ®

Здесь принято допущение, что коэффициенты гидравлических сопротивлений при смене направления потока не изменяются.

В общую ттематическую модель САЗГ входят модели электромагнитного клапана (ЭМК) и датчиков давления и расхода. Модель ЭМК описывается уравнением:

т„ х/Ш? - Рэ - Ь (1х/Л - (к+х0)- с - РР - Ртг- йЦп (с|х/сИ)=0, (14)

где (Пэ* - масса золотника клапана; Рэ - электромагнитная сила, приложенная к золотнику.

Модель датчика давления имеет вид

Ш„с1хЖ-р, ^-(Х +Х0)с - Ьо|х/Л = 0, (15)

где т83 - масса плунжера датчика давления; Газ - площадь головки плунжера датчика.

Модель датчика расхода представлена уравнениями действующих

сил на поршень и расхода жидкости через дроссельное отверстие:

MVdtWprM.Fap-fr+x0)-c-ь ax/at=о, «б)

где ttlip - шсса поршня датчика расхода; FaP - рабочая площадь поршня датчика.

Уравнение расхода через дроссельное отверстие имеет аналогичный вид, что и у дросселя.

Для теоретического исследования статического и динамического режимов гвдронавесных систем тракторов, оснащенных САЗГ, а также проверен универсальности работы последней в тракторах различных классов нами разработана моделирующая программа под названием МОЗГ (моделирование системы автоматической Защиты Гидросистемы) на базе персональных ЭВМ.

Расчет схемы сводится к определению переменных давлений, расходов, скоростей и положений подвижных частей в узлах схемы. На рис. 2 представлена схема гидросистемы с САЗГ с пронумерованными узлами между элементов.

В связи с наличием нелинейных элементов (клапана, дросселя, трубопровода и т.д.) в схеме гидросистемы с САЗГ в программе МОЗГ для расчета статики применен итерационный метод Ньютона.

В программе МОЗГ в начале расчета динамики гидросистемы с САЗГ в качестве начальных услэвий' параметров в узлах схемы используются результаты расчета статического режима.

При моделировании динамики управление моделями элементов осуществляется специальной подпрограммой. Она на каждом шаге переходного процесса формирует управляющие воздействия при поступлении команд от моделей элементов. По этим управляющим воздействиям изменяются проходные сечения выходных каналов и канала управления распределителя, щели электрошгнитного клапана, размер имитируемого разрыва рукава и т.д.

После формирования управляющих воздействий решаются алгебраические и дифференциальные уравнения элементов гидросистемы с САЗГ. Дифференциальные уравнения интегрируются с помощью явного метода Эйлера. Шаг интегрирования выбран Н = 10~®с.

С помощью программы МОЗГ моделируется два режима работы гидросистемы с САЗГ: без имитации разрыва рукава; при имитированном разрыве рукава. В первом режиме моделируется динамика рабочего процесса подъема сельхозорудия, во втором - переходной

Рис. 2. Используемая в программе МОЗГ схема гидросистемы с САЗГ: @ - номера узлов

процесс срабатывания САЗГ при имитированном разрыве рукава.

С целью обеспечения сопоставимости результатов математического моделирования и испытаний реальной системы разрыв рукава имитировали посредством включения одного из выходных каналов дополнительного распределителя, установленного в напорной линии параллельно гидроцилиндру. На рис. 2 выходной канал дополнительного распределителя указан переменным дросселем между узлами 21 и 46.

Во втором режиме моделирования после имитации разрыва рукава производится расчет промежутков времени срабатывания элементов САЗГ, а также объема потерь жидкости.

Программа МОЗГ работает в диалоговом режима о пользователем. Б начале работы пользователю по запросам программы необходимо задавать одну из указанных марок тракторов - МТЗ-80, Т-15СК и К-701 (при необходимости можно менять параметры элементов выбранной марки трактора); режим моделирования; высоту подъема сельхозорудия, при которой имитируется разрыв рукава; вид гидроциливдра (одно-шш двухполостный); интервал интегрирования; таг вывода результатов; номера узлов и параметры (давление -р ; расход - Ц , скорость - V , перемещение - 3 ). После завершения диалогового режима начинается автоютический расчет параметров в указанных узлах. Вывод результатов на печать с заданным шагом сопровождается их записью на магнитный диск ПЭВМ. Это позволяет пользователю строить графики переходных процессов на экране с помощью специальной программы. Результаты моделирования в любой момент"времени могут быть напечатаны на принтере в виде таблицы или осциллограмм переходных процессов.

Моделирование динамики рабочего процесса подъеш сельхозорудия без имитации разрыва рукава показало, что наличие в гидросистеме САЗГ не ухудшет ее рабочие характеристики. •

Для облегчения расшифровки полученных осциллограмм (рис. 3) переходного процесса срСатывания САЗГ с двухполостным гидроцилиндром при разрыве рукава примем следующее обозначение: символ с индексом означает параметр (символ) в указанном узле (цифровое значение - индекс). Например, р2< означает давление в узле 21 (см.рис. 2) или З^г,- перемещение подвижного элемента в узле 44 (перемещение штока гвдроциливдра).

Во время подъема сельхозорудия ( - см.рис. 3) давление в напорной линии почти постоянно. Когда шток гидроцилиндра достигает заранее заданного нами при диалоговом режиме расстояния (90 мм) производится имитация разрыва рукава. Шток гидроцилиндра ( £>44 ) определенное время по инерции движется вверх, а затем вниз. При прохождении рабочей жидкости через имитированный разрыв рукава давление р2< в напорной линии и расход жидкости 035 через сливную линию снижаются. В результате подвижные элементы датчиков давления ( ) и расхода ( $¿,3 ) начинают перемещаться, и после преодоления ими расстояния соответственно 2 и 10 мм перемещается золотник ( Эзз) электромагнитного клапана (здесь допущено, что электромагнит срабатывает без задержки).Открытием электромагнитного клапана надпоршневая полость переливного кла-

зи (тт)

Рис. 3. Осциллограммы переходного процесса срабатывания САЗГ с двухполостным гидроцилиндром

пана распределителя сообщается со сливом, в результате чего образуется перепад давления па поршне и срабатывает клапан автошта золотника. Жидкость поступает через открывающуюся щель клапана в надбустерную полость золотника и под действием сил давления жидкости бустер начинает движение (на осциллограммах не указаны перемещения клапана автошта и бустера в связи с ограниченностью в программе МОЗГ выводимых на печать параметров - не более пяти графиков на осциллограмме). После преодоления бустером расстояния 2 мл он освобождает от фиксаторов золотник ( ) и последний начинает перемещаться в сторону позиции "Нейтраль". Во время пе-

рехсда золотника в нейтральную позицию в соответствии с его перемещением управляющий блок в.программе изменяет величину проходных каналов распределителя, т.е. выходные каналы закрываются, а канал управления открывается. Б результате этого переливный клапан ( ) приоткрывается и по достижению золотника ( ) расстояния 7 мм распределитель переходит в нейтральную позицию. Из осциллограммы видно, что в процессе перехода золотника распределителя в нейтральную позицию расход жидкости через имитированный разрыв изменяется и после закрытия выходных каналов распределителя (т.е. переключения золотника) и полного опускания штока гидроцилиндра ( ) уменьшается до нуля.

Давление р^ в месте имитируемого разрыва рукава до момента начала аварийной ситуации меняется согласно изменению давления в напорной линии р4 с учетом потерь давления по длине рукава и в местах сопротивления. А после имитации разрыва давления ри падает до нуля. Давление р4 не успевает снижаться до нуля, поскольку в период его падения САЗГ срабатывает, и золотник распределителя ( ), переходя в нейтральную позицию, перекрывает поток жидкости через имитированный разрыв рукава. После срабатывания САЗГ давление принимает значение, соответствующее давлению холостого перепуска жидкости через переливной клапан ( Ззв ) распределителя.

Согласно результатам математического моделирования, время срабатывания САЗГ с двухполостным гидроцилиндром трактора МТЗ-80 составило 0,27 с. Время срабатывания САЗГ состоит из суммы промежутков времени срабатывания составляющих ее элементов и устройства автавэзврата золотника, другими словами, время с момента имитации разрыва рукава до окончания перемещения золотника. В сумме участвует значение времени срабатывания одного из датчиков, у которого оно больше, чем у другого. Величины промежутков времени срабатывания элементов САЗГ и устройства автовозврата приведены в таблице. Следует отметить, что здесь и в дальнейшем возможно несовпадения значения суммы вышеуказанных промежутков времени с приведенным значением времени срабатывания САЗГ. Дело в том, что все приведенные результаты получены непосредственно с помощью программы МОЗГ и не изменены автором. В программе, например, время срабатывания электрошгнитного клапана отсчитывается с момента включения обоих датчиков, тогда как время срабатывания устройства автовозврата отсчитывается с момента начала перемещения нла-

Результаты моделирования гидросистемы с САЗГ на тракторах различных классов с двухполостными гидроцилиндрами

Марка трактора

Класс трактора

Высота подъема гидроцилиндра при разрыве рукава,

мм

Время Время Время Время

сраба- сраба- сраба- сраба-

тыва- тыва- тыва- тыва-

ния ния ния ния

датчи- датчи- элек- устрой

ка ка трома- ства

давле- расхо- гнит- авто-

ния, да, ного возвра

л г» клапа- та зо-

О О на , с лотни-

ка, с

Время срабатывания САЗГ,

:Потери: :рабо- : :чей : :жидко-: :сти из: ггидро-: :систе~: :мы, :

: л :

Потери : рабочей: »едкое-: ти с : учетом : потерь : из ги- : дроци- : линдра,:

л i

Общий ди—: anaзон : потерь : рабочей : жидкости : при ис- : пользова-: нии САЗГ,:

л :

Потери : рабочей: жидкое-: ти без : исполь-: зования: САЗГ, :

л :

Среднее процентное соотношение потерь рабочей

жидкости,

%

МТЗ-80 1,4 90 0,08 0,18 0,04 0,06 0,27 0,22 0,86 0,22.. .1,87 18,5 95

T-I5CK 3 90 0,06 0,25 0,04 0,05 0,33 0,43 1,36 0,43.. .3,01 28,7 95

K-70I 5 90 0,09 0,26 0,01 0,01 0,34 0,63 1,57 0,63.. .4,75 32,1 93

Примечание: результаты приведены для однократной имитации разрыва рукава

пана автомата золотника, так как последний может приоткрываться, не дожидаясь полного открытия электромагнитного клепана.

Потери рабочей жидкости при имитированном разрыве рукава за время срабатывания САЗГ составили 0,22 л, а из полости подъема гидроцилиндра при опускании сельхозорудия после имитации разрыва рукава - 0,64 л.

Быстродействие САЗГ с однополостным гидроцилиндром составило 0,17 с. При этом потери рабочей жидкости равны 0,14 л. Общие потери жидкости, включая вытекающий объем жидкости из полости гидроцилиццре, составили 0,77 л.

Моделирование гидросистем с САЗГ для тракторов T-I5CK и K-70I показало, что разработанная нами система работает универсально. Результаты моделирования приведены в таблице.

Четвертая глава посвящена экспериментальным исследованиям САЗГ. При этом разработаны методики проведения лабораторно-стен-довых и полевых испытания САЗГ. Приведены результаты испытаний.

Дабораторно-стендовые испытания САЗГ проводились в лаборатории гидравлики Минского тракторного завода.

При испытаниях использовали следующие агрегаты гидросистемы и аппаратуры: насос НШ-32-3, распределитель Р-80, гидроцилиндр навески Ц-100, бак с фильтром, мерную емкость, груз массой 800 кг (гидравлические агрегаты соединены металлическими трубопроводами и рукавами высокого давления), источник стабилизированных гапря-жений (универсальный) ЦСНУ, осциллограф H-II5, усилитель УТ4-1, тензометрические датчики давления ТД-250 (3 шт), теизометрический датчик перемещения, расходомер ШУ-25-15.

Для снятия осциллограммы переходного процесса срабатывания САЗГ тензометрические датчики давления устанавливали в насосную магистраль, в магистраль полости подъема гидроцилиндра и в магистраль, соединяющую канал управления распределителя с электромагнитным клапаном.

Тензодатчик перемещения устанавливался таким образом, чтобы осциллографом фиксировались положения золотника распределителя Р-80 в позициях "Подъем" и "Нейтраль".

Величина предельной относительной погрешности измерения при осциллографировании переходного процесса составляла 1,2...4,3$.

Опыты по исследованию зависимости быстродействия САЗГ от температуры (вязкости) рабочей жидкости проводили при температурах жидкости 30, 40, 50, 60, 70°С. Термостабилизация осуществля-

лась путем принудительной циркуляции через радиатор, который охлаждался холодной водой.

Общий объем потерь рабочей жидкости определяли с помэщью мерной емкости. С целью оценки количественного значения потерь рабочей жидкости из гидросистемы за время срабатывания САЗГ без учета объема жидкости, выдавливаемого из гидроцилиндра при его опускании после разрыва рукава, перед снятием осциллограммы переходного процесса определялась фактическая объемная подача насоса. Для этого в насосную магистраль устанавливался расходомер, с помощью которого измерялся расход жидкости, подаваемой насосом. Во время осциллографирования переходного процесса расходомер снимался.

Во время испытания в связи с тем, что невозможно было разорвать рукав в желаемый момент времени, пришлось прибегать к имитации разрыва рукава. Она проводилась с помощью дополнительного распределителя, установленного в напорной линии параллельно гидроцилиндру .

При испытают САЗГ с однополостным гидроцилиндром в качестве последнего использовался тот же двухполостной гидроцилиндр Ц-100, однако при этом его полость опускания сообщалась непосредственно со сливом.

Осциллограмма переходного процесса срабатывания САЗГ с двух-полостным гидроцилиндром при имитированном разрыве рукава представлена на рис. 4. Как ввдно из осциллограммы, время срабатывания САЗГ состоит из промежутков времени срабатывания составляющих ее элементов и устройства автовозврата золотника tcjnr= 0.32 с.

Общий объем потерь рабочей жидкости, втекающей в мерную емкость, оказался равным 0,9 л. За время срабатывания из гидросистемы вытекло 0,25 л рабочей жидкости.

При использовании в гидросистеме однополостного цилиндра время срабатывания САЗГ равно 0,21 с. Общий объем потерь рабочей жидкости составил 0,82 л, а потери жвдкости непосредственно из гидросистемы без учета объема жидкости из полости подъема ги-дроцилицдра - 0,17 л.

Многократное повторение опытов при различных температурах рабочей жидкости показало, что быстродействие САЗГ практически не зависит от температуры (вязкости) жидкости.

Таким образом, лабораторно-стендовые испытания разработанной нами САЗГ показали, что она функционирует надежно и доста-

точно быстро dc поэт.! рабочем диапазоне температур жидкости.

Рис. 4. Осциллограмма переходного процесса срабатывания CAST с двухполостным гидроцилиндром при стендовых испытаниях: 1,2 - переключения контактов датчиков давления и расхода; 3 - переклотение рукоятки распределителя Р-80; 4,5,6 -давления в насосной магистрали, в полости подъема гвдро-циливдра, в кашле управления распределителя Р-80

Проведено сравнение результатов лабораторно-стевдовых испытаний и математического моделирования САЗГ. При этом расхождение результатов не превысило 20$. Расхождения связаны с принятыми ранее допущениями при разработке моделей элементов гидросистемы и САЗГ. Кроме этого, имеющиеся расхождения зависят от целого ряда факторов, включая точность измерений, и, в значительной степени, точность введенных в расчет экспериментальных характеристик (коэффициентов расхода, потерь в местных сопротивлениях,жесткости пружин и т.д.), варьируя 'которые можно получить лучшее совпадение результатов моделирования и экспериментов.

Полевые испытания САЗГ проводили ш тракторе МТЗ-80 на Западной ШС.

Для испытания САЗГ с двухполостным гидроцилиццром трактор МТЗ-80 агрегатировался плугом ПЛН-3-35, а с однополоетным - прицепом 2ПТС-4.

Для исследования переходного процесса срабатывания САЗГ использовался комплекс ЧЕК-2М, размещенный на автомобиле УАЗ-452.

Методика проведения полевого испытания была идентична методике лабораторно-стендового испытания.

Испытания САЗГ в полевых условиях на тракторе МТЗ-80 показали, что она функционирует надежно и примерно таким же быстродействием, которое было достигнуто в лабораторных условиях, работает без ложных срабатываний при любых неровностях почвы и дороги.

В пятой главе проведен расчет годового экономического эффекта от применения САЗГ на тракторах различных классов.

В связи с тем, что расчет проводился на этапе НИР, при определении цены САЗГ использованы розничные цены на I января 1991 г. серийно выпускаемых аналогов по металло- и трудоемкости составляющих элементов САЗГ.

Экономический эффект от применения САЗГ достигается, главным образом, за счет предотвращения 93...95% потерь рабочей жидкости (с учетом выдавливаемого объема жидкости из гидроцилиндра) в зависимости от класса трактора.

Результаты расчета годового экономического эффекта от применения САЗГ на тракторах МТЗ-80, T-I50K и K-70I на один трактор приведены ниже:

Марка трактора МТЗ-80 T-I50K K-70I

Изменение годовых эксплуатационных g g 28 I 83 2

Дополнительный экономический эффект

от сокращения простоя сельхозтехники, руб. 9,0 22,5 45,0

Годовой экономический эффект от

применения САЗГ, руб. 28 155 358

Годовые экономические эффекты от применения САЗГ на тракторах МТЗ-80, T-I50K и K-70I получены без учета дополнительного экономического эффекта от снижения загрязнения почвы рабочей жидкостью.

ВЫВОДЫ

1. Анализом причин потерь рабочей жидкости при эксплуатации МТА установлено, что основные потери происходят из-за низкой надежности рукавов высокого давления гидросистемы МТА. Уменьшить эти потери и тем самым повысить эксплуатационные показатели и экологической чистоты работы МТА можно путем создания системы автоматической защиты гидросистемы (САЗГ).

2. Снижение потерь рабочей жидкости из гидросистемы достигается за счет автоматического перевода гидрораспределителя на хо-

21

лостой режим о псысщыо разработанной САЗГ, состоящей из датчиков давления и расхода и электромагнитного клапана.

3. Экспериментальные исследования показали, что применение САЗГ позволяет прекратить подачу рабочей жидкости в поврежденный рукав за 0,32 с для гидросистемы трактора МТЗ-80, что характеризует эту систему как быстродействуюпуга: за это время из гидросистемы выбрасывается 0,25 л рабочей жидкости, т.е. 1,1% объема гидробака трактора.

4. Теоретические исследования САЗГ с помощью математического моделирования показали, что быстродействие САЗГ для различных классов тракторов находится в диапазоне 0,27...0,34 с, а потери рабочей жидкости - 0,22...О,63 л. Расхождение результатов математического моделирования и экспериментов, проведенных в реальных условиях, по определению быстродействия Си потерь рабочей жидкости) не превышает 20% для гидросистемы трактора MI3-80.

5. Для исследования динамики срабатывания САЗГ и перехода гидросистемы из положения "Подъем" в "Нейтраль" разработана математическая модель распределителя Р-80 с дифференциальным перепускным клапаном и устройством автовозврата золотника, которая является универсальной, так как на данном типе распределителя базируется все отечественные тракторные гидросистемы.

6. Для исследования работы САЗГ в составе гидросистемы и решения задач, связанных с созданием тракторных гидросистем на ранних этапах их проектирования, предлагается моделирующая программа МОЗГ, работающая на диалоговом режиме и реализованная на основе математической модели гидросистемы с САЗГ, которая охватывает все основные элементы этой системы.

7. Применение САЗГ позволяет сократить простои МТА при аварийном разрушении гидролиний на 72...84% за счет исключения операции по аварийному доливу рабочей жидкости, в результате чего повышается готовность парка сельхозтехники к эксплуатации.

8. Годовой экономический эффект от использования САЗГ на тракторах типа МТЗ-80, T-I50K и K-70I на один трактор без учета экономического эффекта от снижения загрязнения почвы рабочей жидкостью составляет соответственно 28, 155 и 358 руб.

Основное содержание Диссертации изложено в следующих работах:

1. Ксеневич И.П., Насиров В.А. Пути снижения потерь масла при эксплуатации тракторов.// Техника в сельском хозяйстве. -1989. - » б, с.22-23.

2. Насиров В.А. Принципы построения автоматической защиты