автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.02, диссертация на тему:Повышение производительности гидрофицированных грузоподъемных машин дегазацией рабочей жидкости

005008358

МИХАИЛОВ Александр Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН ДЕГАЗАЦИЕЙ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин

1 9 ЯН В 20/2

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Братск-2011

005008358

Работа выполнена в Федеральном государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Сибирский федеральный университет»

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Каверзин Сергей Викторович

доктор технических наук, профессор Ащеулов Александр Витальевич

доктор технических наук, профессор Иванов Виктор Александрович

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Донской Государственный Технический Университет» (г. Ростов-на-Дону)

Защита состоится 27 января 2012 г. в 10 - 00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.018.02. при ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет» в ауд. 128а, корп. 2, по адресу: 665709, Иркутская область, г. Братск, ул. Макаренко, д. 40.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО «Братский государственный университет».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах с подписью, заверенной печатью, просим направлять по указанному выше адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета. Для связи с секретарем могут быть использованы: факс (8-3953) 33-20-08, тел. (8-3953) 32-53-63, e-mail: efremov@.brstu.ru

Автореферат разослан 26 декабря 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совет?., кандидат технических наук, доцент

-^lu.

И. М. Ефремов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Совершенствование гидроприводов машин с целью повышения их эксплуатационной надежности и увеличения производительности весьма актуальны, а исследования в области влияния состояния рабочей жидкости на выходные параметры гидрофицированных машин очень своевременны. Из многочисленных факторов, влияющих на свойства рабочей жидкости, многие исследователи указывают на наличие газовой фазы и ее влияние на снижение подачи насосов, а как следствие, и изменение выходных параметров рабочих гидроцилиндров, определяющих производительность гидрофицированных машин. Большинство исследований направленно на установление негативного влияния температуры и инородных включений в рабочей жидкости, а содержание газовой фазы в рабочей жидкости не учитывается. В связи с вышеизложенным, основной задачей работы, требующей экспериментальных и теоретических исследований, является изучение влияния газовой фазы на скорость движения поршня гидроцилиндра грузоподъемной машины, а также изменение газовой фазы с учетом вибрации элементов гидропривода.

Цель работы - повышение производительности гидрофицированных грузоподъемных машин путем уменьшения нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости в гидробаке.

Задачи исследования.

1. Выполнить анализ способов дегазации рабочих жидкостей гидроприводов машин.

2. Разработать математическую модель влияния нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости на подачу жидкости в нагнетательную полость гидроцилиндра.

3. Установить зависимость изменения времени страгивания поршня и его скорости перемещения с уменьшением нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости.

4. Экспериментальным путем установить влияние вибрации гидробака на интенсивность дегазации рабочей жидкости.

5. Разработать, изготовить и применить стенд для решения 4-й задачи.

6. Предложить устройство дегазации рабочей жидкости в гидробаке с использованием одновременного влияния способов вакуумирования и вибрации.

Объект исследования - гидропривод грузоподъемной машины.

Предмет исследования - способ дегазации рабочей жидкости при совместном воздействии вакуумирования и вибрации.

Методика исследований и решения поставленных задач включает сравнительный анализ, системный подход, математическое моделирование и теорию планирования эксперимента.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций

подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы получены с использованием положений гидравлики, выводы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями, их воспроизводимостью и результатами математической обработки с использованием программ для обработки данных.

Научная новизна:

1. Рекомендовано совместное применение вакуумирования и вибрации с целью интенсификации процесса дегазации.

2. Получена математическая модель влияния объема нерастворенной газовой фазы в рабочей жидкости на подачу жидкости в нагнетательную полость гидроцилиндра.

3. Получены зависимости изменения времени страгивания поршня и его скорости перемещения с уменьшением нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости. На основе этих зависимостей определены оптимальные значения нерастворенной газовой составляющей для увеличения скорости поршня гидроцилиндра.

4. Получена эмпирическая зависимость скорости всплытия пузырька воздуха в рабочей жидкости под действием виброскорости. На основании полученной зависимости можно более точно вычислить количество нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости в гидробаке.

Практически значимые результаты исследования.

1. Разработана гидросистема мобильной машины с аккумуляторной подпиткой для циклической дегазации рабочей жидкости, на которую имеется патент РФ: №85920, а также его дополняющие №67203, 67675 и 71154.

2. Стенд для исследования влияния вибрации гидробака на интенсивность дегазации рабочей жидкости.

Основные положения, выносимые на защиту:

• математическая модель влияния нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости на скорость движения поршня гидроцилиндра;

• зависимости изменения времени страгивания поршня и его скорости перемещения с уменьшением нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости;

• результаты экспериментального исследования влияния виброскорости гидробака на скорость всплытия пузырька воздуха в рабочей жидкости гидропривода машины;

• техническое решение способа дегазации рабочей жидкости.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались

на совещаниях отдела главного конструктора Красноярского завода лесного машиностроения (г. Красноярск, 2006-2008); на Всероссийской студенческой научно-технической конференции в МГТУ им. Н. Э. Баумана

«Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (г. Москва, 2007); на Молодежной научно-технической конференции в СибАДИ «Проблемы будущего машиностроения» (г. Омск, 2008); на Молодежной научно-технической конференции в ПИ СФУ «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (г. Красноярск, 2008). Отдельные вопросы диссертации докладывались на заседаниях кафедры «Гидропривод и гидропневмоавтоматика» ПИ СФУ (г. Красноярск, 2006-2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 научных работ, из них четыре патента и две статьи в журналах, рекомендуемых ВАК.

Практическое использование результатов диссертации.

1. Результаты научно-исследовательской работы приняты к внедрению на предприятии ООО «Стандарт» при проектировании и производстве гидрофицированных лесозаготовительных машин: лесопогрузчиков, ва-лочно-трелевочных, валочно-пакетирующих, бесчекерных машин (подтверждено актом использования).

2. Результаты исследования внедрены в учебный процесс Политехнического института Сибирского федерального университета по направлению подготовки студентов «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» в виде использования исследовательского стенда и программы для ЭВМ (имеется акт внедрения).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех разделов, заключения, списка использованных источников и трех приложений. Объем работы - 131 страница, в том числе: 99 страниц основного текста; 27 рисунков; 2 таблицы; 120 наименований библиографических источников; 19 страниц приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель, задачи исследований, научная новизна и практическая значимость, изложены результаты выполненной работы.

Первая глава содержит обзор литературных источников по проблемам, связанным с наличием газа в рабочей жидкости гидропривода машин. Изучением данных проблем занимались Т.В. Алексеева, В.В. Абрамов, B.C. Башкиров, Б.П. Борисов, C.B. Каверзин, В.Е. Киреев, В.М. Коновалов, В.А. Рокшевский, М.И. Попова, Д.Н. Попов, Ю.С. Головко, А.Г. Дробышев, М.Ю. Тимофеев, В.В. Тугов и другие. Выполнен анализ и классификация способов дегазации рабочей жидкости, на основе которых определен наиболее эффективный из них - вакуумирование в слоях большей глубины. Проанализировано влияние газовой фазы рабочей жидкости на характеристики гидропривода и явления, возникающие при ее наличии.

Наличие газа в рабочей жидкости является одной из основных причин, вызывающих снижение производительности гидравлических приводов грузоподъемных машин. В частности, вследствие снижения модуля

объемной упругости жидкости, из-за присутствия нерастворенной газовой фазы в рабочей жидкости снижается скорость исполнительных элементов гидропривода. Вследствие окисления, образования смол и шлама, кавитаци-онных явлений и дизель-эффекта, обусловленных наличием газовой фазы, существенно уменьшаются сроки службы рабочей жидкости и гидрооборудования в целом.

Отрицательное влияние газовой фазы рабочих жидкостей на производительность гидропривода обусловлено несовершенством методов создания принципов и устройств по ее дегазации.

Техническую производительность грузоподъемных машин П, м3/ч, предлагается определять по известной формуле

n== 3600-g 'ц

где g - объем забора пачки леса, м3; /ц— продолжительность цикла, с.

Анализ формулы производительности показывает обратную пропорциональную зависимость от времени рабочего цикла машины, а продолжительность рабочего цикла машины рассчитывается по технологической схеме погрузочных работ и определяется по формуле

= ÎMII + ÎllK + ^ПС + toc + ¿РАЗГР

где /мп - время маневрирования машины; /цк - время забора пачки леса; /пс - время подъема стрелы; /ос - время опускания стрелы; /рдзгр — время разгрузки захвата.

Величины времени: ?цк, ?пс> 'ос, ?разгр зависят от подачи насоса, которая в свою очередь изменяется от многих факторов, одним из которых является нерастворенная газовая составляющая рабочей жидкости.

В работе рассматривается изменение времени подъема стрелы ?пс в зависимости от процентного содержания нерастворенной газовой составляющей в рабочей жидкости гидропривода.

Уменьшение нерастворенной газовой составляющей (дегазация) позволит увеличить подачу насоса, что повлечет снижение времени подъема стрелы и в конечном итоге увеличит производительность грузоподъемной машины.

Анализ классификации методов дегазации (рисунок 1) показал, что наиболее предпочтительным с точки зрения эффективности дегазации рабочей жидкости в гидроприводах, является метод вакуумирования рабочей жидкости в слоях большей глубины с вибрацией.

Следует отметить, что на грузоподъемных машинах, оборудованных исполнительными механизмами в виде гидроцилиндров, необходимое разрежение можно создать, применив блок питания гидропривода (патент № 67203).

Методы дегагааццн рабочей жидкости

Рисунок 1 - Классификация методов дегазации рабочей жидкости

Вторая глава диссертации посвящена разработке математической модели влияния нерастворенной газовой составляющей в рабочей жидкости на скорость движения поршня гидроцилиндра в гидроприводе подъема-опускания стрелы грузоподъемной машины. В основе разработанной математической модели были использованы теории гидродинамики, теоретической механики и труды других ученых. В качестве главного критерия эффективности была принята скорость движения поршня гидроцилиндра с учетом уравнения неразрывности потока рабочей жидкости в гидросистеме и выраженная в виде

л _ он ~шутн +опк + беж) ип ~ с

игцлп

где С/п - скорость поршня, м/с; (?н - теоретическая подача насоса, м3/с; Qж -расход через предохранительный клапан, м3/с; (?уТ.н - расход утечек в насосе, м3/с; беж-расход обусловленного сжатием-растяжением рабочей жидкости и нерастворенного газа, м3/с яГц - количество рабочих гидроцилиндров подъема-опускания стрелы; £ц - площадь поршня, м .

Подробное рассмотрение процессов, происходящих во всасывающей и нагнетающих линиях гидросистем машин, позволили получить уравнения изменения объема смеси рабочей жидкости и нерастворенной газовой составляющей на выходе из насоса. Анализ полученных уравнений и их преобразования позволили получить следующие формулы:

^см.вых ~~ ^рж1 ' 1 2 с- 1 + ^гнр1 '

ж »

где Ксмвых - объем смеси на выходе из насоса с учетом сжатия газа в рабочей жидкости при переходе в нагнетательный трубопровод, м3; Щж\, Щтч - относительное количество рабочей жидкости и нерастворенного воздуха в смеси; Каш - объем смеси на входе в насос, м3; Р\— давление перед насосом, Па; Рт- давление после насоса, Па; Е - модуль упругости рабочей жидкости, Па; к - показатель политропы.

После преобразования формулы 1 получим отношение объемов смеси на входе и выходе насоса:

*см.вых _ т _5.1 + И^

т, рж1 1 „ т"п1р1

СМ] у Е

кА;

Тогда теоретическая подача насоса с учетом нерастворенной газовой фазы и упругости рабочей жидкости запишется как:

где q - объем смеси, поступающей в насос при повороте вала насоса на 1 радиан, м3/рад, со - угловая скорость вала насоса, рад/с.

Поток рабочей жидкости, поступающий в рабочий гидроцилиндр, определяет скорость поршня при выполнении рабочего хода. Скорость поршня во многом зависит от упругости рабочей жидкости, обусловленной наличием нерастворенной газовой фазы, а расход смеси газа и рабочей жидкости, обусловленный сжатием-растяжением определится как:

Л

VС\А

Ж

Ж

' ' Г1-

р

V РЖ2

У

Л

Для вывода уравнения расхода, обусловленного растяжением-сжатием рабочей жидкости с растворенным газом, учитываем определение относительного количества рабочей жидкости и нерастворенного газа в напорном трубопроводе.

Допуская, что распространение газа в рабочей жидкости равномерно по всему объему, находящемуся под давлением, выведены уравнения для определения относительного содержания газа

¡V

IV =-

" ГНР2

IV

1-

Р--Р,

+ 1¥

Л

А уравнение для определения относительного объема рабочей жидкости при давлении Рг будет иметь вид:

^ржгИ-

№

Рг-Рх

IV

' ' ОЧ

1-

Р -Р

' 7_М

Е

-г гг г,

После преобразований с учетом изменений модуля упругости газа и относительным объемом жидкости и нерастворенного газа нами получено уравнение для определения расхода, обусловленного сжатием-растяжением рабочей жидкости и нерастворенного газа:

0-ж

-V

см2

_| | ^ПДЧ

уп

уРи

V

Р -Р

'2_£1

кР,;

к-Р;

£ <2>

л

Формула 2 показывает, что с повышением давления объем смеси в напорном трубопроводе уменьшается, что приводит к увеличению времени рабочего цикла гидроцилиндра.

Для улучшения работы гидроцилиндров необходимо обеспечить уменьшение Qcж путем уменьшения газовой составляющей рабочей жидкости во всасывающем трубопроводе. Уменьшение газовой составляющей на входе в насос может быть достигнуто уменьшением нерастворенной газовой составляющей жидкости находящейся в гидробаке.

Используя уравнения равновесия сил на штоках гидроцилиндров и неразрывности потока в гидросистеме, составлена следующая система дифференциальных уравнений второго порядка

Л2'

(Л\ Л

а)

( Р 1>Л 1 /*"

V гал ! Рг~Р1 \ ^ж ) Км Г> 1Рг) • Ои "(ИщЗД +йтИ +0ж)

(3)

Анр б)

где 7давл - усилие, развиваемое давлением на поршнях гидроцилиндров, Н; Тип - приведенная к штоку гидроцилиндра сила инерции груза и оборудования, Н; - приведенная к штоку гидроцилиндра нагрузка, Н; ГТР -сила трения в гидроцилиндрах, Н; Тп дАВЛ - потери усилия на штоке от потерь давления и противодавления, Н; Отпр - приведенная масса всего рычажного механизма, перемещаемого груза и массы жидкости в элементах гидропривода закрепленных на механизме подъема, кг; /ггц5пС/п - поток поступающий

в гидроцилиндры, м3/с; ^ КНУ - сумма внутренних объемов всех напорных

устройств и трубопроводов под давлением, кроме гидроцилиндров, м3; пщБПЬ - объем рабочих гидроцилиндров, м3; £гнр - объемный модуль упругости не растворенного газа, Па; Кщр - объем не растворенной газовой фазы, м3.

Дифференциальное уравнение (За) позволяет проследить изменение времени рабочего хода штока гидроцилиндра в зависимости от величины сил ^им>^г1р> ^-Гр> ^пдлвл> которые изменяются по величине в зависимости от положения звеньев рычажного механизма грузоподъемной машины.

Применяя имитационный метод исследования, система уравнений (3)' решалась в программе МаШСАЭ с использованием численного метода Рунге-Кутты четвертого порядка с фиксированным числом шагов, равным 10 000. В результате решения уравнения (За) нами были получены значения времени /,■ при максимальной приведенной массе тт.

Математическая модель составлена при следующих допущениях:

• выделение и растворение газовой фазы соответствует закону Генри;

• основные потери подачи происходят в насосе;

• гидравлическое масло обладает сжимаемостью, модуль упругости при этом зависит от величины давления;

• гидросистема абсолютно герметична;

• сжатие-расширение нерастворенной газовой фазы соответствует сжатию-расширению идеального газа;

• давление внутри пузырька газа, находящегося в жидкости, равно давлению жидкости.

Для решения уравнения (36) необходимо определить объем нерастворенной газовой фазы на входе в насос с учетом высоты всплытия пузырьков воздуха в гидравлическом масле:

у у . ^ЖЕ ~ ^в (4ч

ггир1 "гпро у \ '

жб

где КЖб - объем рабочей жидкости в гидробаке, м3; ¿к - площадь контакта жидкости с атмосферным воздухом в гидробаке, м2; КГНро - объем не растворенной газовой фазы до начала дегазации, м3.

В уравнении (4) высота всплытия пузырьков воздуха принята равной высоте слоя дегазируемой жидкости. Из литературных источников и доступной информации нами не обнаружены исследования о влиянии виброскорости на параметры всплытия пузырьков воздуха из слоя рабочей жидкости. Следовательно, необходимо выполнить экспериментальные исследования и по результатам получить зависимости высоты всплытия пузырьков воздуха от виброскорости рабочей жидкости.

Третья глава посвящена теоретическим и экспериментальным исследованиям влияния нерастворенной газовой составляющей на кинематические параметры поршня гидроцилиндра.

В главе приводятся решение системы уравнений (3), результатом которого были получены зависимости, графически представленные на рисунках 2-5.

Ь. м

0,80

0,72 0,64 0,56 0,48 0,40 0,32 0,24 0,16 0,08 0

Рисунок 2 - Зависимости пути поршня гидроцилиидра от времени при различном содержании нерастворенного газа на входе во всасывающую магистраль:

1-0,1 %; 2-6,4%; 3-13%

К, м/с 0,14

0,12

0,10

0,08

0,06

0,04

0,02

0

С

Рисунок 3 - Зависимости скорости поршня гидроцилиндра от времени при различном содержании нерастворенного газа на входе во всасывающую магистраль:

1-0,1 %; 2-6,4%; 3-13%

Из рисунков 2 и 3 следует, что при увеличении газосодержания в рабочей жидкости грузоподъемной машины ЛП-18К2 происходит значительное увеличение времени страгивания поршней и полное выдвижение штоков гидроцилиндров.

1

\2_

// \

Л

А

У ¿Г

>

0 0,85 1,70 2,55 3,40 4,20 5,10 5,90 6,80 7,60 8,50 I, С

1

\ -

\ ч —\ ---"" V т

9 м.

01234 5 6789

Рисунок 4 - Зависимость времени страгивания поршня от содержания нерастворенного газа на входе во всасывающую магистраль

Рисунок 5 - Зависимость времени подъема стрелы от содержания нерастворенного газа на входе во всасывающую магистраль

Анализ полученных графиков подтверждает гипотезу о влиянии процентного содержания нерастворенного газа в рабочей жидкости на скорость движения поршня, на величину пути поршня гидроцилиндра, на время страгивания поршня и время подъема стрелы грузоподъемной машины.

В имитационных экспериментах были использованы данные о содержании нерастворенного газа в гидросистеме грузоподъемных машин ЛП-18К2, применяемые Красноярским заводом лесного машиностроения при проектировании машин, значения которых находятся в пределах от 8 до 13 %.

Из графика видно, что снижение газовой составляющей с 13 до 4 % уменьшит время подъема стрелы с 12,8 до 11 секунд т. е. на 14 %.

Экспериментальная часть исследования включает изучение влияния диаметра пузырька, высоты его всплытия, вязкости рабочей жидкости при воздействии виброскорости на скорость всплытия пузырька воздуха.

Виброскорость гидробака, как один из важнейших показателей вибрации, согласно испытанию, проведенному на лесозаготовительной машине ЛП-18К2, изменяется в пределах от 5 до 17 мм/с. Кинематическая вязкость рабочей жидкости изменялась от 12-Ю"6 м /с до 54-Ю"6 м/с. Температура гид-, равлического масла варьировались от 3°С до 20° С. Диаметр пузырька условно был выбран 65ТО"4 м. Тепловая конвекция гидравлического масла не учитывалась. Экспериментальные исследования проводились в лабораторном помещении с учетом общих принципов теории инженерного эксперимента, при постоянной температуре окружающего воздуха без попадания на установку прямых солнечных лучей.

Экспериментальные исследования проведены в лабораторных условиях на стенде (рисунок 6), позволяющем изменять виброскорость, задавать диаметр пузырька, изменять температуру масла и фиксировать движение пузырька с помощью киносъемки.

сш

ааа □со

ООП

Рисунок 6 - Общий вид и схема стенда

Экспериментальный стенд включает в себя стеклянную трубку 1, наполненную маслом МГ-15В, тяги 2, электродвигатель со смещенным центром тяжести 3, иглу 4, пневмо-насос ручного типа 5, датчик для измерения виброскорости 6, виброметр 7. В качестве гидробака использована стеклянная трубка 1 с прозрачными стенками для визуального контроля за ходом эксперимента, наполненная гидравлическим маслом МГ-15В ГОСТ 17479.3-85. Погрешности приборов, использованных в экспериментальных исследованиях, имеют следующие значения: термометр ТЛ-2 ± 1°С вискозиметр капиллярного типа ВПЖ-2 ± 0,2 мм/с, измеритель виброколебаний «ИНК-2.4» ± 0,1 мм/с, времени всплытия пузырька ± 0,04 с, высота всплытия пузырька ± 0,5 мм.

При включении источника колебаний 3 возникает вибрация, которую тяги 2 передают стеклянной трубке 1. Вибрация от стенок стеклянной трубки 1 передается маслу МГ-15В, в которое через иглу 4 посредством ручного пневмонасоса 5 вводится пузырек воздуха. Величина виброскорости менялась путем изменения величины электрического тока, поступающего на источник колебаний 5. Измерительная часть стенда представлена датчиком вибрации 6 и виброметром 7. Проведение эксперимента снималось на видеокамеру со скоростью съемки 25 кадров в секунду и разрешением 720 на 576 пикселей.

Существующие методы дегазации рабочей жидкости не учитывают возможные вибрационные воздействия на рабочую жидкость, находящуюся в гидробаке и влияние виброскорости на дегазацию жидкости путем выделения воздушных пузырьков нерастворенной газовой составляющей.

В работах Адамара - Рыбчинского показаны формулы для определения скорости всплытия пузырьков в жидкости, но в этом уравнении не учитываются возможные влияния виброскорости которые присутствуют при размещении гидробаков в конструкциях гидрофицированных машин.

Проанализировав различные способы аппроксимации, полученные в ходе эксперимента данных, была выбрана функция:

К = а

■Я1

\

Я

3Л*У

+ 6Эвиб+с (5)

где V- скорость всплытия пузырька воздуха с учетом вибрации, м/с; g - ус-

корение свободного падения, м/с ; Л- радиус пузырька воздуха, м; \'рж - ки-

нематическая вязкость гидравлического масла, мм2/с; Эви6— виброскорость гидробака, м/с.

Полученное уравнение регрессии (5) наилучшим образом описывает функциональную зависимость скорости всплытия пузырька воздуха под действием виброскорости. Обработка данных полученных экспериментально производилась методами наименьших квадратов и корреляционного анализа на

ПЭВМ, а ошибка измерений составила Липт = 0.035102 = 3.51 %, что достигается, главным образом, за счет высокой точности измерительных приборов.

Графики, представленные на рисунке 7, позволяют наглядно оценить^ 1

< ]

зависимости скорости всплытия пузырька воздуха в гидравлическом масле под действием вибрации и различных температурах. Коэффициенты а, Ь, с получены после обработки экспериментальных данных и зависят от физических и химических свойств гидравлического масла. Полученное регрессионное уравнение (5) действенно для масла МГ-15В, используемое в гидроприводе объекта исследования.

V, мм/с 28 24 20 16 12 8 4 0

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 Ывиб, мм/с

Рисунок 7 — Зависимость скорости всплытия пузырька воздуха в гидравлическом масле под действием вибрации и различных температурах:/ - 3 °С; 2 - 12 °С; 3 - 20 "С

3 о

"Со

} о У. о Г

о>эс

Для решения уравнения (4) для определения объема нерастворенной газовой фазы на входе в насос с учетом всплытия пузырьков воздуха в гидравлическом масле, экспериментальным путем определили зависимость высоты всплытия И от размеров пузырка 7?о с использованием формулы

Н —

1/2/р Л Л (

Р, )>

(6)

в которую подставляется виброскорость и коэффициенты а и Ь, полученные экспериментальным путем (а = 0,43; Ъ = 0,58).

Формула (6) получена после преобразований следующего выражения, выведенного из закона Генри

п1/2_п1/2 Ф ( РЯ) Рьо ,

и (7)

где ф - газосодержание при атмосферном давлении; М- средняя молекулярная масса газа, а.е.м.; £> - коэффициент диффузии воздуха в масле м2/с; g - ускорение свободного падения, м/с2; V - коэффициент кинематической вязкости масла, м2/с; Я - радиус пузырька воздуха, м; г - время диффузионного процесса, равное времени пути пузырька воздуха от сливного к всасывающему патрубку; Ры) - давление на свободной поверхности рабочей жидкости в гидробаке, Па; РБ - давление разрежения в гидробаке, Па. Причем во избежание ценообразования и излишнего удаления легких компонентов масла Ръо >РБ и Рк не должно превышать 66,5 КПа.

Используя метод машинного эксперимента с применением программы МаАСАО получены зависимости изменения высоты всплытия пузырьков воздуха от скорости вибрации.

На рисунке 8 представлена зависимость высоты всплытия пузырьков воздуха размером 61,2 мкм в гидравлическом масле МГ-15В ГОСТ 17479.3-85 (при температуре 60 °С) от виброскорости и различном разрежении гидробака.

//, м 0,081 0,072

0,063 0,054 0,045 0,036 0,027 0,018 0,009

°0 2 4 6 8 10 12 14 16 18о ,,мм/с

Рисунок 8 — Зависимость высоты всплытия пузырька воздуха от виброскорости гидробака

Таким образом, по результатам проведенного исследования можно сделать следующие выводы:

1) получено уравнение регрессии, которое позволило описать функциональную зависимость скорости всплытия пузырька воздуха под действием виброскорости;

2) скорость всплытия пузырька линейно зависит от виброскорости колебания гидравлического масла;

3) пузырек газа независимо от его размеров двигался равноускоренно, каждые 100 мм пройденного пути скорость увеличивалась на 0,6 с.

В четвертой главе представлен патентный анализ конструкций устройств дегазации, использующих различные способы вакуумирования, в ходе которого были выявлены их достоинства и недостатки, также предложен способ улучшения дегазации рабочей жидкости путем применения закрытой гидросистемы с аккумуляторной системой подпитки, представленной на рисунке 9.

Р - распределитель; М - гидромотор; ГЦ - гидроцилиндр

Основу системы подпитки составляют гидроаккумулятор 1, клапан управления 2, гидрораспределитель 3, предохранительный клапан 4. Устройство дегазации состоит из пневмораспределителя 5, воздушного фильтра 6, обратных клапанов 7 и 8, пневмоцилиндра 9 и стойки 10. Гидроаккумулятор 1 устанавливается на сливной магистрали, которая соединяется со всасывающей

линией насоса через гидрораспределитель 3, имеющий две фиксированные позиции. С одного торца золотника распределителя имеется полость управления, соединенная через дроссель со всасывающей линией насоса, а также с выходом клапана управления 2 и полостью управления пневмораспределителя 6.

С другого торца на золотник воздействует пружина, которая при определенном давлении во всасывающей линии насоса переводит золотник в позицию, соответствующую зарядке аккумулятора. При этом жидкость из полости управления вытесняется через дроссель во всасывающую линию насоса. Одновременно с этим под действием пружины золотник пневмораспределителя 5 перемещается в положение, при котором гидробак сообщается с атмосферой через воздушный фильтр б. При этом в поршневой полости пневмоцилиндра 9 создается вакуумметрическое давление за счет попеременного открытия/закрытия обратных клапанов 7,8 и возвратно-поступательного движения штока пневмоцилиндра 9, после чего последний остается в задвинутом положении и дегазация не осуществляется.

Система подпитки и дегазации действует циклически. При давлении ниже установленного сливная магистраль после аккумулятора перекрывается гидрораспределителем 3, при этом производится зарядка гидроаккумулятора 1, а насос всасывает жидкость из гидробака. При увеличении давления в гидроаккумуляторе 1 до величины, соответствующей его достаточной зарядке, клапан управления 2 переключает гидрораспределитель 3 и пневмораспреде-литель 5. Такое положение пневмораспределителя 5 соединяет газовую полость гидробака с пневмоцилиндром 9. В процессе работы штока гидроцилиндра машины возвратно-поступательное движение при помощи стойки 10 передается штоку пневмоцилиндра, тем самым осуществляется вакуумиро-вание рабочей жидкости в гидробаке. В результате происходит интенсивное выделение газовой фазы из рабочей жидкости. В то же время золотник гидрораспределителя 5 перемещается в положение, соответствующее соединению сливной и всасывающей магистралей гидросистемы. Обратный ток жидкости в гидробак из всасывающей магистрали предотвращается гидрораспределителем 3. Утечки в системе и колебания потока слива компенсируются гидроаккумулятором 1. При чрезмерном повышении давления в системе подпитки его величина ограничивается предохранительным клапаном 4. В гидробак гидравлическое масло поступает только по дренажным магистралям гидромашин и гидроаппаратуры. Эта жидкость представляет собой смесь масла и воздуха, которую эффективно деаэрирует устройство дегазации.

Разработанная гидросистема с закрытой циркуляцией, аккумуляторной подпиткой и устройством дегазации обладает рядом достоинств:

• за счет цикличности системы дегазация не оказывает влияния на процесс всасывания рабочей жидкости насосом;

• снижается количество газовой фазы рабочей жидкости;

• увеличивается коэффициент подачи основного насоса.

Вышеназванные преимущества предложенной гидросистемы обусловливают повышение эффективности эксплуатации грузоподъемной машины.

В двух приложениях приведены результаты экспериментальных данных по исследованию процесса дегазации под действием вибрации и программа для ЭВМ по расчету влияния нерастворенной газовой составляющей в рабочей жидкости на динамические характеристики гидроцилиндров подъема-опускания стрелы грузоподъемной машины.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Выполнен анализ способов дегазации рабочих жидкостей гидропривода машин через их классификацию. Наиболее предпочтительным является способ дегазации рабочей жидкости при совместном воздействии вакуумирова-ния и вибрации.

2. Разработана математическая модель влияния нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости на подачу жидкости в нагнетательную полость рабочего гидроцилиндра подъема-опускания стрелы.

3. На основании исследования, выполненного с использованием математической модели, получены зависимости скорости поршня гидроцилиндра, пути поршня гидроцилиндра, времени страгивания поршня гидроцилиндра от объема нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости. Так при снижении газовой составляющей с 13 до 4 % уменьшится время подъема стрелы с 12,8 до 11 секунд т. е. на 14 %.

4. Разработан, изготовлен и применен стенд для изучения влияния виброскорости гидробака на интенсивность дегазации рабочей жидкости. Было установлено, что воздействие виброскорости, равной 18 мм/с увеличивает интенсивность дегазации рабочей жидкости на 53 %.

5. Экспериментальным путем установлено, что скорость всплытия пузырька воздуха линейно зависит от виброскорости колебания гидравлического бака. Кроме того, было получено уравнение регрессии, которое позволило описать функциональную зависимость скорости всплытия пузырька воздуха под действием виброскорости бака. Полученная формула может быть использована для более точного расчета количества нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости.

6. Разработана новая схема устройства для циклической дегазации рабочей жидкости, включающая в себя закрытую аккумуляторную систему подпитки (Пат. РФ № 85920) в комплексе с устройством дегазации (Пат. РФ № 67203).

7. Результаты работы внедрены:

• на предприятии ООО «Стандарт» при проектировании и производстве гидрофицированных лесозаготовительных машин (лесопогрузчиков, ва-лочно-трелевочных, валочно-пакетирующих, бесчекерных машин);

• в учебный процесс Политехнического института Сибирского федерального университета по направлению подготовки студентов «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» в виде использования исследовательского стенда и программы для ЭВМ.

ПУБЛИКАЦИИ АВТОРА ПО МАТЕРИАЛАМ ДИССЕРТАЦИИ Публикации в изданиях, рекомендуемых ВАК

1. Каверзин, С. В. Повышение производительности грузоподъемных гидрофицированных машин дегазацией рабочей жидкости / С. В. Каверзин, А. А. Михайлов // Строительные и дорожные машины. - М.: СДМ-Пресс, 2009.-№5,-С. 56-58.

2. Каверзин, С. В. Исследование процесса дегазации гидравлического масла с учетом его вибрации / С. В. Каверзин, А. А. Михайлов // Системы. Методы. Технологии. - Братск: БрГУ, 2011. - № 2 (10). - С. 59-61.

Публикации в других изданиях

3. Михайлов, А. А. Влияние газовой фазы на параметры и характеристики гидропривода / А. А. Михайлов // Вестник КГТУ. - Вып. 41. — Машиностроение. - Красноярск: КГТУ, 2006. - С. 145-149.

4. Михайлов, А. А. Классификация методов и устройств дегазации рабочей жидкости в гидроприводе / А. А. Михайлов, С. В. Каверзин, В. В. Абрамов // Вестник КГТУ. - Вып. 41. - Машиностроение. - Красноярск: КГТУ, 2006.-С. 134-138.

5. Каверзин, С. В. Классификация и анализ существующих схем гидробаков с деаэрирующей способностью / С. В. Каверзин, А. А. Михайлов, Р. Д. Топоев // Машиностроение: сб. науч. тр. - Красноярск: СФУ, 2007. -С. 80-85.

6. Михайлов, А. А. Влияние нерастворенного газа в рабочей жидкости на модуль объемной упругости / А. А. Михайлов // Труды Международного конгресса «Машины, технологии и процессы в строительстве». - Вып. 6. -Омск: СибАДИ, 2007. - С. 163-167.

7. Пат. 67203 РФ на полезную модель МПК F15B21/06. Блок питания гидропривода / А. А. Михайлов, А. С. Лунев, И. Н. Пилюгаев. - 2007. -бюл. № 28.

8. Пат. 67675 РФ на полезную модель МПК Р16Ь55/05. Демпфер гидравлического удара / А. С. Лунев, А. А Никитин, А. А. Михайлов. - 2007-бюл № 30.

9. Пат. 71154 РФ на полезную модель МПК П6Ь55/04. Устройство для гашения пульсаций давления в гидравлических магистралях / Е. М. Щеглов,

A. А. Михайлов, А. Ю. Яковлев, А. Н. Безруких. - 2008. - № бюл. 6.

10. Михайлов, А. А. Математическое описание процессов изменения газосодержания на сливном участке гидросистемы / А. А. Михайлов // Вестник ассоциации выпускников КГТУ. - Вып. 16. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008.-С. 100-106.

И. Михайлов, А. А. Изменение физико-химических свойств рабочей жидкости, содержащей газовую фазу / А. А. Михайлов // Машиностроение: сб. науч. ст. - Красноярск: ИПК СФУ, 2008. - С. 24-27.

12.Каверзина, А. С. Влияние газовой фазы в рабочей жидкости на работоспособность гидравлического привода / А. С. Каверзина, С. В. Каверзин,

B. В. Абрамов, А. А. Михайлов // Машиностроение: сб. науч. ст. - Красноярск: ИПК СФУ, 2009. - С. 58-63.

13.Пат. № 85920 РФ МПК Е 02 Р 9/22. Гидросистема мобильной машины/ А. А. Михайлов, В. В. Абрамов, С. В. Каверзин. // Изобретения. Полезные модели. - Опубликовано 20.08.2009 г. бюл. 23.

Подписано в печать 15.12.2011. Тираж 100 экз. Заказ № 5741 Отпечатано полиграфическим центром Библиотечно-издательского комплекса Сибирского федерального университета. 660041, г. Красноярск, пр. Свободный, 82а

61 12 5/1401

СИБИРСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

МИХАЙЛОВ Александр Анатольевич

ПОВЫШЕНИЕ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ ГИДРОФИЦИРОВАННЫХ ГРУЗОПОДЪЕМНЫХ МАШИН ДЕГАЗАЦИЕЙ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

05.02.02 - Машиноведение, системы приводов и детали машин.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор С. В. Каверзин

Красноярск-2011 г.

СОДЕРЖАНИЕ

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ..........................................4

ВВЕДЕНИЕ.....................................................................................................6

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ.......................................................................................10

1.1. Анализ параметров приводов и рабочей жидкости гидрофицированных машин............................. .............................................10

1.2. Факторы, способствующие растворению газов в рабочей жидкости.. 12

1.3. Роль рабочей жидкости в повышении работоспособности гидрофицированных грузоподъемных машин.............................................19

1.4. Анализ способов дегазации рабочей жидкости................................20

1.5. Анализ конструктивных и эксплуатационных особенностей гидроприводов грузоподъемных машин.......................................................27

1.6. Объект исследований..........................................................................28

Выводы по главе 1, цель и задачи исследований.........................................31

2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ ГИДРОПРИВОДА ГРУЗОПОДЪЕМНОЙ МАШИНЫ....................................................33

2.1. Постановка задачи для создания математической модели...............33

2.2.Разработка математической модели гидропривода с учетом влияния газовой фазы рабочей жидкости.....................................................34

Выводы по главе 2......................................................................................50

3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, МЕТОДЫ

И СРЕДСТВА................................................................................................51

3.1. Реализация математической модели влияния газовой фазы на динамические характеристики гидропривода на ЭВМ.............................51

3.2. Исследование влияния вибрации на скорость всплытия пузырька воздуха в гидравлическом масле..................................................56

3.3. Описание стенда и методика исследований.....................................57

3.4. Обработка экспериментальных данных...........................................64

Выводы по главе 3....................................................................................72

4. РАЗРАБОТКА ГИДРОПРИВОДА С ЗАКРЫТОЙ ЦИРКУЛЯЦИЕЙ, АККУМУЛЯТОРНОЙ ПОДПИТКОЙ И УСТРОЙСТВОМ ДЕГАЗАЦИИ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ................................................73

4.1. Анализ устройств для дегазации рабочей жидкости.........................73

4.2. Разработка нового устройства для дегазации рабочей жидкости.....88

4.3. Расчет системы подпитки и дегазации рабочей жидкости...............92

Выводы по главе 4..........................................................................................97

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ..........................................98

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ............................100

ПРИЛОЖЕНИЕ А. Результаты экспериментальных данных

по исследованию процесса дегазации.........................................................112

ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Программа для ЭВМ по расчету влияния нераство-ренной газовой составляющей в рабочей жидкости на динамические характеристики гидроцилиндров подъема-опускания стрелы

грузоподъемной машины.............................................................................119

ПРИЛОЖЕНИЕ В. Акты на внедрение результатов работы..................129

ПЕРЕЧЕНЬ УСЛОВНЫХ ОБОЗНАЧЕНИЙ

осу- коэффициент Бунзена или растворимость;

Ъ - поправочный коэффициент, учитывающий влияние характера течения на местные потери; с1 - диаметр пузырька воздуха, м; Е - модуль упругости, Па;

Ь - текущая величина выдвижения штока гидроцилиндра, м; и - текущая величина скорости штока гидроцилиндра, м/с; V- текущая величина ускорения штока гидроцилиндра, м/с2; и, - скорость всплытия пузырька воздуха с учетом вибрации, м/с ; ^виб ~ виброскорость, м/с ;

Шпр- приведенная к оси гидроцилиндра масса рабочего оборудования и груза, кг;

ускорение свободного падения, м/с2; со - угловая скорость вала насоса, рад/с; пп - количество гидроцилиндров подъема стрелы, шт.; Р - давление, Па;

- приведенная к оси гидроцилиндра нагрузка, Н; () - подача рабочей жидкости насоса с учетом газосодержания на входе, м/с; /гвс - высота всплытия пузырька воздуха в гидравлическом масле, м; д - рабочий объем насоса, м/с; Яе - число Рейнольдса; Я - радиус пузырька воздуха, м; Г - температура, °С; / - текущее значение времени, с; £ - площадь, м2;

Жгнр - относительный объем нерастворенного газа; Жрж - относительный объем рабочей жидкости;

V - скорость потока жидкости в трубопроводе, м/с; ГГнр - объем нерастворенного газа в жидкости, м3; Урж ~ объем рабочей жидкости, м3;

з

Гсм ~ объем смеси рабочей жидкости и нерастворенного газа, м ; АР - потери давления, Па; у— удельный вес жидкости, Н/м ; X — коэффициент сопротивления трения жидкости;

V - коэффициент кинематической вязкости, м /с;

¡иж - коэффициент динамической вязкости жидкости, Па;

р - плотность вещества, кг/м3; | - коэффициент местных сопротивлений.

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы. Совершенствование гидроприводов машин с целью повышения их эксплуатационной надежности и увеличения производительности весьма актуальны, а исследования в области влияния состояния рабочей жидкости на выходные параметры гидрофицированных машин очень своевременны. Из многочисленных факторов, влияющих на свойства рабочей жидкости, многие исследователи указывают на наличие газовой фазы и ее влияние на снижение подачи насосов, а как следствие, и изменение выходных параметров рабочих гидроцилиндров, определяющих производительность гидрофицированных машин. Большинство исследований направленно на установление негативного влияния температуры и инородных включений в рабочей жидкости, а содержание газовой фазы в рабочей жидкости не учитывается. В связи с вышеизложенным, основной задачей работы, требующей экспериментальных и теоретических исследований, является изучение влияния газовой фазы на скорость движения поршня гидроцилиндра грузоподъемной машины, а также изменение газовой фазы с учетом вибрации элементов гидропривода.

Цель работы - повышение производительности гидрофицированных грузоподъемных машин путем уменьшения нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости в гидробаке.

Задачи исследования.

1. Выполнить анализ способов дегазации рабочих жидкостей гидроприводов машин.

2. Разработать математическую модель влияния нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости на подачу жидкости в нагнетательную полость гидроцилиндра.

3. Установить зависимость изменения времени страгивания поршня и его скорости перемещения с уменьшением нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости.

4. Экспериментальным путем установить влияние вибрации гидробака на интенсивность дегазации рабочей жидкости.

5. Разработать, изготовить и применить стенд для решения 4-й задачи.

6. Предложить устройство дегазации рабочей жидкости в гидробаке с использованием одновременного влияния способов вакуумирования и вибрации.

Объект исследования - гидропривод грузоподъемной машины.

Предмет исследования - способ дегазации рабочей жидкости при совместном воздействии вакуумирования и вибрации.

Методика исследований и решения поставленных задач включает сравнительный анализ, системный подход, математическое моделирование и теорию планирования эксперимента.

Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы получены с использованием положений гидравлики, выводы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями, их воспроизводимостью и результатами математической обработки с использованием программ для обработки данных.

Научная новизна:

1. Рекомендовано совместное применение вакуумирования и вибрации с целью интенсификации процесса дегазации.

2. Получена математическая модель влияния объема нерастворенной газовой фазы в рабочей жидкости на подачу жидкости в нагнетательную полость гидроцилиндра.

3. Получены зависимости изменения времени страгивания поршня и его скорости перемещения с уменьшением нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости. На основе этих зависимостей определены оптимальные значения нерастворенной газовой составляющей для увеличения скорости поршня гидроцилиндра.

4. Получена эмпирическая зависимость скорости всплытия пузырька воздуха в рабочей жидкости под действием виброскорости. На основании полученной зависимости можно более точно вычислить количество нерас-творенной газовой составляющей рабочей жидкости в гидробаке.

Практически значимые результаты исследования.

1. Разработана гидросистема мобильной машины с аккумуляторной подпиткой для циклической дегазации рабочей жидкости, на которую имеется патент РФ: №85920, а также его дополняющие №67203, 67675 и 71154.

2. Стенд для исследования влияния вибрации гидробака на интенсивность дегазации рабочей жидкости.

Основные положения, выносимые на защиту:

• математическая модель влияния нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости на скорость движения поршня гидроцилиндра;

• зависимости изменения времени страгивания поршня и его скорости перемещения с уменьшением нерастворенной газовой составляющей рабочей жидкости;

• результаты экспериментального исследования влияния виброскорости гидробака на скорость всплытия пузырька воздуха в рабочей жидкости гидропривода машины;

• техническое решение способа дегазации рабочей жидкости.

Апробация работы. Основные положения диссертации обсуждались

на совещаниях отдела главного конструктора Красноярского завода лесного машиностроения (г. Красноярск, 2006-2008); на Всероссийской студенческой научно-технической конференции в МГТУ им. Н. Э. Баумана «Гидромашины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» (г. Москва, 2007); на Молодежной научно-технической конференции в СибАДИ «Проблемы будущего машиностроения» (г. Омск, 2008); на Молодежной научно-технической конференции в ПИ СФУ «Гидравлические машины, гидропри-

воды и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (г. Красноярск, 2008). Отдельные вопросы диссертации докладывались на заседаниях кафедры «Гидропривод и гидропневмоавтоматика» ПИ СФУ (г. Красноярск, 2006-2011).

Публикации. По результатам исследований опубликовано 16 научных работ, из них четыре патента и две статьи в журналах, рекомендуемых ВАК.

Практическое использование результатов диссертации.

1. Результаты научно-исследовательской работы приняты к внедрению на предприятии ООО «Стандарт» при проектировании и производстве гидрофицированных лесозаготовительных машин: лесопогрузчиков, ва-лочно-трелевочных, валочно-пакетирующих, бесчекерных машин (подтверждено актом использования).

2. Результаты исследования внедрены в учебный процесс Политехнического института Сибирского федерального университета по направлению подготовки студентов «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика» в виде использования исследовательского стенда и программы для ЭВМ (имеется акт внедрения).

1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Анализ параметров приводов и рабочей жидкости гидрофицированных грузоподъемных машин

Гидравлический привод широко применяется как для привода рабочего оборудования в дорожном, энергическом, мелиоративном строительстве, лесном хозяйстве и других областях промышленности.

На грузоподъемных машинах применяются гидроприводы высокого (10-20 МПа) и сверхвысокого (более 20 МПа) давления [35, 51], а в качестве рабочей жидкости используют минеральные масла обладающих хорошими смазочными и антикоррозионными свойствами, и являются незаменимыми средами для передачи давления в гидравлических устройствах. Однако они имеют два существенных недостатка: изменяют свою вязкость под воздействием температуры и растворяют различное количество воздуха в зависимости от избыточного давления [60].

В гидроприводах грузоподъемных машин применяются различные рабочие жидкости. Для гидроприводов грузоподъемных машин с аксиально-поршневыми насосами специально вырабатываются рабочие жидкости торговых марок «МГ-15В» (бывшее ВМГЗ) и «МГ-30», которые иногда также применяются для гидросистем с шестеренными насосами [96].

В условиях низких температур рекомендуется применять в качестве рабочих жидкостей гидросистем лесозаготовительных машин масла марок МГ-15В (ГОСТ 17479.3-85), М-8В2 (ГОСТ 10541-78), И-12А и И-20А [48, 58].

В гидроприводах грузоподъемных машин, оснащенных шестеренными насосами, допускается применение дизельных моторных масел марок М-8В2, М-10В2 и М-8Г2 [43, 49, 51, 58].

Опыт эксплуатации гидравлических приводов грузоподъемных машин показывает, что в рабочих жидкостях количество нерастворенного газа во многом зависит от конструктивных и эксплуатационных особенностей

гидропривода: параметров всасывающего трубопровода, дроссельного регулирования, вместимости, конструкции и формы гидробака, герметичности подвижных и неподвижных соединений, наличия кавитации в системе и др. [106].

Наличие в рабочей жидкости газа в растворенном и нерастворенном виде отрицательно влияет на показатели надежности и точности выполнения рабочих операций гидравлическим приводом [60, 95, 110].

В рабочих жидкостях гидравлических приводов грузоподъемных машин содержание нерастворенного газа может достигать 6 -13 % [33, 38, 59].

Часть газа поступает в рабочую жидкость непосредственно из атмосферы. Факторами, способствующими проникновению газа из атмосферы в гидропривод и насыщения им рабочей жидкости, являются:

1) негерметичность соединений всасывающего трубопровода;

2) воронки в баке, образующиеся при недостаточном уровне жидкости над всасывающим патрубком и высокой вязкости масла;

3) конструктивные недостатки насосов;

4) нарушения и неправильная сборка трубопроводов;

5) взбалтывание рабочей жидкости в гидробаке при резких ускорениях-торможениях машины;

6) вентиляция гидробаков через сапуны.

Количество растворенного газа также зависит от типа жидкости и оценивается ориентировочными значениями коэффициентов Бунзена в зависимости от типов жидкостей и представленных в таблице 1.1 [60, 91].

Таблица 1.1- Значения коэффициентов Бунзена в зависимости от типов жидкостей

Тип жидкости Коэффициент Бунзена для воздуха

Масла на минеральной основе 0.06-0.12

Масла на силиконовой основе 0.15-0.25

Фосфорные эфиры 0.09

Полихлорированный дифенол 0.01

Вода 0.018

Физико-химические факторы, влияющие на количество растворенного газа: давление, температура, вязкость, тип газа, тип масла.

Поскольку жидкость в объемном гидроприводе содержит различные газы, которые находятся в растворенном и нерастворенном виде, а газообразная фаза состоит из кислорода, водорода, азота и соединений углерода с водородом и кислородом (СН4, СгНб, С2Н4, СО, СО2).

1.2. Факторы, способствующие растворению газов в рабочей жидкости

Растворимость газов в маслах по закону Генри пропорциональна давлению [94]:

V =у ■а •— (1 1)

ГАЗ МАСЛ "Г ' Ч1'-1;

Р\

где Угаз - объем растворенного количества газа приведенного к температуре 0°С и давлению 0,1 МПа, м3; Рмасл- объем масла, м3; а¥-коэффициент Бунзена или растворимость, р2 - конечное давление, МПа; р] - исходное давление, МПа.

Таким образом, при увеличении отношения конечного давления к исходному и наличии нерастворенного газа количество растворенного газа увеличится пропорционально увеличению отношения давлений, а при понижении отношения давлений количество растворенного газа пропорционально снизится. Данные процессы продолжаются до достижения равновесия согласно закону Генри.

При этом продолжительность растворения свободного газа зависит не только от увеличения давления, но и от объема жидкости, площади поверхности раздела сред, длины диффузионного пути, коэффициента молекулярной диффузии, поверхностного натяжения масляной пленки на границе раздела сред, режима течения жидкости и газа [38, 39].

Увеличение объема масла, диффузионного пути и поверхностного натяжения масляной пленки на границе раздела сред способствует увеличению продолжительности растворения, а увеличение площади раздела сред, и коэффициента диффузии, способствует снижению продолжительности растворения при увеличении давления.

Поверхностное натяжение масляной пленки на границе раздела сред и коэффициент диффузии зависят от температуры масла. Площадь поверхности раздела сред и длина диффузионного пути зависят от конструкции гидробака (в случае простых параллелепипедных баков - от глубины) и наличия в объеме масла пузырей нерастворенного газа. В гидробаках с большей глубиной процессы растворения газа до равновесия продолжительнее, чем в гидробаках с меньшей глубиной при прочих равных условиях [56].

Поскольку выделение газа при сни�