автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.03, диссертация на тему:Совершенствование способов защиты гидросистем колёсных и гусеничных машин от аварийного выброса рабочей жидкости

На правах рукописи

Ушаков Николай Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ГИДРОСИСТЕМ КОЛЁСНЫХ II ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН ОТ АВАРИЙНОГО ВЫБРОСА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

05.05.03 - Колёсные и гусеничные машины

Автореферат

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

15 ЯНВ 2015

Волгоград- 2015

005557415

005557415

Работа выполнена на кафедре «Технологические процессы и машины» в Волжском институте строительства и технологий (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет».

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Рогожкин Василий Михайлович

Официальные оппоненты: Городецкий Константны Исаакович

доктор технических наук, профессор, Московский государственный машиностроительный университет, кафедра «Автомобили и тракторы», профессор;

Жога Виктор Викторович

доктор физико-математических наук, профессор, Волгоградский государственный технический университет, кафедра «Теоретическая механика», профессор.

Ведущая организация Саратовский государственный

технический университет им. Гагарина Ю.А.

Защита диссертации состоится «30 » января 2015 г. в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.028.03, созданного на базе Волгоградского государственного технического университета по адресу: 400005 г. Волгоград, пр. им. В.И. Ленина, 28, ауд. 209.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Волгоградского государственного технического университета и на сайте www.vstu.ru по ссылке http://www.vstu.ru/nauka/dissertatsionnye-sovety/d-21202803.html.

Автореферат разослан « » 2014 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Ляшеико Михаил Вольфредович

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы исследования. Анализ условий и режимов работы гидросистем колёсных и гусеничных машин показывает, что гидроагрегаты работают в напряженных условиях, характеризуемых постоянно изменяющимися рабочим давлением, температурным режимом, скоростью нарастания давления, возникновением гидравлических ударов и циклических нагрузок. Это повышает вероятность выхода из строя узлов и деталей гидросистемы и может привести к возникновению неисправностей, вызывающих потери рабочей жидкости. Эти обстоятельства делают актуальной задачу разработки эффективных схем защиты гидросистемы от выброса рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления и проблему охраны окружающей среды.

По имеющимся литературным данным на машинах с гидрофицированным приводом в год происходит около 1,3 порывов рукавов высокого давления. Каждый порыв сопровождается выбросом рабочей жидкости в количестве до 10-12литров. При стоимости рабочей жидкости 50-70 руб. за литр (в ценах 2013 года) общая сумма потерь составит около 1000 руб. в год на одну машину.

Степень разработанности темы. В ранее выполненных исследованиях разработаны теоретические основы совершенствования работы гидросистемы машин. Предложены различные способы защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости при разгерметизации рукавов напорной гидролинии и некоторые конструкторские решения защитных устройств.

Цель и задачи исследования: Разработать способ защиты гидросистемы колёсных и гусеничных машин от аварийных потерь рабочей жидкости при нарушении герметичности рукавов напорной гидролинии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. На основании анализа известных способов защиты разработать математическую модель рабочего процесса гидромеханической части предлагаемого защитного устройства, позволяющую, в отличие от известных способов, определить время срабатывания защитного устройства и скорость движения клапана при различных параметрах работы гидросистемы колёсных и гусеничных машин.

2. Разработать методику расчёта основных параметров защитного устройства, учитывающую турбулентный характер движения рабочей жидкости в полости защитного устройства.

3. Разработать способ защиты гидросистем колёсных и гусеничных машин, основанный на применении в гидромеханической части упругого элемента переменной жёсткости и использования герметичной оболочки на рукавах высокого давления.

4. Проверить работоспособность предлагаемого устройства защиты гидросистемы колёсных и гусеничных машин в стендовых и эксплуатационных условиях.

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель рабочего процесса защитного устройства с упругим элементом переменной жёсткости, учитывающая основные параметры гидросистемы и защитного устройства и позволяющая с высокой точностью и

надёжностью определить время срабатывания защитного устройства и скорость движения клапана.

2. На основе теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости основных параметров предлагаемого защитного устройства от величины давления в гидросистеме, длины рукавов, вязкости гидрожидкости и др; получены теоретические зависимости для определения времени срабатывания защитного устройства.

3. Установлено, что в полоста защитного устройства движение рабочей жидкости носит турбулентный характер, с учётом этого предложена методика расчёта основных параметров защитного устройства.

4. Гидромеханическая часть защитного устройства, в отличие от известных конструкций, снабжена упругим элементом переменной жёсткости.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1. Разработана, изготовлена и проверена на практике усовершенствованная конструкция защитного устройства для гидросистем, позволяющего исключить загрязнение окружающей среды и сократить потери рабочей жидкости при аварийной разгерметизации гидросистемы колёсных и гусеничных машин.

2. Экспериментально получена зависимость для определения необходимой жёсткости пружин защитного устройства, обеспечивающей требуемое быстродействие устройства, при известном давлении рабочей жидкости в гидросистеме.

3. Разработана методика расчёта основных параметров гидромеханической части защитного устройства гидросистем машин, учитывающая наличие упругого элемента переменной жёсткости и турбулентность потока рабочей жидкости и позволяющая определить конструкторские параметры защитного устройства.

4. Предложена методика расчёта параметров герметичной оболочки защитного устройства, позволяющая определить необходимую прочность материала оболочки и возможность сбора выбрасываемой гидрожидкости при аварийном разрушении рукавов высокого давления.

Методология и методы исследований. Методология исследований предусматривает использование метода системного анализа и статистических методов исследований. Общая методика исследований основывается на комплексном экспериментально-теоретическом подходе, включающем математическое моделирование и теоретическое исследование рабочего процесса защитного устройства.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель рабочего процесса гидромеханической части защитного устройства с упругим элементом переменной жёсткости.

- методика расчёта основных конструкторских параметров усовершенствованного защитного устройства с учётом турбулентности движения рабочей жидкости в полости защитного устройства;

- математические зависимости для определения времени срабатывания защитного устройства при различной вязкости рабочей жидкости, давлении в гидросистеме, жёсткости пружин клапана, длине хода клапана и других параметров;

- способ защиты гидросистем колёсных и гусеничных машин, основанный на использовании усовершенствованной конструкции защитного устройства (патент

РФ №125279) и позволяющий сократить потери рабочей жидкости и исключить загрязнение окружающей среды.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность теоретических исследований обеспечена использованием общеизвестных положений теории упругих тел, достаточным количеством экспериментальных исследований и общепринятыми методами обработки экспериментальных данных. Сравнение теоретических и экспериментальных данных выполнено на основе F-критерия Фишера.

Результаты исследований докладывались на VIII всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пенза, 2004 г.), международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2005» (г. Тюмень, 2005 г.), IV Международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (г. Владимир, 2005 г.) и др. конференциях. В полном объёме работа заслушана на совместном заседании кафедр «Строительные и дорожные машины и оборудование» и «Высшей и прикладной математики» Волжского института строительства и технологий (филиал) ГОУВПО «Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет» и на кафедре «Строительные и подъёмно-транспортные машины» Московского государственного строительного университета. По итогам заслушивания получены положительные заключения.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 10 работ, в том числе из списка ВАК РФ 4 работы. На разработанное защитное устройство выдан патент РФ №125279 от 27.02.2013 г.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, общих выводов, списка использованной литературы (127 источников), содержит 184 страницы, в т.ч. машинописного текста 149 страниц, 15 таблиц, 56 иллюстраций, приложений 8 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость представленной работы.

В первой главе дан анализ различных способов совершенствования гидросистем колёсных и гусеничных машин, условий и режимов их работы, а также факторов, вызывающих аварийные потери рабочей жидкости.

Различные аспекты проблемы совершенствования работы гидросистем машин и способов их защиты от аварийных потерь рабочей жидкости рассмотрены в работах И.П. Ксеневича, В.П. Шевчука, В.М. Шарипова, К.И. Городецкого, А.И. Кубаре-ва, Е.М. Кудрявцева, A.B. Рустановича, В. А. Коробкина, С.М. Борисова, И.Л. Беркмана, О. А. Смирнова, Д.С. Фаермана, М.А. Степанова, Ю.И. Густова, H.A. Фоменко, В.М. Герасуна и др. учёных.

Анализ показал, что основными недостатками известных защитных устройств гидросистем являются следующие:

- не ликвидируют полностью потери рабочей жидкости при аварийной разгерметизации;

- не устраняют загрязнение окружающей среды;

- значительные ударные нагрузки в момент закрытия клапана защитного устройства, что вызывает повышенный износ посадочной поверхности гнезда клапана;

- не учитывают турбулентный характер потока жидкости в полости защитного устройства.

Отмеченные недостатки известных схем защиты делают их недостаточно эффективными и надёжными в процессе эксплуатации, поэтому требуется их дальнейшее совершенствование.

Проведённый анализ известных защитных устройств гидросистемы показывает, что величина аварийных потерь рабочей жидкости при их использовании колеблется в широких пределах (от 1 до 9 л). С учётом достигнутого в ранее выполненных исследованиях научного уровня решения рассматриваемой проблемы была поставлена цель и сформулированы задачи данного исследования.

Во второй главе на основании анализа ранее выполненных исследований по проблеме защиты гидросистем машин от аварийного выброса рабочей жидкости теоретически обоснованы основные направления исследований в области совершенствования способов защиты и положения методики расчёта параметров защитных устройств, обеспечивающих необходимое быстродействие, снижение потерь рабочей жидкости и требования экологической безопасности. Разработана математическая модель рабочего процесса защитного устройства. Расчётная схема приведена на рис. 1.

Математическая модель рабочего процесса защитного устройства в общем виде может быть представлена дифференциальным уравнением движения клапана:

-/У (1)

л-

где

Рис. ]. Расчётная схема клапана защитного устройства

у-^— ускорение движения

с1(

клапана; т - масса движущихся частей защитного устройства; Рж -результирующая сила от давления жидкости; 1\ж - сопротивление жидкости движению клапана; Р^-сопротивление внутреннего трения жидкости; - усилие основной пружины; Г2п? - усилие дополнительной пружин.

Определим составляющие сил, действующих на клапан (формула (1)). Результирующая сила от давления жидкости Рж находится по формуле:

где ДР- перепад давления на клапане; /)/ - диаметр клапана. Сопротивление жидкости движению клапана Рсж:

'ШН-

(2)

(3)

где ц - коэффициент динамической вязкости жидкости ; к - коэффициент учитывающий форму клапана; и - скорость жидкости в полости защитного устройства. Сопротивление внутреннего трения жидкости /чр:

«>

где ц- коэффициент динамической вязкости; 5- площадь рассматриваемого слоя

„ ди

жидкости или стенки, соприкасающейся с ней ;--градиент скорости.

ду

Усилие Г 1пр. пружины 2иР2пр пружины 5 находим из следующих выражений: Г 1ПР.= <~А (5)

^2пр.= С А + С2 [/'-*(<)]> (6)

где С] и С2 - жёсткость пружин 2 и 5 клапана соответственно; А о - величина предварительного сжатия пружин 2 и 5', I- длина хода клапана; /'-длина хода пружины 5 ; _х(г) — величина перемещения клапана при срабатывании защитного устройства. " Подставляя выражения сил из формул (2), (3), (4), (5) и (6) в формулу (1), получим:

Л т[ 4 ^

и+— Л

1 I г ^ + ^. _ + _ +сА + _ х(/))||

Обозначим сI + с2 = с и приняв в момент действия обеих пружин /= /', полу-

¿глг (/) = А Р(0 Д-Р,2 | укиг тгР; [ цк 2и<к_ ЯР; | цк (йхУ яО{_

Л2 т 4 т 4 т А 4 т \ Л) 4 ^

| 5ц сй„ с I | сх(<) т Ъу т т т В формуле (7) скорость ы движения жидкости будет зависеть от характера поД V

тока, т.е. от числа Рейнольдса. Это видно из известной формулы и = где Яе -

4Я

число Рейнольдса, Я - гидравлический радиус сечения потока жидкости; V - кинематическая вязкость жидкости.

Уравнение (7) является математической моделью рабочего процесса предложенного защитного устройства.

Третья глава посвящена исследованию характера распределения отказов рукавов высокого давления и разработке устройства для защиты гидросистемы от выброса рабочей жидкости при аварийных ситуациях. Установлено, что наибольшее число неисправностей агрегатов гидросистемы машин приходится на рукава высокого давления - до 44 % (рис. 2).

Для защиты гидросистемы колёсных и гусеничных машин от аварийных потерь рабочей жидкости в работе предложено усовершенствованное устройство, основанное на принципе двойного перекрытия напорной магистрали плунжером и подпружиненным клапаном и использовании герметичной оболочки, расположенной на рукавах высокого давления (рис. 3). Предложенное устройство отличается от известных прототипов наличием упругого элемента переменной жёсткости и защитной оболочки. Важное преимущество его заключается в том, что оно позволяет пол-

чим:

ностью исключить выброс рабочей жидкости в атмосферу при аварийных ситуациях в гидросистеме за счёт применения герметичной защитной оболочки.

рукаой высокого гидронасос гидрораспределитель

дайления гидроцилиндр

Рис. 2 Распределение неисправностей по агрегатам гидросистемы

Применение предлагаемого защитного устройства в конструкции машин позволит значительно повысить эксплуатационные свойства гидросистемы машин, что достигается наличием в конструкции гидросистемы запорного устройства и прочной на разрыв герметичной оболочки для сбора рабочей жидкости, выбрасываемой за время срабатывания защитного устройства.

Преимущество предлагаемого защитного устройства состоит ещё и в том, что оно полностью исключает загрязнение окружающей среды.

В отличие от известных конструкций защиты предлагаемое защитное устройство снабжено упругим элементом переменной жёсткости, выполненным в виде двух пружин разной длины и разных характеристик, что позволяет увеличить ско-

рость движения клапана в первоначальный период его закрытия и уменьшить скорость в момент окончания закрытия. Это позволяет увеличить быстродействие устройства, и при этом уменьшить силу удара клапана о гнездо и уменьшить износ посадочного места.

Предлагаемое устройство защиты гидросистемы представлено на рис. 3 Устройство содержит гидромеханический узел 1, прочную на разрыв защитную герметичную оболочку 2. Гидромеханический узел включает в себя корпус 1, подпружиненный плунжер 6 с осевым 7 и радиальными 8 отверстиями и подпружиненный клапан 9, расположенные в корпусе узла. В отличие от известных, в предлагаемом устройстве в гидромеханическом узле установлена дополнительная пружина клапана, которая необходима для стабильной и надёжной работы защитного устройства и уменьшения износа клапана и гнезда. Применение дополнительной пружины предполагает увеличение суммарной жёсткости пружин клапана в начальном его положении и уменьшение - в момент закрытия по сравнению с устройством, где установлена одна пружина.

Устройство работает следующим образом. Рабочая жидкость гидронасосом 4 по напорной гидролинии высокого давления 3 подаётся через полость А и Б гидромеханического узла 1 к гидрораспределителю 5 и далее к гидроцилиндру. При разрушении напорной гидролинии перепад давления в полостях А и Б увеличивается , и равновесие плунжера 6 нарушается . Клапан 9 и плунжер 6, перемещаясь навстречу друг другу, перекрывают отверстие 7 и далее, перемещаясь как единое целое, преодолевая усилие пружин, перекрывают полость Б напорной магистрали, направляя рабочую жидкость через радиальные отверстия 8 из полости А через сливную гидролинию 10 в гидробак.

Введение прочной на разрыв герметичной оболочки 2 обеспечивает сбор выбрасываемой рабочей жидкости при повреждении трубопровода высокого давления за время срабатывания запорного устройства и полностью предотвращает загрязнение окружающей среды.

Предлагаемое устройство позволяет отключить гидропривод при нарушении герметичности линии высокого давления на любом её участке, а также осуществить сбор рабочей жидкости, выбрасываемой из повреждённого участка.

Как следует из приведённого описания, устройство состоит из двух основных частей, имеющих различное назначение. Первая часть - гидромеханическая - предназначена для автоматического отключения подачи рабочей жидкости в гидросистему при разгерметизации нагнетательной магистрали. И вторая - оболочковая -для сбора рабочей жидкости и предотвращения её выброса в окружающую среду при аварийных ситуациях.

В четвёртой главе определено время срабатывания защитного устройства и предложена методика расчёта параметров клапана защитного устройства.

Обозначим составляющие в формуле (7) соответственно:

цк яР; =л с =в_АРтгР; | цки2 тгР; | /¿5 ди сХ с/ = с.М 2и пГ>' =£ (8)

т 4 ' т ' 4 т т 4 т ду т т т 4

с!2х(1) „ Ах ,

-г^- = х ; -= х

Л2 Л

А, В, С, Е- const.

Подсчитав значения постоянных А, В, С, Е , и приняв в целях упрощения решения £-—=0, (т.к. Е - величина очень незначительная Е = 0,3-IG"4); в результате dt

получим дифференциальное уравнение второго порядка:

х" + А{х'У +Вх = С, (9)

где *=*(<).

Воспользуемся способом замены для понижения порядка уравнения (9).

Пусть х'=р(х) => х"=р-р', тогда уравнение (9) примет вид:

рр' + Ар2 + Вх = С.

Введём следующую замену: у = р2 => у'=2рр' => ^-+Ау+Вх = С или

у'+ 2Ау + 2 Вх = 2С или /+ 2Ау = 2С - 2 Вх. (10)

Получено линейное уравнение первого порядка, которое решено методом Бернулли, и получено выражение для определения t (время срабатывания защитного устройства).

«-J-. r2Ae" äx. (11)

' V(2 AC + B- 2ЛВх)егЛл - ABA2 С,

С помощью программы Mathcad получено приближённое решение этого уравнения. Время срабатывания защитного устройства складывается из двух величин -1\ - время срабатывания, когда действуют две пружины и t2 - время срабатывания, когда действует одна пружина.

Для начальных условий (дг(0) = 0 и х'(0) = 0) и при известных значениях параметров защитного устройства по зависимости (11) получена величина г, =0,085 с. (время срабатывания защитного устройства на первом участке).

Аналогично по формуле (11) определено время срабатывания устройства на втором участке. На этом участке, где действует одна пружина, начальными условиями будутх = Г,х' = l>¡ = 0,12 м/с.

Тогда t2 =0,005 с.

Следовательно: t = t¡ + t2 = 0,085 + 0,005 =0,09 с.

Это минимальная величина, которая может быть получена в реальных условиях эксплуатации при данном варианте изготовления защитного устройства. Это время обеспечивает вполне приемлимую величину выброса рабочей жидкости (200 -250 мл). Математическая модель применима при следующих условиях: давление жидкости в гидросистеме 8...32 МПа, ход поршня 10...20 мм, динамическая вязкость гидрожидкости 0,10... 0,35 Нс/м2.

Расчёты показали, что время срабатывания устройства в значительной степени зависит от жёсткости пружин. Используя формулу (11) проведены исследования влияния жёсткости пружин на время срабатывания устройства при различной вязкости жидкости. Результаты представлены на рис. 4, из которого видно, что с увеличением жёсткости пружин время срабатывания защитного устройства уменьшается.

Получено уравнение расхода жидкости при разрыве шланга высокого давления, позволяющее определить величину потерь рабочей жидкости при аварийной

разгерметизации, которая с использованием предлагаемого защитного устройства составляет 0,20.. .0,25 л за один порыв.

Рис. 4 . Теоретические зависимости влияния жёсткости пружин на время срабатывания защитного устройства

В пятой главе обоснован выбор основного объекта исследования - гидросистема колёсных и гусеничных машин, снабжённая защитным устройством от аварийного выброса рабочей жидкости при разгерметизации напорной линии; описана программа и методика стендовых и полевых исследований.

Программа экспериментальных исследований состояла из трёх этапов: стендовые испытания, полевые испытания, обработка опытных данных.

В процессе экспериментальных исследований защитное устройство устанавливали на различных участках напорной гидролинии. Изменяя длину рукавов высокого давления и давление в гидросистеме, регистрировали следующие параметры: давление в гидросистеме; время срабатывания защитного устройства; объём потерь рабочей жидкости за время срабатывания устройства.

Лабораторные и полевые исследования проводили с использованием методов планирования эксперимента. Для регистрации исследуемых параметров использовалась тензометрическая станции типа УТС-1-ВТ-12, состоящей из усилителя сигналов Н-700 и соединённого с ним девятишлейфового осциллографа марки 980-302.

Проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния давления в гидросистеме, вязкости жидкости, длины шлангов, температуры жидкости и др. факторов на показатели работы защитного устройства. Исследования показали, что время срабатывания устройства зависит от вязкости жидкости. Чем больше вязкость, тем больше время срабатывания устройства (рис. 5).

В исследовании использовались рабочие жидкости со следующими значениями кинематической вязкости: 8; 12; 16; 22; 28 и 32 мм2/с. Исследования показали, что с увеличением вязкости с 12 до 30 мм2/с время срабатывания устройства возросло, примерно, на 0,3 с (с 0,09 до 0,42 с) при давлении в гидросистеме 18 МПа. Если давление увеличивать, то время срабатывания устройства будет возрастать при любой вязкости. При этом, как видно из рис. 5, с увеличением вязкости интенсивность

роста времени срабатывания устройства увеличивается при любом давлении в гидросистеме.

I = а\'2 - Ь\' + с

1= 0.00054Л551'2 - 0.0057440481' + 0.526571429 10119г< -0.009226194 0.488571429

198512^ -0.00610119у +0,400714286 7798^- 0.01110119%' + 0,366428571

Кг= 0,999...0,997

Относительная ошибка измерений - 3-6%

¿=2,5м

5 10 15 20 25 30 35 40 у, ММ*/с С=бЗ,1Н/мм

Рис. 5. Зависимость времени срабатывания защитного устройства от вязкости рабочей жидкости при различном давлении в гидросистеме

Проверка адекватности математической модели (7) результатам экспериментальных данных выполнена на основе /«"-критерия Фишера при доверительной вероятности 1-а = 0,99. Для этого определили значение Р для экспериментальных данных - /'э и теоретическое значение - Рт_ Если Рэ> Рт - модель адекватна, если Рэ< Рт. - неадекватна. Расчёты показали, что для нашего случая Рэ = 696 значительно больше /">■ =18 Следовательно, можно утверждать, что математическая модель (7) адекватна полученным экспериментальным данным.

В шестой главе приведены рекомендации по практическому применению результатов исследования.

Предложена методика расчёта параметров клапана защитного устройства. К основным параметрам, характеризующим работу клапана, относятся усилия, действующие на клапан, характеристика пружин (жёсткость, диаметр проволоки, длина пружины, число и шаг витков), ход и эффективная площадь клапана. Нормальная работа устройства будет обеспечена лишь в том случае, если величины, характеризующие эти параметры, будут находиться в определенном соотношении между собой.

При работе гидравлической системы, снабжённой защитным устройством, в ней возникает турбулентное движение рабочей жидкости. Такой характер потока обмечается, в первую очередь, в полости Б защитного устройства (рис. 3).Силы, действующие на клапан устройства в зоне турбулентного движения определяются по формулам:

тгА

-

-к,

Р = Р

г3 птах

-к,

(12)

где Г2 - сила давления жидкости на стержень клапана; /;'3 - сила давления жидкости на клапан в полости Б; к - коэффициент, учитывающий влияние турбулентности движения жидкости; обозначения О] и /?3 показаны на рис. 1.

Теоретически определено значение коэффициента к для рассматриваемых условий. При турбулентном движении происходят потери давления. Величина этих потерь АР определяется по формуле Вейсбаха:

и2

АР = (13)

Потери давления до клапана АР1 и после клапана АРг определяются по формулам:

(14)

2g

где £1, £>— коэффициенты Дарси для рассматриваемых участков; и и2 - скорость жидкости до клапана и после клапана соответственно.

Коэффициент £ для рассматриваемых участков:

(15)

«1 ¿2

где и - длина участка пути гидрожидкости до клапана и в сечении седла соответственно; (¡1 и й2 - диаметр сечения участка до и после клапана соответственно.

Разделим АР1 на АР2, тогда получим при известных значениях: £1 =55 мм; £2=Ю мм; ¿1 =20 мм; с12 = 1 мм; = 18,7 -103 мм/с; и2 =27,27-103 мм/с.

^1 = ^4А = о,905. (16)

АР2 1г и2

Таким образом, при прохождении жидкости через отверстие в защитном устройстве давление жидкости на клапан снижается примерно на 10 %. Установлено, что суммарная жёсткость пружин клапана и плунжера защитного устройства при ламинарном движении жидкости должна быть не менее 56,8 Н/мм. С учётом коэффициента турбулентности она составит 63,1 Н/мм. Исходя из этой жёсткости, нами определены параметры пружин защитного устройства, которые обеспечат надёжную работу защитного устройства в условиях турбулентного движения рабочей жидкости.

Экспериментальным путём установлена зависимость между давлением жидкости в гидросистеме и необходимой жёсткостью пружин защитного устройства. Эта зависимость позволяет определить ещё на стадии проектирования, какой должна быть жёсткость пружин устройства, если известно давление жидкости при работе машины в реальных условиях эксплуатации.

Получены зависимости для определения объёма оболочки защитного устройства и исследовано влияние диаметра шланга и величины выбрасываемой жидкости на размеры оболочки.

В седьмой главе приведён расчёт ожидаемой экономической эффективности применения предлагаемой конструкции защитного устройства.

В общем виде выражение для определения экономического эффекта можно записать так:

Э = Эрж + Эт+Э0, (17)

где Эр ж - эффект от экономии рабочей жидкости ; Эт - эффект от сокращения простоев машины; Э0- эффект от сохранения окружающей среды.

Первую составляющую экономического эффекта определим по выражению:

Эр.ж. = ЕМ, (18)

где - объём сохраняемой жидкости (V = 13 л); Црж_ - цена рабочей жидкости (50,3 руб./л); Еи - коэффициент экономической эффективности (Е„= 0.1); Дк - дополнительные капитальные вложения (950 руб.). Эрж. = (13x50,3 - 0,1x950) »559 руб.

Эффект от сокращения простоев машины:

Эг = Р1ов, (19)

где Р - прибыль от работы машины за один час (Р - 250,3 руб./ч); /о6 - сокращение потерь рабочего времени = 2 ч);

Эг =250,3 х 2 = 500,6.

Эффект от сохранения окружающей среды Э0= 650 руб.

Экономический эффект на машину в год: Э = 559 + 500,6 + 650 =1710 руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Практика эксплуатации колёсных и гусеничных машин, а также проведённые ранее научные исследования показывают, что основные потери рабочей жидкости вызваны разрушением рукавов высокого давления гидросистемы. Уменьшить эти потери можно путём создания устройств защиты, уменьшающих аварийный выброс рабочей жидкости.

2. Разработана усовершенствованная конструкция устройства защиты гидросистемы от аварийных потерь рабочей жидкости, состоящая из двух частей: гидромеханической части с упругим элементом переменной жёсткости и прочной герметичной оболочки, расположенной на рукавах высокого давления. Гидромеханическая часть устройства снабжена в отличие от известных устройств двумя пружинами, что позволяет снизить ударные нагрузки и уменьшить износ деталей клапана. .

3. Разработана математическая модель рабочего процесса гидромеханической части усовершенствованного защитного устройства, учитывающая основные параметры гидросистемы и защитного устройства (давление и вязкость рабочей жидкости, жёсткость пружин защитного устройства, скорость движения жидкости, сопротивление внутреннего трения жидкости, геометрические параметры клапана защитного устройства и др.) и позволяющая определить время срабатывания защитного устройства, скорость движения клапана и силу удара клапана о седло в момент закрытия.

4. Установлено, что в полости защитного устройства имеет место турбулентное движение рабочей жидкости. Поэтому расчёт параметров защитного устройства следует производить с учётом влияния фактора турбулентности. Показано, что для надёжной работы защитного устройства в условиях турбулентного движения жидкости суммарная жёсткость пружин устройства должна быть на 8... 10% больше, чем при ламинарном движении.. . ,

5. Получены математические зависимости для расчёта основных параметров предложенного усовершенствованного устройства защиты гидросистемы колёсных и гусеничных машин с учётом турбулентности движения гидрожидкости. Определены конструкторские параметры гидромеханической части защитного устройства.

6. Получены зависимости времени срабатывания защитного устройства от давления в гидросистеме при различной жёсткости пружин защитного устройства, позволяющие определить требуемую жёсткость пружин устройства при заданном давлении рабочей жидкости в гидросистеме, что необходимо при разработке конструкции защитных устройств с учётом эксплуатационных условий их работы. Минимальное время срабатывания устройства составляет 0,09 с.

7. Получены теоретические зависимости для расчёта объёма оболочки защитного устройства, учитывающие величину выбрасываемой из гидросистемы рабочей жидкости при разгерметизации напорной гидролинии, давление в гидросистем!;, диаметр шланга и др.

8. Экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность и высокая эффективность предложенного защитного устройства. Экспериментальные значения времени срабатывания защитного устройства отличаются от теоретических, полученных по математической модели, на 5...9 %, что свидетельствует об адекватности полученной математической модели.

9. Снабжение предложенным защитным устройством гидросистемы колёсных и гусеничных машин позволит практически полностью исключить потери рабочей жидкости при разрушении напорной гидролинии и обеспечить экологическую безопасность окружающей среды.

10. Экономический эффект от применения предлагаемого защитного устройства составляет около 1710 руб. в год на одну машину.

Перспективы дальнейшей разработки темы. Дальнейшие исследования по теме следует развивать в направлении повышения долговечности защитных устройств гидросистем, проводя исследования по изучению процесса изнашивания клапана защитного устройства с целью повышения его износостойкости. Перспективным направлением дальнейших исследований является также разработка принципиально новых способов защиты гидросистемы, обеспечивающих увеличение быстродействия устройств и сокращение потерь рабочей жидкости, например, использование, вместо механических электронных блоков.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах.

В изданиях, рекомендованных ВАК РФ:

1. Ушаков, Н. А. Методика расчёта устройства для защиты гидросистемы строительных и дорожных машин / В.М. Рогожкин, H.A. Ушаков // Строительные и дорожные машины. — 2008. - №8. - С. 37-38.

2. Ушаков, Н. А. Защита гидросистем машин от аварийного выброса рабочей жидкости при разгерметизации напорной магистрали / В.М. Рогожкин, H.A. Ушаков // Механизация строительства. -2011. - №2. - С. 18-19.

3. Ушаков, Н. А. Метод расчёта параметров защитного устройства для гидросистем строительных, дорожных и других гидрофицированных машин/ В.М. Рогожкин, H.A. Ушаков // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. - Волгоград, 2011. - №1. - С. 102 -105.

4. Ушаков, Н. А. Математическая модель рабочего процесса защиты гидросистемы от аварийного выброса рабочей жидкости / В.М. Рогожкин, Е.Д. Илларионова, H.A. Ушаков // Строительные и дорожные машины.- 2011. - №5. - С. 43-45.

В прочих изданиях:

5. Оптимизация стратегии эксплуатации машин / В.М. Рогожкин, H.A. Ушаков, H.A. Фоменко [и др.]; Автопрогресс-1998: материалы международной научно-технической конференции. - Варшава, 1998.-С. 177-179.

6. Ушаков, H.A. Устройство для защиты гидросистем>от аварийных потерь рабочей жидкости / H.A. Ушаков, H.A. Фоменко, В.М. Рогожкин // Молодёжь Поволжья - науке будущего: труды заочной молодёжной научно- технической конференции. - Ульяновск, 2003 . - С. 51 - 52.

7. Ушаков, H.A. Защита гидросистем машин в целях обеспечения экологической безопасности окружающей среды / Н.А.Ушаков, H.A. Фоменко // Интерстрой-мех-2003: материалы международной научно-технической конференции. - Волгоград - Волжский, 2003. - С. 241-243.

8. Ушаков, Н. А. Устройство для защиты гидросистем строительных и дорожных машин от аварийного выброса рабочей жидкости / В.М. Рогожкин, H.A. Ушаков // Интерстроймех-2008:материалы международной научно- технической конференции. - Владимир, 2008. - С. 167-169

9. Ушаков, Н. А. Математическая модель рабочего процесса устройства для защиты гидросистем строительных и дорожных машин от аварийного выброса рабочей жидкости / В.М. Рогожкин, Е.Д. Илларионова, H.A. Ушаков // Наука и образование: проблемы, решения и инновации : сб. ст. науч.-пракг. конференции. - ВИС-Тех филиал ВолгГАСУ — Волгоград, 2010. — С. 207 - 214.

10. Ушаков, Н. А. Устройство для защиты гидросистем машпп с элементом перем.нной жёсткости / H.A. Ушаков, В.М. Рогожкин, // Интерстроимех-2012:материалы международной научно-технической конференции. - Ижевск, 2012. -С. 153-157.

11. П. м. 125279 Российская Федерация, МПК Fl5В20/00. Устройство защиты гидросистемы / H.A. Ушаков, В.М. Рогожкин. - №2011138135/06; заявл.

16.09.2011; опубл.27.02.2013.

Подписано в печать Формат 60 х 81 1/16.

Бумага писчая. Усл. поч. л. 1,0. Тираж 100 экз. Злка j Л1(>7

Отпечатало: отдел полиграфии в Волжском институте строительства и технологий но адресу: 404111, Волгоградская обл.. г. Волжский, пр. им. Ленина, 72