автореферат диссертации по транспортному, горному и строительному машиностроению, 05.05.04, диссертация на тему:Совершенствование устройств защиты гидросистем строительных и дорожных машин от аварийного выброса рабочей жидкости

"«5004866

Ушаков Николай Александрович

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ГИДРОСИСТЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН ОТ АВАРИЙНОГО ВЫБРОСА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ

Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и

подъёмно-транспортные машины

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

- 8 ДЕН ?01]

Воронеж-2011

005004866

Работа выполнена 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: - доктор технических наук, профессор

Нилов Владимир Александрович

- кандидат технических наук, доцент Степанов Михаил Алексеевич

Ведущая организация: ООО «Волгоградгидрострой»

Защита диссертации состоится 23 декабря 2011 г. в 1300 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул XX-летия Октября, 84, ауд. 3220, факс (473) 271-59-05

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.

Автореферат разослан 22 ноября 2011г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Власов В.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

Анализ условий и режимов работы гидросистем строительных и дорожных 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.

Цель работы: Совершенствование способов защиты гидравлических систем строительных и дорожных машин путём применения специальных устройств для защиты гидросистемы от выброса рабочей жидкости при нарушении герметичности линии рукавов высокого давления.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. Усовершенствовать схему и конструкцию устройства, позволяющего сократить потери рабочей жидкости при аварийной разгерметизации напорной магистрали гидросистемы современных строительных и дорожных машин и исключить загрязнение окружающей среды.

2. Разработать математическую модель рабочего процесса усовершенствованного защитного устройства, позволяющую определить время срабатывания защитного устройства.

3. Произвести расчёт основных параметров усовершенствованного защитного устройства с учётом турбулентного движения рабочей жидкости в полости защитного устройства.

4. Исследовать работоспособность усовершенствованного устройства защиты гидросистемы строительных и дорожных машин и составить рекомендации по его практическому применению.

Объект исследования. Строительные и дорожные машины с гидравлическим приводом рабочих органов.

Научная новизна.

1. Новизна исследования состоит в том, что предложено усовершенствованное устройство защиты гидросистем строительных и дорожных машин, состоящее из двух частей - гидромеханической и оболочковой, что позволяет обеспечить надёжное перекрытие напорной гидролинии при её разгерметизации и полностью исключить выброс рабочей жидкости в атмосферу и загрязнение окружающей среды при аварийных ситуациях. Гидромеханическая часть защитного устройства снабжена упругим элементом переменной жёсткости.

2. Получена математическая модель рабочего процесса гидромеханической части защитного устройства, учитывающая основные параметры работы гидросистемы и защитного устройства (давление и вязкость рабочей жидкости, жёсткость пружин защитного устройства, скорость движения жидкости, сопро-г

»">'фс»»=го Ч>™™ жидко™, геометрические параметры кл.па,

^Гг^ТсГ' ' ДР') т'ЮЮ* з,

3. Предложена методика расчёта основных параметров защитного устоо! ства гидросистем строительных и дорожных машин, учитывающая наличшГу ругого элемента переменной жёсткости и турбулентность потока рабочей та

кости.

4. Разработана методика расчёта оболочковой части защитного устройства

5. Получены теоретические зависимое™ для определения времени сраба тывания усовершенствованного защитного устройства при различной дайн рукавов гидролинии, вязкости рабочей жидкости, давлении в гидросистеме же сткости пружин устройства.

Практическое значение работы.

1. Разработана, изготовлена и проверена на практике усовершенствован 1Г:ГЦИЯ 3аЩИТН0Г° для гидросистем, позволяющая исклю

й п ГеНИе °Кружающей СРВДЬ| и потеРи Рабочей жидкости при аварий ной разгерметизации гидросистемы строительных и дорожных машин

2- Предложены математические зависимости для расчёта основных пара метров предложенного защитного устройства, учитывающие особенности тур булентности движения рабочей жидкости в полости защитного устройства ПРТ1Р„ 1,0Лу^ена Регрессионная зависимость, с помощью которой можно определить необходимую жёсткость пружин защитного устройства, обеспечивающую требуемое быстродействие устройства, при извеелном дарении рабочей жидкости в гидросистеме.

_ 4. Разработана методика расчёта гидромеханической и оболочковой частей защитного устройства, позволяющая определить конструкторские параметры защитного устройства и выбрать материал оболочковой части обеспе-чивающии необходимую её прочность.

На защиту выносятся:

- способ защиты гидросистемы строительных и дорожных машин от аварийных потерь рабочей жидкости и разработанная на его основе усовершенствованная конструкция защитного устройства;

- математическая модель рабочего процесса гидромеханической части предложенного устройства для защиты гидросистемы строительных и дорожнь.х машин от аварийного выброса рабочей жидкости; Р

- методика расчёта основных параметров усовершенствованного защитного устройства (жёсткость пружин, диаметр клапана, диаметр пружин, число витков пружин и др.) С учётом турбулентности движения рабочей жидкости в полости защитного устройства; и

- математические зависимости для определения времени срабатывания защитного устройства при различной вязкости рабочей жидкости, давлении в

жёсткости пружин клапана, длине хода клапана и других пара- методика расчёта прочности и определения размеров герметичной оболочки защитного устройства;

- рекомендации по практическому применению предлагаемого устройства.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались на межвузовской научно-практической конференции молодых учёных и студентов (г.Волжский, 2003 г.); 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.). 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 9 работ, в том числе по списку ВАК РФ 4 работы.

Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы (159 источников), содержит 194 страницы, в т.ч. машинописного текста 152 страницы, 17 таблиц, 43 иллюстрации, приложений 13 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

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

В первой главе дан анализ различных способов совершенствования гидросистем строительных и дорожных 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 Т.М. Башты, И.П. Ксеневича, Л.В. Васильева, Д.Е. Флеера,

A.Т.Лебедева, Г.Л Кальбуса, В.В. Острикова, Г.Д. Матицына, В.А. Насирова,

B.И. Перельмитера, В.И. Пындака, Ю.Г. Лапынина, В.И. Федякина, C.B. Ду-бинского , М.А. Степанова , Ю.Д. Густова, В.Ф. Бабкина, H.A. Фоменко и др. учёных.

Анализ показал, что основными недостатками известных защитных устройств гидросистем, наряду с тем, что они не устраняют полностью потери рабочей жидкости, являются следующие:

- наличие подсоса воздуха при их срабатывании, что приводит к ухудшению условий смазки и повышенному износу деталей агрегатов гидросистемы;

- сравнительно длительная настройка устройства на рабочий режим;

- вероятность попадания воздуха в гидросистему в штатных режимах.

Отмеченные недостатки известных схем защиты делают их недостаточно 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 установлено, что наибольшее число неисправностей агрегатов гидросистемы строительных машин приходится на рукава высокого давления - до 44% (рис.

Получена закономерность распределения частоты отказов рукавов высокого давления (рис. 2). Из рис. 2 видно, что распределение отказов подчиняется нормальному закону. Используя методы теории вероятностей, установили, что срок работы рукавов до технического обслуживания составляет около 750... 800 мото-часов. Следовательно, техническое обслуживание рукавов высокого давления следует проводить при ТО-3.

рукава

высокого давл.

44% ('

«■ив^гааиаи»!*"1' ряспредел, гидроцил. 19%

13%

Рис. 1 Распределение неисправностей по агрегатам г идросистемы.

При такой периодичности технического обслуживания гидросистемы около 22% рукавов высокого давления выйдут из строя до обслуживания, а 78% - будут обслуживаться вовремя (до наступления предельного состояния), что обеспечивает соблюдение основного требования современной системы ТО о предупредительности обслуживания.

Проведённые ранее исследования показывают, что основная доля потерь рабочей жидкости при эксплуатации строительных машин приходится на потери, вызванные разрушением рукавов высокого давления гидросистемы и нарушением герметичности в соединениях (около 70% от общего расхода).

Гер = 1379

115

Рис.2 . Распределение частоты отказов рукавов высокого давления скрепера ДЗ

Следовательно, дня повышения эффективности работы гидросистем строительных и дорожных машин необходимо совершенствовать устройства для защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости при разгерметизации напорной магистрали.

Для защиты гидросистемы строительных и дорожных машин от аварийных потерь рабочей жидкости в данной 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 полностью исключить выброс рабочей жидкости в атмосферу при аварийных ситуациях в гидросистеме. 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 за время срабатывания защитного устройства.

Преимущество предлагаемого технического решения состоит ещё и в том, что в аварийном режиме выбрасываемая в момент срабатывания устройства защиты жидкость собирается в герметичной оболочке, что исключает загрязнение окружающей среды.

В отличие от известных схем защиты предлагаемое защитное устройство снабжено пружиной переменной жёсткости, выполненной в виде двух пружин что позволяет увеличить скорость движения клапана в первоначальный период его закрытия и уменьшить скорость в момент окончания закрытия. Это позволяет сохранить быстродействие устройства, но при этом уменьшить силу удара клапана о гнездо и уменьшить износ.

Схема предлагаемого устройства защиты гидросистемы представлена на рис. 3. Устройство содержит гидромеханический узел 1, прочную на разрыв защитную герметичную оболочку 2, напорную гидролинию высокого давления 3, гидронасос 4 и гидрораспределитель 5. Гидромеханический узел 1 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.

Рис. 3. Устройство защиты гидросистемы с двумя пружинами и герметичной оболочкой

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

8

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 видно 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 третьей главе рассмотрены функциональные зависимости параметров гидросистемы и исследованы причины возникновения неисправностей, которые приводят к аварийным потерям рабочей жидкости. Разработана математическая модель рабочего процесса защитного устройства и предложен способ расчёта параметров клапана защитного устройства. Расчётная схема приведена на рис.

Рис.4. Расчётная схема клапана защитного устройства с турбулентным движением жидкости.

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

_ I , .

Л' ~ т х т Р<х + Р<* ~ ~ (1)

гДе ---ускорение движения клапана, м/с ;ш - масса движущихся частей

защитного устройства, Н с2/м; Е«, - результирующая сила от давления жидкости.,^ Б сж - сопротивление жидкости движению клапана, Н; Рт/) - сопротивление внутреннего трения жидкости, Н; 71пр - усилие основной пружины, Н; ?2пр - усилие дополнительной пружины, Н.

Определим составляющие сил, действующих на клапан (формула (1)).

Результирующая сипа от давления жидкости Рж находится по формуле: = ,Н, (2)

где ЛР- перепад давления на клапане, Н/м2; О, - диаметр клапана, м.

Сопротивление жидкости движению клапана Гсж, :

Ъ = Р* [* + (£-)*) -^Д, (3)

где ц - коэффициент динамической вязкости жидкости, Нс/м2; к - коэффициент учитывающий форму клапана, с/м2; и - скорость жидкости в полости защитного устройства.

Сопротивление внутреннего трения жидкости Ртр

(4)

где ц - коэффициент динамической вязкости, Нс/м2; Б - площадь рассматриваемого слоя жидкости или стенки, соприкасающейся с ней, м2;

— — градиент скорости, 1 ¡с .

Усилие Е^пружины 2 и ^2пр пружины 5 находим из следующих выражений:

+<?1[г-*ОЭЗ,н, (5)

+сг[1-х(е)], Н, (6)

где с; и с2 - жёсткость пружин 2 и 5 клапана соответственно, Н/мм; А 0/ и И 02

- величина предварительного сжатия пружин 2 и 5 соответственно, мм; / -длина хода клапана, мм; а(г) - величина перемещения клапана при срабатывании защитного устройства, мм.

Подставляя выражения сил из формул (2),(3),(4) ,(5) и (6) в формулу (1), получим:

-4 цк

+ Сз^оз Т сг(1

яО? Эи

+ - [¿А, г;^! - V©)

Обозначим с/ + с2 = с и И01 = И02 = V Тогда получим:

Лс(0_ &Р(0 ъРI ш \уки цк / ¿хлЧтгР-* с{1 -

«i чл ) \ 4 т " ду [от + т ]*'

т 4

_ ДР(0 пР\ ( цки пР? ; цк зт£? / ¿СЧ2 Эи с1

т * т ' 4 т" 4 Чсгг / +~т'ду~~т~т

«(О

т

(?)

Обозначим составляющие в формуле (7) соответственно:

¡A TtDl т 4

х" —

-а. L-з AP"Di ; яД1 , с5 аа

m ' 4m тп 4 ' т ду — — '

m

m

С8)

i =

At ¿t

dp ' A,B,C, - const.

В результате получим дифференциальное уравнение второго порядка:

л(х')2+ вх = с , где х= x(t) (9)

Воспользуемся способом замены для понижения порядка уравнения. Пусть х-р(х) => х"=р-р', тогда уравнение (9) примет вид:

рр' + Лр2 + Вх = С. Введём следующую замену:

у р2 => у'=2рр' => f-My+S* = C или у'+ 2Ау + 2Вх=2С или у'+ 2Ау = 2С- 2 Вх. (10)

Получили линейное уравнение первого порядка, которое решили методом Бернулли.

В результате получили выражение для определения времени срабатывания устройства:

'-г

' ЛХ .

Для приближённого решения этого уравнения использовали программу Майюай и получили:

(И)

•а Ахг

t -

гл3С

.hM-lBC^+B (iCA-iBCiA^tB)

2А*В- 4а'с а 12 АЛС-

vt.4*3 ■JlCA-ABCiA* +S (2СА - 4всг Л- + в)" 2А"-

2(2СА — +зс1.4: - i3c, A2 -t-я i2ca

-Н,.+С2 (12)

Рассмотрев начальные условия (х=0 и х'=0), определили постоянные интегрирования С] и С2 и при известных значениях параметров защитного устройства по зависимости (12) нашли величину I = 0,25.. .0,30 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 допустимых условиях: давление в гидросистеме в пределах 20...30 МПа, ход поршня 10...20 мм., значение динамической вязкости 0,08...0,32 Нс/м2, величина предварительного сжатия пружины 5...10 мм.

Расчёты показали, что с увеличением давления от 8 МПа до 32 МПа время срабатывания устройства возрастает примерно в 2,3 раза (рис.5).

Время срабатывания устройства в значительной степени зависит от жёсткости пружин. Нами, используя формулу (12), проведены исследования по изучению влияния жёсткости пружин на время срабатывания устройства при различной вязкости. Результаты представлены на рис.6, из которого видно, что с увеличением жёсткости пружин время срабатывания устройства уменьшается.

Рие.5. Теоретическая зависимость времени срабатывания устройства от давления в гидросистеме.

Рис. 6. Теоретические зависимости влияния жёсткости пружин на время срабатывания защитного устройства.

Получено уравнение расхода жидкости при разрыве шланга высокого давления, позволяющее определить величину потерь рабочей жидкости при аварийной разгерметизации. Расчёты показали, что минимальная величина выброса рабочей жидкости при разгерметизации гидросистемы с использованием предлагаемого защитного устройства составляет 0,22...0,25 л. за один порыв.

В четвёртой главе обоснован выбор основного объекта исследования -скрепера ДЗ-115 с защитным устройством, работающего в реальных условиях строительного производства; описана программа и методика стендовых и полевых исследований.

Программа исследований состояла из четырёх этапов:

- теоретические исследования;

- 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 тензостанция УТС-1-ВТ-12 с усилителем Н-700 и девятишлей-фовым осциллографом 9S0-302

Проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния давления в гидросистеме, вязкости жидкости, длины шлангов, температуры жидкости и др. факторов на показатели работы защитного устройства. Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением давления в гидросистеме время срабатывания защитного устройства возрастает (рис.7). Так, при давлении 24 МПа (длина шлангов 2 м.) время срабатывания устройства составляет примерно 0,32.. .0,36 е., а при давлении 28 МПа - около 0,43 с. На время срабатывания устройства влияет также длина шлангов. Исследования показали, что с увеличением длины шлангов время срабатывания увеличивается (рис.7).

Исследования также показали, что время срабатывания устройства зависит от вязкости жидкости. Чем больше вязкость, тем больше время срабатывания устройства ( рис. 8).

В исследовании использовались рабочие жидкости со следующими значениями вязкости: 8; 12; 16; 20; 24; 28 и 32 мм2/с. Исследования показали, что с увеличением вязкости с 12 до 32 мм2/с время срабатывания устройства возросло, примерно, на 0,25 с.( с 0,40 до 0,65 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. 8, с увеличением вязкости интенсивность роста времени срабатывания устройства увеличивается.

Математические выражения, описывающие кривые, приведённые на рис. 7, 8 получены по программе Microsoft Excel.

0.7

1, с 0,6

0,5

0,4

0,3

0,2

0.1

0

Ж 1 - 0.00045 И57Р2 - 0.004243823Р * 0.319145659 1521Р2 - 0.005241641Р + 0.286930929 2131Р' . 0.005220853Р ♦ 0,245724618 3665Р 0.007782332Р «0.242553795 1 = аР2 - ЬР + II2 = 0,999...0,997 ц=16ммг/с (0,16 Нс/м2) С=бЗДН/мм

Я 1=0,00045 /1 1 - 0,0004

Г Щ 1= 0,0004

(л =4м^

1, = 2м

1 != 1М

-.-----

10

20

30

40

Р. МПа

Рис. 7. Зависимость времени срабатывания защитного устройства от давления в гшгоо-системе при различной длине шлангов. н

|р3155ц3 - С,0057адМ8Ц ♦ 2.528571423 10119Р! -О.ОМ22619Р ♦ 0.488571425 98512Р» - 0,00610119р <■ 0,400714256

1=0.0005*7799^' - 0.01110119Р * 0.356428571

Я2= 0.999...0,997

с= 2,5 м ц, мм~'с с-63лн/мм

Рис. 8. Зависимость времени срабатывания защитного устройства от вязкости рабочей

жидкости при различном давлении в гидросистеме

Проверка адекватности математической модели (11) результатам экспериментальных данных выполнена на основе ^критерия Фишера при доверительной вероятности 1-а = 0,99. Для этого определили значение Гэ. для экспериментальных данных и теоретическое значение - Если Гэ> Рг - модель адекватна, если Гэ< - неадекватна.

По полученным экспериментальным данным /=/(С) определили 696

14

По таблице критических точек распределения Г нашли при уровне значимости а =0,01( 1-а = 0,99): ^г=18,0.

Так как величина Рэ, больше ^г, то можно утверждать, что математическая модель (11) адекватна полученным экспериментальным данным.

В пятой 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 отмечается, в первую очередь, в полости Б защитного устройства (рис. 4), т.е. в зоне расположения клапана 1.

Условие равновесного состояния клапана (рис. 4) имеет вид:

Р,=Р2+Р3+Р4+Р5, (13)

где Р, - сила давления гидрожидкости на клапан ; Р2 и Р3, - силы, возникающие от давления жидкости на клапан в зоне турбулентного движения (полость Б); Р4Р; - усилие пружин клапана.

Силы Р21Л.Р3 определяются по формулам:

-к,

4 - (14)

Р -Р

О ^-К, (15)

где к - коэффициент, учитывающий влияние турбулентности движения жидкости.

По имеющимся литературным данным , для случаев, аналогичных рассматриваемому нами, можно принять Л" =0,9. Следовательно, фактическое давление на клапан защитного устройства будет, примерно, на 10% меньше того давления, которое принимают в настоящее время авторы при расчёте параметров предлагаемых защитных устройств без учёта турбулентности движения.

Нами 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 (рис.9). Эта зависимость позволяет определить (ещё на стадии проек-

тирования), какой должна быть жёсткость пружин, если известно давление жидкости при работе машины в реальных условиях эксплуатации.

С.Шмм 75 " 70 б! 60 5! И 45 <0

1=-аР'» ЬР*с

у= -0,031хг ♦ 2825х ♦ 18 63 В'=0.9И

5 10 15 50 35 30

Рис. 9. Зависимость необходимой величины жёсткости пружин защитного устройства от давления рабочей жидкости в гидросистеме

Предложена методика расчёта основных характеристик оболочковой части защитного устройства, с учётом величины выбрасываемой из гидросистемы рабочей жидкости при разгерметизации напорной гидролинии, давления в гидросистеме, диаметра шланга и других параметров.

Расчёт тонкостенных оболочек производят при допущении, что напряжения, возникающие в оболочке постоянны по толщине оболочки, а изгиб оболочки отсутствует. Такая теория расчёта называется безмоментной теорией. В нашем случае изгибающих моментов в оболочке нет, материал оболочки работает на разрыв. Поэтому для расчёта принята безмоментная теория.

Основным уравнением безмоментной теории оболочек является уравнение Лапласа, которое с учётом указанных выше предположений имеет вид:

где а и г - нормальное и касательное напряжение в материале оболочки соответственно; к/ и - радиус кривизны внутренней и наружной поверхности оболочки соответственно; Р ^ давление жидкости на поверхность оболочки; 5 -толщина оболочки. Расчёть1 показали, что ткань оболочки должна иметь прочность не ниже 15,7-103 Н/см2.

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

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

^р.ж + Эг+Эс;

(17)

где Эр.ж - эффект от экономии рабочей жидкости ; Эг - эффект от сокращения простоев машинного агрегата; Э0- эффект от сохранения окружающей среды.

нию:

где

Первую составляющую экономического эффекта определим по выраже-

п г,г, ■■ ЭР-Ж = (ОЦр.ж-Е„Цк), л

F К^Г СОХраняемой жвдкосга (у= 13л.); Ц,ж. - цена рабочей жидкости-Е" ~ к°эФФициент экономической эффективности (£„= 0.1) я . удельные™ полнительные капитальные вложения. Удельные до-

Эффект от сокращения простоев машинного агрегата: _ Э-Г = Р t06 ,

где F - прибыль от работы машины за один час (Р = 250,3 руб/ч V t„,,- сокоаше ние потерь рабочего времени от простоев агрегата (и = 2 ч)

Затраты Э0 на устранение последствий загрязнения заключаются в свезке поверхностного слоя грунта и засыпке свежим грунтом.: Р

о + ^ + ^т , (20)

- МШ -ЖГпГ7ИСта И В0ДИТСЛЯ (ЗКСКаЕат°Р ЭО-2б26Б и самосвал ЗИЛ лива руб РУ ; ~ аМ0Р™3аЦ,Ю'ШЬГе РУб; С - стоимость топ-

Экономический эффектна машину в год: Э= 611,6+500,6+ 630=1742 2 dv6 Годовой экономический эффект от применения предлагаемого защитного ™ ^ ПЗРКа стр°ительнь1х и Дорожных машин Вмгоградской^бласти iii^S^Z б°Лее 300 МЛН" СР°К окУпаемости заЩитного £

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1. Анализ причин потерь рабочей жидкости из гидросистем при эксплуа тации строительных и дорожных машин показывает, что осноГьЛотер™ заны с разрушением рукавов высокого давления. Уменьшить эт^ерТмож о как за счет повышения надёжности и долговечности рукавов и дрЗ узлов и агрегатов гидропривода, так и путём создания систеГзащиты, уме^шающих аварийный выброс рабочей жидкости. уменьшающих

2. Разработана усовершенствованная конструкция устройства защиты гия росистемы от аварийных потерь рабочей жидкости, сопящая и гидромеханической части с упругим элементом переменной жё«коЗи ПРоЧ ной герметичной оболочки, расположенной на рукавах высоГгГдавлГия Гидромеханическая часть устройства снабжена в отличие от известныГуст

^jszsss^r——

системы и защитного устройства (давление и вязкость рабочей жидкос™ Х кость пружин защитного устройства, скорость движения жидкости сопротивление внутреннего трения жидкости, геометрические параметры оапа^за

=JSSS "др0 и П03—опред™ ^ ~

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. Расчёты показали, 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. Разработан способ и получены математические зависимости для расчёта основных параметров предложенного усовершенствованного устройства защиты гидросистемы строительных и дорожных машин в условиях турбулентности движения гидрожидкости. Определены конструкторские параметры гидромеханической части защитного устройства.

6. Предложена методика расчёта основных характеристик оболочковой части защитного устройства, с учётом величины выбрасываемой из гидросистемы рабочей жидкости при разгерметизации напорной гидролинии, давления в гидросистеме, диаметра шланга и других параметров.

7. Экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность и высокая эффективность предложенного защитного устройства. Минимальное время срабатывания устройства составляет, примерно, 0,25...0,30 с.

8. Полученные с помощью математической модели расчётные значения времени срабатывания защитного устройства отличаются от экспериментальных, при работе его в гидросистеме скрепера ДЗ-115 на 5...9 %, что свидетельствует об адекватности полученной математической модели.

9. Получена закономерность изменения времени срабатывания предложенного защитного устройства в зависимости от давления в гидросистеме при различной жёсткости пружин защитного устройства, что позволяет определить необходимую жёсткость пружин устройства при заданном давлении рабочей жидкости в гидросистеме. Эти данные необходимы при разработке конструкции защитных устройств с учётом эксплуатационных условий их работы.

10. Использование в предлагаемом защитном устройстве упругого элемента переменной жёсткости позволяет снизить ударные нагрузки при срабатывании устройства, что снижает износ деталей устройства и повышает его долговечность.

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

12. Экономический эффект от применения предлагаемого защитного устройства составляет около 1742 руб. в год на одну машину.

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК

1. Рогожкин, В.М. Методика расчёта устройства для защиты гидросистемы строительных и дорожных машин / В.М. Рогожкин, Н.А. Ушаков // Строительные и Дорожные машины. - Москва, 2008. - №8. - С. 37-38 . Лично автором выполнено 1,5 с.

2. ^ Рогожкин, В.М. Защита гидросистем машин от аварийного выброса рабочей жидкости при разгерметизации напорной магистрали / В.М. Рогожкин, H.А. Ушаков // Механизация строительства. - Москва, 2011. - №2. -С. 18-19. Лично автором выполнено 2 с.

3. Рогожкин, В.М. 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. Лично автором выполнено 3,5 с.

4. Рогожкин, В.М. Математическая модель рабочего процесса защиты гидросистемы от аварийного выброса рабочей жидкости / В.М. Рогожкин, Е.Д. Илларионова, H.A. Ушаков // Строительные и Дорожные машины -Москва, 2011. - №5. - С. 43-45 . Лично автором выполнено 2,5 с. Публикации в других изданиях

5. Оптимизация стратегии эксплуатации машин / В.М. Рогожкин [ и др.]; Автопрогресс-1998: материалы международной научно-технической конференции. - Варшава, 1998. - С. 177-179. Лично автором выполнено 2 с.

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. Лично автором выполнено 1,5 с.

7. Ушаков, H.A. Защита гидросистем машин в целях обеспечения экологической безопасности окружающей среды / Н.А.Ушаков, H.A. Фоменко // Интерстроймех-2003: материалы международной научно-технической конференции. - Волгоград- Волжский, 2003. - С. 241-243. Лично автором выполнено 2 с.

8. Рогожкин, В.М. 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. Лично автором выполнено 3 с.

9. Рогожкин, В.М. 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 II Наука и образование: проблемы, решения и инновации : сб. ст. на-уч.-пракг. конференции. - ВИСТех филиал ВолгГАСУ,— Волгоград, 2010. — С. 207 - 214. Лично автором выполнено 7 с.

Подписано в печать 18.11.2011. Формат 60 х 84 1/16. Бумага дня множит, аппаратов. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ № 258

Отпечатано: отдел полиграфии Волжского института строительства и технологий (филиал) Волгоградского государствишого архитектурно-строительного университета 404111 г. Волжский, пр. Ленина, 72 19