Содержание к диссертации
Введение
1 Гидравлические системы машин и способы защиты их от аварийных потерь рабочей жидкости 12
1.1 Особенности работы гидросистем машин 12
1.2 Системы гидропривода рабочего оборудования машин 13
1.3 Влияние условий эксплуатации колёсных и гусеничных машин на параметры работы гидросистемы 19
1.4 Устройства защиты гидросистемы от потерь рабочей жидкости при разрушении рукавов напорной гидролинии 21
1.4.1 Механические схемы защиты 34
1.4.2 Гидромеханический способ защиты гидросистемы с двойным перекрытием напорной гидролинии 35
1.4.3 Защитное устройство с разрывной муфтой 38
1.5 Математические модели известных защитных устройств 40
1.6 Возможные варианты установки защитного устройства в гидросистеме 41 Выводы по главе 45
2 Теоретические исследования возможностей совершенствования способов защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости 46
2.1 Теоретическое обоснование необходимости совершенствования защитных устройств 46
2.2 Обоснование направления совершенствования защитного устройства... 48
2.3 Теоретические исследования характера потока жидкости в защитном устройстве 57
2.4 Теоретические предпосылки возможностей исключения загрязнения окружающей среды при аварийных ситуациях в напорной гидролинии 58
Выводы по главе 60
3 Исследование характера и распределения отказов рукавов высокого давления и предлагаемое устройство для защиты гидросистемы машин 61
3.1 Влияние различных факторов на надёжность работы гидропривода машин 61
3.2 Исследование характера отказов узлов высокого давления в гидросистеме машин 65
3.3 Предлагаемый способ защиты гидросистемы с применением упругого элемента и герметичной оболочки 70
3.4 Определение характера потока жидкости в полости защитного устройства 7 6 Выводы по главе 78
4 Исследования влияния различных эксплуатационных факторов на время срабатывания защитного устройства 80
4.1 Определение сил действующих в защитном устройстве 80
4.2 Определение времени срабатывания защитного устройства 8 2
4.3 Исследования влияния различных факторов на показатели работы защитного устройства 89
4.4 Исследования по определению скорости движения клапана и усилия пружин в защитном устройстве 93
4.5 Расчёт объёмных потерь рабочей жидкости при аварийных ситуациях.. 95
4.6 Исследование расхода жидкости при разрыве шланга высокого давления 96
Выводы по главе 98
5. Методика исследований и результаты экспериментальных испытаний защитного устройства 100
5.1Общая методика исследований 100
5.2 Типовая конструкция гидропривода как объект исследования 103
5.3 Методика лабораторных исследований предложенного защитного устройства гидросистемы машин 104
5.3.1 Стенд для испытаний защитного устройства 104
5.3.2 Программа лабораторных исследований . 108
5.4 Методика испытания предлагаемого защитного устройства в эксплуатационных условиях 112
5.5 Влияние различных эксплуатационных факторов на показатели работы защитного устройства 117
5.6 Адекватность математической модели результатам экспериментальных данных 123
Выводы по главе . 127
6 Определение основных параметров защитного устройства и практическое применение полученных результатов 129
6.1 Методика расчёта гидромеханической части защитного устройства 129
6. 2 Расчёт клапана защитного устройства с учётом турбулентности движения рабочей жидкости 134
6.3 Выбор необходимой жёсткости пружин защитного устройства . 140
6.4 Прочностной расчёт корпуса оболочки защитного устройства 141
6.5 Влияние различных факторов на размеры оболочки . 147
6.6 Расчёт скорости движения клапана . 150 Выводы по главе . 155
7 Эффективность применения предлагаемого защитного устройства 156
7.1 Ожидаемый экономический эффект от применения защитного устройства 156
7.2 Срок окупаемости затрат на изготовление и внедрение устройства 159
Выводы по главе 160
Заключение 162
Список литературы 165
Приложения . 177
- Устройства защиты гидросистемы от потерь рабочей жидкости при разрушении рукавов напорной гидролинии
- Теоретические предпосылки возможностей исключения загрязнения окружающей среды при аварийных ситуациях в напорной гидролинии
- Предлагаемый способ защиты гидросистемы с применением упругого элемента и герметичной оболочки
- Исследование расхода жидкости при разрыве шланга высокого давления
Введение к работе
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 математи
ческую модель рабочего процесса гидромеханической части предлагаемого защит
ного 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 устройст
ва, учитывающую турбулентный характер движения рабочей жидкости в полости
защитного устройства.
-
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.
-
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 за
висимости основных параметров предлагаемого защитного устройства от величины
давления в гидросистеме, длины рукавов, вязкости гидрожидкости и др; получены
теоретические зависимости для определения времени срабатывания защитного уст
ройства.
-
Установлено, что в полости защитного устройства движение рабочей жидкости носит турбулентный характер, с учётом этого предложена методика расчёта основных параметров защитного устройства.
-
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 за
грязнение окружающей среды и сократить потери рабочей жидкости при аварийной
разгерметизации гидросистемы колёсных и гусеничных машин.
-
Экспериментально получена зависимость для определения необходимой жёсткости пружин защитного устройства, обеспечивающей требуемое быстродействие устройства, при известном давлении рабочей жидкости в гидросистеме.
-
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.
-
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.
Устройства защиты гидросистемы от потерь рабочей жидкости при разрушении рукавов напорной гидролинии
Учёные и специалисты, изучающие проблему совершенствования работы гидросистем колёсных и гусеничных машин, разработали немало способов и предложили ряд устройств для защиты гидросистемы от потерь рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления. Предложенные системы защиты гидропривода можно разделить на три основные группы: по регулируемым параметрам, по принципу действия и месту расположения.
По регулируемым параметрам системы защиты гидропривода можно разделить на контролирующие изменение рабочего давления в гидроприводе машины, изменение расхода рабочей жидкости через сливную гидролинию и изменение уровня рабочей жидкости в гидравлическом баке.
По принципу исполнения (действия) защитные устройства можно разделить на механические, электрические, комбинированные (гидропневматические и электрогидравлические). В исследованиях[11], [87], [88] предложены различные схемы защиты как отдельно взятых элементов гидравлической системы, так и всей гидросистемы в целом. Некоторые из известных схем защиты приведёны в таблице 1.2.
Как показывает анализ существующих схем защиты гидросистем, авторы при разработке защитных устройств стремятся получить такие конструкции, которые обладают, во-первых, быстродействием (что обеспечивает сокращение потерь рабочей жидкости при разрушении напорной гидролинии) и надёжностью.
В работе Н. А. Фоменко [114] дана классификация существующих способов защиты гидросистем от аварийного выброса рабочей жидкости, согласно которой все известные схемы защиты по принципу их действия можно разделить на три основные группы: пневмоэлектрические, гидропневматические и гидромеханические.
Анализ литературных данных показывает, что наиболее приемлемыми являются гидромеханические способы защиты, особенность работы которых описана в исследованиях [10], [15] и др.
В ранее выполненных исследованиях указывается, что защитные устройства могут устанавливаться в различных местах гидросистемы, например, в нагнетательной линии, на участке слива рабочей жидкости, в гидробаке. Но предпочтительнее, как отмечают большинство авторов, является расположение защитных устройств в нагнетательной магистрали [9], [87], [88], [90].
В случае размещения защитного устройства в нагнетательной гидролинии авторы рекомендуют устанавливать его либо на участке гидронасос- гидрораспределитель [87] либо - распределитель- рабочий цилиндр [88], [90], [91].
Принцип работы устройств защиты гидросистемы основан либо на изменении расхода гидрожидкости [8], [90], либо на уменьшении уровня гидрожидкости в баке, либо на перепаде давления в гидросистеме [11], [12], [14], [15], [88], [89], [91].
В существующих схемах защиты прекращение выброса рабочей жидкости при аварийной ситуации в гидросистеме осуществляется различными способами: отключением насоса, отключением гидромотора, переводом гидрораспределителя в нейтральное положение или соединением сливной и напорной магистралей гидросистемы. При этом отсоединение или соединение напорной и сливной магистрали могут производиться или оператором, или автоматическим путём.
Время отключения двигателя или гидронасоса оператором зависит от того, как быстро он среагирует, наблюдая за состоянием напорных магистралей или показаниями приборов, отражающих состояние отдельных параметров работы гидропривода, и произведёт отключение. Это время может быть значительным – 10 и более секунд. Поэтому предпочтение следует отдавать автоматизированным схемам защиты, основанным на соединении сливной и напорной магистрали. Анализ, которых представлен ниже.
При расположении защитного устройства в сливной магистрали, действие его обычно, основано на принципе изменения расхода рабочей жидкости или перепаде рабочего давления в гидролинии. Первая схема рассмотрена в работах [6],[8], [9] и др., вторая – в исследованиях [88],[11].
Действие защитных устройств, работающих по первой схеме, происходит следующим образом. При разгерметизации напорной гидролинии количество жидкости, поступающей на слив в гидробак, уменьшается. Датчик фиксирует снижение сливного потока и подаёт сигнал на переключатель, который перемещаясь соединяет напорную и сливную гидролинии. Подача рабочей жидкости насосом в гидролинию высокого давления прекращается. Жидкость от насоса поступает в гидробак.
При второй схеме защиты происходит следующее. При нарушении герметичности в напорной гидролинии давление в гидросистеме падает, в результате срабатывает система клапанов, и рабочая жидкость от гидронасоса поступает в сливную магистраль, соединённую с гидробаком.
Большая инертность, недостаточное быстродействие, малая чувствительность, а также сложность конструкции защитных устройств, устанавливаемых на сливной магистрали, являются существенными их недостатками, что ограничивает возможность их практического использования.
Предпочтительнее следует признать гидромеханические защитные устройства, установливаемые в напорной гидролинии на участке гидронасос – гидрораспределитель. Такая схема защиты гидросистемы, описана в авторском свидетельстве [10]. Она содержит гидронасос, аварийный блок с исполнительным органом, и предохранительным клапаном с линией разгрузки двухпозиционный двухлинейный гидрораспределитель, нерегулируемый дроссель и гидроцилиндр. При аварийной ситуации в напорной магистрали - давление рабочей жидкости в напорной магистрали резко уменьшается, в результате чего происходит срабатывание двухпозиционного двухлинейного гидрораспределителя, нерегулируемый дроссель при этом перекрывает поток жидкости и рабочая жидкость через защитное устройство (предохранительный мембранный клапан) поступает в сливную магистраль, т.о. прекращается подача гидрожидкости в напорную магистраль. Применение аналогичных схем защиты ограничено сложностью конструкции самого устройства и технологии изготовления запорного устройства.
Некоторые авторы [10] , [88] предлагают ставить устройства защиты на участке цилиндр - распределитель. Такие устройства состоят из запорных клапанов, регуляторов потока жидкости и датчиков измерения давления. При аварийной разгерметизации напорной магистрали равновесие запорного элемента клапана нарушается, в результате чего перекрывается напорная магистраль и прекращается поток рабочей жидкости. В это время происходит срабатывание датчика давления и шток гидрораспределителя переводится в нейтральное положение.
Преимущества этих схем заключаются в быстродействии самих устройств. Недостатки заключаются в сложности конструкции и изготовлении устройств, а также в возможном срабатывании устройства при изменении давления в гидросистеме во время работы машины.
Теоретические предпосылки возможностей исключения загрязнения окружающей среды при аварийных ситуациях в напорной гидролинии
В ранее выполненных исследованиях, посвящённых проблеме защиты гидросистемы от аварийных потерь рабочей жидкости, при расчёте параметров защитного устройства считалось, что в защитном устройстве имеет место ламинарный поток движения рабочей жидкости. При этом такое утверждение авторами принималось бездоказательно. И никто не определял, каков же в действительности характер движения жидкости в полости защитного устройства при его срабатывании.
Нами для установления характера потока жидкости в защитном устройстве проведены теоретические исследования по определению числа Рейнольдса, по величине которого определяют характер потока жидкости. Из гидравлики известно, что если число Рейнольдса Re 2200, то такой поток будет ламинарным, а если Re 2200, то поток принимает турбулентный характер: Величину Re можно определить по формуле :
Из формулы (2.15) видно, что величину Re можно найти, если известны значения г, и, pi.
Следовательно, предложив конструкцию защитного устройства, для которого эти значения будут известны, можем определить число Рейнольдса Re и таким образом - установить характер потока жидкости в защитном устройстве.
Если будет установлено, что в защитном устройстве будет турбулентный поток, то эту особенность следует учитывать при расчёте параметров устройства. Известно, что в турбулентном потоке происходит интенсивное перемещение частиц жидкости, движение их принимает беспорядочный хаотичный характер, возрастает скорость движения жидкости. При этом снижается давление жидкости.
По формуле Вейсбаха [38] потери давления жидкости при турбулентном потоке составляют:
I- длина участка пути гидрожидкости; d- диаметр сечения участка. Таким образом, если в защитном устройстве будет наблюдаться турбулентный поток, то давление жидкости в защитном устройстве будет меньше на величину АР, чем при ламинарном потоке. И с учётом этого снижения следует рассчитывать все параметры защитного устройства.
Определение характера потока жидкости и расчёт параметров для конкретного защитного устройства приведены в главах 3 и 6.
Теоретические предпосылки возможностей исключения загрязнения окружающей среды при аварийных ситуациях в напорной гидролинии
В предложенных ранее защитных устройствах при нарушении герметичности напорной гидролинии некоторое количество гидрожидкости (от 1 до 9 литров) попадает в окружающую среду, вызывая её загрязнение.
Чтобы исключить экологические последствия от выброса рабочей жидкости при аварийных ситуациях в гидросистеме, надо предотвратить попадание её в окружающую среду. Добиться этого можно за счёт установки на шланги гидросистемы специальной прочной защитной оболочки. При этом прочность материала защитной оболочки должна быть такой, чтобы выдержать давление струи жидкости, вырывающейся из повреждённого шланга.
Если обозначить давление струи жидкости на стенку оболочки Н, а площадь, на которую струя воздействует S , то напряжение в материале будет:
По величине а, зная допустимое напряжение, можно подобрать материал ткани для защитной оболочки.
Важной характеристикой защитной оболочки, кроме прочности материала, является величина её объёма, в котором должна собираться выбрасываемая гидрожидкость при разрушении рукавов высокого давления. При этом желательно, чтобы давление жидкости в защитной оболочке не превышало атмосферного.
Выбрасываемая при разрушении рукава жидкость должна разместиться в
Схема для расчёта необходимого объёма оболочки защитного устройства показана на рисунке 2.6.
На основании анализа ранее выполненных исследований по проблеме защиты гидросистем машин от аварийного выброса рабочей жидкости нами 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. С учётом теоретически обоснованных направлений совершенствования способов защиты гидросистем нами были сформулированы задачи настоящего исследования.
Предлагаемый способ защиты гидросистемы с применением упругого элемента и герметичной оболочки
Нами предложен усовершенствованный гидромеханический способ защиты гидросистемы машин, основанный на двойном перекрытии напорной гидролинии и использовании герметичной оболочки, установленной на рукавах высокого давления.
Схема предлагаемого устройства защиты гидросистемы представлена на рисунке 3.3. Устройство содержит гидромеханический узел 7, прочную на разрыв защитную герметичную оболочку 2, напорную гидролинию высокого давления 3, расположенную между гидронасосом 4 и гидрораспределителем 5. Гидромеханический узел 1 содержит подпружиненный плунжер 6 с осевым и радиальными отверстиями 8 и подпружиненный клапан 9. Устройство работает следующим образом. Рабочая жидкость гидронасосом 4 по напорной гидролинии высокого давления 3 подаётся через полости 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 клапана 9 и плунжера 6 гидромеханического узла 1 (запорного устройства).
В отличие от известных прототипов [87],[114] предлагаемое защитное устройство состоит из двух частей – гидромеханического узла и прочной на разрыв герметичной оболочки, устанавливаемой на рукавах высокого давления. Гидромеханический узел осуществляет перекрытие напорной гидролинии при разгерметизации и соединяет нагнетательную магистраль со сливной, а оболочковая часть – сбор рабочей жидкости, выбрасываемой из повреждённого рукава за время срабатывания защитного устройства.
Особенность предлагаемого защитного устройства состоит в том, что оно обеспечивает не только двойное перекрытие напорной гидролинии, но и сбор выбрасываемой гидрожидкости в герметичной оболочке за время срабатывания устройства, что полностью исключает попадание гидрожидкости в атмосферу и загрязнение окружающей среды. Этим предлагаемое защитное устройство выгодно отличатся от прототипов. Рисунок 3.3 – Устройство защиты гидросистемы с герметичной оболочкой при открытом состоянии клапана [патент РФ №125279]. Кроме того, в усовершенствованном гидромеханическом устройстве установлена дополнительная пружина 11 клапана, которая необходима для стабильной и надёжной работы защитного устройства. Применение дополнительной пружины предполагает увеличение суммарной жёсткости пружин клапана по сравнению с устройством, где установлена лишь одна пружина [114]. В предлагаемом варианте при срабатывании защитного устройства в начале закрытия клапана скорость его будет больше, чем скорость клапана, если бы на него устанавливалась одна пружина. Но при окончании закрытия клапана его скорость будет меньше, чем для случая с одной пружиной.
Таким образом, установка дополнительной пружины в защитное устройство не приведёт к снижению быстродействия, но сила удара о седло клапана и скорость клапана в момент его закрытия будет меньше, по сравнению с прототипом (одна пружина), что приведёт к снижению износа посадочного гнезда и повышению надёжности работы устройства.
Устройство (рисунки 3.3 и 3.4) состоит из корпуса 1 с входной А и выходной Б полостями с размещённым в нём плунжером 6, который имеет сквозной осевой канал, проточку и радиальные отверстия 8. Плунжер касается пружины, которая вторым концом упирается в корпус 10, причём полость Б гидравлически соединена каналом 7 и полостью А.
Устройство имеет подпружиненный клапан 9 и плунжер 6, что позволяет получить двойное перекрытие напорной гидролинии при разрушении элементов гидросистемы.
При срабатывании защитного устройства одновременно перекрывается выходная полость Б плунжером 6 и входной канал А клапаном 9, которой закрывает отверстие 7 седла.
Подвижный подпружиненный клапан 9 имеет гидравлический подпор. Для подпора клапана рабочая жидкость поступает по гидролинии 3 в полость А и воздействует на шток 9 клапана.
В штатном режиме гидросистемы (отсутствие повреждения гидролинии) предлагаемое защитное устройство работает следующим образом. При отсутствии повреждения в гидролинии давление в полостях А и Б будет одинаковым, поэтому клапан 9 будет находиться в открытом состоянии. И устройство в этом случае не будет оказывать воздействие на работу гидроситем машины.
Предлагаемое устройство позволяет осуществить отключение гидропривода при нарушении герметичности линии высокого давления гидросистемы на любом её участке, а также сбор рабочей жидкости, выбрасываемой из напорной гидролинии за время срабатывания устройства.
Как видно из приведённого выше 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. Главным элементом конструкции механической части устройства является клапан. К основным параметрам, характеризующим его работу, относятся усилия, действующие на клапан, ход и эффективная площадь клапана, характеристика пружины, т.е. жёсткость, диаметр проволоки, длина пружины, число и шаг витков пружины.
Исследование расхода жидкости при разрыве шланга высокого давления
При разрыве шланга высокого давления, величину расхода жидкости определяли по формуле [20] :
Нами также проведены исследования по изучению влияния давления в гидросистеме на величину потерь рабочей жидкости. Исследования показали, что с ростом давления выброс жидкости при разгерметизации напорной гидролинии возрастает (рисунок 4.8). Исследования проводились при давлении 8, 12, 16, 20, 24, 28 и 30 МПа. Рисунок 4.8 – Влияние давления в гидросистеме на величину выброса жидкости (t = 0,32 с.)
Как видно из рисунка 4.8, при давлении 8 МПа потери жидкости составляют, примерно, 0,13 л, а при давлении 30 МПа – 0,43 л. При давлении жидкости 20 МПа потери составляют около 0,35 л. Такая зависимость изменения величины выброса рабочей жидкости от давления в гидросистеме объясняется тем, что с увеличением давления возрастает время срабатывания защитного устройства и скорость истечения жидкости через отверстие повреждённого шланга, а следовательно, – и величина выброса жидкости.
Выводы по главе
1 Разработана математическая модель рабочего процесса предложенного защитного устройства, учитывающая основные параметры работы 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 при различных условиях работы.
2 Математическая модель описывает рабочий процесс защитного устройства при изменении параметров в следующих пределах: давление в гидросистеме в пределах 8…30 МПа, ход поршня 10…20 мм, значение динамической вязкости 0,08…0,35 Нс/м2.
3 Исследования влияния различных факторов на показатели работы защитного устройства показали, что при расчёте его основных параметров и для обеспечения надёжной работы разработанного образца необходимо учитывать следующие факторы: давление в гидросистеме, принятую жёсткость пружин и вязкость рабочей жидкости. Определённое соотношение значений этих параметров обеспечивает необходимое быстродействие защитного устройства.
4 Установлено, что с увеличением жёсткости пружины защитного устройства время срабатывания устройства уменьшается, а с увеличением вязкости рабочей жидкости и давления в гидросистеме – возрастает. Эти результаты позволяют установить необходимую жёсткость пружин защитного устройства при заданных условиях работы гидросистемы и требуемого быстродействия.
5 Получено уравнение расхода жидкости при разрыве шланга высокого давления, которое позволяет определить величину потерь рабочей жидкости при аварийной разгерметизации в каждом конкретном случае.
Результаты экспериментальных исследований, а следовательно, и основанные на них научные выводы и практические рекомендации во многом определяются принятой методикой исследования и обработки опытных данных. Правильная методика – залог успеха исследования. Неметодичность исследования или неверная методика приводят к ошибкам, в результате чего накапливаются груды «сырого материала», из которого никаких выводов сделать нельзя [35]. С учётом этого нами детально разработаны как общая методика исследования, характеризующая основные, главные методические принципы и приёмы выполнения исследований, так и частные методики, в которых подробно описан порядок проведения конкретных опытов при экспериментальных испытаниях и применяемые при этом оборудование и измерительная аппаратура.
Наше исследование состоит из пяти взаимосвязанных и логически дополняющих друг друга этапов, в совокупности представляющих единую научную работу:
- теоретические исследования;
- стендовые испытания;
- полевые испытания;
- обработка опытных данных;
- анализ результатов исследований, обобщение полученных данных, выводы и рекомендации.
На этапе теоретических исследований обосновывалась возможность усо-вершенствованния конструкции защитного устройства, рассчитывались его параметры, анализировались закономерности распределения отказов рукавов высокого давления гидросистемы машин статистическими методами; разработана математическая модель рабочего процесса защитного устройства с целью определения времени срабатывания защитного устройства при различных условиях его работы. Этап теоретических исследований включал также изучение влияния различных эксплуатационных и конструкторских факторов (давление в гидросистеме, вязкость рабочей жидкости, жёсткость пружин защитного устройства и др.) на быстродействие защитного устройства. Оценивались параметры, потенциальные возможности и недостатки известных схем защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления. Теоретические исследования включали в себя три этапа:
1) сбор статистических данных по отказу рукавов высокого давления гидросистемы машин и их анализ;
2) определение параметров работы предлагаемого защитного устройства и влияния на них различных факторов;
3) разработка математической модели рабочего процесса защитного устройства.
По полученным на первом этапе данных, устанавливались закономерности распределения отказов рукавов и определялись характеристики закона распределения.
Разработана методика расчёта потерь рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления.
Для обоснования периодичности проведения операций ТО гидросистемы машин применена специальная методика [35], основанная на использовании элементов теории вероятностей и статистических данных по наработке на отказ элементов гидросистемы исследуемых машин. Теоретически получена периодичность проведения операций ТО рукавов высокого давления. Статистические данные по отказу элементов гидросистем получены при наблюдении за работой более двадцати наименований различных типов машин, имеющих гидравличекий привод рабочих органов. Машины работали в условиях обычной эксплуатации при выполнении механизированных работ в подразделениях крупнейшей в Нижнем Поволжье строительной организации – «Волгоградгидрострой». Эта организация является базовой для наших исследований, в условиях которой проводились все натурные эксперименты.
Второй этап проводился с целью оценки работоспособности устройства в различных условиях его эксплуатации (стендовых, полевых), а также при расположении устройства на различных участках гидропривода.
Третий этап исследований посвящён разработке математической модели рабочего процесса защитного устройства и определения времени срабатывания устройства при различной длине шлангов, давлении в гидросистеме, вязкости рабочей жидкости, жёсткости пружин устройства и др.
