Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса, цели и задачи исследования 12
1.1. Анализ надежности гидроприводов лесных машин 13
1.2. Анализ существующих способов и средств защиты гидроприводов от выброса рабочей жидкости 25
1.3. Выводы и задачи исследований 53
2. Разработка технического решения и обоснование параметров средства защиты гидропривода от выброса рабочей жидкости 55
2.1. Выбор типовой схемы гидропривода как объекта исследования
2.2. Обоснование выбора схемы средства защиты гидропривода 58
2.3. Схема средства защиты гидропривода с перекрытием неисправной гидролинии 62
2.4. Схема средства защиты гидропривода с переключением неисправной гидролинии на слив 68
2.5. Выбор основных параметров защитного средства 72
2.6. Математическая модель срабатывания защитного средства в условиях стационарного потока жидкости и алгоритм расчета параметров устройства 79
2.7. Результаты исследования срабатывания защитного средства
2.8. Выводы по второму разделу. 89
3. Теоретические исследования гидропривода лесной машины со средством защиты 91
3.1. Математическая модель гидропривода со средством защиты в общем виде
3.2. Переходной процесс в гидроприводе со средством защиты при подъеме стрелы 104
3.3. Функционирование средства защиты гидропривода при разгерметизации напорной гидролинии в процессе подъема стрелы 109
3.4. Определение приведенной силы и массы на штоке гидроцилиндра стрелы 117
3.5. Результаты теоретических исследований гидропривода лесной машины с защитным средством 122
3.6. Функционирование защитного средства при различных значениях расхода в гидросистеме 136
3.7. Результаты исследования срабатывания защитного средства при различных значениях расхода в гидросистеме 148
3.8. Выводы по третьему разделу 150
4. Экспериментальные исследования гидропривода с защитным средством 152
4.1. Программа и методика стендовых испытаний защитного средства
4.2. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований 164
4.3. Расчет экономической эффективности от внедрения защитного средства 166
4.4. Выводы по четвертому разделу 168
Основные выводы и рекомендации 169
Библиографический список
- Анализ существующих способов и средств защиты гидроприводов от выброса рабочей жидкости
- Схема средства защиты гидропривода с переключением неисправной гидролинии на слив
- Функционирование средства защиты гидропривода при разгерметизации напорной гидролинии в процессе подъема стрелы
- Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований
Введение к работе
Актуальность и степень проработанности темы. К современной
лесозаготовительной технике предъявляются такие требования, как
малая энерго- и материалоемкость, оптимальная компоновка узлов и
агрегатов с возможностью их унификации и стандартизации, высокий
уровень безопасности и удобство управления, применяемость для
различных видов технологических процессов. Подобным критериям в
наибольшей степени соответствуют мобильные машины, оснащенные
гидрофицированным рабочим оборудованием. Однако, как показывает
опыт эксплуатации лесосечных машин, надежность их гидросистем
остается на низком уровне. Так для отечественной техники,
применяемой в районах с холодным климатом, на гидроприводы
приходится от 33 до 53,8% от общего числа отказов. Выходу из строя
подвержены в первую очередь рукава высокого давления (РВД),
процент отказов которых составляет 29,7 – 56% от общего числа
неисправностей гидросистемы. При этом наиболее распространенным
видом отказа является разрыв РВД. Разрушение рукавов носит, как
правило, внезапный характер и сопровождается выбросом
значительного количества рабочей жидкости, что имеет отрицательные экологические последствия. Кроме того, непроизводительные потери рабочей среды увеличивают затраты на ее замену и снижают производительность труда вследствие простоя техники. Поэтому наряду с повышением показателей надежности гидропривода необходима разработка эффективных средств защиты от выбросов рабочей жидкости. Существующие системы защиты обладают значительным числом недостатков. Большинство из них не рассчитано на работу в условиях нестационарного потока рабочей среды, характерных для гидросистем лесосечных машин. Таким образом, актуальность проблемы создания средств защиты гидроприводов, обеспечивающих минимально возможные потери рабочей среды в условиях переходных процессов, не вызывает сомнений.
Цель работы. Обоснование и разработка эффективных средств защиты гидроприводов лесных машин от непроизводительных потерь рабочей жидкости при внезапных разрушениях рукавов высокого давления и трубопроводов.
Задачи исследования:
1. Обоснование и разработка технического решения средства защиты гидроприводов лесных машин от выброса рабочей жидкости.
2. Разработка математической модели средства защиты
гидропривода для обоснования его параметров.
3. Проведение теоретических исследований срабатывания защитного
средства в гидроприводах лесных машин.
4. Экспериментальные исследования разработанного средства
защиты гидропривода и определение экономической эффективности от
внедрения полученного технического решения устройства.
Объект исследования: гидропривод лесной машины с
установленным в нем средством защиты от выброса жидкости.
Предмет исследования: переходные процессы в гидроприводах, амплитуды, частоты и периоды колебаний, показатели срабатывания средства защиты гидропривода.
Методы исследования: морфологический анализ, математическое моделирование, численный эксперимент, лабораторный натурный эксперимент, регрессионный анализ.
Положения, выносимые на защиту:
-
Средство защиты гидроприводов лесных машин от выбросов рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления и трубопроводов, содержащее отключающий узел и датчик расхода, соединенные линией обратной связи.
-
Математическая модель функционирования средства защиты гидропривода в условиях стационарного потока рабочей среды, учитывающая особенности конструкции и конфигурацию рабочих элементов устройства.
-
Математическая модель функционирования гидропривода с средством защиты в условиях переходных процессов, включающая нелинейные дифференциальные уравнения и функциональные зависимости и учитывающая наличие защитного средства в гидросистеме.
-
Результаты исследования разработанного средства защиты гидропривода, включающие рациональные параметры рабочих элементов защитного устройства и зависимости показателей эффективности защитного средства от условий разгерметизации.
Научная новизна работы:
1. Защищенное патентом средство защиты гидропривода от
выброса рабочей жидкости, отличающееся тем, что контроль герметичности проводится сравнением значений расхода на двух последовательных участках гидролинии с помощью поршневых элементов, взаимно уравновешенных посредством обратной связи.
-
Математическая модель функционирования средства защиты гидропривода в условиях стационарного потока, отличающаяся учетом конструктивных особенностей и конфигурации рабочих звеньев устройства.
-
Математическая модель функционирования гидропривода лесной машины, отличающаяся наличием в структуре гидросистемы элементов защитного средства, а также учетом влияния переходных процессов при разгерметизации и расхода рабочей среды на эффективность защиты от выброса жидкости.
4. Результаты исследования разработанного средства защиты
гидропривода, отличающиеся отражением показателей эффективности
предложенного устройства, превышающих показатели аналогов.
Теоретическая значимость работы заключается в разработке математических моделей гидроприводов с предлагаемым устройством защиты от выброса рабочей жидкости.
Практическая значимость работы:
-
Разработанная математическая модель функционирования средства защиты гидропривода в условиях стационарного потока рабочей среды позволяет на стадии проектирования рассчитывать время срабатывания устройства и определять его конструктивные параметры.
-
Математическая модель функционирования гидропривода с средством защиты в условиях переходных процессов позволяет выявить изменение показателей экономичности лесной машины за счет применения защитного средства в ходе проектирования или модернизации.
-
Защищенное патентом средство защиты гидропривода обеспечивает возможность его установки на однотипные лесные машины в условиях эксплуатации.
-
Разработанное техническое решение средства защиты позволяет более эффективно сократить выбросы рабочей жидкости и тем самым снизить эксплуатационные расходы.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности.
Диссертация соответствует специальности научных работников 05.21.01 «Технология и машины лесозаготовок и лесного хозяйства» по пунктам: 4 – Исследование условий функционирования машин и оборудования, агрегатов, рабочих органов, средств управления; 13 – Разработка и совершенствование методов, средств испытаний, контроля и управления качеством работы машин и оборудования.
Достоверность результатов работы обеспечена использованием
апробированных методов математического моделирования с
реализацией моделей в современных программных средах,
подтверждается совпадением теоретических и экспериментальных данных с погрешностью до 8,45 % и доверительной вероятностью не менее 95 % у полученных закономерностей, проверкой адекватности результатов по F-критерию Фишера.
Апробация работы. Основные результаты докладывались на международных научно-технических конференциях «Гидравлические машины, гидроприводы и гидропневмоавтоматика. Современное состояние и перспективы развития» (Санкт-Петербург, 2008 г.), «Научному прогрессу – творчество молодых» (Йошкар-Ола, 2007 – 2010 гг.), «Будущее технической науки» (Нижний Новгород, 2009), межрегиональных и всероссийских конференциях «Вавиловские чтения» (Йошкар-Ола, 2010, 2011 гг.).
Реализация результатов работы. Результаты работы использованы
при выполнении НИР в ООО «Промышленные технологии» и
Поволжском государственном технологическом университете.
Разработанные математические модели и конструктивные решения
использованы в учебном процессе на кафедре транспортно-
технологических машин.
Личный вклад автора. Разработка математических моделей
срабатывания средства защиты и функционирования гидроприводов
лесных машин с защитным устройством. Разработка технических
решений устройства защиты гидропривода. Изготовление
экспериментального образца защитного средства и лабораторного
стенда для его испытаний. Проведение экспериментальных
исследований срабатывания защитного средства, обработка полученных результатов.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 17 работ общим объемом 2,574 п.л., авторский вклад 1,938 п.л., из них 5 работ, опубликованных в изданиях, рекомендуемых ВАК, 3 патента на изобретение, 1 патент на полезную модель, 8 публикаций в материалах всероссийских и международных научных конференций.
Объем и структура работы. Диссертация изложена на 233 стр. машинописного текста, в том числе: основного текста – 170 с.; рис. – 76; табл. – 15; списка литературы – 138 наименований, приложений – на 46 с. Структурно диссертация состоит из 4 разделов, заключения, списка литературы и приложений.
Анализ существующих способов и средств защиты гидроприводов от выброса рабочей жидкости
Г.П. Дроздовский, Н.Р. Шоль и В.И. Юсенхан в работе [56] определили показатели функциональной надежности и критичности отказов РВД, трубопроводов и резинотехнических изделий (РТИ) гидроприводов лесозаготовительных машин. Для РВД и труб показатель надежности составляет 0,31 при доле отказов по гидросистеме 0,207 для рукавов и 0,262 для трубопроводов. Рассчитан показатель критичности элементов, позволяющий оценить тяжесть последствий отказов. Суммарный уровень его для РТИ, РВД и труб составляет 35,2% от всех отказов по гидроприводу, что свидетельствует о значительных экологических и экономических последствиях выхода из строя этих элементов [56].
Ф.А. Дац и А.С. Назаренко исследовали характер эксплуатационных отказов РВД гидроприводов тракторов «John Deere» в условиях болотистых и вязких грунтов и низких температур [54]. Используемые на этих машинах рукава снабжены 4 силовыми слоями с различным направлением навивки, что увеличивает их прочность. Тем не менее, по данным авторов, разрывы рукавов составляют 56% от всех отказов гидросистемы. Из них более 38% – это разрушения в районе фитинга (из-за неправильной опрессовки) и более 35% вызваны нарушениями требований к монтажу РВД. Также в качестве причин разгерметизации рукавов названы истирания их первичного слоя о ветви и раму трактора вследствие вибрации, что в дальнейшем приводит к разрыву в районе фитинга. При этом потери масла на один РВД составляют до 30 литров [54]. Приведенные данные показывают, что частые внезапные отказы гидролиний характерны для гидрооборудования не только отечественной, но и зарубежной лесозаготовительной техники и обусловлены тяжелыми режимами работы и множеством внешних воздействий.
Таким образом, согласно приведенным статистическим данным, надежность гидроприводов лесных машин остается на низком уровне. Основное число отказов приходится на рукава высокого давления, причем наиболее частой неисправностью является разрыв РВД, сопровождаемый потерей значительных объемов рабочей жидкости и прекращением работы всей гидросистемы в целом.
Как показывают результаты исследований многих авторов, гидроприводы лесных машин функционируют на режимах, характеризуемых интенсивными динамическими нагрузками, тяжелыми климатическими условиями, различиями в квалификации операторов. Указанные факторы в значительной степени влияют на работоспособность таких элементов, как РВД, и требуют более подробного рассмотрения.
Возникновение отказов элементов гидросистем обусловлено рядом причин. Наибольшее влияние на техническое состояние гидропривода оказывают следующие факторы [54, 77, 80, 81, 119, 133, 134]: - динамические нагрузки на технологическом оборудовании, вызывающие забросы давления, приводящие к усталостному разрушению рукавов и трубопроводов; - возникновение пиковых давлений (гидравлических ударов) в гидросистеме вследствие перекрытия или изменения направления потока жидкости при управлении с помощью распределителей; - температура окружающей среды и рабочей жидкости, влияющая на свойства материала гидролиний; - нарушение технологии монтажа, приводящие к увеличению напряжений в деталях рукавов и трубопроводов; - качество изготовления и применяемые материалы РВД; - внешние механические воздействия, носящие случайный характер (ошибочные действия оператора, повреждение падающим деревом и т. д.). Исследованию режимов нагружения гидроприводов посвящен ряд научных трудов [3, 4, 34, 57, 73, 80, 81, 127], результаты которых показывают, что нагрузки на рабочих органах гидрооборудования включают значительные динамические составляющие. В работах В.А. Александрова [3, 4] исследуется взаимодействие технологического оборудования с предметом труда (деревом, хлыстом) и внешней средой. При обработке деревьев в гидросистеме возникают значительные пиковые и колебательные нагрузки, обусловленные упругими и инерционными свойствами предмета труда, а также ударами о грунт последнего в процессе валки и пакетирования. Нагружение рабочих органов и элементов гидропривода упругими колебаниями характеризуется коэффициентом динамичности, величина которого составляет 1,10 – 1,88 и 2,5 – 3,6 для трелевочных машин (ТБ-1) [3], 1,2 – 1,75 для валочно-пакетирующих машин [4]. При ударах вершинной части дерева о грунт в процессе укладки в пачку коэффициент динамичности достигает 2,5 – 3,0 [4]. Исследования динамических нагрузок на гидроприводе изучаются также в работах А.И. Павлова [80], [81]. Показана зависимость коэффициента динамичности от объема предмета труда (рисунки 1.6, 1.7).
Как видно из диаграмм, величина коэффициента динамичности возрастает с уменьшением объема деревьев и времени торможения рабочего органа. Последний параметр определяется квалификацией оператора а также приемами работы [80, 81].
Изучению колебательных и переходных процессов в гидросистемах, а также теории и динамике гидроприводов посвящены труды Т.М. Башты [30, 31], Л. С. Брона [33], З.К. Емтыля [57], А.С. Ереско [58], Л.Ю. Кондратьевой [65], Н.И. Лебедева [68], Б.Ф. Лямаева [71], А.И. Павлова [81], Д.Н. Попова [120], А.А. Смыкова [127], Л.М. Тарко [130, 131], А. Х. Хандроса [135] и других. Ряд работ, связанных с гидросистемами мобильных машин и промышленного оборудования, проведен за рубежом [50, 59, 74, 118, 137, 138].
В диссертациях [57, 127] исследуются колебательные процессы в гидроприводе погрузочных манипуляторов, вызванных изменением направления и величины расхода потока рабочей среды, а также нагрузками на рабочем органе.
На рисунке 1.8 представлена диаграмма изменения давления в штоковой полости гидроцилиндра рукояти манипулятора ЛВ-185-07 [57]. Как видно из зависимости, колебания давления проявляются в начале поворота рукояти и далее затухают в течение 2 – 3 с. При этом начальная амплитуда колебаний составляет примерно 40% от номинального значения.
Характер изменения давления в гидроприводе рукояти и стрелы при их раздельном и совместном подъеме представлен на рисунке 1.9 [57]. На диаграммах показано, что в обоих случаях в гидролиниях, подающих жидкость в поршневую полость гидроцилиндра стрелы, давление остается более стабильным по сравнению с гидроприводом поворота рукояти. В то же время, в поршневой полости гидроцилиндра стрелы уровень давления выше, чем в гидроприводе рукояти и приближен к максимальному значению на протяжении 50% времени подъема. Динамические нагрузки колебательного характера отрицательно влияют на работоспособность гидролиний. В большинстве случаев разрушение РВД обусловлено явлением усталости материала под действием пульсаций давления в гидросистеме [80, 81, 133, 134]. Разрыв рукавов и трубопроводов происходит также в случае превышения давлением допустимого значения, что может быть вызвано гидравлическим ударом или возникновением резонанса [134] при совпадении частоты собственных колебаний гидролинии с частотой колебаний давления в гидроприводе.
Схема средства защиты гидропривода с переключением неисправной гидролинии на слив
Создание систем и средств, снижающих выбросы рабочей среды, начинается с разработки структурных и полуконструктивных схем, отражающих принцип действия защитных средств. Дальнейшим этапом является обоснование рациональных параметров рабочих элементов устройства исходя из его быстродействия и минимального влияния на гидропривод. Выбор варианта технического решения целесообразно производить на основе типовой схемы гидросистемы с целью выявления условий функционирования защитного средства.
Для осуществления технологического цикла в лесных машинах применяются объемные гидравлические приводы, содержащие источник расхода (насос, гидроаккумулятор), гидрораспределитель, гидродвигатель, гидробак, рукава высокого давления и трубопроводы. Данные элементы объединяются в типовые схемы, предназначенные для получения определенных законов и параметров движения выходных звеньев. Гидросистемы различных машин представляют собой комбинацию таких схем и различаются количеством, положением и размерами входящих в них элементов [80].
Одним из наиболее распространенных отечественных видов технологического оборудования являются гидравлические навесные манипуляторы ЛВ-185, ПЛ-70 и СФ-65 [2], применяемые для погрузочных и трелевочных операций. Предметом труда при работе указанных машин в последнее время являются сортименты, что обусловлено развитием технологии лесозаготовок с вывозкой лесоматериалов [136]. На лесопромышленных предприятиях Республики Марий Эл одними из наиболее распространенных являются гидроманипуляторы ЛВ-185 [2, 57], выпускаемые Майкопским машиностроительным заводом. При этом, как показывают результаты проведенных исследований (раздел 1), в процессе эксплуатации наиболее подвержены динамическим нагрузкам гидроприводы поворота стрелы и рукояти манипулятора. Наибольшие давления возникают в гидроприводе стрелы при совмещенном движении звеньев и превышают на 16% давление в гидроприводе рукояти. В этих условиях ресурс РВД снижается по сравнению с номинальным значением, и увеличивается вероятность внезапного разрушения гидролиний на участке «гидрораспределитель – гидроцилиндр».
Таким образом, в качестве объекта исследования наибольший интерес представляет гидропривод подъема стрелы с установленным в напорной магистрали защитным устройством.
Гидросистема манипулятора включает в себя контуры управления стрелой, вращения рукояти и привода удлинителя рукояти, привода выносных опор (аутригеров), а также приводов опорно-поворотного устройства и рабочего органа (клещевого захвата или грейфера) [57, 72, 127].
Принципиальная схема гидропривода стрелы с предлагаемыми местами установки защитного средства представлена на рисунке 2.1. Гидропривод образован распределителем 1, гидроцилиндрами 2, дросселями с обратными клапанами 3, трубопроводами 4 и рукавами высокого давления 5. Рабочая жидкость подается насосом 6 к распределителю 1 из гидробака 7. Для подъема стрелы золотник распределителя 1 перемещается в нижнюю позицию. При этом жидкость по гидролинии подается в поршневые полости
Менее нагруженной является насосная магистраль перед распределителем 1, где действуют пульсации давления из-за переключения рабочих камер насоса 6. Следовательно, защитное средство 9 предпочтительно устанавливать на участке после распределителя 1, а при необходимости дополнительной защиты напорной гидролинии – после насоса 6.
Блок-схема предлагаемого защитного средства [26, 134]: ПВС 1, 2 – преобразователи входного сигнала; БВ – блок вычитания; КУ – контрольное устройство; БВВ блок выдержки времени; У – усилитель; ИМ – исполнительный механизм
При работе гидропривода параметры 1 и 2 измеряются на двух участках гидролинии; соответствующие им входные сигналы Xj и Х2 преобразуются в Xv и Х2, которые подаются на блок вычитания БВ. Здесь происходит выработка сигнала Хз = Хг Х2 , который сравнивается с допустимым значением Хдоп. в контрольном устройстве КУ.
В случае если Х3 Хдоп., сигнал Х4 из КУ подается с определенной задержкой на усилитель У. Далее сигнал Х5 приводит в действие исполнительный механизм ИМ, прекращающий подачу жидкости в неисправную гидролинию.
Как отмечалось в пп. 1.2.2 раздела 1, наиболее распространенными являются средства защиты гидромеханического принципа действия, в которых в качестве входных сигналов используется давление или расход жидкости. Исполнительный механизм в них приводится в действие непосредственно потоком рабочей среды, что не требует наличия дополнительных источников энергии.
Для выбора вида входных сигналов X1 и X2 рассмотрим протекание жидкости через гидролинию при изменяющемся расходе и давлении. Для учета таких факторов, как сжимаемость жидкости и податливость стенок трубопроводов и рукавов применим метод гидромеханических цепей [81, 135]. Расчетная схема гидролинии представлена на рисунке 2.4.
Функционирование средства защиты гидропривода при разгерметизации напорной гидролинии в процессе подъема стрелы
Моделирование переходного процесса в исправном гидроприводе со средством защиты проводится для проверки защитного устройства на ложное срабатывание. При этом дополнительно принимаются следующие допущения:
Величина подачи жидкости насосом мало изменяется при повышении и понижении рабочего давления и принимается постоянной. В этом случае в схеме гидромеханической цепи источник давления рн заменяется источником расхода QH [135].
Величина QH, м3/с, выражается функцией: предохранительного клапана [68], м3/сМПа; AQnK - приращение расхода через предохранительный клапан, м3/с, при изменении давления перед ним Арпк, Па; Рном. - номинальное давление в гидросистеме, Па. Входная величина р12 обозначается на схеме как источник давления.
2. Суммарное гидравлическое сопротивление защитного средства в процессе подъема стрелы неизменно. Величины гидравлических проводимостей [78, 135] утечек J_, 1 1 , 1 , , 7 и перетечек L Rym, Rym.l.n.1 Rym.2.n.l Rym.l.n.2 Ryn.2.n.2 Rym..4 Rnep через уплотнения и зазоры в подвижных частях значительно меньше проводимостей остальных элементов цепи и при расчетах не учитываются.
3. Смещение х,, скорость v3 золотника защитного средства, и проводимость 1 принимаются равными нулю. Влиянием податливостей Q и С2 полостей N сл . гидроцилиндра, а также податливостей рукавов и трубопроводов в сливной магистрали пренебрегаем, поскольку давление на сливе значительно меньше давления в напорной гидролинии.
4. При составлении и решении уравнений движения подвижных поршней защитного средства предельные значения скоростей vп1, vп2 и перемещений xп1, xп2 не задаются.
Схема гидромеханической цепи с учетом принятых допущений приведена на рисунке 3.2; свернутый вариант схемы – на рисунке 3.3. Нумерация узлов сохранена в соответствии с рисунком 3.1.
Нелинейные сопротивления N1-7 и N7-12 в соответствии со схемой на рисунке 3.2 определяются по формулам [30, 78, 135]: где Nл - суммарное сопротивление рукавов и трубопроводов напорной гидролинии. Совместные податливости рукавов и трубопроводов, заполненных рабочей жидкостью, определяются по выражениям [122]:
Результат численного решения уравнения (3.59) имеет вид функции Для исследования функционирования защитного средства в указанных условиях уравнения (3.4), (3.5), (3.7), (3.9) - (3.11), (3.16) - (3.19), (3.32) преобразуются с учетом рисунка 3.2, а также допущений 12 в п. 3.1, 2 и 4 в п. 3.2.
Величины расходов fj Vпl и у у Vп2 , ввиду малого мгновенного значения скоростей vп1 и vп2, в уравнениях (3.60) отсутствуют. Значение сопротивления N(возвр.+к5) вычисляется по выражению (3.32) для Хп1 = 0. Начальные условия решения системы (3.60): XJ0) = 0, xJ(0) = o, xп2 (0) = 0 xп (0) = 0 p 18 (0) = p 0 Для численного решения система уравнений (3.60) представляется в форме Коши [63]:
Для исследования функционирования средства защиты при разгерметизации гидролинии составляется схема гидромеханической цепи гидропривода (рисунок 3.4) с учетом допущений 2 и 3 в п. 3.2. При составлении уравнений математической модели дополнительно принимаем следующие допущения:
При перемещении золотника защитного средства перекрывается доступ жидкости к узлу 7 поврежденной гидролинии, поэтому при расчете движения золотника принимаем: fjvj o, fi «Л
Движение золотника описывается уравнениями (3.3), (3.7) - (3.12). Величина Ncn в выражении (3.8) представляет собой функцию от перемещения, имеющую разрыв в точке Хз = Q3; следовательно, процесс перемещения золотника следует рассматривать за два этапа:
В уравнении (3.74) задействованы параметр инерционности щ1 груза и технологического оборудования, а также усилие р} на штоке гидроцилиндра. Для определения их зависимости от величины перемещения штока xl используем формулу расчета кинетической энергии [4]: Tr-M/f--M,? , (3.89) где м - масса стрелы, рукояти, рабочего органа и предмета труда, приведенные к точке подвеса рабочего органа, кг; v - скорость движения предмета труда, м/с; Фм - угловая скорость вращения стрелы в вертикальной плоскости 1/с; LM -суммарный вылет стрелы и рукояти, м. Масса Ms рассчитывается по формуле [4]: 4Mcfc + MPk2P + 12L2P)42MzpL2M42M4L24 (390) Е ті где м М , М и М – массы стрелы, рукояти, рабочего органа с грузом и гидроцилиндра рукояти, соответственно, кг; /с и / - длины стрелы и рукояти, м; Lp – расстояние от центра тяжести рукояти до точки О крепления стрелы, м; расстояние от центра тяжести гидроцилиндра рукояти до точки О, м. Расчетная кинематическая схема манипулятора ЛВ-185 представлена на рисунке 3.5; схема приведения массы стрелы и рукояти манипулятора с грузом -на рисунке 3.6.
Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований
После настройки расхода кран 6 открывался. Для проверки стабильности работы устройства несколько раз производили выключение и включение распределителя Р1 [133]. 5. Проводили имитацию разрушения гидролинии путем подачи электрического сигнала открытия на электромагниты распределителей 7 и определяли текущее количество потерянной жидкости с помощью мерной емкости 8 [133]. 6. Переводом рукоятки распределителя Р1 в нейтральную позицию останавливали гидропривод. Обесточивали электромагниты распределителей 7. 7. Повторяли действия согласно п. 5 и 6 для каждого опыта. Действия согласно п. 4 - 6 повторяли для каждого значения расхода в гидросистеме. 8. Повторяли действия согласно п. 2, 4 - 7 для каждого значения площади сечения регулятора отключающего узла 1. 156 Внешний вид образца средства защиты на стенде показан на рисунках 4.2 и 4.3. Рисунок 4.2 – Внешний вид средства защиты на экспериментальной установке: 1 – устройство защиты; 2 – распределитель Р-80В3; 3 – РВД защищаемой гидролинии; 4 – распределитель 54БПГ73-12; 5 – регулятор потока ПГ55-22; 6 – установка насосная Г48-12 Программа стендовых испытаний защитного средства содержала следующие этапы [53, 133]:
Проверка герметичности элементов гидросистемы стендовой установки и работоспособности средства защиты при номинальном давлении.
Для контроля герметичности производился запуск станции, и поток жидкости включением распределителя направлялся к переливному клапану, создающему давление в гидросистеме. Последнее поддерживалось на уровне, не превышающем порога срабатывания штатного предохранительного клапана станции (до 10 МПа). Герметичность проверялась визуально путем контроля наличия наружных утечек.
Для оценки работоспособности защитного средства имитировали разгерметизацию гидролинии и определяли количество рабочей жидкости, выброшенной в мерную емкость (п. 5, 6 методики). 3. Настройка регулятора перепада давлений отключающего узла на заданное сечение (п. 2 методики). 158 4. Настройка соответствующих величин расхода жидкости и давления нагрузки (п. 3, 4 методики). 5. Измерение потерь рабочей жидкости при имитации разрушения гидролинии для номинального значения расхода 47 дм3/мин (п. 5 методики). 6. Определение зависимости количества потерянной рабочей жидкости от величины расхода в гидросистеме для различной площади сечения регулятора перепада давлений устройства. При этом проводятся действия по п. 7 методики для каждой площади регулятора перепада давлений, настраиваемой по п. 2.
При проведении испытаний контролировались следующие параметры: - давление рабочей жидкости в гидросистеме Р, МПа, - по манометру М1 стенда и по штатному манометру насосной установки; - частота вращения вала гидромеханизма пвых., об/мин, - по шкале строботахометра; относительная погрешность измерения - не более ±0,9%; - объем теряемой жидкости, Vnom., дм10"3 - с помощью мерной емкости; - температура рабочей жидкости в гидросистеме ґж, С. Среднее значение измеряемых величин определяли по формуле [134]: к Ъас и, а = 7 , (4-3) где к - число интервалов, на которые разбивается рассматриваемый ряд данных; асі - среднее значение величины в i-м интервале; щ - частота случаев в i-м интервале; N - число опытов.
Разброс измеряемых величин оценивали дисперсией D и среднеквадратическим отклонением а:
При проведении стендовых испытаний ошибки измерений указанных величин, определенные по формулам (4.5), не превышали допустимых значений (таблица 4.1).
Таблица 4.1 – Погрешности измерений объема потерь рабочей жидкости Величинарасхода Qн вгидросистемедм3/мин Ошибки измерений и среднеквадратическое отклонение, не более Площадь сечения Spez.i регулятора перепада давлений, м2-10"6
Необходимое количество проводимых опытов N выбиралось по рекомендациям [48], в соответствии с которыми надежность результатов должна быть не ниже Н=0,8, а предельная ошибка измерений =(0,3 – 0,4). Для проведения стендовых испытаний значения Н и принимались равными, соответственно, 0,8 и 0,4. С учетом данных значений число опытов по таблице 4.2 выбиралось не менее 12 [48, 134].
Число значений n для каждого из факторов при испытании выбиралось в соответствии с результатами математического моделирования (п. 3.7 раздела 3). Опыты проводились для 5 значений расхода в гидросистеме и 5 значений площади сечения регулятора перепада давлений [48].
Средние значения измеренных величин, а также значения дисперсий и среднеквадратического отклонения приведены в таблице 4.3. Зависимости Vпот. от расхода Qн в гидросистеме и площади сечения Sрег.1 регулятора перепада давлений, построенные на основе теоретических и экспериментальных исследований, приведены на рисунке 4.4.
Как видно из диаграмм на рисунке 4.4, наименьший объем потерь жидкости обеспечивается при площади сечения регулятора перепада давлений 2,294 м210-6 (0,03 от площади подводящей линии) и расходе в гидросистеме 47 дм3/мин. При площадях сечения регулятора перепада давлений 2…3% от площади подводящих каналов подача насоса мало влияет на объем потерь. Данные зависимости соответствуют результатам теоретических исследований, что предварительно подтверждает адекватность математической модели.
Средние значения объемов потерь рабочей жидкости Ошибка! Объект не может быть создан из кодов полей редактирования. при срабатывании защитного устройства с номинальным расходом 40 дм3/мин
Величинарасхода Qн вгидросистемедм3/мин Среднее значение,дисперсия исреднеквадратическоеотклонение, не более Площадь сечения -S j регулятора перепада давлений, м210"6
1. Как показывают результаты экспериментальных исследований, при увеличении подачи насоса от 40 до 47 дм3/мин объем потерь при наличии средства защиты изменяется в соответствии с экспоненциальным законом. Минимальное количество потерь жидкости за время срабатывания защитного устройства обеспечивается при площади сечения регулятора перепада давлений 2,294 м210-6 (0,03 от площади подводящей линии) и расходе в гидросистеме 47 дм3/мин (1,175 номинального значения).
2. Крутизна полученных характеристик – зависимостей объема потерь жидкости от расхода в гидросистеме – снижается с уменьшением площади сечения регулятора перепада давлений устройства. При площадях сечения регулятора перепада давлений 2…3% от площади подводящих каналов эффективность устройства мало зависит от подачи насоса.
3. По результатам проверки согласованности результатов теоретических и экспериментальных исследований адекватность математической модели подтверждается по критерию Фишера. Расхождение между расчетными и опытными данными не превышает 8,45%.
4. Экономический эффект использования предлагаемого защитного устройства составляет 413,6 руб. в год и достигается за счет сокращения затрат на приобретение и замену рабочей жидкости.