Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 10
1.1. Рабочие жидкости для систем гидропривода 10
1.2. Обзор существующих методов проектирования систем дроссельного гидропривода 17
1.3 Анализ исследований термодинамического состояния системы гидропривода 23
Выводы и задачи исследований 30
2. Теоретические исследования рециркуляционной системы гидропривода 32
2.1. Описание процессов рециркуляции рабочей жидкости 32
2.2. Моделирование процессов рециркуляции рабочей жидкости гидропривода 42
2.3. Термодинамический анализ гидропривода с системой рециркуляции рабочей жидкости 57 Выводы 63
3. Экспериментальные исследования 64
3.1 Задачи, методика проведения экспериментальных исследований 64
3.2. Результаты исследований рециркуляционной системы гид ропривода 72
3.3 Исследования автономной системы для обогрева кабины машиниста 77
3.4 Результаты исследований процесса дросселирования рабочей жидкости на строительных машинах 83 Выводы 90
4. Рекомендации по проектированию систем рециркуляции гидропривода 91
4.1 Управление параметрами системы рециркуляции 91
4.2 Система автоматического проектирования параметров рециркуляционной системы гидропривода 96
4.3 Внедрение результатов исследований 100
Выводы 100
Основные результаты и выводы 101
Список использованных источников 103
П. 1 Перечень условных обозначений 114
П. 2 Технико-экономический анализ от внедрения рециркуляционной системы крана КС-3577 в эксплуатацию 119
П. 3 Методика обработки экспериментальных измерений 128
П. 4 Методика расчета температурного состояния рециркуляционной системы гидропривода 134
П. 5 Перечень документов, подтверждающих использование результатов научно-исследовательской работы
- Обзор существующих методов проектирования систем дроссельного гидропривода
- Моделирование процессов рециркуляции рабочей жидкости гидропривода
- Результаты исследований рециркуляционной системы гид ропривода
- Система автоматического проектирования параметров рециркуляционной системы гидропривода
Введение к работе
Современные гидрофицированные строительные машины работают в условиях жесткого климатического воздействия. Рабочая жидкость, применяемая в объемной (гидростатической) передаче для привода ходовой части и рабочих органов машины, под воздействием окружающего воздуха изменяет вязкостно-температурные свойства. Изменение вязкости рабочей жидкости существенно влияет на функциональные свойства и надежность строительных машин. При повышении вязкости давление в системе гидропривода повышается и движение жидкости в напорных каналах элементов становится нестационарном. Это приводит к поломкам машины, порывам трубопроводов и шлангов высокого давления. Для повышения температуры рабочей жидкости разработана рециркуляционная система гидропривода стрелового крана, состоящая из замкнутого круга циркуляции рабочей жидкости. Рабочая жидкость в новой системе движется в режиме рециркуляции.
При проектирования систем гидропривода нестационарные процессы заменяются квазистационарными, полученными по результатам экспериментальных исследований при установившихся течениях. Однако точность проектирования нестационарных процессов при движении рабочей жидкости не обеспечивается известными методами квазистационарных гидродинамических характеристик. Более точные результаты получаются при использовании современных методов проектирования с помощью системы «MATLAB+Simulink».
В результате моделирования динамики были получены переходные процессы рециркуляционной системы гидропривода стрелового самоходного крана. Для проектирования использованы методы передаточных функций. Это дает возможность анализировать структуры и влияние параметров системы, решать задачи синтеза путем подбора корректирующих элементов, выполнять идентификацию по экспериментально снятым частотным характеристикам. По амплитудно-фазовым характеристикам можно сделать вывод о таких качественных показателях, как запасы устойчивости по амплитуде и по фазе, резонансная частота, частота среза.
Актуальность темы. Освоение северных территорий Российской Федерации в соответствие с национальными проектами создает условия для больших инвестиций, в том числе в строительный комплекс. Реализация национальных проектов в области строительства предполагает привлечение большого числа гидрофицированных машин, конструкции которых должны учитывать суровые условия климата северных территорий.
Надежность и безопасность гидрофицированных строительных машин в условиях холодного климата обеспечивается за счет стабилизации температурного режима гидропривода. При воздействии внешних факторов жесткого климата (отрицательная температура и ветровой обдув) повышается вязкость рабочей жидкости, идет рост потерь давления, ухудшаются функциональные и эксплуатационные характеристики гидросистемы. Увеличение вязкости (в пределах прокачиваемости жидкости) создает большие потери при движении рабочей жидкости по каналам гидроаппаратов, а также значительному разряжению во всасывающей гидролии, что может быть причиной кавитации насоса. В пусковых режимах работы гидропривода при прохождении рабочей жидкости через дроссель, возникает пик давления, превышающий допустимое значение и сопровождающийся шумом и кавитацией. Для обеспечения устойчивой циркуляции рабочей жидкости пик давления не должен превышать 15 - 20%. Высокое давление рабочей жидкости ведет к разрывам трубопроводов и шлангов высокого давления, растет процент отказов гидросистемы (30 - 50% от отказов по машине). Все это определило необходимость разработки новой системы дроссельного гидропривода с принудительной системой рециркуляции рабочей жидкости по замкнутому кругу. Существующие проблемы гидрофицированных строительных машин определили основные задачи научных исследований по разработке методов функционирования системы гидроприводов в условиях особо низких температур.
Цель работы - повышение функциональных и эксплуатационных характеристик строительных машин, работающих в условиях низких
температур за счет стабилизации температурного режима систем гидропривода.
Задачи исследования:
Исследовать динамику переходных процессов рециркуляционной системы гидропривода в условиях низких температур.
Установить в ходе теоретических исследований, лабораторных и производственных экспериментов закономерности изменения температурного режима гидропривода с системой рециркуляции рабочей жидкости в зависимости от конструктивных параметров и свойств рабочей жидкости.
Создать программный комплекс в среде «Matlab & Simulink» для моделирования динамики гидропривода с рециркуляцией рабочей жидкости на основе визуально-ориентированного программирования, включающий компьютерную библиотеку математических моделей элементов гидропривода, библиотеку Simulink-блоков.
Уточнить методику расчета рециркуляционной системы гидропривода с учетом конструктивных параметров элементов.
Основные научные положения, выносимые на защиту:
Обеспечение функциональных и эксплуатационных характеристик строительных машин, работающих в условиях низких температур в диапазоне от минус 40С до минус 60С достигается стабилизацией температурного режима гидропривода за счет рециркуляции рабочей жидкости.
Снижение уровня амплитуды давления рабочей жидкости в переходном процессе при рециркуляции жидкости в дроссельном гидроприводе обеспечивается за счет оптимального сочетания конструктивных параметров гидропривода и свойств рабочей жидкости при перепаде давления до 10 МПа и скорости течения рабочей жидкости до 1,5 м/с.
Граничное состояние деструкции определяется закономерностями изменения эксплуатационных свойств рабочей жидкости в условиях холодного климата в зависимости от температуры, концентрации загрязнений, по-
7 рога кавитации в гидроэлементах, позволяющих улучшить качественно и количественно рабочий процесс строительных машин.
4. Развитие методики расчета рециркуляционной системы дроссельного гидропривода, с использованием рациональных соотношений геометрических размеров щели дросселя и положения золотника.
Достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, полученных автором подтверждается теоретически и экспериментально. Научные положения аргументированы, теоретические результаты работы и выводы подтверждены проведенными экспериментальными исследованиями и математической обработкой, использованием теории гидродинамики, механизмов и машин, специальных разделов математического анализа и статистики, а также использованием ЭВМ и пакетов стандартных программ для обработки экспериментальных данных, математического моделирования в среде «Matlab&Simulink».
Научная новизна положений:
получены результаты исследований рециркуляционной системы дроссельного гидропривода при низких температурах окружающего воздуха, при перепаде давления на дросселе 9 МПа, коэффициентах расхода рабочей жидкости на входе в дроссель 0,82, на выходе - 0,62;
установлено влияние линейных параметров и формы проточной части золотника распределителя и дросселя рециркуляционной системы на величину гидродинамической силы и давление рабочей жидкости;
выявлено граничное состояние деструкции рабочей жидкости в условиях холодного климата в зависимости от температуры, концентрации загрязнений, порога кавитации в гидроэлементах, позволяющее оценить работоспособность системы.
Теоретическая и практическая ценность работы заключается в том, что на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований получены научные результаты по стабилизации температурного режима дроссельного гидропривода с рециркуляционной системой при низких
8 температурах. Созданы экспериментальные образцы автономных систем рециркуляции для машин, работающих в условиях низких температур. Разработана методика расчета параметров рециркуляционной системы дроссельного гидропривода с учетом работы при низких температурах окружающего воздуха. Действующие образцы рециркуляционной системы гидропривода используются в учебном процессе как наглядное пособие по разделу курсов: «Строительные машины и основы автоматизации»; «Дорожные машины»; «Механизация и автоматизация строительства»; «Технология строительных процессов», в Красноярской государственной архитектурно-строительной академии. Образцы успешно прошли испытания на серийных грузоподъемных кранах в ОАО «Красноярский завод синтетического каучука». Рекомендации по улучшению функциональных характеристик грузоподъемных кранов внедрены в ОАО «Ивановский крановый завод».
Апробация работы.
Материалы диссертации докладывались и обсуждались на заседании кафедры «Механизация и автоматизация строительства», на научных конференциях, совещаниях, семинарах, в том числе на: Международной научно-технической конференции «Наука. Техника. Инновации». Новосибирск, 2005г.; научной конференции Новосибирск, 2006г.; региональной научно-технической конференции Красноярск, 2006г.; Всероссийской научно-практической конференции Красноярск, 2006г.; научно-методическом совете КрасГАСА, 2006г.; научно-методическом семинаре НИИ СУВПТ, 2006г.
Публикации.
Основное содержание работы опубликовано в 10 научных работах.
Объем и структура диссертации.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и приложения. Общий объем - 141 страница, в том числе: 37 рисунков и 11 таблиц. Список литературы - 119 наименований.
9 Автор признателен руководству ОАО «Красноярский завод синтетического каучука» за предоставленную помощь в проведении экспериментальных исследований и сотрудникам НИИ СУВПТ за оказанную помощь и внимание.
Обзор существующих методов проектирования систем дроссельного гидропривода
Методы проектирования систем гидропривода машин приведены в работах известных ученых /15; 19; 28; 36; 40; 43; 45/. В настоящее время имеются два основных подхода к математическому описанию динамики систем дроссельного гидропривода. Первый подход базируется на передаточных функциях и тесно связанных с ним частотных методах, второй - на методах пространства состояний. Несмотря на тенденцию широкого внедрения ЭВМ в область анализа и синтеза гидравлических систем, частотные методы не утратили своего значения и сейчас. Реализация их на ЭВМ дает возможность в короткий срок получить ценную информацию о проектируемой системе. По амплитудно-фазовым частотным характеристикам можно судить о таких качественных показателях, как запасы устойчивости по амплитуде и по фазе, резонансная частота, частота среза и т.д. Комбинирование частотных и корневых методов при автоматизированном анализе и синтезе линейных систем высокого порядка часто позволяет получить достаточно полную информацию для синтеза.
Проектирование систем гидропривода с помощью амплитудно-фазовых частотных характеристик в «Matlab & Simulink» дает возможность анализировать структуры и влияние параметров объекта и отдельных его частей, решать задачи синтеза регулятора путем подбора корректирующих звеньев, выполнять идентификацию по экспериментально снятым частотным характеристикам и решать другие задачи.
В работе /15/ приведена линеаризованная математическая модель, описывающая динамику системы гидропривода ноги шагающей машины. Результатом реализации математической модели явилось определение ЛАЧХ и ЛФЧХ для гидропривода каждой степени свободы ноги представлены на рис 15 - 17 /15/. Запасы по частоте и амплитуде должны быть не менее определенных значений. Рекомендуемые запасы по амплитуде - 6 - 8 дБ, по фазе — 40 что является вполне достаточным.
В работе /13/ приведены основные результаты разработок фирмы BOSCH REXROTH гидравлических системы LS (load sensing - чувствующий нагрузку). В этой системе мгновенное давление нагрузки служит сигналом обратной связи для управляющего устройства. Перепад давления на дросселе в этой системе поддерживается постоянным, что обеспечивает постоянную величину потока на исполнительном органе. Система LS работает независимо от давления нагрузки до тех пока суммарный расход, проходящий через переменные дроссели, не достигнет величины максимальной подачи насоса. Если при работе нескольких потребителей необходимо пропустить к потребителям больший поток, чем может обеспечить насос, то компенсатор каждого потребителя не может обеспечить управляющий перепад давления на золотнике этого потребителя. Вследствие этого компенсатор давления открывается и в распределении потока не учувствует. Расход насоса больше не делится пропорционально сечению дросселей, и поток направляется к потребителям уже зависимо от давления нагрузки, предпочтительно к потребителям с минимальным давлением нагрузки. Потребители с большим давлением нагрузки снижают скорость вплоть до полной остановки.
Поэтому в гидросистемах машин мощностью свыше 180 кВт применяется система LUDV (независимое от нагрузки распределение потока), которая решает эту проблему. Перепад давления, заданный регулятором «давление/поток» на насосе, используется в качестве перепада давления, управляющего системой. Насос обеспечивает подачу пропорционально сечениям переменных дросселей. Перепады давления на переменных дросселях равны между собой т. к. управляющее давление всех компенсаторов одно и тоже.
Теория и методика проектирования систем гидроприводов и электрогидравлических следящих приводов получили развитие в работах /87/ в связи с исследованиями влияния сжимаемости рабочих жидкостей на динамику гидроприводов (ГП). Необходимость в этом возникла в связи с тем, что объемные ГП имели на практике значительно более низкие частоты колебаний в переходных процессах, чем это следовало из расчетных частотных характеристик ГП, полученных с учетом свойств чистых рабочих жидкостей на нефтяной основе. В результате появилась математическая модель двухфазной рабочей жидкости, содержащей нерастворенный воздух, которая учитывала ее значительную упругость. В законченной форме эта теория дана в монографии /90/ не только для простых трубопроводов, но и для сложных, составных трубопроводов, включающих гибкие соединительные шланги, а также электрогидравлических систем управления.
В книге /47/ рассмотрены принципы построения комплекса алгоритмов и программ для автоматизированного моделирования ЭГСП и их элементов, а также теория принятия проектных решений на основе использования комплексов алгоритмов и программ. Эту работу можно рассматривать в качестве теории проектирования следящих приводов в условиях компьютеризации процессов проектирования в данной области. При этом сформулированы актуальные направления развития теории систем приводов в современных условиях: формы представления иерархических систем описаний процессов функционирования приводов, квантификация базовых областей таких описаний, методы декомпозиции и агрегирования при моделировании гидроприводов как сложных систем, алгебра описания процессов модельных экспериментов, т.е. проблемы синтаксиса и семантики машинного локального знания в данной области.
Работы в области методов автоматизированного проектирования ЭГСП и их элементов, выполненные на этапе создания отраслевой САПР в ЦНИИАГ, обобщены в монографиях /47/. В этих работах получили развитие методы анализа и синтеза систем взаимосвязанных следящих приводов, что стало характерным для современных проектных исследований в данной области применительно к управлению ОПУ с несколькими взаимосвязанными каналами воздействия на объект регулирования, в двухканальных системах с силовыми дифференциалами, в системах с источниками энергии ограниченной мощности, роботах и манипуляторах.
В работе /43/ приведены результаты исследований нагруженного дроссельного гидропривода, включающая в себя два основных элемента: электрогидравлический усилитель (ЭГУ) и гидродвигатель возвратно-поступательного действия (гидроцилиндр). Установлено, что гидродинамическая сила и коэффициент расхода золотника ЭГУ оказывают незначительное влияние на форму выходного сигнала в диапазоне малых частот управляющего воздействия; однако, с увеличением частоты (более 100 Гц) это влияние становится заметным и требует специального исследования. Изменение величины гидродинамической силы влияет на быстродействие системы - при уменьшении ГДС на 10% быстродействие повышается в 1,6 раз.
Моделирование процессов рециркуляции рабочей жидкости гидропривода
В дроссельном гидроприводе с замкнутой системой рабочая жидкость со сливной магистрали поступает во всасывающий патрубок насоса с последующей рециркуляцией по гидросистеме.
При составлении линейной модели гидропривода были приняты следующие предположения и допущения: коэффициенты расходов дросселей и рабочих окон золотника являются постоянными; гидродинамические силы, действующие на золотники, ограничителя давления, пилотного золотника пропорционального распределителя пренебрежимо малы; перетечки рабочей жидкости через радиальные зазоры золотников и гидроцилиндров пренебрежимо малы; нагружающий момент на шайбе насоса создается приведенной к штоку управляющего гидроцилиндра массой подвижных частей; давление слива постоянно; величины вязкости и модуля объёмной упругости не изменяются.
Математическая модель, описывающая процессы рециркуляции рабочей жидкости, получена исходя из равенства расходов рабочей жидкости через дроссель и теплообменники MdpfJf(rdp-re»x)-Qym-= ; (231) тЛ = спр{х0 -x)-APdpFk-/k; (2.32) (Рдр-Рвых) = &Р (2.33) Ар= г; (234) 1 1р=1щ Ъ{ )\ (2.35) dlv dx Uyc=RyIy+L -f- +C -f-, (2.36) У at K at где fdp — площадь проходных сечений дросселя; цдр- коэффициенты расхода жидкости через дроссель; у - удельный вес жидкости; g - ускорение свободного падения; рдр - давление рабочей жидкости на входе дросселя; Рвых - давление рабочей жидкости на выходе дросселя; dT - диаметр трубопровода; - коэффициент местного сопротивления; 1Щ - длина наиболее узкого места щели; Ъ — ширина щели; Ry - активное сопротивление обмотки электромагнита; 1У - сила тока; Ly - индуктивность обмотки управления электромагнита; Сп - коэффициент противо-ЭДС; хя - смещение якоря электромагнита дополнительного золотника.
Уравнение 2.31 описывает процесс рециркуляции рабочей жидкости подсистемы «дроссель-теплообменник». Уравнение 2.32 - колебания клапана дросселя. Уравнение 2.33 - перепад давления на дросселе. Уравнение 2.34 дает связь между перепадом давления и скоростью движения рабочей жидкости. Уравнение 2.35 определяет площадь щели дросселя. Уравнение 2.36 — напряжение в электрической цепи магнита.
Для моделирования поведения динамических систем, к которым относятся, и система рециркуляции, используются ЭВМ. Существует большое количество алгоритмических языков, на которых может быть выполнено решение задачи. Выбор того или иного языка программирования зависит от многих условий. Часто решающую роль оказывает удобство программирования, наличие проверенных математических методов, легкость представления результатов моделирования. Такими особенностями обладает пакет MATLAB, содержащий в своем составе инструмент визуального моделирования SIMULINK. SIMULINK сочетает в себе наглядность аналоговых машин и точность цифровых вычислительных машин. SIMULINK обеспечивает пользователю доступ ко всем возможностям пакета MATLAB, в том числе к большой библиотеке численных методов /15/. Для исследования переходных процессов гидропривода выполнено)
Для наблюдения за процессами в модели установлен "осциллограф" -блок Scope, для отображения изменения переменных во времени. Гидропривода с системой рециркуляции рабочей жидкости, набранная в системе «Matlab+ Simulink», приведена на рис. 2.3. u(iyi —. Fen Constants Constants GainS 0ain4 Input Poinl 1 bain ain5 Math Function2 Gain7 Producft о Constant4 Integrator! utput Point . Scopel Рис. 2.3 Модель регулирования потока рабочей жидкости гидропривода, набранная в среде «Matlab & Simulink» Модель динамического равновесия клапана дроссельного регулятора, набранная в cpefle«Matlab & Simulink», приведена на рис. 2.4. Начальные условия:/, = 4е-6; judp- 0.71; =900; g =9,8; =0,6. На рис. 2.6 приведена временная зависимость моделирования процесса дросселирования рабочей жидкости.
Переходный процесс дросселирования рабочей жидкости в начальный период времени характеризуется турбулентностью течения рабочей жидкости. При перепаде давления на дросселе 9,9 МПа скорость потока рабочей жидкости достигает 16м/с. Длительность колебательного процесса составила 6 сек. Введение обратной связи в систему позволило снизить динамику процесса. Скорость потока рабочей жидкости составила 5,4 м/с. Через 3,5 с процесс становится стационарным. Переходная характеристика вызвана скачком градиента скорости при турбулентном течении рабочей жидкости.
Результаты математического моделирования динамического равновесия клапана дроссельного регулятора приведены на рис. 2.7. Колебательный процесс клапана протекает в течение 2 с. Максимальная величина амплитуды колебания клапана достигает 0,14 мм. Частота колебаний клапана составляет 2 Гц. Далее процесс становится стационарным.
На рис. 2.8 приведена зависимость скорости движения рабочей жидкости от перепада давления на дросселе. Уравнение регрессии описывается экспоненциальной зависимостью при коэффициенте сходимости более 0,96.
Для практических расчетов параметров дросселя в зависимости от перепада давления используется известная зависимость
Результаты исследований рециркуляционной системы гид ропривода
Исследования рециркуляционной системы гидропривода проводились при низких температурах от минус 10С до минус 60С. Разогрев рабочей жидкости по замкнутой системе гидросхеме проводился в начальный период в форсированном режиме, когда давление перед дросселем составляло 10-15 МПа. При достижении температуры масла +60С давление перед дросселем уменьшалось до 3 -5 МПа. В этом режиме температура рабочей жидкости поддерживалась постоянной (+50 - +60С). Перед дросселированием при низких температурах рабочая жидкость циркулировала по малому кругу с открытым дросселем в течение 5 мин. Это позволило уменьшить давление после дросселя до 1,0 МПа и менее. Минимальная температура воздуха в процессе испытаний стенда не превысила - 18 С. При температуре окружающего воздуха - 7С дросселирование рабочей жидкости, проводилось без предварительной перекачки вхолостую. При температуре -10С проводилась перекачка масла вхолостую в течение 5 мин. Результаты измерений температурного состояния гидропривода приведены на рис. 3.7.
Результаты измерений давления в гидросистеме приведены на рис. 3.8.
Процесс дросселирования рабочей жидкости сопровождается шумом. Для определения величины уровня шума в кабине машиниста проводились его измерения. Измерения шума проводились при открытой дверце кабины и при ее закрытии. При этом дроссели не были оснащены противошумовыми устройствами. Результаты измерений уровня шума в кабине сведены в табл. 3.3. Как видно из таблицы уровень шума на всех частотах октав низких полос превышает допустимые нормы. Превышение нормы уровня шума при открытой двери в нормальном режиме дросселирования составляет 20%., в максимальном режиме дросселирования - 26%. процессе экспериментов рециркуляционной системы определилось значение коэффициента теплопередачи при повышении температуры рабочей жидкости до 60 -70С. В этом режиме коэффициент теплопередачи составил при расходе рабочей жидкости ПО л/мин - 70 вт/м град, при 60 л/мин -40 Вт/м .град, потребная величина мощности при этом составила соответственно 7-10 кВт и 4-5,5 кВт.
Для определения деструкции масла проводилось определение его вязкости и наличия загрязнения. При закачивании масла в бак бралась проба и определялась величина вязкости. Она составила 15,9 сСт. Через 20 мин дросселирования рабочей жидкости при Р=15 МПа и при V= ПО л/мин вязкость масла составила 15,7 сСт. Через следующие 1,5 часа дросселирования в форсированном режиме, вязкость масла составила 15,5 сСт., загрязнение - 0,027%. Следующая проба масла бралась через 18 часов от предыдущей, при этом вязкость составила 15,48 сСт., механические примеси 0,042%. Этот процесс проводился при Р=5 МПа и V = бОл/мин так как температура масла достигла +50-60С.
Через 150 минут дросселирования рабочей жидкости вязкость масла составила 15,4 сСт. Таким образом в течение 150 минут дросселирования вязкость рабочей жидкости уменьшилась на 3%. Однако этот результат не выходит из величины погрешности измерений поэтому в пределах времени проведения эксперимента можно заключить об отсутствии деструкции рабочей жидкости. В процессе эксперимента получена скорость нагрева рабочей жидкости - 0,51С/мин;
Исследования рециркуляционной системы при температуре воздуха минус 60С проводились в камере холода. Перед дросселированием рабочей жидкости гидронасос работал вхолостую в течение 30 мин. По истечении этого времени был включен малый круг циркуляции масла через теплообменники. Процесс нагрева масла в гидросистеме приведен на рис.3.9.
В первые 30 мин. работы гидросистемы интенсивность нагрева масла составила2 град/мин, нагрев воздуха- 1 град/мин. В последующие 30 минут интенсивность нагрева масла составила 1 град/мин, воздуха в кабине 0,7 град/мин. Давление в гидросистеме при этом поддерживалось на уровне 15 МПа при частоте вращения вала гидронасоса 800 об/мин. Через 2 часа работы системы по замкнутому кругу циркуляции было включено дросселирование масла из бака по незамкнутой системе гидропривода.
Изменение температур описывается экспоненциальными зависимостями с наиболее интенсивным прогревом в начальный момент работы и последующим ослаблением интенсивности нагрева. Т = - 0,0084Ґ + 1,9426ґ - 44,786 (3.3)
Интенсивность нагрева масла в баке в этом случае составила 0,43 град/мин. (за 50 минут температура жидкости в баке поднялась с - 42 до - 39С). При этом температура масла в гидроцилиндре повысилась с -42С до +38С.
Температура окружающего воздуха в камере холода за 175 мин. работы установки повысилась с - 49С до - 45С.
Для выполнения практических расчетов рециркуляционной системы в процессе экспериментов определилось значение коэффициента теплопередачи при повышении температуры рабочей жидкости на 60 -70С. В этом режиме коэффициент теплопередачи составил при расходе рабочей жидкости 110 л/мин - 70 Вт/м град, при 60 л/мин - 40 Вт/м .град.потребная величина мощности при этом составила соответственно 7-10 кВт и 4 -5,5 кВт.
Процесс нагрева рабочей жидкости в гидроцилиндре апроксимируются линейной зависимостью Г= 1,9426 -44,786 (3.4)
Исследования дроссельного способа поддержания температурного режима определили основные характеристики рециркуляционной системы при низких температурах до минус 60 градусов. Это позволяет разработать рекомендации для проектирования систем машин для холодного климата.
Система автоматического проектирования параметров рециркуляционной системы гидропривода
Гидросистемы используются в управляющих системах в качестве источников питания рабочей жидкости гидроприводов. К параметрам гидросистемы отнесены давление рабочей жидкости в напорной магистрали системы, производительность насосной установки, масса насосной установки, ёмкость аккумулятора, предварительное давление в газовой камере аккумулятора, диапазон изменения рабочего давления, температура рабочей жидкости, емкость бака, а также те величины, которые зависят от условий эксплуатации гидроприводов. В качестве требований, предъявляемых к гидросистемам выделяют: требования к энергетическому показателю, который должен быть достаточно высоким, малую массу, высокую надежность, низкую стоимость. В зависимости от назначения гидросистемы приоритет заданных критериев, как и их число, могут меняться. Выбор оптимального проектного варианта гидросистемы требует решения многокритериальной задачи с довольно большим числом варьируемых параметров. Задача усложнена тем, что заранее не известна оптимальная структура гидросистемы. Вследствие этого путь решения задачи состоит из двух этапов. На первом этапе проводится параметрическая оптимизации отдельных вариантов с предварительно выбранной структурой гидросистемы. На втором этапе сравниваются наилучшие варианты каждой из рассмотренных структур гидросистемы и выбирается вариант структуры и ее параметры, наиболее отвечающие требованиям к управляющему устройству. В связи с тем, что на энергетическую эффективность влияет число одновременно действующих гидроприводов, то для всех трех вариантов гидросистемы были последовательно рассмотрены случаи с различным числом работающих степеней подвижности промышленных роботов. Были проведены оптимизационные расчеты для указанных типов гидросистемы с различным потребляемым расходом, который определялся числом работающих степеней и заданной циклограммой работы управляющего объекта. При параметрическом проектировании рециркуляционных систем определяются рациональные параметры технической системы исходя из целевой функции (критерия), дисциплинирующих условий, метода оптимизации. Критерий и дисциплинирующие условия назначаются в виде показателей эффективности и совершенствования.
Для оценки качества рециркуляционной системы приняты критерии:
Энергетический показатель, определяемый количеством потребляемой приводом энергии в отсутствие командного сигнала.
Динамический показатель, характеризующий переходные процессы в приводе и точность, осуществляемого с помощью привода, управления объектом.
Кроме того, должны учитываться не формализуемые показатели, к которым относятся технологические возможности производства приводов, опыт эксплуатации приводов данного типа и другие. Задача оптимального проектирования состоит в выборе таких параметров гидросистемы, чтобы достигались минимум потребляемой приводом энергии, переходные процессы не хуже допустимых, заданная точность управления объектом и минимальные массогабаритные характеристики. При этом должны быть удовлетворены все параметрические и функциональные ограничения.
При проектировании рециркуляционных систем гидропривода предлагаются новые экспериментальные зависимости.
Изменение температур описывается экспоненциальными зависимостями с наиболее интенсивным прогревом в начальный момент работы и последующим ослаблением интенсивности нагрева.
Диссертационная работа является законченной научно-исследовательской работой, содержащей научное обоснование, теоретические разработки и внедрение технических средств, обеспечивающих решение важной проблемы. Основные научные и практические результаты работы заключаются в следующем.
1. Решена основная проблема обеспечения функциональных и эксплуатационных характеристик строительных машин, работающих в условиях низких температур за счет стабилизации температурного режима гидропривода с рециркуляции рабочей жидкости.
2. Получены результаты теоретических и экспериментальных исследований переходных режимов дроссельного гидропривода с системой рециркуляции рабочей жидкости с учетом низких температур.
3. Стабилизация температурного режима гидропривода обеспечивается регулированием перепада давления на дросселе и расхода рабочей жидкости. Выявлено влияние параметров щели дросселя и положения золотника на величину температуры рабочей жидкости.
4. Получены регрессионные модели, позволяющие определять основные параметры рециркуляционной системы гидропривода.
5. Создан объектно-ориентированный продукт в среде Matlab & Simulink для математического моделирования динамики рециркуляционной системы гидропривода.
6. Разработана методика расчета параметров рециркуляционной системы гидропривода, основанная на рациональном сочетании конструктивных параметров системы и свойств рабочей жидкости в условиях низких температур.
Новые технические решения внедрены в конструкции стреловых кранов ОАО «Ивановский крановый завод» и на серийных грузоподъемных кранах в ОАО «Красноярский завод синтетического каучука».
