Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ известных и поиск новых путей энергосбережения в гидроприводах дорожных, строительных и подъемно-транспортных машин 9
1.1 .Потери энергии в дизельном гидроприводе и постановка задачи исследований 9
1.2.Классификация дизельных гидроприводов дорожно-строительных и подъемно-транспортных машин по структуре, способу управления и режиму работы 12
1.3. Гидроприводы машин типа экскаватора ЭТЦ-252 с регулированием скорости приводящим двигателем при постоянной внешней нагрузке 19
1.4.Гидроприводы с регулированием приводящим двигателем при переменной внешней нагрузке 28
1.5.Гидроприводы с дроссельным регулированием скорости и постоянной внешней нагрузкой на примере автокранов 35
1.6. Гидроприводы с дроссельным регулированием и переменной внешней нагрузкой 44
1.7. Энергосбережение в гидроприводах с машинным регулированием скорости на примере одноковшовых экскаваторов 48
Выводы 59
2. Пути энергосбережения в дизельных гидроприводах с моторно-дроссельным управлением скоростью гидродвигателей 60
2.1.Особенности режимов работы и возможности энергосбережения в грузоподъемных машинах с дизельным гидроприводом 60
2.2. Снижение дроссельных потерь энергии применением комбинированного управления скоростью 64
2.3.Обеспечение работы приводящего дизельного двигателя на оптимальном по расходу топлива режиме 68
2.4. Общая структура автоматического регулятора режима работы дизельного гидропривода 73
Выводы 80
3. Структура и методика расчета регулятора режима работы дизельного гидропривода 81
3.1.Структура и функционирование регулятора режима работы в дизельном гидроприводе грузоподъемной машины 81
3.2.Расчет вспомогательного привода 90
3.3.Расчет сумматора давлений с ограничителем 93
3.4. Корректировка параметров гидрораспределителей для реализации дроссельно-двигательного регулирования 96
3.5.Экспериментальное исследование автоматического регулятора 102
Выводы 117
4. Оценка энергосбережения в дизельном гидроприводе при комбинированном управлении и автоматическом регулировании 118
4.1 .Математическая модель дизельного гидропривода строительного крана-манипулятора 118
4.2.Табличная подготовка исходных данных для расчета на ЭВМ 138
4.3.Расчет переменных величин по заданному внешнему воздействию 142
4.4.Формирование и вывод результатов расчета 146
4.5. Результаты расчета характеристик и анализ эффективности системы управления приводом 148
4.6.Расчет ожидаемой экономической эффективности применения комбинированной системы управления дизельным гидроприводом машины на стадии подготовки технического задания 157
4.7.Оценка экономической эффективности автоматического регулирования приводящего двигателя по экспериментальным данным... 163
Выводы 166
5. Математическое моделирование дизельного гидропривода и расчет на эвм динамических процессов 167
5.1 .Исходное математическое описание дизельного гидропривода 170
5.2.Итоговая система уравнений в операторной форме и структурная схема модели 194
5.3.Определение численных значений коэффициентов и постоянных величин 200
5.4.Основные задачи, решаемые при динамических расчетах дизельного гидропривода 214
5.5. Методические рекомендации по результатам расчета для устранения динамических перегрузок приводящего двигателя 220
5.6.Методические рекомендации для снижения колебательности дизельного гидропривода и улучшения экономичности при переходных режимах 229
Выводы 235
Основные выводы 236
Список литературы 238
Приложения 246
- Гидроприводы машин типа экскаватора ЭТЦ-252 с регулированием скорости приводящим двигателем при постоянной внешней нагрузке
- Снижение дроссельных потерь энергии применением комбинированного управления скоростью
- Корректировка параметров гидрораспределителей для реализации дроссельно-двигательного регулирования
- Результаты расчета характеристик и анализ эффективности системы управления приводом
Гидроприводы машин типа экскаватора ЭТЦ-252 с регулированием скорости приводящим двигателем при постоянной внешней нагрузке
В этом параграфе рассматриваются возможные варианты для случая регулирования скорости за счет изменения скорости вращения приводящего двигателя при постоянной или медленно меняющейся внешней нагрузке. При этом гидропривод играет роль редуктора, имеющего постоянное передаточное отношение, и выполняет некоторые дополнительные функции, такие как, например, защита двигателя от перегрузок путем ограничения давления в гидросистеме [66,68]. Сюда же отнесены и случаи применения приводов со ступенчатым изменением передаточного отношения при работе в пределах одной ступени[54]. Такие приводы применяются, например, в транспортных машинах, таких как тягачи или тракторы [33], в горнодобывающих машинах [17,59], где для изменения передаточного отношения привода в гидромашинах включается различное число рабочих камер. Также может изменяться число подключенных гидромоторов, как в тележке грузоподъемностью 500т французской фирмы «Николас» [79].
При использовании гидроприводов с нерегулируемой гидропередачей и управлением скоростью посредством изменения частоты вращения дизельного двигателя энергосбережение может быть достигнуто за счет обеспечения работы дизельного двигателя на режимах, близких к оптимальным по расходу топлива. Обеспечением экономичных режимов работы двигателей для транспортных машин при использовании гидроприводов с машинным (объемным) регулированием скорости занимался В.А. Петров [55,56,57]. Автор развивает его идеи для дизельных гидроприводов технологических (дорожностроительных и грузоподъемных) машин с различными способами регулирования скорости. Для этого предполагается изменить принятый в большинстве случаев алгоритм проектирования объемных гидроприводов, изложенный, например, в работах Г.М. Иванова, Б.Л.Коробочкина, P.M. Пасынкова [18] и В.И. Иванова [74]. В большинстве существующих методик выбор первичного двигателя производится после определения параметров гидропередачи перед проведением проверочных расчетов. В настоящей главе для ряда вариантов гидропривода рассматриваются измененные алгоритмы проектирования, в которых приводящий двигатель и его режимы работы определяются до выбора параметров гидропередачи, исходя из максимально возможного приближения к режимам с наименьшим расходом топлива. После этого проектируется собственно гидропередача.
Вначале рассмотрим индивидуальные гидроприводы с постоянным характером внешней нагрузки при полном нагружении приводящего двигателя по мощности. Возможности энергосбережения за счет выбора режима дизельного двигателя здесь отсутствуют, т. к. он может работать только на одном режиме - максимальной эффективной (т.е. отдаваемой) мощности. Потери в гидропередаче полностью определяются потерями в агрегатах, аппаратах и линиях и могут быть минимизированы только на стадии проектирования привода путем правильного выбора всех элементов с помощью известных методик [1,18,19,27,64,74]. Примеры таких случаев - приводы траншейных экскаваторов, для которых основная доля мощности передается на механизм копания, а вспомогательные механизмы - ходовой и транспортный - потребляют небольшую и притом постоянную долю мощности [10,11].
Для группового гидропривода справедливо все, что отмечено для индивидуального. Дополнительная возможность экономии энергии появляется для случая, когда необходимо синхронизировать движение гидродвигателей. Применение дроссельных делителей потока или просто ограничивающих расходы дросселей приводит к потерям энергии. Для снижения этих потерь могут быть применены объемные делители потока вместо дроссельных, а также схемы с последовательным включением гидродвигателей [4] взамен параллельного, например, как это выполнено в гидроприводе транспортера траншейного цепного экскаватора ЭТЦ-252.
Далее рассмотрим вариант постоянного режима внешней нагрузки при частичном нагружении двигателя для индивидуального привода. Вначале рассмотрим его частный случай при сохранении постоянной скорости гидродвигателя. Здесь энергосбережение возможно за счет использования оптимального по расходу топлива режима приводящего дизеля. Для этого привод проектируется в следующем порядке:
Определяется потребная мощность двигателя NflB где ггп - предварительно задаваемый полный КПД гидропередачи (Лгп=0.7 ... 0.8).
Рассматривается расходно-топливная характеристика двигателя. Качественный пример такой характеристики для дизельного двигателя [21,49,57,73] приведен на рис. 1.4. На ней нанесены кривые зависимости часового расхода топлива С(кг/час) от эффективной мощности ГЧе(л.с.) для различных значений начальной настройки всережимного регулятора, т. е. различных скоростей вращения холостого хода сохх. Под эффективной понимается полезная мощность, затрачиваемая на преодоление приложенной к двигателю внешней нагрузки. Из графика видно, что одна и та же мощность может быть получена при различных расходах топлива. Очевидно, что для достижения наибольшего энергосбережения следует выбрать такой режим работы двигателя (характеризующийся определенной скоростью холостого хода Cuxxi), который соответствует наименьшему расходу топлива.
Снижение дроссельных потерь энергии применением комбинированного управления скоростью
Гидроприводы с дроссельным регулированием скорости широко применяются в промышленных, строительных и коммунальных машинах благодаря таким качествам, как низкая стоимость, большой срок службы и стабильные регуляторные характеристики [9,10,18,63,66,69,74]. Последнее особенно важно для обеспечения малых скоростей, например в подъемных кранах.
При наличии регулируемой гидропередачи лучшее энергосбережение может быть достигнуто за счет сочетания известных способов уменьшения дросселирования рабочей жидкости, соответствующего проектирования параметров гидропередачи для обеспечения оптимальной по расходу топлива загрузки дизельного двигателя, а также применением специальных автоматических устройств для воздействия на него с целью максимально возможного снижения скорости его вращения и, следовательно, подачи насосов.
В гидроприводах с дроссельным регулированием скорости применяются различные схемы реализации этого способа управления скоростью. Лучшее качество регулирования достигается при использовании регуляторов расхода, обеспечивающих независимое от нагрузки управление. При этом многообразие применяемых схем сводится к трем основным типам: а) дросселирование на входе в гидродвигатель; б) дросселирование на выходе из гидродвигателя; в) дросселирование параллельного сливного потока. Для индивидуального гидропривода при постоянной внешней нагрузке и полной или частичной загрузке приводящего двигателя по мощности предпочтительным является использование дросселирования параллельного сливного потока. Этот тип регулирования энергетически более выгоден, так как при его использовании давление в напорной линии гидронасоса близко к давлению, необходимому для преодоления нагрузки, и все потери сводятся только к потерям расхода, в то время как при дросселировании на входе и в сливе давление равно максимальному и потери увеличиваются. Гидроприводы, работающие по схеме дросселирования в параллели, достаточно широко распространены и применяются, например, в механизмах подъема кранов, лебедок и других подъемно-транспортных машинах с индивидуальным гидроприводом [48,58,62,69,70]. При средних и больших мощностях (более 10 кВт) применение такого привода дает значительный экономический эффект по сравнению с приводом, дросселирующим полный поток.
При работе дизельного двигателя на максимальной мощности в индивидуальном гидроприводе энергосбережение может быть увеличено только изменением способа регулирования, например, применением машинного регулирования. Для этого используются насосные установки переменной производительности, имеющие различные регуляторы расхода [34,61,62,65].
При частичной загрузке приводящего двигателя в индивидуальном гидроприводе есть возможности энергосбережения за счет использования более выгодных по расходу топлива режимов работы дизеля. Для схем с дросселированием «на входе» и «на выходе» приводящий двигатель и режим его работы выбирается аналогично описанным в п. 1.3 гидроприводам с регулированием скорости приводящим двигателем при постоянной внешней нагрузке и постоянным расходом насосной установки. При использовании схем с дросселированием «в параллели» выбор двигателя и режимов его работы нужно производить подобно описанным в п. 1.4 гидроприводам с регулированием скорости приводящим двигателем при переменной внешней нагрузке для частного случая с нулевым диапазоном изменения скорости дизеля.
В том случае, если имеется возможность воздействовать на приводящий двигатель, появляются дополнительные возможности энергосбережения за счет уменьшения дросселируемого потока рабочей жидкости. Для этого нужно применить специальное автоматическое управляющее устройство. При этом схемы гидропередач сохраняются прежними, что позволяет получить экономию энергии для уже разработанных и находящихся в эксплуатации приводов. Это устройство (регулятор) должно воздействовать на рычаг управления дизелем. Рассмотрим качественную характеристику предельного момента двигателя, представленную на рис. 1.10 кривой 1. На этом же графике нанесена прямая М = МнаГр (линия 2), определенная для конкретной нагрузки, задаваемой величиной давления в напорной гидролинии насоса где: Рнагр - давление в напорной гидролинии насоса; - рабочий объем насоса (за один оборот вала); )гп - гидромеханический КПД насосной установки совместно с редуктором отбора мощности.
Режимная точка работы двигателя всегда находится на этой линии. Задача работы автоматического регулятора - смещение режимной точки в область как можно более малых скоростей вращения двигателя. При этом уменьшение скорости вращения производится за счет воздействия на рычаг управления двигателем с помощью сервопривода. Указанное уменьшение производится до достижения режимной точкой зоны вблизи предельной кривой 1, либо до тех пор, пока дросселируемый на слив поток не станет равным нулю. То, что произойдет раньше, и будет ограничивать снижение скорости вращения двигателя.
Корректировка параметров гидрораспределителей для реализации дроссельно-двигательного регулирования
В этом параграфе рассмотрены возможности снижения потерь энергии в дизельных гидроприводах с машинным регулированием скорости. Показана реализация выбранных направлений энергосбережения, состоящих в выборе оптимальных режимов работы двигателя и снижении потерь энергии в гидропередаче, для различных вариантов приводов в соответствии со схемой на рис.1.3.
Характер внешней нагрузки оказывает большое влияние на выбор средств энергосбережения и в первую очередь на необходимость применения средств автоматического управления. Из переменных факторов на приводящий двигатель оказывает влияние не только внешняя нагрузка, но и изменяющееся передаточное отношение гидропередачи, что усложняет работу оператора при ручном управлении гидроприводом. Поэтому при переменном характере нагрузки возрастает потребность в применении средств автоматизации. В качестве примера можно отметить одноковшовые экскаваторы 3-й и выше размерных групп [5,6,10,11,29], где используются регуляторы мощности, позволяющие двигателю работать в заданном режиме. При этом фактор случайного или известного заранее циклического характера внешней нагрузки, в отличие от приводов с дроссельным регулированием скорости, не является существенным. Это связано с тем, что большой энергосберегающий эффект от применения насосно-аккумуляторных установок при циклическом характере внешней нагрузки проявляется только для приводов с дроссельным регулированием скорости.
Как отмечалось выше (п.п. 1.3 и 1.4), при полной нагрузке дизельного двигателя отсутствует возможность выбора оптимального режима его работы, поскольку в этом случае все режимные параметры - скорость вращения, крутящий момент, положение рейки топливного насоса - имеют только одно значение. Задача автоматического регулирования гидропередачи на этом режиме сводится к его поддержанию, т.е. отбору полной мощности и защите двигателя от перегрузок[52]. При этом лучшее использование приводящего дизельного двигателя обеспечивают автоматические регуляторы, наиболее точно поддерживающие заданный режим. К ним относятся, например, регуляторы с множительным устройством, точно обеспечивающие гиперболический закон постоянной мощности [40,42], по сравнению с регуляторами, содержащими пакет пружин для аппроксимации этой зависимости.
При частичной нагрузке на дизельный двигатель появляется возможность выбора оптимального режима его работы, т.е. такого, при котором достигается наименьший при данных условиях расход топлива. Сочетание режимов, на которых осуществляется регулирование двигателя, часто [56] называется регу-ляторной характеристикой. Однако тот же термин используется и для промежуточных характеристик, обеспечиваемых всережимным регулятором дизельного двигателя, поэтому во избежание путаницы в данной работе принято название «характеристика регулирования». Одним из первых задачу определения характеристики регулирования поставил А. Тюнген[83], который рекомендовал в качестве последней принимать такую кривую, каждая точка которой соответствует точке максимальной мощности при различных положениях органа управления двигателем. Позднее было выяснено, что такая характеристика не обеспечивает работу двигателя с малым расходом топлива.
Дальнейшее развитие эти вопросы получили в работах М.А. Айзермана [2], а также Е.А. Чудакова [77], который предложил в качестве характеристики регулирования использовать кривую, составленную из точек минимального удельного расхода топлива для каждого значения мощности. Н.К. Куликов показал [26], что при существенно переменном КПД бесступенчатой передачи для достижения наилучшей топливной экономичности следует выбирать несколько иные режимы и нашел их для автомобиля с учетом динамических свойств двигателя внутреннего сгорания. В.А. Петров отмечал [56], что построение оптимальной характеристики должно не только учитывать зависимость минимального расхода топлива, но на отдельных участках отличаться от нее с целью устранения работы двигателя на режимах с повышенным износом. В данной работе полагается, что для технологических (не транспортных) машин с объемным дизельным гидроприводом в качестве характеристики регулирования может использоваться (см. рис. 1.15) сочетание регуляторной кривой при наименьшей скорости холостого хода (кривая 1а) и кривой предельного момента (кривая 16). При этом кривая 16 строится с некоторым запасом (как, например на рис. 1.14), обеспечивающим тяговые свойства дизельного двигателя для перехода на режимы с большей потребляемой мощностью. Величина запаса определяется экспериментальным путем или с помощью динамических расчетов на достаточно точной нелинейной математической модели. Пример подобного расчета, но для привода с другим типом регулирования скорости - моторно-дроссельным, приведен в главе 5. При достижении режима максимальной мощности величина запаса может быть уменьшена до нуля. Определенная таким образом характеристика регулирования может быть легко получена по паспортным или экспериментальным данным для любого дизельного двигателя в любом эксплуатационном состоянии, не прибегая к более сложному определению расходно-топливных характеристик. При этом для гидроприводов с пропорциональным управлением от микропроцессора появляется возможность тестирования двигателя в процессе работы и получения характеристики регулирования при текущем состоянии двигателя, окружающей среды и применяемого топлива. В этом случае состояние предельного момента может быть определено, например, по максимальному положению рычага управления рейкой топливного насоса. Средства автоматического управления гидроприводом, реализующие такую характеристику, должны учитывать режимы как частичной, так и полной нагрузки двигателя, поэтому для данного класса приводов эти варианты в настоящей диссертации рассматриваются совместно.
Результаты расчета характеристик и анализ эффективности системы управления приводом
В этом параграфе рассмотрены возможности снижения потерь энергии в дизельных гидроприводах с машинным регулированием скорости. Показана реализация выбранных направлений энергосбережения, состоящих в выборе оптимальных режимов работы двигателя и снижении потерь энергии в гидропередаче, для различных вариантов приводов в соответствии со схемой на рис.1.3.
Характер внешней нагрузки оказывает большое влияние на выбор средств энергосбережения и в первую очередь на необходимость применения средств автоматического управления. Из переменных факторов на приводящий двигатель оказывает влияние не только внешняя нагрузка, но и изменяющееся передаточное отношение гидропередачи, что усложняет работу оператора при ручном управлении гидроприводом. Поэтому при переменном характере нагрузки возрастает потребность в применении средств автоматизации. В качестве примера можно отметить одноковшовые экскаваторы 3-й и выше размерных групп [5,6,10,11,29], где используются регуляторы мощности, позволяющие двигателю работать в заданном режиме. При этом фактор случайного или известного заранее циклического характера внешней нагрузки, в отличие от приводов с дроссельным регулированием скорости, не является существенным. Это связано с тем, что большой энергосберегающий эффект от применения насосно-аккумуляторных установок при циклическом характере внешней нагрузки проявляется только для приводов с дроссельным регулированием скорости.
Как отмечалось выше (п.п. 1.3 и 1.4), при полной нагрузке дизельного двигателя отсутствует возможность выбора оптимального режима его работы, поскольку в этом случае все режимные параметры - скорость вращения, крутящий момент, положение рейки топливного насоса - имеют только одно значение. Задача автоматического регулирования гидропередачи на этом режиме сводится к его поддержанию, т.е. отбору полной мощности и защите двигателя от перегрузок[52]. При этом лучшее использование приводящего дизельного двигателя обеспечивают автоматические регуляторы, наиболее точно поддерживающие заданный режим. К ним относятся, например, регуляторы с множительным устройством, точно обеспечивающие гиперболический закон постоянной мощности [40,42], по сравнению с регуляторами, содержащими пакет пружин для аппроксимации этой зависимости.
При частичной нагрузке на дизельный двигатель появляется возможность выбора оптимального режима его работы, т.е. такого, при котором достигается наименьший при данных условиях расход топлива. Сочетание режимов, на которых осуществляется регулирование двигателя, часто [56] называется регу-ляторной характеристикой. Однако тот же термин используется и для промежуточных характеристик, обеспечиваемых всережимным регулятором дизельного двигателя, поэтому во избежание путаницы в данной работе принято название «характеристика регулирования». Одним из первых задачу определения характеристики регулирования поставил А. Тюнген[83], который рекомендовал в качестве последней принимать такую кривую, каждая точка которой соответствует точке максимальной мощности при различных положениях органа управления двигателем. Позднее было выяснено, что такая характеристика не обеспечивает работу двигателя с малым расходом топлива.
Дальнейшее развитие эти вопросы получили в работах М.А. Айзермана [2], а также Е.А. Чудакова [77], который предложил в качестве характеристики регулирования использовать кривую, составленную из точек минимального удельного расхода топлива для каждого значения мощности. Н.К. Куликов показал [26], что при существенно переменном КПД бесступенчатой передачи для достижения наилучшей топливной экономичности следует выбирать несколько иные режимы и нашел их для автомобиля с учетом динамических свойств двигателя внутреннего сгорания. В.А. Петров отмечал [56], что построение оптимальной характеристики должно не только учитывать зависимость минимального расхода топлива, но на отдельных участках отличаться от нее с целью устранения работы двигателя на режимах с повышенным износом. В данной работе полагается, что для технологических (не транспортных) машин с объемным дизельным гидроприводом в качестве характеристики регулирования может использоваться (см. рис. 1.15) сочетание регуляторной кривой при наименьшей скорости холостого хода (кривая 1а) и кривой предельного момента (кривая 16). При этом кривая 16 строится с некоторым запасом (как, например на рис. 1.14), обеспечивающим тяговые свойства дизельного двигателя для перехода на режимы с большей потребляемой мощностью. Величина запаса определяется экспериментальным путем или с помощью динамических расчетов на достаточно точной нелинейной математической модели. Пример подобного расчета, но для привода с другим типом регулирования скорости - моторно-дроссельным, приведен в главе 5. При достижении режима максимальной мощности величина запаса может быть уменьшена до нуля. Определенная таким образом характеристика регулирования может быть легко получена по паспортным или экспериментальным данным для любого дизельного двигателя в любом эксплуатационном состоянии, не прибегая к более сложному определению расходно-топливных характеристик. При этом для гидроприводов с пропорциональным управлением от микропроцессора появляется возможность тестирования двигателя в процессе работы и получения характеристики регулирования при текущем состоянии двигателя, окружающей среды и применяемого топлива. В этом случае состояние предельного момента может быть определено, например, по максимальному положению рычага управления рейкой топливного насоса. Средства автоматического управления гидроприводом, реализующие такую характеристику, должны учитывать режимы как частичной, так и полной нагрузки двигателя, поэтому для данного класса приводов эти варианты в настоящей диссертации рассматриваются совместно.
Похожие диссертации на Управление объемными дизельными гидроприводами и выбор их параметров с целью снижения непроизводительных затрат энергии строительными и подъемно-транспортными машинами
