Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Теоретические исследования энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов 11
1.1 Исследование энергетических потерь в механизмах гидропривода.. 11
1.1.1 Потери энергии в гидронасосе 12
1.1.2 Потери энергии в гидро двигателях (гидромотор, гидроцилиндр).. 14
1.1.3 Потери энергии в гидроаппаратуре (гидрораспределителях, гидроклапанах, гидродосселях и гидролинии) 15
1.2.1 Обзор и анализ проведенных исследований в области энергосбережения 17
1.2.1 Энергосберегающие системы с регулированием первичного двигателя машины 18
1.2.2 Совершенствование конструкции насосной силовой установки... 19
1.2.3 Применение энергосберегающих устройств при опускании рабочего оборудования 20
1.2.4 Применение энергосберегающих устройств при разгоне -торможении поворотной платформы 24
1.2.5 Исследование систем с применением комплексного энергосбережения 26
1.3 Анализ конструктивных и схемных решений энергосберегающих приводов в технике 29
1.4 Тенденция развития энергосберегающих гидросистем одноковшовых гидравлических экскаваторов зарубежных фирм 30
1.5 Заключение 33
Глава 2. Разработка эффективной энергосберегающей гидросистемы 35
2.1 Критерии эффективности гидросистем экскаваторов 35
2.2 Предпосылки к созданию рациональной энергосберегающей гидросистемы 39
2.3 Исследование процесса нагружения силовой насосной установки в рабочем цикле 40
2.4 Исследование энергетического баланса рабочего процесса одноковшового гидравлического экскаватора 42
2.5 Оценка экспериментальных данных экскаваторов с энергосберегающими гидросистемами 47
2.6 Разработка рациональной энергосберегающей гидросистемы 52
2.7 Заключение 55
Глава 3 . Разработка математической модели одноковшового гидравлического экскаватора 57
3.1 Основные предпосылки и требования к моделированию 57
3.2 Обоснования принятой математической модели кинематики рабочего оборудования экскаватора 58
3.3 Математическая модель силовых характеристик экскаватора 63
3.4 Моделирование гидравлической системы: регулируемый насос -гидродвигатель 64
3.5 Математическая модель энергосберегающей гидросистемы операции копания 66
3.5.1 Обоснования и определения коэффициента увеличения вместимости ковша 66
3.5.2 Построение математической модели энергосберегающей гидросистемы 71
3.6 Математическая модель рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования 74
3.8 Заключение 78
Глава 4. Определение рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы 80
4.1 Методика проведения исследований 81
4.2 Выбор показателей эффективности 82
4.3 Определение рациональных параметров системы рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования 83
4.4 Определение рациональных параметров системы энергосбережения операции копания 93
4.5 Заключение 98
Глава 5. Оценка эффективности одноковшового гидравлического экскаватора с энергосберегающей гидросхемой 100
5.1 Определение энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаватора 100
5.2 Анализ влияния гидросистем на показатели эффективности экскаватора 103
5.3 Оценка экономической эффективности экскаватора с энергосберегающей гидросистемой 108
5.3.1 Расчет экономического эффекта от повышения производительности экскаватора с энергосберегающей гидросистемой 109
5.3.2 Расчет экономического эффекта от экономии энергозатрат экскаватора с энергосберегающей гидросистемой 112
5.4 Заключение 116
Основные выводы 117
Список литературы 121
Приложения 130
- Применение энергосберегающих устройств при опускании рабочего оборудования
- Исследование систем с применением комплексного энергосбережения
- Исследование процесса нагружения силовой насосной установки в рабочем цикле
- Обоснования и определения коэффициента увеличения вместимости ковша
Введение к работе
Актуальность работы. Экономия энергетических ресурсов (топлива и электроэнергии) при эксплуатации строительных и дорожных машин имеет всевозрастающее значение.
Широкие научно-исследовательские работы по совершенствованию гидропривода одноковшовых экскаваторов, проведенные ведущими организациями показали, что применение гидравлического привода создает большие возможности для увеличения к.п.д., повышения энергетических показателей и снижения удельного расхода топлива и электроэнергии. Гидравлические одноковшовые экскаваторы, как и машины с другими типами приводов, в процессе выполнения работ имеют большие потери энергетических ресурсов (топлива или электроэнергии) вследствие пониженных значений к.п.д. отдельных элементов и систем привода в целом. Как показали исследования, эти потери энергии значительно изнашивают силовые элементы гидромашин и в сумме составляют около 50% мощности первичного двигателя. Несмотря на большое количество проведенных исследований, направленных на повышение эффективности гидропривода одноковшовых экскаваторов, требования к энергосберегающим приводам не сформулированы, теория и методы расчета энергосберегающих систем отсутствуют в законченном виде, а их внедрение не нашло своего воплощения в серийном производстве. Следовательно, проведения дальнейших исследований с целью улучшения энергетических показателей экскаваторов - одна из важнейших задач по повышению их технического уровня.
Цель работы. Целью работы является повышение эффективности одноковшового гидравлического экскаватора за счет обоснования и применения рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы.
Научная новизна работы. Новыми научными результатами выполненной работы являются следующие положения:
сформулированы требования к энергосберегающим гидросистемам и выявлены резервы повышения эффективности гидросистем экскаваторов; предлагается новая энергосберегающая гидросистема с рекуперацией энергии в рабочем цикле для эффективного использования мощности силовой установки;
предложена методика, позволяющая охарактеризовать эффективность использования энергетического потенциала и качества функционирования, как всей машины, так и подсистем;
впервые разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы при выполнении операции копания; установлено, что параметры пневмогидроаккумулятора (ПГА) следует выбирать из условия энергоемкости копания, а результативным фактором варьирования продолжительности операции копания является площадь дросселирующей щели;
с целью эффективного использования рекуперируемой энергии впервые получена зависимость коэффициента увеличения вместимости ковша К рскк;
впервые получена зависимость времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой от выбранных параметров
ПГА (V1K, Р. к) И Дросселирующей ЩЄЛИ ИеГУЛИРУеМОГО ДРТТИ Р^ф)'
РОС НАЦИОНАЛЬНА* I 6Н6ЛИОТЄКА |
cn««riw»jo |
1 j
- с помощью рациональной методики - теории планирования эксперимента
впервые установлены эффективные параметры системы рекуперации энергии
(V.ct Pi.c) при работе в принятых условиях;
результаты исследования, полученные на основе уточненных математических моделей и оригинальных программ для ЭВМ, позволили установить критерии эффективности (q„ (t), Il^t), Цге, KBt, Ко), основные технические и экономические параметры одноковшового экскаватора, что определило целесообразность внедрения новой энергосберегающей гидросистемы.
Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанного математического и программного обеспечения, а также предложения по совершенствованию гидросистемы и указанной инженерной методики определения рациональных параметров энергосберегающего устройства позволяют повысить эффективность экскаватора и определить на стадии проектирования основные энергетические параметры машины с целью разработки рационального гидропривода. На защиту выносятся: энергосберегающая гидросистема рекуперации энергии в рабочем цикле для эффективного использования мощности силовой установки; методика, характеризующая эффективность использования энергетического потенциала и качества функционирования, как всей машины, так и подсистем; результаты исследований рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы операции копания (V,.*, Р,.к, їдр) и рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования (ViC» Р«.с)> -зависимость определения коэффициента увеличения вместимости ковша (Крыск)» а также, дополнительные требования и рекомендации для выбора окончательного варианта конструктивной вместимости ковша;
- зависимость определения времени выполнения операции копания
экскаватором с энергосберегающей гидросистемой в зависимости от
выбранных параметров ПГА (V І.ІС9 it,K/ и дросселирующей щели
регулируемого дросселя (Fjp);
методика и компьютерная программа определения энергетических, основных технических и экономических параметров одноковшового гидравлического экскаватора.
Достоверность. Достоверность полученных результатов подтверждается ранее проведенными экспериментальными и аналитическими исследованиями.
Реализация результатов работы. Разработанная методика для определения рациональных параметров энергосберегающей системы и система показателей эффективности гидравлического привода используются в учебном и научно-исследовательском процессе на кафедре строительных и подъемно-транспортных машин МГСУ. Математическая модель и методика определения параметров энергосберегающей гидросистемы направляется на Воронежский экскаваторный завод (ОАО «ВЭКС») для апробации и использования.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, были обсуждены и одобрены на международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2003», седьмой научно-технической
конференции МИИТ и на кафедре строительных и подъемно-транспортных машин Московского государственного строительного университета.
Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 статьи.
Объем и структура работы. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, общих выводов и содержит 179 страниц, в том числе - 129 страниц машинописного текста, 8 таблиц, 37 рисунков, списка литературы из 115 наименований и приложения на 50 страницах.
Применение энергосберегающих устройств при опускании рабочего оборудования
Имеется несколько конструктивных решений по экономии энергии при опускании стрелы [6, 7, 34, 39]: 1. Частичная рекуперация энергии на маховик двигателя. 2. Рекуперация потенциальной энергии с помощью пружины при опускании рабочего оборудования. 3. Локальная рекуперация с заполнением пневмогидроаккумулятора [111 А] и последующим использованием запасенной энергии для ускорения подъема рабочего оборудования с грунтом. 4. Безнасосное опускание рабочего оборудования (а.с.№№580367, 731084, 810916,337472). Указанные решения имеют следующие недостатки[7]: 1. Рекуперация энергии на маховик имеет относительно низкий к.п.д., так как к учтенным потерям в гидроцилиндрах, гидрораспределителях и трубопроводах добавляются потери в насосе и его редукторе, которые уменьшают его использование. Кроме того, возникают дополнительные потери на привод насоса подпитки, который должен иметь избыточный расход. 2. Имеется опасность закоксования цилиндра двигателя, так как при отсутствии другой нагрузки он нагружен относительно высоким попутным моментом, что приводит к снижению долговечности двигателя. 3. Использование рекуперации с помощью пружины при опускании рабочего оборудования приводит к уменьшению зоны эффективного копания из-за срабатывания реактивных клапанов гидроцилиндров стрелы, а также приводит к дополнительной нагрузке на гидроцилиндры стрелы при копании. Рассмотренные энергосберегающие системы не нашли практического применения на экскаваторах.
Конструктивные решения на локальной рекуперации в процессе опускания рабочего оборудования имеют несколько вариантов. 1. С дополнительным гидроцилиндром: а) вторым [патент Англии №1231585 от 12.05.71.][114](см. приложение А). в) третьим [а.с. №2190062] [7, 40] (см. приложение А). Этот вариант наиболее сложен (требуется еще один гидроцилиндр), при этом восприятие реактивных нагрузок ухудшается. Применение он нашел на экскаваторах с оборудованием прямой лопаты при эксплуатационной массе свыше 100 т[7]. 2. С использованием поршневой полости одного из двух гидроцилиндров для рекуперации энергии: а) при включенном гидронасосе в операции опускании стрелы экскаватора [41][а.с. №№883282, 1180463, 543715, 609850](см. приложение А). в) при безнасосном опускании стрелы с дифференциальным расходом поршневых полостей для заполнение штоковых полостей обоих гидроцилиндров и полости ПГА [а.с.№ 3563885] (см. приложение А рис.1). Недостатком гидросистемы являются - неравномерность нагрузки стрелы, (в зависимости от исполнения схемы рекуперации) возможна полная зарядка в конце подъема, невозможность обеспечения плавающего положения, увеличение усилий из - за механической связи основного и дополнительного распределителя, дополнительные устройства для периодической подзарядки. При безнасосном опускании стрелы происходит неполная рекуперация, так как при последующем подъеме происходит частичное заполнение поршневой полости одного гидроцилиндра от ПГА, а остатки поршневой полости этого гидроцилиндра и поршневой полости второго гидроцилиндра заполняются от гидронасоса. Применение рассмотренного варианта рекомендуется для строительных экскаваторов средней мощности [7] С использованием поршневой полости одного и более гидроцилиндров, при безнасосном опускании стрелы, для заполнения ПГА, а при подъеме одновременно дозируется величиной потоков аккумулятора и гидронасоса в общую поршневую полость [a.c.WO 55435, JP №3115209 (Япония) а.с.№1180463] [5,П5].
В третьем варианте возникают значительные потери энергии по причине неполной рекуперации и дросселировании потока при подъеме-опускании стрелы. Он используется для машин малой мощности.
Безнасосное опускание стрелы сводится к соединению поршневой полости гидроцилиндра стрелы со сливной гидролинией через регулируемый дроссель и подпитки второй штоковой полости из сливной гидролинии. Другим решением является объединение поршневой и штоковой полостей гидроцилиндра через 77-образный канал и соединение со сливной гидролинией через регулируемый дроссель. Напорная линия не задействована, чем и обеспечивается энергосберегающий режим работы, однако отсутствует рекуперация энергии при опускании рабочего оборудования.
Этот режим работы успешно применяется как в отечественном машиностроении, так и зарубежными фирмами: Case-Poclain (модель 350), О&К (модель RH 40) и Nobas-Nordhavsen (модель UB1233) и другими [42]. Таким образом, локальная рекуперация энергии при опускании стрелы с использованием поршневой полости одного из двух гидроцилиндров и линии насосно-силовой установки является наиболее рациональной и экономичной. Рассмотрим нескольно схем локальной рекуперации с насосным опусканием и наиболее рациональным энергосбережением. 1) А.с.№ 1180463 (см. приложение А). Недостаток этого решения - неполная рекуперация и нарушение автономности энергосберегающей гидросистемы. Такие нарушения приводят к поступлению неопределенного объема рабочей жидкости в энергосберегающую гидросистему, а также полной зарядке в конце подъема. Это ведет к снижению эффективности энергосбережения. 2) А.с.№ 543715. Недостаток этого решения - механическая связь основного и дополнительного распределителей, что увеличивает нагрузку, требует дополнительного устройства для периодической подзарядки, и невозможность обеспечения плавающего положения стрелы, необходимого для экскаватора. 3)А.с. №1273465. Эта схема позволяет практически в полной степени осуществлять рекуперацию энергии, однако увеличивается неравномерность нагрузки стрелы при хорошем восприятии реактивных нагрузок, а также требуется в период определенного времени производить закачку рабочей жидкости в ПГА из-за неизбежных утечек жидкости и, следовательно, требует дополнительного гидрооборудования. 4) А. с. № 883282. На рис. 1.4 показана работа энергосберегающей гидросистемы при опускании стрелы. Она позволяет практически в полной мере осуществлять локальную рекуперацию энергии, а также проведенные эксперементы энергосберегающей системы на экскаваторе ЭО-4125 (см. главу 2.4) показали хорошие результаты, что определило наиболее эффективный вариант решения задачи экономичного опускания рабочего оборудования.
Исследование систем с применением комплексного энергосбережения
Этот раздел диссертации посвящен системам энергосбережения насосно-аккумуляторного типа с рекуперацией энергии, которые разработаны авторами Б.П. Катюхинам [а.с.№№121082, 149067][46, 47], В.П. Болтыховым, А.В. Рустановичем, В.А. Маркиным, Ю.М. Качкиным [48], A.M. Щемилевым, В.Н. Тарасовым [49, 50, 51] и другими (см. приложение А).
Применение системы по а.с. №121082 предполагает рекуперацию кинетической энергии движущихся масс экскаватора в гидроаккумулятор и использование этой энергии в последующих циклах экскавации. Недостатком такого устройства является малая кинетическая энергия движущих масс, а также отсутствие ограничения скорости штоков гидроцилиндров экскаваторов.
Энергосберегающая система с насосно-аккумуляторным приводом механизма поворота была предложена инженером Б.П. Катюхиным по а.с. №149067 [46] (см. приложение А). Здесь энергия при опускании рабочего оборудования направлялась в силовой гидроаккумулятор, который использовался, главным образом, для привода поворота платформы и подъема рабочего оборудования. Однако отсутствия ограничения скорости поворотной платформы (лимитирующее устойчивость машины) явились негативными сторонами этого решения. Установка двух крупногабаритных ПГА (силового и подпиточного) и трех реверсивно регулируемых гидромашин (два насоса и один мотор), из которых две снабжены автоматами ограничения мощности, приводит к повышению потерь энергии, стоимости и металлоемкости экскаватора.
Энергосберегающие системы по а.с. №621842, №705085 и №878881 предусматривают более полную рекуперацию энергии благодаря применению дополнительного гидромотора в сливной линии. В этом случае неиспользованная энергия насосно-силовой установки и энергия движущихся частей экскаватора поступают в гидромотор, где происходит преобразование энергии рабочей жидкости в механическую - на вращение вала дополнительного гидронасоса. Далее гидронасос рекуперирует энергию в ГТГА, а затем используется в рабочем цикле. Однако применение дополнительного оборудования приводит к усложнению гидросистемы, увеличению потерь энергии, стоимости машины и металлоемкости.
Основной особенностью энергосберегающей системы, описанной в научном отчете[6], является установка дополнительного маховика массой 130 кг и диаметром 600 мм, кинематически связанного с валом двигателя. При опускании рабочего оборудования и торможении поворотной платформы происходит рекуперация энергии на маховик. Таким образом, кинетическая энергия вращающегося маховика позволяет преодолевать пиковые нагрузки, то есть ускорить максимально нагруженный процесс копания и сократить удельный расход топлива. Однако малонагруженные операции несколько замедлялись в связи с отсутствием объединения потоков, и частичной затратой мощности двигателя на подкрутку маховика.
Тенденции развития комплексных энергосберегающих систем направлены главным образом на повышение эффективности полноты использования мощности первичного двигателя. При этом выявлены следующие направления: 1) Установка на валу первичного двигателя гидронасоса для подкрутки дополнительно гидромотора, который кинематически связан с маховиком и двумя дополнительными насосами-гидромоторами для преобразования энергии попутных нагрузок [а.с. №1382920] (см. приложение А). Таким образом, энергия, затрачиваемая на опускание рабочего оборудования, торможение поворотной платформы, и энергия дополнительного гидромотора на валу двигателя передается на маховик и в дальнейшем используется в нагруженных циклах экскавации. Эта система позволяет повысить эффективность рекуперации энергии и решает задачу перераспределения мощности потоков жидкости в наиболее нагруженные операции. Однако эта система значительно усложняет гидропривод, а также дополнительное оборудование предполагает увеличение удельной массы и стоимости машины. 2). Установка ПГА в силовой линии [а.с. №1640306] (см. приложение А). Эта система позволяет производить подзарядку ПГА от насосно-силовой установки и при опускании рабочего оборудования и торможении поворотной платформы. Однако рекуперация энергии попутных нагрузок в ПГА практически неэффективна, так как опускание рабочего оборудования и торможение поворотной платформы происходят при заряженном аккумуляторе. 3) Установка ПГА в силовой линии [а.с. №1643811] ( см. приложение А ). В этом случае рекуперация энергии происходит при нейтральном положении золотников распределителей одного из двух силовых насосов и гидронасоса управления. Отличительной особенностью является возможность управления энергией заряженного аккумулятора посредством дополнительно установленной педали, которая регулирует дросселирующую щель подачи. Эта система позволяет повысить эффективность рекуперации энергии и решает задачу перераспределении мощности потоков жидкости в наиболее нагруженные операции. Однако установленный гидрораспределитель позволяет рекуперировать энергию в ПГА только от одного незагруженного гидронасоса, что снижает полноту использования мощности первичного двигателя. Негативной стороной является отсутствие рекуперации энергии попутных нагрузок и то, что подача дополнительной энергии от ПГА осуществляется оператором, а он не всегда точно отслеживает режимы нагружения рабочих механизмов. 4). Установка ПГА в силовой линии [а.с. №1335654](см. приложение А). Эта система позволяет производить подзарядку ПГА от насосно-силовой установки и при опускании рабочего оборудования и при торможении поворотной платформы. Таким образом, решается задача полноты использования мощности первичного двигателя и рекуперации энергии попутных нагрузок. Однако негативными сторонами этого решения являются: - раздвоение потоков энергии насосно-силовой установки в максимально нагруженные циклы при недостаточно заряженном ПГА; - рекуперация энергии попутных нагрузок экскаватора при полностью заряженном ПГА. Результаты испытаний некоторых рассмотренных в этой главе энергосберегающих гидросистем, проведенных в экскаваторостроительных организациях при участии ВНИИстройдормаша, отображены в главе 2.2 и в таблице 2.1 (см. приложение Б).
Исследование процесса нагружения силовой насосной установки в рабочем цикле
Для выявления качественного резерва повышения показателя эффективности использования мощности первичного двигателя необходимо исследовать диграмму нагружения насосно-силовой установки (рис.2.1), а также циклограмму загрузки исполнительных механизмов (рис.2.2). На нагрузочной диаграмме мощности насосно-силовой установки в рабочем цикле для экскаваторов 5-й размерной группы (ЭО- 5126) видно, что на выполнение рабочего цикла затрачивается около 50% номинальной мощности насосно-силовой установки [по данным СКТБ "Земмаш"] Большую часть времени работа экскаватора связана с постоянным изменением действующих усилий и скоростей в процессе выполнения различных операций. В интервале максимального нагружения гидроцилиндров при выполнении операции копания (10% продолжительности всего цикла) загрузка насосно-силовой установки составляет чуть более 90% номинальной мощности первичного двигателя. Однако в среднем загрузка первичного двигателя по мощности в рабочем цикле составляет для обратной лопаты 80% от номинальной мощности [1]. 4- подъём рабочего оборудования (насос №2); 5- разгон поворотной платформы на выгрузку (насос №1); 6- выгрузка грунта под собственным весом (насосы № 1,2); 7- торможение поворотной платформы (насос отключён); 8,9- выгрузка грунта (насосы № 1,2); 10- разгон поворотной платформы в забой (насос №1); 11- торможение поворотной платформы (насос отключён); 12- опускание рабочего оборудования (насос отключён) Заштрихованная область нагрузочной диаграммы - работа, затраченная насосно-силовой установкой на нагрев рабочей жидкости в регулируемых разгрузочных клапанах при нейтральном положении золотников гидрораспределителей. Время «негативной» работы гидронасосов в рабочем цикле составляет в сумме 6.96 с. или около 20% от его продолжительности. Анализ работы экскаваторов с обратной лопатой в забое показал неравномерность нагрузки насосов в наиболее тяжелых условиях и неполное использование мощности двигателя. При этом рекуперация энергии при опускании рабочего оборудования и торможении поворотной платформы повышает к.п.д. гидросистемы, а загрузка первичного двигателя снижается, что ведет к недоиспользованию номинальной мощности первичного двигателя.
Исследование загрузки гидронасосов в рабочем цикле подтвердили факт неполного использования мощности насосно-силовой установки. Около 20% времени от продолжительности рабочего цикла энергия гидронасосов не используется гидродвигателями, а происходит слив рабочей жидкости под давлением через перепускные клапаны.
Таким образом, выявление способов более полного и эффективного использования мощности первичного двигателя путем разработки рациональной системы гидропривода экскаваторов является одной из основных задач диссертационной работы. Исследование энергетического баланса рабочего процесса одноковшового гидравлического экскаватора Составление баланса мощности машины даст четкое представление о потерях энергии в рабочем цикле как в отдельных агрегатах и механизмах, так и в целом в системе привода. Баланс энергии силовой установки А су экскаватора определяется следующей формулой: АСу = Ап т Ан + АрТ + Атд "г Ауп 9 \ ") где: Ап - полезная работа, реализованная на выполнение операций рабочего цикла; Ан - потери энергии в насосе; Арт- потери энергии в гидрораспределителе трубопровода; Ау[[- энергии, затрачиваемая на привод насоса системы управления; Атд- потери энергии в гидродвигателях ( гидроцилиндрах и гидромоторах ). Для решения поставленной задачи ниже проанализируем структуру затрат энергии на линии вал первичного двигателя - исполнительные механизмы экскаваторов с гидросистемой традиционного исполнения и с гидросистемой рекуперации энергии опускания рабочего оборудования и торможении поворотной платформы. С точки зрения эффективности энергосберегающих систем рекуперации энергии для конкретизации анализа в этом разделе приняты средние численные значения энергозатрат. Не рассматриваются потери энергии в гидрооборудовании и гидроприводах при рекуперации энергии в ПГА и на гидродвигатели, а также в трущихся деталях механизма рабочего оборудования. Структуру энергозатрат рассмотрим на примере экскаватора ЭО-5126 [по данным Воронежского завода].
Обоснования и определения коэффициента увеличения вместимости ковша
Конструктивным элементом энергосберегающей гидросистемы является ПГА, взаимодействующий с силовой линией и поршневой полостью гидроцилиндра операции копания. Основными параметрами системы «силовая линия - ПГА — гидроцилиндр исполнительного механизма» являются: рабочий объем гидроцилиндра, начальный конструктивный объем газовой полости, начальное давление газа, минимальный объем газовой полости.
Для дальнейшего исследования указываются следующие величины: сила сопротивления Кщ.к, приведенная к штокам, которая зависит от составляющих реакций грунта копания; движущая сила на поршне гидроцилиндра ковша, зависящая от давления в поршневой полости Рп.к и соответствующей эффективной площадки Fn.K сил Гш.к(поршневая или штоковая полость); движущая сила при копании и сила сопротивления при зарядке ПГА, которые создают усилие на поршне гидроцилиндра, зависящие от давления в ПГА Р3.к и площади дросселирующей щели Fap.
Расчетная схема «силовая линия — ПГА — гидроцилиндра исполнительного механизма» изображена на рис. 3.8. Условия работоспособности ПГА заключаются в том, что давление рабочей жидкости во время зарядки должно быть достаточным для преодоления максимального усилия на штоке гидроцилиндра операции копания с учетом увеличенного по вместимости ковша. Давление в поршневой полости гидроцилиндра ковша определяем по известной зависимости: где: і — порядковый номер положения гидроцилиндра операции копания. Рассмотрим рекуперацию энергии рабочей жидкости в ПГА в режиме нейтрального положения золотников гидрораспределителя [рис.3.8 (б)]. Расчетная схема «силовая линия — ПГА — гидроцилиндр исполнительного механизма»: а - разрядка ПГА; б - зарядка ПГА; Pj.K(t) - текущее давление газа в ПГА; V,,. — конструктивный объём газовой полости ПГА; V ЖЛшК -скорость изменения потока жидкости Объем ПГА определяем по энергии зарядки А3 и разрядки в поршневую полость гидроцилиндра, а также и по задаваемому пределу изменения давления. Все процессы, происходящие при разрядке - зарядке ПГА описываются согласно рекомендациям работ [98,99, 100, 101, 102, 103]. Таким образом, работу при зарядке-разрядке для политропного цикла определяем по следующей зависимости: В общем случае зависимость текущего давления Pj.K(t) в ПГА от текущего объема газовой полости Va.j.K(t) определяется по политропному закону: где: Ра.к- начальное давление полости ПГА; п- показатель политропы. В практике показатель политропы для распространённых типов аккумуляторов и режимов их работы принимают в среднем п=1.3 [99, 103]. Связь текущего объема жидкости аккумулятора Va.j.K(t) с начальным объемом Va.K можно установить выражением: Va.,K (t) = Va.K + Уж.а.к (t) . (3.17) С учетом приведенных выражений энергия зарядки ПГА определяется из следующей зависимости:
Математическая модель рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования Основными параметрами системы «насосно-силовая линия — ПГА — гидроцилиндр подъема стрелы» являются: рабочий объем гидроцилиндра, начальный конструктивный объем газовой полости, начальное давление газа, минимальный объем газовой полости Для дальнейшего исследования указываются следующие величины: силы сопротивления Rm.o приведённые к штокам, которые зависят от силы тяжести рабочего оборудования; движущая сила на поршне стрелы, зависящая от давления насосно-силовой установки Р„.с в соответствующей эффективной площадки Fn.c Бш.сСпоршневая Или штоковая полость); движущая сила при подъёме стрелы и силы сопротивления при зарядке ПГА, которые создают усилие на поршне гидроцилиндра, зависящие от давления Рэ.с в ПГА и площади поршня.
В настоящее время математическое моделирование гидросистемы с локальной рекуперацией при опускании рабочего оборудования осуществляется без учета потерь энергии в гидрооборудовании [39, 96]. Однако, потери энергии в гидрооборудовании могут достигать до 7% от энергии гидронасоса [см. главу 1.1]. Поэтому в этой модели должны быть учтены все значительные потери энергии в том числе в гидрооборудовании.
