Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса 9
1.1. Конструктивные решения строительных кранов 9
1.2. Анализ исследований термодинамического состояния систем крана 16
1.3. Обзор существующих методов исследования систем гидропривода 22
2. Теоретические исследования гидропривода крана с системой рециркуляции рабочей жидкости 29
2.1 Обоснование структуры и конструктивных параметров гидропривода с системой рециркуляции рабочей жидкости 29
2.2. Моделирование системы рециркуляции потока рабочей жидкости 31
2.3 Создание макроблоков для рециркуляционной системы гидропривода 36
2.4 Моделирование термодинамического состояния гидропривода 47
3. Экспериментальные исследования 54
3.1. Задачи, методика проведения экспериментальных исследований 54
3.2 Эксплуатационные обследования систем крана в условиях низких температур 61
3.3 Результаты исследований рециркуляционной системы гидропривода 68
4. Разработка системы управления температурным режимом гидропривода 82
4.1. Разработка управляющего модуля температурным состоянием рабочей жидкости 82
4.2. Автоматизация проектирования рециркуляционной системы 88
4.3. Внедрение результатов исследований 90
Основные результаты и выводы 92
Список использованных источников 93
Приложения 104
- Анализ исследований термодинамического состояния систем крана
- Моделирование системы рециркуляции потока рабочей жидкости
- Эксплуатационные обследования систем крана в условиях низких температур
- Автоматизация проектирования рециркуляционной системы
Введение к работе
Актуальность темы. Освоение северных территорий Российской Федерации предполагает привлечение большого числа гидрофицированных кранов, конструкции которых должны устойчиво работать при резко отрицательных температурах
Строительные краны подвержены сильному воздействию внешних факторов жесткого климата (отрицательная температура и ветровой обдув) В этих условиях в гидроприводе, имеющем значительную протяженность гидролиний, повышается вязкость рабочей жидкости, идет рост потерь давления, ухудшаются функциональные и эксплуатационные характеристики гидросистемы. В кабине машиниста наблюдается дефицит тепла Увеличение вязкости создает большие потери при движении рабочей жидкости по каналам гидроаппаратов, а также значительное разряжение во всасывающей гидролии, что может быть причиной кавитации насоса В пусковых режимах работы гидропривода при низких температурах, возникает пик давления, превышающий допустимое значение и сопровождающийся шумом и кавитацией Высокое давление рабочей жидкости ведет к разрывам трубопроводов и шлангов высокого давления, растет процент отказов гидросистемы (30 - 50% от отказов по машине) Для обеспечения устойчивой циркуляции рабочей жидкости пик давления не должен превышать 15 - 20%
Все это определило необходимость повышения надежности автомобильных кранов при низких температурах путем разработки нового дроссельного гидропривода с принудительной рециркуляцией рабочей жидкости по замкнутому кругу
Цель работы — повышение надежности автомобильных кранов, работающих в условиях низких температур, путем применения в гидроприводе дополнительной системы циркуляции рабочей жидкости
4 Задачи исследования
предложить в гидроприводе дополнительную систему рециркуляции рабочей жидкости для обеспечения температурного режима в условиях низких температур (до - 60 С)
установить в ходе теоретических исследований, лабораторных и производственных экспериментов стабильность процессов рециркуляции рабочей жидкости гидропривода крана,
обосновать термодинамические характеристики рабочей жидкости дроссельного гидропривода замкнутого типа с системой рециркуляции в зависимости от перепада давления на дросселе и утечек тепла,
разработать управляющий модуль отслеживания температуры рабочей жидкости в рециркуляционной системе гидропривода
Основные научные положения, защищаемые автором
Стабильность циркуляции рабочей жидкости в переходном процессе рециркуляционной системы гидропривода достигается снижением амплитуды давления в зависимости от сочетания конструктивных параметров гидропривода и свойств рабочей жидкости при перепаде давления 10 МПа и скорости течения рабочей жидкости 1,5 м/с
Оптимальная температура рабочей жидкости достигается дросселированием по замкну і ому кругу і идропривода в режиме рециркуляции с регулированием процесса нагрева по величине перепада давления с учетом влияния низких температур
Тепловой режим кабины машиниста обеспечивается сочетанием количества теплоты, выделяемой в гидроприводе за счет дросселирования рабочей жидкости, удельной теплоемкостью элементов гидропривода, коэффициентом теплопередачи, площадью внешней поверхности элементов гидропривода, массой элементов гидропривода, текущей
5
температурой рабочей жидкости и числом циклоп
дросселирования рабочей жидкости
Граничное состояние деструкции рабочей жидкосш
определяется коэффициентом расхода рабочей жидкосіи в
зависимости от величины перепада давления на дросселе и
температуры окружающего воздуха
Достоверность научных результатов диссертационной работы но оценке параметров рециркуляционной системы гидропривода, динамике движения рабочей жидкосш, устойчивости систем і идроиривола обеспечивается за счет используемого испытательного и регистрирующею оборудования, позволяющего с достаточной точностью осущесівляїь измерения требуемых параметров в процессе измерений, а также использованием современных методов обработки полученных результатов с применением современных средств вычислительной техники и программного обеспечения
Научная новизна положений заключается в следующем
разработаны имитационные модели рециркуляционной системы
дроссельного гидропривода в переходных режимах рабо і ы,
учитывающих перепад давления на дросселе, пороги кавитации
рабочей жидкости,
определены аналитические зависимости между параметрами
рециркуляционной системы дроссельного гидропривода,
временные зависимости потока и скорости рабочем жидкости,
давления в гидросистеме перед дросселем и за ним,
создана система управления процессом рециркуляции рабочем жидкости по перепаду давления па дросселе до 10 МПа и положению золотника і идрораспределителя,
разработана методика автоматизированного проектирования дроссельного іидропривода с системой рециркуляции рабочей жидкости
Практическая значимость работы заключается в разработке управляющего модуля рециркуляционной системы гидропривода Методика автоматизированного расчета рециркуляционной системы гидропривода внедрена в производство ОАО «СК Север» г Норильск Результаты исследований использованы в научно-исследовательских работах кафедры «Механизация и автоматизация строительства» и учебном процессе института архитектуры и строительства
Личный вклад автора заключается в следующем:
в формулировании цели и общей идеи работы,
в разработке математической модели системы гидропривода крана с рециркуляцией рабочей жидкости,
в получении регрессионных зависимостей гидродинамических характеристик гидропривода,
в разработке управляющего модуля температурным режимом рабочей жидкости,
в разработке программного продукта для расчета элементов системы гидропривода
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 Пенза, 2007г, региональной научно-технической конференции Красноярск, 2006, 2007, Всероссийской научно-практической конференции Красноярск, 2006, научно-методическом совете института строительства и архитектуры, 2007 межкафедральном научном семинаре лесотехнического института ТГАСУ, Томск, 2007
Публикации
Основное содержание работы опубликовано в 8 научных работах
Объем и структура диссертации.
Анализ исследований термодинамического состояния систем крана
Работа строительных кранов в условиях Сибири осуществляется при температурах окружающей среды до минус 60С. В работе /58/ приведено условие обеспечения работоспособности гидропривода лесных машин в условиях жесткого климата. Для расчета времени понижения рабочей температуры гидрожидкости t, час приведена зависимость где То - перепад между начальной (установившейся) температурой рабочей жидкости и окружающим воздухом,С; Т - перепад между конечной температурой рабочей жидкости (определяет предел функционирования гидросистемы) и окружающим воздухом,С; Q - удельная теплоемкость жидкости и трубопровода, кДж/кгС; Gj - масса жидкости и трубопровода, кг; FT - площадь трубопровода; кт - коэффициент теплопередачи трубопроводов; QT -выделяемое тепло. Для поддержания оптимального температурного состояния систем крана применяются различные методы, в том числе рециркуляционные системы. К числу известных рециркуляционных нагревательных установок относятся отопители кабины машиниста типа ПАП /39/. Они работают на новом принципе без применения электрических, плазменных и других нагревателей и имеют высокий к.п.д. равный 0,75-0,85. В этих системах создается замкнутый цикл потока воздуха или газа от центробежного вентилятора. Почти вся энергия привода превращается в тепло. Недостатком таких рециркуляционных нагревательных установок является повышенная пожаро-взравоопасность. Поэтому их применение в технологическом процессе, связанном с использованием горючих материалов выше допустимой температуры строго запрещено. Известен гидропривод с замкнутой системой циркуляции рабочей жидкости, когда при отрицательных температурах окружающего воздуха может произойти повышение температуры рабочей жидкости.
Такая система приведена в работе /97/. Однако эта система не обеспечивает необходимой интенсивности разогрева рабочей жидкости при низких температурах. Попытки создания циркуляционной системы автогрейдера проводились в Красноярском филиале ВНИИстройдормаш /45/. В качестве теплообменников была использована труба, заполненная холодным маслом, внутри которой располагались трубки большого диаметра с нагретой жидкостью. Испытания этой системы не подтвердили ее эффективности. Дросселирование рабочей жидкости вызывает ее разогрев. В работе Башта Т. М. /6/, указано, что при дросселировании энергия гидравлической установки полностью переходит в тепло, вызывая нагрев жидкости. За один цикл циркуляции рабочая жидкость разогревается на 5,8С . Температура рабочей жидкости на выходе дросселя, имеющего перепад давления не менее 10,0МПа, запишется уравнением 161: где т - коэффициент времени, эквивалентный времени прокачки всего объема жидкости через дроссель; к - показатель однотактной характеристики. Выделяемое тепло на выходе зависит от перепада давления. Величина перепада давления APdp на дроссельном регуляторе определится: где PdP - давление в напорной магистрали гидропривода; РВых - давление на выходе из дросселя.
Исследованием дроссельного процесса разогрева рабочей жидкости отмечено наличие кавитации, сопровождающееся шумом. В работе /28/ ука зано, что кавитация возникает в результате неустойчивой работы гидроагре гатов. Поскольку в реальной жидкости всегда присутствуют мельчай шие пузырьки газа или пара, то, двигаясь с потоком и попадая в область дав ления р ркр, они теряют устойчивость и приобретают способность к неогра ниченному росту. После перехода в зону повышенного давления и исчерпа ния кинетической энергии расширяющейся жидкости рост пузырька прекра щается и он начинает сокращаться. Если пузырёк содержит достаточно много газа, то по достижении им минимального радиуса он восстанавливается и со вершает нескольких циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пу зырёк захлопывается полностью в первом периоде жизни. То есть, вблизи обтекаемого тела (например, в трубе с местным сужением) создаётся доволь но четко ограниченная "кавитационная зона", заполненная движущимися пу зырьками. Причиной кавитации насоса может быть увеличение вязкости (в пределах прокачиваемости жидкости), что создает большие потери при дви жении ее по каналам гидроаппаратов в гидросети, а также значительному ра зряжению во всасывающей гидролинии. Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырёк. Если степень развития кавитация такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от нескольких сотен гц до сотен и тысяч кгц. Если кавитационная каверна замыкается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой кавитационной эрозии) поверхности обтекаемого тела.
Моделирование системы рециркуляции потока рабочей жидкости
Система рециркуляции потока рабочей жидкости гидропривода основана на способе дросселирования путем изменения проходных сечений каналов, соединяющих полости исполнительного дросселя с напорной и сливной магистралями. Вследствие изменения перепада давления рабочей жидкости, уменьшается или увеличивается расход среды через исполнительный дроссель, это обеспечивает регулирования температуры нагрева рабочей жидкости. Дросселирование потока рабочей среды связано с дополнительной потерей механической энергии на нагрев рабочей жидкости. В дроссельном гидроприводе с замкнутой системой рабочая жидкость со сливной магистрали поступает во всасывающий патрубок насоса с последующей рециркуляцией по гидросистеме. Регулирование процесса дросселирования рабочей жидкости осуществляется управлением перемещения параметра щели дросселя от величины перепада давления на дросселе или уменьшением потока через дроссель.
Схема дроссельного гидропривода с замкнутой системой потока рабочей жидкости приведена на рис. 2.2. 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, 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.
Для моделирования системы "Насос - золотник - дроссель - управляемый золотник - теплообменник" с учетом основных нелинейностей дросселя и золотника разработана математическая модель. где Ry - активное сопротивление обмотки электромагнита; I - сила тока; Ly -индуктивность обмотки управления электромагнита; Сп - коэффициент про-тиво-ЭДС; хя - смещение якоря электромагнита дополнительного золотника. Уравнение 2.1 описывает подачу насоса; Уравнение 2.2 - расход золотника; Уравнение 2.3 - процесс рециркуляции рабочей жидкости «дроссель-теплообменник». Уравнение 2.4 - напряжения в электрической цепи магнита.
При моделировании поведения динамических систем, к которым относится и система рециркуляции, используются ЭВМ. Существует большое количество алгоритмических языков, на которых может быть выполнено реше 34 ниє 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 наблюдения за процессами в модели установлен "осциллограф" - блок Scope, для отображения изменения переменных во времени. Для исследования переходных процессов гидропривода выполнено преобразование дифференциальных уравнений (2.3), (2.4) к виду Коши.
Все схемы и макроблоки системы изготовлены на ЭВМ при помощи программного комплекса визуализации MATLAB 6.5 с использованием библиотеки моделей «Matlab+ Simulink», Линейная модель гидропривода, разработанная в среде MATLAB 6.5 приведена на рис. 2.3.
Эксплуатационные обследования систем крана в условиях низких температур
Грузоподъемный кран относится к сложному изделию без резервирования, состоящему из многих элементов. Отказ крана наступает как правило с выходом из строя одного из этих элементов, в то время как остальные остаются исправными. Сложные элементы крана восстанавливаются, простые элементы, особенно покупаемые со стороны, не восстанавливаются. Кран можно представить как систему, представляющую цепочку:
Отказ наступает в направлении деталь, узел, кран. Поломка деталей зависит в свою очередь от режима и условий работы крана, при условии отсутствия дефектов изготовления.
Отказы и неисправности, зафиксированные при сборе информации о надежности за период обследований с 1999 по 2006 год при низких температурах, представлены в процентном соотношении по узлам крана в таблице 3.3.
Большая часть отказов и неисправностей крана обусловлена эксплуатационными причинами: применением нерекомендуемых рабочих жидкостей, отсутствием строгой системы планово-предупредительных ремонтов (111IP), отсутствием квалифицированных специалистов по гидравлике и ремонту элементов гидросистемы, сложными климатическими условиями. Отказы по технологическим причинам наблюдаются, в основном, в период ввода в эксплуатацию. К ним относятся неисправности гидросистемы: неудовлетворительная настройка и регулировка клапанов, микротрещины в литье корпусов гидроэлементов и др.
Для ходового устройства, силовой установки, привода механизма поворота, гидроразводки, механизма управления, гидравлических клапанов и гидрораспределителей характерны внезапные отказы (поломка детали, трещина, вырыв заделки, заклинивание, засорение).
Постепенным отказам (изнашивание, снижение мощности) подвержены в основном коллектор, гидроцилиндры, рабочее оборудование, гидронасосы, гидромоторы. Отказы и неисправности таких узлов, как механизм хода могут быть опасными с точки зрения возникновения аварийных ситуаций.
Для крана КС-3575А характерным является значительный поток «прира-боточных» отказов гидросистемы. Этому свидетельствует длительный срок ввода крана в эксплуатацию - от 1 -го до 2-х месяцев, в течение которого проводятся дополнительные работы по доводке гидросистемы и других узлов до рабочего и исправного состояния.
Появление течи рабочей жидкости через манжету происходит по причине ее разрушения. Разрушению манжеты способствует конструктивный недостаток устройства переключения передач на передних колесах. Коллектор представляет собой подвижное соединение каналов гидросистемы поворотной и неповоротной платформы крана. На его долю приходится незначительная часть отказов - 2,3%, вызванных в основном износом межканальных уплотнений. Такая неисправность, как заедание колонки, носит единичный случайный характер и происходит в основном по причине заводского дефекта. Характерным для коллектора является высокая трудоемкость его ремонта.
Наиболее нагруженной частью гидроситемы крана являются гидроцилиндры. Они выполняют функции исполнительных органов. 11,1% отказов крана вызваны выходом из строя гидроцилиндров. Элементы их наиболее подвержены динамическим нагрузкам, вследствие которых происходит срыв крышек 10.21.09.002 и 10.01.10.002 или повреждение штоков и поршней. Как правило это носит внезапный характер. Постепенному естественному изнашиванию подвержены уплотнительные кольца штоков и поршней гидроцилиндров. При чрезмерном их износе наступает сильный вынос рабочей жидкости по штокам или увеличиваются внутренние передачи, что вызывает нарушение работоспособности машины.
Отказы крана по причине выхода из строя компрессора составляют 1,2% и имеют место в приработочный период. Они носят, в основном, внезапный характер, сопровождающийся появлением стука или заклинивания. В эксплуатации неисправный компрессор обычно заменяется на новый.
Насос 310.25.00 является самым сложным агрегатом гидроситемы. Отказы и неисправности насосной установки составляют 4,5% от общего количества отказов крана. Значительная часть неисправностей носит преимущественно постепенный характер.
Признаком того, что отказал насос, обычно считают замедление движений исполнительных органов крана из-за снижения производительности насоса, а какая деталь приводит к снижению производительности трудно определить без разборки насоса. При этом, как правило, кран продолжает эксплуатироваться до более критических признаков проявления неисправности. При появлении посторонних стуков и шумов в насосе, насос либо разбирается в мастерской для осмотра и устранения причины., либо вызывается представитель с завода с целью принятия мер по восстановлению работоспособности крана.
Автоматизация проектирования рециркуляционной системы
Так как в данной версии за основу была взята модель автокрана КС 3575А, то для совместимости с другими типами кранов и для удобства использования программы все необходимые технические характеристики вынесены в блок PRG1. В интерфейсе программы появились ползунковые регуляторы перепада давления на дросселе и температура воздуха (рис.4.4). Сигнальная лампы, расположенная над графиком, указывают на решение, принятое программой: соответствие температуры рабочей жидкости нормативной величине или несоответствие параметров. При проектировании рециркуляционных систем гидропривода предлагаются новые экспериментальные зависимости. Изменение температур описывается зависимостями с наиболее интенсивным прогревом в начальный момент работы и последующим ослаблением интенсивности нагрева. Зависимость КПД насоса от срока службы аппроксимирована выражением: где Т - наработка гидронасоса. Для автоматизации проектирования разработана система автоматического проектирования рециркуляционной системы гидропривода. На рис. 4.5 приведена блок-схема рециркуляционной системы гидропривода. Блок схема сдержит подсистемы элементов гидросхемы: насос, золотник гидрораспределителя, дроссель, теплообменники. На экран Displey выведены расчетные параметры гидросхемы: Крутящий момент насоса; Напор насоса; Расход рабочей жидкости в гидросистеме; Перепад давления на дросселе; При участии автора разработан управляющий модуль гидропривода с рециркуляцией рабочей жидкости. Разработана методика расчета и схемные способы стабилизации температурного режима системы дроссельного гидропривода с рециркуляцией рабочей жидкости. По результатам испытаний новые технические решения систем гидропривода внедрены ОАО «Ивановский крановый завод», в машинном парке ООО «СК Север» г. Норильск, научно-исследовательской работе кафедры MAC, учебном процессе ИАС СФУ. Комиссией ООО «СК Север» составлен акт приемки, которым рекомендовано использование системы рециркуляции рабочей жидкости в гидроприводе строительных машин. По теме научной работы автором разработаны методические указания для студентов строительных специальностей вузов. Результаты испытаний оформлены актами и протоколами. Выводы 1. Разработан управляющий модуль стабилизации температурного режима рабочей жидкости гидпропривода строительного крана с системой рециркуляции. 2. Разработана система автоматического проектирования рециркуляционной системы гидропривода, основанная на рациональном сочетании конструктивных параметров системы и свойств рабочей жидкости в условиях низких температур. 3. Новые технические решения трехпоточной системы гидропривда внедрены в конструкции стреловых кранов ОАО «Ивановский крановый завод». На серийных стрительных кранах в ООО «СК Север» внедрена дроссельная система обогрева кабины машиниста.
