авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ БИБЛИОТЕКА РОССИИ

КОНФЕРЕНЦИИ, КНИГИ, ПОСОБИЯ, НАУЧНЫЕ ИЗДАНИЯ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Pages:   || 2 | 3 |
-- [ Страница 1 ] --

Волжский институт строительства и технологий

(филиал) федерального государственного бюджетного образовательного

учреждения высшего профессионального образования «Волгоградский

государственный архитектурно-строительный университет»

На правах рукописи

УШАКОВ НИКОЛАЙ АЛЕКСАНДРОВИЧ

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ГИДРОСИСТЕМ

КОЛЁСНЫХ И ГУСЕНИЧНЫХ МАШИН ОТ

АВАРИЙНОГО ВЫБРОСА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ 05.05.03 – Колёсные и гусеничные машины Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор В.М. Рогожкин Волжский – Оглавление ВВЕДЕНИЕ ………………………………………………………………. 1 ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МАШИН И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ИХ ОТ АВАРИЙНЫХ ПОТЕРЬ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ …………… 1.1 Особенности работы гидросистем машин ………………………………. 1.2 Системы гидропривода рабочего оборудования машин……………… 1.3 Влияние условий эксплуатации колёсных и гусеничных машин на параметры работы гидросистемы…………………………………………… 1.4 Устройства защиты гидросистемы от потерь рабочей жидкости при разрушении рукавов напорной гидролинии……………………………….. 1.4.1 Механические схемы защиты…………………………………………. 1.4.2 Гидромеханический способ защиты гидросистемы с двойным перекрытием напорной гидролинии………………………………………… 1.4.3 Защитное устройство с разрывной муфтой…………………………… 1.5 Математические модели известных защитных устройств……………. 1.6 Возможные варианты установки защитного устройства в гидросистеме…………………………………………………………………... Выводы по главе ……………………………………………………………… 2 ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ГИДРОСИСТЕМ ОТ АВАРИЙНЫХ ПОТЕРЬ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ……………………….. 2.1 Теоретическое обоснование необходимости совершенствования защитных устройств…………………………………………………………… 2.2 Обоснование направления совершенствования защитного устройства... 2.3 Теоретические исследования характера потока жидкости в защитном устройстве…………………………………………………………………….. 2.4 Теоретические предпосылки возможностей исключения загрязнения окружающей среды при аварийных ситуациях в напорной гидролинии… Выводы по главе……………………………………………………………… 3 ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРА И РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ОТКАЗОВ РУКАВОВ ВЫСОКОГО ДАВЛЕНИЯ И ПРЕДЛАГАЕМОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ГИДРОСИСТЕМЫ МАШИН………………………………………………………………………. 3.1 Влияние различных факторов на надёжность работы гидропривода машин……………..……………………………………………………………..





3.2 Исследование характера отказов узлов высокого давления в гидросистеме машин………………………………………………………….. 3.3 Предлагаемый способ защиты гидросистемы с применением упругого элемента и герметичной оболочки…………………………………………… 3.4 Определение характера потока жидкости в полости защитного устрой ства …………………………………………………………………………… Выводы по главе ……………………………………………………………. 4 ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ФАКТОРОВ НА ВРЕМЯ СРАБАТЫВАНИЯ ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА ……….. …………………………………… 4.1 Определение сил действующих в защитном устройстве ……………… 4.2 Определение времени срабатывания защитного устройства ……….. 4.3 Исследования влияния различных факторов на показатели работы защитного устройства ……………………………………………………..... 4.4 Исследования по определению скорости движения клапана и усилия пружин в защитном устройстве……………………………………………… 4.5 Расчёт объёмных потерь рабочей жидкости при аварийных ситуациях.. 4.6 Исследование расхода жидкости при разрыве шланга высокого давления ………………………………………………………………………. Выводы по главе ………………………………………………………………. 5. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЙ И РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИСПЫТАНИЙ ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА………………………………………………………………… 5.1 Общая методика исследований ………………………………………….. 5.2 Типовая конструкция гидропривода как объект исследования ………. 5.3 Методика лабораторных исследований предложенного защитного устройства гидросистемы машин ……………………………………………. 5.3.1 Стенд для испытаний защитного устройства………………………… 5.3.2 Программа лабораторных исследований……………………………. 5.4 Методика испытания предлагаемого защитного устройства в эксплуатационных условиях…………………………. ……………………… 5.5 Влияние различных эксплуатационных факторов на показатели работы защитного устройства……………………………………………….. 5.6 Адекватность математической модели результатам экспериментальных данных…………………………………… …………….. Выводы по главе ………………………………………………………………. 6 ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА И ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ПОЛУЧЕННЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ……………………………………………………………….. 6.1 Методика расчёта гидромеханической части защитного устройства…………………………................................................................ 6. 2 Расчёт клапана защитного устройства с учётом турбулентности движения рабочей жидкости ……………………………………………….. 6.3 Выбор необходимой жёсткости пружин защитного устройства ………. 6.4 Прочностной расчёт корпуса оболочки защитного устройства………… 6.5 Влияние различных факторов на размеры оболочки…………………. 6.6 Расчёт скорости движения клапана………………………………………. Выводы по главе………………………………………………………………. 7 ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ ПРЕДЛАГАЕМОГО ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА ……………………….……………………… 7.1 Ожидаемый экономический эффект от применения защитного устройства…………………………………………………………………….. 7.2 Срок окупаемости затрат на изготовление и внедрение устройства…… Выводы по главе……………………………………………………………….. ЗАКЛЮЧЕНИЕ………………………………………. ……………………… СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ…..…………….………………………………….. ПРИЛОЖЕНИЯ………………………………………………………….……. ВВЕДЕНИЕ Одной из главнейших целей развития экономики страны является увеличе ние производительности и эффективности труда. Это достигается путём повыше ния технического уровня используемых машин, увеличения их энергонасыщенно сти, уменьшения эксплуатационных издержек, автоматизации, электронизации и применения гидравлических схем работы агрегатов и систем машин. При этом необходимо стремиться к тому, чтобы повышалось качество выполняемых меха низированных работ и уменьшалось вредное воздействие машин на окружающую среду.





Энергонасыщенность колёсных и гусеничных машин (строительных, до рожных и сельскохозяйственных машин и промышленного оборудования) за по следние годы увеличилась, примерно, в 1,5 – 2,0 раза, а в ближайшей перспективе она может возрасти ещё в 1,3 – 1,5 раза. Эксплуатационные издержки, затраты на ремонт и техническое обслуживание колёсных и гусеничных машин высокой энергонасыщенности должны снизиться до 8 – 10% в год от первоначальной их стоимости [66].

В настоящее время отмечается тенденция повышения не только энергона сыщенности колёсных и гусеничных машин, но и рабочего давления в гидросис теме. У современных колёсных и гусеничных машин давление в гидроприводе со ставляет 14 – 20 МПа. В перспективе ожидается повышение его до 22 – 30 МПа [100], [122]. В связи с этим возрастает вероятность выхода из строя деталей и уз лов напорных гидромагистралей, особенно, в гидрообъёмных приводах, меха низмах поворота и приводах рабочих органов колёсных и гусеничных машин. Всё более широко будут применяться комбинированные машинно-технологические комплексы с развитой системой гидролиний для выполнения группы технологи ческих операций.

Увеличение степени гидрофикации колёсных и гусеничных машин ставит в число важнейших задачу повышения надёжности и долговечности гидроприво дов, а проблема обеспечения герметичности гидроагрегатов, снижения потребле ния рабочей жидкости в условиях постоянно повышающихся цен на неё, а также повышения требований к экологичности машин, остаётся одной из основных проблем совершенствования техники.

Научная гипотеза. По имеющимся литературным данным в процессе экс плуатации гидрофицированных машин среди возникающих неисправностей зна чительную долю составляют неисправности элементов нагнетательной системы гидропривода. Такие неисправности сопровождаются выбросом рабочей жидко сти в окружающую среду. Сократить эти потери можно за счёт повышения на дёжности элементов гидросистемы, создания устройств защиты гидропривода от аварийного выброса рабочей жидкости или тем и другим способом одновременно.

Мы предполагаем, что наиболее эффективным методом с экономической точки зрения является разработка способов защиты гидросистемы от аварийного выброса рабочей жидкости. Этой проблеме и посвящено наше исследование.

Актуальность темы исследования. В настоящее время при проектирова нии колёсных и гусеничных машин большое внимание уделяется проблеме по вышения прочности рукавов высокого давления гидросистемы за счёт улучшения характеристик несущего каркаса, применения высокотехнологичных материалов, качественной армированной резины, различных полимеров. Однако все эти меро приятия, хотя и приводят к снижению случаев разрушения рукавов высокого дав ления в процессе эксплуатации машин, но не исключают их полностью. Поэтому исследования, посвящённые разработке и внедрению эффективных устройств для защиты гидроситемы от аварийных потерь гидрожидкости при разрушении эле ментов напорной гидролинии, следует считать актуальными.

По имеющимся литературным данным на машинах с гидрофицированным приводом в год происходит около 1,3 порывов рукавов высокого давления. Каж дый порыв сопровождается выбросом рабочей жидкости в количестве до 10 12литров. При стоимости рабочей жидкости 50-70 руб. за литр (в ценах 2013 го да), общая сумма потерь составит около 1000 руб. в год на одну машину.

Анализ условий и режимов работы гидросистем колёсных и гусеничных машин показывает, что гидроагрегаты их работают в напряженных условиях, ха рактеризуемых постоянно изменяющимися рабочим давлением, температурным режимом, скоростью нарастания давления, возникновением гидравлических ударов и циклических нагрузок. Это повышает вероятность выхода из строя узлов и дета лей гидросистемы и может привести к возникновению неисправностей, вызываю щих потери рабочей жидкости. Эти обстоятельства дополнительно подчёркивают актуальность проблемы разработки эффективных схем защиты гидросистемы от выброса рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления и пробле му охраны окружающей среды.

Степень разработанности темы. В ранее выполненных исследованиях раз работаны теоретические основы совершенствования работы гидросистемы ма шин. Предложены различные способы защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости при разгерметизации рукавов напорной гидролинии и некото рые конструкторские решения защитных устройств.

Цель и задачи исследования. Разработать способ защиты гидросистемы колёсных и гусеничных машин от аварийных потерь рабочей жидкости при на рушении герметичности рукавов напорной гидролинии.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1 На основании анализа известных способов защиты разработать математиче скую модель рабочего процесса гидромеханической части предлагаемого защит ного устройства, позволяющую, в отличие от известных способов, определить время срабатывания защитного устройства и скорость движения клапана при раз личных параметрах работы гидросистемы колёсных и гусеничных машин.

2 Разработать методику расчёта основных параметров защитного устройст ва, учитывающую турбулентный характер движения рабочей жидкости в полости защитного устройства.

3 Разработать способ защиты гидросистем колёсных и гусеничных машин, основанный на применении в гидромеханической части упругого элемента пере менной жёсткости и использования герметичной оболочки на рукавах высокого давления.

4 Проверить работоспособность предлагаемого устройства защиты гидро системы колёсных и гусеничных машин в стендовых и эксплуатационных услови ях.

Научная новизна.

1 Разработана математическая модель рабочего процесса защитного устрой ства с упругим элементом переменной жёсткости, учитывающая основные пара метры гидросистемы и защитного устройства и позволяющая определить время срабатывания защитного устройства и скорость движения клапана.

2 На основе теоретических и экспериментальных исследований получены зависимости основных параметров предлагаемого защитного устройства от вели чины давления в гидросистеме, длины рукавов, вязкости гидрожидкости и др;

по лучены теоретические зависимости для определения времени срабатывания за щитного устройства.

3 Установлено, что в полости защитного устройства движение рабочей жидкости носит турбулентный характер, с учётом этого предложена методика расчёта основных параметров защитного устройства.

4 Гидромеханическая часть защитного устройства, в отличие от известных конструкций, снабжена упругим элементом переменной жёсткости.

Теоретическая и практическая значимость работы.

1 Разработана, изготовлена и проверена на практике усовершенствованная конструкция защитного устройства для гидросистем, позволяющего исключить загрязнение окружающей среды и сократить потери рабочей жидкости при ава рийной разгерметизации гидросистемы колёсных и гусеничных машин.

2 Экспериментально получена зависимость для определения необходимой жёсткости пружин защитного устройства, обеспечивающей требуемое быстро действие устройства при известном давлении рабочей жидкости в гидросистеме.

3 Разработана методика расчёта основных параметров гидромеханической части защитного устройства, учитывающая наличие упругого элемента перемен ной жёсткости и турбулентность потока рабочей жидкости и позволяющая опре делить конструкторские параметры защитного устройства.

4 Предложена методика расчёта параметров герметичной оболочки защит ного устройства, позволяющая определить необходимую прочность материала оболочки и возможность сбора выбрасываемой гидрожидкости при аварийном разрушении рукавов высокого давления.

Методология и методы исследований. Методология исследований преду сматривает использование метода системного анализа и статистических методов исследований. Общая методика исследований основывается на комплексном экс периментально-теоретическом подходе, включающем математическое моделиро вание и теоретическое исследование рабочего процесса защитного устройства.

Положения, выносимые на защиту:

- математическая модель рабочего процесса гидромеханической части защит ного устройства с упругим элементом переменной жёсткости;

- методика расчёта основных конструкторских параметров усовершенствован ного защитного устройства с учётом турбулентности движения рабочей жидкости в полости защитного устройства;

- математические зависимости для определения времени срабатывания защит ного устройства при различной вязкости рабочей жидкости, величине давления в гидросистеме, жёсткости пружин клапана, длине хода клапана и других парамет ров;

- способ защиты гидросистем колёсных и гусеничных машин, основанный на использовании усовершенствованной конструкции защитного устройства (патент РФ №125279) и позволяющий сократить потери рабочей жидкости и исключить загрязнение окружающей среды.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность теоретиче ских исследований обеспечена использованием общеизвестных положений теории упругих тел, достаточным количеством экспериментальных исследований и обще принятыми методами обработки экспериментальных данных. Сравнение теоретиче ских и экспериментальных данных выполнена на основе F-критерия Фишера.

Результаты исследований докладывались на VIII всероссийской научно практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (г. Пен за, 2004 г.), международной научно-технической конференции «Интерстроймех 2005» (г. Тюмень, 2005 г.), IV Международной научно-технической конференции «Итоги строительной науки» (г. Владимир, 2005 г.) и др. конференциях. В полном объёме работа заслушана на совместном заседании кафедр «Строительные и дорож ные машины и оборудование» и «Высшей и прикладной математики» Волжского института строительства и технологий (филиал) ГОУВПО «Волгоградский государ ственный архитектурно-строительный университет» и на кафедре «Строительные и подъёмно-транспортные машины» Московского государственного строительного университета. По итогам заслушивания получены положительные заключения.

1 ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ МАШИН И СПОСОБЫ ЗАЩИТЫ ИХ ОТ АВАРИЙНЫХ ПОТЕРЬ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ 1.1 Особенности работы гидросистем машин Повышение эффективности применения колёсных и гусеничных машин отечественного производства может быть достигнуто за счёт улучшения качества их изготовления, повышения надёжности, совершенствования методов техниче ского обслуживания и эксплуатации, а также за счёт применения в их конструк ции различных типов современных гидравлических систем. Современные ком плексы машин для механизации работ создаются с увязкой машин между собой по производительности и эффективности, с учётом перспектив развития техноло гии производства. Особенность таких комплексов состоит в том, что в их конст рукции широкое применение находят гидравлические принципы управления ра ботой машин и привода рабочих органов. А условия эксплуатации характеризу ются частыми переменами режима работы гидросистемы при выполнении техно логических процессов, что приводит к резкому колебанию давления рабочей жид кости в гидросистеме. При таком режиме работы детали и узлы гидросистемы на ходятся под воздействием постоянно меняющихся нагрузок, подвергаются повы шенным износам и преждевременному разрушению.

Работа гидропривода колёсных и гусеничных машин сопровождается дина мическими процессами, оказывающими влияние на безотказность его элементов, в первую очередь, напорных магистралей. Снижению ресурса гидросистем спо собствуют также механические напряжения в материале гибких рукавов высоко го давления и трубопроводов из-за изгибов, вибрационных нагрузок и внешних механических воздействий. Всё это зачастую приводит к внезапному их разруше нию, выбросу рабочей жидкости, существенному экономическому ущербу из-за потерь дорогостоящих рабочих жидкостей и отрицательным экологическим по следствиям.

Широкое применение гидропривода на машинах отечественного и зарубеж ного производства различного назначения является одним из важнейших направ лений повышения технического уровня и улучшения их потребительских свойств.

В настоящее время гидроприводы за счёт своих конструкторских досто инств (простоты компоновки, относительно небольшой массы, малой энергоёмко сти, компактности, малой инерционности) находят всё большее применение в конструкциях колёсных и гусеничных машин. Они обеспечивают стабильную ра боту машины независимо от величины нагрузки, точное регулирование усилий, скоростей и перемещений исполнительных органов, возможность частых и быст рых переключений, позволяют легко получить реверс рабочего органа и осущест вить как прямолинейное, так и возвратно-поступательное движение рабочего ис полнительного механизма.

Особенности выполнения землеройных работ бульдозерами, грейдерами и скреперами предъявляют к базовым тракторам и тягачам ряд требований, и в пер вую очередь, – обеспечение необходимого тягового усилия с учётом действия на рабочем органе больших горизонтальных и вертикальных нагрузок. Продолжи тельность работы машины в таком режиме может достигать 70 – 75% и более от общего времени работы агрегата. По условиям технологии выполнения работ, особенностям механизмов управления и ходовой части рабочая скорость при этом не должна превышать 2,5 – 3,0 для гусеничных и 3,0 – 3,5 км/ч для колесных ма шин [111].

1.2 Системы гидропривода рабочего оборудования машин В настоящее время во всём мире эксплуатируется большое количество на именований различных типов колёсных и гусеничных машин, имеющих гидро привод исполнительных органов и агрегатов.

Гидравлический привод позволяет реализовать большие передаточные чис ла от ведущего звена источника энергии к рабочим механизмам и органам маши ны без применения громоздких и сложных по кинематике устройств;

упрощается кинематика рабочего оборудования за счёт исключения канатных передач, что значительно расширяет номенклатуру рабочего оборудования (грейфер, рыхли тель, планировщик, разнообразные захваты, крановое оборудование для монтаж ных работ и др.). Расположение рабочих механизмов не зависит от силовой уста новки, что обусловливает возможность их наилучшей компоновки.

Гидропривод также позволяет применить автоматическое и полуавтомати ческое управление, что улучшает условия труда машиниста и повышает качество выполняемых механизированных работ. Такой привод позволяет унифицировать и нормализовать конструкцию сборочных единиц и элементов для машин разных типоразмеров, ограничив их номенклатуру, почти полностью исключить из сило вых передач фрикционные муфты и тормоза (используемые при механических системах), которые подвергаются интенсивному изнашиванию, а также сущест венно уменьшить число точек смазывания, а значит сократить время на техниче ское обслуживания машин.

Применение гидропривода в конструкциях современных машин отечест венного производства коренным образом отражается на большинстве конструк торских, эксплуатационных и экономических показателей работы агрегата. Ис пользование в машинах гидравлических систем привода позволило резко повы сить их производительность, расширить технологические возможности при рабо те с различными видами рабочего оборудования, максимально использовать по вышенную мощность силовой установки в течение рабочего цикла при мини мальных потерях энергии.

Исследованию и совершенствованию гидросистем различных типов колёс ных и гусеничных машин посвящены работы многих авторов [31], [33], [38], [41], [52], [57], [60], [65],[73], [85], [108], [110],[111],[122],[123] и др.

Результаты этих исследований явились основой разработки различных ти пов гидросистем и схем воздействия их на различные объекты, системы и узлы машин. На рисунке 1.1 представлена классификация объектов воздействия гидро привода машин [114].

Несмотря на широкое применение гидропривода в конструкциях машин, современные гидравлические системы имеют ряд недостатков, которые снижают эффективность использования машин. Среди них, в первую очередь, следует от метить нестабильную работу узлов и агрегатов, вызванную неисправностями в гидросистеме.

Совершенствованием гидравлических систем машин заняты как отечест венные, так и зарубежные строительные корпорации.

На колёсных и гусеничных машинах отечественного производства приме няются, преимущественно, приводы гидрообъёмного действия, включающие в се бя насосы, гидродвигатели, аппаратуру управления и вспомогательные устройст ва. На этом оборудовании, как правило, используются многопоточные системы гидропривода с объединяемыми потоками рабочей жидкости и комбинированным питанием гидродвигателей.

Схема гидрообъёмного привода может быть моноблочной (рисунок 1.2) или раздельно-агрегатной (рисунок 1.3).

ПРИВОДЫ МАШИН С дистанционным Исполнительных и рабочих органов управлением Возвратно- С активными Рабочих поступательного рабочими и вспомогательных движения Самоход- Поворот- С автоматиче ским управле ные уст ных (зем нием Одностороннего Опоры С ручным леройных) ройства действия машин управлением управлением Рисунок 1.1 – Классификация объектов воздействия гидропривода машин [114] М — гидромотор;

Н – гидронасос;

КП1, КП2 — предохранительные клапана;

КО1 и КО2 — обратные клапана.

Рисунок 1.2 – Моноблочная схема гидравлической системы [38] М — гидромотор;

Б – гидробак;

Н – гидронасос;

Р –распределитель;

КП — предохрани тельный клапан Рисунок 1.3 – Раздельно-агрегатная схема гидравлической системы [38] В моноблочной схеме все составляющие её элементы объединены в одном общем блоке, что приводит к сокращению количества гидролиний и числу меха нических связей. Недостатки этой схемы состоят в ограниченных возможностях при управлении отдельными агрегатами и сложности конструктивного исполне ния моноблока.

Эти недостатки привели к тому, что моноблочная схема в последнее время всё меньше применяется при проектировании современных колёсных и гусенич ных машин и постепенно заменяется раздельно-агрегатной схемой, в которой размещение узлов и агрегатов выполнено в отдельных частях машины и управле ние производится дистанционно. Эта схема обладает многими преимуществами:

раздельное управление рабочими агрегатами машин, удобство в техническом об служивания, невысокая металлоёмкость, простота конструкции и др.

Практика эксплуатации гидрофицированных машин показывает, что при большой длинне гидролиний в раздельно-агрегатной системе и большом числе разветвлёний и узлов снижается надёжность работы гидросистемы, повышается вероятность выхода из строя её узлов, несанкционированного выброса гидро жидкости и загрязнения окружающей среды.

Сейчас учёными и конструкторами ведутся работы по увеличению мощно сти гидравлического привода и повышению давления в гидравлических системах.

Начиная с 1988 г. давление в гидросистеме машин возросло до 25 – 30 МПа [66],[111].

Естественно допустить, что в ближайшее время рабочее давление в гидро системе машин отечественного производства будет увеличиваться, а функцио нальные возможности будут расти.

При увеличении мощности гидропривода увеличивается необходимый объ ём рабочей жидкости в гидросистеме. В современных колёсных и гусеничных машинах объём жидкости в гидросистеме колеблется от 52 л. ( бульдозер ДЗ-42) до 335 л. (скрепер ДЗ-115).

Совершенство конструкции гидросистем, значение показателей их работы во многом определяют эксплуатационные свойства машин.

Как показывают исследования, в процессе эксплуатации колёсных и гусе ничных машин условия работы гидросистемы постоянно меняются. В значитель ных пределах колеблются давление в гидросистеме и температура гидрожидко сти. Это способствует появлению неисправностей в гидросистеме, поломкам от дельных деталей разрушению рукавов высокого давления. Следовательно, усло вия работы являются важнейшим фактором, оказывающим влияние на надёж ность и работоспособность гидросистемы.

1.3 Влияние условий эксплуатации колёсных и гусеничных машин на параметры работы гидросистемы Условия эксплуатации колёсных и гусеничных машин определяются в ос новном температурными, технологическими и природными особенностями их эксплуатации, а также характером воздействия рабочих органов на грунт.

Известно, что колёсные и гусеничные машины (в строительстве и сельском хозяйстве) работают в напряжённых условиях. Температура наружного воздуха изменяется в пределах от -40 С до +50 С, а влажность колеблется от 20% до 100%. Эти факторы, наряду с нагрузкой на гидросистему, приводят к изменению температуры рабочей жидкости, которая может подниматься до 95 С. Кроме то го, при эксплуатации колёсных и гусеничных машин постоянно меняется давле ние жидкости в гидросистеме и нагрузка на детали. Особенно подвержены дейст вию внешних факторов рукава, патрубки и др. резинотехнические изделия. Осо бенность работы гидросистем заключается ещё и в том, что агрегаты и узлы под вергаются воздействию резких и значительных колебаний давления и динамиче ских нагрузок, что приводит к усталостному износу и разрушению деталей гидро системы и, прежде всего, рукавов высокого давления.

Режим работы гидросистемы машин, особенно землеройных, во многом оп ределяется характером взаимодействия рабочих органов с грунтом, постоянно меняющимся сопротивлением грунта, что приводит к изменению давления в гид росистеме.

Режимы работы различных колёсных и гусеничных машин не одинаковы.

Так, например, у скреперов, рабочий процесс состоит из следующих основных элементов: забор грунта в ковш;

перемещение грунта;

остановка перед выгрузкой;

выгрузка;

движение в обратном направлении;

начало нового цикла. В результате на машину действует цикличная, постоянно меняющая по величине и направле нию нагрузка. Этим воздействиям подвержена и гидравлическая система. Как по казывают исследования [33], [114], при работе землеройно- транспортных машин за один час около 100 раз переключаются передачи для изменения рабочих скоро стей и направления движения, при этом до 150 раз включаются рычаги поворота и около 800– гидрораспределитель [33],[122]. Например, при работе скрепера в те чение года при наработке его 1350 мото-часов число включений гидросистемы составляет более 100 тысяч. Диапазон циклов нагружения составляет 20 – 50 с.

Максимальная нагрузка на гидросистему машин возникает при переходе с одного рабочего режима на другой, например, подъём - опускание рабочего орга на, забор грунта бульдозером или ковшом экскаватора – опоражнение.

Кроме переменных нагрузок, гидросистема колёсных и гусеничных машин подвержена воздействию временных и температурных факторов. К временным факторам относятся частота изменения давления, продолжительность действия нагрузки, длительность работы гидросистемы на холостом и нагрузочном режи мах, общее время работы гидросистемы в течение смены.

Большое влияние на работу гидросистемы оказывает температура рабочей жидкости, пределы её колебаний при выполнении технологического процесса и температура наружного воздуха[13].

Наши наблюдения показывают, что рабочая температура в гидравлической системе колёсных и гусеничных машин в зависимости от условий работы изменя ется в пределах 50 – 90С. Максимальных значений температура достигает через 50 – 60 минут с момента начала работы гидросистемы под номинальной нагруз кой.

Проведённый анализ показывает, что агрегаты и узлы гидравлической сис темы машин работают в тяжёлых напряженных условиях. Режим их работы ха рактеризуется постоянно изменяющимися давлением рабочей жидкости в гидро системе (от 0 до 30 МПа), температурой жидкости и окружающей среды, направ лением действия сил, характером нарастания давления, цикличностью и т.д.. Это повышает вероятность выхода из строя узлов и деталей гидросистемы и возник новения неисправностей, вызывающих потери рабочей жидкости и загрязнение окружающей среды. В связи с этим проблема разработки эффективных способов и устройств защиты гидросистемы от выброса рабочей жидкости при разрушении элементов гидролинии и проблема экологической безопасности приобретает осо бую актуальность.

1.4 Устройства защиты гидросистемы от потерь рабочей жидкости при разрушении рукавов напорной гидролинии Учёные и специалисты, изучающие проблему совершенствования работы гидросистем колёсных и гусеничных машин, разработали немало способов и предложили ряд устройств для защиты гидросистемы от потерь рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления. Предложенные системы защиты гидропривода можно разделить на три основные группы: по регулируемым пара метрам, по принципу действия и месту расположения.

По регулируемым параметрам системы защиты гидропривода можно разде лить на контролирующие изменение рабочего давления в гидроприводе машины, изменение расхода рабочей жидкости через сливную гидролинию и изменение уровня рабочей жидкости в гидравлическом баке.

По принципу исполнения (действия) защитные устройства можно разделить на механические, электрические, комбинированные (гидропневматические и электрогидравлические).

В исследованиях[11], [87], [88] предложены различные схемы защиты как отдельно взятых элементов гидравлической системы, так и всей гидросистемы в целом. Некоторые из известных схем защиты приведёны в таблице 1.2.

Как показывает анализ существующих схем защиты гидросистем, авторы при разработке защитных устройств стремятся получить такие конструкции, ко торые обладают, во-первых, быстродействием (что обеспечивает сокращение по терь рабочей жидкости при разрушении напорной гидролинии) и надёжностью.

В работе Н. А. Фоменко [114] дана классификация существующих способов защиты гидросистем от аварийного выброса рабочей жидкости, согласно которой все известные схемы защиты по принципу их действия можно разделить на три основные группы: пневмоэлектрические, гидропневматические и гидромеханиче ские.

Анализ литературных данных показывает, что наиболее приемлемыми яв ляются гидромеханические способы защиты, особенность работы которых опи сана в исследованиях [10], [15] и др.

Таблица 1.2 – Существующие схемы защиты гидросистем машин от ава рийных потерь рабочей жидкости № Назва Схемы Преимущества пп зва ние 1. Раз- -Простота в изготовлении;

рыв- - дешевизна;

ная -быстродействие срабатывания муфта Продолжение таблицы 1. № Назва Схемы Преимущества пп зва ние 2. Гид- -Отсутствие подсоса воздуха в систе роме- му;

хани- -представляет из себя автономный че- агрегат ский 3. Пнев -Простота конструкции;

мо- -высокая чувствительность;

элек- -работа в режиме низких давлений без три- динамических нагрузок.

чес кий 4. Гид ропне- -быстродействие, -минимальная ве невма личина вма- потерь рабочей жидкости;

тиче- - снижение износа ский В ранее выполненных исследованиях указывается, что защитные устройства могут устанавливаться в различных местах гидросистемы, например, в нагнета тельной линии, на участке слива рабочей жидкости, в гидробаке. Но предпочти тельнее, как отмечают большинство авторов, является расположение защитных устройств в нагнетательной магистрали [9], [87], [88], [90].

В случае размещения защитного устройства в нагнетательной гидролинии авторы рекомендуют устанавливать его либо на участке гидронасос- гидрорас пределитель [87] либо - распределитель- рабочий цилиндр [88], [90], [91].

Принцип работы устройств защиты гидросистемы основан либо на измене нии расхода гидрожидкости [8], [90], либо на уменьшении уровня гидрожидкости в баке, либо на перепаде давления в гидросистеме [11], [12], [14], [15], [88], [89], [91].

В существующих схемах защиты прекращение выброса рабочей жидкости при аварийной ситуации в гидросистеме осуществляется различными способами:

отключением насоса, отключением гидромотора, переводом гидрораспределителя в нейтральное положение или соединением сливной и напорной магистралей гид росистемы. При этом отсоединение или соединение напорной и сливной магист рали могут производиться или оператором, или автоматическим путём.

Время отключения двигателя или гидронасоса оператором зависит от того, как быстро он среагирует, наблюдая за состоянием напорных магистралей или показаниями приборов, отражающих состояние отдельных параметров работы гидропривода, и произведёт отключение. Это время может быть значительным – 10 и более секунд. Поэтому предпочтение следует отдавать автоматизированным схемам защиты, основанным на соединении сливной и напорной магистрали.

Анализ, которых представлен ниже.

При расположении защитного устройства в сливной магистрали, действие его обычно, основано на принципе изменения расхода рабочей жидкости или пе репаде рабочего давления в гидролинии. Первая схема рассмотрена в работах [6],[8], [9] и др., вторая – в исследованиях [88],[11].

Действие защитных устройств, работающих по первой схеме, происходит следующим образом. При разгерметизации напорной гидролинии количество жидкости, поступающей на слив в гидробак, уменьшается. Датчик фиксирует снижение сливного потока и подаёт сигнал на переключатель, который переме щаясь соединяет напорную и сливную гидролинии. Подача рабочей жидкости на сосом в гидролинию высокого давления прекращается. Жидкость от насоса по ступает в гидробак.

При второй схеме защиты происходит следующее. При нарушении герме тичности в напорной гидролинии давление в гидросистеме падает, в результате срабатывает система клапанов, и рабочая жидкость от гидронасоса поступает в сливную магистраль, соединённую с гидробаком.

Большая инертность, недостаточное быстродействие, малая чувствитель ность, а также сложность конструкции защитных устройств, устанавливаемых на сливной магистрали, являются существенными их недостатками, что ограничива ет возможность их практического использования.

Предпочтительнее следует признать гидромеханические защитные устрой ства, установливаемые в напорной гидролинии на участке гидронасос – гидрорас пределитель. Такая схема защиты гидросистемы, описана в авторском свидетель стве [10]. Она содержит гидронасос, аварийный блок с исполнительным органом, и предохранительным клапаном с линией разгрузки двухпозиционный двухли нейный гидрораспределитель, нерегулируемый дроссель и гидроцилиндр. При аварийной ситуации в напорной магистрали - давление рабочей жидкости в на порной магистрали резко уменьшается, в результате чего происходит срабатыва ние двухпозиционного двухлинейного гидрораспределителя, нерегулируемый дроссель при этом перекрывает поток жидкости и рабочая жидкость через защит ное устройство (предохранительный мембранный клапан) поступает в сливную магистраль, т.о. прекращается подача гидрожидкости в напорную магистраль.

Применение аналогичных схем защиты ограничено сложностью конструкции са мого устройства и технологии изготовления запорного устройства.

Некоторые авторы [10], [88] предлагают ставить устройства защиты на уча стке цилиндр - распределитель. Такие устройства состоят из запорных клапанов, регуляторов потока жидкости и датчиков измерения давления. При аварийной разгерметизации напорной магистрали равновесие запорного элемента клапана нарушается, в результате чего перекрывается напорная магистраль и прекращает ся поток рабочей жидкости. В это время происходит срабатывание датчика дав ления и шток гидрораспределителя переводится в нейтральное положение.

Преимущества этих схем заключаются в быстродействии самих устройств.

Недостатки заключаются в сложности конструкции и изготовлении устройств, а также в возможном срабатывании устройства при изменении давления в гидро системе во время работы машины.

Известны также гидроэлектрические способы защиты гидросистем [87], [88], [91], которые основаны на использовании электрических сигналов для пере вода золотника распределителя в нейтральное положение или отключения гидро насоса.

При разгерметизации напорной гидролинии происходит под воздействием снижения давления замыкание контактов электрической цепи, и электрический сигнал приводит в действие специальное устройство, с помощью которого золот ник гидрораспределителя перемещается в нейтральное положение или отключа ется гидронасос. В том и другом случае прекращается подача рабочей жидкости в напорную магистраль. Жидкость идёт на слив.

Гидроэлектрические схемы описаны в работах В. А. Коробкина, Б. А. Луц кова. Такие схемы дают возможность одновременно воздействовать и на положе ние золотника гидрораспределителя и на работу гидронасоса, что исключает ра боту насоса вхолостую.

Одной из разновидностей схем защиты гидросистем является гидропневма тическая схема [13], [15].С помощью защитных устройств, работающих по такой схеме, происходит перераспределение потоков рабочей жидкости в гидросистеме между гидролиниями всасывания и слива.

Рисунок 1.4 – Предохранительный клапан [15] Гидросистема (рисунок 1.4), содержащая предохранительный клапан, у ко торого камера управления основного затвора соединена с гидроаккумулятором.

Такая конструкция повышает эффективность защиты гидросистемы при резких перепадах давления.

В корпусе 1 установлен основной затвор 2, разделяющий внутреннюю по лость корпуса на камеру 3 управления и сливную полость 4. Камера управления соединена с гидроаккумулятором 5. В корпусе 1 также установлен вспомогатель ный клапан 6, поджатый к седлу пружиной 7 через поршень 8. В основном затво ре 2 выполнено дросселирующее отверстие 9.

Описываемый клапан работает следующим образом. При постепенном воз растании давления в системе до установленного предела повышается давление в камере 3 управления. При этом вспомогательный клапан 6 открывается, преодо левая усилие пружины 7, и жидкость из системы поступает в сливную магистраль, Перепад давления жидкости между сливной полостью и полостью поршня 8 обу славливает увеличение открытия вспомогательного поршня. В результате перете кания части жидкости из системы через дросселирующее отверстие 9 и вспомога тельный клапан 6 остаются открытыми, поддерживая установленное давление в гидросистеме. При резком повышении рабочего давления основной затвор 2 резко перемещается вверх, вытесняя жидкость из камеры 3 управления. Так как воспри нимающая давление площадь гидроаккумулятора намного больше площади вспо могательного клапана 6, основная жидкость перетекает в гидроаккумулятор 5, способствуя открытию основного затвора. При резком падении давления в гидро системе часть жидкости из гидроаккумулятора 5 перетекает в камеру 3 управле ния. Таким образом, давление в этой камере падает медленно, способствуя быст рому закрытию основного затвора 2. Если давление в системе имеет импульсив ный характер, причём длительность импульса меньше времени срабатывания вспомогательного клапана, тогда клапан работает следующим образом, При по вышении давления в системе затвор 2 открывается, вытесняя при этом жидкость из камеры 3 в гидроаккумулятор.

Техническим решением защиты [7] гидравлического привода от потерь ра бочей жидкости при аварийных ситуациях является наличие сложного двухпози ционного клапана и системы датчиков герметичности, которые увеличивают га баритные размеры и массу конструкции защитного устройства.

В гидропневматических схемах защиты [13], [14] на каждой гидролинии всасывания и слива устанавливается дроссель. Ещё к одной из магистралей под ключён обратный клапан, который соединён с атмосферой.

Во время работы гидросистемы часть рабочей жидкости по отдельной гид ролинии проходит через всасывающий канал гидролинии. В это время под дейст вием давления, возникающего перед гидродросселем, расположенным в отдель ной гидролинии, обратный клапан закрыт. В аварийном режиме и возникшей раз герметизации гидросистемы давление в системе падает, скорость жидкости в сливной гидролинии уменьшается, и во всасывающую гидролинию из воздушного пространства гидробака через обратный клапан начинает поступать воздух. В ре зультате поток рабочей жидкости в напорной линии разрывается и прекращается подача рабочей жидкости в нагнетательную.

Применение такого устройства защиты приводит к тому, что при её сраба тывании в гидравлическую систему попадает воздух, и трущиеся поверхности всей гидросистемы будут работать в недостаточно смазанных условиях, что сле дует признать недостатком этой схемы. Описанная схема защитного устройства может применяться в гидросистеме с односторонним действием рабочего цилин дра. Аварийные утечки рабочей жидкости при использовании гидропневматиче ской схемы защиты составляют около 1,8 л [7].

Наряду с рассмотренными, известны также и др. способы защиты гидроси темы от аварийных потерь рабочей жидкости. Например, способы, основанные на изменении уровня рабочей жидкости в гидробаке или на изменении расхода рабо чей жидкости через сливную гидролинию. При этом контроль уровня рабочей жидкости в гидробаке осуществляется с помощью поплавковых устройств. Схе мы, принцип работы которых основан на изменении уровня рабочей жидкости в гидробаке при помощи поплавка, рассмотрены в [32], [36] и др. Такие схемы по принципу действия делятся на механические, электрические и комбинированные.

При механическом принципе действия поплавка, как только уровень рабочей жидкости опустится ниже допустимой величины, поплавковый датчик в гидроба ке с помощью системы рычагов перемещает толкатель, который закрывает кла пан, соединяющий напорную и сливную гидролинию. Подача рабочей жидкости в нагнетательную магистраль прекращается. Возможен вариант, когда перемещаю щий толкатель отключает гидронасос. Один из вариантов поплавковой схемы за щиты показан на рисунке 1.5 [89].

Рисунок 1.5 - Поплавковое устройство защиты [89] Предлагаемая гидросистема, содержит источник 1 напора (насос), напорной гидролинией 2 сообщенный с распределителем 3 двухполостного гидроцилиндра 4 и распределителя 5 и 6 соответственно однополостных гидроцилиндров 7 и 8.

Гидроцилиндры 4, 7 и 8 сообщены с распределителями 3, 5 и 6 рабочими гидро линиями, содержащими рукава 9-12. Насос сообщен с баком 13 всасывающей гидролинией 14. Распределители 3, 5 и 6 сообщены с баком 13 сливной гидроли нией 15. Распределители 5 и 6 однополостных гидроцилиндров 7 и 8 оснащены датчиками 16 и 17 нейтральных позиций.

В варианте, показанном на схеме, датчики выполнены в виде путевых элек тровыключателей, но они могут быть выполнены также в гидравлическом или пневматическом вариантах, в качестве датчиков нейтральных позиций распреде лителей может быть использовано также положение их органов управления или косвенно положение (втянутое) плунжеров управляемых гидроцилиндров. Бак гидросистемы оснащен устройством контроля уровня рабочей жидкости с по плавком 18.

В гидросистеме предусмотрено устройство 19 отключения источника 1 на пора, включенное в линию 20 питания. В качестве такого устройства может ис пользоваться, например, электромагнитное реле, выключающее муфту привода насоса. В линии 20 питания используются также выполненные в виде контактных пластин выходные элементы датчиков положения поплавка соответствующих уровням рабочей жидкости в баке при отсутствии срабатывания однополостных гидроцилиндров (контактная пластина 21), при срабатывании отдельных однопо лостных гидроцилиндров (контактная пластина 22) и при одновременном сраба тывании однополостных гидроцилиндров (контактная пластина 23). Последова тельно с контактной пластиной 21 включены выходные элементы (контакты) 24 и 25 датчиков 16 и 17 положения распределителей 5 и 6. Последовательно с кон тактной пластиной 22 и параллельно друг друга с помощью диода 26 включены выходные элементы 25 и 27 датчиков положения распределителей 6 и 5. Замыка ние линии 20 питания обеспечивается связанной с поплавком 18 контактной пла стиной 28, постоянно скользящей по неподвижной контактной пластине 29 и в за висимости от положения поплавка 18 входящей в соприкосновение с пластинами 21, 22 или 23. При переводе распределителя 3, управляющего двухполостным гидроцилиндром 4, в рабочую позицию перекрывается гидролиния 32 управления перепускным клапаном 31, исчезает перепад давления на дросселе 33 и перепуск ной клапан 31 под воздействием пружины закрывается, прекращая разгрузку на соса. Предохранительный клапан 30 остается закрытым. Под воздействием воз растающего давления рабочей жидкости происходит движение гидроцилиндра 4.

При разрыве рукавов 9 и 10 начинает уменьшаться уровень рабочей жидко сти в баке 13. Опускание поплавка 18 приводит к движению влево контактной пластины 28, которая, соприкасаясь с контактной пластиной 21, замыкает через контактную пластину 29 и замкнутые контакты 24 и 25 датчиков 16 и 17 линию питания устройства 19.

Известны поплавковые защитные устройства механического действия. Не достаток защитных устройств, основанных на использовании поплавков механи ческого действия, заключается в том, что затруднена настройка датчика уровня на постоянно меняющийся объём гидравлического бака. Помимо этого, система об ладает малой чувствительностью к колебаниям уровня гидрожидкости в баке, не большим быстродействием. Более совершенными, по сравнению с механически ми, являются электрические поплавковые схемы [6], [9]. Они обладают значи тельно большим быстродействием и более просты в обслуживании.

Способы, основанные на электрическом принципе, работают следующим образом. При понижении уровня рабочей жидкости в гидробаке вследствие по вреждения линии высокого давления происходит замыкание контактов электри ческой цепи поплавком. При этом включается привод управления запорным стержнем, который перекрывает всасывающую магистраль. В результате прекра щается подача рабочей жидкости в гидросистему.

Из всех схем изменения уровня рабочей жидкости в гидробаке при помощи поплавка наиболее приемлимым следует признать комбинированный способ кон троля. Он основан на электромеханическом взаимодействии сигнального устрой ства с исполнительным органом, [16]. Схема работы этого устройства такова. При аварийной разгерметизации поплавок будет опускаться и замкнёт контакты элек трической цепи, что приведёт к срабатыванию исполнительного органа защитно го устройства и сигнального устройства. Сигнальное лампочка передаёт инфор мацию о неисправности оператору. Исполнительный орган переводит золотник гидрораспределителя в нейтральное положение, и подача рабочей гидрожидкости от насоса в линию высокого давления прекращается. При этом оператор узнаёт о неисправности в гидросистеме по сигналу лампочки. Недостатки этой схемы за ключаются в том, что при изменении уровня рабочей жидкости в гидробаке тре буется постоянная настройка защитного устройства.

Кроме того, описываемая схема защиты требует наличия отдельной ёмкости для дополнительной жидкости, необходимой для долива при понижении уровня рабочей жидкости в гидробаке. Такие схемы достаточно сложны по конструкции и практически не приемлимы в случаях, когда в гидросистеме работает несколько гидроцилиндров, что сопровождается значительными колебаниями уровня рабо чей жидкости в гидробаке. При одновременной работе нескольких гидроцилинд ров уровень рабочей жидкости в гидробаке может значительно снизится, и по плавковое защитное устройство сработает, хотя повреждений, сопровождающих ся потерей рабочей жидкости, в гидросистеме нет.

Контроль изменения уровня рабочей жидкости в гидробаке осуществляется также с помощью сильфонных устройств, в которых использован гидропневмати ческий эффект, основанный на разрыве потока рабочей жидкости в заборной ли нии [5].

В таких схемах защиты напорная и сливная гидролинии выполнены в виде сильфона, один конец которого размещён внутри бака над рабочей жидкостью, другой подключён к всасывающей магистрали гидронасоса. Сам сифон снабжен датчиком давления, который соединён с элементом управления. Датчик регули руют так, чтобы система не срабатывала в пределах колебания уровня жидкости в баке при рабочих нагрузках на органы управления машин. Для уменьшения потерь рабочей жидкости при разрушении напорной гидролинии патрубок всасывающей магистрали следует устанавливать на нижнем уровне жидкости в гидробаке при штатном режиме работы гидравлической системы.

Поплавковые схемы защиты имеют общий существенный недостаток, кото рый заключается в том, что при разрыве рукавов напорной гидролинии насос продолжает работать и подавать в гидросистему рабочую жидкость в смеси с воз духом. Это нарушает условия смазки, вызывает повышенные износы деталей гид росистемы и может привести к и выходу из строя.

1.4.1 Механические схемы защиты Большинство известных схем защиты гидросистем имеют механическое конструкторское исполнение. Такие защитные устройства обычно размещают в напорной гидролинии, и в действие они приводятся вследствие изменения рабо чего давления в напорной магистрали гидропривода.

В механических схемах защитные устройства могут располагаться либо на участке гидронасос-гидрораспределитель, либо на участке гидрораспределитель гидроцилиндр( гидродвигатель, гидромотор).

Схема механической системы защиты с расположением защитного устрой ства между гидронасосом и гидрораспределителем показана на рисунке 1.8 [12].

Рисунок 1.8 – Гидросистема с механической схемой защиты [12] Гидросистема содержит бак 1, насос 2, предохранительный клапан 3, ис полнительный гидродвигатель 4 и трёхпозиционный распределитель 5, снаб жённый ручным выключающим устройством. Ручное выключающее устройст во (фигура1 и фигура2) содержит кулачок 6, закреплённый на оси, имеющей головку 7 и выступ 8, а также пружины 9. Кулачок имеет торцовый зуб 10. В корпусе распределителя 11 имеются пазы 12 и 13, а золотник снабжён толкате лем 14. Из бака питающий насос, защищённый от перегрузки предохранитель ным клапаном 3, подаёт рабочую жидкость в исполнительный гидродвигатель 4. При аварийной ситуации или необходимости проведения ремонтных работ ручное включающее устройство приводится в действие и фиксируется в вклю чённом состоянии.

1.4.2 Гидромеханический способ защиты гидросистемы с двойным перекрытием напорной гидролинии Анализ известных схем защиты гидросистемы машин от потерь рабочей жидкости показывает, что предпочтительнее являются схемы, которые обладают простой конструкцией, быстродействием, малой величиной потерь рабочей жид кости, надёжностью в работе.

Hедостаток многих известных устройств защиты гидросистемы состоит в том, что они требуют не только их настройку на соответствующий режим рабо ты, но и переналадку в процессе работы. Такая переналадка требуется, например, при включении в работу нескольких рабочих цилиндров, при изменении давления в гидросистеме и т.д. Настройка защитных устройств на новый режим работы требует дополнительных затрат времени и приводит к снижению производитель ности машин.

Что касается гидропневматических устройств защиты, то им присущи ещё и недостатки, связанные с подсосом воздуха из атмосферы при их срабатывании.

Попадание воздуха в гидросистему приводит к ухудшению условий смазки и по вышенным износам деталей агрегатов.

Анализ показывает, что наиболее эффективными, отвечающими требовани ям быстродействия, снижения величины потерь рабочей жидкости, уменьшения износа являются гидромеханические схемы защиты. Особенность таких уст ройств защиты состоит в том, что прекращение подачи гидрожидкости в нагнета тельную магистраль гидросистемы при её разгерметизации осуществляется меха ническим путём. При этом поток жидкости направляется в сливную магистраль (рисунок 1.9,1.10).

1 – гидромотор;

2 – гидронасос;

3 – устройство защиты;

4 –распределитель;

5 – обратный клапан;

6 – гидроцилиндры;

7- нагнетательная гидролиния;

8 – гидробак Рисунок 1.9 – Гидросистема с гидромеханическим способом защиты Рисунок 1.10 –Устройство защиты гидромеханического типа [114].

Во время разрушения напорной гидролинии давление в полостях устройст ва16 и 17 будет уменьшаться. При перепаде давления в полостях 9 и 16 плунжер 11 потеряет равновесие и будет перемещаться вправо. И под действием противо давления клапан 21 будет перемещаться влево, передвигаясь навстречу плунжеру, и произведёт перекрытие отверстия 18. В этот момент плунжер 11 совместно с гидромеханическим клапаном 21 начнёт своё движение вправо, сжимая пружины 15 и 23. В результате плунжер закрывает выходную полость 17, и нагнетательная полость 9 через радиальные отверстия 14 сообщается со сливной магистралью и подача рабочей жидкости и выброс её через повреждённый рукав прекращается.

Одним из вариантов гидромеханического способа является способ, предложенный Н.А. Фоменко [114].

1.4.3 Защитное устройство с разрывной муфтой Наиболее распространённым устройством защиты гидросистем являются разрывные муфты. Разрывные муфты используются при работе с прицепными машинами, имеющими управление от гидросистемы трактора, и могут быть уста новлены непосредственно на прицепной машине. Муфты установлены в шлангах, идущих от трактора к прицепной машине, и служат для предохранения их от раз рыва при случайных рывках.

Разрывные муфты отличаются от запорных клапанов тем, что вместо на кидной гайки для стягивания двух половинок клапанов применен шариковый за мок. Замок состоит из пяти шариков 8 (рисунок 1.11), заложенных в конусные от верстия левого корпуса в муфты. Чтобы шарики не выпадали, края отверстий рас кернены. В замкнутом положении муфты шарики 8 запираются в кольцевой вы точке правого корпуса 11 запорной втулкой 9. Эта втулка прижимается пружиной 14 к стопорному кольцу 10.

1 и 12—штуцеры;

2 и 13—щайбы;

3—пружины клапанов;

4—полость для масла;

5—клапаны;

б—левый корпус;

7—резиновое уплотнение;

8—шарик;

9—запорная втулка;

10—стопорное кольцо;

11—правый корпус;

14—пружина;

15—втулка.

Рисунок 1.11 Разрывная муфта [33] На тракторе или прицепной машине разрывная муфта устанавливается при помощи кронштейна, к которому неподвижно закреплена запорная втулка 9. В случае рывка шланга, присоединенного к штуцеру 1, обе половины муфты сме щаются влево (по рисунку 1.11) относительно неподвижно закрепленной запор ной втулки, сжимая пружину 14. При сильном рывке шарики выйдут из-под за порной втулки, выжмутся из кольцевой канавки корпуса 11, и обе половины раз рывной муфты разъединятся, а шариковые клапаны 5 запрут выходные отверстия для масла. Муфта размыкается при усилии около 100 Н.

Установка разрывных муфт проводится таким образом, чтобы зазоры между кронштейном крепления и буртиками запорных втулок разрывной муфты находи лись в пределах 0,5 — 2,5 мм.

Предназначены муфты для удержания масла в системе при разъединении маслопроводов и предохранения её от загрязнения. Кроме того, устройство обес печивает быстрое и удобное соединение и разъединение магистралей и предохра няет соединяемые рукава высокого давления от скручивания. Запорное устройст во состоит из двух половин – клапанов, имеющих идентичное устройство. После разъединения клапанов шарики отжимаются пружинами к гнёздам корпусов и препятствуют выходу масла из гидросистем машин.

Преимущество описанной схемы защиты заключается в простоте конструкции и возможности работать в режиме низких давлений без динамических нагрузок.

Недостаток этого устройства состоит в том, что оно защищает только один уча сток гидролинии.

1.5 Математические модели известных защитных устройств Анализ известных защитных устройств показывает, что в настоящее время известно несколько схем, у которых рабочий процесс описывается математиче скими моделями. Так, например устройство [114] описывается феноменологиче ской моделью поведения гидравлической жидкости при разрушении напорной магистрали гидросистемы, которая устанавливает связь между величиной потерь рабочей жидкости при аварийном разрушении рукавов высокого давления и ос новными параметрами защитного устройства t t t t V Qн t 1 ж k Д r 2 arccos(1 п ) (1 п ) 1 (1 п ) 2 dt (1.1) r r r 0 Выражение (1.1) связывает между собой скорость движения плунжера - п, радиус трубопровода нагнетательной магистрали - r, коэффициент дросселирова ния при работе защитного устройства – kД, время срабатывания устройства - t2, скорость истечения жидкости из защитного устройства - ж и позволяет опреде лить величину потерь рабочей жидкости при разрыве рукавов высокого давления гидросистемы, оснащённой защитным устройством.

Недостаток модели (1.1) состоит в том, что она описывает лишь частный случай когда размерность коэффициента kД будет с/м.

Из анализа литературных данных [1], [96] математическая модель клапана описывается следующими уравнениями движения запорно-регулирующего эле мента (узел k) и расходов на входе (узел i) и выходе (узел j) :

к m 1 pi Fi p j F j h к Rmp sign к c z k z 0 ;

z k k,0 z k Lкл ;

Qi, j B f др d щ z k sin sign pi p j 2 p i p j / p Qi, j, (1.2) где vk – скорость движения запорно-регулирующего элемента;

m – масса подвижной части клапана;

Fi и Fj – рабочие площади запорно-регулирующего элемента клапана со стороны напорной и сливной линии;

h – коэффициент вязко го трения;

Rтр - сила сопротивления трения;

с – жесткость пружины;

z0 - величина пружины;

Lкл– предварительного сжатия ход запорно-регулирующего элемента;

fдр– площадь проходного сечения дросселя, подсоединенного парал лельно клапану;

dщ -средний диаметр дросселирующей щели клапана;

– угол конусности клапана;

В – параметр, учитывающий инерционность столба жидко сти.

Приведенные уравнения относятся к предохранительному и обратному клапану. Соответствующие уравнения для редукционного клапана имеют незна чительные отличия. В уравнениях (1.2) не учтена сила сопротивления жидкости движению клапана, сопротивление внутреннего трения жидкости, силы от давле ния жидкости на клапан.

1.6 Возможные варианты установки защитного устройства в гидросистеме Защитные устройства, как отмечалось выше, могут устанавливаться на раз личных участках гидросистемы.

На рисунке 1.12 показано несколько вариантов установки защитного уст ройства в гидросистеме машин:

а) –в гидравлическом баке ;

б) –в напорной гидролинии между насосом и распределителем.

в) –в напорной гидролинии между распределителем и цилиндром;

1 – устройство защиты гидравлической системы;

2 – гидронасос;

3 – гидрораспредели тель;

4 – гидроцилиндр;

5 – золотники управления;

гидробак;

6- фильтр для очистки масла Рисунок 1.12 – Варианты расположения защитного устройства Иccледования различных способов защиты гидросистем машин от потерь рабочей жидкости при разрушении элементов напорной магистрали показывают, что наименьшие потери рабочей жидкости отмечаются при механических спосо бах защиты (рисунок 1.13) [114]. Потери рабочей жидкости у них составляют 2- л, что примерно в 2 раза меньше по сравнению с потерями других защитных уст ройств. Хотя и при таких небольшихпотерях (около 2-3 л за один выброс) годовые потери при расчёте на парк машин, находящихся в эксплуатации по Волгоград ской области, составляет более 1000 т рабочей жидкости в год или, примерно млн. руб. в ценах 2010 г. (в расчёте принято: общий парк строительных и дорож ных машин – 180 тыс. шт., средняя годовая наработка одной машины 1000 мото-ч;

число разрушений рукавов в год – один порыв на одну машину, стоимость 1 л гидрожидкости 50,3 руб.).

Рисунок 1.13 – Потери гидрожидкости при известных схемах защиты гидравлической системы [114] Отсюда видим, что современные защитные устройства не исключают поте ри гидрожидкости при разрушении напорной магистрали, поэтому совершенство вание устройств защиты гидросистемы от аварийного выброса гидрожидкости яв ляется наиболее актуальной проблемой.

Наиболее предпочтительным местом установки защитных устройств в гид росистеме машин является участок гидросистемы от гидрораспределителя до ра бочего цилиндра, т.к. именно на этом участке происходит наибольшее число по вреждений при работе гидросистемы.

Среди последних работ, посвящённых проблемам защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости, следует отметить исследование Н.А. Фо менко [114], в котором предлагается защитное устройство, основанное на исполь зовании гидромеханического принципа (рисунок 1.10). Устройство работает сле дующим образом. При разрушении одного из рукавов высокого давления гидро системы давление в полости устройства падает, и под действием пружины запор ный клапан перемещается и перекрывает путь рабочей жидкости в повреждённый шланг. Рабочая жидкость перепускается в сливную магистраль.

Недостатки:

- не устраняет полностью потери рабочей жидкости при аварийной разгер метизации;

- не устраняет загрязнение окружающей среды;

- значительные ударные нагрузки в момент закрытия клапана защитного устройства, что вызывает повышенный износ посадочной поверхности гнезда клапана.

Анализ имеющих литературных данных показывает, что известные способы защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости, дают различные ве личины потерь рабочей жидкости при аварийных ситуациях. Анализ показывает, что потери жидкости при разных способах составляют от 1до 9 литров при одном порыве. Наименьшие потери дают способы, предложенные в [9], [114]. С точки зрения проcтоты конструкции и удобства в использовании предпочтительнее спо собы, описанные в [12], [87].

Однако известные способы защиты не позволяют устранить полностью по тери рабочей жидкости при аварийном разрушении элементов напорной гидроли нии. Они не предотвращают выброс рабочей жидкости в атмосферу и загрязнение окружающей среды при аварийных ситуациях.

Кроме того, в известных устройствах отмечаются значительные ударные на грузки при закрытии клапана, что вызывает увеличенный износ деталей.

В связи с этим в исследованиях направленных на совершенствование спо собов защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости особое внима ние должно быть уделено разработке таких устройств, которые полностью ис ключают потери рабочей жидкости и выбросы её в окружающую среду. Кроме того, они должны обладать необходимой надёжностью и быстродействием.

В результате анализа существующих защитных устройств в исследовании поставлены задачи, которые сформулированы ранее, во введении.

Выводы по главе 1 Повышение уровня гидрофикации различных типов машин ставит в число важнейших задачу повышения надёжности и долговечности их гидроприводов.

2 Проблема обеспечения герметичности гидросистем, снижения потребле ния рабочей жидкости в условиях постоянно повышающихся цен на неё, а также возросшие требования к экологичности машин, остаётся одной из основных проблем совершенствования современной техники различного назначения.

3 Анализ тенденций развития гидросистем современных колёсных и гусе ничных машин позволяет сделать вывод о том, что в ближайшее время рабочее давление в гидросистеме машин достигнет 30 и более МПа, что увеличивает ве роятность выхода из строя гидроагрегатов и трубопроводов.

4 Снижение потерь рабочей жидкости при выходе из строя элементов гид росистемы, а, следовательно, и обеспечение экологической безопасности при экс плуатации колёсных и гусеничных машин может быть достигнуто как за счёт по вышения надёжности элементов гидропривода, так и путём создания специальных устройств защиты гидросистем от аварийного выброса рабочей жидкости.

5 В ранее выполненных исследованиях расчёт параметров защитного уст ройства произведён без учёта турбулентности рабочей жидкости в полости за щитного устройства.

6 Современные защитные устройства не устраняют полностью потери рабочей жидкости при нарушении герметичности напорной магистрали, что делает проблему совершенствования способов защиты гидросистем весьма актуальной.

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВОЗМОЖНОСТЕЙ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СПОСОБОВ ЗАЩИТЫ ГИДРОСИСТЕМ ОТ АВАРИЙНЫХ ПОТЕРЬ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ 2.1 Теоретическое обоснование необходимости совершенствования защитных устройств Проведённый в предыдущей главе обзор ранее выполненных по рассматри ваемой проблеме исследований показывает, что авторы предлагают различные способы и устройства для защиты гидросистемы современных гидрофицирован ных машин от потерь рабочей жидкости при аварийном разрушении рукавов на порной гидролинии. Предлагаемые защитные устройства отличаются по принци пу действия, конструкторскому исполнению, способу установки на гидролинии и т.д. Но общими недостатками их являются следующие:

- недостаточное быстродействие, а, следовательно, значительные потери ра бочей жидкости при аварийных ситуациях;

- не исключают полностью выброс рабочей жидкости в атмосферу;

- высокая скорость движения клапана в момент закрытия, что приводит к по вышенным износам деталей и снижению долговечности устройств;

- не учитывают турбулентный характер потока жидкости в полости защитно го устройства.

Теоретически можно предположить, что устранить указанные недостатки можно путём разработки более совершенных способов и устройств защиты гид росистем. Применение других методов устранения потерь рабочей жидкости, на пример, использование более прочных рукавов и соединений в напорной гидро линии не решает полностью проблему устранения потерь рабочей жидкости при аварийных ситуациях, т.к. в любом случае, какова бы ни была прочность элемен тов гидросистемы, выход их из строя возможен, и нельзя предположить, даже теоретически, что можно создать такую гидросистему, элементы которой не будут выходить из строя в процессе её эксплуатации.

Следовательно, основным направлением в исследованиях рассматриваемой проблемы является разработка эффективных способов и устройств для защиты гидросистем машин от аварийных потерь рабочей жидкости.

Анализ известных способов защиты гидросистем, приведённый в предыду щей главе, позволяет сделать вывод о том, что наиболее эффективным способом защиты является гидромеханический. Однако предлагаемые авторами схемы за щиты, основанные на гидромеханическом способе, обладают теми же недостат ками, что и указаны выше.

Теоретически улучшить показатели работы защитного устройства, основан ного на гидромеханическом способе, можно путём применения упругого элемен та, позволяющего получить необходимое быстродействие и нужную скорость движения клапана защитного устройства в начале движения и в момоент закры тия. Подбирая нужную скорость клапана в начале движения и в момент закрытия, можно снизить износ деталей.

Скорость движения клапана при срабатывании защитного устройства, осно ванного на гидромеханическом спсособе, теоретически можно определить по из вестному закону механики:

d F, (2.1) dt m где F – результирующая сил, действующих на клапан;

m – масса движущихся частей;

d - ускорение движения.

dt Следовательно, зная зависимость ускорения от силы, действующей в защит ном устройстве, и массы клапана, можно путём интегрирования определить ско рость движения клапана.

Уменьшить скорость движения клапана в момент закрытия и, следовательно, силу удара клапана о гнездо и величину износа деталей можно за счёт уменьше ния жёсткости пружины клапана. Однако это приведёт к увеличению времени за крытия клапана и росту потерь рабочей жидкости при аварийных ситуациях. По этому уменьшение скорости движения клапана в момент его закрытия за счёт снижения жёсткости пружины нельзя считать эффективным направлением со вершенствования защитных устройств.

Для гидромеханического способа защиты, когда в защитном устройстве уста новлена одна цилиндрическая пружина, как это рекомендовано в ранее выпол ненных исследованиях, на основании формулы (2.1) уравнение движения клапана можно записать в виде:

d Fж Fсж Fтр Fпр, (2.2) m dt Fж – сила давления жидкости;

где Fсж – сопротивление жидкости движению клапана;

Fтр – сопротивление внутреннего трения жидкости;

Fпр – усилие пружины;

m – масса движущихся частей.

Естественно предположить, что скорость движения клапана в момент закры тия и сила удара клапана о седло будут значительными, что приведёт к повышен ным износам деталей.

2.2 Обоснование направления совершенствования защитного устройства На основании теоретического анализа известных устройств защиты гидро систем можно наметить следующие направления совершенствования способов защиты:

1. Изменение характеристик упругого элемента защитного устройства с целью снижения скорости движения и силы удара клапана в момент закрытия.

2. Повышение быстродействия устройства.

3. Исследование характера потока гидрожидкости в корпусе защитного устройства и учёт его при определении параметров защитного устройства.

4. Устранение загрязнения окружающей среды путём применения спе циальной защитной оболочки в схеме защитного устройства.

Теоретически уменьшить скорость движения и силу удара клапана о гнездо в момент закрытия можно, используя устройство, представленное на рисунке 2.1.

В таком устройстве применены две пружины. Причём они имеют разную длину и разную жёсткость. В этом случае на первой (начальной) стадии закрытия будут действовать обе пружины, а на второй (в момент закрытия) – одна меньшей жёсткости, что приведёт к уменьшению силы удара в момент закрытия. В началь ный момент закрытия скорость клапана будет больше, чем в устройствах с одной пружиной, предлагаемых авторами.

Уравнение движения клапана при наличие двух пружин, по аналогии с фор мулой (2.2), будет иметь вид:

d Fж Fсж Fтр F1пр F2пр, (2.3) m dt где Fж – сила давления жидкости;

Fсж – сопротивление жидкости движению клапана;

Fтр – сопротивление внутреннего трения жидкости;

F 1 пр – усилие основной пружины;

F 2 пр – усилие дополнительной пружины;

m – масса движущихся частей.

клапан, 2- основная пружина;

3- плунжер;

4 – пружина плунжера;

5- вспомога 1 тельная пружина Рисунок 2.1 Вид защитного устройства гидросистемы, позволяющего уменьшить скорость и силу удара клапана в момент закрытия.

Значение сил, действующих в защитном устройстве (формула(2.3)), теоре тически можно определить по следующим зависимостям:

Результирующая сила от давления жидкости Fж находится по формуле:

D (2.4) Fж Р (t ), где Р – перепад давления на клапане ;

D1 – диаметр клапана.

Сопротивление жидкости движению клапана Fсж. [78]:

dx D (2.5) Fсж k u, dt где µ – коэффициент динамической вязкости жидкости ;

k – коэффициент учитывающий форму клапана ;

u – скорость жидкости в полости защитного устройства.

Сопротивление внутреннего трения жидкости Fтр [19]:

u, (2.6) Fтр S y где µ – коэффициент динамической вязкости;

S – площадь рассматриваемого слоя жидкости или стенки, соприка сающейся с ней;

u – градиент скорости.

y Усилие пружины 2 в формуле (2.3) (рисунок 2.1) находим из следующе го выражения:

F 1пр. = c1h0 c1 l x (t ), (2.7) с1 – жёсткость пружины 2 клапана ;

где h 0 – величина предварительного сжатия пружин 2 и 5.

Для пружины 5 клапана будем иметь:

F 2пр. = с 2 h0 c2 l x(t ), (2.8) с2 – жёсткость пружины 5 клапана.

где Рассмотрим два характерных периода закрытия клапана – начало закрытия (0 х l') и момент окончания закрытия (l' х l).

Начало закрытия клапана (действуют две пружины). В этот период на клапан действуют силы Fж, Fсж., Fтр, F 1 пр и F 2 пр, которые определяются соответствен но по формулам (2.4), (2.5), (2.6), (2.7) (2.8) и (2.9) Подставляя выражения сил, действующих на клапан, в формулу (2.3), полу чим уравнение движения клапана:

1 d 2 x (t ) D 12 dx D 12 u 4 S y c1 h 0 c1 l x ( t ) c 2 h 0 с 2 l x ( t ).

P t k u dt 2 m dt 4 Учитывая, что пружины установлены параллельно, обозначим с1 + с2 = с, приняв в момент действия обеих пружин l= l', и сделав математические преобразования, получим:

d 2 x ( t ) P ( t ) D12 k 2 dx dx D u 2u dt 2 m m dt dt 4 S u c1 h0 c l x ( t ).

m y m m d 2 x ( t ) P ( t ) D12 ku 2 D12 k dx D12 k dx D 2u dt 2 m m m dt m dt 4 4 4 (2.9) S u c1 h0 c l cx ( t ).

m y m m m В формуле (2.5) скорость движения жидкости будет зависеть от характера потока, т.е. от числа Рейнольдса:

Re (2.10) u 4R Как видно из формулы (4.8), чем больше турбулентность потока, тем боль ше скорость движения жидкости, тем меньше давление жидкости.

Уравнение (2.9) является математической моделью процесса движения кла пана защитного устройства в первый период закрытия, когда работают две пру жины.

Окончание закрытия (действует одна пружина). Схема сил действующих в момент окончания закрытия клапана представлена на рисунке 2.2.

Рисунок 2.2 – Клапан защитного устройства с упругим элементом переменной жёсткости в момент окончания закрытия В этот период действует только одна пружина 2 (рисунок 2.2). Закономер ность движения клапана в этот период описывается уравнением, аналогичным уравнению (2.9), в котором теперь вместо величины с будет с1, а вместо l будет l',и х изменяется в пределах (l' х l):

1 d 2 x (t ) D 12 dx D 12 u c1 h 0 c1 l x ( t ).

P t k u S dt m dt y 4 4 k 2 dx dx D d 2 x ( t ) P ( t ) D u 2u dt 2 m m dt dt 4 S u c1 h 0 c l x ( t ).

m y m m d 2 x ( t ) P ( t ) D 12 ku 2 D 12 k dx D 12 k dx D 2u dt 2 m m m dt m dt 4 4 4 (2.11) S u c1 h 0 c1 l c1 x ( t ).

m y m m m Уравнение (2.11) является математической моделью процесса движения клапана, когда работает одна пружина.

Теоретически можно предположить, что изменяя жёсткость пружин 2 и можно добиться снижения скорости движения клапана и силы удара в момент за крытия без снижения быстродействия устройства.

В представленной схеме защитного устройства скорость движения клапа на в начальной стадии закрытия будет больше, чем в ранее известных устройствах [114], так как на этой стадии действуют две пружины, суммарная жёсткость кото рых больше жёсткости одной пружины, применяемой в предложенных ранее уст ройствах. Но в момент закрытия клапана, когда будет действовать одна пружина, скорость клапана и сила удара будут меньше, чем в известных устройствах, так как жёсткость основной пружины в рекомендуемой схеме будет меньше, чем в ранее предложенных устройствах.

Автоматическая схема предлагаемого защитного устройства теоретически будет иметь следующий вид (рисунок 2.3):

1 –упругий элемент;

2 –движущаяся масса;

3 – диссипативный элемент;

4 –внешние воз действия.

Рисунок 2.3 - Автоматическая схема гидромеханической части защитного устройства Нормальная работа защитного устройства будет обеспечена лишь в том случае, если его параметры будут находиться в определенном соотношении меж ду собой. Значение этих параметров следует определять из конструктивных сооб ражений.

Теоретически характер изменения скорости движения клапана в момент срабатывания защитного устройства при наличие двух пружин будет иметь вид, представленный на рисунке 2.4.

Рисунок 2.4 Теоретический график изменения скорости клапана в момент срабатывания защитного устройства (х – величина перемещения клапана).

Как видно из графика (рисунок 2.4), скорость движения клапана меняется на протяжении всего пути закрытия. В начальный период, когда работают две пружины, скорость будет резко возрастать. Достигнув максимума, она начнёт снижаться, а затем, после того, как прекращается действие второй пружины, ин тенсивно уменьшается.

При наличие двух пружин, существенно изменится величина результи рующей силы в защитном устройстве. Теоретический график изменения усилий пружин в функции перемещения клапана показан на рисунке 2.5.

1- основная пружина;

2 – вспомогательная пружина;

3 –сумма усилий пружин.

Рисунок 2.5 – График изменения усилия пружин в процессе срабатывания клапана защитного устройства Из приведённого графика видно, что в момент закрытия клапана усилие создаёт только одна основная пружина, что обеспечивает снижение ударной на грузки на седло и уменьшение износа деталей.

Естественно предположить, что снижение скорости движения клапана и силы удара его о гнездо в момент закрытия приведут к уменьшению износа дета лей и повышению долговечности устройства.

Можно также предположить, что подбирая жёсткость пружин устройства, можно добиться не только снижения скорости движения клапана и силы удара в момент закрытия, но и уменьшения время срабатывания устройства и величины потерь рабочей жидкости при аварийных ситуациях.

2.3 Теоретические исследования характера потока жидкости в защитном устройстве В ранее выполненных исследованиях, посвящённых проблеме защиты гид росистемы от аварийных потерь рабочей жидкости, при расчёте параметров за щитного устройства считалось, что в защитном устройстве имеет место ламинар ный поток движения рабочей жидкости. При этом такое утверждение авторами принималось бездоказательно. И никто не определял, каков же в действительно сти характер движения жидкости в полости защитного устройства при его сраба тывании.

Нами для установления характера потока жидкости в защитном устройстве проведены теоретические исследования по определению числа Рейнольдса, по ве личине которого определяют характер потока жидкости. Из гидравлики известно, что если число Рейнольдса Rе 2200, то такой поток будет ламинарным, а если Rе 2200, то поток принимает турбулентный характер:

Величину Rе можно определить по формуле :

4ur Re, [19] (2.15) r – гидравлический радиус сечения потока жидкости;

где u – скорость движения жидкости;

µ - кинематическая вязкость жидкости.



Pages:   || 2 | 3 |
 





 
© 2013 www.libed.ru - «Бесплатная библиотека научно-практических конференций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.