Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,252

AUTOMATION SYSTEM OF THERMAL HYDRAULIC TRAINING ROAD CONSTRUCTION MACHINERY

Borodin D.M. 1 Konev V.V. 1 Polovnikov E.V. 1
1 Industrial University of Tyumen
В связи с развитием освоения Крайнего Севера и Арктики расширяется использование строительно-дорожной техники. Суровые климатические условия эксплуатации техники ограничивают ее использование. Несмотря на существующие разработки в области тепловой подготовки элементов гидропривода, отмечаются проблемы в эффективности их работы. Встатье предложены возможные пути для автоматического управления тепловой подготовкой гидропривода строительно-дорожных машин. Предлагается автоматизировать процесс тепловой подготовки гидропривода машин. Для этого разработана схема на основе системы утилизации тепла двигателя внутреннего сгорания, содержащая аналогово-цифровой преобразователь, контроллер, оперативное запоминающее устройство, драйверы, датчики температуры. Реализация предложенной схемы осуществлена в функциональной схеме автоматической системы управления прогревом рабочей жидкости выхлопными газами дизельного ДВС. Это позволяет повысить эффективность тепловой подготовки за счет оптимизации процесса (последовательность и продолжительность включения прогрева элементов гидропривода в зависимости от различных факторов). Врезультате снижаются затраты на тепловую подготовку, количество выбросов вредных веществ в окружающую среду.
In connection with the development of the development of the Far North and the Arctic, it is expanding the use of road-building machinery. Harsh climatic conditions limit the exploitation of technology its use. Despite the existing development in the field of preparation of heat elements hydraulically marked problems in their performance. The paper suggests possible ways to automatically control the thermal preparation of hydraulic drive road construction machinery. It is proposed to automate the process of preparation of the thermal hydraulic drive machines. For this purpose, a scheme based on the heat recovery system of an internal combustion engine, comprising an analog-digital converter, a controller, random access memory, drivers, temperature sensors. The implementation of the proposed scheme implemented in the function diagram of automatic heating of the working fluid control system of a diesel internal combustion engine exhaust gases. This improves thermal efficiency by optimizing the training process (sequence and duration of warming hydraulic drive switching elements, depending on various factors). As a result of reduced costs for thermal preparation, the amount of harmful emissions into the environment.
hydraulics
heating hydraulics
construction and road machine
automatic control system of thermal preparation
thermal preparation system
1. Ancev V.YU., Tolokonnikov A.S., Gorynin A.D. Avtomatizaciya rascheta riskov vozniknoveniya otkazov gruzopodmnyh kranov// Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskie nauki. 2013. no.7–1. рр. 214–220.
2. Vashurkin I.O. Teplovaya podgotovka stroitelnyh mashin v usloviyah surovogo klimata. SPb.: Nauka, 2005. 238 p.
3. Karnauhov N.N. Prisposoblenie stroitelnyh mashin k usloviyam Rossijskogo Severa i Sibiri. M.: Nedra, 1994. 351 p.
4. Karnauhov N.N., Konev V.V., Razuvaev A.A., YUri-nov Yu.V. Sistema predpuskovoj teplovoj podgotovki DVS i gidroprivoda: pat. 2258153 Ros. Federaciya: MPK7 F02N 17/06./ zayavitel i patentoobladatel TyumGNGU. no.2004104477/06; zayavl. 16.02.2004; opubl. 10.08.2005, Byul. no.22.
5. Karnauhov N.N., Konev V.V., Zakirzakov G.G. Sistema predpuskovoj teplovoj podgotovki dvigatelya vnutrennego sgoraniya: pat. 2211943 Ros. Federaciya: MPK7 F02N 17/06; zayavitel i patentoobladatel TyumGNGU. – no.2001128475/06, zayavl. 19.10.2001 g. opubl. 10.09.2003.
6. Karnauhov N.N., Vashurkin I.O., Konev V.V, Merda-nov Sh.M., YUrinov YU.V. Sistema teplovoj podgotovki gidroprivoda: pat. no.47985 Ros. Federaciya : MPK7 F02N 17/04; zayavitel i patentoobladatel TyumGNGU. no.2004110680/06, zayavl. 7 aprelya 2004 g. opubl. 10.09.2005, Byul. no.25.
7. Konev V.V., Kuruch S.V. Gidrodvigatel: pat. 94649 Ros. Federaciya: MPK F15V 21/04/ zayavitel i patentoobladatel TyumGNGU. no.2008140577/22; zayavl. 13.10.2008; opubl. 27.05.2010, Byul. no.15.
8. Konev V.V., Rajshev D.V., Kuruch S.V.; Gidrocilindr: pat. no.2351810 pat. Ros. Federaciya: MPK7 F15V 21/04./ zayavitel i patentoobladatel TyumGNGU. no.2007142644/06, zayavl. 19 noyabrya 2007 g., opubl. 10.04.2009, Byul. no.10.
9. Konev V.V., Serebrennikov A.A., Borodin D.M., Polovnikov E.V., Saudahanov R.I. Modernizaciya gidroprivoda stroitelno-dorozhnyh mashin dlya severnyh uslovij ehkspluatacii// Sovremennye problemy nauki i obrazovaniya. 2015, no.1 URL: science-education.ru/121-17422.
10. Konev V.V. Sovershenstvovanie sistemy predpuskovoj teplovoj podgotovki dvigatelya zemlerojnoj mashiny (na primere dvigatelya ehkskavatora EHO-4121A): dis. na soiskanie uchenoj stepeni kand. tekhn. nauk: 05.05.04. Tyumen, 2002. 137 p.
11. Svod pravil po proektirovaniyu i stroitelstvu SP 12-104-2002 – «Mekhanizaciya stroitelstva. EHkspluataciya stroitelnyh mashin v zimnij period» (odobren postanovleniem Gosstroya RF ot 27 fevralya 2003 g. no.25).
12. Slyusarenko V.V., Rusinov A.V. Puti povysheniya ispolzovaniya ehnergonasyshchennyh traktorov v selskohozyajstvennom proizvodstve// Materialy Mezhdunarodnoj nauchno-prakticheskoj konferencii, posvyashchennoj 70-letiyu so dnya rozhdeniya professora Aleksandra Grigorevicha Rybalko 2006. рp. 110–113.
13. Merdanov Sh., Konev V., Sozonov S., Experimental research planning heat training hydraulic motors: Scientific enquiry in the contemporary, world: theoretical basiсs and innovative approach, Vol. 5. Technical Sciences. Research articles, B&M Publishing (San Francisco, California, USA) 2014. pp.113–117.

В условиях активного освоения Крайнего Севера и Арктики используется большой парк строительно-дорожных машин (СДМ) соответствующего климатического исполнения. При этом подрядными организациями, выигравшими тендеры на проведение работ на таких объектах, используются СДМ усреднённых условий эксплуатации, такая техника не рассчитана на эксплуатацию в суровых климатических условиях. Таким образом, для результативного и экономически оправданного использования этих машин для выполнения задач в условиях сурового климата необходимо принимать специальные меры, касающиеся тепловой подготовки данной техники [5, 10, 11, 13].

Работы в этом направлении в отечественной и мировой практике ведутся с 30-х годов прошлого века. Основные значимые результаты этих работ достигнуты в области обеспечения тепловой подготовки дизельных ДВС СДМ и специальной техники. При этом известно, что на данный момент большинство СДМ являются гидрофицированными. Использование такой техники в этих районах сопряжено с определёнными трудностями. Впоследнее время ведущие фирмы, производящие СДМ, внесли в их гидросистемы ряд усовершенствований, повышающих надежность, эргономичность, экономичность и экологичность техники.

Совершенствование гидропривода СДМ в настоящее время осуществляется комплексно. Идёт внедрение как инновационных конструкций гидропривода в целом, так и его элементов [2, 3, 7, 8]:

–аккумулирование энергии рабочей жидкости в гидропневмоаккумуляторах и ее передача в наиболее нагруженное время исполнительным элементам гидросистемы;

–повышение энергоэффективности гидропривода за счёт снижения гидравлических потерь в элементах гидропривода;

–введение систем пропорционального гидропривода;

–переход к использованию в качестве элементов гидропривода исполнительных механизмов элементов с ШИМ-управлением.

В целом данные направления проявляются уже на стадии проектирования гидропривода и особенно при производстве его элементов. Так технологии, применяемые, например, при производстве трубок для гидролиний, предусматривают отказ от сварочных операций, прочистку и особую обработку внутренних поверхностей трубок с целью повышения класса чистоты поверхностей, для снижения их сопротивления потоку жидкости. При этом снижаются общие энергозатраты всей системы гидропривода [12].

Развитие системы гидропривода осуществляется в направлении использования автоматических систем управления процессами работы СДМ. Это реализуется компаниями Bosch Rexroth (Load Sensing – чувствительные к нагрузке), HIOS III от Hitachi и Komatsu.

По сравнению с обычной, система с LS регулированием менее энергозатратна, а потерянная мощность такой системы зависит исключительно от перепада давления и подачи насоса. На рис.1 представлен график затрачиваемой мощности обычной гидросистемы, а на рис.2 – системы с LS-регулированием.

Из графика следует, что для преодоления нагрузки гидродвигателю необходимо рабочее давление в 10МПа и поток рабочей жидкости 25л/мин. Остальной поток жидкости, который нагнетает насос, дросселируется обратно в бак, и эта энергия расходуется без работы машины.

pic_1.tif

Рис. 1. График затрачиваемой мощности в обычной системе с дроссельным регулированием

pic_2.tif

Рис. 2. График затрачиваемой мощности в гидросистеме с LS-регулированием

Из графика на рис.2 видно, что при тех же нагрузках гидродвигателя насос подает столько рабочей жидкости, чтобы совершить полезную работу и компенсировать потери в гидросистеме. Использование пропорциональной системы регулирования позволяет рационально расходовать мощность машины.

Системы, используемые в гидроприводах СДМ, позволяют повысить их производительность. Атакже требуют минимального вмешательства в рабочий процесс оператора, так как все эти действия запрограммированы и фактически управление осуществляется бортовым компьютером. При этом возникают высокие требования к электронике данной машины и необходима высокая квалификация обслуживающего персонала.

Несмотря на все усовершенствования гидросистем, их работоспособность снижается при воздействии низких отрицательных температур окружающего воздуха. Косновным причинам снижения работоспособности гидросистем СДМ относятся следующие:

–изменение посадок сопрягаемых деталей элементов гидропривода;

–повышение вязкости рабочей жидкости и, как следствие, рост рабочего давления в момент пуска гидросистемы;

–уменьшение эластичности уплотняющих элементов гидросистем и как следствие их повышенный износ в момент «холодного пуска»;

–проявление «хладноломкости металла», что в сочетании с повышенным давлением при «холодном пуске» часто приводит к отказу деталей гидропривода.

В связи с этим одним из важнейших направлений адаптации гидрофицированных СДМ к суровым условиям является тепловая подготовка их гидросистем. На сегодняшний день предложены и используются следующие способы тепловой подготовки гидропривода [2, 3, 4 6, 9, 11]:

–прогрев гидропривода СДМ перед началом работы под малой нагрузкой, последовательным включением всех ее элементов;

–дроссельный разогрев рабочей жидкости;

–прогрев гидробака выхлопными газами ДВС;

–электропрогрев рабочей жидкости;

–прогрев элементов гидропривода (локальный прогрев): охлаждающей жидкостью контура ДВС; утилизационным теплом выхлопных газов ДВС; использованием электроподогрева;

–сохранение тепла машины (выработанного в рабочую смену) в межсменный период с целью повышения температуры элементов гидропривода при пуске гидросистемы.

При использовании машинами систем тепловой подготовки гидропривода имеется много потребителей тепла (гидробак, насос, исполнительные элементы, аппаратура регулирования, рукава высокого давления). Это приводит к необходимости определения очередности, продолжительности, интенсивности прогрева гидропривода. Возрастает число дополнительных операций, которые должен выполнить оператор перед пуском или во время самого пуска (открытие – закрытие клапанов, заслонок, включение – выключение электрических потребителей, одновременный контроль за показаниями нескольких приборов), что вызывает повышенную нагрузку на оператора такой машины.

Поэтому при исследовании способов тепловой подготовки гидропривода СДМ поставлена цель – оптимизация проводимых операций по тепловой подготовке и теплового процесса. Для этого предлагается автоматизировать процесс тепловой подготовки гидропривода. Это осуществляется с использованием предлагаемой системы. Автоматизация находит широкое применение в проектировании, расчетах и управлении различными системами [1, 2, 3]. Схема автоматизации системы тепловой подготовки гидропривода СДМ представлена на рис.3.

Датчики температуры снимают информацию о температурах элементов гидропривода, в аналоговой форме информация поступает в модуль аналогово-цифрового преобразователя, где преобразуется в цифровую форму. После этого по цифровой шине оцифрованная информация поступает в контроллер, построенный на базе микроЭВМ, где полученная информация анализируется, обрабатывается и на основе этого вырабатываются управляющие сигналы. Сформированные управляющие сигналы, на выходе контроллера не способны напрямую управлять исполнительными элементами системы тепловой подготовки гидропривода, поэтому они сначала поступают на драйверы, где усиливаются и оптимизируются по форме и знаку. После этого такие сигналы могут управлять элементами и системами тепловой подготовки элементов гидропривода. Функциональная схема автоматической системы управления (СУ) прогревом рабочей жидкости выхлопными газами дизельного ДВС представлена на рис.4.

Регулировка процесса теплообмена между отработавшими газами и рабочей жидкостью осуществляется заслонкой, направляющей отработавшие газы в теплообменник. Заслонка Up на выходе драйверного каскада 4 и передаваемого этим каскадом на вход усилителя мощности (УМ). Напряжение Up на выходе драйверного каскада в свою очередь пропорционально разности заданного контроллером напряжения U3 и напряжения UO, пропорционального температуре рабочей жидкости в малом гидробаке над теплообменником, которая измеряется датчиком температуры, находящимся непосредственно в толще рабочей жидкости. Температурный сигнал от термодатчика усиливается усилителем сигнала 11.

pic_3.wmf

Рис. 3. Схема автоматизации системы тепловой подготовки гидропривода строительной или дорожной машины:ЭГП1-ЭГП5 – элементы гидропривода; АЦП – аналогово-цифровой преобразователь; КР – контроллер; П – оперативное запоминающее устройство; Д – драйверы; СТ – элементы системы тепловой подготовки гидропривода

pic_4.tif

Рис. 4. Функциональная схема автоматической системы управления прогревом рабочей жидкости выхлопными газами дизельного ДВС:1.tif – путь отработавших газов;2.tif – теплопередача; Д – электродвигатель; Р – редуктор; Ум – усилитель мощности; Х – теплопередача от выхлопных газов – рабочей жидкости; Z – теплоотдача рабочая жидкость –окружающая среда; 1 – контроллер; 2 – компаратор; 3 – регулирующее устройство; 4 – драйвер; 5 –исполнительный механизм; 6 – заслонка; 7 – путь выхлопных газов ДВС; 8 – теплообменник; 9 – бак с рабочей жидкостью; 10 – термодатчик; 11 – сигнальный усилитель

Когда температура рабочей жидкости изменится относительно значения, заданного контроллером, компаратор формирует сигнал рассогласования UЕ соответствующей величины и знака, в конечном итоге этот сигнал приводит к вращению электродвигатель (Д), редуктор и заслонку посредством редуктора (Р) на соответствующую величину и всоответствующем направлении. Происходит открытие или закрытие заслонки с разным расходом отработавших газов ДВС. Это соответственно увеличивает или уменьшает поступление отработавших газов в теплообменник. Таким образом происходит регулировка поступления выхлопных газов в теплообменник гидробака и количества теплоты, передаваемой от газов к рабочей жидкости. Температурное воздействие газов на рабочую жидкость – Х, теплоотдача жидкости в окружающую среду – Z.

Таким образом, предлагается автоматизировать процесс тепловой подготовки гидропривода СДМ с целью оптимизации процесса тепловой подготовки в соответствии с влиянием внешних факторов, а также увеличения ресурса элементов гидропривода, снижения затрат времени и топлива. Установка предложенной системы позволит уменьшить время прогрева гидросистемы и снизить выбросы вредных веществ в окружающую среду.