Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,674

SIMULATION OF THERMAL PREPARATION HYDRAULIC MOTOR ROAD CONSTRUCTION MACHINERY

Merdanov Sh.M. 1 Konev V.V. 1 Matveeva A.D. 1 Sharkov N.S. 1 Falaleev M.A. 1
1 Industrial University of Tyumen
The article is devoted to the preparation of the thermal hydraulic drive road construction machinery (SDM), operated at low ambient temperatures below zero. In accordance with the design of hydraulic drives (hydraulic) construction and road machines and their operating conditions (hydraulic drive elements) new approaches to systems of thermal preparation of the hydraulic drive. The basic concept is the need for a local warm-elements hydraulic drive road construction machinery. For example, the hydraulic cylinder theoretical research on the heating of hydraulic motors. Warm-cylinder offered to carry out by combining its cavities. For this purpose proposed and considered four options (structures) warm-hydraulic drive elements (cylinders) and one option is selected. In line with this the mathematical modeling of the thermal preparation combined with the cylinder cavities. As a result of determined mathematical model of temperature change of the coolant and hydraulic cylinder during its heat training.
construction and road machines
thermal preparation of the hydraulic drive
a hydraulic cylinder
low negative temperatures
hydraulic machines
1. Vashurkin I.O. Teplovaja podgotovka stroitelnyh mashin v uslovijah surovogo klimata. SPb.: Nauka, 2005. 238 р.
2. Isachenko V.P. Teploperedacha: uchebnik. 4-e izd. Moskva: Jenergoizdat, 1981. 416 р.
3. Kaverzin S.V. Obespechenie rabotosposobnosti gidravlicheskogo privoda pri nizkih temperaturah: ucheb. posobie. Krasnojarsk: Ofset, 1998. 238 р.
4. Karnauhov N.N. Prisposoblenie stroitelnyh mashin k uslovijam Rossijskogo Severa i Sibiri. Moskva: Nedra, 1994. 351 р.
5. Karnauhov N.N., Konev V.V., Razuvaev A.A. Sistema predpuskovoj teplovoj podgotovki DVS i gidroprivoda: pat. 2258153 Ros. Federacija: MPK7 F02N 17/06.; zajavitel i patentoobladatel TjumGNGU. no. 2004104477/06; zajavl. 16.02.2004; opubl. 10.08.2005, Bjul. no. 22.
6. Konev V.V., Borodin D.M., Merdanov Sh.M., Polovnikov E.V. Gidrocilindr s podvizhnoj chastju porshnja. Patent na izobretenie no. 2555095 Data postuplenija 25.02.2014. Vhodjashhij no. 011351. Registracionnyj no. 2014107172.
7. Konev V.V., Karnauhov N.N., Guljaev B.A. Matematicheskoe modelirovanie teplovyh processov lokalnogo progreva gidrodvigatelja // Sovremennye problemy nauki i obrazovanija. 2014. no. 5. URL:www.science-education.ru/119-15076.
8. Konev V.V., Merdanov Sh.M., Saudahanov R.I., Rajshev D.V. Gidrocilindr s obvodom. Patent na izobretenie no. 2559079. Data postuplenija 19.05.2014. Vhodjashhij no. 032058. Registracionnyj no. 2014120107.
9. Konev V.V., Rajshev D.V., Kuruch S.V.; Gidrocilindr: pat. no. 2351810 pat. Ros. Federacija: MPK7 F15V 21/04./zajavitel i patentoobladatel TjumGNGU. no. 2007142644/06, zajavl. 19 nojabrja 2007 g., opubl. 10.04.2009, Bjul. no. 10.
10. Krasnoshhekov E.A. i dr. Zadachi po teploperedache. M.: Jenergija, 1980. 288 р.

Для обеспечения работоспособности гидропривода при низких отрицательных температурах окружающего воздуха, характерных для северных территорий России и приравненных к ним территорий, используются средства и способы тепловой подготовки [1, 3, 4]. При этом определено, что в разветвленных системах гидроприводов строительно-дорожных машин (экскаваторы, автогрейдеры, бульдозеры-рыхлители) необходим локальный прогрев гидроэлементов, в том числе гидроцилиндров. С целью тепловой подготовки гидроцилиндра рабочей жидкостью, предварительно прогретой в гидробаке, предложены следующие конструкции [5, 6, 8, 9]: с внешним обводом; с внутренним обводом; с встроенным в поршень клапаном; с подвижной (поворотной) частью поршня. В данных конструкциях рабочая жидкость при прогреве гидроцилиндра перемещается в его полостях. При этом поршень не перемещается. Далее жидкость перемещается по элементам гидропривода с меньшими потерями давления в соединительных элементах. Так происходит теплообмен рабочей жидкости с гидродвигателем. Это позволяет прогреть все его подвижные элементы и «снять» контактные напряжения во время первого пуска гидродвигателя после межсменной стоянки строительно-дорожных машин (СДМ) в условиях низких отрицательных температур.

На рис. 1 представлена конструкция гидроцилиндра с совмещенными полостями (штоковой и бесштоковой) внешним обводом (байпасом). Движение жидкости по обводу 1, угловым штуцерам 3 осуществляется при открытом вентиле или электромагнитном клапане 2 [5]. Использование электромагнитного клапана позволяет автоматизировать процесс прогрева гидроцилиндра, использовать разные режимы прогрева (кратковременные, долговременные, запрограммированные). При закрытии клапана 2 рабочая жидкость не перемещается по обводному трубопроводу, следовательно, оказывает действие на поршень гидроцилиндра. Это приводит к его движению (рабочий цикл гидроцилиндра). Основной недостаток – наличие дополнительных отверстий в гидроцилиндре для установки обводного трубопровода.

merd1.tif

Рис. 1. Конструкция гидроцилиндра (с внешним обводом)

Поэтому предложена конструкция гидроцилиндра с внутренним обводом (рис. 2). Гильза 1 гидроцилиндра содержит подводы 6, в которой установлены перегородки 7. В результате этого подаваемая прогретая рабочая жидкость через патрубок 8 совмещает полости гидроцилиндра (штоковую 2 и бесштоковую 3) через трубопровод обвода 9. При этом поршень 4 и шток 5 гидроцилиндра не перемещаются.

Клапан 10 предназначен для совмещения полостей гидроцилиндра по обводному трубопроводу. Так он при прогреве соответственно открыт, при работе гидроцилиндра закрыт [8]. В разработках устройств и систем для тепловой подготовки гидропривода стремятся к компактности и уменьшению площади контакта с окружающей средой. Поэтому предлагается вариант прогрева гидроцилиндра (совмещения полостей) при использовании встроенного клапана (рис. 3) [9]. В стадии прогрева гидроцилиндра гидропривода включается клапан 7, который может управляться дистанционно, расположенный в штоке 5 гидроцилиндра. При перемещении втулки 8 и ее совпадении проходного канала с проходным каналом 6 поршня 4 полости совмещаются. Предварительно разогретая рабочая жидкость при прогреве гидроцилиндра насосом из гидробака поступает в полость гидроцилиндра, к примеру, штоковую 2. Движение рабочей жидкости в полостях гидроцилиндра обеспечивает прогрев гильзы 1 гидроцилиндра, штока 4, поршня 5, клапана 7. Это снижает пусковые износы, связанные с натягами в подвижных элементах гидроцилиндра. При закрытии канала 6 рабочая жидкость действует на поршень 4, перемещая его в гильзе 1 гидроцилиндра. После прогрева гидроцилиндр готов к рабочему режиму.

При прогреве гидроцилиндра в гидроприводе СДМ в условиях вязкой рабочей жидкости возникает необходимость повысить расход рабочей жидкости. Для этого предлагается вариант конструкции гидроцилиндра [6], в котором конструкция поршня состоит из неподвижной и подвижной (поворотной) частей с проходными сквозными отверстиями. Конструкция гидроцилиндра с подвижной частью поршня представлена на рис. 4. В данной конструкции: 1 – гильза гидроцилиндра, 2 – штоковая полость, 3 – бесштоковая полость, 4 – электромагнитный клапан, 5 – шток гидроцилиндра, 6 – подвижная (поворотная) часть поршня 7 – неподвижная часть поршня. При срабатывании механизма поворота подвижной части поршня, и совпадении проходных отверстий подвижной и неподвижной его частей происходит совмещение штоковой и бесштоковой полостей гидроцилиндра. Образуются сквозные каналы в поршне для протекания рабочей жидкости из одной полости гидроцилиндра в другую.

Теплообмен между рабочей жидкостью и элементами гидропривода позволяет прогреть гидродвигатель, следовательно, снизить износы. Это обеспечивает повышение ресурса элементов гидропривода машины, которая работает при низких отрицательных температурах окружающего воздуха.

Конструкции модернизированных гидроцилиндров, представленные выше, имеют преимущества и недостатки. При этом оценка эффективности использования конструкций зависит как от параметров самих конструкций (расход жидкости в гидроэлементах, их масса), так и от характеристик и режимов работы гидропривода. В математическом моделировании процесса прогрева гидроцилиндра со совмещёнными полостями рассмотрим вариант прогрева гидроцилиндра с внешней гидролинией [5, 7]. На рис. 5 представлены схемы гидроцилиндра с внешней гидролинией:

а) конструктивная схема;

б) структурная схема движение потоков рабочей жидкости (тепла и массы теплоносителя) при тепловой подготовке гидроцилиндра.

merd2.tif

Рис. 2. Конструкция гидроцилиндра (с внутренним обводом)

Где гидроцилиндр с внешней гидролинией содержит гидроцилиндр 1, трубопроводы 2, вентиль (клапан) 3, дополнительная гидролиния 4.

В математическом описании воспользуемся методикой, изложенной в работе [1]. Так как в дополнительной гидролинии (обводном трубопроводе) гидроцилиндра процессы тепло- и массообмена протекают быстро, соответственно тепловыми потерями, возникающими в дополнительной гидролинии можно пренебречь и исследовать тепловые процессы, протекающие только в гидроцилиндре. В соответствии с законами механики жидкости (уравнением теплового баланса, движущейся среды – теплоносителя) [2, 10]: полная производная по времени от внутренней энергии U, выделенной массы движущегося теплоносителя определяется как сумма тепловой мощности Q, подведенной или отведенной от теплоносителя и мощности внутренних вязких сил Nдис:

merd01.wmf (1)

где V – контрольный объем гидроцилиндра, заполненный рабочей жидкостью – теплоносителем, (м3). При условии, что жидкость несжимаема, получим ρ= const;

merd02.wmf

где с – удельная теплоемкость жидкости, merd03.wmf; merd04.wmf – температура теплоносителя, изменяющаяся по объему и во времени в системе прогрева гидроцилиндра; U0 – удельная (внутренняя) энергия теплоносителя при температуре Т0, merd05.wmf. Величиной Nдис пренебрегаем, вследствие того, что она имеет маленькое значение.

Исходя из того, что полную производную в формуле (1) можно представить в виде суммы частной производной, следует, что:

merd06.wmf (2)

merd3.tif

Рис. 3. Конструкция гидроцилиндра с встроенным клапаном

merd4.tif

Рис. 4. Конструкция гидроцилиндра с подвижной частью поршня

merd5a.tif а)  merd5b.tif б)

Рис. 5. Схемы гидроцилиндра с внешней гидролинией (байпасом): а) конструктивная схема; б) структурная схема движения потоков рабочей жидкости (тепла и массы теплоносителя) при тепловой подготовке гидроцилиндра

Уравнение (2) определяет внутреннюю энергию, которая подводится к гидроцилиндру при его прогреве в единицу времени при действии потока внутренней энергии теплоносителя через сечение соответственно входа S1 и выхода S2 из гидроцилиндра, сечение S' отбора с расходом G' и температурой T' и сечение S" подвода расхода G"с температурой T", тогда получим:

– G1cT1 + G2cT2 + G’cT ‘ – G"cT" = US. (3)

Соответственно уравнение баланса тепла в любой из ветвей движения теплоносителя (или в единственной ветви) в гидроцилиндре можно записать в виде следующего уравнения:

Q = U + US . (4)

Из соотношения (4) с учетом уравнений (2) и (3) получаем:

merd07.wmf, (5)

где ΔT – изменение усредненного значения температуры теплоносителя по объему за время Δt.

Тепловым потоком с учетом теплопроводности теплоносителя вдоль нормали в сечениях входа и выхода из системы тепловой подготовки гидроцилиндра можно пренебречь. Тогда Q = Qац – тепловая мощность, отведенная и подведенная к рабочей жидкости (теплоносителю), расходуемая на изменение температуры металла гидродвигателя, а также на теплообмен с окружающей средой:

Qац = Qц + Qв, (6)

merd08.wmf, (7)

где Qц – тепловая мощность, накапливаемая в гидроцилиндре или отводимая от гидродвигателя; соответственно mд – масса гидроцилиндра, (кг); DTд – разница температур до и после процесса тепловой подготовки гидроцилиндра за время Dt, (° С):

Qв = αв Fц (Tц – Tв), (8)

где Qв = Qn – тепловые потери от гидроцилиндра в окружающую среду при тепловой подготовке его к работе; αв – коэффициент теплоотдачи, merd09.wmf; Fц – активная площадь поверхности гидроцилиндра (м2), отводящая тепло в окружающую среду конвекцией и тепловым излучением. Мощность (тепловая), передаваемая от теплоносителя (рабочей жидкости) к гидроцилиндру, определяется следующим уравнением:

Qац = αа Fа (Tа – Tц). (9)

Таким образом, процессы тепловой подготовки гидроцилиндра при движении теплоносителя можно математически описать дифференциальными уравнениями для осредненных температур теплоносителя Tа и гидроцилиндра Tц. А также уравнением баланса расходов теплоносителя соответственно в сечениях S1, S', S", S2:

merd10a.wmf

merd10b.wmf (10)

merd11.wmf,

merd12.wmf,

где Qац = – Qца – тепловая мощность, поданная (Qац > 0) к гидроцилиндру от теплоносителя при его тепловой подготовке, Qв = Qn. Для уравнений в системе (10) начальные условия примут вид

t = t0, Tа = Tа0, Tц = Tц0. (11)

Граничные условия для температуры рабочей жидкости (теплоносителя) задаются в сечении S1:

T1 = T10(t). (12)

В уравнении (10) на каждом шаге изменения времени при прогреве гидроцилиндра: t1 = t(n) , t2 = t1 + Δt = t (n+1) расходы G1, G', G" принимаются уже определенными, а также определены параметры са, mа, сц, mц. При этом тепловые мощности Qац и Qв определяются из уравнений (8) и (9) при известных характеристиках теплоотдачи от теплоносителя к гидроцилиндру Ац = aа Fа и от гидроцилиндра в окружающую среду Ав = aв Fц; Qац = Ац(Tа – Tц); Qв = Ав(Tц – Tв). Систему уравнений (10) решаем с использованием метода «Рунге-Кутта» [1]. В результате этого можем определить изменение температуры теплоносителя и гидроцилиндра от времени Tц = Tц(t), T2 = T2(t) при тепловой подготовке гидропривода. Таким образом, проведено математическое моделирование процесса тепловой подготовки гидроцилиндра к запуску. Подобным образом описываются другие элементы гидропривода при их прогреве перед началом работы.