Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
Ушаков Николай Александрович
СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ УСТРОЙСТВ ЗАЩИТЫ ГИДРОСИСТЕМ СТРОИТЕЛЬНЫХ И ДОРОЖНЫХ МАШИН ОТ АВАРИЙНОГО ВЫБРОСА РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ
Специальность 05.05.04 - Дорожные, строительные и подъёмно-транспортные машины А В Т О Р Е Ф Е Р А Т диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук
Воронеж- 2012
Работа выполнена в Волжском институте строительства и технологий (филиал) федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет.
Научный консультант: доктор технических наук, профессор Рогожкин Василий Михайлович
Официальные оппоненты: Бабкин Виктор Филиппович, доктор технических наук, профессор, Воронежский государственный архитектурно-строительный университет, кафедра гидравлики, водоснабжения и водоотведения, заведующий кафедрой Степанов Михаил Алексеевич кандидат техниче- ских наук, доцент Московский государственный строительный университет Национальный исследовательский университет, кафедра Механическое оборудование, детали машин и технология металлов, заведующий кафедрой
Ведущая организация: ООО Волгоградгидрострой (г. Волжский Волгоградская область)
Защита диссертации состоится 25 мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 212.033.01 в Воронежском государственном архитектурно-строительном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, ул.
ХХ- летия Октября, 84, ауд. 3220, факс (473) 271-59-
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Воронежского государственного архитектурно-строительного университета.
Автореферат разослан 24 апреля 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета Власов В.В.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы.
Анализ условий и режимов работы гидросистем строительных и дорожных машин показывает, что гидроагрегаты работают в напряженных условиях, характеризуемых постоянно изменяющимися рабочим давлением, температурным режимом, скоростью нарастания давления, возникновением гидравлических ударов и циклических нагрузок. Это повышает вероятность выхода из строя узлов и деталей гидросистемы и может привести к возникновению неисправностей, вызывающих потери рабочей жидкости. Эти обстоятельства делают актуальной задачу разработки эффективных схем защиты гидросистемы от выброса рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления и проблему охраны окружающей среды.
Цель работы: Совершенствование способов защиты гидравлических систем строительных и дорожных машин путём применения специальных устройств для защиты гидросистемы от выброса рабочей жидкости при нарушении герметичности рукавов высокого давления.
Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:
1. Усовершенствовать конструкцию устройства, позволяющего сократить потери рабочей жидкости при аварийной разгерметизации напорной магистрали гидросистемы современных строительных и дорожных машин и исключить загрязнение окружающей среды.
2. Разработать математическую модель рабочего процесса гидромеханической части защитного устройства, позволяющую определить время срабатывания защитного устройства при различных параметрах работы гидросистемы и скорость движения клапана.
3. Исследовать зависимость основных параметров усовершенствованного защитного устройства от величины давления в гидросистеме, длины шлангов, вязкости гидрожидкости и др.
4. Разработать методику расчёта основных параметров защитного устройства с учётом турбулентного движения рабочей жидкости в полости защитного устройства.
5. Испытать работоспособность усовершенствованного устройства защиты гидросистемы строительных и дорожных машин в стендовых и эксплуатационных условиях.
Объект исследования. Строительные и дорожные машины с гидравлическим приводом рабочих органов.
Научная новизна.
1. Предложено защитное устройство, гидромеханическая часть которого, в отличие от известных, снабжена упругим элементом переменной жёсткости.
2. Разработана математическая модель рабочего процесса гидромеханической части защитного устройства, учитывающая основные параметры гидросистемы и защитного устройства и позволяющая определить время срабатывания защитного устройства и скорость движения клапана.
3. Получены теоретические зависимости для определения времени срабатывания усовершенствованного защитного устройства при различной длине рукавов гидролинии, вязкости рабочей жидкости, давлении в гидросистеме, жёсткости пружин устройства.
4. Получены зависимости для расчёта объёма оболочки защитного устройства.
Практическое значение работы.
1. Разработана, изготовлена и проверена на практике усовершенствованная конструкция защитного устройства для гидросистем, позволяющая исключить загрязнение окружающей среды и сократить потери рабочей жидкости при аварийной разгерметизации гидросистемы строительных и дорожных машин.
2. Получены математические зависимости для расчёта основных параметров предложенного защитного устройства, учитывающие особенности турбулентности движения рабочей жидкости в полости защитного устройства.
3. Экспериментально получена зависимость для определения необходимой жёсткости пружин защитного устройства, обеспечивающей требуемое быстродействие устройства, при известном давлении рабочей жидкости в гидросистеме.
4. Разработана методика расчёта основных параметров гидромеханической части защитного устройства гидросистем строительных и дорожных машин, учитывающая наличие упругого элемента переменной жёсткости и турбулентность потока рабочей жидкости и позволяющая определить конструктивные параметры защитного устройства.
На защиту выносятся:
- усовершенствованная конструкция защитного устройства гидросистемы строительных и дорожных машин, позволяющая сократить потери рабочей жидкости и исключить загрязнение окружающей среды;
- математическая модель рабочего процесса гидромеханической части предложенного устройства для защиты гидросистемы строительных и дорожных машин от аварийного выброса рабочей жидкости;
- методика расчёта основных конструктивных параметров усовершенствованного защитного устройства с учётом турбулентности движения рабочей жидкости в полости защитного устройства;
- математические зависимости для определения времени срабатывания защитного устройства при различной вязкости рабочей жидкости, давлении в гидросистеме, жёсткости пружин клапана, длине хода клапана и других параметров;
Апробация работы. Результаты исследований докладывались на межвузовской научно-практической конференции молодых учёных и студентов (г. Волжский, 2003 г.); VIII всероссийской научно-практической конференции Современные технологии в машиностроении (г. Пенза, 2004 г.), международной научно-технической конференции Интерстроймех-2005 (г. Тюмень, 2005 г.), IV международной научно-технической конференции Итоги строительной науки (г. Владимир, 2005 г.). В полном объёме работа заслушана на совместном заседании кафедр Строительные и дорожные машины и оборудование и Высшей и прикладной математики Волжского института строительства и технологий (филиал) ГОУВПО Волгоградский государственный архитектурно-строительный университет и на кафедре Строительные и подъёмно-транспортные машины Московского государственного строительного университета. По итогам заслушивания получены положительные заключения.
Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 9 работ, в том числе из списка ВАК РФ 4 работы.
Структура и объём работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка использованной литературы (1источников), содержит 194 страницы, в т.ч. машинописного текста 1страницы, 17 таблиц, 40 иллюстраций, приложений 13 страниц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы, сформулированы цели и задачи исследования, научная новизна и практическая значимость представленной работы.
В первой главе дан анализ различных способов совершенствования гидросистем строительных и дорожных машин, условий и режимов их работы, а также факторов, вызывающих аварийные потери рабочей жидкости.
Различные аспекты проблемы совершенствования работы гидросистем машин и способов их защиты от аварийных потерь рабочей жидкости рассмотрены в работах Т.М. Башты, И.П. Ксеневича, Л.В. Васильева, Д.Е.
Флеера, А.Т.Лебедева, Г.Л Кальбуса, В.В. Острикова, Г.Д. Матицына, В.А.
Насирова, В.И. Перельмитера, В.И. Пындака, Ю.Г. Лапынина, В.И. Федякина, С.В. Дубинского, М.А. Степанова, Ю.И. Густова, В.Ф. Бабкина, Н.А. Фоменко и др. учёных.
Анализ показал, что основными недостатками известных защитных устройств гидросистем, наряду с тем, что они не устраняют полностью потери рабочей жидкости, являются следующие:
- наличие подсоса воздуха при их срабатывании, что приводит к ухудшению условий смазки и повышенному износу деталей агрегатов гидросистемы;
- сравнительно длительная настройка устройства на рабочий режим;
- вероятность попадания воздуха в гидросистему в штатных режимах.
Отмеченные недостатки известных схем защиты делают их недостаточно надёжными в процессе эксплуатации, поэтому требуется их дальнейшее совершенствование.
Проведённый анализ известных защитных устройств гидросистемы показывает, что величина аварийных потерь рабочей жидкости при этом использовании колеблется в широких пределах (от 1 до 9 л). С учётом достигнутого в ранее выполненных исследованиях научного уровня решения рассматриваемой проблемы была поставлена цель и сформулированы задачи данного исследования.
Во второй главе на основании анализа ранее выполненных исследований установлено, что наибольшее число неисправностей агрегатов гидросистемы строительных машин приходится на рукава высокого давления - до 44 % (рис.
1).
Рис. 1 Распределение неисправностей по агрегатам гидросистемы.
Используя методы теории вероятностей, установлено, что срок работы рукавов высокого давления до технического обслуживания составляет около 1000 мото-часов. Следовательно, техническое обслуживание рукавов высокого давления следует проводить при ТО-3.
При такой периодичности технического обслуживания гидросистемы 85 % рукавов - будут обслуживаться вовремя (до наступления предельного состояния), а около 15 % выйдут из строя до обслуживания, что обеспечивает соблюдение основного требования современной системы ТО о предупредительности обслуживания.
Проведённые ранее исследования показывают, что основная доля потерь рабочей жидкости при эксплуатации строительных машин приходится на потери, вызванные разрушением рукавов высокого давления гидросистемы и нарушением герметичности в соединениях (около 50 % от общих потерь).
Следовательно, для повышения эффективности работы гидросистем строительных и дорожных машин необходимо совершенствовать устройства для защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости при разгерметизации напорной магистрали.
Для защиты гидросистемы строительных и дорожных машин от аварийных потерь рабочей жидкости в работе предложено усовершенствованное устройство, основанное на принципе двойного перекрытия напорной магистрали плунжером и подпружиненным клапаном и использовании герметичной оболочки, расположенной на рукавах высокого давления (рис. 2). Предложенное устройство отличается от известных прототипов наличием упругого элемента переменной жёсткости и защитной оболочки. Важное преимущество его заключается в том, что оно позволяет полностью исключить выброс рабочей жидкости в атмосферу при аварийных ситуациях в гидросистеме. Применение предлагаемого защитного устройства в конструкции машин позволит значительно повысить эксплуатационные свойства гидросистемы машин, что достигается наличием в конструкции гидросистемы запорного устройства и прочной на разрыв герметичной оболочки для сбора рабочей жидкости, выбрасываемой за время срабатывания защитного устройства.
Преимущество предлагаемого технического решения состоит ещё и в том, что в аварийном режиме выбрасываемая в момент срабатывания устройства защиты жидкость собирается в герметичной оболочке, что исключает загрязнение окружающей среды.
В отличие от известных конструкций защиты предлагаемое защитное устройство снабжено пружиной переменной жёсткости, выполненной в виде двух пружин, что позволяет увеличить скорость движения клапана в первоначальный период его закрытия и уменьшить скорость в момент окончания закрытия. Это позволяет сохранить быстродействие устройства, но при этом уменьшить силу удара клапана о гнездо и уменьшить износ.
Предлагаемое устройство защиты гидросистемы представлено на рис. 2.
Устройство содержит гидромеханический узел 1, прочную на разрыв защитную герметичную оболочку 2. Гидромеханический узел включает в себя корпус 1, подпружиненный плунжер 6 c осевым 7 и радиальными 8 отверстиями и подпружиненный клапан 9, расположенные в корпусе узла. В отличие от известных, в предлагаемом устройстве в гидромеханическом узле установлена дополнительная пружина клапана, которая необходима для стабильной и надёжной работы защитного устройства и уменьшения износа клапана и гнезда.
Применение дополнительной пружины предполагает увеличение суммарной жёсткости пружин клапана в начальном его положении и уменьшение - в момент закрытия по сравнению с устройством, где установлена одна пружина.
Устройство работает следующим образом. Рабочая жидкость гидронасосом 4 по напорной гидролинии высокого давления 3 подаётся через полость А и Б гидромеханического узла 1 к гидрораспределителю 5 и далее к гидроцилиндру.
При разрушении напорной гидролинии перепад давления в полостях А и Б увеличивается, и равновесие плунжера 6 нарушается. Клапан 9 и плунжер 6, перемещаясь навстречу друг другу, перекрывают отверстие 7 и далее, перемещаясь как единое целое, преодолевая усилие пружин, перекрывают полость Б напорной магистрали, направляя рабочую жидкость через радиальные отверстия 8 из полости А через сливную гидролинию 10 в гидробак.
Введение прочной на разрыв герметичной оболочки 2 обеспечивает сбор выбрасываемой рабочей жидкости при повреждении трубопровода высокого давления за время срабатывания запорного устройства и полностью предотвращает загрязнение окружающей среды.
Рис. 2. Устройство защиты гидросистемы с двумя пружинами и герметичной оболочкой.
Предлагаемое устройство позволяет отключить гидропривод при нарушении герметичности линии высокого давления на любом её участке, а также осуществить сбор рабочей жидкости, выбрасываемой из повреждённого участка.
Как следует из приведённого описания, устройство состоит из двух основных частей, имеющих различное назначение. Первая часть - гидромеханическая - предназначена для автоматического отключения подачи рабочей жидкости в гидросистему при разгерметизации нагнетательной магистрали. И вторая - оболочковая - для сбора рабочей жидкости и предотвращения её выброса в окружающую среду при аварийных ситуациях.
В третьей главе рассмотрены функциональные зависимости времени срабатывания защитного устройства и потерь рабочей жидкости от параметров работы гидросистемы; разработана математическая модель рабочего процесса защитного устройства и предложена методика расчёта параметров клапана защитного устройства. Расчётная схема приведена на рис. 3.
Рис.3. Расчётная схема клапана защитного устройства.
Математическая модель рабочего процесса защитного устройства в общем виде может быть представлена дифференциальным уравнением движения клапана:
( ) = ж + сж + тр - пр. - пр, (1) ( ) где - ускорение движения клапана (м/с2); m - масса движущихся частей защитного устройства (кг); Fж - результирующая сила от давления жидкости (Н); F - сопротивление жидкости движению клапана (Н); Fтр - сж сопротивление внутреннего трения жидкости (Н); F1пр - усилие основной пружины (Н); F2пр - усилие дополнительной пружины (Н).
Определим составляющие сил, действующих на клапан (формула (1)).
Результирующая сила от давления жидкости Fж находится по формуле:
( ) ж = , (2) где - перепад давления на клапане (Н/м2); D1 - диаметр клапана (м).
Сопротивление жидкости движению клапана Fсж. :
сж = [ + ( )] , (3) где - коэффициент динамической вязкости жидкости (Нс/м2); k - коэффициент учитывающий форму клапана (с/м2); u - скорость жидкости в полости защитного устройства (м/с).
Сопротивление внутреннего трения жидкости Fтр. :
тр =, (4) где - коэффициент динамической вязкости (Нс/м2); S - площадь u рассматриваемого слоя жидкости или стенки, соприкасающейся с ней (м2); - y градиент скорости ( 1/с).
Усилие F 1пр.пружины 2 и F 2пр пружины 5 находим из следующих выражений:
( ) пр. = с + с [ - ], (5) ( ) пр. = с [ - ], (6) где с1 и с2 - жёсткость пружин 2 и 5 клапана соответственно (Н/м); h - величина предварительного сжатия пружины 2 (м); l - длина хода клапана (м);
( ) l'- длина хода пружины 5 (м); - величина перемещения клапана при срабатывании защитного устройства (м).
Подставляя выражения сил из формул (2),(3),(4),(5) и (6) в формулу (1), получим:
( ) 1 ( ) ( ) = + + + - [с + с ( - ) + с ( 4 4 ( ) - )].
Обозначим с1 + с2 = с и приняв в момент действия обеих пружин l= l', получим:
( ) ( ) ( ) с с - = + + 2 + + - + ;
4 4 ( ) ( ) с с = + + 2 + + - 4 4 4 4 ( ) с +. (7) Обозначим составляющие в формуле (7) соответственно:
с Р с с = ; = ; + + - - = С; 2 = (8) 4 4 4 ( ) = ; = ;
A, B,C, E - const.
Подсчитав значения постоянных А,В,С,Е, в целях упрощения решения примем Е =0, т.к. Е - величина очень незначительная (Е=0,310-4).
В результате получим дифференциальное уравнение второго порядка:
+ ( ) + =, (9) где х= х(t) Воспользуемся способом замены для понижения порядка уравнения (9).
Пусть '= p( ) => ''= рр', тогда уравнение (9) примет вид:
рр' + Ар2 + Вх = С.
Введём следующую замену:
y = p2 => y'=2pp' => + А + = или y'+ 2Ау + 2 Вх = 2С или y'+ 2Ау = 2С - 2 Вх. (10) Получено линейное уравнение первого порядка, которое решено методом Бернулли, и получено значение t (время срабатывания защитного устройства).
Время срабатывания защитного устройства складывается из двух величин - t1 - время срабатывания, когда действуют две пружины и t2 - время срабатывания, когда действует одна пружина.
еА t1 = ( )е А. (11) С помощью программы Mathcad получено следующее решение этого уравнения:
, = + + 2 - 4 12 + ( - 4 + 2 ), 2 - 4 + 2 2 + ( ) ), 2 2 - 4 + ( - 4 + 2 - 4 + + +... + (12) Для начальных условий ( х=0 и х=0), определены постоянные интегрирования С1 и С2 и при известных значениях параметров защитного устройства по зависимости (12) получена величина t1 0,30 c.
Аналогично определено время срабатывания устройства на втором участке. На этом участке, где действует одна пружина, начальными условиями будут х = l', х'=1=0,12 м/с.
, = + + 2 - 4 12 + ( - 4 + 2 ), 2 - 4 + 2 2 + ( ) ), 2 2 - 4 + ( - 4 + 2 - 4 + + +... + (13) t2 0,0254 с.
Тогда t= t1 + t2= 0,30 + 0,025 0,325 с.
Это минимальная величина, которая может быть получена в реальных условиях эксплуатации при данном варианте изготовления защитного устройства. Это время обеспечивает вполне приемлимую величину выброса рабочей жидкости (200-250 мл.).
Математическая модель применима при следующих условиях: давление жидкости в гидросистеме 8Е32 МПа, ход поршня 10Е20 мм., динамическая вязкость гидрожидкости 0,10Е0,35 Нс/м2.
Расчёты показали, что с увеличением давления от 8 МПа до 32 МПа время срабатывания устройства возрастает примерно в 2,3 раза (рис.4).
Рис.4. Теоретическая зависимость времени срабатывания защитного устройства от давления в гидросистеме.
Время срабатывания устройства в значительной степени зависит от жёсткости пружин. Используя формулы (12) и (13) проведены исследования влияния жёсткости пружин на время срабатывания устройства при различной вязкости жидкости. Результаты представлены на рис. 5, из которого видно, что с увеличением жёсткости пружин время срабатывания защитного устройства уменьшается.
Рис. 5. Теоретические зависимости влияния жёсткости пружин на время срабатывания защитного устройства.
Получено уравнение расхода жидкости при разрыве шланга высокого давления, позволяющее определить величину потерь рабочей жидкости при аварийной разгерметизации, которая с использованием предлагаемого защитного устройства составляет 0,22Е0,25 л. за один порыв.
В четвёртой главе обоснован выбор основного объекта исследования - скрепера ДЗ-115 с защитным устройством, работающего в реальных условиях строительного производства; описана программа и методика стендовых и полевых исследований.
Программа экспериментальных исследований состояла из трёх этапов:
стендовые испытания, полевые испытания, обработка опытных данных.
В процессе экспериментальных исследований защитное устройство устанавливали на различных участках напорной гидролинии. Изменяя длину рукавов высокого давления и давление в гидросистеме, регистрировали следующие параметры: давление в гидросистеме; время срабатывания защитного устройства; объём потерь рабочей жидкости за время срабатывания устройства.
абораторные и полевые исследования проводили с использованием методов планирования эксперимента. Для регистрации исследуемых параметров использовался осциллограф 9S0-3Проведены экспериментальные исследования по выявлению влияния давления в гидросистеме, вязкости жидкости, длины шлангов, температуры жидкости и др. факторов на показатели работы защитного устройства. Анализ полученных результатов показывает, что с увеличением давления в гидросистеме время срабатывания защитного устройства возрастает (рис.6).
Так, при давлении 24 МПа (длина шлангов 2 м.) время срабатывания устройства составляет примерно 0,32Е0,36 с., а при давлении 28 МПа - около 0,43 с. На время срабатывания устройства влияет также длина шлангов.
Исследования показали, что с увеличением длины шлангов время срабатывания увеличивается (рис.6).
Исследования также показали, что время срабатывания устройства зависит от вязкости жидкости. Чем больше вязкость, тем больше время срабатывания устройства (рис. 7).
В исследовании использовались рабочие жидкости со следующими значениями кинематической вязкости: 8; 12; 16; 22; 28 и 32 мм2/с.
Исследования показали, что с увеличением вязкости с 12 до 32 мм2/с время срабатывания устройства возросло, примерно, на 0,25 с.( с 0,40 до 0,65 с.) при давлении в гидросистеме 18 МПа. Если давление увеличивать, то время срабатывания устройства будет возрастать при любой вязкости. При этом, как видно из рис. 7, с увеличением вязкости интенсивность роста времени срабатывания устройства увеличивается.
Математические выражения, описывающие кривые, приведённые на рис.
6, 7 получены с помощью программы Microsoft Excel.
t, c 0,t = 0,000450157P2 - 0,004243823P + 0,31914560,t= 0,000450521P2 - 0,005241641P + 0,2889309t = 0,000432131P2 - 0,005220853P + 0,24572460,t= 0,000453665P - 0,007782332P + 0,24255370,t = aP2 - bP + c l 4 = 4м 0,R2 = 0,999...0,9l =3м l = 2м Относительная ошибка 0,l = 1м измерений - 3...6% = 0,16 Нс/м0,С= 63,1 Н/мм Р, МПа 0 5 10 15 20 25 30 Рис. 6. Зависимость времени срабатывания защитного устройства от давления в гидросистеме при различной длине шлангов.
t,c t t t,c t = a2 - b + c t = a2 - b + c t = 0,0005431552 - 0,005744048 + 0,52857140,t = 0,0006101192 - 0,00922619+ 0,48857140,t = 0,0004985122 - 0,00610119 + 0,4007142t= 0,0005877982 - 0,01110119 + 0,36642850,P4=22 МПа P4=22 МПа R2= 0,999...0,9R2= 0,999...0,9Р 3=20 МПа Р =20 МПа Относительная ошибка Относительная ошибка 0,измерений - 3...6% Р2 =18 МПа Р2 =18 МПа l = 2,5 м l = 2,5 м Р1 =16 МПа Р1 =16 МПа 0,С =63,1Н/мм С =63,1Н/мм 0 5 10 15 20 25 30 35 , мм2/с , мм2/с Рис. 7. Зависимость времени срабатывания защитного устройства от вязкости рабочей жидкости при различном давлении в гидросистеме Проверка адекватности математической модели (11) результатам экспериментальных данных выполнена на основе F-критерия Фишера при доверительной вероятности 1- = 0,99. Для этого определили значение FЭ. для экспериментальных данных и теоретическое значение - FТ. Если FЭ.> FТ. - модель адекватна, если FЭ.< FТ. - неадекватна. Расчёты показали, что для нашего случая FЭ.значительно больше FТ. Следовательно, можно утверждать, что математическая модель (11) адекватна полученным экспериментальным данным.
В пятой главе приведены рекомендации по практическому применению результатов исследования.
Предложена методика расчёта параметров клапана защитного устройства. К основным параметрам, характеризующим работу клапана, относятся усилия, действующие на клапан, характеристика пружин (жёсткость, диаметр проволоки, длина пружины, число и шаг витков), ход и эффективная площадь клапана. Нормальная работа устройства будет обеспечена лишь в том случае, если величины, характеризующие эти параметры, будут находиться в определенном соотношении между собой.
При работе гидравлической системы, снабжённой защитным устройством, в ней возникает турбулентное движение рабочей жидкости. Такой характер потока отмечается, в первую очередь, в полости Б защитного устройства (рис.
3), т.е. в зоне расположения клапана 1.Силы, действующие на клапан устройства в зоне турбулентного движения определяются по формулам:
D F2 Pmax к, (14) (D1 D3 2 ) F3 Pmax к, (15) где F2 - сила давления жидкости на стержень клапана; F3 - сила давления жидкости на клапан в полости Б; к - коэффициент, учитывающий влияние турбулентности движения жидкости.
По имеющимся литературным данным, для случаев, аналогичных рассматриваемому нами, можно принять К = 0,9. Следовательно, фактическое давление на клапан защитного устройства будет, примерно, на 10% меньше того давления, которое принимают в настоящее время авторы при расчёте параметров предлагаемых защитных устройств без учёта турбулентности движения.
Установлено, что суммарная жёсткость пружин клапана и плунжера защитного устройства при ламинарном движении жидкости должна быть не менее 56,8 Н/мм. С учётом коэффициента турбулентности она составит 63,Н/мм. Исходя из этой жёсткости, нами определены параметры пружин защитного устройства, которые обеспечат надёжную работу защитного устройства в условиях турбулентного движения рабочей жидкости.
Экспериментальным путём установлена зависимость между давлением жидкости в гидросистеме и необходимой жёсткостью пружин защитного устройства (рис.8). Эта зависимость позволяет определить на стадии проектирования, какой должна быть жёсткость пружин, если известно давление жидкости при работе машины в реальных условиях эксплуатации.
y = -0,031x2 + 2,825x + 18,R = 0,9С, Н/мм Относительная ошибка измерений - 3...6% Р, МПа 0 5 10 15 20 25 Рис. 8. Зависимость необходимой величины жёсткости пружин защитного устройства от давления рабочей жидкости в гидросистеме Получены зависимости для определения объёма оболочки защитного устройства и исследовано влияние диаметра шланга и объёма выбрасываемой жидкости на размеры оболочки.
В шестой главе приведён расчёт экономической эффективности применения предлагаемой конструкции защитного устройства.
В общем виде выражение для определения экономического эффекта можно записать так:
Э = Эр.ж + ЭТ +Эо, (16) где Эр.ж - эффект от экономии рабочей жидкости ; ЭТ - эффект от сокращения простоев машинного агрегата; Эо - эффект от сохранения окружающей среды.
Первую составляющую экономического эффекта определим по выражению:
Эр.ж. = (QЦр.ж - ЕнДк ), (17) где Q - объём сохраняемой жидкости (V= 13л.); Цр.ж. - цена рабочей жидкости;
Ен - коэффициент экономической эффективности (Ен= 0.1); Дк - удельные дополнительные капитальные вложения.
Эффект от сокращения простоев машинного агрегата:
ЭТ = Р tоб., (18) где Р - прибыль от работы машины за один час (Р = 250,3 руб/ч.); tоб - сокращение потерь рабочего времени от простоев агрегата (tоб = 2 ч).
Затраты Эо на устранение последствий загрязнения заключаются в срезке поверхностного слоя грунта и засыпке свежим грунтом.:
Эо =Зпл + А + Ст, (19) где Зпл - зарплата машиниста и водителя (экскаватор ЭО-2626Б и самосвал ЗИЛ - ММЗ - 45085), руб; А - амортизационные расходы (руб.); Ст - стоимость топлива, (руб.).
Экономический эффект на машину в год: Э= 611,6+500,6+ 630=1742,2 руб.
Годовой экономический эффект от применения предлагаемого защитного устройства для парка строительных и дорожных машин Волгоградской области (180 тыс. шт.) составит более 300 млн. руб., срок окупаемости защитного устройства около полугода.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ 1. Анализ причин потерь рабочей жидкости из гидросистем при эксплуатации строительных и дорожных машин показал, что основные потери связаны с разрушением рукавов высокого давления. Уменьшить эти потери можно путём создания устройств защиты, уменьшающих аварийный выброс рабочей жидкости.
2. Разработана усовершенствованная конструкция устройства защиты гидросистемы от аварийных потерь рабочей жидкости, состоящая из двух частей: гидромеханической части с упругим элементом переменной жёсткости и прочной герметичной оболочки, расположенной на рукавах высокого давления. Гидромеханическая часть устройства снабжена, в отличие от известных устройств, двумя пружинами, что позволяет снизить ударные нагрузки и уменьшить износ деталей клапана.
3. Разработана математическая модель рабочего процесса гидромеханической части усовершенствованного защитного устройства, учитывающая основные параметры гидросистемы и защитного устройства (давление и вязкость рабочей жидкости, жёсткость пружин защитного устройства, скорость движения жидкости, сопротивление внутреннего трения жидкости, геометрические параметры клапана защитного устройства и др.) и позволяющая определить время срабатывания защитного устройства, скорость движения клапана и силу удара клапана о седло в момент закрытия.
4. Установлено, что в полости защитного устройства имеет место турбулентное движение рабочей жидкости. Поэтому расчёт параметров защитного устройства следует производить с учётом влияния фактора турбулентности. Показано, что для надёжной работы защитного устройства в условиях турбулентного движения жидкости суммарная жёсткость пружин устройства должна быть на 8Е10% больше, чем при ламинарном движении.
5. Получены математические зависимости для расчёта основных параметров предложенного усовершенствованного устройства защиты гидросистемы строительных и дорожных машин с учётом турбулентности движения гидрожидкости. Определены конструкторские параметры гидромеханической части защитного устройства.
6. Получены зависимости времени срабатывания клапана защитного устройства от давления в гидросистеме при различной жёсткости пружин защитного устройства, позволяющие определить требуемую жёсткость пружин устройства при заданном давлении рабочей жидкости в гидросистеме, что необходимо при разработке конструкции защитных устройств с учётом эксплуатационных условий их работы 7. Получены теоретические зависимости для расчёта объёма оболочки защитного устройства, учитывающие величину выбрасываемой из гидросистемы рабочей жидкости при разгерметизации напорной гидролинии, давление в гидросистеме, диаметр шланга и др.
8. Экспериментальными исследованиями подтверждена работоспособность и высокая эффективность предложенного защитного устройства. Минимальное время срабатывания устройства составляет, примерно, 0,32 с.
Экспериментальные значения времени срабатывания защитного устройства при работе его в гидросистеме скрепера ДЗ-115 отличаются от теоретических, полученных по математической модели, на 5Е9 %, что свидетельствует об адекватности полученной математической модели.
9. Снабжение предложенным защитным устройством гидросистемы строительных и дорожных машин позволит практически полностью исключить потери рабочей жидкости при разрушении напорной гидролинии и обеспечить экологическую безопасность окружающей среды.
10. Экономический эффект от применения предлагаемого защитного устройства составляет около 1742 руб. в год на одну машину.
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Ушаков, Н. А. Методика расчёта устройства для защиты гидросистемы строительных и дорожных машин / В.М. Рогожкин, Н.А.
Ушаков // Строительные и дорожные машины. - 2008, №8. - С. 37-38. Лично автором выполнено 1 с.
2. Ушаков, Н. А. Защита гидросистем машин от аварийного выброса рабочей жидкости при разгерметизации напорной магистрали / В.М.
Рогожкин, Н.А. Ушаков // Механизация строительства. Ц2011. №2. - С. 1819. Лично автором выполнено 1,5 с.
3. Ушаков, Н. А.Метод расчёта параметров защитного устройства для гидросистем строительных, дорожных и других гидрофицированных машин/ В.М. Рогожкин, Н.А. Ушаков // Вестник Волгоградского государственного архитектурно-строительного университета. - Волгоград, 2011. - №1. - С.102 -105. Лично автором выполнено 3 с.
4. Ушаков, Н. А. Математическая модель рабочего процесса защиты гидросистемы от аварийного выброса рабочей жидкости / В.М. Рогожкин, Е.Д. Илларионова, Н.А. Ушаков // Строительные и дорожные машины.- 2011. №5. - С. 43-45. Лично автором выполнено 2 с.
Публикации в других изданиях 5. Оптимизация стратегии эксплуатации машин / В.М. Рогожкин [ и др.]; Автопрогресс-1998: материалы международной научно-технической конференции. - Варшава, 1998. - С. 177-179. Лично автором выполнено 2 с.
6. Ушаков, Н.А. Устройство для защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости / Н.А. Ушаков, Н.А. Фоменко, В.М. Рогожкин // Молодёжь Поволжья - науке будущего: труды заочной молодёжной научно- технической конференции. - Ульяновск 2003. - С. 51 - 52. Лично автором выполнено 1 с.
7. Ушаков, Н.А. Защита гидросистем машин в целях обеспечения экологической безопасности окружающей среды / Н.А.Ушаков, Н.А.
Фоменко // Интерстроймех-2003: материалы международной научнотехнической конференции. - Волгоград- Волжский, 2003. - С. 241-243.
ично автором выполнено 1,5 с.
8. Ушаков, Н. А. Устройство для защиты гидросистем строительных и дорожных машин от аварийного выброса рабочей жидкости / В.М.
Рогожкин, Н.А. Ушаков // Интерстроймех-2008:материалы международной научно- технической конференции. - Владимир, 2008. - С. 167-169. Лично автором выполнено 2,5 с.
9. Ушаков, Н. А.Математическая модель рабочего процесса устройства для защиты гидросистем строительных и дорожных машин от аварийного выброса рабочей жидкости / В.М. Рогожкин, Е.Д. Илларионова, Н.А. Ушаков // Наука и образование: проблемы, решения и инновации : сб.
ст. науч.-практ. конференции. - ВИСТех филиал ВолгГАСУ.Ч Волгоград, 2010. Ч С. 207 - 214. Лично автором выполнено 6 с.
Подписано в печать 18.04.2012 Формат 60 х 84 1/16.
Бумага писчая. Усл. печ. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ №1____________________________________________________________________ Отпечатано: отдел оперативной полиграфии Воронежского государственного архитектурно-строительного университета 394006 г. Воронеж, ул. 20-летия Октября,
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям