Совершенствование эксплуатационных свойств гидравлических систем машинно-тракторных агрегатов

В различных отраслях экономики России — в промышленном и гражданском строительстве, сельском хозяйстве, мелиорации, на лесотехнических работах, при сооружении систем газовых и нефтяных трубопроводов и др. — широко используются различные типы машин, оснаш-ённых гидроприводом рабочих органов.

Гидрофикация машин — безусловно прогрессивная тенденция, направленная на повышение уровня механизации производства, расширение функциональных возможностей машин, совмегцение выполняемых операций, увеличение параметров воздействия, снижение материалоёмкости агрегатов и улучшение их кинематических характеристик. Развитие гидрофикации машин и агрегатов приводит к тому, что гидросистемы их становятся всё более разветвлёнными, длина гидролиний и количество соединений возрастают, увеличивается рабочее давление, расход и объём используемой рабочей жидкости. Всё это приводит к увеличению уязвимости гидросистемы, вероятности возникновения отказов и аварийных утечек рабочей жидкости.

В настояш-ее время в стране эксплуатируется около 6 млн. различных гидрофицированных машин. По данным ВИМ, НАТИ, МАДИ, ВНИИстрой-дормаш [111, 112, 113, 114] при разрушении элементов гидросистемы теряется в среднем в год до 20−30 л рабочей жидкости на каждой машине, что в пересчёте на весь парк составляет — 120 — 130 тысяч тонн. При средней стоимости 1л масла 16,8 руб. (в ценах 2002 г.) потери по стране в год достигают 2,0 — 3,0 млрд руб. Аналогичная ситуация наблюдается и за рубежом [131, 132].

В связи с этим крайне важной становится проблема повышения герметичности узлов и агрегатов гидросистем, обеспечения безаварийности их работы и создания эффективных по чувствительности и быстродействию схем за-ШЩЫ от потерь рабочей жидкости при разгерметизации гидромагистралей.

Успешное решение проблемы совершенствования гидросистем современных машин будет способствовать снижению потребления дорогостоящих нефтепродуктов, сокращению эксплуатационных затрат при работе машин и, что самое главное, уменьшению загрязнения окружающей среды.

Аварийные потери рабочей жидкости происходят в основном из-за неисправностей в нагнетательной магистрали, в первую очередь, из-за разрушения рукавов высокого давления и могут быть уменьшены путём создания быстро-действуюш-их и надёжных схем заш-иты.

Можно изготовить надёжные рукава высокого давления, однако оснастить ими весь суш, ествующий парк машин в короткие сроки не представляется возможным. Во-первых, как показывает анализ [123, 90, 62, 129, 130, ПО, 84, 85], ресурс рукавов отечественного и зарубежного исполнения в 4 — 5 раз ниже срока службы машин и не отвечает равнопрочности их конструкции. Во-вторых, переоснащение существующего парка машин новыми надёжными рукавами по масштабам и экономическим соображениям затруднено. Поэтому основным направлением в снижении потерь рабочей жидкости при эксплуатации гидросистем является, наряду с повышением прочности и долговечности рукавов высокого давления, разработка надёжных и эффективных устройств защиты от аварийных потерь рабочей жидкости.

В последние годы в России и за рубежом реализованы мероприятия по повышению надёжности рукавов высокого давления: разработка новых типов соединений концевой арматуры, например, шариковых муфтповышение прочности оплёток силового каркаса рукава за счёт применения материалов из полиэфирного волокна и многослойной арматурыизготовление камеры рукава методом экструзии из высококачественной синтетической резины с твёрдым внутренним покрытиемформирование наружного слоя из износостойкой резины, полиуретана, полиамида или с оплёткой из нержавеющей стали.

Несмотря на повышение надёжности рукавов высокого давления, случаи разрушения их в эксплуатации не исключаются, поэтому необходимость в оснащении гидросистем современных машин устройствами защиты от аварийного выброса рабочей жидкости сохраняется, и проблема разработки эффективных схем защиты гидросистем остаётся актуальной.

Цель исследования. Совершенствование эксплуатационных свойств гидравлических систем машинно-тракторных агрегатов путём применения устройств гидромеханической защиты гидросистемы при аварийном разрушении рукавов высокого давления.

Поставленная цель достигается при решении задач:

— разработка феноменологической модели поведения гидравлической жидкости при разрушении напорной магистрали;

— разработка принципиальной схемы и конструкции устройства защиты гидросистемы от аварийных потерь рабочей жидкости при нарушении целостности гидролиний на основе разработанной модели и определение параметров гидравлической системы при её разрушении;

— исследование рабочих параметров разработанного устройства защиты гидросистемы машинно-тракторных агрегатов и рекомендаций по его практическому применению.

Научная новизна. Впервые предложена феноменологическая модель поведения гидравлической жидкости при аварийном разрушении напорной магистрали, на основе которой создана принципиальная схема и конструкция гидромеханического устройства защиты с двойным перекрытием гидролинии, предотвращающая потери рабочей жидкости.

Практическая ценность. На основании проведённых исследований разработана и внедрена новая конструкция, позволяющая минимизировать потери рабочей жидкости машинно-тракторного агрегата при разгерметизации гидросистемы до 0,17л.

На защиту выноеится:

— феноменологическая модель поведения гидравлической жидкости при разрушении напорной магистрали;

— схема и конструкция гидромеханического устройства защиты гидросистемы от аварийных потерь рабочей жидкости при нарушении целостности гидролиний на основе разработанной модели;

— результаты исследования рабочих параметров разработанного устройства защиты гидросистемы машинно-тракторного агрегата.

— рекомендации по практическому применению разработанного устройства.

ВЫВОДЫ и РЕКОМЕНДАЦИИ.

1. Исследования работоспособности гидросистем машинно-тракторных агрегатов на базе тракторов семейства ДТ-75 показывают, что гидросистема работает в напряжённых условиях, постоянно подвергается воздействию циклических нагрузок, резких колебаний давления, гидравлических ударов и температурных изменений, что приводит к разрушению рукавов высокого давления и аварийным потерям рабочей жидкости. Существующие способы защиты гидросистем от аварийного выброса рабочей жидкости не устраняют полностью потери рабочей жидкости при разрушении гидролиний и не обеспечивают экологическую безопасность окружающей среды.

2. Обоснована периодичность проведения технического обслуживания при ТО-3 рукавов высокого давления гидросистемы машинно-тракторных агрегатов (после 1000 моточасов работы).

3. Разработана феноменологическая модель поведения гидравлической жидкости при разрушении напорной магистрали гидросистемы машинно-тракторного агрегата.

4. Разработано защитное устройство гидросистемы от аварийных потерь рабочей жидкости, позволяющее уменьшить потери рабочей жидкости при разгерметизации. Определены оптимальные конструктивные параметры защитного устройства: диаметр плунжера — 22 мм, диаметр седла клапана — 8 мм, жёсткость пружин — 26 и/им.

5. Экспериментальными исследованиями подтверждена высокая эффективность защитного устройства. Время срабатывания устройства не превышает 0,11 с, а разовые потери при разрушении напорной гидролинии составляют 0,17 л (без учёта объёма рукавов высокого давления).

6. Расхождение результатов теоретических экспериментальных параметров защитного устройства гидросиситемы от аварийных потерь рабочей жидкости машинно-тракторных агрегатов на базе трактора ДТ-75 по критерию Фишера не превышает 6,1%.

7. Экономический эффект от применения защитного устройства составляет 1156,7 руб. в год на один машинно-тракторный агрегат.

Отключение гидрораспределителя.

Соединение напорной и сливное магистралей.

Рис. 1.9. Классификация способов защиты гидросистемы.

Из приведённой на рис. 1.9 классификации также видно, что существуют различные способы устранения потерь рабочей жидкости: отключение двигателя, отключение гидронасоса, отключение гидрораспределителя или соединение напорной и сливной магистралей гидросистемы. При этом отключение или соединение (напорной и сливной гидролиний) могут производиться либо оператором, либо автоматически.

Эффективность отключения двигателя (гидронасоса или распределителя) оператором зависит от его психофизиологического состояния, а также от технического уровня систем управления агрегатом. Фазы опознания и осознания аварийной ситуации, моторной реакции оператора, а также переходного процесса в системе (перевод рычага гидрораспределителя в нейтральное положение, отключение привода гидронасоса, выключение двигателя) занимают значительное время (от 20 до 113с [127]), что увеличивает период послеаварийно-го истечения рабочей жидкости из гидросистемы. Поэтому такие способы отключения гидросистемы малоэффективны. Предпочтение следует отдавать автоматическим схемам защиты, основанным на соединении сливной и напорной гидролиний.

Устройство защиты, как правило, располагают в напорной гидролиниилибо на участке гидронасос — гидрораспределитель [10, 29, 1, 3, 4, 5, 6, 9, 12, 13, 15, 25, 19, 20, 28], либо на участке гидрораспределитель — гидроцилиндр [30, 32, 34,37,38,39, 45].

Примером гидромеханического устройства, установленного в напорной гидролинии на участке гидронасос — гидрораспределитель, может служить гидравлическая схема, описанная в авторском свидетельстве [42]. Она содержит.

• • и Т" Ч и гидронасос, гидрораспределитель, соединённый с гидроцилиндром. В этой схеме сливная и напорная гидролинии соединены между собой при помощи запорного элемента в виде подпружиненного аварийного клапана с трёхходовым краном, жёстко связанным с регулируемым дросселем, расположенным в напорной гидролинии.

При разгерметизации рабочей магистрали давление жидкости в гидросистеме падает, в результате чего срабатывает запорный клапан защитного устройства, и жидкость от гидронасоса поступает в сливную гидролинию. Аварийный выброс рабочей жидкости при этом прекращается.

Применение таких схем на практике ограниченно из-за сложности конструкции и технологии изготовления запорного клапана, а также функциональных недостатков, таких как, необходимость постоянной настройки клапана на определённый диапазон регулирования давления.

Другие авторы [9, 34, 41] рекомендуют устанавливать защитное устройство на участке гидрораспределитель — гидроцилиндр. Такое устройство [9] содержит трехлинейный клапан, обратные и запорные клапаны, регуляторы потока рабочей жидкости в полости гидроцилиндров и датчик давления. При аварийном разрушении напорного трубопровода происходит нарушение равновесия запорного элемента трёхлинейного клапана, и прерывается поток жидкости в рабочую полость гидр о цилиндр а. При этом срабатывает датчик давления и золотник распределителя переводится в положение слива.

Недостатки этой схемы заключаются в её сложности и возможном срабатывании устройства при колебании давления в моменты включения или отключения потребителей.

Особую группу составляют гидроэлектрические схемы защиты [29, 40, 33], особенность которых состоит в том, что в случае разрыва напорной магистрали и возникающего вследствие этого перепада давления, происходит замыкание контактов электрической цепи, и электросигнал подаётся на исполнительное устройство, которое отключает гидросистему.

Разновидности гидроэлектрической схемы защиты описаны И.П. Ксене-вичем. В частности, им предложена схема, основанная на принципе возврата золотника распределителя в нейтральное положение при аварийной ситуации [29], Схема работает следующим образом. Под действием перепада давления, возникающего при разрушении гидролиний, срабатывает гидроуправляемый фиксатор, освобождая золотник гидрораспределителя, который под действием пружины занимает нейтральное положение, и тем самым обеспечивается перепуск рабочей жидкости из нагнетательной полости на слив. Одновременно подаётся сигнал аварийных потерь рабочей жидкости от датчика герметичности. управляемого двухпозиционным клапаном, установленным параллельно предохранительному клапану.

Защитные устройства, расположенные в сливной магистрали, делятся на две группы:

1) схемы, действующие на принципе изменения расхода рабочей жидкости;

2) схемы, основанные на перепаде рабочего давления в гидролинии.

Первая группа схем защиты описана в работах [49, 8, 21, 22, 23], где предлагаются устройства, основанные на гидромеханическом принципе действия.

Примером такого устройства может служить схема, описанная в [23]. Она включает источник давления, напорную и сливную гидролинии, напорный клапан, потребитель, предохранительный, управляющий и управляемый клапаны.

В случае разгерметизации гидросистемы в напорной гидролинии уменьшается поток рабочей жидкости и падает давление, в результате чего срабатывает система клапанов, и рабочая жидкость направляется из напорной магистрали на слив в гидробак. Аварийный выброс рабочей жидкости прекращается.

К недостаткам этой схемы можно отнести тот факт, что при отсутствии потока рабочей жидкости в сливной гидролинии информационный сигнал не возникает, и система не срабатывает. Такая схема защиты не может быть применена в гидросистеме с гидроцилиндром одностороннего действия.

Второй группе посвящены исследования [11, 12, 18, 36, 41]. Примером такой схемы защиты служит вариант установки защитного устройства в сливной гидролинии [И]. Такая схема включает в себя гидроуправляемое предохранительное устройство, которое содержит клапан давления и гидроуправ-ляемый подпружиненный переключатель, клапан управления, содержащий золотник. Клапан управления соединён с напорной и сливной гидролиниями.

При разрушении напорной гидролинии давление в ней падает, напорный клапан закрывается, а переключатель под действием пружины перемещается в крайнее положение, сообщая выход гидронасоса с клапаном давления, настроенным на давление в сливной гидролинии. Рабочая жидкость от насоса через клапан давления и сливную гидролинию направляется в гидробак.

Недостатком такой схемы является большая инерционность, т. е. запаздывание срабатывания предохранительного устройства и клапана давления при разрушении магистрали, а также низкая чувствительность. Кроме того, сложность конструкции рассмотренной схемы значительно сужает область её применения.

Сравнительный анализ двух групп схем защиты показывает, что предпочтение следует отдавать первой группе, основное преимущество которой состоит в её быстродействии и возможности автоматизации процесса защиты гидросистемы.

В проведённых ранее исследованиях большое внимание уделяется изучению гидропневматических схем защиты гидросистемы [47, 121]. Работа таких устройств основана на перераспределении потоков рабочей жидкости в гидросистеме между гидролиниями всасывания и слива. Устройство [47] включает гидролинии всасывания, слива и дополнительную гидро линию. В каждой гидролинии установлен дроссель. К дополнительной гидро линии подключён обратный клапан, соединённый с воздушной полостью гидравлического бака.

В рабочем режиме часть сливного потока по дополнительному маслопроводу направляется во всасывающую магистраль. При этом обратный клапан закрыт под действием давления перед дросселем, расположенным в дополнительной гидролинии на участке до клапана. При аварийном разрушении маслопроводов гидросистемы давление в сливной гидролинии и за обратным клапаном падает, поток в сливной гидролинии уменьшается, и во всасывающую магистраль из воздушной полости гидравлического бака через обратный клапан начинает поступать воздух, который разрывает поток рабочей жидкости. В результате чего подача рабочей жидкости гидронасосом в нагнетательную магистраль прекращается.

При использовании этой схемы аварийные утечки рабочей жидкости достигают 2 л. Однако, применение такой схемы защиты приводит к тому, что при её срабатывании в гидросистему начинает поступать воздух, и трущиеся поверхности в гидроагрегатах будут работать в условиях недостаточной смазки, что следует признать недостатком. Кроме того, рассмотренная конструкция не позволяет также работать с гидросистемой, имеющей гидроцилиндр одностороннего действия.

Анализ литературных источников показывает, что схемы защиты, расположенные в гидробаке, можно разделить на две основные группы:

— поплавковые — это схемы, принцип работы которых основан на измерении уровня рабочей жидкости в гидробаке при помощи поплавка [43, 37, 35, 16,2,27];

— сифонные — схемы, в которых использован гидропневматический эффект, основанный на разрыве потока рабочей жидкости в заборном устройстве [7,14,17, 22].

Поплавковые схемы по принципу действия делятся на механические, электрические и комбинированные (электромеханические).

Примером поплавкового механического устройства может служить система, предложенная в [43]. При аварийном снижении уровня рабочей жидкости в гидробаке поплавковый датчик уровня через систему рычагов воздействует на толкатель, который закрывает запорный клапан, и в напорную магистраль рабочая жидкость не поступает.

Однако, в таких системах затруднена настройка датчика уровня на переменный объём гидробака. Кроме того, система обладает малым быстродействием, низкой чувствительностью к колебаниям уровня рабочей жидкости в гидробаке. Требуется постоянная настройка поплавкового механизма управления.

В этом смысле предпочтительнее электрические поплавковые системы [2, 16, 33], которые по быстродействию выше механических, но, вместе с тем, обладают инерционностью срабатывания и требуют постоянного контроля за состоянием электрической цепи.

При повреждении напорных гидролиний и понижении уровня рабочей жидкости в гидробаке поплавок замыкает контакты электрической цепи, что обеспечивает включение привода управления запорным стержнем, который перемещаясь по трубе в гидробаке, перекрывает всасывающую гидролинию. Таким образом, осуществляется разрыв потока рабочей жидкости и прекращение её подачи в гидросистему. Несмотря на то, что информационным сигналом служит сигнальная лампа, в силу психофизиологических особенностей и моторной реакции оператора, не всегда своевременно можно отключить подачу рабочей жидкости. Эти недостатки сужают область применения таких систем на тракторах, строительно-дорожных и сельскохозяйственных машинах.

Принцип комбинированного способа контроля изменения уровня рабочей жидкости в гидробаке при помощи поплавка, предложенный в [40], основан на электромеханическом взаимодействии сигнального устройства с исполнительным органом.

При полной или частичной разгерметизации гидролинии и снижении уровня рабочей жидкости в гидробаке поплавок опускается, замыкая контакты электрической цепи, что вызывает срабатывание сигнального устройства и исполнительного органа защитного устройства. Сигнальное устройство (лампочка) передаёт информацию о неисправности в гидроприводе оператору, а исполнительный орган, перемещает золотник гидрораспределителя в нейтральное положение, и подача рабочей жидкости от гидронасоса к гидроцилиндру прекращается.

К недостаткам схемы можно отнести тот факт, что при изменении первоначального уровня рабочей жидкости в гидробаке требуется настройка защитного устройства на изменяющийся её уровень.

Общим недостатком поплавковых схем защиты, расположенных в гидробаке, является их инерционность, сложность изготовления, необходимость иметь дополнительную ёмкость для долива рабочей жидкости. В этих схемах не удаётся учесть изменение рабочего уровня в гидробаке при использовании двух и более рабочих гидроцилиндров.

Существенный недостаток поплавковых схем заключается ещё в том, что они срабатывают при заметном изменении уровня жидкости в гидробаке. А такое изменение возможно лишь при существенных утечках рабочей жидкости в гидросистеме, т. е. поплавковые схемы защиты заведомо предполагают большие потери рабочей жидкости.

Примером схемы защиты, основанной на гидропневматическом эффекте, может служить схема аварийной защиты выгрузных транспортёров самоходных уборочных машин [22]. Она содержит гидробак, заборную и сливную гидролинии в виде сифона, один конец которого размещён внутри бака над уровнем жидкости, другой подключен к всасывающей гидролинии насоса подпитки. Колено сифона снабжено датчиком давления, соединённым с элементом управления переключателя. Порог срабатывания устройства устанавливается на уровне, превышающем значение колебания уровня жидкости в баке при нормальной работе гидросистемы.

Недостаток такой схемы заключается в том, что при разрыве рукава высокого давления, гидронасос будет продолжает работать и подавать в гидросистему воздушно-масляную смесь, что может привести к выходу из строя гидроагрегатов из-за недостатка смазки. Аварийные потери рабочей жидкости при использовании такой схемы составляют 4 — 5 л [113].

С целью уменьшения потерь рабочей жидкости при разрушении напорной гидролинии следует заборный патрубок всасывающей гидролинии располагать на минимально возможном уровне жидкости в гидробаке при штатном режиме работы гидросистемы.

Приведённый выше анализ показывает, что существующие схемы защиты гидросистем от аварийных потерь рабочей жидкости отличаются принципом действия, конструктивным исполнением и обладают различной эффективностью, а потери при их применении колеблются в широких пределах (от 2 до Юл).

Исследования по совершенствованию устройств защиты гидросистемы от аварийных потерь рабочей жидкости следует проводить в направлении увеличения их быстродействия, повышения надёжности, чувствительности и сокращения потерь рабочей жидкости при возникновении неисправностей в гидросистеме.

1.4.

Цель и задачи исследования

.

Целью работы является совершенствование эксплуатационных свойств гидравлических систем машинно-тракторных агрегатов путём применения устройств гидромеханической защиты гидросистемы при аварийном разрушении рукавов высокого давления.

Для реализации поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать феноменологическую модель поведения гидравлической жидкости при разрушении напорной магистрали.

2. Разработать принципиальную схему и конструкцию устройства защиты гидросистемы от аварийных потерь рабочей жидкости при нарушении целостности гидролиний на основе разработанной модели и определить параметры гидравлической системы при её разрушении.

3. Исследовать рабочие параметры разработанного устройства защиты гидросистемы машинно-тракторных агрегатов и дать рекомендации по его практическому применению.

4. Определить потери рабочей жидкости при разрушении рукавов высокого давления в гидросистеме с предлагаемым защитным устройством и оценить его экономическую эффективность.