Автореферат: Обоснование параметров и режимов работы лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом

Рисунок 1 - Конструктивная схема (а) и расчетная гидравлическая подсистема (б) лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом

Основное уравнение разработанной математической модели связывает гидравлическую и механическую подсистемы:

(1)

где J_М, J_Р, J_П - моменты инерции гидромотора,; ротора-метателя, передачи, приведенные к оси вращения ротора, кгм²; ц_Р - угол поворота ротора, рад; Q_М - расход рабочей жидкости гидромотором, м³/с; P_М и P₀ - давление на входе и выходе гидромотора, Па; N_ЭГ и N_ЭП - количество элементов грунта и препятствия (корни, пни, камни), взаимодействующих с лопатками ротора; r_i - расстояние от оси ротора до взаимодействующего с ротором i-го элемента грунта или препятствия, м; F^ф_Гi и F^ф_Пi - касательные составляющие силы воздействия i-го элемента грунта и препятствия на ротор, Н; М_СТ - момент силы сухого трения при вращении ротора, Нм; k_ВТ - коэффициент вязкого трения, Па c.

При моделировании энергосберегающего гидропривода с учетом расчетной схемы (рисунок 1, б) принимаем, что давление P_m в полости m изменяется в соответствии с теорией объемной жесткости профессора А.Т. Рыбака:

,(2)

где С_прi - приведенные коэффициенты объёмной жёсткости соответствующего участка гидравлической системы, включающие параметры гидроаккумулятора (давление зарядки и его объем), Н/ м⁵.

Для рабочей полости гидроаккумулятора уравнение (2) имеет вид:

,(3)

где E_Ж - модуль упругости рабочей жидкости, Па; V_ПГА - объём рабочей полости пневмогидроаккумулятора, м³; P_пга - давление газа при зарядке пневмогидроаккумулятора, Па; p_А - текущее значение давления рабочей жидкости в рабочей полости пневмогидроаккумулятора, Па; k - показатель адиабаты газа, равный 1,41.

При условии, что давление в полости i больше давления в полости j, расход рабочей жидкости Q_ij определяется по формуле:

,(4)

где i и j - индексы полостей; k_ij - коэффициент дросселирования:

,(5)

м - коэффициент расхода равен 0,7...0,8; эффективный диаметр d_ij отверстия полости, м; g - ускорение свободного падения, м/с²; г - удельная сила тяжести рабочей жидкости, Н/м³.

Для определения сил F^ф_Гi и F^ф_Пi воздействия i-го элемента грунта и препятствия на ротор-метатель составлены уравнения движения конечных элементов:

(6)

где m_i - масса i-го элемента грунта, кг; N_Э - количество элементов грунта; с_ij и d_ij - коэффициенты жесткости и вязкости взаимодействия элементов i и j Н/ м⁵; r_ij - расстояние между центрами элементов i и j, м; d_В - расстояние между элементам, м; N_П - количество элементарных поверхностей рабочих органов.

Рисунок 2 - Результаты моделирования в разработанной программе

Разработанная компьютерная программа (подана заявка в Роспатент на государственную регистрацию программы для ЭВМ) несколько раз в секунду выводит на экран компьютера схематичное изображение в трех проекциях рабочие органы и почвенную систему, а также временную зависимость момента сопротивления вращению ротора (рисунок 2). Получены зависимости давления рабочей жидкости в рабочих режимах с пневмогидравлическим аккумулятором (с ПГА) и при отключении пневмогидравлического аккумулятора (без ПГА) (рисунок 3). При встрече ротора с препятствием, при отключении пневмогидравлического аккумулятора, возрастает всплеск давления рабочей жидкости в напорной гидролинии гидромотора до 17,42 МПа, приводящий к остановке вращения ротора и вала гидромотора. При подключении гидроаккумулятора давление возрастает до 13 МПа, т.е. снижение динамических нагрузок происходит на 34 %. При преодолении препятствия предохранительный клапан гидромотора не срабатывает за счет того, что гидроаккумулятор поглощает гидравлическую энергию, и она не превращается в тепловую. При моделировании рабочих процессов изучалось влияние гидроаккумулятора на угловую скорость вала гидромотора при встрече ротора с препятствием (рисунок 4). Время разгона ротора-метателя при подключении гидроаккумулятора длится на 1,5-2 с меньше, чем без гидроаккумулятора, т.к. накопленная энергия в гидроаккумуляторе в момент торможения ротора возвращается в гидропривод после преодоления препятствия и способствует более быстрому разгону ротора, снижает длину огреха при прокладке полос на 0,8-1,1 м.

Рисунок 3 - Теоретические зависимости работы грунтомета с пневмогидравлическим аккумулятором (с ПГА) и при отключении пневмогидравлического аккумулятора (без ПГА)

Рисунок 4 - Влияние гидроаккумулятора на угловую скорость вала гидромотора при рабочих режимах

Для изучения влияния давления предварительной зарядки гидроаккумулятора P_ПГА на показатели эффективности энергосберегающего гидропривода проведена серия компьютерных экспериментов (рисунок 5). При давлении зарядки пневмогидравлического аккумулятора 6...7 МПа энергосберегающий гидропривод запасает за рабочий цикл энергию порядка 15,2...16,8 кДж (рисунок 5а), всплески давления не превышают 12,3 МПа (рисунок 5б), при которых не срабатывают предохранительные клапаны гидромотора. Общая рекуперируемая энергия за счет сокращения количества срабатываний предохранительных клапанов может составить около 3000 кДж на один погонный километр прокладки полосы при плотности препятствий до 200 шт/км.

а)

б)

Рисунок 5 - Влияние начального давления газа в пневмогидроаккумуляторе P_ПГА на запасаемую энергию за рабочий цикл E_ц (а), амплитуду всплеска давления в гидросистеме P_m (б)

Проведена оценка влияния коэффициента дросселирования k_ГА в трубопроводе между гидроаккумулятором и гидромотором на эффективность энергосберегающего гидропривода (рисунок 6). При коэффициенте дросселирования в диапазоне 10-⁶...10-³ м³·с·Па-^1/2 энергосберегающий гидропривод является вполне эффективным и обеспечивает E_ц около 8 кДж, при давлении P_m около 3 МПа. При k_ГА менее 10-⁸м³·с·Па-^1/2 перетекания рабочей жидкости в момент торможения гидромотора практически не происходит, поэтому энергия, накапливаемая за рабочий цикл мала - менее 2,5 кДж и в гидросистеме происходит существенный всплеск давления более 15 МПа.

а) б)

Рисунок 6 - Влияние коэффициента дросселирования между гидромотором и пневмогидроаккумулятором k_ГА на запасаемую энергию за рабочий цикл E_ц (а), амплитуду всплеска давления в гидросистеме P_m (б)

В рамках серии компьютерных экспериментов частота вращения гидромотора n_об/с варьировалась от 1 об/с до 9 об/с с шагом 1 об/с (рисунок 7). При увеличении частоты вращения ротора-метателя количество, запасаемой пневмогидравлическим аккумулятором энергии E_ц растет, однако при увеличении частоты вращения ротора возрастает, и величина всплеска давления в гидросистеме P_m. Оптимальным диапазоном частоты вращения n_об/с является интервал 7…8 об/с. При таких значения частоты вращения запасаемая энергия составляет E_ц = 10…15 кДж. При варьировании частоты вращения гидромотора n_об/с от 7 до 9 об/с давление P_m возрастает от 10 до 12,5 МПа.

а) б)

Рисунок 7 - Влияние частоты вращения гидромотора n_об/с на запасаемую энергию за рабочий цикл E_ц (а), амплитуду всплеска давления в гидросистеме P_m (б)

В третьей главе приведены описание конструкции и рабочего процесса экспериментального образца лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом ротора-метателя, применяемое контрольно-измерительное оборудование, а также программа и методика проведения полевых исследований. Привод ротора-метателя экспериментального образца лесопожарной грунтометательной машины осуществляется от аксиально-поршневого гидромотора 1 типа 11М-20 (рисунок 8), который установлен при помощи сварного кронштейна на задней части кожуха-рыхлителя. Регулируемый аксиально-поршневой гидронасос 11Д-20, установленный на задней части рамы лесохозяйственного трактора ЛХТ-55, обеспечивает варьирование частоты вращения гидромотора, что позволяет получить зависимости динамических характеристик от частоты вращения ротора-метателя. Гидроаккумулятор 2, установлен рядом с гидромотороми предназначен для накопления энергии сжатого газа при преодолении препятствий и для сглаживания пульсации давлений при рабочих режимах лесопожарной грунтометательной машины. К напорному трубопроводу 3 гидромотора 1 подсоединен через штуцер датчик давления рабочей жидкости типа ПД-100 с диапазоном измерения давления рабочей жидкости 0…16 МПа. Сигналы с датчика давления передавались через АДАМы и преобразователь интерфейса на ЭВМ. Мгновенную частоту вращения ротора-метателя фиксировали лазерным тахометром CEMAT-6. Для привода ротора-метателя заводского опытного образца лесопожарной грунтометательной машины при внедрении в производство рекомендуются современные отечественные нерегулируемые аксиально-поршневые гидронасос и гидромотор серии 310.112.00.06.

Рисунок 8 -Экспериментальный образец лесопожарной грунтометательной машины

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований динамики энергосберегающего гидропривода и оценка его влияния на динамические и качественные показатели лесопожарной грунтометательной машины. Обоснованы оптимальные значения параметров энергосберегающего гидропривода лесопожарной грунтометательной машины.

Полевые испытания проводились в Конь-Колодезном лесничестве учебно-опытного лесхоза ВГЛТУ. В ходе проведения испытаний лесопожарная грунтометательная машина агрегатировалась с трактором ЛХТ-55. Экспериментальные осциллограммы изменения давления в гидроприводе, характеризующие работу ротора-метателя при выключенном и включенном пневмогидроаккумуляторе (ПГА), показаны на рисунке 9.

а) б)

Рисунок 9 - Экспериментальные осциллограммы давления рабочей жидкости лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом без пневмогидроаккумулятора (а) и с пневмогидроаккумулятором (б)

В результате обработки осциллограмм рабочих режимов лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом при помощи программы STATISTICA были установлены повторности отдельных величин нагрузок и построены гистограммы распределения давления без использования ПГА и с использованием ПГА. Результаты полевых исследований динамической нагруженности энергосберегающего гидропривода лесопожарной грунтометательной машины показали, что на почвах, насыщенных корнями, гистограмма распределения давления в гидросистеме сдвинута в сторону максимальных нагрузок, при этом динамическая нагруженность увеличивается в 1,3-1,5 раза. При спектральном анализе случайных рабочих процессов без использования ПГА выявлены характерные колебания нагрузок с локальными экстремумами в диапазонах 10-14 с^-1 и 19-24 с^-1, а с использованием ПГА преобладают низкочастотные колебания с частотой менее 3,25 с^-1.

Установлено, что при предварительной зарядке пневмогидравлического аккумулятора от 6 до 7 МПа запасаемая энергия имеет значения 15…17 кДж соответственно, амплитуда всплеска давления при этом варьируют в пределах 9…12,5 МПа. При значениях частоты вращения гидромотора 7…8 с^-1 наблюдаются показатели запасаемой энергии равные 10…15 кДж, а амплитуда всплесков давления в гидросистеме находится в диапазоне 11,5…12,2 МПа. Общая запасаемая аккумулятором энергия E_общ при прокладке 1 км полосы при плотности препятствий 200 шт/км может составить около 3000 кДж, что обеспечит снижение энергозатрат на 7-8 %.

Двухфакторную задачу оптимизации параметров рабочего объема V_ПГА и предварительной зарядки P_ПГА пневмогидроаккумулятора аналитически можно выразить системой уравнений:

(7)

На основании данных полнофакторного эксперимента для каждого критерия эффективности рабочего процесса были получены аналитические выражения:

E_ц (V_ПГА, P_ПГА) = 125,46 V_ПГА² + 7,36 P_ПГА² + 0,27 V_ПГА•P_ПГА - 6,14V_ПГА - 0,2 P_ПГА + 54,99; (8)

P_m(V_ПГА, P_ПГА) = 0,76 V_ПГА² - 0,36 P_ПГА² - 0,02 V_ПГА•P_ПГА + 0,12 V_ПГА + 0,01 P_ПГА + 5,03; (9)

E_общ (V_ПГА, P_ПГА) = 8,16 V_ПГА² + 7,21 P_ПГА² + 0,54 V_ПГА•P_ПГА + V_ПГА - 0,31 P_ПГА - 38,88; (10)

, (11)

где V_ПГА имеет размерность дм³,

P_ПГА - МПа, Е_ц - кДж, P_m - МПа, E_общ - кДж.

Полученные закономерности

E_ц (V_ПГА, P_ПГА), P_m (V_ПГА, P_ПГА) и E_общ (V_ПГА, P_ПГА) были отражены в виде поверхностей отклика (рисунок 10).

а)

б)

в)

Рисунок 10 - Закономерности E_ц (V_ПГА, P_ПГА) (а); E_общ (V_ПГА, P_ПГА) (б); P_m(V_ПГА, P_ПГА) (в), представленные в виде поверхностей отклика, благоприятная область (красный цвет) и неблагоприятная (фиолетовый цвет).

Анализ полученных закономерностей E_ц (V_ПГА, P_ПГА); P_m(V_ПГА, P_ПГА) и E_общ (V_ПГА, P_ПГА), представленных в виде поверхностей отклика, позволяют сделать вывод, что оптимальным параметрами гидроаккумулятора являются значения объема V_ПГА = 5...6 дм³ и давление предварительной зарядки P_ПГА = 6…7 МПа. При данных параметрах V_ПГА и P_ПГА гидроаккумулятора запасаемая за рабочий цикл энергия E_ц составляет не менее 15-17 кДж, а максимальный всплеск давления в гидросистеме P_m не более 12 МПа.

Проведенные полевые испытания экспериментального образца лесопожарной грунтометательной машины с энергосберегающим гидроприводом подтвердили теоретические исследования: расхождение теоретических и экспериментальных данных не превышает 10 %.

В пятой главе представлено технико-экономическое обоснование применения энергосберегающего гидропривода лесопожарной грунтометательной машины в производственных условиях. Установлено, что длина огреха после преодоления препятствия снижается на 0,7-1,0 м, поэтому длина эффективной полосы с новым энергосберегающим гидроприводом увеличивается на 14-20 % при плотности препятствий 200 шт/км. На расстоянии выброса грунта 7-8 м создается толщина слоя 6-8 см, а на расстоянии 10 м толщина слоя грунта составляет около 4 см.