Анализ научных исследований, выполненных различными авторами по оценке работы гидравлических систем тракторов и лесных машин в различных климатических районах и влияния отрицательных температур окружающей среды на показатели надежности гидропривода показывает, что до настоящего времени отсутствует точная и проверенная методика расчета гидравлических систем и это не позволяет обоснованно выбрать оптимальный вариант системы для районов Крайнего Севера. Создание такой методики возможно только на основе изучения теплового баланса гидравлической системы и всех видов теплообмена: лучистого, конвективного и за счет теплопроводности.
В условиях отрицательных температур, наиболее характерным движением жидкости является ламинарный режим течения, при котором теплообмен затруднен, а распределение энергии по слоям весьма неравномерно. При течении жидкости, которое сопровождается ее охлаждением, слои жидкости, непосредственно прилегающие к стенке, имеют температуру более низкую, а вязкость более высокую, чем в основном ядре потока. Вследствие этого происходит более интенсивное торможение пристенных слоев жидкости и уменьшение градиента скорости у стенки.
Основные агрегаты тракторной гидросистемы (насос, бак, распределитель, гидроцилиндры и т.д.) соединены между собой стальными трубопроводами и гибкими шлангами высокого давления.
Течение жидкости в трубопроводах связано с гидравлическими потерями, обусловленными сопротивлением трения жидкости, деформацией и изменением скорости потока. Для гидравлических систем тракторов, имеющих значительную протяженность трубопроводов и больше скорости движения жидкости, особенно в условиях эксплуатации при низких температурах, т.е. высокой вязкости рабочей жидкости, возможны значительные потери давления в системе трубопроводов.
Для определения влияния температуры рабочей жидкости на величину гидравлических потерь в различных участиях системы, были проведены экспериментальные исследования на специальной стендовой установке.
Исследования проводились тремя сортами масел: АМГ-10, Ау и МГ-20, при частоте вращения равный 26 об/с и различных температурах рабочей жидкости (рис. 1).
Рис. 1. Потери давления в сливном трубопроводе в зависимости от температуры рабочей жидкости
Экспериментальные исследования показали, что гидравлические потери давления зависят от некоторых факторов, которые по мере изменения температуры рабочей жидкости могут менять свои значения. Данные экспериментальных исследований по влиянию температуры рабочей жидкости на потери давления в различных участках системы приведены в таблицах 1, 2 и 3.
Анализ данных приведенных в таблицах показывает, что снижение температуры рабочей жидкости до значения -300С вызывает резкое возрастание потерь давления, особенно для таких сортов масел, как МГ-20 и АУ. При работе гидравлической системы на масле МГ-20, когда температура рабочей жидкости равна -300С суммарные потери давления при работе на холостом ходу, достигают 10,3 МПа, для масла АМГ-10 при этих же условиях суммарные потери составили 1,73 МПА.
Необходимо отметить, что закономерность изменения потерь давления для всех сортов масел по мере изменения температуры рабочей жидкости примерно одинакова. Различие только в количественной доле участия каждого участка гидравлической системы в суммарных потерях давления. Наибольшие потери давления имеют такие участки, как нагнетательный трубопровод и распределитель Р75-ВЗА.
Так, для этих участков потери при температуре рабочей жидкости -300С при работе на масле АМГ-10 составили соответственно 0,82 и 0,48 МПа, для масла АУ – 3,0 и 1,72 МПа и МГ-20 – 5,0 и 2,8 МПа. По мере увеличения температуры потери давления уменьшаются, так при температуре 00С они составили 0,21 и 0,14 МПа для масла АМГ-10, для АУ-0,8 и 0,49 МПа, а для МГ-20 – 1,5 и 0,71 МПа.
Таблица 1
|
Температура масла, 0С |
Р, МПа |
(АМГ-10) |
||
|
РI-2 нагнет.тр. |
Р3-4 распредел. |
Р3-4 слив.тр. |
Р общие пот. |
|
|
-300С |
0,82 |
0,48 |
0,43 |
1,73 |
|
-200С |
0,50 |
0,27 |
0,25 |
1,03 |
|
-00С |
0,21 |
0,14 |
0,11 |
0,46 |
Таблица 2
|
Температура масла, 0С |
Р, МПа |
(АУ) |
||
|
РI-2 нагнет.тр. |
Р3-4 распредел. |
Р3-4 слив.тр. |
Р общие пот. |
|
|
-300С |
3,0 |
1,72 |
1,50 |
6,22 |
|
-200С |
1,8 |
1,04 |
0,94 |
3,80 |
|
-00С |
0,8 |
0,49 |
0,41 |
1,70 |
Таблица 3
|
Температура масла, 0С |
Р, МПа |
(МГ-20) |
||
|
РI-2 нагнет.тр. |
Р3-4 распредел. |
Р3-4 слив.тр. |
Р общие пот. |
|
|
-300С |
5,00 |
2,80 |
2,50 |
10,3 |
|
-200С |
3,70 |
1,91 |
1,63 |
7,24 |
|
-00С |
1,50 |
0,71 |
0,50 |
2,71 |
Анализируя данные по потерям давления при различных температурах рабочей жидкости можно сделать вывод, что снижение температуры ведет к резкому росту потерь давления и по своей величине рабочего давления, особенно это характерно для таких масел, как АУ и МГ-20. Рост потерь давления соответственно ведет к повышению давления в нагнетательном трубопроводе сразу после насоса (рис. 2), в результате чего появляется опасность работы насоса в режиме перегрузки. Так, при работе на маслах АУ и МГ-20, когда температура рабочей жидкости равнялась -3…-350С, в нагнетательном трубопроводе длиной 1500 мм образуется гидравлическая «пробка», преодолеть которую давлением равным 10,0 МПа создаваемым насосом было невозможно. Во время испытаний отмечен случай механического разрушения насоса, наблюдались случаи защемления золотника распределителя Р75-ВЗА.
Рис. 2. Потери давления в нагнетательном трубопроводе в зависимости от температуры рабочей жидкости
Исследования влияния изменения частоты вращения вала насоса в диапазоне 26…16 об/с на изменение потерь давления в гидравлической системе показало, что разность суммарных потерь для различной частоты вращения вала составила 0,2…0,4 МПа, т.е. изменение частоты вращения вала насоса при температурах рабочей жидкости в пределах 0…-500С вызывает изменение потерь давления на 2…3% от потерь при работе на номинальной частоте вращения.
На основании проведенных исследований можно сделать вывод, что для уменьшения влияния температуры рабочей жидкости на потери давления необходимо, чтобы диаметры нагнетательных трубопроводов находились в пределах 20…25 мм, а диаметр сливного трубопровода соответственно 30…40 мм.
С целью уменьшения теплоотдачи в окружающую среду все трубопроводы необходимо покрыть теплоизоляционным материалом. Уменьшение потерь давления возможно также путем подбора рабочей жидкости с соответствующей температурно-вязкостной характеристикой типа АМГ-10 и предварительной тепловой подготовкой.
Рецензенты:
Сушков С.И., д.т.н., профессор кафедры технологии и машин лесозаготовок ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта;
Павлов А.И., д.т.н., профессор кафедры лесных, деревообрабатывающих машин и материаловедения ФГБОУ ВПО «Ухтинский государственный технический университет», г. Ухта.