Расчёт дроссельного устройства разогрева рабочей жидкости гидропривода с автоматическим управлением в зависимости от температуры

Введение. Большинство современных самоходных машин, работающих в разных отраслях народного хозяйства, гидрофицированы, при этом качество работы гидросистем зависит в том числе и от состояния энергоносителя, связывающего насос и гидродвигатель, от параметров рабочей жидкости. И одним из параметров, в целом влияющих на производительность, является температурный режим работы гидропривода, при этом если двигатель и трансмиссию в условиях низких температур принято предварительно прогревать перед началом работы, то гидравлические системы чаще всего запускаются без прогрева, что приводит к негативным последствиям [10].

Цель исследования. Обоснование и расчёт конструкции дроссельного устройства для разогрева рабочей жидкости гидросистемы.

Задачи исследования. Разработать конструктивную схему дроссельного устройства предварительного разогрева рабочей жидкости гидропривода, представить методику расчёта его параметров.

Объекты и методы исследования. Рабочая температура жидкости в гидросистемах лежит в пределах 50-90 ° С (в зависимости от марки жидкости), что в условиях Сибири, Дальнего Востока и Крайнего Севера приводит к ежесменным перепадам температур в гидросистеме до 120 ° С. Поскольку параметры работы машины напрямую зависят от температуры рабочей жидкости, в приводах могут быть установлены системы регулирования температуры рабочей жидкости, такие как обдув горячим воздухом, инфракрасные горелки, прогрев дросселированием, электронагревательные элементы, нагрев теплом установленного двигателя внутреннего сгорания, выхлопными газами и т.п. Также для повышения эффективности эксплуатации гидропривода применяют изменение области теплообмена, сохранение тепла теплоизоляционными материалами, применение масел с улучшенными эксплуатационными свойствами, обеспечение рациональных температур в процессе рабочего цикла [1, 2] и т.д.

Дроссельные устройства разогрева рабочей жидкости находят применение в гидросистемах самоходных машин и других гидрофицированных агрегатах, работающих на открытом воздухе в зимнее время, для повышения работоспособности гидропривода и сокращения простоев техники, а также в гидросистемах станков для поддержания необходимой температуры рабочей жидкости или более ускоренного выхода гидросистемы на необходимый температурный режим [2, 3].

Результаты исследования и их обсуждение. На рисунке 1 представлена конструкция дроссельного устройства разогрева рабочей жидкости с дистанционным управлением в зависимости от ее температуры. Устройство состоит из корпуса 1 , дросселя предварительного разогрева с регулировочным винтом 2 , конусного управляемого запорного элемента 3 , жестко связанного с управляющим поршнем 4 , пружины 5 , регулировочного винта 6 , капиллярной трубки 7 , выносного тепло-приёмника 8 и направляющей втулки 9 .

Выносной теплоприёмник, капиллярная трубка и поршневая полость герметично соединены между собой и заполнены термометрическим веществом – жидкостью (например, толуол, ксилол, ртуть, полиметилсилоксановая жидкость ПМС-5 ГОСТ 13032-67) или газом (фреон-22, фреон-4, пропилен) с большим коэффициентом температурного расширения. Для исключения влияния теплового расширения теплоприёмника на объём заполняющего его вещества термобаллон рекомендуется изготавливать из стали 1Х18Н9Т.

Рис. 1. Конструкция дроссельного устройства:

1 – корпус; 2, 6 – регулировочные винты; 3 – запорный элемент; 4 – поршень управления; 5 – пружина; 7 – капиллярная трубка; 8 – теплоприёмник; 9 – направляющая втулка

Дроссельное устройство работает следующим образом. Рабочая жидкость из гидросистемы под давлением через канал А подаётся в напорную полость В (см. указатель направления Р 1 на рис. 1). В первоначальный момент времени запорный управляемый элемент 3 закрывает канал С и вся рабочая жидкость течёт в полость D по каналу Е , при этом проходное сечение канала Е дросселя предварительного разогрева регулируется винтом 2 , чем изменяется предустановленная интенсивность разогрева рабочей жидкости. При повышении температуры рабочей жидкости термометрическое вещество в теплоприёмнике, погружённом в гидравлический бак гидросистемы, начинает расширяться и воздействовать на поршень управления 4 . Поршень 4 , преодолевая сопротивление пружины 5 , перемещает управляемый запорный элемент 3 вправо (рис. 1) и приоткрывает проход рабочей жидкости гидросистемы из напорной полости В в сливную полость D через канал С и далее в гидросистему по каналу F . При дальнейшем разогреве рабочей жидкости запорный элемент 3 будет смещаться вправо и открывать канал C до тех пор, пока проходное сечение канала С не будет полностью открыто запорным элементом и рабочая жидкость не будет перемещаться из напорной полости В в сливную полость D , не испытывая гидравлического сопротивления, вызванного дросселированием в канале С запорным элементом 3 . Винтом 6 регулируется жёсткость пружины 5 , и тем самым изменяется температура открытия запорного элемента 3 . С целью исключения влияния изменения разности давления рабочей жидкости на перемещение запорного элемента 3 , в результате внутренних перетечек в корпусе дроссельного устройства, со стороны пружины 5 в запорном элементе 3 просверлен канал, соединяющий пружинную полость со сливной D .

Рис. 2. Проходное сечение дросселя предварительного разогрева

Площадь проходного сечения дросселя предварительного разогрева (рис. 2) определим по формуле [4, 9]

s =n- dcnh h ,(1)

щср щ где hщ – высота щели; dср – средний диаметр проходной щели.

h,. = h • sin a;(2)

щ d  = d^..(Ls!2!!,(3)

ср к где h - величина смещения винта 2; dk - диаметр канала Е дросселя; а - угол конуса винта 2 (см. рис. 1).

Выразив величину смещения винта h через угол его поворота, получим [6]

1   ¥ с

h =      • 5 • sin a ,

360          , где ¥ - угол поворота винта; 5 - шаг резьбы винта.

Для расчёта управляемого золотника составим расчётную схему соотношения сил, действующих на золотник (рис. 3).

F тр.п.

F тр.з.

F пр

F т.в.

F, ин

Рис. 3. Силы, действующие на управляемый запорный элемент

Из условия равновесия золотника запишем [4, 7]

F =F +F +F +F т.в.    тр.п.    тр.з.    пр ин , где Fт.в. – сила, действующая на поршень со стороны термометрического вещества; Fтр.п. – сила трения поршня; Fтр.з. – сила трения запорного элемента; Fпр – сила упругости пружины; Fин – сила инерции.

Сила, действующая со стороны термометрического вещества, определяется из выражения [8]

Ft _e . = ( P o ■^ P_m . _e . ) • S n ,

где Р о - начальное давление закачанного термометрического вещества; ДР т.в. - приращение давления термометрического вещества при изменении воздействующей температуры; S – площадь поршня.

Сила инерции определится из выражения

FUH = тз • a , где mз – масса запорного элемента; а – ускорение запорного элемента.

Силы трения поршня и запорного элемента найдем из выражений:

Fmpn= 106 ’*• Dn • Ln'H' K; Fmp3.= 106 •*• D3 • L3-ц^ K , где Dп и Dз – диаметры поршня и запорного элемента соответственно; Lп и Lз – соответственно длины поршня и запорного элемента, соприкасающиеся с направляющей втулкой; ^ - коэффициент трения (0,02–0,3) [1]; К – коэффициент, зависящий от точности изготовления запорного элемента (0,15–0,03) [1].

Силу упругости пружины определим как

F np = c - ( b + x ) ,                                   (10)

где с – коэффициент жёсткости пружины; b – величина предварительного сжатия пружины (определяется настойкой регулировочного винта); х – величина сжатия пружины при перемещении поршня (запорного элемента) [4].

Выразим величину предварительного сжатия пружины через величину угла поворота регули- ровочного винта b = — 5,

360   , где T - угол поворота винта; 5 - шаг резьбы винта.

Площадь проходного сечения дросселирующего окна конусного запорного элемента

V — тт-И ■ h °щ.з. п Фр.З. Щщ.З. ’ где dср.з. – средний диаметр проходной щели; hщ.з. – ширина щели.

,        ,      ( x - sin 2 В)

ср.з.      к.з.                    ;

^hщ.з. = ^x • ^sin Р ,                                   ⁽¹⁴⁾

где d к.з. – диаметр дросселирующего канала; х – смещение запорного элемента (поршня); β – угол конуса, заданный конструктивно.

В практических расчетах диаметр толкателя можно не учитывать, если площадь проходного сечения канала d к.з. , за вычетом площади поперечного сечения толкателя, больше или равна площади проходного сечения подводящего трубопровода.

Величина смещения золотника х будет равна смещению поршня при тепловом расширении термометрического вещества. Если пренебречь тепловым расширением выносного датчика и капилляра, то будем считать, что изменение объема поршневой полости будет равно изменению объема термометрического вещества. Тогда смещение поршня х найдем из выражения

V х = V^ ,(15)

Sп где Vт.в. – объём термометрического вещества; Sп – площадь поршня.

Vm.s= V + Vkan + Vn ,(16)

где V д – объём выносного датчика; V кап – объем капилляра; V п – объем поршневой полости [5, 10].

Изменение объема термометрического вещества найдем из уравнения

Vme = V-(1 + r-At), где V0 – начальный объем термометрического вещества; r – коэффициент объёмного расширения термометрического вещества; At - изменение воздействующей температуры рабочей жидкости гидросистемы.

Заключение. С целью повышения долговечности гидропривода самоходных машин, работающих при низких температурах, предлагается проводить предварительный разогрев рабочей жидкости до рабочей температуры. Из всех возможных способов разогрева выбрано дросселирование как наиболее простой и эффективный способ, предложена конструкция дроссельного гидроаппарата. При внедрении предлагаемого дросселя эксплуатирующие организации получат возможность проводить разогрев рабочей жидкости с минимальными энергетическими затратами и повысить долговечность гидропривода, что приведёт к повышению производительности, снижению количества простоев и увеличению прибыли.

Предлагаемая конструкция устройства дроссельного разогрева рабочей жидкости и методика его расчёта могут быть использованы на стадии проектирования гидравлических приводов, что позволит производить разогрев гидросистемы с минимальными энергетическими затратами.