ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ГИДРОПРИВОДА ЛЕСНЫХ МАШИН В УСЛОВИЯХ ЖЕСТКОГО КЛИМАТА ПРИМЕНЕНИЕМ МАТЕРИАЛОВ С ЭФФЕКТОМ ПАМЯТИ ФОРМЫ
Дроздовский Г. П., Шоль Н. Р., Андронов И. Н., Коновалов М. Н.
(УГТУ, г. Ухта Р. Коми, РФ)
Use of materials with effect of memory of the form in hydrocylinders of systems of a hydrodrive of wood machines
Гидропривод технологического оборудования лесозаготовительных машин, содержащий гидролинии значительной протяженности (до 10 м), подвержен воздействию факторов жесткого климата (отрицательная температура и ветровой обдув).
Это приводит к повышению вязкости гидрожидкости, росту потерь давления, к нарушению функционирования гидросистемы и к большому проценту отказов гидросистемы (30 - 50% от отказов по машине). Альтернативой решения этих проблем является применение силовых исполнительных гидроцилиндров на базе использования материалов с эффектом памяти формы (МЭПФ) [1].
Для обоснования перехода на гидроцилиндры с МЭПФ приведен анализ параметров теплообмена объемного гидропривода в рассматриваемых условиях жесткого климата.
Такими
параметрами являются: 
- время остывания гидрожидкости
в трубопроводах в перерывах использования гидросистемы, час; 
-
выделяемое тепло при потере давления на гидросопротивлениях кДж/час; 
-
коэффициент теплопередачи трубопроводов в условиях жесткого климата кДж/м2
×час× 0С.
Для расчета времени понижения температурных параметров гидрожидкости в условиях жесткого климата, применена методика [2].
Перепад температур Т между гидрожидкостью и окружающей средой
,
(1)
отсюда выразим время понижения рабочей температуры гидрожидкости t, час
где
;
.
После подстановки получаем
, (2)
где
-
перепад между начальной (установившейся) температурой рабочей жидкости 
и
окружающим воздухом 
, оС; 
-
перепад между конечной температурой рабочей жидкости 
(определяет
предел функционирования гидросистемы) и окружающим воздухом , оС;
,
-
удельная теплоемкость жидкости и трубопровода, кДж/кг×оС; 
, 
-масса
жидкости и трубопровода, кг; 
; 
; 
, 
- плотность
гидрожидкости и металла трубопровода, кг/м3; 
, 
-
наружный и внутренний диаметр, м; 
- протяженность
напорной и сливной гидролиний до гидроцилиндра захвата, м; 
- площадь
теплоотдачи трубопровода, м2; 
- К.П.Д.
площади теплоотдачи.
Потери напора по длине и коэффициентов местных сопротивлений, Па
где
–
коэффициент местного сопротивления; 
- удельный вес жидкости,
Н/м3; 
– гидравлический коэффициент трения [2] при турбулентном
режиме 
;
- абсолютная
шероховатость, мм; Re - число Рейнольдса; 
- скорость жидкости по
трубопроводам, м/сек.
Количество тепла 
, выделяющегося в гидросистеме
от потери давления на гидросопротивлениях, кДж/час; теряемая
мощность 
, кВт; Q – расход
масла через золотник, м3/сек;
где
-
относительная продолжительность выполняемой операции от времени технологического
рабочего цикла.
Рис. 1 отражает зависимость выделяемого тепла от шероховатости трубопровода (при 
)
Рисунок
1 - Зависимость выделяемого тепла от шероховатости
трубопровода
Определим (
) коэффициент
теплопередачи трубопроводов, обдуваемых ветром при отрицательной температуре
[3], кДж/м2×час×оС
(3)
Согласно расчету 
=250 ккал/м2×час×оС, и 
=3000 ккал/м2×час×оС.
Коэффициент 
найдем по формуле
Нуссельта [3]
,
(4)
где
с =0,24 - теплоемкость воздуха, ккал/кг×оС ; 
=(16,8 – 19,1)× 10-6 – абсолютная динамическая вязкость
воздуха, Н×сек/м2; W – скорость
проходящего через трубопровод воздуха, м/сек; 
- плотность воздуха;
кг/м3; 
– площадь обдуваемого
сечения для воздуха, м2; П – периметр того же сечения, м
Принимая: скорость воздуха W=2-10 м/с при плотности воздуха =1,342-1,584 кг/м3
для диапазона температур воздуха от -10 оС до
-50 оС. Полученные значения подставляем в (3) и
результаты сводим в таблицу 1.
Таблица
1 - Коэффициенты теплопередачи трубопровода , обдуваемого ветром при
отрицательной температуре
|
W ,м/с |
|
|
|
|
|
|
2 |
161,0 |
164,8 |
168,5 |
172,6 |
177,0 |
|
4 |
237,8 |
242,0 |
247,7 |
252,6 |
258,4 |
|
6 |
291,5 |
299,0 |
303,3 |
310,1 |
317,2 |
|
8 |
334,9 |
340,3 |
345,9 |
354,7 |
364,0 |
|
10 |
370,4 |
377,1 |
384,0 |
391,2 |
398,7 |
Построим зависимость коэффициента теплопередачи , от
скорости ветра при температуре = -10 оС и = -40
оС (рис. 2).
КБ,
кДж/м2часоС W, м/с
Рисунок
2 - Зависимость коэффициента теплопередачи , от скорости ветра
при температуре
= -10 оС
и = -40 оС
По параметрам (=7800 кг/м3; =890
кг/м3; 
=41,3 кДж/оС;
=0,0334
м; =0,0254
м; =9,5+9,5=19
м; 
=1,594
м2; 
=0,0025 м3/сек;
=0,8; =0,04мм; =0,2)
при различных 
рассчитаем время
понижения рабочей температуры гидрожидкости t (мин) в
трубопроводе (=19 м) от температуры
окружающего воздуха при скорости
ветра W=2 м/с и W=6 м/с для =20 оС
и =0
оС при от -10 оС до
-50 оС (
20 оС
= 1915 кДж/час) (рис. 3)
По данным [4] время, при котором не используется манипуляторное оборудование внутри технологического цикла (трелевка и холостой ход), составляет: для ТБ-1 до 6,33 мин; для ЛП-18 до 5,16 мин; для ЛП-17 и ЛП-19 до 3,95 мин; для ЛТ-157 до 3,36 мин. Таким образом, время охлаждения гидрожидкости в трубопроводах до предела функционирования гидросистемы меньше, чем период движения лесозаготовительной машины в тяговом и холостом режимах.
t, мин ТВ,
оС
Рисунок 3 – Зависимость времени понижения рабочей
температуры гидрожидкости
Отсюда следует, что при проектировании нужно рассматривать мероприятия по обеспечению работоспособности гидросистемы в условиях жесткого климата. Одним из таких направлений является применение силовых гидроцилиндров на базе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ) в качестве силового привода гидроцилиндров управления элементами технологического оборудования. Исполнительные гидроцилиндры одностороннего действия, с механизмом создания давления гидрожидкости от усилия пружин или стержней трубного профиля из материала с ЭПФ в процессе их нагрева, позволят: сократить количество элементов объемного гидропривода (насосы, трубопроводы, распределители, бак, фильтры); применять синтетические гидрожидкости (4 – 6 л на один гидроцилиндр) с независимыми параметрами работы в условиях жесткого климата; тем самым устранить аварийные ситуации выброса гидрожидкости при внезапной разгерметизации гидролиний.
Все это позволит повысить надежность и экологичность технологического оборудования лесосечных машин.
Литература
1. Дроздовский Г.П., Андронов И.Н., Коновалов М.Н. Использование материалов с эффектом памяти формы в гидроцилиндрах системы гидропривода лесных машин // Межвузовский сборник научных трудов / Санкт-Петербург-ская государственная лесотехническая академия имени С.М. Кирова. - С-Пб.: ЛТА, 2003.- С. 42-47.
2. Лебедев Н.И. Объемный гидропривод машин лесной промышленности: Учебное пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Лесная промышленность, 1986. - 296 с.
3. Попык К. Г. Конструирование и расчет автомобильных и тракторных двигателей.- М.: Высшая школа, 1968. - 386 с.
4. Кушляев В.Ф. Лесозаготовительные машины манипуляторного типа. – М.: Лесная промышленность, 1988. – 248 с.