АВАРИЙНОЕ УСТРОЙСТВО ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ ЗАЩИТЫ СИСТЕМЫ ГИДРОПРИВОДА ЛЕСОЗАГОТОВИТЕЛЬНЫХ МАШИН

Коновалов М. Н., Дроздовский Г.П., Андронов И.Н. (УГТУ, г. Ухта, РФ)

The device of emergency ecological protection of system of a hydrodrive of wood machines.

Известно, что сложные климатические работы, динамическое воздействие со стороны предмета труда – приводят к недостаточной надежности лесопромышленного оборудования. Как показывает анализ эксплуатационной надежности отечественных лесозаготовительных машин [1], гидросистема имеет значительный процент отказов (30%-54% от всех отказов по машине); на механические повреждения гидропривода приходится 36%-45% от общего числа, а нарушение функционирования резино-технических изделий (РВД, уплотнения) составляет 48%-50%. Гидрошланги и трубопроводы, подвержены интенсивным процессам старения и усталостного разрушения (разрывы от 29,7% до 44,4%; расслоение; разрушение рабочих оболочек), особенно в условиях знакопеременного динамического нагружения при отрицательных температурах, что определяет их низкую надежность и наибольший процент отказов по гидросистеме (внешняя негерметичность – 42%, причем из них 44% - отказы уплотнений, а 56% разрывы трубопроводов и рукавов высокого давления (РВД)). Следствием разгерметизации гидропривода является экологически вредный выброс гидрожидкости в окружающую среду (до 500 л), что приводит к экологическому загрязнению, простоям технологического оборудования и дополнительным затратам на горюче-смазочные материалы (ГСМ).

Существующие предохранительные устройства имеют множество недостатков. Одни по принципу действия зависят от вязкости гидрожидкости и часто дают ложные срабатывания при ее повышении, особенно в условиях низких температур. Другим предохранительным устройствам требуются значительные дополнительные электромеханические связи, что существенно усложняет и удорожает структуру гидропривода. Еще одним недостатком является то, что участки гидросистемы (напорные, магистральные, сливные ) имеют различные рабочие параметры, особенности нагружения и время циклической эксплуатации. Например для гидропривода ходовой части или нереверсивного гидропривода, неконтролируемость сливных линий может быть значительной по времени, в отличии от агрегатов с ограниченным сливом. Все это затрудняет адекватный выбор предохранительных устройств для соответствующей гидросистемы.

Устранение некоторых из этих недостатков возможно за счет применения аварийного устройства экологической защиты на базе материалов с эффектом памяти формы (ЭПФ). Принципиальная схема данного устройства показана на рис.1.

Принцип работы заключается в следующем: рабочий элемент из сплава с ЭПФ (втулка) 3 находится в состоянии теплового баланса, т. е. материал с ЭПФ не должен достигать температуры начала обратного мартенситного перехода за счет температуры проходящей через него рабочей жидкости (жидкость служит как охладитель). В процессе работы масло, поступающее через сливную линию 11 проходит по винтовому контуру втулки 4, охлаждая элемент с ЭПФ, тем самым предотвращая его воздействие на клапан 1 (сказывается условие теплового баланса). Таким образом клапан 1 открыт и гидрожидкость от насоса через напорную полость поступает к распределителю, образуя замкнутую систему гидропривода. В случае разгерметизации тубопровода, поток через сливную магистраль прекращается, втулка с ЭПФ нагревается (от нагревательного элемента 5), создавая давление на клапан 1(создается усилие и удлинение от нагрева ). Тем самым происходит закрытие клапана 1 и открытие клапана 2, предотвращая доступ гидрожидкости к элементам гидросистемы. Данное устройство позволяет контролировать герметичность напорных и сливных гидролиний в процессе эксплуатации, с эффективным отводом масла (в случае выброса) через открытый клапан 2 в бак. Для предотвращения ложного срабатывания нагревательный элемент включается и выключается автоматически с включением потребителя через распределитель. В летнее время для устойчивого теплового баланса в аварийном устройстве, рекомендуется применять материал с ЭПФ с более высокой температурой начала обратного мартенситного перехода или на сливной линии до входа в аварийное устройство устанавливать охладитель (радиатор или змеевик).

Таким образом данное аварийное устройство экологической защиты системы гидропривода лесозаготовительных машин на базе материалов с ЭПФ, позволит повысить экологичность и надежность технологического оборудования в случае аварийного разрыва гидролиний.

Рисунок 1 – Схема аварийного устройства:

1,2 – рабочий клапан, 3-втулка из материала с ЭПФ, 4 – втулка охлаждения,
5 – нагревательный элемент, 6 – медная втулка, 7 – пружина противодействия, 8 – предохранительный клапан, 9 – напорная линия от насоса, 10 – напорная линия к распределитею, 11 – сливная линия.

В качестве увеличения теплоотдачи применяем в зоне теплообмена завихрители в виде спирального прохода. Использование завихрителей в системе наиболее благоприятно. Увеличивается КПД, улучшается теплоотдача - повышается скорость остывания металла с эффектом памяти формы (образуется турбулентный режим).

При турбулентном режиме для определения коэффициента теплоотдачи рекомендуется уравнение согласно источнику [2]

^,(1)

где – число Прандтля для жидкости принимаем, = 290; – число Прандтля для металла с ЭПФ принимаем = 48; Rе – критерий Рейнольдса.

Для решения этого критериального уравнения необходимо знать температуру нагрева металла (t_н=120⁰ C). Определяем величину коэффициента теплоотдачи от стенки к маслу согласно источнику [2] .

, (2)

где – коэффициент теплопроводности охлаждающей жидкости, Вт/(м ⁰С), = 0,1217 Вт/(м ⁰С); – диаметр сечения винтового прохода , м.

Расчет теплоотдачи в изогнутых трубках [2] производится по формулам для прямой трубы с последующим введением в качестве сомножителя поправочного коэффициента

, (3)

где R – радиус охладительного контура; м.

Коэффициент теплоотдачи от стенки к жидкости согласно источнику [2] для сечения с завихрением

, (4)

Количество теплоты, передаваемое от металла охлаждающей жидкости

, (5)

где – длина материала с ЭПФ, м; – разница начальной и конечной температур

⁰С

Количество теплоты передаваемое в единицу времени через стенку материала с ЭПФ

, (6)

где – наружный диаметр втулки с ЭПФ, м; – внутренний диаметр втулки с ЭПФ, м; – коэффициент теплопроводности охлаждающей жидкости, Вт / (м⁰С), = 42 Вт/(м ⁰С).

По формулам (1-6) произведем расчет (диаметры винтового прохода: d_вн1=10мм, d_вн2=15 мм, d_вн3=20 мм; размеры втулки с ЭПФ: d₁=0,15 м, d₂=0,1 м, l=0,15 м). Выстроим зависимость (рис.2) количество передаваемого тепла Q(кДж/час) от диаметра сечения винтового прохода d_вн

d_{вн, мм}

Рисунок 2 – Зависимость количества передаваемого тепла от диаметра сечения винтового прохода.

Количество теплоты передаваемое в единицу времени через стенку материала с ЭПФ согласно формуле (6) Q_М=19800 кДж/час (существенно меньше чем Q). Таким образом, применение винтового прохода в охладительной втулке разрабатываемого аварийного устройства, позволяет эффективно охлаждать рабочий элемент из материала с ЭПФ.

Литература

Тюкавин В. П., Попов Ф. П. Повышение надежности лесных машин. (Межиздательская серия "Надежность и качество"). М.: Лесная промышленность, 1978.- 168 с.
Михеев М. А., Михеева И. М. Основы теплопередачи. Изд. 2-е, стереотип. М.: Энергия ,1977.- 344 с.