Обеспечение работоспособности гидропривода лесных машин в условиях жесткого климата применением материалов с эффектом памяти формы

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.

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: t - время остывания гидрожидкости в трубопроводах в перерывах использования гидросистемы, час; QT - выделяемое

тепло при потере давления на гидросопротивлениях кДж/час; K Б - коэффици-

2 0

ент теплопередачи трубопроводов в условиях жесткого климата кДж/м -час- С.

Для расчета времени понижения температурных параметров гидрожидкости в условиях жесткого климата, применена методика [2].

Перепад температур Т между гидрожидкостью и окружающей средой

с t л t

Qx ^ t

Т =

K

+ To. e n,

1 - е п

V у

отсюда выразим время понижения рабочей температуры гидрожидкости X, час

У СО, (С • Ож ) + ( СТР ' ОТР ) т. т. _

где п = —-= ---—1--; К = Кб • Бтр .

К К

Б ' 1 ТР

После подстановки получаем

Кб - Ftp - То _ Qt

- - Ш

Кб - Ft

Кб ' Бтр ' Т — Рх

где То = Xж — (Тв) - перепад между начальной (установившейся) температурой рабочей жидкости Xж и окружающим воздухом Тв , оС; Т = Тж - (Тв) - перепад между конечной температурой рабочей жидкости Тж (определяет предел функционирования гидросистемы) и окружающим воздухом Тв , оС; Сж , Стр - удель-

ная теплоемкость жидкости и трубопровода, кДж/кг^С; О ж , Отр -масса жидко-

ВН „ , Л • (Б2 Н - ё ВН I

сти и трубопровода, кг; Ож = рж • 1--; Отр = Ртр • 1--*-; рж, Ртр -

-5

плотность гидрожидкости и металла трубопровода, кг/м ; Бн , ёвн - наружный и внутренний диаметр, м; 1 - протяженность напорной и сливной гидролиний до гидроцилиндра захвата, м; Бтр = л • Бн • 1 • ц - площадь теплоотдачи трубопровода, м ; ц - К.П.Д. площади теплоотдачи.

Потери напора по длине и коэффициентов местных сопротивлений, Па

Ар = уя

28

1

V ё вн

Хт + ^

где - коэффициент местного сопротивления; уж - удельный вес жидкости,

Н/м3; Xт = 0,11 •

А 68

.0,25

--1--I - гидравлический коэффициент трения [2] при

V ёвн Яе )

турбулентном режиме (Яе > 2300) ; А - абсолютная шероховатость, мм; Re -число Рейнольдса; 0 - скорость жидкости по трубопроводам, м/сек.

Количество тепла ^, выделяющегося в гидросистеме от потери давления

на гидросопротивлениях, кДж/час; теряемая мощность N = АР • р., кВт; 0 - расход масла через золотник, м /сек;

Р = V- N • 3600,

где V - относительная продолжительность выполняемой операции от времени технологического рабочего цикла.

Рис. 1 отражает зависимость выделяемого тепла Рт от шероховатости трубопровода А

А

1,6

1,5 1,4 1,3 1,2 1,1

л I_ А,мм

I -\-1-1-1

0 0,1 0,2 0,3

Рисунок 1 - Зависимость выделяемого тепла Рт от шероховатости трубопровода

А

Определим ( Кб ) коэффициент теплопередачи трубопроводов, обдуваемых ветром при отрицательной температуре [3], кДж/м^час^С

1

Кб = 4,186 •

11 1 '

—I---1—

о,2 аз

о/

Согласно расчету а1 =250 ккал/м^час^С, и а2 =3000 ккал/м^час^С.

Коэффициент аз найдем по формуле Нуссельта [3]

аз = 800 • с -Лз0'2 • W0'7 -р0'7 •(

4 • Ft П

)

-0,2

где с =0,24 - теплоемкость воздуха, ккал/кг-оС ; Лз =(16,8 - 19,1)- 10-6 - абсолютная динамическая вязкость воздуха, Н-сек/м ; W - скорость проходящего через трубопровод воздуха, м/сек; р - плотность воздуха; кг/м ; Ftp - площадь обду-

2 т-г

ваемого сечения для воздуха, м ; П - периметр того же сечения, м

Принимая: скорость воздуха W=2-10 м/с при плотности воздуха р=1,342-1,584 кг/м3 для диапазона температур воздуха Тв от -10 оС до -50 оС. Полученные значения аз подставляем в (3) и результаты сводим в таблицу 1.

Таблица 1 - Коэффициенты теплопередачи трубопровода Кб , обдуваемого ветром при отрицательной температуре

W ,м/с Тв =-10оС Тв = -20 оС Тв = -30 оС Тв = -40 оС Тв = -50 оС

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 Кб , от скорости ветра при температуре Тв = -10 оС и Тв = -40 оС (рис. 2).

Кб, кДж/м2часоС 400 350 300 250 200 150

г:.....

А

ТЕМПЕРА ВОЗДУХА ТУРА -10

г --ТЕМПЕРАТУРА ВОЗДУХА -40

\ Г

10

W, м/с

Рисунок 2 - Зависимость коэффициента теплопередачи Кб , от скорости ветра при температуре Тв = -10 оС и Тв = -40 оС

0

2

4

6

8

По параметрам

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 гидрожидко-

сти в трубопроводах до предела функционирования гидросистемы меньше, чем период движения лесозаготовительной машины в тяговом и холостом режимах.

тл

-♦— скорость ветра 2 м/с -— скорость ветра 6 м/с

Тв, оС

1, мин

Рисунок 3 - Зависимость времени понижения рабочей температуры гидрожид-

кости

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-Петербургская 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.