УСТРОЙСТВО ПРЕДПУСКОВОГО ПОДОГРЕВА ГИДРАВЛИЧЕСКОГО ПРИВОДА МАШИНЫ И СПОСОБ ЕГО ОЧИСТКИ ОТ ТВЕРДЫХ ПРОДУКТОВ НЕПОЛНОГО СГОРАНИЯ ТОПЛИВА
PRESTARTING HEATER OF MACHINE HYDRAULIC DRIVE AND METHOD OF ITS CLEANING OF INCOMPLETE FUEL COMBUSTION SOLID PRODUCTS

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано при строительстве на землеройной и дорожно-строительной технике, на лесозаготовительных машинах, в машинах инженерного вооружения МО РФ, а также в других отраслях промышленности при эксплуатации машин с гидроприводом в условиях отрицательных температур. В зимнее время при низких температурах воздуха, в результате увеличения плотности рабочей жидкости, затрудняется ее всасывание гидронасосом из бака, увеличивается сопротивление всасывающего трубопровода и вследствие этого понижается давление на входе в гидронасос, что приводит, при определенных условиях, к кавитационному режиму работы гидропривода и потере работоспособности насоса.
Известно устройство предпускового подогрева гидравлического привода машины, содержащее основной гидронасос, кинематически связанный с тепловым двигателем, и контур циркуляции жидкого теплоносителя, включающий теплоаккумулятор, соединенный с одной стороны с выхлопной трубой теплового двигателя, с другой - со всасывающей линией дополнительного гидронасоса, в напорной линии которого установлен первый распределитель, соединенный с маслобаком гидросистемы, отличающееся тем, что оно снабжено дросселем, вторым распределителем и перепускным клапаном, при этом напорная линия дополнительного гидронасоса через первый распределитель подключена к основному гидронасосу, напорная линия которого связана через последовательно соединенные дроссель, второй распределитель и перепускной клапан с маслобаком (патент Российской Федерации RU №2187604 С2 МПК Е02F 9/20, E02F 9/22, 2000, опубликовано 20.08.2002).
Названное устройство может быть принято за аналог.
Недостатками аналога являются:
- сложность конструкции, высокая стоимость изготовления и трудности в эксплуатации теплоаккумулятора на базе эффекта фазового перехода кристаллогидратов гидроксида бария (хранение, утилизация реагентов и т.д.); несмотря на то, что основные эксперименты с ним проводились более двадцати лет назад, теплоаккумулятор подобного принципа действия в реальных условиях эксплуатации до настоящего времени применения не нашел;
- большая масса названного теплоаккумулятора, особенно в рабочем, то есть заправленном состоянии, когда вся рабочая жидкость (масло) гидросистемы строительной машины, например экскаватора, вместимостью 250 л, как дано в описании изобретения "по окончанию работы строительной машины помещают в теплоаккумулятор…"; в бульдозере вместимость гидросистемы навесного оборудования составляет 110 л и отдельной гидросистемы управления еще 35 л; мало того, из описания работы устройства известно, что и охлаждающая жидкость двигателя (а это для экскаваторов и бульдозеров от 26 до 75 л) также оказываются в вышеназванном аккумуляторе, а затем гидронасосом системы охлаждения двигателя подается в теплообменник, встроенный в маслобак гидросистемы, и, по замкнутому контуру возвращается в двигатель, что усложняет систему охлаждения двигателя, увеличивает нагрузку на ее гидронасос и дополнительно требует его проверочного расчета;
- дополнительный гидронасос имеет электропривод, то есть требуется внешний источник напряжения и питающий кабель, однако зачастую место работы строительной машины находится далеко от подобных источников электроэнергии, то есть устройство не является автономным, если машина не имеет собственного генератора напряжением не менее 230 В;
- вызывает вопрос место установки названного устройства, массой около 1 т, на строительной машине и проблема дизайна машины, оснащенной такой габаритной конструкцией, что также ограничивает ее применение, тем более что необходимость в таком подогреве может быть не более месяца в году;
- в описании указывается, что подобная тяжелая конструкция устройства предпускового подогрева может использоваться в качестве противовеса экскаватора или крана, но их конструкция и массы являются расчетными и не подлежат изменению без согласования с заводом-изготовителем (например, для экскаватора ЭО-4121А масса контргруза составляет 3,95 т при расстоянии его центра тяжести от оси вращения машины 2,84 м), к тому же подобные трудоемкие демонтажно-монтажные работы на сравнительно небольшой период времени могут быть экономически нецелесообразны.
Некорректным является приведенный график зависимости производительности машины (неизвестно какой) от температуры рабочей жидкости в гидросистеме, так как указанных на его оси абсцисс отрицательных температур при работе в гидроприводе машин не существует. Это может быть не температура жидкости в гидроприводе, а температура окружающей среды. Проверочный расчет показывает, что при работе машины в зимнее время, например, при температуре минус 40°C с коэффициентами продолжительности работы под нагрузкой и использования номинального давления, соответственно - 0,5 и 0,6, мощность выделяемой в гидроприводе тепловой энергии составляет не менее 3,5 кВт, при этом установившаяся температура рабочей жидкости в гидроприводе положительна. На снижение производительности машины при этом, прежде всего, сказывается наличие мерзлого грунта.
Известно устройство предпускового подогрева гидравлического привода машины, содержащее гидронасос, кинематически связанный с тепловым двигателем, и контур циркуляции жидкого теплоносителя, включающий теплоаккумулятор, отличающийся тем, что оно снабжено тепловой трубой, соединенной с выхлопной трубой теплового двигателя через двухходовой кран и фильтр, которая разогревает гидронасос, находящийся в маслобаке гидросистемы, в котором находится нагревательный элемент, подсоединенный к генератору теплового двигателя (патент Российской Федерации RU №2300605 С1 МПК E02F 9/22, 2006, опубликовано 10.06.2007).
Названное устройство может быть принято за прототип.
Недостатками прототипа являются:
- использование электрического нагревательного элемента (спирали) непосредственно в гидробаке машины малоэффективно, так как спираль, накаляясь, покрывается смолообразными продуктами, а нахождение спирали в баке затрудняет ее обслуживание, к тому же есть опасность воспламенения масла от разогретой спирали при снижении его уровня и доступе воздуха;
- фильтр на тепловой трубе для отработавших газов будет активно зарастать продуктами неполного сгорания (твердыми частицами - сажей), что потребует его частой замены и усложняет эксплуатацию устройства;
- место подогрева гидробака отработавшими газами двигателя, подающимися по тепловой трубе, выбрано не рационально: в гидросистеме рассматриваемых машин применяется так называемая отрицательная высота всасывания, когда всасывающий патрубок гидронасоса находится ниже уровня рабочей жидкости в гидробаке, а именно температура рабочей жидкости в области этого патрубка и определяет работоспособность гидронасоса при низких температурах среды, то есть греть рабочую жидкость в баке отработавшими газами надо внизу, в районе впускного патрубка гидронасоса, а не сверху, как показано на схеме устройства; к тому же, в результате конвекции тепло будет активно отводиться в низкотемпературную окружающую среду;
2
- при местном нагреве верхней стенки гидробака подающимся по тепловой трубе потоком отработавших газов теплового двигателя, "температура которых достигает нескольких сот градусов", то есть порядка 300…350°С и более, возникает вопрос пожарной опасности машины, то есть воспламенения находящейся в контакте с кислородом воздуха в верхней части гидробака рабочей жидкости, так как температура вспышки в открытом тигле марок зимней рабочей жидкости для гидросистем строительных машин составляет, например, °С: М-8В - 200, АУ - 163, ВМГЗ - 135, МГЕ-10А - 96 и т.д.;
3
3
- согласно описанию изобретения, насос гидросистемы расположен непосредственно в гидробаке, что является проблематичным для конструкции современных машин, так как, например, сдвоенный аксиально-поршневой гидронасос типа 223.25 экскаватора имеет сухую массу 320 кг и следующие габаритные размеры (мм): длина - 734, ширина - 582 и высота - 568, то есть его объем - 0,243 м, а вместимость гидробака экскаватора составляет, в среднем, 250 л, то есть 0,25 м; также конструктивно невозможна установка насоса и в одном из двух гидробаков бульдозера, в гидробаке грейдера, скрепера и т.д., а привод такого встроенного в гидробак насоса от теплового двигателя машины с возможностью подключения-отключения, то есть передача крутящего момента в гидробак, не представляется возможным (то есть насос, кинематически связанный с тепловым двигателем, не может при этом одновременно находиться в гидробаке); машины с гидроприводом могут быть оснащены вспомогательным гидронасосом для дозаправки гидросистемы из внешней емкости, имеющий ручной или механический привод от двигателя (например, насос НШ-46У-Л экскаватора четвертой размерной группы), однако и их установка внутри гидробака, с учетом привода, также невозможна;
- прототип также содержит тепловой аккумулятор, конструкция которого и принцип действия не оговариваются, однако из описания становится понятным, что он к заявленному предпусковому подогреву гидропривода машины отношения не имеет, а служит для ускоренного прогрева системы охлаждения уже запущенного двигателя, хотя в этом нет необходимости, так как для этого в системе охлаждения двигателя предусмотрен термостат.
Таким образом, решение поставленной задачи выразилось в установке в гидробаке спирали, что по известным причинам не нашло применения в эксплуатации, а также в подогреве верхней стенки гидробака поступающими по специальной тепловой трубе отработавшими газами от теплового двигателя, что является пожароопасным и малоэффективным при существенном понижении температуры воздуха, ввиду активного отвода тепловой энергии от открытой поверхности верхней стенки гидробака в окружающую среду, тем более что всасывание рабочей жидкости осуществляется насосом из нижней части гидробака, а местному подогреву подвергается его верхняя стенка.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание простого и надежного устройства предпускового подогрева гидравлического привода машины при отрицательных температурах окружающей среды.
в
Работоспособность гидронасоса при пуске в зимних условиях на заданной рабочей жидкости определяется абсолютным давлением во всасывающем патрубке, то есть всасывающей камере находящегося под ним насоса. Регламентируемая заводом-изготовителем и указанная в паспорте величина предельно допустимого абсолютного давления [р] во всасывающей камере шестеренного насоса составляет 0,08 МПа, аксиально-поршневого 0,07 МПа.
При температурах воздуха ниже -40°С и загустевшей рабочей жидкости, во всасывающей камере аксиально-поршневого гидронасоса возникает такое разрежение, которое может привести к разрушению его качающего узла.
В отличие от экскаваторов второй и третьей размерной групп отечественного производства, экскаваторы четвертой размерной группы, как правило, оснащены двухдисковой муфтой сцепления привода гидронасоса, служащей для прокрутки вала насоса зимой на пониженной частоте вращения вала дизеля. Однако, как показывает опыт эксплуатации, при температуре воздуха ниже -40°С такая прокрутка не эффективна и может вызвать поломку насоса. В названных экскаваторах также имеется, приводимый от дизеля, шестеренный гидронасос вспомогательной гидросистемы с механизмом его включения-выключения, служащей для заправки (дозаправки) системы из внешней емкости. Инструкцией по эксплуатации предписано использование его для предпускового разогрева рабочей жидкости при низких температурах воздуха, путем перекачки ее из гидробака в гидробак до запуска основного гидронасоса. Учитывая удаление этого насоса от гидробака (приводится от шестерен распределения дизеля, то есть, расположен на максимальном удалении от гидробака) и сравнительно небольшой диаметр его всасывающего трубопровода, можно заключить, что если неработоспособен основной насос, расположенный непосредственно под гидробаком и питаемый коротким патрубком значительно большего диаметра, то вспомогательный гидронасос тем более.
Согласно уравнению Бернулли величина абсолютного давления на входе в гидронасос и условие его работоспособности определяются по формуле
в
0
g
вс
в
в
в
в
в
в
2
p=p-ρ(-h)-[v ρ(1+∑ζb+λL/d)]/2>[p],
0
0
вс
в
в
в
в
в
в
3
2
где р - атмосферное давление, p=101325 Па; ρ - плотность рабочей жидкости при заданной температуре, кг/м; g - ускорение силы тяжести при свободном падении, 9,8 м/с; (-h) - отрицательная высота всасывания (всасывающий патрубок расположен ниже уровня рабочей жидкости в гидробаке), м; v - скорость рабочей жидкости во всасывающей линии, м/с; ∑ζ - суммарный коэффициент местных сопротивлений линии всасывания; b - поправочный коэффициент, учитывающий влияние вязкости рабочей жидкости на местные потери; λ - коэффициент трения рабочей жидкости о стенки всасывающего трубопровода при заданной температуре; L и d - длина и диаметр всасывающей линии, м; [р] - регламентируемая величина предельно допустимого абсолютного давления во всасывающей камере насоса, Па.
вс
в
в
в
Возможными техническими решениями, направленными на исключение кавитационного режима работы гидронасоса при зимнем пуске машины с гидроприводом, являются: увеличение давления на свободной поверхности жидкости в гидробаке за счет избыточного давления в нем; применение отрицательной высоты всасывания (-h); уменьшение скорости всасывания жидкости v за счет увеличения диаметра d всасывающего трубопровода; снижение местных сопротивлений ∑ζ на участке всасывания и уменьшения его длины, а также подогрев рабочей жидкости для уменьшения ее вязкости.
Таким образом, пуск гидропривода в бескавитационном режиме зависит, прежде всего, от эффективности местного подогрева объема жидкости в районе всасывающего патрубка (всасывающей камеры), основного гидронасоса. После запуска основного насоса дальнейший прогрев гидросистемы осуществляется за счет тепла, выделяемого при циркуляции рабочей жидкости.
В гидроприводе рассматриваемых машин предпочтительно применяется простая по конструкции и обладающая хорошими условиями охлаждения схема с открытым гидробаком, при которой отработанная жидкость сливается в гидробак, полость которого сообщена через сапун с атмосферой.
Для облегчения зимнего пуска насоса гидросистемы с открытым гидробаком предлагается осуществить избыточное давление на свободной поверхности рабочей жидкости в гидробаке с использованием, например, ресивера тормозной системы пневмоколесной машины, давление воздуха в котором поддерживается посредством компрессора. При этом сапун из верхней крышки гидробака выворачивается и на его место вворачивается вентиль, изолирующий гидробак от атмосферы, через который и осуществляется подача сжатого воздуха в гидробак, давление которого контролируется по манометру и может при пуске в 1,2…1,5 раза превышать атмосферное.
После пуска насоса давление в гидробаке посредством вентиля выравнивается с атмосферным, затем на свое место вновь устанавливается сапун.
Негативным следствием такого наддува может быть незначительная потеря химической стабильности рабочей жидкости (окисление, понижение смазывающих свойств), но, по крайней мере, на период пуска гидронасоса при низких температурах воздуха это представляется целесообразным.
Сущность изобретения заключается в том, что устройство предпускового подогрева гидравлического привода машины, содержащее гидронасос, кинематически связанный с тепловым двигателем, и контур циркуляции газового теплоносителя, отличается тем, что устройство снабжено теплоизолированной камерой и гибким теплоизолированным металлорукавом, связанным с входным патрубком теплоизолированной камеры, установленной на период прогрева верхней металлической поверхностью без теплоизоляции, посредством специальных направляющих, снаружи на поверхности днища гидробака в области всасывающего патрубка гидронасоса, при работе устройства выпускной патрубок теплоизолированной камеры соединен подобным теплоизолированным металлорукавом с атмосферой.
Через дополнительный вентиль, изолирующий на период зимнего пуска гидронасоса гидробак от атмосферы и ввернутый в резьбовое отверстие верхней его крышки, например вместо сапуна, в наджидкостную полость гидробака от компрессора подведено расчетное избыточное давление воздуха.
В качестве источника тепловой энергии названного устройства предпускового подогрева применяется двигатель внутреннего сгорания запускаемой машины или подвижного средства технического обслуживания и ремонта.
Устройство предпускового подогрева является легкосъемным и устанавливается по направляющим в виде уголков, приваренных к опорным стойкам или снаружи прямо к днищу гидробака, непосредственно под гидробаком (то есть плотно прилегает к его днищу) в районе впускного патрубка, в пространстве между гидробаком и находящимся под ним гидронасосом. Оба однотипных гибких металлорукава и все поверхности теплоизолированной камеры названного устройства, кроме верхней, обращенной к днищу гидробака и плотно к нему прилегающей, для исключения потери тепла, ожога работающих лиц и термического воздействия на элементы конструкции машины, должны быть теплоизолированы шнуровым и листовым асбестом, а также покрыты сверху стеклотканью или другой теплоизолирующей тканью.
При использовании в качестве теплоносителя отработавших газов теплового двигателя постепенно наступает зарастание внутренней поверхности металлорукавов и теплоизолированной камеры твердыми частицами (сажа и др.), увеличение гидравлического сопротивления линии подачи теплоносителя, снижение коэффициента теплопередачи через стенку и потеря эффективности работы устройства.
2
Для периодической очистки внутренней поверхности стенок металлорукавов и теплоизолированной камеры от частиц несгоревшего топлива, при снятом с машины рассматриваемом устройстве, в состав проходящих через него отработавших газов вводится мелкодисперсная надперекись натрия NaO, при этом происходит ее активная реакция с содержащейся в отработавших газах водой с выделением тепла по формуле:
2
2
2
4NaO+2HO=4NaOH+3О+44,76 ккал.
2
Выделившийся в процессе реакции кислород окисляет (дожигает) осевшую на внутренних стенках устройства сажу. Как показал эксперимент, при таком контакте NaO с частицами несгоревшего топлива в рубашке подогрева, изготовленной в форме металлической трубы, в ней периодически образуется факел пламени, частицы на стенках быстро сгорают и они очищаются.
Подобный принцип действия теплоизолированной камеры устройства для подогрева может также быть приспособлен и применен для предпускового подогрева моторного масла в поддоне двигателя, что позволит решать проблему запуска машины при низких температурах воздуха в комплексе.
Изобретение поясняется следующим чертежом, где на фиг.1 представлена схема предлагаемого устройства.
в
Устройство для предпускового подогрева гидравлического привода машины состоит из компрессора 1, подающего сжатый воздух в ресивер 2, снабженный штатным вентилем 3 и сообщающийся посредством дополнительного вентиля 4 с наджидкостной полостью изолированного от атмосферы на период пуска гидронасоса гидробака 5, давление воздуха Р в которой контролируется посредством манометра 6. Днище гидробака дополнительно снабжено двумя горизонтальными направляющими 7 в форме уголков, по которым, непосредственно под днищем гидробака, в районе впускного патрубка 8 гидронасоса 9, устанавливается теплоизолированная камера 10 заявляемого устройства. Она плотно прилегает своей верхней металлической поверхностью без теплоизоляции снаружи к днищу гидробака в пространстве между гидробаком и находящимся непосредственно под ним (или рядом с ним) гидронасосом и занимает место от края днища гидробака до впускного патрубка гидронасоса. При запуске гидронасос подает рабочую жидкость в гидросистему машины по отводу 11. Механический привод гидронасоса осуществляется от теплового двигателя 12 с возможностью включения или отключения гидронасоса специальной муфтой. Выпускной трубопровод теплового двигателя сообщен посредством двухходового крана управления 13 с атмосферой или с впускным гибким теплоизолированным металлорукавом 14, плотно соединенным с входным патрубком теплоизолированной камеры устройства. Выходной патрубок теплоизолированной камеры соединен с выпускным гибким теплоизолированным металлорукавом 15, имеющим возможность связи с атмосферой. Температура рабочей жидкости в нижней части гидробака контролируется термометром 16.
Конструкция теплоизолированной камеры предлагаемого устройства изображена на фиг.2 (затемнены теплоизолированные поверхности).
Теплоизолированная камера состоит из полого короба 17 с однотипными, также теплоизолированными, входным 18 и выходным 20 патрубками, служащими для последующего подсоединения к ним гибких однотипных впускного и выпускного теплоизолированных металлорукавов (на фиг.2 не показаны). Верхняя металлическая теплоизлучающая поверхность 19 (без теплоизоляции) теплоизолированной камеры служит для передачи тепловой энергии днищу гидробака в районе впускного патрубка гидронасоса. Одновременно, выступающая за края теплоизолированной камеры, часть этой поверхности сопрягается с направляющими уголками днища гидробака и служит для удержания заявляемого устройства для предпускового подогрева под днищем гидробака на этих направляющих.
Устройство для предпускового подогрева гидравлического привода машины работает следующим образом. При низкой температуре окружающего воздуха перед пуском гидронасоса 9 производится предварительный наружный прогрев нижних слоев рабочей жидкости через днище гидробака 5 в районе впускного патрубка 8 гидронасоса 9 посредством предлагаемого устройства. Для этого отработавшие газы (ОГ) от теплового двигателя 12 подаются через двухходовой кран 13 во впускной гибкий теплоизолированный металлорукав 14, соединенный с входным патрубком 18 предварительно установленной по направляющим 7 под днищем гидробака теплоизолированной камеры 10. Тепло передается от верхней металлической поверхности 19 (без теплоизоляции) теплоизолированной камеры 10 через днище гидробака 5 нижним слоям рабочей жидкости, затем в результате конвекции поднимается к верхним слоям рабочей жидкости. Отработавшие газы, проходя через теплоизолированную камеру 10, отводятся по выпускному металлорукаву 15 в атмосферу. По мере прогрева рабочей жидкости в районе впускного патрубка 8 гидронасоса 9, оцениваемого по показанию термометра 16, в наджидкостную полость изолированного от атмосферы на период пуска гидронасоса гидробака 5 посредством дополнительного вентиля 4 от ресивера 2 подается расчетное избыточное давление воздуха, величина которого регулируется вентилями 3, 4.
Предлагаемая схема устройства позволяет значительно упростить конструкцию и работу, как следствие - повысить надежность, снизить расходы на изготовление и эксплуатацию, а также расширить диапазон использования применительно к гидросистемам разномарочных машин, в том числе используя названное устройство для подогрева масла в картерах двигателя внутреннего сгорания и трансмиссии машин (в коробках передач, ведущих мостах, бортовых редукторах и т.д.) при низких температурах воздуха.