Экологические и энергосберегающие аспекты при проектировании систем гидроприводов машин

УДК 621.89

ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ И ЭНЕРГОСБЕРЕГАЮЩИЕ АСПЕКТЫ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ СИСТЕМ ГИДРОПРИВОДОВ МАШИН

Канд. техн. наук, доц. ВЕРЕНИЧ И. А., асп. ТИНИ М. А.

Белорусский национальный технический университет

К числу важнейших проблем в области создания экспортоориентированной техники относится проблема разработки высококачественных, экологически чистых и энергосберегающих гидроприводов, которые являются системными конструкциями различных по назначению машин. Оценка технического уровня машин осуществляется по функциональным, энергетическим, экологическим и стоимостным критериям [1].

Проектирование гидроприводов по функциональным критериям - приоритетное и наиболее разработанное направление. Для исследования многих задач динамики гидроприводов используют простые математические модели с рядом допущений, например вязкость и температура жидкости постоянны, жидкость несжимаемая и др. В реальных системах происходят сложные нестационарные гидродинамические процессы, обусловленные пульсациями расходов и давлений жидкости при выполнении приводом функциональных задач, из-за конструктивных особенностей гидромашин и регулирующих устройств, изменения температуры, вязкости, сжимаемости и других свойств рабочей жидкости во всем объеме и локального изменения этих свойств в малых объемах. В каналах гидравлических приводов возникают и турбулентные течения, снижение сопротивления которых весьма актуально. Математическое описание нестационарных гидродинамических процессов приводит к системам нелинейных дифференциальных уравнений высокого порядка в частных производных, вызывает трудности, а порой и невозможности их решения. Эффективные методики построения динамических моделей гидропривода для исследования функциональных показателей и динамических характеристик предложены в [2, 3]. Эти модели широко применяются при исследовании динамики приводов различного назначения и в автоматизированном проектировании.

В практике проектирования большой интерес представляют энергетические характери-

стики привода. Получение расчетных соотношений для определения минимального уровня потребляемой мощности, обеспечивающей все заданные в техническом задании режимы работы, является актуальной задачей, которая рассматривается на примере привода с гидромотором. Энергетические характеристики и энергосбережение гидроприводов напрямую связаны со свойствами рабочих жидкостей, потерями на гидравлическое трение в трубопроводах и гидроаппаратах, поэтому при проектировании перспективных приводов следует учитывать изменения этих свойств в процессе функционирования и по возможности управлять ими. Для оценки энергосбережения в машинах, обусловленного свойствами масел, существует много методов. Например, энергосбережение (топли-восбережение) автотранспорта, связанное с использованием смазочных материалов, регламентируется спецификациями и тестами СЕ(Х-54-Т-96, которые предусматривают сравнительную оценку влияния моторного масла на экономию топлива двигателя. Ряд методов определения топливосбережения автотранспорта приведен в [4]. Анализ показывает, что в настоящее время не существует общей методики расчета показателя энергосбережения гидропривода, обусловленного свойствами применяемой рабочей жидкости. Методы, предложенные для оценки топливосбережения моторного масла, не всегда пригодны, так как в гидроприводах наблюдаются другие режимы течения жидкости, а потери на гидравлическое трение в трубопроводах могут превосходить потери в гидродвигателях и гидроаппаратах. Поэтому разработка методики оценки энергосбережения в гидроприводе по свойствам рабочей жидкости имеет свою актуальность.

Экологическая безопасность гидроприводов может быть обеспечена усовершенствованием структуры привода, повышающей его КПД и уменьшающей расход гидравлической жидкости и ее отходов, а также созданием и применением биологически расщепляемых эколо-

гически чистых синтетических масел или жидкостей на основе растительных масел. Экологические проблемы, связанные с использованием смазочных материалов и технических жидкостей, обсуждаются на различных уровнях, исследуются многими учеными и практиками [5, 6]. Около 1 % общего потребления минеральных масел расходуется на производство смазочных материалов и гидравлических жидкостей, а общее мировое количество масел, попадающих в окружающую среду, составляет примерно 12 млн т ежегодно. Поэтому защита окружающей среды от утечек и отходов масел является весьма актуальной задачей. Экологическое регулирование вопросов использования смазочных материалов существует во многих странах мира. В [7, 8] показана возможность создания гидравлических жидкостей на основе масел растительного происхождения, удовлетворяющих требованиям техники и экологии. Особенно интересны разработки биоразла-гаемых масел для дизелей [9], трансмиссионных масел [10], биоразлагаемых синтетических масел Ор1ыпо1 Нус1о В8-46, Ор1лто1 Нуёо В8-68, НЕЕ8-46, гидравлических жидкостей на основе рапсового масла ВюБ1аг Нус1-гаиНс-32, Вюз1аг Нус1гаиКс-46 (Техасо), НЕТО-46, которые обладают высокой степенью био-разлагаемости - от 80 до 90 % в течение 21 дня в соответствии с СЕС-Ь-33-А-93.

В БИТУ в рамках задания ГКНТ «Ресурсосбережение-2005» разработано биоразлагаемое масло гидравлическое МГ-46БР (ИСО-Ь-НЬВ8-46) [11], изготавливаемое на основе масла рапсового технического и комплекса присадок. Относится оно к классу вязкости 46 в соответствии с ГОСТ 17479.3 (ИСО-3448) и имеет биоразлагаемость до 90 %.

Для обоснованных рекомендаций по использованию МГ-46 БР требуются длительные эксплуатационные испытания в реальных гидроприводах, что связано со значительными материальными, временными и трудовыми ресурсами. В работе использованы ускоренные лабораторные испытания и статистические методы обработки данных эксперимента, что позволило сократить объем испытаний, учесть большинство факторов и определить коэффициенты уравнений имитационного моделирования.

Цель работы - разработать методику и дать сравнительную оценку эксплуатационных ха-

рактеристик гидропривода по показателю энергосбережения при использовании в качестве рабочей жидкости биологически разлагаемых масел, альтернативных минеральным маслам.

Методика исследования. Предлагается экспериментальный метод сравнительной оценки энергосбережения в гидроприводе, связанного со свойствами рабочей жидкости, по относительному коэффициенту энергосбережения на примере экспериментальной установки (рис. 1).

Рис. 1. Схема гидравлическая принципиальная установки для оценки энергосбережения в гидроприводе: АТ - аппарат теплообменный; Б - бак; ГМ - гидромотор; Д1, Д2, ДЗ - регулируемые дроссели; ДМ1, ДМ2 - датчики перепада давления; КП1, КП2 - клапаны предохранительные; М - электродвигатель; МН - манометр; Н - насос; Р1,Р2 -расходомеры; ТП - тормоз порошковый; Т1 - термометр;

Ф-фильтр

Для испытаний выбираются жидкости одного класса вязкости и эксплуатационной группы, а также эталонная жидкость, показавшая лучшие характеристики в эксплуатируемых гидроприводах. Предварительно оцениваются физико-химические показатели масел, методы определения которых регламентированы соответствующими стандартами. Наиболее важными из них являются: плотность, вязкость, индекс вязкости, температура вспышки и температура застывания, противоизносные и смазывающие свойства, стабильность антиокислительных и антикоррозионных свойств и др. Противоизносные и смазывающие свойства жидкостей определяются на четырехшариковой машине трения согласно действующим стандартом или по методике [10].

Энергетические показатели гидропривода, зависящие от свойств рабочей жидкости, оцениваются по относительному коэффициенту энергосбережения е по формуле:

(г

\\

-1

100%,

где гін и - осредненный КПД гидропривода испытываемой и эталонной жидкостей.

Осредненные коэффициенты определяются в зависимости от вязкостно-температурной характеристики жидкости:

ъ - Т1іиуіи(^)+ Л2,У2и(Г2)+- + Ль,УЬ&) .

^ +У2„Й) +... + чы(тк) '

ТІ - Пі,Уь(Зі) + Лі,у *(&)+ - + ПьУь(тк) ^ уьй)+у М+---+чь{Тк) ’

где г\ки, Ль ~ полный КПД гидропривода с испытываемой и эталонной рабочими жидкостя-

ми соответственно;

к) -

кинемати-

ческая вязкость испытываемой и эталонной жидкостей при температуре Тк .

Полный КПД гидропривода цк определяется как отношение потребляемой мощности ЫП0тр (мощность электродвигателя) к полезной механической мощности 7Умех (мощность гидромотора). Мгновенное значение мощности, потребляемой гидроприводом от электродвигателя: Ыпотр = С/эл/эл, а мощность, потребляемую приводом при движении с постоянной угловой скоростью О и при постоянном значении момента сопротивления нагрузки Мст, можно представить в виде [12]

^Чтотрк К

П + (1 + ЦэЛ)^к.

я

др

Здесь г|эл - КПД электродвигателя; q - рабочий объем гидромотора; £?р- коэффициент

скольжения по расходу.

Зависимость (4) позволяет определить потребляемую приводом мощность от источника питания при вращении вала гидромотора с заданной максимальной угловой скоростью при некотором значении момента сопротивления нагрузки М„. При максимальном моменте сопротивления потребляемая мощность согласно (4) составит

К

потрА:

(1+Лэл)^ГЧ

ЯР

Из анализа (4) и (5) следует, что для статических режимов Лир уменьшается с ростом рабочего объема гидромотора

При переменном нагружении выходного вала гидромотора момент сопротивления Мс определяется по выражению

К = + КР + СшФ + М,ш •

Здесь 7Н - суммарный момент инерции нагрузки; - угловое ускорение нагрузки; кн -коэффициент скоростной составляющей момента нагрузки; сш - коэффициент позиционной составляющей момента нагрузки; ф = =ф0эт Ш - угол поворота вала гидромотора при гармоническом нагружении; со - угловая частота вращения вала гидромотора; ф0 - максимальная амплитуда угловых колебаний вала гидромотора.

При проектировании гидропривода важно знать, как изменяется потребляемая мощность по сравнению с А^потр при изменении рабочего объема гидродвигателя и свойств жидкости. Для рассматриваемого привода установки рабочий объем гидромотора остается величиной постоянной. Влияние на потребляемую мощность привода изменяющейся вязкости жидкости учитывается коэффициентом V = у(г)/у0 (у0 - вязкость рабочей жидкости при средней эксплуатационной температуре, например при температуре 40 °С).

Тогда выражение (5) примет вид

К

потрА:

\К

\

стот /г

чг у

+ ЛГ,

Здесь = уДpQ; Ар - потери на гидравлическое трение в системе «насос - гидромотор» при вязкости у0 ; б - расход жидкости в системе.

Полученные в ходе эксперимента и расчета по формуле (1) данные подвергаются статистической обработке с использованием сглаженной сплайн-интерполированной функции р = / (и), которую для потерь давления Др, потребляемой мощности Л^потр и коэффициента энергосбережения е = /{м) описываем полиномами 9-й степени типа

р = Пи) = С0 + ^Спип; к = 1-9.

Л=1

Величина коэффициента энергосбережения свидетельствует о том, что при его значении больше единицы испытываемая рабочая жид-

£

кость имеет лучшие энергосберегающие свойства по отношению к эталонной рабочей жидкости, а рабочая жидкость, имеющая е меньше единицы, соответствует худшим энергосберегающим свойствам.

Экспериментальная часть. Для экспериментальной оценки энергосбережения в гидроприводе разработана лабораторная установка (рис. 1). Насос обеспечивает необходимую подачу жидкости гидромотору, нагружаемому порошковым тормозом. Изменение момента на порошковом тормозе можно задавать в виде гармонического или ступенчатого закона электрическим сигналом. Дроссель Д2 позволяет регулировать частоту вращения вала гидромотора, а дроссель Д1 - быстро изменять температуру жидкости. Теплообменный аппарат в виде змеевика в баке проточной воды служит для поддержания температурного режима рабочей жидкости гидропривода в течение эксперимента при заданных нагрузках. В процессе исследований регистрируются параметры гидропривода и показатели свойств жидкости: мощность электродвигателя; давление, развиваемое насосом; перепады давлений на гидромоторе и в гидролиниях; нагрузочный момент порошкового тормоза, число оборотов вала гидромотора, расход и температура жидкости. Вязкость и чистота рабочей жидкости контролируются до и после экспериментальных исследований. Температурный режим задавался в пределах от 20 до 80 °С, частота вращения вала гидромотора изменялась в пределах 0-40 с-1, момент порошкового тормоза - в пределах 0-40 Нм. Методика эксперимента предполагает проведение двух серий испытаний при фиксированной температуре. В первой серии изменяется момент нагрузки при постоянной частоте вращения вала гидромотора, а во второй серии наоборот - изменение частоты вращения вала гидромотора при фиксированном значении момента нагрузки. Испытания проводятся без смены жидкости при всех режимах работы гидропривода. После проведения всего объема испытаний определяется изменение физикохимических свойств рабочей жидкости.

Определение показателей физико-химических и смазывающих свойств масел проводится на аттестованном оборудовании в соответствии со стандартами по каждому показателю качества. Точность и достоверность результатов определяются по методам, указанным в ГОСТах

по каждому виду испытаний. Показатели физико-химических свойств испытуемых масел МГ-46БР, МГ-46Б и биологически разлагаемых масел производства иностранных фирм приведены в табл. 1.

Таблица 1

Наименование показателя МГ- 46БР Нуск) ВБ ВюБ1аг Нус^ гаиИс МГ- 46Б Метод испытаний

Плотность при 20 °С, кг/м3 925 916 878 900 По ГОСТ 3900

Вязкость кинематическая при 40 °С, мм2/с 46,1 46,3 48 46 ПоГОСТ 33

Индекс вязкости 197 173 210 85 По ГОСТ 25371

Температура вспышки, определяемая в открытом тигле, °С 272 228 225 190 По ГОСТ 4333

Температура застывания, °С -20 -42 -30 -30 По ГОСТ 20287

Биоразлагаемость, % 90 90 90 15 СЕС Ь-33-А-93

Результаты исследований. Обработка экспериментальных данных производилась в два этапа. На первом этапе данные тарировки датчиков перепада давлений описаны полиномом п-й степени. С помощью программы математической обработки экспериментальных данных получена тестовая сглаженная сплайн-интерпо-лированная функция в виде (8) для показаний датчиков перепада давления р(Ц), что позволило убедиться в корректности обработки данных эксперимента. Так как испытания проводились для нескольких жидкостей и при разных нагрузочных и температурных режимах, то получен большой массив данных. В статье приводится только выражение для аналитического определения относительного коэффициента энергосбережения б испытанных масел в зависимости от момента нагрузки М. Получен полином (8) для е(М) в виде

е(м) = 2,2111 • 10-1 - 1Д977М - 53794 • \<Г1М2 +

+ 1Д316-10-1АГ3 -1,2025 Л0Г2М4 +

+ 5,6630 • 10'4М5 +3,1915 • 10"6М6 -1,5212-10'6М7 + + 6,0301 • 10"8М8 - 7,8663 • Ю~10М9.

На рис. 2 приведены графики зависимости относительного коэффициента энергосбережения в зависимости от момента нагрузки, кото-

рые показывают, что при температуре жидкости 20 °С и моментах нагрузки 11-13 Нм эталонная жидкость на минеральной основе МГ-46Б несколько превосходит биологически разлагаемое масло МГ-46БР. На всех остальных температурных и нагрузочных режимах масло МГ-46БР по показателю энергосбережения на 1,5-3,5 % лучше масла эталонного. Это объясняется тем, что масло МГ-46БР имеет более высокий индекс вязкости, лучшие смазывающие свойства и при использовании его в качестве рабочей жидкости привода позволит снизить потребляемую мощность.

По физико-химическим свойствам масло гидравлическое МГ-46БР соответствует требованиям нормативных документов, предъявляемым к рабочим жидкостям данного класса вязкости и эксплуатационной группы, обеспечивает функциональные и эксплуатационные характеристики гидропривода при различных температурах и нагрузочных режимах. Применение биоразлагаемого масла МГ-46БР в исследуемом приводе показало его энергетическую эффективность по сравнению с минеральным маслом МГ-46Б. Относительный коэффициент энергосбережения е при максимальном моменте и оптимальных оборотах гидромотора для масла гидравлического МГ-46БР выше на 3,5 %, чем для эталонного минерального масла гидравлического МГ-46Б. Рабочая жидкость МГ-46БР обеспечивает относительное энергосбережение и при других температурных и нагрузочных режимах гидропривода. Предложенная методика оценки энергосбережения в гидроприводе по результатам ускоренных лабораторных испытаний может быть использована при разработке новых видов рабочих жидкостей.

4.0 е,%

3.0

2.5

2.0

1.5 1,0 0,5

0

Рис. 2. Зависимость относительного коэффициента энергосбережения от момента нагрузки для масла МГ-46БР и эталонного масла МГ-46Б при различных температурных режимах работы привода

ВЫВОД

Масло гидравлическое МГ-46БР может быть использовано в качестве рабочей жидкости гидроприводов машин в случае, когда присутствует опасность загрязнения окружающей среды утечками или отходами. Методика оценки энергосбережения в гидроприводе может быть использована при исследовании приводов любой отрасли.

ЛИТЕРАТУРА

1. Скойбеда, А. Т. Проблемы и принципы оптимального проектирования машин / А. Т. Скойбеда // Современные методы проектирования машин: респ. межвед. сб. науч. тр. - Вып. 2: в 7 т. - Т. 1: Перспективные направления создания машин. - Минск: УП «Технопринт», 2004. -С.142-154.

2. Богдан, Н. В. Моделирование и расчет динамики

гидроприводов / Н. В. Богдан, В. П. Автушко, М. И. Жи-левич // Весщ НАН Беларусь Сер. ф1з.-тэхн. навук. -2003. 3. - С. 87-94.

3. Автушко, В. П. Исследование адекватности математической модели гидроцилиндра в задачах динамического расчета гидропривода / В. П. Автушко, М. И. Жи-левич // Вестник БНТУ. - 2002. - № 4. - С. 31-37.

4. Смазочные материалы: антифрикционные и про-тивоизносные свойства. Методы испытаний: справ. / Р. М. Матвеевский [и др.]. - М.: Машиностроение, 1989. - 244 с.

5. Bartz, W. J. Lubricants and the environment/W. J. Bartz/ New Directions in Tribologi. First World Tribologi Congress, 8-12 Sept. 1997, London.

6. Ксеневич, И. П. Аспекты экологического конструирования сельскохозяйственной техники и проблемы энергоресурсосбережения / И. П. Ксеневич // Современные методы проектирования машин: респ. межвед. сб. науч. тр. - Вып. 1. - Минск: УП «Технопринт», 2002. -С. 89-96.

7. Сироватка, JL А. Новые экологически безопасные технологические среды и смазочные материалы на основе рапсового масла / JI. А. Сироватка, Т. В. Дмитриева // Трение и износ. - 2000. - № 2. - С. 219-224.

8. Веренич, И. А. Реологические характеристики рабочих жидкостей и смазок на основе растительных масел / И. А. Веренич // Вестник национального технического университета «Харьковский политехнический институт». - 2001. - Вып. 129: Технологии в машиностроении. 4.1. - Харьков, 2001. - С. 365-374.

9. 01 aus Pflanzen // Production - 1997. - № 47. - S. 15.

10. Веренич, И. А. Исследование противоизносных свойств трансмиссионного масла ТМ-3-9БР / И. А. Веренич, Е. И. Станюк, М. А. Тини // Трение и износ. - 2005. -№ 3. - С. 325-331.

11. ТУ РБ 1003544447.044-2003. Масло гидравлическое МГ-46БР (ИСО-L-HLB S-46).

12« Полковников, В. А. Электрические, гидравлические и пневматические приводы летательных аппаратов и их предельные динамические возможности / В. А. Полковников. - М.: Изд-во МАИ, 2002.

Поступила 30.03.2006