Page 1

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ 8’2013

8(100)2013

СТРОИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ

АНАЛИТИКА

ИТОГИ ГОДА

ИЗДАТЕЛЬСКИЙ ДОМ «СТТ»

СОБЫТИЯ

100-Й НОМЕР ЖУРНАЛА ТЕХНИКА

ТЕХНОЛОГИИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

ÅÄòÖççõÖ äêÄçõ

çÄäéèàíÖãúçõÖ ÅìçäÖêõ

ùäëèÄçëàü «ÜÖãíõï åÄòàç»

18+


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ОПЫТ ОБУЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

76

ГИДРАВЛИЧЕСКИЕ ТЕПЛООБМЕННИКИ Хотя гидравлические баки машин и оборудования обладают большой площадью поверхности, они часто не в состоянии охладить рабочую жидкость до требуемых температур. Это прежде всего относится к гидросистемам с интенсивной эксплуатацией.

í

епло выделяется при возникновении перепада давления, направленного для преодоления различных сопротивлений, встречающихся на пути потока рабочей жидкости. Он появляется по следующим основным причинам: – уменьшение площади проходного сечения гидравлического канала; – резкий поворот движения потока рабочей жидкости; – наличие сопротивления по длине трубопровода; – резкое расширение гидравлического канала. Практическими исследованиями установлено, что на каждый 1,0 МПа (10 бар) перепада давления температура рабочей жидкости увеличивается приблизительно на 0,7°С. Напомним, что нормальная температура рабочей жидкости при эксплуатации гидросистем составляет 55-60°С. Источниками выделения тепла являются предохранительные клапаны, дроссели, гидрораспределители, особенно пропорциональные, штуцеры и адаптеры соединительных узлов, наличие загрязнений в каналах гидрокомпонентов и трубопроводах. Резкие перепады давления, а следовательно, выделение тепла вызывают режимы торможения гидромоторов, скачкообразное наполнение-опорожнение гидроаккумуляторов, увеличение внутренних утечек в насосах, гидрораспределителях и клапанах. Однако повышенный нагрев рабочей жидкости влечет за собой уменьшение ее вязкости, гидравлическое масло становится более текучим. При достижении определенной температуры величина перепадов давлений в трубах и дроссельных устройствах снижается, но при этом возрастают внутренние перетечки рабочей жидкости. Дополнительное тепло выделяют подшипники в насосах и гидромоторах, динамические уплотнения поршня в гидроцилиндрах, электромагниты в клапанах и распределителях, пузырьки нерастворенного воздуха в рабочей жидкости при их сжатии под воздействием давления. Распространение тепла (теплоотдача) может осуществляться несколькими способами – проводимостью, конвекцией, радиацией. Проводимость – передача температуры в одном или более твердых телах. Высо-

СТТ 8’2013

кая температура, выработанная в определенном месте, постепенно распространяется по всему телу (без его движения). Конвекция (от лат. convectio – «перенесение») – вид переноса тепла в жидкостях или газах. Естественная конвекция возникает в веществе самопроизвольно при его неравномерном нагревании. Эти конвективные движения перемещают горячие молекулы к холодным. Радиация – прямолинейная передача тепла со скоростью приблизительно 300000 км/с в вакууме. Например, передача высокой температуры от солнца или пламени в окружающей среде. Тепловая радиация останавливается, если между источником и приемником помещено препятствие, например, лист из светоотражающего или светозадерживающего материала. Гидрокомпоненты, которые генерируют перепады давления, рассеивают тепло, излучая его в окружающую атмосферную среду, а также за счет хорошей проводимости нагревая соседние элементам. Тепло переносится рабочей жидкостью и рассеивается в металлических трубопроводах, компонентах, не связанных с образованием перепадов давления, и в гидробаке. Теплообменники выполняют функцию принудительного охлаждения. Более подробную информацию о термодинамических процессах можно получить из книг по физике. Однако стоит привести формулу, по которой определяют количество выделяемого тепла в гидросистеме при изменении давления: 1 кВт = 3600 кДж/ч.

q=K•Δp•Q=6•Δp•Q Здесь q – количество тепла [кДж/ч] (килоджоулей в час); K = 6 – коэффициент, учитывающий тепловые свойства минеральных масел; Δр = р1 – р2 – перепад давления [кгс/см2 = бар]. Допустим, что эффективность гидросистемы (КПД) составляет 60%. Тогда 40% гидравлической мощности преобразуется в тепло. Если эти параметры не изменяются во время эксплуатации машины, то гидробак имеет оптимальные размеры и конструкцию. Чтобы увеличить КПД, необходимо более правильно спроектировать гидросистему. И наоборот, при падении КПД ниже 60% во время выполнения машиной техноло-

Корнюшенко С.И., доктор наук, профессор РАЕН

HYDRAULIC HEAT EXCHANGERS Kornyushenko S.I., Dr. of science, RANS professor

Though hydraulic tanks of machines and equipment have a big surface area, they often can’t cool a working surface to the required temperature. This, first of all, concerns the hydraulic systems of intensive exploitation.

гических операций в бесполезное тепло преобразуется более 40% гидравлической энергии. Это происходит потому, что рабочая жидкость, нагретая на начальном этапе работы машины, не в состоянии отдать большее количество тепла. Поэтому гидробак нагревается. Чтобы сохранить соотношение эффективности 60/40%, между сливной трубой и гидробаком необходимо установить теплообменник. Он позволяет осуществлять теплообмен между гидравлическим маслом и охлаждающей жидкостью (водой) или газом (атмосферным воздухом). Таким образом, рабочая жидкость гидросистемы, пройдя через насос, распределитель, клапаны, гидродвигатель, отбирает у них тепло и переносит его в теплообменник. После него охлажденная рабочая жидкость поступает в гидробак. Этот процесс непрерывный, поскольку рабочая жидкость из бака вновь поступает в гидросистему, аккумулирует тепло и охлаждается. Теплообменники подерживают тепловой режим неизменным и, следовательно, обеспечивают постоянную эффективность гидросистемы. Этот основной принцип следует помнить всегда, особенно при возникновении технических проблем. Как правило, теплообменники совместимы с почти любой гидравлической жидкостью. Тем не менее при использовании специальных жидкостей рекомендуется согласовать их применение с изготовителем теплообменников. В гидравлических приводах используются теплообменники, передача тепла у которых происходит за счет развитой поверхности. В них охлаждающая жидкость и гидравлическое масло отделены стенкой, которая осуществляет тепловую передачу. Направления движения потоков двух типов жидкостей определяют структуру теплообменника (рис. 1).


создавая теплоизоляционную пленку вокруг охлаждающей трубы (главным образом из-за увеличения вязкости в пограничном слое). Чем толще пленка, тем меньше теплообмен. Специальные присадки в рабочей жидкости в этих обстоятельствах не благоприятствуют эффективному теплообмену. Увеличить отдачу тепла позволяет соответствующая скорость течения рабочей жидкости. В этом случае величина потока, проходящего через теплообменник, должна превышать минимальный расход рабочей жидкости, установленный производителем. Вместе с тем превышение граничных значений допустимой скорости течения жидкости в данных условиях может привести к разрушению потока и возникновению кавитации. Чтобы выбрать теплообменник с оптимальными параметрами для конкретной гидросистемы, покупателю необходимо предоставить производителю все параметры системы охлаждения – температуры рабочей и охлаждающей жидкости, максимальную летнюю температуру окружающей среды при эксплуатации техники (для воздушно-масляного исполнения), скорость потока рабочей жидкости и количество отдаваемого тепла (кДж/ч) для ее эффективного охлаждения. Количество отдаваемого тепла в единицу времени (тепловой поток) рассчитывается исходя из анализа общей эффективности гидросистемы. Если КПД составляет 90%, то вряд ли необходим теплообменник. При эффективности до 70% тепловой расчет обязателен. В данном примере, учитывая, что 1 кВт = 3600 кДж/ч, 1 ккал = 4,1686 кДж, примем величину теплового потока (q) для охлаждения рабочей жидкости равной 30% (Кт = 30% – коэффициент отдачи тепла гидросистемы) от мощности N, генерируемой насосом. Если мощность на-

S=

qt kÚ•ΔTÒ

qt [ккал/ч•°С•м2] – тепловой поток; ΔTср [°С] – разница средних температур между рабочей и охлаждающей жидкостями (водой); kТ [ккал/(ч °С м2)] – коэффициент теплообмена (отдачи тепла рабочей поверхностью теплообменника), выбирается в зависимости от величины вязкости рабочей жидкости по таблице 1: Таблица 1 Вязкость рабочей до 16÷46 47÷68 69÷100 101÷150 жидкости,мм2/с 15 = сСт Коэффициент 300 200 kТ,ккал/ 800 600 500 (ч·°С·м2)

Чтобы определить величину νTср, необходимо провести расчет перепада температуры рабочей жидкости между входом и выходом теплообменника. Обратимся к формуле

ΔTÊ=

qt Qʕkʕ60

Здесь kж = 0,44 [ккал/(ч•°С•л)] – коэффициент теплообмена рабочей жидкости (отдачи тепла единицей ее объема); 60 – численный коэффициент перевода минут в безразмерную величину. Из ΔTж вычисляется средняя температура рабочей жидкости (Тсж):

TcÊ= TÊ–

ΔTÊ 2

СТТ 8’2013

НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ТЕХНОЛОГИИ

При параллельных потоках гидравлическая и охлаждающая жидкости движутся в одну сторону. При встречных потоках гидравлическая и охлаждающая жидкости движутся в противоположных направлениях. В перекрестных потоках гидравлическая и охлаждающая жидкости движутся во взаимно перпендикулярных направлениях. В свободных потоках гидравлическая жидкость движется прямолинейно, а охлаждающая – хаотично. В гидравлических теплообменниках наиболее часто используются принципы перекрестного и свободного потоков. Рабочие поверхности теплообменников подразделяются на пластинчатые (или чешуйчатые) и трубные; водомасляные или воздушно-масляные. Последние часто имеют принудительный обдув от вентилятора, приводимого гидромотором или электрическим двигателем постоянного или переменного тока. Теплообменники подключаются к сливным трубопроводам гидропривода машины и рассчитываются на давление от 1,0 до 4,0 МПа. Размер теплообменников зависит от количества рассеваемого тепла. Водомасляные теплообменники в основном используются в гидросистемах стационарного промышленного оборудования, где можно легко подключиться к сети водоснабжения и свободно утилизировать нагретую воду. Водомасляные теплообменники эффективные, дешевые и компактные. Воздушно-масляные теплообменники нашли широкое применение на мобильной технике, где использование охлаждающих жидкостей практически невозможно. Они обладают меньшей эффективностью теплоотдачи по сравнению с водомасляными, поэтому имеют относительно большие габариты. В теплообменниках горячее масло вступает в контакт с холодной поверхностью,

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

>>> Рис. 1. Направления движения потоков гидравлической и охлаждающей жидкостей

Исходные данные: N [кВт] – мощность первичного двигателя; Qж [дм3/мин = л/мин] – расход рабочей жидкости, проходящий через теплообменник; Тж [°C] – максимальная температура рабочей жидкости (на входе в теплообменник); Тв [°C] – максимальная температура охлаждающей жидкости (воды); ν [мм2/с = сСт] – вязкость рабочей жидкости; Площадь охлаждающей поверхности теплообменника определится из выражения: Здесь S [м2] – площадь охлаждающей поверхности теплообменника;

ОПЫТ

ÇÓ‰ÓχÒÎflÌ˚ ÚÂÔÎÓÓ·ÏÂÌÌËÍË

ОБУЧЕНИЕ

соса равна N = 50 кВт, то величина теплового потока (требуемая теплоотдача) определится из выражения q = N • Кт • 3600 = N • 30% • 3600 . q= 50•0,3•3600 = 54000 кДж/ч = 13000 ккал/ч. Параметры теплообменников определяются следующими расчетами.

ИССЛЕДОВАНИЯ

77


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА

78 Для вычисления средней температуры охлаждающей жидкости (воды) предположим, что ее температура на входе в теплообменник не превышает 20 °C. Разница температур воды на входе и выходе теплообменника должна быть 10 °С. При более высоких температурах воды разница ее температур может составлять 5 °C. Средняя температура воды (Тсв ) определится из выражений

Tc‚= T‚+

νT‚ 2

ОПЫТ

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

ТЕХНОЛОГИИ

ТЕХНИКА

νTÒ=TcÊ–Tc‚ Тогда величина потока воды определится из выражения

Qt νT‚•k‚•60

>>> Рис. 2. Графики изменения эффективности теплообмена и перепада давления

Здесь Qв [дм3/мин = л/мин] – расход охлаждающей воды, проходящий через теплообменник; ΔТв [°С] – разница температур охлаждающей воды на входе и выходе теплообменника; kв [ккал/(°С•л)] – коэффициент теплообмена (потребление тепла охлаждающей воды единицей ее объема). Рассмотрим пример расчета. Пусть N = 20 кВт; Кт = 50%; Qж = 80 дм3/мин; Тж = 50°С; Тв = 20°С; ν = 36 сСт. Принимая во внимание, что 1 кВт = 860 ккал/ч, определим величину требуемого теплового потока: qt = 50% 20 кВт = 10 кВт = 8600 ккал/ч. В таблице находим значение коэффициента отдачи тепла рабочей поверхностью теплообменника: kТ = 600 ккал/(ч•OС•м2); ΔТж= 8600 /(80 • 0,44 • 60)= 4 OC; Тcж= 50 - (4/2)= 48OC; Тв = 10OС; Тcв= 20 + (10/2) = 25OC; ΔТср= 48 - 25= 23 OC; S = 8600/(600 • 23) = 0,62м2; Qв = 8600/(10 •60) = 14 дм3/мин Таким образом, мы определили необходимый расход охлаждающей воды.

>>> Рис. 3. Трубчатые теплообменники для установки снаружи и внутри гидробака

Q‚=

ИССЛЕДОВАНИЯ

ОБУЧЕНИЕ

ÇÓÁ‰Û¯ÌÓ-χÒÎflÌ˚ ÚÂÔÎÓÓ·ÏÂÌÌËÍË. Исходные данные такие же, как для водомасляных теплообменников, но максимальная температура охлаждающей среды равна температуре окружающего воздуха. Для нахождения размеров воздушномасляного теплообменника надо определить его необходимую удельную тепловую мощность (удельный тепловой поток) – kr. В реальных теплообменниках удельная тепловая мощность должна быть выше расчетной (kr).

kr= СТТ 8’2013

qt ΔT

Здесь ΔТ = Тж – Тол – разница между температурой рабочей жидкости на входе в теплообменник (Тж) и максимальной летней температурой окружающего воздуха (Тол); qt – утилизируемый тепловой поток. Обычно он составляет 20-30% установленной мощности. Для упрощения тепловых расчетов ответственные производители теплообменников разработали электронные программы, пользуясь которыми можно легко подобрать основные параметры. Охлаждающие трубы водомасляных теплообменников изготавливают из стали, меди или другого совместимого материала.

В хороших теплообменниках средняя температура входного потока охлаждающей воды составляет 20°С, а на его выходе 30°С. Для рассеивания одного киловатта мощности требуется 80-90 литров воды в час. Эти параметры резко возрастут, если на входе теплообменника температура потока воды будет достаточно большой. Так, при температуре воды на входе 25°С, а на выходе теплообменника 30°С расход воды на рассеивание 1 кВт мощности составит 160-180 л/час. Повышенного внимания требует распределение скоростей охлаждаемого потока рабочей жидкости. Технические каталоги производителей содержат таб-

Таблица 2 Обозначение Поток рабочей жидкокривой на грасти, дм3/мин фике Р1 30-100 Р2 40-130 Р3 120-250 Р4 80-250 Р5 200-400 Р6 30-120 Р7 200-500

Рассеиваемая мощность,кВт, Тж=50 °С, ν=46 сСт, Тв=15 °С

Масса теплообменника,кг

19-23 33-37 33-37 48-56 48-56 70-75 70-75

16,4 22,6 23,0 30,7 30,9 40,0 39,5


АНАЛИТИКА ÇÓ‰ÓχÒÎflÌ˚ Ô·ÒÚË̘‡Ú˚ ÚÂÔÎÓÓ·ÏÂÌÌËÍË Водомасляные пластинчатые теплообменники менее популярны, чем трубчатые. Они состоят из паяных пластин, очень компактны и легки, обладают повышенным потенциалом теплообмена. Они выдерживают давление до 3,0 МПа, устойчивы к коррозии, требуют минимального технического обслуживания. На рис. 9 показан пластинчатый теплообменник. Рабочая поверхность стальных листов теплообменника прессуется таким образом, чтобы вызвать турбулентное течение как гидравлического масла, так и охлаждающей жидкости. В этом случае теплообмен увеличивается даже при низких значениях расхода. Пакеты пластин группируются в блоки. Эти блоки, повернув на 180°, стыкуют между собой противоположными концами. В каналах, образованных пластиСТТ 8’2013

ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ ОПЫТ

>>> Рис. 7. Однотипные трубчатые теплообменники

температура рабочей жидкости. В другой экстремальной ситуации теплообменник, отбирая расчетное количество тепла, может чрезмерно охлаждать рабочую жидкость, понижая ее температуру ниже допустимой. Чтобы обеспечивать постоянной температуру рабочей жидкости на выходе из теплообменника, на входе охлаждающего водяного контура устанавливают термостатический клапан с зондом (капиллярная трубка с чувствительным температурным датчиком). Зонд размещают в гидробаке, как показано на рис. 8. Если температура рабочей жидкости в гидробаке становится ниже допустимой, термостатический клапан ограничивает расход охлаждающей воды в теплообменник. И наоборот, при повышении температуры рабочей жидкости расход воды в теплообменник увеличивается.

ОБУЧЕНИЕ

Водомасляные трубчатые теплообменники имеют два принципиальных исполнения: для установки снаружи или внутри гидробака (рис. 3).

>>> Рис. 6. Конструкция трубчатого теплообменника с одной крышкой

ИССЛЕДОВАНИЯ

ÇÓ‰ÓχÒÎflÌ˚ ÚÛ·˜‡Ú˚ ÚÂÔÎÓÓ·ÏÂÌÌËÍË

На рис. 4 показан пример установки трубчатого теплообменника внутри гидробака насосной станции. В большинстве трубчатых теплообменников вода протекает по горизонтальным медным трубам, а рабочая жидкость внутри корпуса движется по схеме свободного поперечного потока. На рис. 5 показана принципиальная конструкция и схема движения рабочей и охлаждающей жидкостей в водомасляном трубчатом теплообменнике. В крышках трубчатого теплообменника выполняют разделители потоков. Они направляют течение охлаждающей воды по трубам попеременно в прямом и обратном направлениях. Такая схема позволяет воде поглотить наибольшее количество тепла. Межтрубные перегородки обеспечивают поперечное движение потока рабочей жидкости. На рис. 5 ясно видно, что благодаря перегородкам 3 поток рабочей жидкости движется перпендикулярно охлаждающим трубам по наиболее длинному пути. Соприкасаясь с максимальной площадью их поверхности, рабочая жидкость увеличивает отдачу своего тепла. Очень важно, чтобы рабочая жидкость не смешивалась с водой в случаях потери герметизации (возникновения трещин в трубах или их стыковых соединениях). По этой причине давление охлаждающей воды всегда меньше давления рабочей жидкости в теплообменнике. Поэтому в случае непредвиденных обстоятельств охлаждающая вода никогда не попадет в гидробак. На рис. 6 показан вариант конструкции трубчатого теплообменника с одной крышкой. Трубчатые теплообменники выпускают различных размеров, но конструкции их часто схожи. На рис. 7 показана линейка однотипных трубчатых теплообменников. Часто рабочая жидкость достигает экстремальных температур, превышая штатные значения. Охлаждающая вода через некоторое время не в состоянии отбирать требуемое количество тепла, и в теплообменнике устанавливается повышенная

ТЕХНИКА

>>> Рис. 5. Конструкция и схема движения потоков в трубчатом теплообменнике: 1 – задняя крышка; 2 – медные трубы; 3 – перегородки; 4 – передняя крышка; 5 – кожух; 6 – разделитель потоков лицы минимальных и максимальных расходов, необходимые для эффективной работы теплообменников. Если реальный поток рабочей жидкости меньше рекомендуемого, эффективность теплообмена снижается из-за низкой скорости гидравлического масла. Слишком высокий расход ведет к повышению перепада давления, что вызывает дополнительное выделение тепла рабочей жидкостью. Другие таблицы указывают допустимые перепады давления между входом и выходом теплообменника, которые являются довольно значительными в условиях максимального потока. В таблице 2 показаны диапазоны утилизации тепловой мощности в зависимости от величины расхода, а на рис. 2 построены графики изменения эффективности теплообмена и перепада давления.

НОВОСТИ/СОБЫТИЯ

79 <<< Рис. 4. Установка трубчатого теплообменника внутри гидробака


>>> Рис. 8. Термостатический клапан теплообменника нами одного блока, жидкость течет в прямом направлении. В последующем пристыкованном блоке она меняет направление на перпендикулярное. Соединительные стыки каналов блоков герметизируются пайкой. Входное и выходное отверстия для рабочей жидкости связаны с группой каналов, образованных пластинами. Соответственно, входное и выходное отверстия для охлаждающей воды также связаны с группой каналов, образованных обратными поверхностями упомянутых пластин. Таким образом, потоки рабочей жидкости и охлаждающей воды разделены толщиной одной пластины. Рабочая жидкость, поступая в первый блок пластинчатого теплообменника, течет в прямом направлении. Попадая во второй блок, она движется в направлении, перпендикулярном первому блоку. Аналогичным образом рабочая жидкость меняет направление своего течения в последующих пластинчатых блоках теплообменника. Охлаждающая вода, наоборот, поступая в первый блок, течет в перпендикулярном направлении, а во втором блоке – в прямом. В результате направление потока охлаждающей воды всегда перпендикулярно направлению потока рабочей жидкости. Это техническое реше-

НОВОСТИ/СОБЫТИЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

ние заметно повышает теплоотдачу. На рис. 10 показана принципиальная конструкция и схема движения потоков в пластинчатых теплообменниках.

ÇÓÁ‰Û¯ÌÓ-χÒÎflÌ˚ ÚÂÔÎÓÓ·ÏÂÌÌËÍË Охлаждающей средой в воздушно-масляных теплообменниках является воздух. Такие теплообменники очень похожи на автомобильные радиаторы. Воздушный поток в них обеспечивают вентиляторы, приводимые от электродвигателя постоянного/переменного тока или гидромотора. На рис. 11 показаны такие теплообменники. На воздушно-масляных теплообменниках также устанавливают термостат, размещая датчик температуры внутри радиатора. При необходимости он включает вентилятор. Термостат управляет электромагнитным клапаном, включающим гидромотор вентилятора, или электрическим переключателем при использовании электродвигателя. Воздушно-масляные теплообменники широко используются на гидравлической мобильной технике и стационарном оборудовании, которые эксплуатируются в условиях изменения сезонных темпера-

>>> Рис. 9. Водомасляный пластинчатый теплообменник тур. Чтобы исключить простои машин, связанные с перегревом рабочей жидкости, теплообменники должны быть рассчитаны для работы при максимальных летних температурах. На морозе, при низких отрицательных температурах окружающего воздуха, вязкая рабочая жидкость с трудом проходит через узкие каналы теплообменника и создает избыточные перепады давления. Поэтому теплообменники оснащаются перепускным клапаном. Он устанавливается в гидролинии, параллельной теплообменнику. Холодная рабочая жидкость свободно проходит по нему в гидробак, минуя теплообменник. Перепускной клапан может иметь ручное управление (простой шаровой кран 3/2). Но применять это решение нежелательно. Оператор может забыть переключить клапан или сделать это неоправданно. Часто применяют обратный клапан с настройкой на давление, близкое к максимальному давлению теплообменника. Как только в результате течения вязкой холодной рабочей жидкости перепад давления на теплообменнике превысит величину настройки пружины, сливной поток начнет поступать в гидробак через обратный клапан. Схема такого решения показана на рис. 12.

<<< Рис. 10. Принципиальная конструкция и схема движения потоков в пластинчатых теплообменниках <<< Рис. 11. Воздушно-масляные теплообменники

ОБУЧЕНИЕ

ОПЫТ

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

ТЕХНОЛОГИИ

ТЕХНИКА

АНАЛИТИКА

80

СТТ 8’2013


В гидросистемах с высоким уровнем автоматизации желательно устанавливать электромагнитный клапан с электрическим датчиком давления или использовать в качестве электросигнала термостат теплообменника. Воздушно-масляные теплообменники, используемые на мобильной технике, делают машину независимой от водопроводной сети. На некоторых самоходных машинах устанавливают комбинированные устройства охлаждения жидкостей, которые сочетают в себе радиатор дизельного двигателя и гидравлический теплообменник. Воздушно-масляные теплообменники требуют большей эффективной поверхности, чем водомасляные, поскольку теплопередача воздуха значительно ниже воды. Но эта проблема решается путем роста объема воздуха, обдувающего трубы с рабочей жидкостью, и увеличения площади поверхности (излучающей тепло) этих труб. Увеличение площади, излучающей тепло, достигается созданием серии малых параллельных гидравлических трубок квадратного или прямоугольного сечения и размещением между ними многочисленных тонких Z-образных ребер охлаждения. Площадь боковых поверхностей квадратных/прямоугольных трубок больше традиционных круглых. Производят панели с серией параллельных трубок путем пайки под прессом. Эта технология достаточно отработана и недорога. Тонкие Z-образные ребра, расположенные между панелями трубок, существенно увеличивают площадь отдачи тепла. Панели квадратных трубок

и Z-образные ребра изготавливают из легкого металла с повышенной теплопроводностью, в основном из алюминия. Схема и конструкция радиатора такого теплообменника показаны на рис. 13. Принужденное нагнетание воздуха вентилятором увеличивает его объем, проходящий через Z-образные ребра охлаждения. На рис. 14 показаны воздушные и гидравлические потоки в теплообменнике. Весь этот комплекс мер позволяет получить эффективные компактные воздушно-масляные теплообменники. Приведенная конструкция теплообменников в настоящее время является наиболее популярной в гидравлической мобильной технике. Она значительно эффективнее теплообменников с медной витой трубкой, пронизывающей параллельные охлаждающие пластины. Теплообменники выпускают квадратной или прямоугольной формы, для увеличения теплоотдачи их оснащают двумя или тремя вентиляторами, установленными в горизонтальном или вертикальном положении (рис. 15).

ник, из которого она, уже охлажденная, через фильтр поступает вновь в гидробак. Для обеспечения безопасности и регулирования расхода рабочей жидкости в такой гидросистеме предусмотрен предохранительный клапан и регулятор потока. Для обеспечения подачи необходимого объема воздуха внешние теплообменники также оснащаются термостатом. Вентилятор для обдува радиатора часто устанавливают на другом конце вала электродвигателя привода насоса. Схема типовой конструкции внешнего теплообменника показана на рис. 16. Внешние теплообменники имеют преимущества в системах, подверженных гидроударам или превышению номинального уровня давления нагнетания. Внешние теплообменники должны располагаться вблизи гидробаков, а их выходные трубы – ниже уровня рабочей жидкости в гидробаке, чтобы не засасывать воздух во время запуска гидросистемы. Внутренняя площадь сечения соединительных труб подбирается в соответствии с соответствующими портами теплообменника. Соединительные трубы должны быть максимально короткими, иметь минимальное количество изгибов и промежуточных соединений, чтобы не увеличивать перепад давления и, следовательно, не вызывать дополнительного нагрева жидкости. Желательно в качестве соединительных труб использовать рукава высокого давления, которые поглощают вибрации.

Гидравлические жидкости промышленного оборудования можно охлаждать без подключения к водопроводным сетям заводов. Для этого используются внешние теплообменники, которые размещаются на гидробаке или рядом с ним. Такие теплообменники оснащаются шестеренным или пластинчатым насосом, который всасывает рабочую жидкость из гидробака, направляет ее в воздушно-масляный теплообмен-

НОВОСТИ/СОБЫТИЯ ОБУЧЕНИЕ

<<< Рис. 15. Типы воздушно-масляных теплообменников >>> Рис. 16. Конструкция внешнего теплообменника: 1 – вентилятор; 2 – термостат; 3 – перепускной клапан; 4 – клапан регулирования потока; 5 – электродвигатель; 6 – предохранительный клапан; 7 – радиатор; 8 – насос; 9 – кожух

СТТ 8’2013

ИССЛЕДОВАНИЯ

Ç̯ÌË ÚÂÔÎÓÓ·ÏÂÌÌËÍË

ТЕХНОЛОГИИ

>>> Рис. 14. Схема воздушных и гидравлических потоков в теплообменнике

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

>>> Рис. 13. Конструкция радиатора воздушномасляного теплообменника

ОПЫТ

>>> Рис. 12. Перепускной клапан в теплообменнике

ТЕХНИКА

АНАЛИТИКА

81


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА

84

>>> Базовые методы управления гидроприводов 1. ç‡ÒÓÒ˚ ÏÓ·ËθÌÓÈ ÚÂıÌËÍË 2. ê„ÛÎflÚÓ˚ ̇ÒÓÒÓ‚ Ò ÔÂÂÏÂÌÌ˚Ï ‡·Ó˜ËÏ Ó·˙Â-

ТЕХНИКА

ÏÓÏ 3. ëËÒÚÂχ LS „ÛÎËÛÂÏ˚ı ̇ÒÓÒÓ‚ 4. ìÔ‡‚ÎÂÌË ‡·Ó˜ËÏË Ó„‡Ì‡ÏË Ï‡¯ËÌ. ó‡ÒÚ¸ 1

ТОРМОЗНЫЕ ГИДРОСИСТЕМЫ

å

обильные колесные самоходные машины снабжены тормозными системами с гидравлическим или пневматическим приводом. Легковые автомобили оснащаются только гидравлическими тормозами. На рис. 1 показана схема простейшей гидравлической тормозной системы с педальным насосом и плунжерным исполнительным гидроцилиндром одностороннего действия. Возврат плунжера в исходное положение осуществляется пружиной, реакция которой также воздействует на ногу оператора. Чтобы уменьшить усилие нажатия оператором тормозной педали, многие машины оснащаются сервоусилителем тормоза. Он устанавливается между тормозной педалью и насосом. Существует два типа сервоусилителей: вакуумные и гидравлические.

Корнюшенко С.И., доктор наук, профессор РАЕН

BRAKE SYSTEMS Kornyushenko S.I., Dr. of science, RANS professor

In the article are given principle schemes of brake systems for wheeled self-propelled technique. Main points of vacuum brake servobooster performance are described. A special attention is paid to the description of hydraulic brake systems of construction, road-building and special self-propelled technique. A structural hydraulic scheme of machine is shown, in which is marked out a braking circuit. A structure and a performance of typical brake hydraulic system, which is equipped with hydropneumatic accumulators are exposed. A sequence of their performance at various conditions of the machine braking is described.

5. ìÔ‡‚ÎÂÌË ‡·Ó˜ËÏË Ó-

ТЕХНОЛОГИИ

„‡Ì‡ÏË Ï‡¯ËÌ. ó‡ÒÚ¸ 2 6. ÉˉÓÒÚ‡Ú˘ÂÒÍË Ú‡ÌÒÏËÒÒËË Ò‡ÏÓıÓ‰ÌÓÈ ÚÂıÌËÍË 7. ëËÒÚÂÏ˚ ÛÎÂ‚Ó„Ó ÛÔ‡‚-

8. íÓÏÓÁÌ˚ „ˉÓÒËÒÚÂÏ˚

ОБУЧЕНИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

Вакуумные сервоусилители содержат две камеры, атмосферную и вакуумную, разделённые гибкой мембраной. В исходном положении давление в обеих камерах одинаковое и равно давлению, создаваемому источником разряжения воздуха.

>>> Рис. 2. Структурная гидросхема машины с выделенным контуром тормозной системы

ОПЫТ

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

ÎÂÌËfl

>>> Рис. 1. Схема простой гидравлической тормозной системы с педальным насосом

СТТ 8’2013

В машинах с бензиновым двигателем вакуумная камера сервоусилителя соединяется с полостью впускного коллектора после дроссельной заслонки. Там гарантированно обеспечивается разряжение газовоздушной смеси. В качестве источника разряжения воздуха на


НОВОСТИ/СОБЫТИЯ АНАЛИТИКА ТЕХНИКА ТЕХНОЛОГИИ КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

ду педалью и тормозными цилиндрами питается от потока рабочей жидкости, создаваемого насосом, который приводится первичным дизельным двигателем и используется для системы рулевого управления. Любая колесная строительно-дорожная, сельскохозяйственная, лесозаготовительная или другая специальная машина требует качественную и рационально управляемую тормозную систему. В современной мобильной гидравлической спецтехнике эти устройства достаточно полно отработаны и во многом похожи друг на друга. На рис. 2 показана принципиальная структурная гидросхема современной мобильной машины, содержащая три основных контура – гидростатическую трансмиссию хода, гидропривод рабочих органов, рулевую и тормозную гидросистемы. Тормозная система, в свою очередь, состоит из рабочего тормоза (гидравлического узла) и контура торможения. В современной мобильной гидравлической технике рулевую и тормозную системы часто питает один насос. В зависимости от команды оператора и воздействия на машину внешних сил сопротивления приоритетный клапан автоматически делит и направляет потоки жидкости в соответствующие упомянутые гидравлические контуры. Типовая схема тормозной системы показана на рис. 3. Поток рабочей жидкости от питающего насоса через приоритетный клапан (рис. 2) по линии ТС поступает в гидравлический контур рабочего тормоза. Входной байпасный клапан (БК) распределяет поток другим потребителям, когда тормоза не задействованы или требуют немного рабочей жидкости.

>>> Рис. 4. Тормозные педали с клапанным блоком

ОБУЧЕНИЕ

машинах с дизельным двигателем служит вакуумный насос. Он приводится первичным или электродвигателем. При нажатии педали тормоза усилие через толкатель передается к золотнику следящего клапана. Он перекрывает канал, соединяющий атмосферную камеру с вакуумной. При дальнейшем движении золотника атмосферная камера через соответствующий канал соединяется с окружающей средой. Давление в атмосферной камере увеличивается. Разница давлений действует на диафрагму, которая, преодолевая усилие пружины, перемещает поршень педального насоса, нагнетающего рабочую жидкость в исполнительные гидроцилиндры тормозной системы. Вакуумный усилитель обеспечивает дополнительное усилие на поршне насоса, пропорциональное силе нажатия на педаль тормоза. Другими словами, чем сильнее оператор нажимает на педаль, тем эффективнее будет торможение. По окончании торможения атмосферная камера сервоусилителя вновь соединяется с вакуумной, давление в обеих полостях выравнивается. Диафрагма перемещается в исходное положение. Максимальное дополнительное усилие, реализуемое с помощью вакуумного усилителя тормозов, обычно в 3-5 раз превышает усилие от ноги оператора. Дальнейшее повышение величины дополнительного усилия достигается увеличением количества камер вакуумного усилителя, а также увеличением размера диафрагмы. Гидравлическая тормозная система основана на принципе сервопривода. Тормозной гидравлический контур меж-

СТТ 8’2013

ИССЛЕДОВАНИЯ

>>> Рис. 3. Типовая схема тормозной системы

Гидропневмоаккумуляторы (ГПА) накапливают рабочую жидкость и бесперебойно обеспечивают выполнение тормозных операций. Для тормозных систем давление зарядки пневматической камеры ГПА азотом составляет 5,0 МПа. Ёмкость гидравлической полости обычно выбирается из расчета обеспечения от 5 до 8 торможений. Но в промежутке между ними ГПА постоянно пополняются рабочей жидкостью. Эту функцию осуществляет байпасный клапан (БК). Заполнение рабочей жидкостью ГПА осуществляется от входного потока через обратные клапаны (ОК). Одновременно они изолируют ГПА друг от друга и не дают рабочей жидкости поступать обратно в напорную гидролинию (ТС). Расположение обратных клапанов позволяет автоматически поддерживать одинаковое давление во всех трех ГПА и управлять каждым тормозным контуром. Тормоза 1 и 2 снабжаются рабочей жидкостью индивидуально, но работают одновременно. Клапан ограничения давления (КОД) управляет максимальным давлением рабочей жидкости в ГПА. Его настройка обычно составляет 12,0-15,5 МПа. В этих пределах осуществляется работа ГПА. Клапан ограничения давления обеспечивает защиту предохранительного клапана основной гидросистемы, направляя при срабатывании поток рабочей жидкости на слив. Фактически он является предохранительным клапаном в тормозной системе гидропривода машины. Байпасный клапан, ГПА, обратные клапаны, клапан ограничения давления составляют гидравлический узел – рабочий тормоз. Комбинация этих устройств формирует гидравлическую энергию для осуществления эффективного торможения. Рабочий тормоз приводит в действие два контура торможения. Управляют тормозными контурами клапаны (УК), механически жестко соединенные между собой и с тормозной педалью (ТП). Клапаны тормозной педали направляют рабочую жидкость в тормозные гидроци-

ОПЫТ

85


а)

б)

в)

>>> Рис. 5. Основные операции работы ГПА при торможении линдры (ТЦ), которые приводят в действие фрикционные механизмы. Тормозная педаль с управляющими клапанами составляет единый узел. Варианты его конструктивного исполнения показаны на рис. 4. В напорной линии ГПА установлен электрогидравлический датчик давления. При падении давления в ГПА ниже 10,0 МПа он срабатывает и на пульте управления в кабине оператора машины включается световой сигнал. В тормозном контуре также установлен электрогидравлический датчик. При нажатии тормозной педали и, соответственно, росте давления свыше 0,5 МПа загорается тормозной фонарь. Работает тормозная система следующим образом. Перед включением насоса ГПА находится в положении, показанном

ИССЛЕДОВАНИЯ

ОБУЧЕНИЕ

ОПЫТ

КОМПЛЕКТУЮЩИЕ

ТЕХНОЛОГИИ

ТЕХНИКА

АНАЛИТИКА

НОВОСТИ/СОБЫТИЯ

86

СТТ 8’2013

на рис. 5, а. Его пневматическая камера, заряженная азотом, предельно расширена и занимает максимальный объем рабочей гидравлической полости. После включения насоса поток рабочей жидкости от приоритетного клапана по гидролинии ТС поступает к байпасному клапану. Проходя через него и преодолевая слабое сопротивление обратных клапанов, жидкость наполняет рабочую гидравлическую полость каждого ГПА. Давление рабочей жидкости растет, пневмокамера при этом сжимается (рис. 5, б). После наполнения ГПА байпасный клапан направляет избыток рабочей жидкости во вспомогательную систему. При нажатии оператора на тормозную педаль управляющие клапаны одновременно перемещаются и синхронно открывают доступ рабочей жидкости от

ГПА к тормозным гидроцилиндрам. Давление в рабочих полостях ГПА падает, пневмокамера расширяется (рис. 5, в), выталкивая рабочую жидкость в тормозные контуры. Она перемещает поршни тормозных гидроцилиндров, которые зажимают фрикционные механизмы. ГПА-1 приводит в действие тормоз 1, а ГПА-2 – соответственно тормоз 2. ГПА-3 – страховочный гидропневмоаккумулятор. В случае нехватки количества рабочей жидкости в тормозных контурах 1 или 2 она автоматически добавляется из ГПА-3. Таким образом достигается эффективное надежное торможение машины. При превышении допустимого давления в рабочих полостях ГПА срабатывает клапан ограничения давления, направляя избыток рабочей жидкости на слив в гидробак. Обычно КОД настраивается на величину от 12,0 до 15,5 МПа. Когда оператор машины снимает ногу с тормозной педали, она под действием возвратной пружины вместе с управляющими клапанами занимает первоначальное исходное положение. Управляющие клапаны соединяют рабочие полости тормозных цилиндров со сливом, и их штоки под действием пружин освобождают фрикционные механизмы. В данном разделе показана принципиальная схема тормозной системы гидравлической колесной машины. У каждого производителя тормозных систем существуют конструктивные особенности. Понимание оператором машины принципов их построения и работы является очень важным для обеспечения безопасности эксплуатации техники.

Year results 8  
Year results 8  

итоги года8

Advertisement