Тема 26. Расчет кпд гидропривода машины

Коэффициент полезного действия гидропривода поз­воляет установить эффективность спроектированной ма­шины. Для оптимально разработанной гидросистемы общий (полный) КПД находится в пределах

Общий КПД гидропривода определяют произведени­ем гидравлического, механического и объемного КПД:

. (63)

Гидравлический КПД рассчитывают по суммарным потерям давления в гидроприводе:

(64)

где Р_ном - номинальное давление в гидросистеме, Мпа; - суммарные потери давления, МПа.

Механический КПД находят произведением механи­ческих КПД всего последовательно соединенного гидро­оборудования, в котором происходят потери энергии на трение:

здесь - механический КПД насоса; - меха­нический КПД распределителя; - механический КПД гидродвигателя.

Значения механических КПД насосов и гидромоторов выбирают из технических характеристик, гидроцилиндров - по рекомендациям, приведенным в п. 4.2., а значения распределителей принимают равными 1, так как механи­ческие потери в распределителях весьма малы, и их при расчете не учитывают. Механический КПД гидрообору­дования изменяется при изменении температуры не так существенно как гидравлический и объемный. В техни­ческой литературе нет данных по изменению механического КПД, поэтому в современных расчетах его принима­ют постоянным. Однако в дальнейшем при развитии гид­ропривода надо иметь в виду, что такая зависимость будет установлена, и ее необходимо учитывать при проектиро­вании.

Объемный КПД гидропривода рассчитывают из выра­жжения

(65)

где , , - объемные КПД насоса, распреде­лителя и гидродвигателя. Объемный КПД гидроцилинд­ров и распределителей принимается равным 1. Входящий в формулу объемный КПД насосов гидромоторов выби­рают по графику (рис. 52) или из технических характеристик.

Рисунок 52 - Зависимость объемного КПД от температуры: 1 - шестерные насосы (М-8В2); 2 - аксиально-поршневые насосы (ВМГЗ).

Расчет КПД гидропривода выполняют в диапазоне тем­ператур -40-+80°С и по полученным данным строят гра­фик в координатах .

В реальных проектах общий КПД двух- и трехпоточных гидросистем рассчитывают отдельно для каждого по­тока, а затем определяют общий КПД гидропривода:

где и - мощности привода насосов; и - общие КПД первого и второго потоков.

Выбор гидроцилиндров

Унифицированные гидроцилиндры выбирают по двум параметрам: величине хода штока и внутреннему диамет­ру. Ход штока определяют конструктивно в соответствии с кинематической схемой машины, внутренний диаметр гидроцилиндра - из силового расчета с учетом гидроме­ханического КПД гидропривода (см. табл. 35 - 38).

Расчет и выбор гидромоторов

Крутящий момент на валу гидромотора определяют по формуле

, Н·м, (66)

где q_M - рабочий объем гидромотора, см³/об; Р_ном - но­минальное давление в гидросистеме, МПа; - гидро­механический КПД гидромотора.

Число оборотов гидромотора

, об/с,

где Q_H - подача насоса, м³/с; - объемный КПД гидромотора; q_M - рабочий объем гидромотора, см³/об.

В практических расчетах чаще всего требуется по из­вестному из кинематической схемы числу оборотов опре­делить рабочий объем гидромотора и требуемый расход рабочей жидкости:

см³/об (67)

м³/с (68)

Мощность привода гидромотора находят из выраже­ния

Вт.

Определение объема и площади теплоотдачи гидробаков

Вместимость гидробаков, форма, месторасположение на машине, некоторые конструктивные особенности оказывают существенное влияние на работоспособность гидравлического привода. Опыт эксплуатации гидрофицированных машин показал, что завышение или занижение объема бака снижает эффективность применения гидропривода. Однако до настоящего времени не разработано рекомендаций по расчету и проектированию гидробаков, не проведено исследований по выявлению влияния конструкции баков на работоспособность гидравлического привода самоходных машин.

Вместимость гидробака для машин с нетеплонапряженным гидроприводом (скреперы, автогрейдеры, автокраны и др.) можно выбирать на основе теплового расчета гидросистемы, задавшись предельной установившейся температурой при максимальной температуре окружающего воздуха. На графике (рис. 53) приведены зависимости вместимости и площади теплоотдачи гидробака от количества теплоты, выделяемой гидроприводом, когда тем­пература окружающего воздуха равна 30°С, а коэффициент теплоотдачи k = 10 Вт/м² · гр. Определив расчетом количество теплоты, выделяемой гидроприводом, можно по данным графикам предварительно выбрать вместимость гидробака.

Рисунок 53 – Зависимость вместимости баков от количества теплоты, выделяемого гидроприводом: 1 - t_ycт = 60°C; 2 - t_ycт = 70°C; 3 – t_уст = 80^оС.

Расчеты и опыт эксплуатации гидрофицированных машин показывают, что для машин с теплонапряженным гидроприводом (экскаваторов, одноковшовых погрузчиков, машин с гидрообъемной трансмиссией и др.) выбирать вместимость баков из условия отсутствия перегрева рабочей жидкости нецелесообразно, так как в этом случае размеры гидробака превосходят разумный предел. Например, расчет показывает, что для экскаватора ЭО-4121 при предельной температуре +70°С вместимость бака должна быть не менее 2000 л. Таким образом, для машин с теплонапряженным гидроприводом объем бака необходимо выбирать конструктивно, а параметры маслоохладителя определять тепловым расчетом гидросистемы.

Предварительно вместимость бака выбирают:

- для гидроприводов бульдозеров, скреперов, автогрейдеров, рыхлителей, кусторезов - (0,8- 1,0) · Q_H , л;

- для гидроприводов экскаваторов, погрузчиков, кранов - (1,0- 1,5) · Q_H , л;

- для гидроприводов стационарных машин - (1,5 - 2,0) · Q_H, л, где Q_H - минутная подача насоса, л.

После предварительного выбора объема бака согласовывают его значение по ГОСТ 12448-80.

Чтобы избежать перегрева гидропривода, вместимость бака следует увеличивать:

- с увеличением номинального давления в гидросистеме;

- в машинах, работающих в южных районах страны;

- с увеличением коэффициента использования номинального давления и продолжительности работы под нагрузкой.

Окончательно вместимость бака определяется тепловым расчетом гидросистемы, а затем вновь согласовывается с ГОСТ 12448-80.

Наиболее распространены гидробаки, имеющие фор­му параллелепипеда. Площадь теплоотдачи таких баков может быть определена по формуле

м², (69)

где V_б - вместимость гидробака, м³.

Тепловой расчет гидропривода

Тепловой расчет выполняется с целью установления условий работы гидропривода, уточнения объема гидробака и поверхности теплоотдачи, а также выявления необходимости применения теплообменников.

Минимальная температура рабочей жидкости соответствует температуре воздуха той климатической зоны, в которой эксплуатируется машина. Максимальная темпе­ратура жидкости зависит от конструктивных особенностей гидросистемы, режима эксплуатации гидропривода и температуры окружающего воздуха и определяется в результате теплового расчета.

Повышение температуры рабочей жидкости прежде всего связано с внутренним трением масла, особенно при дросселировании жидкости. Все потери мощности в гидросистеме в конечном итоге превращаются в тепло, кото­рое аккумулируется в жидкости и гидрооборудовании.

Количество тепла, получаемое в единицу времени, со­ответствует потерянной в гидроприводе мощности и мо­жет быть определено по формуле

Вт (70)

где - общий КПД гидропривода; N_H - мощность привода насоса, Вт; k_П - коэффициент продолжительности работы под нагрузкой (см. табл. 68); k_Д - коэффициент использования номинального давления (см. табл. 49).

Температуру рабочей жидкости можно вычислить из уравнения теплового баланса:

(71)

где - количество тепла, выделяемое за время ; - количество тепла, затрачиваемое на на­гревание гидропривода на температуру dt; - количество тепла, рассеиваемое в пространстве за время .

Решив уравнение (71) относительно t, получим формулу, которая позволяет найти температуру жидкости в любой момент времени:

^оС, (72)

Рассмотрим величины, входящие в формулу (72):

Q - количество тепла, получаемое в единицу времени, Вт.

k - коэффициент теплоотдачи поверхностей гидро­оборудования в окружающую среду, Вт/м^{2 о}С.

Коэффициент теплоотдачи k зависит от многих факторов: конструкции и разводки гидросистемы, вязкости рабочей жидкости, температуры окружающего воздуха, ско­рости ветра и т. д. При тепловом расчете гидросистем мобильных машин с достаточной для инженерных целей точностью можно взять k из табл. 58.

F - суммарная площадь теплоизлучающих поверхностей гидропривода, м²:

где F_б - площадь гидробака, м².

Таблица 58 – Приближенные значения коэффициента теплоотдачи.

Условия теплоотдачи	k, Вт/м2 оС
Циркуляция воздуха затруднена (гидропривод расположен в нише стационарной установки)	7
Свободно обтекаемый воздухом гидропривод (самоходные машины)	10
Принудительный обдув гидропривода (теплообменники)	23
Охлаждение гидропривода проточной водой	110-175

При тепловом расчете гидропривода значения коэф­фициента рекомендуется выбирать из табл. 59. Они по­лучены на основе анализа конструкций гидроприводов современных самоходных машин.

Таблица 59 – Приближенные значения коэффициента .

Область применения	Коэффициент
Система рулевого управления	1,2
Гидрообъемные трансмиссии, катки	1,4
Рыхлители, бульдозеры, скреперы	2,0
Погрузчики, автокраны, экскаваторы непрерывного действия	2,4
Автогрейдеры, валочно-трелевочные машины	3,0
Одноковшовые экскаваторы	3,2

- время, за которое выделяется тепло, с

m_ГП - масса гидропривода и рабочей жидкости, кг.

с_ГП - средняя теплоемкость материалов, из которых изготовлен гидропривод, Дж/кг · ^оС:

(73)

где с_ж = 1,85 · 10³ - теплопроводность рабочей жидкости, Дж/кг · °С; m_ГО - масса гидрооборудования, кг; m_ж - масса рабочей жидкости, кг; с_ГО = 0,46 · 10³ - теплоемкость материала (стали), Дж/кг · °С.

t_O - температура окружающего воздуха, °С.

По формуле (72) рассчитывают температуру рабочей жидкости и строят график в координатах t_ж-τ. При этом интервалом времени задаются, например, принимают рав­ным 1200 с, 2400 с, 3600 с и т. д. до 7200 с, а далее прово­дят прямую линию, параллельную оси абсцисс.

Формула (72) позволяет определить температуру рабо­чей жидкости в любой момент времени. При расчете гид­росистем часто требуется найти максимальную установив­шуюся температуру рабочей жидкости, которая достига­ется гидроприводом через два-три часа после начала эк­сплуатации и не зависит от времени:

(74)

здесь t_{Q max} - максимальная температура окружающего воздуха, °С.

Зная минимальную температуру той климатической .зоны., для которой проектируется машина, и определив максимальную температуру по формуле (74), можно установить диапазон температуры рабочей жидкости в гидро­системе.

Если в результате расчета окажется, что максимальная установившаяся температура превышает +70°С, то необ­ходимо увеличить объем гидробака, поверхность теплоот­дачи или предусмотреть в гидросистеме теплообменное устройство.

Расчет теплообменника

Установившаяся температура рабочей жидкости гид­ропривода самоходных машин нередко, даже зимой, пре­вышает оптимальную. В осенне-весенний и особенно лет­ний периоды в машинах с теплонапряженным гидропри­водом (универсальные экскаваторы, тягачи и др.) это пре­вышение достигает 50°С и больше. С целью устранения перегрева жидкости в гидросистемах ряда современных машин используют теплообменники (калориферы). На самоходных машинах наибольшее распространение полу­чили воздушные теплообменники, так как они просты по конструкции, имеют малую стоимость и надежны в эксплуатации.

По конструкции воздухомасляные охладители представ­ляют собой систему труб с рядовым или шахматным рас­положением. Снаружи трубы имеют накатанные алюми­ниевые ребра или стальные гофрированные пластины, которые предназначены для увеличения площади тепло­отдачи. По числу проходов жидкости охладители подраз­деляют на однопроходные, двухпроходные и четырехпроходные. В двухпроходных теплообменниках трубы имеют U-образиый изгиб, а коллекторы расположены с одной стороны, что удобно для компоновки трубопроводов гидросистем.

Н а рис. 54 представлена схема теплообменника. Его расчет сводится к определению площади теплоотдачи, при этом задаются коэффициентом теплоотдачи, а геометри­ческое размеры и форму теплообменника выбирают конструктивно. Прежде всего выполняют тепловой расчет гидропривода по формулам, приведенным в п. 5.15. Если расчет покажет, что установившаяся температура превы­шает 70°С, то в гидросистеме необходимо применить теплообменное устройство, через которое избыток тепла пе­редается в атмосферу. Определить площадь теплоодачи теплообменника можно из следующего выражения:

Рисунок 54 – Схема теплообменника: 1 – кран переключения; 2 – верхний и нижний коллекторы; 3 – трубки; 4 – гофрированные пластины; 5 – вентилятор; 6 – гидромотор; 7 – кожух.

м² (75)

где Q_гп - количество тепла, получаемое гидроприводом в единицу времени, Вт; t_уст - установившаяся температу­ра, °С; t_{0 max} - максимальная температура окружающей среды, °С; k_т - коэффициент теплоотдачи теплообмен­ника, Вт/м² · ^oС; F_гм - площадь теплоизлучающих по­верхностей гидропривода, м²; k_гп - коэффициент тепло­отдачи поверхностей гидрооборудования, Вт/м² · ^оС. Для применяемых на самоходных машинах теплообменников коэффициент теплоотдачи можно брать равным 23 Вт/м² · °С.