книги из ГПНТБ / Дубровский О.Н. Гидроэнергетические расчеты судовых силовых гидравлических приводов и систем

Пуск судового гидропривода можно производить при ХОЛОДНОМ состоянии, когда рабочая жидкость имеет повышенную вязкость. Влияние вязкости может быть учтено г\тм, входящим в коэффи­ циент См. Отбросив члены малого порядка, после преобразований получим полное выражение пускового момента

Развернутое выражение максимального давления, возникаю­ щего в период страгивания (начало вращения) гидропривода, можно выразить зависимостью

Повышение давления в пусковой период вызывается также разгоном гидропривода. При этом определенное влияние на процесс ускорения гидропривода оказывает масса рабочей жидкости в его трубопроводах. Основные расчетные зависимости, связывающие дан­ ные параметры в гидроприводе с силовым гидроцилиндром возвратно­ поступательного действия и с мотором вращательного действия, приведены в табл. 36.

Пусковые характеристики объемных гидроприводов на этапе разгона следует рассматривать в зависимости от маховых масс гидропривода (механических и рабочей жидкости — см. § 2) и пара­

где 5 ГП— коэффициент относительных объемных потерь в гидропри­ воде. _

Параметр Srn оказывает малое влияние на пм (т). В упрощенном виде его можно выразить зависимостью і вида

Srn~ l - ^ r n ^ .

' м

167

вая скорости практически следует за изменением параметра регули­ рования.

Зависимость нагрузки в пусковой период для гидропривода с насосным регулированием описывается следующими уравне­

сами тгп большое влияние на протекание переходного процесса оказывает время регулирования тр. С уменьшением тр максималь­ ное давление в гидроприводе резко возрастает. Соответствующее

изменение времени регулирования, а также тгп и 5 ГП может суще­ ственно повлиять на характер изменения давления в гидроприводе, исключить возможности его перегрузки в пусковой период. В гидра­ влических приводах с последовательно включенным дроссельным регулятором разгон не вызывает превышения давления сверх на­ стройки предохранительного (переливного) клапана вследствие его функционирования до момента начала регулирования (открытия дросселя для пуска). -

168

Связь рш с особенностями гидроприводов рассмотрена в ра­ боте [28]. Исходным .принято динамическое равновесие вала мотора. Принято также, что в период разгона пм = const и объем жидкости, выдаваемой насосом, расходуется на раскручивание мотора, на утечки в насосах и моторах, которые увеличиваются с ростом давления, на заполнение дополнительного объема, образовавшегося вслед­ ствие деформации упругих элементов гидропривода (главным обра­ зом магистрали).

Согласно работе [28],

при пуске, т. е. принято, что силы трения покоя равны силам трения установившегося движения.

Из выражения (228) видно, что Арш возрастает с увеличением пм и / п. Уменьшению Арю способствуют повышение rjmM, К0 и сниже­ ние г)Кн и г)Ѵм. Упругость системы определяется главным образом количеством резиновых шлангов в ней. Объемная податливость сталь­ ных элементов системы незначительна (для определения К0 можно пользоваться данными по упругости шлангов).

Расчет и испытания показывают, что / п тихоходных высокомоментных судовых палубных механизмов составляет менее 5% мо­ мента инерции самого мотора и, следовательно, не играет значи­ тельной роли в образовании Арщ.

Данные выводы подтверждаются результатами обработки пуско­ вых осциллограмм многих аналогичных механизмов, по которым продолжительность «всплеска» давлений при свободном и нагружен­ ном моторе примерно одинакова и в зависимости от типа механизма

170

равна 0,2—0,7 с. В этом случае при К0 — 1 величина Арм не превы­ шает 10—15 кгс/см2. При пуске быстроходных механизмов с часто­ той вращения пм = 1000н-1500 об/мин Ара может достигнуть значи­ тельной величины (50—70% от ры).

Наряду с рассмотренными условиями на пусковой Процесс могут оказать влияние предохранительные (переливные) клапаны. Обла­ дая определенной инерцией и включаясь в работу через 0,1—0,3 с после достижения в системе давления настройки, клапаны защиты в ряде случаев успевают перепустить часть рабочей жидкости, уменьшив давление в системе, скорость мотора и нарастание давле­ ния на завершающей стадии пускового периода, несколько увели­ чив его продолжительность.

Из рассмотренного видно, что характер изменения основных параметров гидропривода в пусковой период зависит от многих условий, находящихся в сложной взаимозависимости. Опыт отра­ ботки судовых силовых гидроприводов показывает, что максималь­ ное давление в пусковой период в наибольшей мере обусловливается конструктивными особенностями гидромотора [см. формулу (219)]. Однако это не исключает необходимости проверочных расчетов по определению «пика» давлений, связанного с маховыми массами и параметром регулирования [см. формулу (226)], с целью опреде­ ления основных направлений проектирования.

Определим максимальное давление в системе гидропривода с объемным регули­ рованием насосом (тип 11Д с г]Гн ^ 0,95), где используется мотор ГРП-2А (qM= = 3,7 л/об). Для сравнения принят мотор типа Хэгглундс.

Данные гидропривода:

— статическая нагрузка М м = 300 кгс-м;

— маховый момент G£>2n' = 200 кгс-м2;

— частота вращения мотора на установившемся режиме пы = 50 об/мин;

— частота вращения и параметр регулирования пн = 1, /■„ = 1, т. е. соответ­ ствуют полным спецификационным;

— время регулирования тр = 0,2 с и тр = 0,5 с; ■— вязкость рабочей жидкости 25 сСт (прогретый пуск) и 145 сСт (холодный пуск).

Рабочее давление установившегося режима по формуле (102) для ГРП-2А

(85 кгс/см2 при 145 сСт, соответственно 56 и 68 кгс/см2 для гидромотора типа Хэгг­ лундс).

Максимальное пусковое давление при страгивании мотора по формуле (219)

гидроприводов тгп = 0,09-0,88-0,95 = 0,075 с для ГРП-2А и 0,081 с для гидромо­ торов типа Хэгглундс.

171

Максимальное давление в период разгонѣ по формуле (227):

— для ГРП-2А

Полученные результаты близки к опытным данным и свидетельствуют о более высоких пусковых качествах гидромоторов Хэгглундс. Малое влияниетр объясняется сравнительно небольшим маховым моментом гидропривода. При его увеличении до 500 кгс-м2 максимальное расчетное давление при разгоне у моторов Хэгглундс возрастает до 90 и 67 кгс/см2, соответственно тр = 0,2 с и т р = 0,5 с при вязкости 25 сСт, ПО и 83 кгс/см2 при 145 сСт.

Очевидно, при использовании данного гидропривода в механизмах с большим маховым моментом (например, в лебедках-вьюшках) или в быстроходных приводах во избежание перегрузки целесообразно принимать время регулирования более 0,2 с.

Пределы регулирования скорости судовых механизмов в зависи­ мости от их назначения различны. Характеристикой регулировоч­ ных возможностей гидроприводов служит диапазон регулирова­ ния Дя, представляющий'собой отношение максимальной выходной скорости гидропривода (мотора) к минимально устойчивой при соот­ ветствующих параметрах режима:

Параметры минимальной и максимальной скорости (частоты вращения исполнительного мотора), определяющие верхние и ниж­ ние пределы его скоростного использования, представляют практи­ ческий интерес для оценки возможностей судового гидропривода.

Наиболее важной величиной является Пмц-п)- Во многих случаях при выборе типа привода для судового механизма предпочтение отда­ валось гидроприводу на том основании, что он позволяет получить минимальные пределы устойчивой частоты вращения. Однако опыт отработки судовых силовых гидроприводов показал, что вели­

чина Им(гп) часто оказывается, достаточно высокой и в ряде случаев не удовлетворяет поставленным требованиям.

Неустойчивость вращения (скорости) гидропривода объясняется пульсацией момента, вызванного конечной величиной хода и числа поршней в гидромашинах. В работе [16] даны теоретические пред­

посылки к определению Пм'п, согласно которым

172

где АЛ4/Л4ср, или 6М,— коэффициент пульсации момента в гидрома­ шине, определяемый выражением

Приближенные значения коэффициента пульсации [16]:

—при четном числе цилиндров (z')

*_ 1.25 .

°м — (г')2 1

— при нечетном числе цилиндров (г")

с _ 5

°м ~~ (г")2 ‘

Таким образом, теоретический диапазон силового регулирования гидромашины можно определить из выражения

Отсюда теоретическая минимально устойчивая частота вращения мотора в составе гидропривода определится из выражения

.max

Однако фактические значения минимально устойчивой частоты вращения мотора более чем в 5—10 раз превышают расчетные [см. формулу (231) ] из-за эффекта «залипания». Если количество жидко­ сти, подаваемой в мотор, меньше величины утечек, вращения не произойдет. При увеличении подачи жидкости давление в цилиндрах гидромашины возрастет и, когда оно превысит силы статического трения (залипание), мотор начнет вращаться. В этом режиме стати­ ческое трение переходит в трение скольжения. При этом коэффи­ циент трения уменьшается в несколько раз. Если подается достаточ­ ное количество жидкости для создания необходимого давления в цилиндрах, мотор ускоряет вращение. В противном случае давле­ ние падает, мотор останавливается и цикл повторяется.

Очевидно, минимально устойчивая частота вращения гидрома­ шины не может быть ниже частоты вращения, определяемой утеч­ ками, т. е.

173

Хорошая сходимость расчетных значений с фактическими наблю­ дается при условии CAQM= AQ„ax, т. е.

А<2ГХ: КѵьДмПІ“™-

V V

В условиях малых скоростей явления гидродинамического клина, определившие для быстроходных гидромашин соответствующих типов значение а 2 << 1 (см. § 7), очевидно, исчезнут. Для этих режимов можно принять а 2 = 1, тогда

Из данного выражения устанавливается минимально устойчивая частота вращения мотора, работающего как самостоятельно, так и в составе гидропривода. Например, для ГРП-2А при температуре

При 50° С и вязкости ѵ — 25 сСт Ям‘п = 12,5 об/мин. Расчетные значения соответствуют эксплуатационным.

Таким образом, развернутое выражение для диапазона регули­ ровки гидропривода принимает вид [см. формулу (147)]

Верхний предел скорости исполнительного мотора гидропривода в данном выражении определяется синхронной частотой вращения на приводе насоса и объемно-механическими характеристиками гидропривода. Для гидромашины верхние скоростные пределы зависят от ее конструктивных возможностей (например, момента отрыва поршневых опор от силового копира или блока цилиндров от распределителя), износной работоспособности (см. § 10), а также от момента появления кавитации.

174

Кавитация — вскипание жидкости с последующей конденсацией выделившихся паровых пузырьков, сопровождающейся местными гидравлическими ударами, — наступает, когда давление в какойлибо точке потока жидкости оказывается меньше давления насыщен­ ных ее паров при данной температуре. С появлением кавитации произ­

ше ее геометрического объема QT (рис. 53). Следовательно, ко­

в рабочем объеме вакуум невелик, вскипания жидкости, а следова­

Qr ( к ) ^ < 7 ™ “ к К = С — п),

где п = — и С = І,5-ч-2,25.

пЫ)

Спецификационная, или номинальная, частота вращения гидро­ машин всегда лежит в докавитационном диапазоне (пс ^ п(к)) с кави­ тационным запасом (КЗ), как правило, от 5 до 25%:

Для бескавитационной работы насоса или мотора в режиме насоса сумма гидростатического напора рЛ и избыточного давления

175

в баке на стороне всасывания рб должна несколько превышать по­ тери давления во всасывающей магистрали рвс, т. е. должно соблю­ даться условие

Следовательно, бескавитационный режим при указанных пара­ метрах, отличных от спецификационных, можно определить из соотношения

где постоянную С'(к) можно рассчитать по экспериментальным дан­ ным п(к), г(к) и КЗ:

Выразив рвс ^ Kcq m V v (см. § 13) и ph = /ЛЮ-4 (где h — высота столба жидкости от верхнего уровня масла в баке до всасывающего окна насоса, м; / — объемный вес рабочей жидкости, кге/м3), после преобразований получим выражение для определения начала кави­

В выражении (229) п™мах следует рассматривать как максимальную частоту вращения при кавитации п(к).

При отсутствии данных по кавитации коэффициент К(к) для аксиально-поршневых и шестеренных насосов и моторов, исполь­ зуемых в судостроении, можно в первом приближении определить при = 1 -кгс/см2, hc = 0 и гс = 1 из выражения

*(к) =

где С(к) я« 1500-^-2200.

Покажем пример расчета кавитационных параметров. Гидромашины фирмы Константин Раух типоразмера 20 имеют пс = 1800 об/мин (;с = і) с запасом по кавитации КЗ = 7% при работе в открытом контуре, pg = 0,55 кгс/см2, Лс = 0,2 м, je = 870 кге/м8 и ѵс = 33 сСт,

176