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

Определим частоту вращения начала кавитации при давлении в баке, равном атмосферному (р6 — 1 кгс/см2),

С запасом по кавитации КЗ = 7% максимальная спецификационная частота вращения

яс = 2600 (1 — 0,01 -7) = 2430 об/мин.

Полученный результат соответствует технической документации на поставку гидромашин данного типа.

Согласно исходным условиям сопротивление на всасывании на спецификационном режиме

рсвс = о,55 + 870-0,2 - ІО-4 = 0,5674 кгс/см2.

и частоту вращения по критерию кавитационной работоспособности можно увеличить, повышая питающее давление и снижая вязкость жидкости. В открытых циклах это осуществляется созданием пнев­ матического давления в питающей цистерне, компенсирующего сопро­ тивление на всасывании. Слишком высокое давление вызывает увеличение объема воздуха, растворяемого в масле, и шум от работы насосов в связи с усиленным выделением воздуха при малой частоте вращения возрастает. Не рекомендуется, чтобы избыточное давление в баке превышало атмосферное более чем на 0,7 кгс/см2. Избыточное давление на всасывании можно также создать за счет повышения высоты расположения бака над всасывающими окнами насоса.

В гидроприводах с замкнутым циклом повышение давления на всасываниидостигается введением системы подпитки. Давление в ней обычно лежит в пределах 5—10 кгс/см2, но может быть суще­ ственно увеличено и в некоторых судовых гидроприводах дости­ гает 30 кгс/см2. Уровень давления часто определяется потребностями систем управления и вспомогательных систем, питающихся от си­ стемы подпитки силового контура. Повышение давления на входе способствует увеличению бескавитационной частоты вращения гидро­ машин.

§ 24

Х а р а к те р и с ти к и гид р оп ривод о в в зим нем р е ж им е

Зимний режим работы является характерным для гидроприводов палубных механизмов. Со снижением температуры окружающего воздуха существенно возрастает вязкость рабочей жидкости, давле­ ние в насосном агрегате достигает максимально допустимого значе­ ния, включается в работу ограничитель мощности или давления (предохранительный или переливной клапан ПК), снижается ско­ рость мотора (при определенной вязкости и нагрузке вплоть до нуля). Работа гидропривода в этих условиях становится невозмож­

схемы гидропривода. Рассмотрим основные из них.

Гидроприводы с дроссельным регулированием. Типовая силовая гидросхема гидропривода с дроссельным регулированием состоит из насоса, предохранительного клапана (ПК), дроссельного регуля­ тора управления режимом (ДУ), автоматического регулятора рас­ хода (РР) и мотора. Исходя из необходимости поддержания макси­ мально возможной скорости с увеличением вязкости рабочей жидко­ сти, естественно рассматривать случай при полностью открытом ДУ. При этом РР принципиального влияния на работу гидроприводов не оказывает. Таким образом, из расчетной схемы ДУ и РР можно исключить. В гидроприводе данного типа ПК устанавливают в не­ посредственной близости от насоса. На рис. 54 приведен типовой график изменения давлений при возрастании вязкости рабочей жидкости.

В зимних условиях, в отличие от режима работы гидроприводов при спецификационной температуре, рст может достигнуть значения, близкого к рп к (при соответственно малом /?м). Максимально воз­

178

До начала работы ПК перепуска жидкости из системы не наблю­ дается, т. е. AQrI к = 0. В этом случае QCT = QH. Из уравнения (237) можно определить вязкость ѵ„.к» при которой начинает работу ПК, снижая скорость мотора:

вращение мотора при холостом ходе, т. е. при ры = 0,

стикам рабочей жидкости гидропривода (см. рис. 19) можно опреде­ лить соответствующую им температуру самой рабочей жидкости

иокружающей среды.

При Ѵ„. к Sä V, К

Подставляя развернутое выражение для QM, находим

режиме она стремится.к единице.

В приводах палубных механизмов широкое применение находят силовые гидроцилиндры (ГЦ). Для ГЦ расчет целесообразно вести не по пм, а по уц, определяющей время срабатывания привода (время открытия крышек грузовых люков и т. д.). Тогда в выражении (239) можно обозначить

Величина т)тц в зимних условиях существенно изменяется под влия-

нием нагрузки и вязкости. Для приближенной оценки т]тц можно принять /„ = Гц = 1 и ßx = ß2 = 0; ß3 = = 1- Тогда

Уравнения (240) и (241) являются выражением механической характеристики гидропривода с открытым гидравлическим контуром и дроссельным регулированием, работающего в условиях высокой вязкости рабочей жидкости.

Из анализа уравнений видно, что механические характеристики гидропривода в зимних условиях во многом зависят от давления рп к, удерживаемого в системе гидропривода с помощью ПК. Опыт пока­ зал, что рп к — нестабильная величина вследствие гидродинамиче­ ского эффекта, возникающего в ПК в период его работы. В гидропри­ водах высокого давления с большими расходами давление, удержи­ ваемое ПК, может превышать величину настройки ПК(р(, к)на30—

50% [14]. Отсюда рп к = р’а к + Дрп к. По рекомендации из работы [14]

180

йивости Давления, удерживаемого ПК), можно записать

Величину Qn к в выражении (242) можно определить приближенно, приняв зависимость ее от нагрузки мотора и вязкости рабочей жидко­ сти линейной. В этом случае можно воспользоваться формулой [7]

(243)

Величину рп к в знаменателе можно принять постоянной и рав­

ной Рп. к-

Гидроприводы с объемным регулированием . В судовых силовых гидроприводах с объемным регулированием, как правило, исполь­ зуется замкнутый гидравлический контур. В таких гидроприводах перепуска жидкости при повышении ее вязкости не происходит. Для этого случая предусмотрено автоматическое ограничение мощ­ ности путем соответствующего уменьшения производительности насоса. Если по условиям использования ГП возможна перегрузка приводного двигателя (в данном случае, при увеличении вязкости), насос с целью защиты должен иметь ограничитель мощности. Типо­ вой график изменения давления с увеличением вязкости рабочей жидкости в гидроприводе данного типа аналогичен графику для гидроприводов с открытым контуром (см. рис. 54).

Максимально возможная потеря давления в системе гидропри­ вода определяется максимально допустимым давлением в насосе

В гидроприводе с замкнутым контуром QCT= Q„ = QM. Параметр vp характеризует вязкость, при которой работает регулятор (ограничи­ тель) мощности. В этом режиме насос работает при гн < 1 и Д/’™ах =

= const.

Начальная вязкость, при которой начинается ограничение производитёльности насоса, по аналогии с формулой (238)

181

Для общего случая, когда ѵр > v’, можно составить следующее уравнение баланса давлений:

Из этого выражения можно определить закон, по которому изме­ няется эксцентриситет насоса для сохранения NH= const в усло­ виях переменной вязкости: .

В данном выражении р™ах и qHnnцѴн = Q™ax определяются задан­

ной мощностью насоса и могут рассматриваться постоянными, соответствующими заданной ІѴ™ах. Подставив выражение (244) .

в общую формулу для частоты вращения гидропривода с объемным регулированием, получим

\ 2

В данном выражении, в отличие от (240), объемный к. п. д. гидропривода целесообразно учитывать, так как производится автоматическое регулирование насоса изменением гя до самых малых значений, при которых объемный к. и. д. насоса может иметь ма­ лые значения и при большой вязкости жидкости. Выражение для объемного к. п. д. гидропривода можно записать в виде (см. § 17)

^н'Пин'Пѵ'м

182

Параметр гн, входящий в формулу к. п. д. гидромашин, можно выразить приближенно через заданную мощность N™

д/'шах с ІѴн пн

/■„ = 612

<7н"н (Рм + Рст)

В данном выражении сопротивление системы на режиме ѵр >» > Ѵр, когда работает регулятор мощности, можно приближенно

записать в функции вязкости по аналогии с выводом выражения (93)

рст« рТГ у ~?- = Кс

Объемный к. п. д. гидропривода в режиме работы регулятора мощ­

Таким образом, уравнение механической характеристики гидро­ привода объемного регулирования с ограничением мощности в зим­ них условиях представится совокупностью уравнений (245) и (246). Как видно, структура данного выражения аналогична выраже­ нию (240). Регулятор мощности в гидроприводе объемного регулиро­ вания выполняет функции предохранительного клапана. Отсюда и общность закономерностей механических характеристик данных гидроприводов в рассматриваемом режиме. Их экономические харак­ теристики различны. Однако в данном режиме к. п.'д. практического значение не имеет.

Определив по данным уравнениям частоту вращения, необхо­ димо уточнить развиваемый мотором полезный крутящий момент по выражению (51).

Покажем практическое использование рассмотренного метода расчета на при­ мере гидравлического привода с открытым контуром для палубных механизмов

грузового комплекса [7]. В качестве исходных приняты: р п = 120 кгс/см2; QH=

183

[по формуле (238)], при которой начинает работать предохранительный клапан на перепуск жидкости и начинается снижение скорости мотора:

При работе на масле индустриальное 20 эта вязкость соответствует температуре —5° С, на масле АУ — температуре —15° С.

Снизив полезную нагрузку на мотор, можно существенно увеличить вязкостно­ температурный диапазон использования гидропривода в зимних условиях без сни­ жения скорости.

При р м = 0 (холостой ход) ѵп к = 3217 сСт (450° Е), чему соответствует тем­

пература —20° С для масла индустриальное 20 и —30° С для АУ. Это и есть диапазон возможного использования рассматриваемого гидропривода в зимних условиях на соответствующих маслах. Предельный диапазон будет также определяться механи­ ческими характеристиками мотора М м (ѵп. к), которые могут существенно сократить вязкостно-температурный диапазон полезного использования гидропривода.

Механические характеристики гидропривода в зимнем режиме удобнее рассчи­ тывать по формуле (240) с последующим определением полезного крутящего момента

184

характеристики гидропривода в зимних условиях может оказать предохранительный

формулу (238)] ѵп к = 938 сСт (133° Е). Частота вращения мотора [см. формулу

(240)] в этом случае = 97,5 об/мин. Полезный крутящий момент [см. формулу

(51)] при этом также возрастает для ГРП-2А до 280 кгс-м и для мотора типа Хэгглундс до 400.

Рассчитанные таким образом механические характеристики в зим­ нем режиме для различных нагрузок в широком диапазоне изменения вязкости приведены на рис. 55. Сплошные линии Мм (ѵ) в нижней половине рисунка — для гидропривода с мотором ГРП-2А, штри­ ховые — для гидропривода с мотором типа Хэгглундс. В верхней половине рис. 55 приведены характеристики пм (ѵ), не зависящие от типа мотора. Основное влияние на них оказывают перепад рабо­ чих давлений на моторе рм, величина настройки предохранитель­

ного клапана рп, к и его характеристика по «разбросу» давления К п. к- Сплошные линии характеристик пш(ѵ) даны для К„.к = 1 при раз­ личном перепаде давлений. Штрихпунктирная линия приведена для рм = 100 кгс/см2 при клапане с К П. к = 1.25.

Рассмотрим характерные точки и линии на рисунке. Точка 1 —

начало работы предохранительного клапана при рп. к = 110 (Кп. к = 1) и рм = 100 кгс/см2. Линия 1—1° — механическая характеристика в режиме работы клапана; точки 2, 4, 5 — начало работы клапана

при рп.к = 130 (Кп.к = 1) и соответствующих нагрузках; 3 — то же

ПР И К „ . к = 1 ■25-

Линии 11—2х—4х показывают изменение крутящего момента мотора типа Хэгглундс в пределах, соответствующих точкам 1, 2,

момента ГРП-2А при настройке предохранительного клапана рп.к = ~ НО кгс/см2 при Кп. к === 1. Точки 2ІП, 7П! — крутящий момент равен нулю при соответствующей нагрузке. Линии 6—4х и 7—7х показывают изменение крутящего момента моторов типа Хэгглундс и ГРП-2А при рш — 50 кгс/см2.

185

ции. С началом работы предохранительного клапана механические характеристики ГРП-2А резко снижаются и при вязкости около 1500 сСт (рм — 100 кгс/см2) его полезный момент равен нулю. Эта величина вязкости и определяет предельные возможности гидропри­ вода с мотором ГРП-2А на данном режиме. У мотора Хэгглундс механические характеристики остаются на уровне, определяемом

Рис. 55. [Расчетные характеристики работы гидропривода при высоких вязкостях рабочей жидкости.

началом работы предохранительного клапана, с тенденцией к неко­ торому возрастанию, которую можно объяснить тем, что с уменьше­ нием частоты вращения механические потери в моторе снижаются интенсивнее, чем возрастают с увеличением вязкости, так как для моторов этого типа ß2 > ß4 (см. § 8). Гидромоторы данного типа целесообразно использовать для гидроприводов, работающих в зим­ них условиях. Таким образом, температурный диапазон работы гидропривода без снижения частоты вращения расширяется:

—с увеличением давления в гидроприводе;

—с увеличением «запаса» настройки ПК (Ар — рп. к— рм) или при применении ПК с более высокой величиной К„.к, если позволяют

прочностные характеристики гидропривода;

— при снижении полезной нагрузки мотора;

186