исследование и расчет тепловых потерь в гидроприводе

Ïàâëîâ À.Ñ.
Îðåíáóðãñêèé ãîñóäàðñòâåííûé óíèâåðñèòåò
ÈÑÑËÅÄÎÂÀÍÈÅ È ÐÀÑ×ÅÒ ÒÅÏËÎÂÛÕ ÏÎÒÅÐÜ
 ÃÈÄÐÎÏÐÈÂÎÄÅ ÁÓÐÈËÜÍÛÕ ÌÀØÈÍ
Áîëüøàÿ ÷àñòü íåèñïîëüçîâàííîé ýíåðãèè ðàñõîäóåòñÿ íà íàãðåâ ðàáî÷åé æèäêîñòè è ýëåìåíòîâ
ãèäðîïðèâîäà ìàøèí, ïîýòîìó äëÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ è ðàñ÷åòà ýòèõ ìàøèí íåîáõîäèìî ïðîâåñòè àíàëèç
òåïëîîáìåííûõ ïðîöåññîâ. Íà îñíîâå àíàëèòè÷åñêèõ äàííûõ ñîñòàâëåíà íîìîãðàììà, êîòîðàÿ ïîçâîëÿåò îïðåäåëÿòü ðàöèîíàëüíûé ñî÷åòàíèÿ ìåæäó ïàðàìåòðàìè òåïëîâîãî ïðîöåññà.
Áóðèëüíûå ìàøèíû óäàðíîãî äåéñòâèÿ ñ
ãèäðàâëè÷åñêèì ïðèâîäîì õàðàêòåðèçóåòñÿ
âûñîêèìè ýíåðãåòè÷åñêèìè ïîêàçàòåëÿìè è
ïðåâîñõîäÿò àíàëîãè÷íûå ïíåâìàòè÷åñêèå â
íåñêîëüêî ðàç. Âñå ýëåìåíòû ìàøèí ñêîíöåíòðèðîâàíû íà îäíîé óñòàíîâêå. Äâèæåíèå ðàáî÷åé æèäêîñòè îñóùåñòâëÿåòñÿ ïî çàìêíóòîìó
êðóãó. Îäíàêî îáùèé ÊÏÄ, îïðåäåëÿåìûé êàê
îòíîøåíèå ìîùíîñòè ïåðåäàâàåìîé øòàíãå ê
ïîòðåáëÿåìîé ìîùíîñòè ïðèâîäíîãî äâèãàòåëÿ, ñîñòàâëÿåò îêîëî 40%. Áîëüøàÿ ÷àñòü íåèñïîëüçîâàííîé ýíåðãèè ðàñõîäóåòñÿ íà íàãðåâ
ðàáî÷åé æèäêîñòè è ýëåìåíòîâ ãèäðîïðèâîäà
ìàøèíû. Ê òîìó æå â íàñòîÿùåå âðåìÿ íàáëþäàåòñÿ òåíäåíöèÿ óâåëè÷åíèå åäèíè÷íîé ìîùíîñòè, äàâëåíèÿ è ðàñõîäà ãèäðàâëè÷åñêèõ áóðèëüíûõ ìàøèí. Ïîýòîìó äëÿ ïðîåêòèðîâàíèÿ
è ðàñ÷åòîâ ýòèõ ìàøèí íåîáõîäèìî ïðîâåñòè
àíàëèç òåïëîîáìåííûõ ïðîöåññîâ è òåìïåðàòóðíîãî ðåæèìà /1/.
 ãèäðàâëè÷åñêîé ñèñòåìå óäàðíîãî ìåõàíèçìà ñóùåñòâóþò ñëåäóþùèå èñòî÷íèêè òåïëà, âûçûâàþùèå èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû ñèñòåìû è âõîäÿùèõ â íåå ýëåìåíòîâ: ïîòåðè ýíåðãèè íà ìåñòíûå ñîïðîòèâëåíèÿ â êëàïàíàõ, çîëîòíèêàõ, ðàñïðåäåëèòåëÿõ; ïîòåðè ýíåðãèè â
òðóáîïðîâîäàõ, âûçâàííûå ïîòåðÿìè äàâëåíèÿ
íà òðåíèå; ïîòåðè äàâëåíèÿ â ãèäðàâëè÷åñêîì
óäàðíîì ìåõàíèçìå.
Ïîòåðè ìîùíîñòè íà ìåñòíîå ñîïðîòèâëåíèå îïðåäåëÿåòñÿ ôîðìóëîé
∆N ÌÑ = Q∆PÌÑ = ερ
u2
Q3
Q = 8ερ 2 4 ,
2
π d
(1)
ãäå Q − ðàñõîä æèäêîñòè;
u − ñêîðîñòü æèäêîñòè;
d − äèàìåòð òðóáîïðîâîäà;
ε − êîýôôèöèåíò ìåñòíûõ ãèäðàâëè÷åñêèõ
ñîïðîòèâëåíèé;
∆PÌÑ − ïîòåðè äàâëåíèÿ íà ìåñòíûå ãèäðàâëè÷åñêèå ñîïðîòèâëåíèÿ;
ρ − ïëîòíîñòü æèäêîñòè.
Ó÷èòûâàÿ ñëàáóþ òåïëîîòäà÷ó ìåñòíûõ
ãèäðàâëè÷åñêèõ ñîïðîòèâëåíèé ìîæíî ñ÷èòàòü,
÷òî îíè èäóò â îñíîâíîì íà íàãðåâ æèäêîñòè.
NÌÑ = Gc∆t = 8ε
Q3
π2 d 4
,
(2)
ãäå G = Qρ − ìàññîâûé ðàñõîä æèäêîñòè;
c − óäåëüíàÿ òåïëîåìêîñòü;
∆t − ðîñò òåìïåðàòóðû.
∆t =
8ερQ 3
Gcπ2 d 4
= 8ε
Q2
cπd 4
,
(3)
Ïîòåðè ìîùíîñòè íà òðåíèå îïðåäåëÿåòñÿ
ôîðìóëîé
NÒÐ = Q∆PÒÐ = λγ
Lu 2
d 2G
Q,
(4)
ãäå ∆PÒÐ − ïîòåðè äàâëåíèÿ íà òðåíèå ïî äëèíå
òðóáîïðîâîäà;
λ − êîýôôèöèåíò ãèäðàâëè÷åñêîãî òðåíèÿ;
γ − óäåëüíûé âåñ;
L − äëèíà òðóáîïðîâîäà.
Ïîòåðè íà òðåíèå òàêæå èäóò íà íàãðåâ
æèäêîñòè
NÒÐ = ρQc∆t = 8λρ
∆t = 8λ
LQ 2
cπd 5
LQ 3
π2 d 5
,
.
(5)
(6)
Ïðèâåäåííûå ôîðìóëû (5) è (6) ïîçâîëÿþò
ïðîàíàëèçèðîâàòü çàâèñèìîñòè ïîâûøåíèÿ
òåìïåðàòóðû ðàáî÷åé æèäêîñòè îò ïðîèçâîäèòåëüíîñòè íàñîñà. Ïðè ðàñ÷åòàõ ïðèíèìàåòñÿ âî
âíèìàíèå, ÷òî îñíîâíûì ðåæèìîì äâèæåíèÿ
æèäêîñòè ïî òðóáîïðîâîäó ÿâëÿåòñÿ òóðáóëåíòíûé ðåæèì. Àíàëèçèðóÿ ïðèâåäåííûå çàâèñèìîñòè, ìîæíî ñäåëàòü âûâîä, ÷òî îñíîâíûì
ôàêòîðîì, âëèÿþùèì íà òåìïåðàòóðó ðàáî÷åé
æèäêîñòè, ÿâëÿåòñÿ äèàìåòð òðóáîïðîâîäà è
ïðîõîäíûõ ñå÷åíèé óñòðîéñòâ óïðàâëåíèÿ. Òàê,
íàïðèìåð, ïåðåõîä îò ðåçèíîâûõ øëàíãîâ äèà-
ВЕСТНИК ОГУ №2/ФЕВРАЛЬ`2006 Том 2. Естественные и технические науки
93
Òåõíè÷åñêèå íàóêè
ìåòðîì 20 ìì ê ðåçèíîâûì øëàíãàì äèàìåòðîì
16 ìì ïðè îäèíàêîâîé äëèíå âåäåò ê óâåëè÷åíèþ ïîòåðü íà òðåíèå â 4 ðàçà, â 2 ðàçà ïîâûøàþòñÿ ïîòåðè íà ìåñòíûå ãèäðàâëè÷åñêèå ñîïðîòèâëåíèÿ. Óâåëè÷åíèå ðàñõîäà âåäåò ê óâåëè÷åíèþ òåïëîâûõ ïîòåðü ïî êâàäðàòè÷íîé çàâèñèìîñòè.
Äëÿ âûáîðà áîëåå ýôôåêòèâíîãî ñïîñîáà
îõëàæäåíèÿ íóæíî ïðîâåñòè àíàëèç âûäåëåíèÿ
òåïëà è èçìåíåíèå òåìïåðàòóðû â ãèäðîñèñòåìå. Ñîñòàâèì óðàâíåíèå òåïëîâîãî áàëàíñà äëÿ
ãèäðîñèñòåìû â îáùåì âèäå:
(7)
∆N = ∆N A + ∆N u ,
ãäå ∆N − èçìåíåíèå òåïëà â ãèäðîñèñòåìå â åäèíèöó âðåìåíè;
∆N u − âûäåëåíèå òåïëà ãèäðîñèñòåìû â åäèíèöó âðåìåíè;
∆N A − òåïëî, ðàññåèâàåìîå â àòìîñôåðó â
åäèíèöó âðåìåíè.
 äèôôåðåíöèàëüíîì âèäå:
∆Ndt = KFτdt + cmdτ; ñm = c1m1 + c2 m2 ,
ãäå ñ1 − òåïëîåìêîñòü ðàáî÷åé æèäêîñòè;
ñ2 − òåïëîåìêîñòü ìåòàëëà;
m1− ìàññà ðàáî÷åé æèäêîñòè;
(8)
m2 − ìàññà ìåòàëëà;
dτ − ïðèðàùåíèå òåìïåðàòóðû çà âðåìÿ dt ;
K − êîýôôèöèåíò òåïëîîòäà÷è;
F − ïëîùàäü;
τ − ðàçíîñòü òåìïåðàòóð ìåæäó ìàñëîì è
îêðóæàþùåé ñðåäîé;
dt − äèôôåðåíöèàë âðåìåíè.
Ðåøåíèå òåïëîâîãî áàëàíñà îòíîñèòåëüíî
dt â ïðåäåëàõ îò τ 0 äî τ , ãäå τ0 − ïåðâîíà÷àëü-
íàÿ ðàçíîñòü òåìïåðàòóðû, äàñò
dt =
êF
êF
− t
− t
cmdt
∆N 
1 − å cm  + τ 0 å cm . (9)
;τ =

∆N − êF
êF 


êF
 ýòîé ôîðìóëå ïðè t = ∞ ÷ëåí å − cm t → 0 ,
òîãäà
τ=
∆N
.
êF
(10)
Ïî ôîðìóëå (10) ñîñòàâëåíà íîìîãðàììà
(ðèñ.1), êîòîðàÿ ïîçâîëÿåò ñðàâíèòåëüíî ïðîñòî ñ òî÷íîñòüþ, äîñòàòî÷íîé äëÿ èíæåíåðíîãî ðàñ÷åòà, îïðåäåëÿòü ðàöèîíàëüíûå ñî÷åòàíèÿ ìåæäó ïàðàìåòðàìè òåïëîâîãî ïðîöåññà.
Ñïèñîê èñïîëüçîâàííîé èñòî÷íèêîâ:
1. Ïàâëîâ À.Ñ. Òåïëîîáìåííûå ïðîöåññû â ãèäðàâëè÷åñêèõ áóðèëüíûõ ìàøèíàõ. – Êàðàãàíäà, 1983. – 8 ñ.-Ðóêîïèñü äåï. â
ÖÍÈÝÈóãîëü, 1984, ¹9, ñ.95.
94
ВЕСТНИК ОГУ №2/ФЕВРАЛЬ`2006 Том 2. Естественные и технические науки