Исследование энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов

Тема диссертационной работы охватывает одну из главных проблем, стоящих перед отечественной и зарубежной индустрией в особенности в части Энергосбережения.

За всю историю развития строительного машиностроения задача снижения расхода энергоресурсов по степени важности не выделялась среди многих проблем совершенствования машин: их производительности, уменьшения массы, увеличения срока службы. Но в связи с резким увеличением цен на топливо в настоящее время его экономия на строительных машинах стала одним из основных путей повышения их эффективности.

Одноковшовые экскаваторы по-прежнему занимают лидирующее место среди машин для механизации земляных работ в строительстве. Их также широко используют в разных отраслях народного хозяйства, в том числе при погрузке и выгрузке различных материалов, при производстве мелиоративных, ирригационных, сельскохозяйственных, коммунальных и других работ [1, 2, 3].

Большие теоретические и экспериментальные исследования, проводившиеся во ВНИИстройдормаше [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9], а также за рубежом [4, 5, 10, 11, 12, 13, 14], показали, что применение гидравлического привода коренным образом изменило конструктивные и эксплуатационные показатели одноковшовых экскаваторов и значительно повысило их технический уровень. С внедрением гидропривода производительность экскаваторов в строительстве выросла в среднем в 1.3 — 1.5 раза, а удельный расход топлива снизился на 15 — 45% по сравнению с экскаваторами, имеющими механический или дизель-электрический привод [15].

Важным преимуществом объемных гидропередач являются высокая перегрузочная способность, реализация больших передаточных отношений, малая инерционность, восприимчивость к автоматизации и возможность дробления гидравлической энергии путем присоединения нескольких двигателей к одному источнику, а также возможность рекуперации энергии с последующим использованием^, 3, 8,16, 17].

Эффективность одноковшовых гидравлических экскаваторов определяется их способностью быстро и с максимальной производительностью выполнять каждую операцию рабочего цикла. Проведения дальнейших исследований и совершенствование гидравлических экскаваторов с целью улучшения их энергетических показателей — одна из важнейших задач по повышению их технического уровня.

Актуальность темы

Вопросами улучшения энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов и других землеройных машин занимались многие ученые и инженеры: A.B. Раннев, И. Л. Беркман, Б. П. Катюхин, А. В Рустанович, В. А. Башкиров, В. Н. Тарасов, А. Н. Подсвиров, Кадзухико Фудзи, A.B. Королёв, В. П. Болтыхов и др.

По результатам исследований [3, 6, 7,18], было установлено, что при работе обратной лопатой полезное использование энергии составляет порядка 51%. Из них на подъем стрелы расходуется (14.7%), на поворот рукояти (17.3%), на поворот ковша (15.8%) и на поворот платформы (3.2%). Следовательно, потери энергии в рабочем цикле экскаватора составляют порядка 49%. Наибольшие потери возникают в гидрораспределителях, в процессе дроссельного регулирования скоростей рабочего движения (20%) и в первичных предохранительных клапанах (17.2%). Значительно меньше потери в сливных гидролиниях (7.5%), в исполнительных механизмах и вторичных предохранительных клапанах (4.3%). Таким образом, создание гидропривода с энергосберегающими системами — одна из главных направлений решения проблемы рационального использования энергоресурсов и повышения производительности машин.

Характерная особенность энергосберегающей системы — эффективное снижение потерь энергии при регулировании первичного двигателя и гидронасосов и использование кинетической и потенциальной энергии движущихся частей экскаватора и более полное использование номинальной мощности первичного двигателя.

Проведенный анализ гидравлических систем экскаваторов в работах A.B. Раннева [4, 5, 8, 13, 14, 19] показал, что применение гидравлического привода создают большие возможности для увеличения к.п.д., повышения энергетических показателей и снижения удельного расхода топлива и электроэнергии. В настоящее время методы и соответственно комплексная модель определения параметров эффективности, в том числе к.п.д. гидросистемы и одноковшовых экскаваторов, проведены недостаточно полно.

Несмотря на большое количество проведенных исследований, направленных на повышение эффективности гидропривода одноковшовых экскаваторов, требования к энергосберегающим приводам не сформулированы, теория и методы расчета энергосберегающих систем отсутствуют в законченном виде, а их внедрение не нашло своего воплощения в серийном производстве. Следовательно, тема диссертации «Исследование энергетических параметров одноковшовых гидравлических экскаваторов» является актуальной.

Цель работы. Целью работы является повышение эффективности одноковшового гидравлического экскаватора за счет обоснования и применения рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы.

Научная новизна работы. Новыми научными результатами выполненной работы являются следующие положения:

— сформулированы требования к энергосберегающим гидросистемам и выявлены резервы повышения эффективности гидросистем экскаваторов;

— предлагается новая энергосберегающая гидросистема с рекуперацией энергии в рабочем цикле для эффективного использования мощности силовой установки;

— предложена методика, позволяющая охарактеризовать эффективность использования энергетического потенциала и качества функционирования, как всей машины, так и подсистем;

— впервые разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы при выполнении операции копанияустановлено, что параметры ПГА следует выбирать из условия энергоемкости копания, а результативным фактором варьирования продолжительности операции копания является площадь дросселирующей щели;

— с целью эффективного использования рекуперируемой энергии впервые получена зависимость коэффициента увеличения вместимости ковша К рек. к;

— впервые получена зависимость времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой от выбранных параметров ПГА (Уя.к, Ра. к) и дросселирующей щели регулируемого дросселя (РдР);

— с помощью рациональной методики — теории планирования эксперимента впервые установлены эффективные параметры системы рекуперации энергии (Уа.&bdquoРа.с) при работе в принятых условиях;

— результаты исследования, полученные на основе уточненных математических моделей и оригинальных программ для ЭВМ, позволили установить критерии эффективности (г), Пт. О), цгс, К&bdquo-1, К0), основные технические и экономические параметры одноковшового экскаватора, что определило целесообразность внедрения новой энергосберегающей гидросистемы.

Практическая ценность работы. Практическая ценность работы заключается в том, что применение разработанного математического и программного обеспечения, а также предложения по совершенствованию гидросистемы и указанной инженерной методики определения рациональных параметров энергосберегающего устройства позволяют повысить эффективность экскаватора и определить на стадии проектирования основные энергетические параметры машины с целью выявления рационального гидропривода.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались, были обсуждены и одобрены на международной научно-технической конференции «Интерстроймех-2003», седьмой научно-технической конференции МИИТ и на кафедре строительных и подъемно-транспортных машин Московского государственного строительного университета.

Публикации. По результатам исследований опубликовано 4 статьи.

На защиту выносятся:

— энергосберегающая гидросистема рекуперации энергии в рабочем цикле для эффективного использования мощности силовой установки;

— методика, характеризующая эффективность использования энергетического потенциала и качества функционирования, как всей машины, так и подсистем;

— результаты исследований рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы операции копания (Уа.к, Ра. к, Г др) и рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования (Уа.&bdquoР".с);

— зависимость определения коэффициента увеличения вместимости ковша (Крек.к)> а также> дополнительные требования и рекомендации для выбора окончательного варианта конструктивной вместимости ковша;

— зависимость определения времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой в зависимости от выбранных параметров ПГА (Уа.к> Ра. к) и дросселирующей щели регулируемого дросселя (Рдр);

— методика и компьютерная программа определения критериев эффективности (О, Пт (0, л гс" Кп1, К0), основных технических и экономических параметров одноковшового гидравлического экскаватора. Задачи исследования. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— провести анализ теоретических и экспериментальных исследований в области энергосберегающих гидросистем экскаваторов и дать их оценку значимости;

— выявить основные причины потерь энергии в рабочем цикле;

— разработать и исследовать энергетический баланс одноковшового гидравлического экскаватора с рекуперацией энергии движущихся частей экскаватораопределить качественный резерв повышения показателя эффективности использования мощности первичного двигателяразработать математическую модель функционирования гидропривода экскаваторов, в том числе с устройством энергосбережениядать теоретическое обоснование и целесообразность перераспределения энергии насосно-силовой установки с целью уменьшения потерь энергиипривести пример конструктивно-технологического решения задачи рациональной рекуперации энергииразработать методику определения рациональных параметров энергосберегающей гидросистемыразработать систему показателей эффективности использования энергетического потенциала экскаватора.

1. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ОДНОКОВШОВЫХ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ.

ЭКСКАВАТОРОВ.

Широкие научно-исследовательские работы по совершенствованию гидропривода одноковшовых экскаваторов, проведенные ВНИИстройдормашем, МИСИ, Ковровским, Воронежским, Калининским экскаваторными заводами, СибАДИ и другими организациями показали, что применение гидравлического привода создают большие возможности для увеличения к.п.д., повышения энергетических показателей и снижения удельного расхода топлива и электроэнергии.

В настоящей главе рассмотрены задачи, в которых проведен анализ насосно-силовой установки, гидродвигателей, гидроаппаратуры и гидросистем, оценки комбинированных и раздельных энергосберегающих устройств, исследования влияния гидроприводов на эффективность одноковшовых гидравлических экскаваторов, а также определения тенденций развития энергосберегающих гидросистем.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Подводя итог диссертационной работы, сформулируем её основные результаты.

1. Гидравлические одноковшовые экскаваторы, как и машины с другими типами приводов, в процессе выполнения работ имеют большие потери энергетических ресурсов (топлива или электроэнергии) вследствие пониженных значений к.п.д. отдельных элементов и систем привода в целом. Как показали исследования, эти потери достигают 1/3 или большей величины от энергии, затраченной силовой установкой экскаваторов при их эксплуатации.

2. Работы, выполненные ВНИИстройдормашем и отечественными экскаваторными заводами, подтвердили возможность существенного сокращения потерь энергии и экономии топлива (до 2 — 5 т в год на одну машину) за счет совершенствования конструкции гидравлических экскаваторов и их рабочего процесса.

Иностранные фирмы, выпускающие гидравлические экскаваторы, активно ведут работы по созданию для них энергосберегающих устройств. Однако все проведенные исследования были ограничены только испытаниями экспериментальных образцов машин.

3. С целью развития выполненных работ исследована циклограмма нагружения насосно-силовой установки в рабочем цикле и выявлены негативные явления, заключающиеся в следующем: большую часть времени загрузка экскаватора связана с постоянным изменением мощностных характеристик в процессе выполнения различных операций, что ведет к неравномерности нагрузки насосов в наиболее тяжелых условиях и недостаточному использованию (до 50%) мощности первичного двигателя. около 20% от продолжительности рабочего цикла энергия гидронасосов не используется гидродвигателями, а направляется на слив через перепускной клапан.

Предлагаемая энергосберегающая гидросистема улучшает показатели рациональности привода гидравлического экскаватора, а именно: рекуперация энергии рабочей жидкости при нейтральном положении золотников гидрораспределителей и при опускании рабочего оборудования позволяют повысить критерий технического совершенства гидросистемы, производительность и снизить удельный расход топлива. На стадии проектирования машины разработанная система показателей позволяет определить эффективность использования энергетического потенциала, как всей машины, так и подсистем и выявить преимущество от внедрения той или иной энергосберегающей гидросистемы. Разработанная математическая модель энергосберегающего гидропривода одноковшового гидравлического экскаватора позволит описать работу гидравлической системы в функции времени. При использовании программы пользователем может быть получена наиболее значительная выходная информация — определение показателей эффективности с учётом инженерного расчёта гидропривода и рабочего оборудования.

Впервые разработаны рекомендации по выбору рациональных параметров энергосберегающей гидросистемы при выполнении операции копания. В качестве основного обязательного требования выдвинуто ограничение минимума начального давления ПГА и продолжительности копания. Для выбора окончательного варианта предложены дополнительные требования и рекомендации, обоснованные функционированием гидропривода. Впервые получена зависимость времени выполнения операции копания экскаватором с энергосберегающей гидросистемой от параметров ПГА и дросселирующей щели регулируемого дросселя, а также от коэффициента увеличения вместимости ковша К рек.к.

9. Установлено, что параметры ПГА следует выбирать из условия энергоемкости копания, а результативным фактором варьирования продолжительности операции копания является площадь дросселирующей щели. Для экскаватора ЭО-5126 с ковшом вместимостью 1,6 м³ рациональными параметрами энергосберегающей системы операции копания при работе его в принятых условиях являются площадь дросселирующей щели равная 395 мм², начальный объем газовой полости 25 л и начальное давление газа в ПГА 24.67 МПа.

10. Эффективные параметры системы рекуперации энергии установлены с помощью рациональной методики — теории планирования эксперимента. В качестве основного требования выдвинуто ограничение минимального и максимального давления газовой полости ПГА, обоснованное условием эффективного функционирования. Применение полнофакторного эксперимента позволило определить для экскаватора ЭО-5126 с ковшом вместимостью 1,6 м³ рациональные параметры системы рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования: начальный объем газовой полости V а. с = 63 л и начальное давление газа в ПГА Р а. с = 18 МПа.

11. На основе исследований, выполненных в диссертационной работе установлено, что применение энергосберегающей гидросистемы на гидравлических экскаваторах 5-й размерной группы может повысить эксплуатационную производительность на 18.7%, расход энергоресурсов снижается на 13% или 2330 л. топлива в год, годовой экономический эффект от использования одной машины составляет 196 930 руб.

5.4 Заключение.

Проведенные в этой главе аналитические исследования позволили определить показатели эффективности экскаватора с различными типами гидросистем. Путем сравнения факторов, формирующих экономическую и конструктивную эффективность машин, удалось установить целесообразность применения энергосберегающей гидросистемы.

За счет внедрения энергосберегающей гидросистемы значительно повышается эксплуатационная производительность, которая оправдывает все дополнительные расходы, связанные с освоением новой техники, и достигается большой экономический эффект. Это позволит эксплуатационникам дольше использовать машины на производительной работе и окупить дополнительные первоначальные затраты на вновь создаваемых экскаваторах с энергосберегающей системой.

Выполненные исследования позволяют сделать следующие выводы:

— применение системы энергосбережения позволяет увеличить производительность экскаватора на 18.7% по сравнению с традиционным исполнением и на 17.6% по сравнению с экскаватором, оборудованным системой рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования;

— в тоже время расход топлива в экскаваторах оборудованных системой энергосбережения уменьшается по сравнению с традиционным вариантом на 19% и экскаватором, оборудованным системой рекуперации энергии стрелы — на 3.2%.

— критерий технического совершенства гидросистемы экскаватора оборудованного энергосберегающей системой, на 21.3% выше по сравнению с экскаватором традиционного исполнения и на 21.7% с экскаватором с системой рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования;

— применение системы энергосбережения позволяет снизить удельные приведенные затраты на 21% по сравнению с традиционным исполнением и на 17.6% по сравнению с экскаватором, оборудованным системой рекуперации энергии при опускании рабочего оборудованияудельная энергоемкость экскаватора, оборудованного системой энергосбережения, уменьшается по сравнению с традиционным вариантом на 23% и с экскаватором, оборудованным системой рекуперации энергии при опускании рабочего оборудования — на 21.3%. годовой экономический эффект от использования одной машины 5-й размерной группы с энергосберегающей гидросистемой составляет 196 930 руб.