Для обеспечения работоспособности гидропривода при низких отрицательных температурах окружающего воздуха, характерных для северных территорий России и приравненных к ним территорий, используются средства и способы тепловой подготовки [1, 3, 4]. При этом определено, что в разветвленных системах гидроприводов строительно-дорожных машин (экскаваторы, автогрейдеры, бульдозеры-рыхлители) необходим локальный прогрев гидроэлементов, в том числе гидроцилиндров. С целью тепловой подготовки гидроцилиндра рабочей жидкостью, предварительно прогретой в гидробаке, предложены следующие конструкции [5, 6, 8, 9]: с внешним обводом; с внутренним обводом; с встроенным в поршень клапаном; с подвижной (поворотной) частью поршня. В данных конструкциях рабочая жидкость при прогреве гидроцилиндра перемещается в его полостях. При этом поршень не перемещается. Далее жидкость перемещается по элементам гидропривода с меньшими потерями давления в соединительных элементах. Так происходит теплообмен рабочей жидкости с гидродвигателем. Это позволяет прогреть все его подвижные элементы и «снять» контактные напряжения во время первого пуска гидродвигателя после межсменной стоянки строительно-дорожных машин (СДМ) в условиях низких отрицательных температур.
На рис. 1 представлена конструкция гидроцилиндра с совмещенными полостями (штоковой и бесштоковой) внешним обводом (байпасом). Движение жидкости по обводу 1, угловым штуцерам 3 осуществляется при открытом вентиле или электромагнитном клапане 2 [5]. Использование электромагнитного клапана позволяет автоматизировать процесс прогрева гидроцилиндра, использовать разные режимы прогрева (кратковременные, долговременные, запрограммированные). При закрытии клапана 2 рабочая жидкость не перемещается по обводному трубопроводу, следовательно, оказывает действие на поршень гидроцилиндра. Это приводит к его движению (рабочий цикл гидроцилиндра). Основной недостаток – наличие дополнительных отверстий в гидроцилиндре для установки обводного трубопровода.
Рис. 1. Конструкция гидроцилиндра (с внешним обводом)
Поэтому предложена конструкция гидроцилиндра с внутренним обводом (рис. 2). Гильза 1 гидроцилиндра содержит подводы 6, в которой установлены перегородки 7. В результате этого подаваемая прогретая рабочая жидкость через патрубок 8 совмещает полости гидроцилиндра (штоковую 2 и бесштоковую 3) через трубопровод обвода 9. При этом поршень 4 и шток 5 гидроцилиндра не перемещаются.
Клапан 10 предназначен для совмещения полостей гидроцилиндра по обводному трубопроводу. Так он при прогреве соответственно открыт, при работе гидроцилиндра закрыт [8]. В разработках устройств и систем для тепловой подготовки гидропривода стремятся к компактности и уменьшению площади контакта с окружающей средой. Поэтому предлагается вариант прогрева гидроцилиндра (совмещения полостей) при использовании встроенного клапана (рис. 3) [9]. В стадии прогрева гидроцилиндра гидропривода включается клапан 7, который может управляться дистанционно, расположенный в штоке 5 гидроцилиндра. При перемещении втулки 8 и ее совпадении проходного канала с проходным каналом 6 поршня 4 полости совмещаются. Предварительно разогретая рабочая жидкость при прогреве гидроцилиндра насосом из гидробака поступает в полость гидроцилиндра, к примеру, штоковую 2. Движение рабочей жидкости в полостях гидроцилиндра обеспечивает прогрев гильзы 1 гидроцилиндра, штока 4, поршня 5, клапана 7. Это снижает пусковые износы, связанные с натягами в подвижных элементах гидроцилиндра. При закрытии канала 6 рабочая жидкость действует на поршень 4, перемещая его в гильзе 1 гидроцилиндра. После прогрева гидроцилиндр готов к рабочему режиму.
При прогреве гидроцилиндра в гидроприводе СДМ в условиях вязкой рабочей жидкости возникает необходимость повысить расход рабочей жидкости. Для этого предлагается вариант конструкции гидроцилиндра [6], в котором конструкция поршня состоит из неподвижной и подвижной (поворотной) частей с проходными сквозными отверстиями. Конструкция гидроцилиндра с подвижной частью поршня представлена на рис. 4. В данной конструкции: 1 – гильза гидроцилиндра, 2 – штоковая полость, 3 – бесштоковая полость, 4 – электромагнитный клапан, 5 – шток гидроцилиндра, 6 – подвижная (поворотная) часть поршня 7 – неподвижная часть поршня. При срабатывании механизма поворота подвижной части поршня, и совпадении проходных отверстий подвижной и неподвижной его частей происходит совмещение штоковой и бесштоковой полостей гидроцилиндра. Образуются сквозные каналы в поршне для протекания рабочей жидкости из одной полости гидроцилиндра в другую.
Теплообмен между рабочей жидкостью и элементами гидропривода позволяет прогреть гидродвигатель, следовательно, снизить износы. Это обеспечивает повышение ресурса элементов гидропривода машины, которая работает при низких отрицательных температурах окружающего воздуха.
Конструкции модернизированных гидроцилиндров, представленные выше, имеют преимущества и недостатки. При этом оценка эффективности использования конструкций зависит как от параметров самих конструкций (расход жидкости в гидроэлементах, их масса), так и от характеристик и режимов работы гидропривода. В математическом моделировании процесса прогрева гидроцилиндра со совмещёнными полостями рассмотрим вариант прогрева гидроцилиндра с внешней гидролинией [5, 7]. На рис. 5 представлены схемы гидроцилиндра с внешней гидролинией:
а) конструктивная схема;
б) структурная схема движение потоков рабочей жидкости (тепла и массы теплоносителя) при тепловой подготовке гидроцилиндра.
Рис. 2. Конструкция гидроцилиндра (с внутренним обводом)
Где гидроцилиндр с внешней гидролинией содержит гидроцилиндр 1, трубопроводы 2, вентиль (клапан) 3, дополнительная гидролиния 4.
В математическом описании воспользуемся методикой, изложенной в работе [1]. Так как в дополнительной гидролинии (обводном трубопроводе) гидроцилиндра процессы тепло- и массообмена протекают быстро, соответственно тепловыми потерями, возникающими в дополнительной гидролинии можно пренебречь и исследовать тепловые процессы, протекающие только в гидроцилиндре. В соответствии с законами механики жидкости (уравнением теплового баланса, движущейся среды – теплоносителя) [2, 10]: полная производная по времени от внутренней энергии U, выделенной массы движущегося теплоносителя определяется как сумма тепловой мощности Q, подведенной или отведенной от теплоносителя и мощности внутренних вязких сил Nдис:
(1)
где V – контрольный объем гидроцилиндра, заполненный рабочей жидкостью – теплоносителем, (м3). При условии, что жидкость несжимаема, получим ρ= const;
где с – удельная теплоемкость жидкости, 
; 
– температура теплоносителя, изменяющаяся по объему и во времени в системе прогрева гидроцилиндра; U0 – удельная (внутренняя) энергия теплоносителя при температуре Т0, 
. Величиной Nдис пренебрегаем, вследствие того, что она имеет маленькое значение.
Исходя из того, что полную производную в формуле (1) можно представить в виде суммы частной производной, следует, что:
(2)
Рис. 3. Конструкция гидроцилиндра с встроенным клапаном
Рис. 4. Конструкция гидроцилиндра с подвижной частью поршня
а) 
б)
Рис. 5. Схемы гидроцилиндра с внешней гидролинией (байпасом): а) конструктивная схема; б) структурная схема движения потоков рабочей жидкости (тепла и массы теплоносителя) при тепловой подготовке гидроцилиндра
Уравнение (2) определяет внутреннюю энергию, которая подводится к гидроцилиндру при его прогреве в единицу времени при действии потока внутренней энергии теплоносителя через сечение соответственно входа S1 и выхода S2 из гидроцилиндра, сечение S' отбора с расходом G' и температурой T' и сечение S" подвода расхода G"с температурой T", тогда получим:
– G1cT1 + G2cT2 + G’cT ‘ – G"cT" = US. (3)
Соответственно уравнение баланса тепла в любой из ветвей движения теплоносителя (или в единственной ветви) в гидроцилиндре можно записать в виде следующего уравнения:
Q = Uaк + US . (4)
Из соотношения (4) с учетом уравнений (2) и (3) получаем:
, (5)
где ΔT – изменение усредненного значения температуры теплоносителя по объему за время Δt.
Тепловым потоком с учетом теплопроводности теплоносителя вдоль нормали в сечениях входа и выхода из системы тепловой подготовки гидроцилиндра можно пренебречь. Тогда Q = Qац – тепловая мощность, отведенная и подведенная к рабочей жидкости (теплоносителю), расходуемая на изменение температуры металла гидродвигателя, а также на теплообмен с окружающей средой:
Qац = Qц + Qв, (6)
, (7)
где Qц – тепловая мощность, накапливаемая в гидроцилиндре или отводимая от гидродвигателя; соответственно mд – масса гидроцилиндра, (кг); DTд – разница температур до и после процесса тепловой подготовки гидроцилиндра за время Dt, (° С):
Qв = αв Fц (Tц – Tв), (8)
где Qв = Qn – тепловые потери от гидроцилиндра в окружающую среду при тепловой подготовке его к работе; αв – коэффициент теплоотдачи, 
; Fц – активная площадь поверхности гидроцилиндра (м2), отводящая тепло в окружающую среду конвекцией и тепловым излучением. Мощность (тепловая), передаваемая от теплоносителя (рабочей жидкости) к гидроцилиндру, определяется следующим уравнением:
Qац = αа Fа (Tа – Tц). (9)
Таким образом, процессы тепловой подготовки гидроцилиндра при движении теплоносителя можно математически описать дифференциальными уравнениями для осредненных температур теплоносителя Tа и гидроцилиндра Tц. А также уравнением баланса расходов теплоносителя соответственно в сечениях S1, S', S", S2:
(10)
,
,
где Qац = – Qца – тепловая мощность, поданная (Qац > 0) к гидроцилиндру от теплоносителя при его тепловой подготовке, Qв = Qn. Для уравнений в системе (10) начальные условия примут вид
t = t0, Tа = Tа0, Tц = Tц0. (11)
Граничные условия для температуры рабочей жидкости (теплоносителя) задаются в сечении S1:
T1 = T10(t). (12)
В уравнении (10) на каждом шаге изменения времени при прогреве гидроцилиндра: t1 = t(n) , t2 = t1 + Δt = t (n+1) расходы G1, G', G" принимаются уже определенными, а также определены параметры са, mа, сц, mц. При этом тепловые мощности Qац и Qв определяются из уравнений (8) и (9) при известных характеристиках теплоотдачи от теплоносителя к гидроцилиндру Ац = aа Fа и от гидроцилиндра в окружающую среду Ав = aв Fц; Qац = Ац(Tа – Tц); Qв = Ав(Tц – Tв). Систему уравнений (10) решаем с использованием метода «Рунге-Кутта» [1]. В результате этого можем определить изменение температуры теплоносителя и гидроцилиндра от времени Tц = Tц(t), T2 = T2(t) при тепловой подготовке гидропривода. Таким образом, проведено математическое моделирование процесса тепловой подготовки гидроцилиндра к запуску. Подобным образом описываются другие элементы гидропривода при их прогреве перед началом работы.
Библиографическая ссылка
Мерданов Ш.М., Конев В.В., Матвеева А.Д., Шарков Н.С., Фалалеев М.А. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕПЛОВОЙ ПОДГОТОВКИ ГИДРОДВИГАТЕЛЕЙ СТРОИТЕЛЬНО-ДОРОЖНЫХ МАШИН // Фундаментальные исследования. – 2016. – № 12-3. – С. 523-528;URL: https://fundamental-research.ru/ru/article/view?id=41126 (дата обращения: 19.04.2024).