Scientific journal
Fundamental research
ISSN 1812-7339
"Перечень" ВАК
ИФ РИНЦ = 1,749

RESEARCH OF DYNAMIC MODES OF VOLUMETRIC HYDRAULIC DRIVE WITH DIESEL ENGINE MOBILE DRILLING MACHINE

Ozerskiy A.I. 1 Sidorenko V.S. 1 Rakulenko S.V. 1 Poleshkin M.S. 1
1 Don State Technical University (DSTU)
Dynamic modes of teamwork of a volume hydrodrive gear with a diesel engine of mobile chisel car УРБ-2,5С are investigated. Probes are executed for the purpose of the analysis of power inputs on various modes of behaviour of the car. In mathematical MathCad environment the computer model uniform heathydromechanical system is created. On the basis of this model the analysis of features of influence of external loadings on character of fuel consumption and rotary speed of a shaft of a diesel engine is made. The created model is a basis for the further probes of possibility of reduction of fuel consumption for the purpose of increase of profitability uniform heathydromechanical systems of the chisel car.
mobile chisel cars
diesel engine
volume hydrodrive gear
mathematical and computer modeling
power saving up heathydromechanical systems

Силовой гидравлический привод (ГП) буровых машин с дизельными двигателями разделяют на два типа: механический и гидромеханический. В настоящее время большее распространение получил гидромеханический привод как наиболее эффективный и экономичный [1]. Дальнейшее повышение экономичности ГП буровых машин приводит к необходимости исследований его совместной работы с дизелем как единой теплогидромеханической системы (ТГМС). Результаты исследований, по определению рациональных режимов функционирования таких систем, что позволяет снизить себестоимость буровых работ и затраты на геологоразведку. В этой связи исследования, направленные на повышение экономичности и рационального использования энергоресурсов являются актуальными [2, 3].

Повышение экономичности работы ГП эффективно исследовать с применением компьютерных технологий моделирования, позволяющих производить виртуальные испытания. Для этого необходимы более совершенные обобщённые модели ГП, а именно, их технические, физические, математические и компьютерные модели, объединённые с одноимёнными моделями источников и потребителей энергии привода. Обобщённые модели ГП должны быть моделями единых теплогидромеханических систем (ТГМС), удобными для использования в системах автоматизированного проектирования (САПР).

Обобщённая модель объёмного гидропривода с дизелем

В качестве объекта моделирования здесь рассматривается теплогидромеханическая система буровой машины УРБ-2,5С (производство ООО «Завод Стройнефтемаш») [4]. Модель исследуемого дизеля (мощностью 240 л.с.) является геометрической моделью, построенной на базовой модели дизеля типа Д100, описанной в работе [5]. В качестве базовой модели гидромашин исследуемой системы приводов здесь выбрана модель объёмной обратимой гидравлической машины типа 310.4.112 (рис. 1).

ozer1.tif

Рис. 1. Принципиальная схема технической модели гидропривода с дизелем и разветвлённой объёмной гидроприводной системой: ГМ1, ГМ2 – гидромотор; ДВС – дизель; ДД1 – ДД4 – датчики давления; Р1, Р2 – гидравлические распределители; Н1, Н2 – объёмные насосы; КП1, КП2 – клапаны

Исходные данные для моделирования

№ п/п

Параметры

Обозначение

Диапазон

1

Внешняя нагрузка, Н·м

M

0–240

2

Коэффициент перегрузки

kперегр

0,35

3

Коэффициент сопротивления вращению вала дизеля

Kсопр

0,153

4

Угол поворота вала дизель-двигателя, рад/с

φ

0–41,9

5

Радиус кривошипа, м

Rкрш

0,062

6

Диаметр поршня дизеля, м

Dп

0,101

7

Рабочий объём гидродвигателя, м3

1,543·10-4

8

Объёмный КПД гидродвигателей

ηм1об

0,95

9

Рабочий объём насосов, м3

1,7·10-4

10

Объёмный КПД насоса

ηн1об

0,95

11

Давление на входе в гидромотор, Па

pмвх

1,9·107

12

Давление на выходе гидромотора, Па

pмвых

2,9·105

13

Давление в напорной линии насоса, Па

pнвых

2,0·107

 

Конструктивная особенность моделируемого объёмного гидропривода с дизелем состоит в том, что он представляет собой одновременно работающую и независимую друг от друга разветвленную систему объёмных приводов (рис. 1) с двумя однотипными объёмными насосами и разными по типу гидромоторами. Первый гидромотор (ГМ1) обеспечивает вращательное движение бурового инструмента, второй (ГМ2) – поступательное.

Исходными данными для технического моделирования исследуемой системы приводов послужили кинематические, гидравлические, а также – энергетические параметры теплогидромеханической системы (дизель – гидронасос – гидромотор) реальной машины УРБ-2,5С. Исходные данные для моделирования представлены в таблице.

Математическая модель объёмного гидропривода с дизелем

Математическая модель объёмного гидропривода с дизелем представляет собой систему дифференциальных и алгебраических уравнений, описывающих тепловые, гидравлические, а также механические процессы, сопровождающие работу привода на различных режимах его эксплуатации. Отметим, что число дифференциальных уравнений системы в процессе работы модели привода может изменяться, например, при включении нового источника или потребителя энергии привода.

В работе используется аппарат математического моделирования так называемых гибридных динамических систем [6]. Эти системы являются математическими моделями физических объектов, поведение которых непрерывно меняется в зависимости от изменения как сигналов управления, так и внешних воздействий.

1.2.1. Подмодель кинематики гидромашин привода:

ozer01.wmf

ozer02.wmf

ozer03.wmf

ozer04.wmf

ozer05.wmf

ozer06.wmf

ozer07.wmf

ozer08.wmf

ozer09.wmf,

ozer10.wmf

ozer11.wmf

ozer12.wmf

ozer13.wmf

Здесь τ – время процесса; τнагр – время начала действия нагрузки; φдвгр, φдв, φ – углы поворота вала дизеля в градусах и в радианах соответственно; ω – угловая скорость вала дизеля; φн1, φн2, φм1, φм2, ωн1, ωн2, ωм1, ωм2 – углы поворота (в радианах) и угловые скорости вращения валов насосов и моторов соответственно; ηноб1, ηноб2, ηмоб1, ηмоб2 – объёмные КПД насосов и моторов, соответственно; qн1, qн2, qм1, qм2 – рабочие объёмы насосов и моторов соответственно.

1.2.2. Подмодель гидронасосов и гидромоторов как многопоршневых гидромашин:

ozer14.wmf

Здесь ozer15.wmf, ozer16.wmf – вращающие моменты на валах насосов и моторов, учитывающие работу всех поршней объёмных машин, соответственно; Δрн, Δрм – перепады давления рабочей жидкости на гидронасосе и гидромоторе, обусловленные внешней нагрузкой, соответственно; ozer17.wmf, ozer18.wmf – объёмные расходы рабочей жидкости через насосы и моторы, учитывающие подачу всех цилиндров, соответственно; ozer19.wmf – производная по времени от объёмной подачи насоса;

Приведенные характеристики гидронасосов и гидромоторов как многопоршневых объёмных гидромашин рассчитываются по отдельным программам, учитывающим работу каждого поршня машины.

1.2.3. Подмодель, описывающая топливные и индикаторные характеристики базовой модели дизеля (типа Д100):

ozer20.wmf

ozer21b.wmf

ozer22a.wmf

ozer23.wmf

ozer24.wmf

ozer25.wmf

ozer26.wmf

Здесь ozer27.wmfгор – массовый расход подаваемого горючего; kгор – коэффициент, учитывающий скорость горения топлива; n – частота вращения вала дизеля, об/мин; Vh – суммарный объём цилиндров двигателя; ηi – индикаторный КПД дизеля; piПа – индикаторное давление, Па; pi – индикаторное давление, кгс/см2; Qгор – низшая теплотворная способность горючего, Дж/кг; Мi – вращающий индикаторный момент, развиваемый валом двигателя, Дж.

1.2.4. Подмодель внешней нагрузки:

ozer28.wmf

ozer29.wmf

ozer30.wmf

ozer31.wmf

ozer32.wmf

ozer33.wmf

ozer34.wmf

ozer35.wmf

ozer36.wmf

ozer37.wmf

ozer38.wmf

ozer39.wmf

ozer40.wmf

Здесь τперегр – время начала действия перегрузки; kнагр, kперегр – коэффициенты, учитывающие скорость возрастания нагрузки и перегрузки соответственно; Δрм1, Δрм2, Δрн1, Δрн2 – перепады давления на гидромоторах и гидронасосах; Δрм1потерь, Δрм2потерь – потери давления в моторных каналах за счёт трения; Мн1, Мн2, – моменты сил сопротивления вращению валов насосов, определяемые внешней нагрузкой; Мсопр, Мнагр – вращающие моменты сил сопротивления и внешней нагрузки на валу дизеля.

1.2.5. Подмодель движения вала дизеля с объёмным гидроприводом.

ozer41.wmf

ozer42.wmf

ozer43.wmf

Здесь ozer44.wmf – угловое ускорение вала дизеля; J – момент инерции вращающихся частей двигателя и внешней нагрузки; ozer45.wmf – суммарный вращающий момент нижнего вала дизеля (рассчитывается по отдельной программе для дизеля типа Д100) [5]; Мсопр, Мнагр – вращающие моменты сил сопротивления и внешней нагрузки на валу дизеля соответственно; SП, lkr – коэффициенты моделирования: SП – коэффициент моделирования, равный отношению площади поршня двигателя исследуемой модели к площади поршня базового двигателя типа Д100 соответственно; lkr – коэффициент моделирования, равный отношению длины кривошипа двигателя модели к длине двигателя Д100 соответственно.

Результаты компьютерных исследований

На рисунках, представленных ниже, показаны результаты исследования особенностей различных режимов совместной работы объёмного гидропривода буровой машины с дизелем как единой теплогидромеханической системы.

Так, на рис. 2–4 показаны особенности запуска системы, выход системы на холостой ход, а также работа системы с нагрузкой и перегрузкой.

ozer2a.tif ozer2b.tif

а) б)

Рис. 2. Характеристика динамических режимов работы дизеля

ozer3a.tif ozer3b.tif

а) б)

Рис. 3. Характеристика работы дизеля с системой объёмных приводов

Запуск дизеля начинается при τ = 0 (рис. 2). Выход системы на холостой ход дизеля заканчивается через 3 с после запуска дизеля. После этого начинает действовать расчётная нагрузка τНАГР = 3 с. Перегрузка начинает действовать при τПЕРЕГР = 6 с. При этом частота вращения вала дизеля уменьшается (см. кривую на рис. 2, б), так как подача топлива (кривая 1 на рис. 2, а) в это время не увеличивается в соответствие с нагрузкой (см. кривую 2 на рис. 2, а), а остаётся постоянной.

На рис. 3, а, можно видеть особенности изменения: мощности тепловой энергии, используемой дизелем (кривая 1), мощности крутильных колебаний его вала (кривая 2), индикаторной мощности дизеля (кривая 3), а также – мощности внешней нагрузки (кривая 4). На рис. 4, б показан характер изменения: крутильных колебаний вала дизеля (кривая 1), вращающего индикаторного момента (кривая 2), а также – вращающего момента внешней нагрузки (кривая 3).

На рис. 4можно видеть, как изменяется экономичность совместной работы дизеля с системой объёмных приводов на исследуемых режимах. Здесь кривая 1 характеризует изменение полного КПД дизеля, кривая 2 – изменение его индикаторного КПД.

ozer4.tif

Рис. 4. Показатели эффективности работы дизеля с системой объёмных приводов на исследуемых режимах

Выводы

В работе выполнены исследования динамических режимов работы гидравлического привода буровой машины с дизелем.Исследования проведены с помощью оригинального метода, отличающегося учётом особенностей совместной работы дизеля (движения каждого поршня) с системой гидравлических приводов. Выполнены исследования характера изменения крутильных колебаний вала дизеля, а также – вращающего индикаторного момента при работе дизеля с системой приводов буровой машины на холостом ходу, с нагрузкой и перегрузкой, позволяющие выявить особенности влияния внешних нагрузок на характер расхода топлива и частоту вращения вала дизеля.

Предлагаемый способ моделирования позволяет повысить точность расчётов до 15–17 %, а также качество исследования динамических процессов, сопровождающих работу гидроприводов буровых установок с дизелем на различных режимах их эксплуатации как единых теплогидромеханических систем.