На правах рукописи

ХАВРОНИН Виктор Петрович

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ

СЕЛЬСКОХОЗЯЙСТВЕННЫХ ПОГРУЗОЧНЫХ АГРЕГАТОВ

ЗА СЧЕТ СНИЖЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКОЙ

НАГРУЖЕННОСТИ ГИДРОПРИВОДА

Специальность 05.20.01 – Технологии и средства

механизации сельского хозяйства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Волгоград – 2007 2

Работа выполнена на кафедре «Сопротивление материалов и детали машин» ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент Несмиянов Иван Алексеевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Рогачев Алексей Фруминович кандидат технических наук, доцент Удовкин Александр Иванович

Ведущая организация: ГНУ «Нижне-Волжский научноисследовательский институт сельского хозяйства»

Защита состоится «23» октября 2007 года в 1015 часов на заседании диссертационного совета Д 220.008.02 при ФГОУ ВПО «Волгоградская государственная сельскохозяйственная академия» по адресу: 400002, г.Волгоград, пр. Университетский, 26, ауд.214.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГОУ ВПО «ВГСХА».

Автореферат разослан «_»_2007 г. и размещен на сайте http://www.vgsha.ru

Ученый секретарь диссертационного совета, доктор сельскохозяйственных наук, профессор А.И. Ряднов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Современные тенденции совершенствования сельскохозяйственных гидрофицированных погрузочных агрегатов направлены на повышение их производительности, мощности, а также на уменьшение энергопотребления и улучшение динамических характеристик.

Введение упругодемпфирующих элементов в гидропривод почти всегда приводит к снижению его жесткости, что не всегда допустимо для многих гидрофицированных машин, а в частности, погрузчиков и экскаваторов.

Гидрофицированные погрузчики сельскохозяйственного назначения, как правило, работают с грузами различной массы. Вследствие чего проблема внедрения упругодемпфирующих элементов в гидропривод сельскохозяйственных машин остается насущной из-за недостаточно простых и надежных конструкций упругодемпфирующих элементов и отсутствия комплексного решения.

Одним из направлений решения проблемы энегросбережения и снижения динамических нагрузок на двигатель трактора, агрегатирующего погрузчик, является разработка конструкции эластичного привода гидронасоса сельскохозяйственных погрузочных агрегатов не снижающей жесткость силового гидропривода.

Цель работы состоит в снижении динамических нагрузок на энергетическую установку погрузочного агрегата, повышении плавности работы гидропривода и снижении энергозатрат на привод рабочего органа, определении оптимальных параметров эластичного привода гидронасоса.

Задачи исследования. 1. Проверить рабочую гипотезу о снижении динамической нагруженности энергетической установки за счет эластичного привода гидронасоса, а также выявить возможные его комбинации с другими упругодемпфирующими элементами в гидроприводе при различных условиях работы погрузочного агрегата. 2. Провести аналитическое исследование упругодемпфирующей связи в приводе насоса, теоретические и экспериментальные исследования гидропривода сельскохозяйственного погрузчика с эластичным приводом гидронасоса. 3. Экономически обосновать эффективность применения эластичного привода гидронасоса погрузочного агрегата.

Объектом исследования стали упругодемпфирующие элементы привода и агрегаты, их содержащие, на участке передачи мощности «двигательгидронасос», в частности, упругодемпфирующие муфты и крупномасштабная действующая модель погрузочного сельскохозяйственного манипулятора.

предусматривала теоретический анализ рабочих гипотез, их экспериментальную проверку и экономическую оценку результатов работы. В ходе выполнения работы использованы методы и положения классической механики, теории колебаний, математической статистики, математического моделирования в режиме реального времени в программах-симуляторах.

Научная новизна работы состоит в обосновании целесообразности использования эластичных элементов в приводе гидронасоса погрузочного агрегата и оптимизации параметров эластичного привода гидронасоса и возможных с ним сочетаний упругодемпфирующих элементов на участках гидропривода.

Новизну технических решений подтверждают 2 патента РФ на изобретения.

рекомендаций подтверждена достаточной сходимостью результатов теоретического и экспериментального исследований, актами внедрения, апробацией на научных конференциях и выставках разного уровня.

Практическая значимость заключается в выработке рекомендаций, частично реализованных в экспериментальных образцах и направленных на повышение эффективности работы сельскохозяйственных гидрофицированных машин за счет повышения плавности работы гидродвигателей как поступательного, так и вращательного движения, снижения динамических нагрузок на энергетическую установку и снижение энергопотребления.

Реализация работы. Методика расчета и выбора оптимальных параметров погрузочных агрегатов с упругодемпфирующими связями передана инженерному отделу КСП «Грачевское» Волгоградской области, крупномасштабная действующая модель погрузочного манипулятора используется в научных исследованиях и в учебном процессе Волгоградской ГСХА.

Апробация работы. Основные положения выполненной работы были доложены и обсуждены на конференциях профессорско-преподавательского состава Волгоградской ГСХА (2002-2006 гг.), конференции Пензенской ГСХА (2002 г.). Конструкции энергоэффективных элементов гидропривода погрузочных машин демонстрировались на региональной выставке «Энергосбережение и энергоэффективные технологии. Технофорум»

(Волгоград, 2003) и отмечены дипломом.

В полном объеме диссертация доложена и обсуждена на научном семинаре ВГСХА в 2007 году.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 13 печатных работ объемом 2,52 п.л. Доля автора – 1,45 п.л. Одна работа опубликована в журнале «Тракторы и сельскохозяйственные машины», рекомендованом ВАК для публикаций материалов докторских и кандидатских диссертаций.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, глав, выводов и рекомендаций, списка литературы из 93 наименований, работа изложена на 146 страницах, содержит 74 рисунка, 8 таблиц, приложений.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, указаны цель и задачи исследования, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Современное состояние вопроса» дан обзор научных исследований, посвященных снижению динамических нагрузок и энергосбережению в гидрофицированных погрузочных агрегатах.

Рассмотрены пути и варианты реализации цели исследования.

Вопросам динамики гидрофицированных погрузочных агрегатов посвящено много работ таких ученых как Рось Я.В., Морсин В.М., Дубинин В.Ф., Пындак В.И., Герасун В.М., Рахманин Г.А., Рогачев А.Ф., Удовкин А.И., Лапынин Ю.Г., Несмиянов И.А., Хавронина В.Н. Бубнов В.А., Волков Д.П. и многие другие.

Исследованию эластичных приводов в сельскохозяйственных агрегатах посвящены работы Строкова В.Л., Карсакова А.А, Аврамова В.И., Поливаева О.И., Нехорошева Д.А. и др.

Анализ работ российских и зарубежных ученых позволил выявить сельскохозяйственных агрегатов, на основе чего были приняты гипотезы:

позволит не уменьшая жесткости гидропривода снизить динамические нагрузки и влияние колебаний давления в элементами (УДЭ) в гидросистеме наряду с повышением плавности работы испытательных звеньев может привести к резонансным явлениям, следовательно различные сочетания УДЭ в гидроприводе должны быть тщательно обоснованы.

гидроприводе проводились в основном по отдельности, то было принято решение провести комплексное исследование эластичного привода пневмогидроаккумулятора, с целью получения оптимальных значений жесткости эластичной муфты и нагрузки на гидродвигатели, а также исследовать возможность возникновения резонансных колебаний в гидросистеме погрузочного агрегата.

Во второй главе «Теоретическое исследование динамики рычажного механизма с эластичным приводом гидронасоса» проведено кинематическое и динамическое исследование разработанной упругодемпфирующей муфты, с целью выявления аналитической зависимости момента на валу гидронасоса от момента на приводном валу и угла закручивания полумуфт (рис.1, 2) прямолинейной копирующей поверхностью кинетостатическому анализу кулачка Кинетостатический анализ упругодемпфирующей муфты позволил вывести зависимость касательной силы на ведомой полумуфте Ft2 от касательной силы Ft на ведущей полумуфте и угла закручивания полумуфт (1).

где, f1, f2 – соответственно коэффициенты трения толкателя о кулачок и кулачка по С – жесткость упругого элемента, Нм;

- угол рассогласования полумуфт, рад;

- угловая скорость ведущего вала, с-1;

Ft – касательная сила на ведущей полумуфте, Н.

Для исследования рассматриваемой нами системы эластичного привода гидронасоса сельскохозяйственного погрузочного агрегата использовались методы:

Рис.3. Расчетная схема гидрофицированного погрузочного агрегата с механизмом подъема груза на упругом подвесе и эластичным приводом насоса На основании уравнения Лагранжа II рода, согласно расчетной схемы (рис 3) и принятых допущений получим для двух обобщенных координат и у дифференциальные уравнения движения рычажной системы подъема груза:

При составлении динамической модели рычажного механизма приняты следующие допущения:

1. Массы системы представлены в виде приведенных сосредоточенных масс стрелы m2 и груза m1.

2. Стойка рычажного механизма ОО1 установлена жестко.

3. Коэффициенты трения в шарнирах механизма приняты за постоянные величины.

4. Груз совершает только вертикальные колебания (наиболее влияющие на динамику системы).

При расчете кинетической энергии принят ряд допущений, вытекающих из динамической модели. В формуле кинетической энергии скорости находятся через координаты соответствующих центров тяжести звеньев, которые в свою очередь, являются функциями обобщенных координат.

Уравнение для системы «двигатель – эластичная муфта – насос»:

Математическая модель гидропривода для одного гидроцилиндра состоит из системы дифференциальных и линейных уравнений:

уравнения расходов через дроссели при нагнетании в поршневую (знак «+» в уравнениях (4), (5)) или штоковую (знак «-») полости и уравнение расхода через щель золотника уравнение расхода насоса уравнение неразрывности потока где, Qу = курн - перетечки жидкости через уплотнения поршня;

К1, К2, К3, К4 – коэффициенты упругости полостей с жидкостью;

Pi – давления жидкости в соответствующих полостях, МПа;

Qi – расходы жидкости через дроссели и гидроагрегаты, м3/с;

Fi – площади сечения полостей гидроцилиндра, м2;

m – приведенная масса рычажного механизма и груза к поршню цилиндра, кг;

h1 – коэффициент вязкого трения в гидроцилиндре, кг/с;

Динамическая модель "Привод – эластичная муфта – насос – распределитель - гидродвигатель- рычажный механизм" с учетом основных ограниченной мощности реализована в программной среде моделирования в режиме реального времени МВТУ 3.6.

В результате реализации динамических моделей были получены зависимости, характеризующие изменение крутящего момента на валу насоса, изменения момента сопротивления и угла закручивания полумуфт, график углового рассогласования полумуфт (рис. 5), перемещение штока гидроцилиндра (рис 6) и графики изменения давления в полостях гидроцилиндра (рис. 7).

z,мм Рис.7. Изменение давления в поршневой полости цилиндра.

Исследование математической модели на ЭВМ позволили сделать следующие выводы: амплитуда колебаний давления в гидросистеме с ЭПГ снизилась на 0,03…0,05 МПа по сравнению с обычным гидроприводом, а загрузка первичного двигателя в момент пуска гидродвигателя снизилась в 1,25…1,34 раза. К тому же повысилась плавность работы гидропривода.

В третьей главе «Экспериментальное исследование эластичного привода гидронасоса» приведено описание стендового оборудования, методики экспериментального исследования динамики погрузочного агрегата, методика факторного исследования и проверка адекватности результатов экспериментальных исследований.

Экспериментальные исследования проводились с целью проверки результатов теоретических исследований и определения начальных условий и коэффициентов.

Для решения задач экспериментального исследования создан комплекс стендового оборудования. Разработанное стендовое оборудование (рис.8) включает в себя модель стрелового погрузчика 1, маломощную насосную станцию 2, основную насосную станцию 3, измерительно-регистрирующий комплекс 4.

Рис.8. Стендовое оборудование для проведения экспериментальных исследований Одним из объектов исследования выступала упругодемпфирующая муфта в приводе гидравлического насоса. На рис 9 и 10 приведен экспериментальный образец упругодемпфирующей муфты с кулачками, имеющими наклонные копирующие поверхности.

Для рационального экспериментального исследования эластичного привода гидронасоса сельскохозяйственного гидропривода в сочетании с другими упругодемпфирующими элементами была принята методика математического планирования факторного эксперимента.

Рис.9. Муфта привода насоса в сборе Рис.10. Муфта привода насоса в В связи с принятой гипотезой, заключающейся в том, что применение эластичного привода гидронасоса в гидросистеме позволит снизить динамические нагрузки на энергетическую установку, и соответственно привести к снижению энергопотребления насосного агрегата гидросистемы, в качестве критерия оптимизации было принято значение потребляемой мощности энергетической установки за цикл технологической операции N min, а соответственно и работа, затрачиваемая на операцию А min.

математической модели с помощью двумерных сечений (рис.11).

Из сечений поверхностей отклика выявлено наиболее оптимальное сочетание факторов: для эластичного привода гидронасоса без ПГА крутильная жесткость эластичной муфты – 52 Нм/рад; нагрузка на шток гидроцилиндра – 320…960 Н; для эластичного привода гидронасоса с пневмогидроаккумулятором в напорной магистрали крутильная жесткость эластичной муфты – 62…75 Нм/рад, усилие на шток гидроцилиндра – 700… 960 Н, давление зарядки ПГА – 1,7…2 МПа ( 21…25% от номинального давления в гидросистеме).

Рис.11. Зависимость критерия оптимизации N от усилия на штоке, крутильной жесткости упругой муфты и зарядке пневмогидроаккумулятора Анализ кривых мгновенной потребляемой мощности из осциллограмм показывает: при использовании эластичной муфты в приводе гидронасоса (при жесткости 55 Нм/рад) при отключении распределителя, т.е. отключении нагрузки от энергетической установки – двигателя, наблюдается эффект возврата потенциальной энергии, запасенной пружинами муфты. В результате чего в среднем в течение 0,02 … 0,03 сек. цикла подъема – опускания груза, что повлияло на суммарную работу, затрачиваемую на погрузочно-разгрузочную операцию (рис.12,13).

При использовании эластичного привода гидронасоса с жесткостью муфты 55 Нм/рад затрачиваемая работа на операцию подъема – опускания груза на 0,91 кДж меньше, чем при выполнении той же операции без ЭПГ.

Рис.12. Диаграмма потребляемой мгновенной мощности за цикл операции при усилии на - обычный привод гидронасоса;

- эластичный привод гидронасоса (жесткость муфты 55 Нм/рад).

Рис 13. Диаграмма работ за цикл операции при нагрузке на шток 640 Н - эластичный привод гидронасоса (жесткость муфты 55 Нм/рад).

положительно сказывается на динамичность процессов, а в частности, гидроприводе в среднем на 0,04 МПа (рис.14).

Эффективность применения ЭПГ выше при увеличении нагрузки, при нагрузке на шток в интервале 600…900 Н мгновенная потребляемая мощность в среднем у гидропривода с ЭПГ на 0,35…0,4 кВт меньше, чем у обычного гидропривода. Совместное использование ЭПГ с ПГА в напорной магистрали позволяет снизить мгновенную потребляемую мощность на 0,75…0,82 кВт (на 17…19%).

Рис. 14. Зависимость амплитуды колебаний давления в гидроприводе от нагрузки на шток цилиндра в зависимости от наличия упругодемпфирующих связей - обычный гидропривод; – ЭПГ с крутильной жесткостью 55 Нм/рад.

Рис. 15. Зависимость мгновенной потребляемой мощности от нагрузки на шток цилиндра в зависимости от наличия упругодемпфирующих связей.

- обычный гидропривод; – ЭПГ с крутильной жесткостью 55 Нм/рад.

Основным параметром, характеризующим все грузоподъемные механизмы, является коэффициент динамичности. На рис.16 приведены исполнительного гидроцилиндра.

Расхождение значений теоретических и экспериментальных данных составляет 3,8%...5,4%.

Рис. 16. Зависимость коэффициента динамичности от нагрузки на шток цилиндра в зависимости от наличия упругодемпфирующих связей - обычный гидропривод; – ЭПГ с крутильной жесткостью 55 Нм/рад.

В пятой главе произведено экономическое обоснование использование эластичного привода гидронасоса в сельскохозяйственном погрузочном агрегате. Как показали расчеты, вследствие снижения энергозатрат на операцию перемещения груза погрузочным агрегатом Т-16М + НПМ-0, годовой экономический эффект на один агрегат составляет 42,7 тыс.руб.

1. Одним из способов снижения потребляемой мощности гидрофицированного погрузочного агрегата и снижения динамических нагрузок на энергетическую установку без уменьшения жесткости силового гидропривода является 2. Выведена аналитическая зависимость момента на валу насоса от момента на приводном валу для предложенной механической упругодемпфирующей муфты привода насоса.

Теоретически обоснована эффективность такого привода по сравнению с обычным шлицевым соединением насоса с погрузочных агрегатов сельскохозяйственного назначения и упругодемпфирующими элементами в гидроприводе.

Введение оптимально подобранного упругодемпфирующего элемента в систему «двигатель – гидронасос» погрузочного агрегата позволило снизить коэффициент динамичности в Использование упругодемпфирующих элементов в приводе гидравлического насоса приводит к снижению амплитуды гидроприводе, что в свою очередь влечет повышение срока службы уплотнительных элементов гидроагрегатов.

муфты в приводе насоса НШ-10 составляет 52…58 Нм/рад при нагрузках на шток исполнительного гидроцилиндра 7. Совместная работа эластичного привода гидронасоса и ПГА снижению жесткости силового гидропривода и уменьшению скорости выходных звеньев при увеличении нагрузки.

8. Снижение потребляемой мощности насоса применительно к погрузочному агрегату на базе Т-16М+НПМ-0,5 даст годовой экономический эффект в 42,7 тыс.руб.

Основные положения диссертации изложены в следующих работах Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК 1. Несмиянов, И.А. Эластичный привод гидронасоса как способ снижения энергопотребления гидромашин. / Несмиянов И.А., Хавронин В.П.// Тракторы и сельскохозяйственные машины – 2007. - №6. С.45-46.

1. Несмиянов, И.А. Совершенствование гидропривода поворотной колонны погрузчика. /И.А. Несмиянов, В.П. Хавронин // Проблемы развития сельскохозяйственной продукции: Материалы научно-практической конференции Пензенской ГСХА./ Пенза, 2002. С.194-195.

2. Хавронина, В.Н. Некоторые пути снижения нагруженности элементов конструкции навесного погрузочного манипулятора сельскохозяйственного назначения. / Хавронина В.Н., Лапынин Ю.Г., Хавронин В.П.// Материалы всероссийской научно-технич.конф./ВГСХА, Волгоград, 2002.

3. Несмиянов, И.А. Исследование ресурсосберегающих средств в гидрофицированных сельскохозяйственных погрузчиках. /И.А.Несмиянов, В.П. Хавронин.//Современные технологии и средства механизации и технического обслуживания в АПК: Материалы всероссийской научнопрактической конференции Мордовского гос. университета/ Саранск, 2002.

4. Лапынин, Ю.Г. Пневмогидравлическая связь манипулятора с энергетическим средством. /Лапынин Ю.Г., Хавронина В.Н., Хавронин В.П. //Материалы научно-практической конференции Пензенской ГСХА.// 5. Несмиянов, И.А. Стенд для испытания эластичных элементов в гидроприводе. / И.А. Несмиянов, В.П.Хавронин // ИЛ ВолгЦНТИ №51-098с.

6. Харонин, В.П. Повышение плавности работы сельскохозяйственного гидропривода./ Хавронин В.П., Несмиянов И.А. // Проблемы АПК.

Материалы международной научно-практической конференции, посвященной 60-летию Победы под Сталинградом. Инженерные науки. / Волгоград, 7. Несмиянов, И.А. Определение параметров эластичного привода гидронасоса при колебательном воздействии на гидродвигатель./ И.А.Несмиянов, В.П. Хавронин //Основы достижения устойчивого развития сельского хозяйства: Материалы международной научнопрактической конференции, посвященной 60-летию ВГСХА./Инженерные науки /Волгоград, 2004. – С.26-28.

8. Патент РФ №2282068. Упругая муфта. Несмиянов И.А., Хавронин В.П.

Бюл. №23 от 20.08.2005.

9. Патент РФ №2282069. Упругодемпфирующая муфта. Хавронин В.П., Несмиянов И.А. Бюл. №23 от 20.08.2005.

10. Хавронин, В.П. Экспериментальные исследования эластичного привода гидронасоса погрузчика. Хавронин В.П. /Актуальные проблемы развития АПК: Материалы международной научно-практической конференции ВГСХА// Волгоград, 2005 г.

11. Несмиянов, И.А. Эластичный привод гидронасоса. /Несмиянов И.А., Хавронин В.П. //ИЛ ВолгЦНТИ №51-026-07. 4 с.

12. Несмиянов, И.А. Приспособление для определения характеристик упругих муфт. /Несмиянов И.А., Хавронин В.П. //ИЛ ВолгЦНТИ №51-046-07. 3 с.

Формат 60х84 1/16. Уч.-изд.л. 1,0. Тир. 100. Зак.

Издательско-полиграфический комплекс ВГСХА «Нива»

400002, Волгоград, Университетский пр-т, 26.