Опыт снижения разогрева рабочей жидкости

Принцип действия объемного гидропривода основан на использовании энергии потока сжатой жидкости, подаваемой насосом через систему управления в гидродвигатели (цилиндры или гидромоторы), совершающие некоторую полезную работу. При этом поток РЖ в гидросистеме возможен только при наличии разности давлений (перепада давлений) между входом и выходом, определяемой соотношением между расходом (количеством РЖ, проходящим в единицу времени, л/мин) и гидравлическим сопротивлением элементов гидросистемы (трубопроводов, аппаратов, фильтров и др.). Другими словами, если жидкость течет через гидравлическое сопротивление, в нем всегда имеются некоторые потери давления (?р). Поскольку при ?р = 1 МПа (~10 кгс/см2) температура проходящего через гидравлическое сопротивление потока РЖ увеличивается примерно на 0,6 °С, определенный перегрев РЖ неизбежен.

Вместе с тем, при работе гидропривода часть выделяющейся теплоты по-глощается рабочей жидкостью [удельная теплоемкость масла с = 1,88…2,1 кДж/(кг·оС)] и часть рассеивается в окружающую среду стенками бака, трубопроводов и другими теплоизлучающими поверхностями.

Таким образом, температура РЖ в том или ином конкретном гидроприводе определяется соотношением между имеющимися гидравлическими потерями и реальными возможностями теплоотвода; в большинстве случаев она не должна превышать 55 °С.

Различают гидроприводы объемного и дроссельного регулирования. В первых изменение скорости гидродвигателя реализуется путем изменения рабочего объема насоса или гидромотора, поэтому гидравлические потери минимальны. При дроссельном регулировании рабочие объемы гидромашин постоянны, а изменение скорости обеспечивается путем изменения проходного сечения гидравлических сопротивлений (дросселей или регуляторов расхода).

Дроссельное регулирование отличается конструктивной простотой и высоким быстродействием, однако ему присущи значительные потери мощности и, следовательно, — повышенный разогрев РЖ.


Рис. 1. Гидропривод лебедки

Рассмотрим дроссельный гидропривод лебедки (рис. 1), содержащий нерегулируемый насос 1 с подачей 32 л/мин; предохранительный клапан 2, настроенный на давление 10 МПа; регулятор расхода 3, ограничивающий частоту вращения гидромотора 4; гидрораспределитель 5 и гидрозамок 6. Пусть при подъеме груза гидромотор потребляет расход РЖ, равный 25 л/мин, причем перепад давлений в его камерах ?рм составляет 8 МПа. Попробуем ответить, когда имеет место максимальный разогрев РЖ в баке: при подъеме пустой клети (вариант 1 с ?рм ? 0) или при наличии максимально допустимого  груза массой m(вариант 2)?  Учитывая, что потери мощности Рп = ?рQ/60 (?р – перепад давлений, МПа; Q – расход, л/мин; Рп, кВт), рассмотрим основные дроссельные потери в гидроприводе.

Вариант Потери мощности в клапане 2, кВт Потери мощности в регуляторе расхода 3, кВт Суммарные потери мощности, кВт 1

((32-25)*10)/60=1,17

(25*10)/60=4.17

5,34 2

(25*(10-8))/60=0.83

2

Как видим, ответ довольно неожиданный: при подъеме пустой клети дроссельные потери в гидроприводе почти втрое выше и, следовательно, больше разогрев РЖ.

При работе гидропривода происходит поглощение теплоты рабочей жидкостью и ее естественное рассеяние стенками бака. Сразу после включения насоса происходит исключительно первый из указанных процессов, поскольку практически отсутствует разность температур между баком и окружающим воздухом. Далее по мере разогрева прогрессирует второй процесс и, наконец, при достижении установившейся температуры он становится единственным.


Рис. 2. Экспериментальная кривая изменения температуры масла в баке

Таким образом, анализ экспериментальной кривой изменения температуры ?t во времени t (рис. 2), снятой за первые 20...30 мин работы гидропривода, позволяет оценить потери мощности Рп в гидросистеме. Для этого нужно провести касательную к кривой ?t = f(t) в начальной точке и определить градиент , после чего можно подсчитать потери мощности, кВт, по формуле

              Рп = 0,032V J   ,                                                                                         

где V – вместимость бака, л.

Для примера, показанного на рис. 2, V = 25 л  и J =21/60 = 0,35 °С/мин, следовательно Рп = 0,032 ? 25 ? 0,35 = 0,28 кВт.

При Рп = const после экспериментального определения  значения J можно прогнозировать ожидаемую величину превышения установившейся температуры масла в баке, °С, над температурой окружающей среды по формуле:

 

Требуемая вместимость бака:

       

Если принять ?tу = 35 °С, можно определить необходимую вместимость бака в зависимости от потерь мощности в гидроприводе (рис. 3).

При работе гидрофицированного оборудования чаще всего Рп ? const, а изменяется в различных переходах цикла. В этом случае для расчета теплового режима определяют среднюю величину потерь мощности по формуле

         ,                                                                            

где Рi – мощность, потребляемая насосом в каждом из переходов цикла, кВт;  рi и Qi – соответственно давления, МПа, и расходы, л/мин, масла, требующиеся для выполнения полезной работы;   - времена переходов цикла.


Рис. 3. Зависимость вместимости бака от потерь мощности

Если в соответствии с тепловым расчетом требуемая вместимость бака получается слишком большой (например, 600 л при Рп = 2 кВт), применяют устройства искусственного охлаждения — теплообменники, чаще всего воздушные или водяные. В воздушных теплообменниках сливающаяся из гидросистемы разогретая РЖ проходит через радиаторы, которые обдуваются вентилятором, установленным на валу электродвигателя (или гидромотора); в водяных — через систему трубопроводов (или пластин), омываемых охлаждающей водой.

Современные малогабаритные воздушные теплообменники предлагают ООО «Апрель ГПС Системы» и ОАО «Альфа Лаваль Поток». В качестве примера на рис. 4 показаны теплообменники фирмы SESINO мод. АР178Е и АР300Е. Последний имеет встроенный регулируемый термостат, обеспечивающий включение вентилятора при увеличении температуры РЖ до заранее заданного уровня. Как видно из характеристик теплорассеяния, для мод. АР300Е коэффициент Кт достигает величины 0,185 кВт/°С. Это значит, что при ?t= 35 °С рассеивается мощность Р = 0,185·35 = 6,47 кВт.


Рис. 4. Теплообменники фирмы SESINO

Воздушные теплообменники передовых фирм (Bosch Rexroth, Emmegi, Duplomatic, Hydac, SESINO, Vickers) рассчитаны на давление 1…2 МПа и рассеивают мощность до 130 кВт; теплообменники отличаются компактной конструкцией и низким уровнем шума. Теплообменники PTK фирмы Bosch Rexroth встраиваются  в кронштейн, соединяющий насос с приводным электродвигателем, и успешно применяются для охлаждения дренажного потока, сливающегося из корпуса насоса. Теплообменники RAD-4 фирмы Duplomatic комплектуются встроенным реле давления, терморегулятором и перепускным клапаном.

Предлагаемые ЗАО «ГидраПак Силовые и Управляющие Системы» компактные малошумные кондиционеры мод. CSU фирмы Emmegi (рис. 5) габаритов 16, 20, 25, 35, 45, 50 и 53 способны при перепаде температур 35 оС рассеивать соответственно 2,6; 3,9; 7,3; 8,9; 12,3; 14,4 и 21,3 кВт мощности. Они могут комплектоваться фильтрами и/или тепловыми регуляторами, включенными параллельно теплообменнику и в зависимости от текущего значения температуры РЖ перепускающими часть потока в бак, минуя теплообменник.


Рис. 5. Малошумный кондиционер CSU фирмы Emmegi

Водяные теплообменники по сравнению с воздушными существенно компактнее, бесшумны, имеют б?льшее теплорассеяние, однако они требуют подвода охлаждающей воды и канализации; в ряде случаев имеется опасность попадания воды в масло.

Водяные теплообменники ведущих зарубежных фирм способны рассеивать мощность до 500 кВт. Фирмы Bosch Rexroth и Hydac предлагают компактные автономные кондиционеры с насосом, водяным теплообменником и встроенным фильтром (тонкость фильтрации 3, 5, 10 или 25 мкм). Фирма Emmegi поставляет теплообменники различных монтажных вариантов, в том числе для встройки непосредственно в баки.

В компактных пластинчатых водяных теплообменниках ведущих фирм удачно решена проблема герметизации масляной и водяной полостей. В качестве примера на рис. 6 показан теплообменник ОАО «Альфа Лаваль Поток» с разборными пластинами размером 208?78 мм, способный рассеивать мощность до 16 кВт. Чередующиеся пластины, через которые проходят потоки РЖ и охлаждающей воды, собираются в пакет, а соединительные отверстия уплотняются эластомерными прокладками, причем даже в случае из разгерметизации имеют место наружные утечки масла или воды, а не смешивание их потоков.


Рис. 6. Пластинчатый водяной теплообменник с разборными пластинами

Для комплектации теплообменников широко используются различные терморегулирующие устройства. Например, термостатические клапаны AVTA фирмы Emmegi способны автоматически регулировать поток охлаждающей воды с целью ее экономного расходования. Перепускные клапаны AIB фирмы Hydac обеспечивают гидравлическую защиту теплообменника от перегрузки.

Богатый опыт эксплуатации гидроприводов показывает, что проблема исключения перегрева РЖ может успешно решаться прежде всего путем сокращения потерь мощности и, при необходимости, — использования соответствующих теплообменников.

 

В. К. Свешников
Завлабораторией гидросистем
станков  ЭНИМС
Ogip-enims@mtu-net.ru