Автоматизация процессов тепловой подготовки гидропривода строительно-дорожных машин

Automation of thermal preparation hydraulic drive road construction machinery

Shahbuba Merdanov

doctor of technical sciences, professor, Tyumen Industrial University – TIU, Russia, Tyumen

Vitaliy Konev

сandidate of technical sciences, associate professor,

Tyumen Industrial University – TIU, Russia, Tyumen

Dmitriy Borodin,

applicant, Tyumen Industrial University – TIU, Russia, Tyumen

Egor Polovnikov

graduate student, Tyumen Industrial University – TIU, Russia, Tyumen

Аннотация. В настоящее время расширяется использование строительно-дорожной техники, суровые климатические условия накладывают ряд ограничений на эксплуатацию гидрофицированных машин. В статье описывается автоматизация процесса тепловой подготовки гидрофицированных машин.

Abstract. Currently, expanding the use of road construction equipment, harsh climatic conditions impose a number of restrictions on the operation hydroficated machines. The article describes the automation of the thermal preparation of cars hydroficated process.

Ключевые слова: прогрев гидросистем, гидросистема; строительно-дорожная машина; автоматическая система управления тепловой подготовкой; энергозатраты на тепловую подготовку; энергосбережение; «холодный пуск».

Keywords: heating hydraulic systems; hydraulic systems; construction machinery; automatic control system of thermal preparation; energy consumption for thermal preparation; a "cold start".

При строительстве и эксплуатации нефтегазопроводов и объектов в северных регионах России, а также при освоении Арктических территорий, используется большое количество единиц строительно-дорожных машин (СДМ).

На строящихся объектах в северных регионах необходимо использовать строительную технику соответствующего класса климатического исполнения. Организации, проводящие строительные работы на строительных объектах, имеют большие парки гидрофицированных строительных машин, но большая часть которых, предназначена для усреднённых условий эксплуатации, такая техника не подготовлена для эксплуатации в суровых климатических условиях [6 с. 337]. Для результативного и экономически целесообразного использования СДМ при выполнении задач в условиях сурового климата, необходимо использовать дополнительные меры, модернизирующие тепловую подготовку гидравлической техники [7, c. 206].

Территории Крайнего Севера и арктического климатического пояса характеризуются низкими температурами - до минус 55^°С и сильными ветрами. В существующих природно-климатических условиях возникают сложности при эксплуатации СДМ (запуск и работа двигателя внутреннего сгорания (ДВС), гидропривода, трансмиссии, условия работы машиниста) [8, c. 699]. При работе гидросистемы на все узлы и агрегаты действуют отрицательные температуры. Это приводит к изменению тепловых процессов в элементах гидросистемы. Вследствие этого снижается, наработка машин до отказа, производительность, и эффективность эксплуатации [1, c. 112].

В процессе эксплуатации машина может находится в различных состояниях и выполнять различные работы. Для повышения эффективности эксплуатации СДМ проводится тепловая подготовка гидравлической системы [3, с. 16]. При этом большая часть техники являются гидрофицированной. Это связано с преимуществами гидравлических приводов (универсальность, компактность, энергоэффективность, надежность, эргономичность). Гидролинии гидропривода машин имеют большую протяженность. Это затрудняет их тепловую подготовку.

Гидроприводы современных СДМ постоянно совершенствуются (Bosch, Komatsu, Hitachi, Liebherr). Разработаны общие подходы по проектированию, изготовлению и установке, компоновке элементов гидропривода. Это позволяет повысить их надежность, эргономичность, экономичность и экологичность [5].

В современных системах СДМ совершенствуется система гидропривода в целом и используются новые подходы и технологии в производстве и изготовлении элементов гидропривода. Общими направлениями по совершенствованию являются:

1. Снижение потерь в элементах гидропривода (разводка гидросистемы).

2. Использование систем пропорционального управления гидропривода.

3. Использование гидропривода с ШИМ - управлением.

Данные подходы по совершенствованию гидросистем СДМ не решают в полном объеме задачу, при которой влияние низких отрицательных температур окружающего воздуха на элементы гидропривода изменяет технико-экономические показатели СДМ. К основным следствиям влияния низких температур относятся:

- изменяются посадки в подвижных элементах гидропривода;

- повышается вязкость рабочей жидкости и, как следствие, рост потерь давления и нагрузок на элементы гидропривода;

- уменьшается эластичность уплотнительных элементов гидросистем и, как следствие, повышенный их износ при запуске непрогретого гидропривода;

- в сочетании с повышенным давлением «хладноломкость металла» в гидроприводе при «холодном пуске» приводит к возрастанию отказов гидропривода.

Важным направлением для адаптации гидрофицированных СДМ к суровым условиям является тепловая подготовка гидросистем. Основными способами тепловой подготовки гидропривода являются: прогрев в холостом режиме перед началом работы; дросселированием рабочей жидкости; утилизацией тепла ДВС (от охлаждающей жидкости, выхлопных газов); электроподогревом.

При исследованиях данных способов выявлено, что помимо положительного влияния (снижение числа отказов при холодных пусках, уменьшение пускового давления гидросистемы, снижение износа насоса и т.д.). Выявлены сложности, при пользовании машин оснащёнными подобными системами, возрастает число дополнительных операций, которые должен выполнить оператор перед пуском или во время самого пуска (открытие-закрытие кранов, заслонок, включение - выключение электрических потребителей, одновременный контроль за показаниями нескольких приборов). Это повышает вероятность ошибок или неправильных действий со стороны оператора [4]. Для осуществления автоматизации системы тепловой подготовки гидропривода СДМ предлагается схема автоматизации системы тепловой подготовки (рис. 1).

Сенсоры температуры собирают информацию о температурах в локальных элементах гидропривода, в аналоговой форме информация передаётся в модуль аналогово-цифрового преобразователя, где преобразуется в цифровую форму [4]. После этого по цифровой шине оцифрованная информация передаётся в контроллер, изготовленный на базе микро ЭВМ, где полученная информация обрабатывается, анализируется и на основе полученной информации вырабатываются управляющие сигналы. Сформированные управляющие сигналы, после выхода из контроллера поступают на драйверы, где усиливаются и оптимизируются по форме и знаку. Такие сигналы могут управлять элементами и системами тепловой подготовки элементов гидропривода.

Рисунок 1. Схема автоматизации системы тепловой подготовки гидропривода строительной или дорожной машины. ЭГП1-ЭГП5-локальные элементы гидропривода, АЦП - аналогово-цифровой преобразователь, КР -контроллер, П- оперативное запоминающее устройство, Д-драйверы, СТ- элементы системы тепловой подготовки гидропривода.

Функциональная схема автоматической системы управления прогрева рабочей жидкости выхлопными газами ДВС представлена на рисунке 2.

При тепловой подготовке гидропривода потребителями тепла являются все элементы гидросистемы СДМ. Эти потребители имеют разные массы, теплопроводность, соответственно потребляемую мощность и время на тепловую подготовку. Это приводит к необходимости определения очередности, продолжительности, интенсивности прогрева гидропривода. При исследовании способов тепловой подготовки гидропривода СДМ необходимо решать задачу оптимизации проводимых операций по тепловой подготовке и теплового процесса.

Рисунок 2. Функциональная схема автоматической СУ прогрева рабочей жидкости выхлопными газами дизельного ДВС: 1 - контроллер, 2 - компаратор, 3 - регулирующее устройство, 4 - драйвер,5 - исполнительный механизм, 6 - заслонка, 7 - путь выхлопных газов ДВС, 8 - теплообменник, 9 - бак с рабочей жидкостью, 10 - термодатчик, 11 - сигнальный усилитель.

Регулировка процесса теплообмена между отработавшими газами и рабочей жидкостью осуществляется заслонкой, направляющей отработавшие газы в теплообменник. Заслонка в свою очередь связана с исполнительным механизмом, состоящим из электродвигателя и редуктора, число оборотов двигателя определяется напряжением U₁ присутствующего на выходе драйверного каскада ДК и передаваемого этим каскадом на вход усилителя мощности Ум. Напряжение U₁ на выходе драйверного каскада в свою очередь пропорционально разности заданного контроллером напряжения UЗ и напряжения ИО, пропорционального температуре рабочей жидкости в малом гидробаке над теплообменником, которая измеряется датчиком температуры, находящимся непосредственно в толще рабочей жидкости. Температурный сигнал от термодатчика усиливается сигнальным усилителем СУ.

Когда температура рабочей жидкости изменится относительно значения, заданного контроллером компаратор формирует сигнал рассогласования соответствующей величины и знака, в конечном итоге этот сигнал приводит  к вращению электродвигателя Д, редуктора и заслонки на соответствующую величину и в соответствующем направлении [2, c. 450]. Происходит приоткрытие или прикрытие заслонки, что в свою очередь увеличивает или уменьшает поступление отработавших газов в теплообменник за счёт управления процессом тепловой подготовки элементов гидропривода.

Таким образом, предлагается автоматизировать процесс тепловой подготовки гидропривода строительно-дорожных машин с целью исключения сбоев и ошибок по вине оператора. Оптимизировать процессы тепловой подготовки в соответствии с влиянием внешних факторов, с целью продления ресурса локальных элементов гидропривода, снижения затрат на тепловую подготовку, уменьшения времени прогрева гидросистемы, снижения выбросов вредных веществ в окружающую среду за счёт оптимизации процессов тепловой подготовки, снижения психофизиологических нагрузок на оператора.

В результате будет устанавливаться последовательность, одновременность и продолжительность прогрева элементов гидропривода. Это позволит увеличить скорость прогрева тепловой подготовки СДМ.