Приведены сведения по динамике стрелового крана для условий холодного климата. Даны рекомендации по повышению надежности стрелового крана для условий холодного климата.
Ключевые слова: строительные краны, гидропривод, рабочая жидкость, устойчивость, температура рабочей жидкости.
Строительные краны подвержены сильному воздействию внешних факторов жесткого климата (отрицательная температура и ветровой обдув), вызывающих дискомфортные условия работы машиниста крана. Автомобильные краны имеют одну силовую установку на базовом шасси, обеспечивающую работу системы приводов. В этих условиях наблюдается дефицит тепла в кабине машиниста. В гидроприводе, имеющем значительную протяженность гидролиний, повышается вязкость рабочей жидкости, идет рост потерь давления, ухудшаются функциональные и эксплуатационные характеристики гидросистемы [1]. Увеличение вязкости (в пределах прокачиваемости жидкости) создает большие потери при движении рабочей жидкости по каналам гидроаппаратов, а также значительному разряжению во всасывающей гидролии, что может быть причиной кавитации насоса. В пусковых режимах работы гидропривода при прохождении рабочей жидкости через дроссель, возникает пик давления, превышающий допустимое значение и сопровождающийся шумом и кавитацией. Высокое давление рабочей жидкости ведет к разрывам трубопроводов и шлангов высокого давления, растет процент отказов гидросистемы (30–50 % от отказов по машине). Для обеспечения устойчивой циркуляции рабочей жидкости пик давления не должен превышать 15–20 %.
Работа строительных кранов в условиях Сибири осуществляется при температурах окружающей среды до минус 60оС. Вработе [2] приведено условие обеспечения работоспособности гидропривода лесных машин в условиях жесткого климата. Для расчета времени понижения рабочей температуры гидрожидкости t, час приведена зависимость
где Т0 — перепад между начальной (установившейся) температурой рабочей жидкости и окружающим воздухом,оС; Т — перепад между конечной температурой рабочей жидкости (определяет предел функционирования гидросистемы) и окружающим воздухом,оС; Сi — удельная теплоемкость жидкости и трубопровода, кДж/кгоС; Gi — масса жидкости и трубопровода, кг; Fт — площадь трубопровода; кт — коэффициент теплопередачи трубопроводов; Qт — выделяемое тепло.
Для поддержания оптимального температурного состояния систем крана применяются различные методы, в том числе рециркуляционные системы. К числу известных рециркуляционных нагревательных установок относятся отопители кабины машиниста типа ПАП [3]. Они работают на новом принципе без применения электрических, плазменных и других нагревателей и имеют высокий к. п.д. равный 0,75–0,85. В этих системах создается замкнутый цикл потока воздуха или газа от центробежного вентилятора. Почти вся энергия привода превращается в тепло. Недостатком таких рециркуляционных нагревательных установок является повышенная пожаровзрывоопасность. Поэтому их применение в технологическом процессе, связанном с использованием горючих материалов выше допустимой температуры строго запрещено.
Известен гидропривод с замкнутой системой циркуляции рабочей жидкости, когда при отрицательных температурах окружающего воздуха может произойти повышение температуры рабочей жидкости. Такая система приведена в работе [4]. Однако эта система не обеспечивает необходимой интенсивности разогрева рабочей жидкости при низких температурах. Дросселирование рабочей жидкости вызывает ее разогрев. При дросселировании энергия гидравлической установки полностью переходит в тепло, вызывая нагрев жидкости. За один цикл циркуляции рабочая жидкость разогревается на 5,8оС. Температура рабочей жидкости на выходе дросселя, имеющего перепад давления не менее 10,0MПа, запишется уравнением:
T = k,0C,
где коэффициент времени, эквивалентный времени прокачки всего объема жидкости через дроссель; k показатель однотактной характеристики.
Выделяемое тепло на выходе зависит от перепада давления. Величина перепада давления Pdp на дроссельном регуляторе определится:
Pdp=PdpPвых.
где Pdp — давление в напорной магистрали гидропривода; Pвых — давление на выходе из дросселя.
Исследованием дроссельного процесса разогрева рабочей жидкости отмечено наличие кавитации, сопровождающаяся шумом. Кавитация возникает в результате неустойчивой работы гидроагрегатов.
Поскольку в реальной жидкости всегда присутствуют мельчайшие пузырьки газа или пара, то, двигаясь с потоком и попадая в область давления р < ркр, они теряют устойчивость и приобретают способность к неограниченному росту. После перехода в зону повышенного давления и исчерпания кинетической энергии расширяющейся жидкости рост пузырька прекращается и он начинает сокращаться. Если пузырёк содержит достаточно много газа, то по достижении им минимального радиуса он восстанавливается и совершает нескольких циклов затухающих колебаний, а если газа мало, то пузырёк захлопывается полностью в первом периоде жизни. То есть, вблизи обтекаемого тела (например, в трубе с местным сужением) создаётся довольно четко ограниченная «кавитационная зона», заполненная движущимися пузырьками. Причиной кавитации насоса может быть увеличение вязкости (в пределах прокачиваемости жидкости) что создает большие потери при движении ее по каналам гидроаппаратов в гидросети, а также значительному разряжению во всасывающей гидролии.
Сокращение кавитационного пузырька происходит с большой скоростью и сопровождается звуковым импульсом тем более сильным, чем меньше газа содержит пузырёк. Если степень развития кавитация такова, что в случайные моменты времени возникает и захлопывается множество пузырьков, то явление сопровождается сильным шумом со сплошным спектром от нескольких сотен гц до сотен и тысяч кгц. Если кавитационная каверна замыкается вблизи от обтекаемого тела, то многократно повторяющиеся удары приводят к разрушению (к так называемой кавитационной эрозии) поверхности обтекаемого тела.
Если бы жидкость была идеально однородной, а поверхность твёрдого тела, с которым она граничит, идеально смачиваемой, то разрыв происходил бы при давлении, значительно более низком, чем давление насыщенного пара жидкости. Обычно же разрыв возникает при давлениях, лишь немного меньших давления насыщенного пара. Низкая прочность реальных жидкостей связана с наличием в них так называемых кавитационных зародышей: плохо смачиваемых участков твёрдого тела, твёрдых частиц с трещинами, заполненными газом, микроскопических газовых пузырьков, предохраняемых от растворения мономолекулярными органическими оболочками, ионных образований, возникающих под действием космических лучей.
Кавитация может существенно увеличивать гидродинамическое сопротивление, в результате чего снижается коэффициент полезного действия гидравлического оборудования. Кавитация может быть причиной снижения производительности насоса и даже срыва его работы.
Рабочая жидкость для гидроприводов должна иметь температуру застывания не выше –60 оС. Эта жидкость должна иметь пологий индекс вязкости и широкий температурный предел ее применения при условии прокачиваемости различными типами насосов. Кинематическая вязкость рабочей жидкости должна быть не ниже (1.6–1.8)*10 -5 м2/с для шестеренчатых насосов, (1.0–1.2)*10 -5 м2/с для пластинчатых насосов и (6–8)*10 -5 м2/с для аксиальных роторно-поршневых насосов.
Выводы
Для условий Сибири рекомендуется рабочая жидкость АМГ-10. При использовании рабочей жидкости ВМГЗ при низких температурах требуются специальные системы по обеспечению оптимального температурного режима гидропривода.
Литература:
- Емельянов Р. Т. Управление динамическими свойствами систем безопасности грузоподъемного оборудования. Новосибирск: НГУ2002, 149с.
- Турышева, Е. С. Автоматизированный стенд для настройки ограничителей грузоподъемности кранов. / Р. Т. Емельянов, А. П. Прокопьев, Е. С. Турышева. // Известия вузов. Строительство. 2001. − № 2–3. С.112–115.
- Терехова И. И. Оценка устойчивости работы приводов башенных кранов. / И. И. Терехова. Актуальные проблемы современного строительства. Пенза, 2005.с. 228–300.
- Емельянов, Р. Т. Признаки и показатели безопасности грузоподъемного оборудования / Р. Т. Емельянов // Вестн. КрасГАСА. — Красноярск, 2000. — № 3. — С. 71–76.
