Автор работы: Пользователь скрыл имя, 16 Января 2015 в 18:05, статья
В статье описывается энергосберегающая технология экспериментального определения гидромеханического КПД аксиально-плунжерных гидромоторов. Приведены гидравлические схемы экспериментальной установки и примеры определения КПД.
УДК 621.22
Ресурсосберегающая технология определения гидромеханического кпд аксиально-плунжерных гидромоторов
И. М. Макаркин, науч.сотр.
ГНУ ГОСНИТИ E-mail: gosniti14@mail.ru т/ф. (499)174-82-11
Аннотация
В статье описывается энергосберегающая технология экспериментального определения гидромеханического КПД аксиально-плунжерных гидромоторов. Приведены гидравлические схемы экспериментальной установки и примеры определения КПД.
Ключевые слова: гидромотор, аксиально-плунжерные гидромашины, испытание и определение КПД.
Широкое использование гидроприводов, особенности их работы, эксплуатации и ремонта требуют совершенствования существующих и создания более эффективных стендов для производственных и послеремонтных испытаний гидромоторов, насосов и аппаратов.
Машиностроительные предприятия, имеющие большую программу производства (несколько тысяч единиц в год и более), могут покупать или создавать дорогие и сложные испытательные установки. Предприятия же с малой программой ремонта, испытывают гидромоторы, как правило, в режиме насоса. ГОСТом 20719-83 это допускается, однако, такие испытания не позволяют с необходимой достоверностью определять параметры функционирования в режиме гидромотора и оценивать качество ремонта.
В идеальном гидромоторе, вся подведенная к нему гидравлическая мощность, превращалась бы без потерь в механическую.
, (1)
где Р и Q-давление и расход в нагнетательной магистрали соответственно, n-частота вращения вала гидромотора ,М-момент на валу гидромотора.
, (2)
где q – рабочий объем гидромотора.
В реальном гидромоторе, часть давления идет на преодоление приведенного к валу мотора момента сопротивления, а частота вращения снижается из-за утечек рабочей жидкости.
Мощность реального гидромотора можно представить формулой
, (3)
Где ΔP - потери давления на преодоление приведенного суммарного момента трения ; – теоретический расчетный момент; qут–величина утечек.
Суммарный момент трения складывается, главным образом, из момента вязкого трения, моментом сухого трения и момента на прокручивания вала и в общем случае является функцией режимов работы и физико-химических свойств рабочей жидкости. Подробное описание видов потерь и их математическое моделирование рассмотрено в работах [1– 6]
, (4)
где
-полезный момент нагрузки на валу гидромотора;
-температура, динамическая вязкость
и плотность рабочей жидкости соответственно.
Это приводит к тому, что даже при ненагруженном вале гидромотора при пропускании через его потока жидкости на его входе и выходе возникает перепад давления, который уравновешивает суммарный момент трения при установившимся скоростном режиме. При этом по перепаду давления легко вычислить момент потерь для данного (холостого) режима работы используя формулу
, (5)
Причем точность определения момента по формуле (5) зависит лишь от точности измеренного значения перепада давления и точности, с которой известен рабочий объем. Поэтому в экспериментах и на практике для значительного снижения сложности и стоимости испытательных стендов можно измерять именно перепад давления, что значительно проще реализуется.
Иногда механическим КПД учитывают только потери на контактное трение, а потери момента, вызванные уменьшением давления из-за гидравлических потерь по длине и в местных сопротивлениях объемной гидромашины, учитывают гидравлическим КПД [2,3]. Однако, такое разделение потерь, имеет смысл только для чисто теоретических исследований, так как практически измерять отдельно механические потери, вызванные контактным трением и трением частиц жидкости, крайне затруднительно. Поэтому в дальнейшем гидравлический и механический КПД объединим в один и будем называть просто механическим КПД
В связи со сказанным выше потери давления представим суммой трех составляющих, которые можно легко определить экспериментально
, (6)
где - потери на вязкостное трение пропорциональные частоте вращения ротора;
- потери зависящие от величины рабочего давления (нагрузке на валу);
-потери давления на прокрутку
ненагруженного вала с
Полный КПД гидромашины с учетом вышеприведенных формул
, (7)
Механический КПД
, (8)
Объемный КПД
, (9)
Таким образом для определения механического КПД гидромотора для заданного режима работы (давления Р и скорости n) необходимо отдельно определить перепады давления входящие в формулу (6)
1. Определение механических потерь пропорциональных скорости вращения вала.
Для экспериментального изучения этого вида потерь, разработана гидросхема, приведенная на рисунке 1.
На плиту стенда устанавливается насос 2, а испытуемая гидромотор на плиту приставки. На входной магистрали испытуемой гидромотора смонтирован манометр 10 ( 0-25) кгс/см2 по которому измеряется перепад давления (давление в сливной магистрали принимается равным атмосферному). Скорость испытуемого гидромотора регулируется дросселем 7 который изменяет величину потока рабочей жидкости проходящий через него. Величина потока контролируется расходомером 9. Скорость вращения вала испытуемого гидромотора измеряется датчиком 14 и отображается на дисплее счетчика импульсов 12. Максимальная скорость вращения ротора испытуемой машины во столько раз больше частоты вращения приводного двигателя 3 во сколько раз рабочий объем насоса 2 больше рабочего объема гидромотора 13.
Для определения потерь давления пропорциональных скорости вращения вала необходимая скорость устанавливается дросселем 7, частоту вращения контролируется по показаниям счетчика импульсов СИ 8 и определяется давление во входной магистрали Р1 по манометру 10, которое равно
Откуда
В таблице 1 представлены результаты эксперимента для гидромоторов 310.2.28 и 310.56.00 в которой также вычислено, для примера, мощность затрачиваемая на холостой ход а также процент мощности холостого хода от индикаторной мощности для мотора 310.2.28 и режима Р=20Мпа, n=1000 об/мин.
Рисунок 1 – Схема установки для определения гидромеханических потерь пропорциональных скорости |
По результатам экспериментов построены графики мощности холостого хода (рисунок 2), в зависимости от частоты вращения вала диагностируемой гидромашины. На данном графике также представлено изменение величины 1-Nxx/Nном которая представляет собой механический КПД мотора учитывающий потери на прокрутку вала и потери пропорциональные скорости. Эта величина несколько выше истинного значения механического КПД, так как не учитывает рост сил всех видов трения (кроме быть может, вязкого) при увеличении нагрузки (давления).
Таблица 1. Результаты измерений для гидромоторов 310.2.28 и 310.56.00
Замеренные параметры |
Вычисленные параметы | ||||||||||||
расход гидромотора (л/мин) |
перепад давления (кгс/см^2) |
частота вращения об/мин |
Гидравлическая мощность в магистрали(кВт) |
теоретическая мощность при Р=20 МПа n=1000 об/мин |
потери мощности в (%) от теоретической | ||||||||
310.2.28 |
310.56.00 |
.2.28 |
56.00 |
.2.28 |
.56.00 |
.2.28. |
2.28. | ||||||
10 |
2,4 |
1,2 |
400 |
200 |
0,04 |
0,02 |
3,33 |
1,2 | |||||
20 |
4,9 |
3 |
800 |
400 |
0,163 |
0,1 |
6,67 |
2,45 | |||||
30 |
7,5 |
5 |
1200 |
600 |
0,375 |
0,25 |
10 |
3,75 | |||||
40 |
11,2 |
7,3 |
1600 |
800 |
0,747 |
0,487 |
13,33 |
5,6 | |||||
50 |
15 |
10 |
2000 |
1000 |
1,25 |
0,833 |
16,66 |
7,5 | |||||
60 |
19,5 |
13,2 |
2400 |
1200 |
1,95 |
1,32 |
20 |
9,75 | |||||
70 |
24 |
17,5 |
2800 |
1400 |
2,917 |
2,042 |
23,33 |
12,5 | |||||
Рисунок 2 –Мощность, затрачиваемая на холостой ход. Масло МГ-46В, Т=45ºС |
2. Oпределение потерь давления пропорциональных нагрузке
Для определения потерь давления пропорциональных нагрузке в сливную магистраль испытуемого гидромотора включается дроссель перед которым устанавливается датчик давления (рисунок 3). Нагрузка на валу гидромотора создается дросселированием сливной магистрали. При этом тормозной момент действующий на вал гидромотора определяется выражением
где –давление в сливной магистрали.
Суть эксперимента заключается в следующем: при закрытом дросселе 16 производится прогрев рабочей жидкости до температуры 45+2°С и настройка предохранительного клапана 8 на номинальное для испытываемой гидромашины давление (или другое давление при котором хотим определить КПД). При этом вал испытуемой машины 14 не вращается. Давление контролируется датчиком по показаниям регистратора 11. Далее дроссель 16 на выходе испытуемой гидромашины приоткрывают, пока ее вал не начнет вращаться.
Рисунок 3. Схема установки для определения механических потерь пропорциональных давлению. |
Рукояткой дросселя 16 устанавливается минимальная устойчивая частота вращения, после чего регистрируется разность давлений в магистралях гидромашины 16.
Необходимо отметить, что по условиям эксперимента мы устанавливаем минимальную частоту вращения вала испытываемого гидромотора (обычно не превышающую 80..110 об/мин). Это означает, что замеренный перепад давления пропорциональный нагрузке определяемый в этом эксперименте содержит в себе и потери давления , затрачиваемые на прокрутку свободного вала после страгивания, который определяется из эксперимента, описанного в пункте 1 (рисунок 1)
, (13)
Откуда
, (14)
3. Расчет механического КПД
Подставим в формулу 8 выражения 13 и 14 получим
, (15)
Таким образом, чтобы определить механический КПД гидромотора при давлении Р на входе и частоте вращения n достаточно определить значения Р1 для заданной скорости, для заданного давления и -при минимальной частоте и ненагруженном вале.
На рисунке 4 показано сравнение экспериментальных данных механического КПД с паспортными для нового гидромотора 310.56.00 для различных частот вращения и давления 20МПа. По результатам замеров построен график зависимости механического КПД от частоты вращения. На график также были нанесены паспортные значения механического КПД для данного гидромотора. Из графиков видно, что в диапазоне частот вращения 1000-2400 об/мин погрешность не превосходит 2,5%.
Важно отметить, что для раздельного определения составляющих потерь мощности нет необходимости загружать гидромотор на номинальную мощность. Так для определения потерь момента (давления) пропорциональных скорости гидромотор со свободным валом разгоняется потоком жидкости от внешнего источника, а перепад давления при этом обычно не превышает 20% номинального.
Рисунок 4. Экспериментальное определение механического КПД гидромотора 310.56.00. Р=20Мпа, Т=45ºС, масло МГ-46В. |
Рисунок 5. Общий вид экспериментальной установки |
При определении потерь момента пропорциональных нагрузке гидромотор приводится от насоса, подача которого устанавливается такой, чтобы только обеспечить минимальную устойчивую частоту вала гидромотора и, следовательно, значительно снижается мощность потребляемая насосом. Данная технология позволяет определять механический КПД гидромотора на установке приведенная мощность которой не превышает и 40% от номинальной мощности контролируемого гидромотора. Кроме того, отпадает необходимость применять дорогие и сложные устройства создания и контроля нагрузки на валу гидромотора (стоимость которых может доходить до 30% стоимости испытательного стенда). Также снижается масса стенда и количество необходимых для работы установки дополнительных приспособлений (установочных плит, переходных муфт и т.п.). При включении в дренажную магистраль гидромотора расходомера можно проводить оценку объемного КПД используя подходы, кратко описанные в работах [7,8]. Общий вид экспериментальной установки на которой отрабатывалась технология показан на рисунке 5.
Список используемой литературы