Объемный гидропривод выгребной цепи путевой щебнеочистительной машины

 

Изобретение относится к устройствам для путевой техники, применяемой при ремонте и восстановлении верхнего строения железнодорожного пути. Объемный гидропривод содержит гидронасос, систему гидрораспределения, гидромотор с установленным на его выходном валу редуктором, связанным с рабочим органом, и маховично-аккумуляторную систему стабилизации режима нагружения. Гидропневмотический аккумулятор и маслоохладитель установлены на участке напорной линии гидромотора через гидрораспределитель, обеспечивающий в режиме остановленного рабочего органа запирание этого участка с сохранением в нем давления рабочей жидкости Р_а. Выражение рабочего объема V_o для гидропневмоаккумулятора характеризуется соотношением давления начальной зарядки газа гидропневмоаккумулятора или давления в гидросистеме при холостом вращении выгребной цепи, математического ожидания амплитуды колебаний давления, математического ожидания давления в гидросистеме, фиктивного удлинения горловины гидропневмоаккумулятора за счет присоединения массы жидкости с обеих сторон горловины, длины горловины, показателя политропы, плотности рабочей жидкости, частоты колебаний давления в гидросистеме. Момент инерции элементов привода для определения параметров маховика характеризуется соотношениями в дорезонансной зоне и в зарезонансной зоне частоты колебаний давления в гидросистеме, жесткости газа в гидропневмоаккумуляторе, математического ожидания амплитуды колебаний давления, рабочего объема гидронасоса, частоты вращения вала гидронасоса. Техническим результатом изобретения является экономия энергии и повышение эффективности объемного гидропривода путем повышения точности выбора параметров гндропневмоаккумулятора и маховика для обеспечения преодоления периодически изменяющегося момента сопротивления вращающегося рабочего органа при практически постоянном моменте, создаваемом гидромотором. 1 ил.

Изобретение относится к устройствам для путевой техники, применяемой при ремонте и восстановлении верхнего строения железнодорожного пути.

Известен привод рабочего органа землеройной машины, содержащий гидронасос, гидропневмоаккумулятор и гидромотор, связанный посредством редуктора с рабочим органом машины [1]. По описанию этого изобретения гидропневмоаккумулятор применен в гидросистеме управления для стабилизации давления и повышения надежности защиты при перегрузках. При этом используется их способность накапливать и отдавать жидкость при возрастании и снижении давления в системе.

Более близким к предлагаемому техническому решению является привод рабочего органа землеройной машины, включающий гидронасос и гидромотор, связанный через редуктор с рабочим органом путевой машины. На валу редуктора, соединенного с гидромотором, установлен маховик, а в напорной линии гидропривода гидропневматический аккумулятор и предохранительный клапан. Напорная и сливная линии гидросистемы соединены между собой через трехпозиционный гидрораспределитель. При этом параметры гидропневмоаккумулятора и маховика определяются из следующих соотношений:

где 1 - момент инерции маховика, кг·м²;

Р₀ - давление зарядки гидропневмоаккумулятора, Па;

V₀ - рабочий объем гидропневмоаккумулятора, м³;

М_ср - средний момент сопротивления вращению рабочего органа (среднее значение, приведенное к валу гидромотора), Н·м;

М_а - амплитуда момента сопротивления вращению рабочего органа (амплитудное значение, приведенное к валу гидромотора), Н·м;

v_m - рабочий объем гидромотора, м³/ рад;

ΔР - расчетная амплитуда колебаний давления в напорной линии гидромотора

i - передаточное отношение редуктора;

k - кратность изменения момента сопротивления вращающегося рабочего органа на один оборот;

ω_м - средняя скорость вращения вала гидромотора, рад/с [2].

Технический результат изобретения - экономия энергии и повышение эффективности объемного гидропривода выгребной цепи путевой щебнеочистительной машины путем повышения точности выбора параметров гидропневмоаккумулятора и маховика для обеспечения преодоления периодически изменяющегося момента сопротивления вращающегося рабочего органа при практически постоянном моменте, создаваемом гидромотором.

Это достигается тем, что в объемном гидроприводе выгребной цепи путевой щебнеочистительной машины, содержащем гидронасос, систему гидрораспределения, гидромотор с установленным на его выходном валу редуктором, связанным с рабочим органом, и маховично-аккумуляторную систему стабилизации режима нагружения, гидропневматический аккумулятор и маслоохладитель установлены на участке напорной линии гидромотора через гидрораспределитель, обеспечивающий в режиме остановленного рабочего органа запирание этого участка с сохранением в нем давления рабочей жидкости Р_а, при этом выражение объема V_o для гидропневмоаккумулятора характеризуется следующим соотношением:

где, V₀ - рабочий объем гидропневмоаккумулятора, м³;

Р₀ - давление начальной зарядки газа гидропневмоаккумулятора или давление в гидросистеме при холостом вращении выгребной цепи, Па;

P_a - математическое ожидание амплитуды колебаний давления относительно Р, Па;

Р - математическое ожидание давления в гидросистеме, Па;

1,7 r_r - фиктивное удлинение горловины гидропневмоаккумулятора за счет присоединенной массы жидкости с обеих сторон горловины, м;

l_r - длина горловины, м;

λ - показатель политропы, 1≤λ≤1,4;

ρ - плотность рабочей жидкости, кг/ м³;

f_p - частота колебаний давления в гидросистеме, рад/с;

π=3,14.

При этом момент инерции элементов привода для определения параметров маховика характеризуется:

в дорезонансной зоне

в зарезонансной зоне

где, J - момент инерции элементов привода, механически связанных с валом гидромотора, приведенный к валу гидронасоса, кг·м²;

f_p - частота колебаний давления в гидросистеме, рад/с;

С_а - жесткость газа в гидропневмоаккумуляторе;

P_a - математическое ожидание амплитуды колебаний давления относительно Р, Па;

V^Н ₀- рабочий объем гидронасоса, м³/ рад;

ω - частота вращения вала гидронасоса, рад/с;

π=3,14.

Величина момента инерции элементов привода в дорезонансной и зарезонансной зонах является постоянной.

Значение данной величины находится в пределах устойчивого движения привода и не должно выходить за пределы диапазона, ограниченного этими двумя соотношениями.

В отличие от ближайшего аналога объемный гидропривод выгребной цепи путевой щебнеочистительной машины с маховично-аккумуляторным устройством с расчетными параметрами, обеспечивает экономию энергии и повышение точности выбора параметров гидропневмоаккумулятора и маховика для преодоления периодически изменяющегося момента сопротивления вращающегося рабочего органа при практически постоянном моменте, создаваемом гидромотором.

На чертеже представлена схема объемного гидропривода выгребной цепи путевой щебнеочистительной машины.

Объемный гидропривод выгребной цепи путевой щебнеочистительной машины состоит из гидронасоса 1, связанного с гидромотором 2 через распределители 3 и 4, гидропневмоаккумулятора 5 и теплообменника 6. Для защиты гидронасоса 1 от перегрузок к его напорной линии подключен предохранительный клапан 7. Гидропневмоаккумулятор 5 и теплообменник 6 установлены на участке 8 напорной линии 9 гидромотора 2 через распределитель 3, обеспечивающий в режиме остановленного рабочего органа запирание участка 8 с сохранением в нем давления рабочей жидкости Р. Распределитель 4 осуществляет управление направлением вращения и остановом выходного вала 10 гидромотора 2, обеспечивая рабочее вращение или останов рабочего органа. Выходной вал 10 гидромотора 2 соединен с редуктором 11, связанным с рабочим органом 12 путевой щебнеочистительной машины. Между гидромотором 2 и редуктором 11 на валу 10 установлен маховик 13.

Привод работает следующим образом.

Гидронасос 1 создает давление Р в напорной линии 9 гидромотора 2, который через редуктор 11 вращает рабочий орган 12, преодолевая периодически изменяющийся момент его сопротивления.

При возникновении переходных процессов, вызываемых скачкообразным увеличением момента сопротивления на рабочем органе 12, происходит аналогичное возрастание момента сопротивления на валу 10 гидромотора, вызывая, за счет податливости гидропривода, соответствующее снижение скорости его вращения и, следовательно, частоты колебаний давления в гидросистеме f_p. В результате осуществляется зарядка гидропневмоаккумулятора 5 дополнительной потенциальной энергией гидравлической жидкости, в то время как маховик 13 реализует запасенную кинетическую энергию на преодоление возросшего, выше среднего уровня, сопротивления на валу 10 гидромотора 2. Это происходит без существенного увеличения статического момента привода и, следовательно, давления в гидросистеме. В дальнейшем потенциальная энергия гидравлической жидкости гидропневмоаккумулятора 5 расходуется на разгон маховика 13 до скорости, превышающей среднюю и определяемую расходом гидронасоса 1. При этом из-за снижения в этой фазе момента сопротивления происходит увеличение его кинетической энергии, соответствующее увеличению скорости вращения вала 10 гидромотора 2.

В результате давление Р гидравлической жидкости в напорной линии 9 гидромотора 2 не повторяет резкие изменения нагрузки на рабочем органе 12 машины, а плавно колеблется в принятом диапазоне амплитуды давления Р_а.

При остановленном рабочем органе 12 распределитель 3 обеспечивает запирание гидропневмоаккумулятора 5 и теплообменника 6 на участке 8 напорной линии 9 с сохранением в нем давления рабочей жидкости Р, а распределитель 4 соединяет напорную линию 9 гидромотора 2 со сливом.

Установка в напорную линию 9 гидромотора 2 гидропневмоаккумулятора 5, выбранного в соответствии с параметрами колебательной системы (соотношением нагрузки, колеблющимися массами, спектром рабочих частот и т.д.), позволяет изолировать источник колебания давления и расхода рабочей жидкости от источника энергии (системы насос-дизель). Наиболее эффективное гашение колебаний рабочей жидкости в напорной линии 9 достигается установкой гидропневмоаккумулятора 5, обладающего частотой свободных колебаний, совпадающей с основной рабочей частотой в гидросистеме.

Изменение давления в гидропневмоаккумуляторе 5 приводит к появлению упругой силы

где Т_c - упругая сила;

Р₀ - давление зарядки гидропневмоаккумулятора, Па;

V₀ - рабочий объем гидропневмоаккумулятора, м³;

λ - показатель политропы;

P_a - математическое ожидание амплитуды колебаний давления относительно Р, Па;

Fr - площадь сечения горловины, м;

Х_r - перемещение эквивалентной массы в горловине гидропневмоаккумулятора, м.

Показатель политропы определяется из выражения:

где С_р - теплоемкость газа при постоянном давлении;

C_v - теплоемкость газа при постоянном объеме.

Оптимальное значение политропы, находящаяся в пределах 1≤λ≤1,4, принимается из конкретных условий эксплуатации гидропневмоаккумулятора, при этом основным фактором выбора ее величины является время зарядки и разрядки, т.е. основная рабочая частота. При рабочем режиме гидросистемы привода вращения выгребной цепи импульсы сжатия и разжатия, воспринимаемые газовым объемом гидропневмоаккумулятора, выделяют тепло, которое не успевает распространиться в соседние объемы из-за малого промежутка их действия. Режим работы гидропневмоаккумулятора принимается адиабатическим с показателем политропы λ=1,4.

Таким образом, на основании полученного уравнения для определения рабочего объема V₀ можно подбирать параметры гидропневмоаккумулятора, обеспечивая эффективное гашение колебаний давления рабочей жидкости в гидросистеме привода вращения выгребной цепи щебнеочистительной машины.

Установка маховика и гидропневмоаккумулятора изменяет собственную частоту колебаний привода таким образом, чтобы она была существенно ниже частоты вынужденных колебаний, т.е. переводит привод в зарезонансный режим. в дорезонансной зоне

в зарезонансной зоне

где J - момент инерции элементов привода, механически связанных с валом гидромотора, приведенный к валу гидронасоса, кг·м²;

f_p - частота колебаний давления в гидросистеме, рад/с;

С_а - жесткость газа в гидропневмоаккумуляторе;

P_a - математическое ожидание амплитуды колебаний давления относительно Р, Па;

V^Н₀ - рабочий объем гидронасоса, м³/рад;

ω - частота вращения вала гидронасоса, рад/с;

P - математическое ожидание давления в гидросистеме, Па;

Р₀ - давление зарядки гидропневмоаккумулятора, Па.

Анализ полученных выражений показывает, что момент инерции J будет минимальным в случае, если вынужденные колебания прикладываются к гидроприводу, давление рабочей жидкости в котором в начальный момент времени соответствует среднему значению, т.е. Р=Ро.

При расчетных параметрах маховика и гидропневмоаккумулятора устанавливается режим, при котором преодоление периодически изменяющегося момента сопротивления движению осуществляется при практически постоянном моменте, создаваемом гидромотором и, следовательно, давление в гидросистеме колеблется незначительно по сравнению с колебаниями момента сопротивления.

Таким образом, выражения рабочего объема V₀ для гидропневмоаккумулятора и момента инерции элементов привода J для определения параметров маховика могут быть использованы для сужения области поиска оптимальных параметров маховично-аккумуляторной системой стабилизации режима нагружения.

Источники информации

1. Привод рабочего органа землеройной машины. Авторское свидетельство СССР №1835455, кл. Е 21 В 3/02, 1983.

2. Привод рабочего органа землеройной машины. Патент РФ №2112842, кл. E 02 F 9/22, 1998.

Формула изобретения

Объемный гидропривод выгребной цепи путевой щебнеочистительной машины, содержащий гидронасос, систему гидрораспределения, гидромотор с установленным на его выходном валу редуктором, связанным с рабочим органом, и маховично-аккумуляторную систему стабилизации режима нагружения, отличающийся тем, что гидропневмотический аккумулятор и маслоохладитель установлены на участке напорной линии гидромотора через гидрораспределитель, обеспечивающий в режиме остановленного рабочего органа запирание этого участка с сохранением в нем давления рабочей жидкости Р_а, при этом выражение рабочего объема V₀ для гидропневмоаккумулятора характеризуется следующим соотношением:

где V₀ - рабочий объем гидропневмоаккумулятора, м³;

Р₀ - давление начальной зарядки газа гидропневмоаккумулятора или давление в гидросистеме при холостом вращении выгребной цепи, Па;

Р_a - математическое ожидание амплитуды колебаний давления относительно Р, Па;

Р - математическое ожидание давления в гидросистеме, Па;

1,7 r_r - фиктивное удлинение горловины гидропневмоаккумулятора за счет присоединения массы жидкости с обеих сторон горловины, м;

l_r - длина горловины, м;

λ - показатель политропы, 1≤λ≤1,4;

ρ - плотность рабочей жидкости, кг/м³;

f_p - частота колебаний давления в гидросистеме, рад/с;

π=3,14,

при этом момент инерции элементов привода для определения параметров маховика характеризуется:

в дорезонансной зоне

в зарезонансной зоне

где J - момент инерции элементов привода, механически связанных с валом гидромотора, приведенный к валу гидронасоса, кг·м²;

f_p - частота колебаний давления в гидросистеме, рад/с;

С_а - жесткость газа в гидропневмоаккумуляторе;

P_a - математическое ожидание амплитуды колебаний давления относительно Р, Па;

V^Н₀ - рабочий объем гидронасоса, м³/рад;

ω - частота вращения вала гидронасоса, рад/с;

π=3,14.

РИСУНКИ

Рисунок 1