Архитектура гидроприводов промышленного, сельскохозяйственного и мобильного оборудования с повышенными энергоэффективностью и функциональностью
В соответствии с определением архитектура — это искусство проектировать и строить объекты, организующие пространственную среду жизнедеятельности человека.
Таким образом, применительно к инженерной деятельности архитектуру системы понимают как принципиальную организацию системы, воплощенную в ее элементах, их взаимоотношениях друг с другом и со средой, а также принципы, направляющие ее проектирование и эволюцию.
Термин «архитектура» применительно к гидроприводу используется в работе В.К. Свешникова, где говорится о создании гидроприводов новой архитектуры.
Современное развитие таких основных отраслей народного хозяйства, как промышленность, сельское хозяйство и транспорт, в первую очередь определяет совершенствование компонентной базы в направлении оптимизации параметров, удобства эксплуатации, встраивание в умные системы.
Благодаря таким технологиям (например, в сельском хозяйстве) намечается переход к роботизированному транспорту, и распространяется такое направление как «точное земледелие». Всё это становится возможным только на базе высокоинтеллектуальных электронных систем управления.
Такие новые решения в области гидравлики обеспечивают прогресс и в привычных направлениях техники, и расширяют сферу применения в различных отраслях.
Сельскохозяйственная машина (впрочем, как и любая другая) может быть представлена последовательной совокупностью таких трех составляющих элементов, как приводной двигатель, исполнительный механизм и привод. Поэтому эффективность работы всей машины может быть обеспечена только при условии, что каждый из этих элементов работает максимально эффективно.
В сельскохозяйственном и промышленном оборудовании, а также в мобильных машинах, как правило, используются две основные приводные технологии — электрическая (если быть более точным — электромеханическая) и гидравлическая. Каждая из этих технологий имеет свои достоинства и недостатки.
Основным элементом систем управления и в электронике, и в электроприводе является контакт (вентиль), или логический элемент, который в определенный момент при выполнении каких-либо условий либо под воздействием внешнего управляющего сигнала (электрического, механического, пневматического и т. п.) соединяет или разъединяет отдельные участки цепи.
Благодаря развитию и совершенствованию этих элементов происходят развитие и совершенствование электропривода и электроники в целом. В процессе развития массивные и габаритные контакты в контактно-релейном приводе сменил тиристорный привод на основе компактных тиристоров.
Вместе с тем, несмотря на то что между электрическим и гидравлическим приводами имеются существенные различия, они имеют много общего. Например, некоторые понятия и работу электропривода часто поясняют с помощью аналогии с гидроприводом, а гидропривода — с помощью аналогии с электрическими приводами. Такой метод «электрогидравлической аналогии» предложил Д. Максвелл. Сущность данного метода в том, что электрическое напряжение эквивалентно гидравлическому напору, а электрический ток эквивалентен объемному расходу. Поэтому любую гидравлическую схему в соответствии с методом «электрогидравлической аналогии» можно представить в виде электрической цепи, где гидравлические компоненты заменяются на электрические эквиваленты.
Однако, несмотря на аналогичность работы элементов, эффективность электропривода и гидропривода весьма существенно отличается.
Все основные достоинства гидроприводов сводятся на нет в результате использования сложных, габаритных, массивных и недостаточно надежных элементов систем управления. Именно этим и объясняется тот факт, что в роботизированных транспортно-технологических машинах и механизмах средних (и особенно малых) мощностей, где не требуются большое давление и расходы, объемный гидропривод полностью сдает свои позиции электроприводу. Разработчики антропоморфных робототехнических комплексов полностью отказались от гидропривода и перешли на электропривод. Применение объемного гидропривода в настоящее время ограничивается применением в машинах и оборудовании большой мощности.
Более того, если рассматривать с точки зрения энергоэффективности, то общий (полный) КПД гидросистемы обычно находится в пределах 0,65–0,75, в то время как у электропривода величина КПД 80–90%. Для специальных машин современные технологии позволяют увеличивать это значение до 96%.
Результаты исследований показали, что при работе гидрофицированных машин наибольшие потери возникают в гидрораспределителях, в процессе дроссельного регулирования скоростей рабочего движения (20%) и в первичных предохранительных клапанах (17,2%). Значительно меньше потери в сливных гидролиниях (7,5%), в исполнительных механизмах и вторичных предохранительных клапанах (4,3%).
Анализ ранее проведенных исследований показывает, что модернизация конструкции гидронасосов, гидроцилиндров, гидромоторов и гидролиний не дает ощутимого положительного результата по снижению энергетических потерь, хотя и приводит к некоторым полезным усовершенствованиям.
Очевидно, что проблемы повышения КПД гидропривода в настоящее время достаточно актуальны, особенно необходимо отметить повышение эффективности работы гидрораспределителей, поскольку они являются самым слабым звеном во всей цепочке гидропривода.
Некоторые авторы отмечают, что разработка распределительных клапанов отличается сложностью и занимает много времени. Ввиду высоких нелинейностей невозможно спроектировать клапан, исключающий влияние перепада давления рабочей среды на расход.
Считают, что процесс проектирования клапанов осуществляется методом проб и ошибок на прототипах с учетом концепции дизайна и их экспериментальной проверки для выявления оптимальных характеристик для требуемого клапана. Всё это требует больших затрат — и финансовых, и временных.
Кроме того, практика показывает, что увеличение надежности отдельных элементов отстает от роста сложности всей системы. Поэтому большое разнообразие элементов снижает надежность системы и усложняет схемы управления.
Цели исследований — установление причин высокой энергозатратности существующих гидрораспределителей и обоснование возможности создания энергоэффективной архитектуры гидроприводов на основе простейших вентилей 2/2.
Материалы и методы исследования
В Уральском государственном аграрном университете (в лаборатории гидравлики кафедры технологии металлов и ремонта машин) совместно с Казахским национальным исследовательским техническим университетом им. К.И. Сатпаева (в лаборатории гидропривода кафедры технологических машин и оборудования) ведутся работы по созданию гидравлических вентилей для коммутации гидравлических линий.
Для анализа архитектуры гидроприводов и поиска путей ее совершенствования авторами был разработан электрогидравлический аналог, а для определения путей совершенствования компонентной базы в направлении оптимизации параметров — метод расчетного моделирования на основе геометрии, созданной в системе трехмерного моделирования «Компас-3D» (ООО «АСКОН-Системы проектирования»), а также визуализация и анализ течения жидкости в проточных каналах устройства посредством программы KompasFlow, которая представляет собой версию программного комплекса FlowVision, интегрированного в «Компас-3D» как приложение для численного и визуального подтверждения аналитических зависимостей.
Для повышения надежности работы гидравлической распределительной аппаратуры в соответствии с электрогидравлической аналогией необходима конструктивная разработка простых, малогабаритных и надежных вентилей (контактов). В качестве такого вентиля может стать двухлинейный, двухпозиционный распределитель. На базе таких распределителей можно составлять компактные коммутации большого числа гидравлических линий.
В качестве примера в работе рассмотрена замена типовой схемы управления гидроцилиндром при помощи 4/3 золотникового гидрораспределителя (рис. 1а) на схему управления с помощью двухлинейных вентилей (распределителей) (рис. 1б).
Представленная схема (рис. 1б) значительно проще и надежнее схемы, показанной на рисунке 1а. Вместо достаточно сложного гидрораспределителя (рис. 1а) в ней использованы простейшие элементы — вентили (рис. 1б).
Возможна различная компоновка таких вентилей. Их можно сгруппировать вместе, тогда они будут работать как один распределитель 4/3 с управлением от одного силового элемента управления (электромагнита). Вентили можно располагать раздельно в различных (более удобных) местах схемы (например, непосредственно у гидроцилиндра).
Компания Mannesman Rexroth (Bosch Rexroth, Германия) в качестве альтернативы существующим элементам управления гидроприводами рассматривает двухлинейный встроенный клапан (обозначения такого клапана по DIN 24 342 и по DIN ISO 1219 показаны на рис. 2а, 2б).
При соответствующем исполнении схемы управления и соединения такой клапан может взять на себя функции как соединения, так и изменения направления, расхода и давления рабочей жидкости.
Однако, как отмечают в компании, при большой мощности потока для управления такими клапанами потребуются значительные усилия. Поэтому управление представленными клапанами фирмы Mannesman Rexroth реализовано гидравлически с помощью пилотных клапанов.
Типовая схема управления гидроцилиндром (рис. 3), реализуемая с помощью четырехлинейного, трехпозиционного распределителя в соответствии с предложением фирмы Mannesman Rexroth, может быть организована с использованием двухлинейных встроенных клапанов. Схема использования таких клапанов представлена на рисунке 4 (пунктиром показаны линии управления).
В данном случае (как и на рис. 2) схему управления гидроцилиндром с помощью распределителя 4/3 (рис. 3) Mannesman Rexroth заменяют четырьмя распределителями 2/2 (рис. 4).
В.К. Свешникова рассматривает золотниковые гидрораспределители с точки зрения энергоэффективности. При движении рабочего органа (золотника распределителя) неизбежен перепад давлений Δрвх на входной кромке, который определяет расход и скорость движения рабочей жидкости через эту кромку. Максимум отдаваемой мощности в гидрораспределителе достигается при потере 1/3 подводимого давления на дросселирующих рабочих кромках золотника. Установлено, что зависимость суммарных потерь давления
на дросселирующих кромках имеет вид, показанный на рисунке 5.
Идея раздельного открытия (закрытия) и регулирования потока была высказана Giacomo Kolks и Jürgen Weber (Технический университет Дрездена). Авторы предлагают замену классического четырехлинейного распределителя четырьмя двухлинейными аппаратами (рис. 6), что, несмотря на усложнение конструкции, обеспечит, по их мнению, экономию до 63% энергии и одновременно гибкую индивидуализацию под конкретную задачу потребителя. Такое решение получило название IM-технологии (IM — individual metering).
В работе исследован гидропривод машины для испытаний на усталостную прочность консольно закрепленной балки (рис. 7), которая содержит гидроцилиндр с управлением от пяти двухлинейных гидрораспределителей — 1–5.
Пары аппаратов 1–2 и 4–5 соединяют камеры цилиндра с напорной Р или сливной Т линией, а аппарат 3 реализует дифференциальное включение. В процессе движения в точках a, с, f и g цикла потоки регулируются аппаратами 1 и 3, в точке b — аппаратами 1 и 4, в точках d и е — аппаратами 2 и 3.
Анализ энергопотребления в цикле показал, что при использовании IM-технологии оно снижается на 60% или на 68% с применением дифференциального включения.
Конечно же, глядя на эти примеры, в глаза сразу бросается объем. Действительно, нецелесообразно менять один 4/3 распределитель на четыре, пять — 2/2 распределителя (рис. 1, 6, 7), а при большой мощности требуются еще четыре распределителя для управления первыми распределителями (рис. 4).
Но в этих примерах идет речь не о техническом или экономическом преимуществе, а о понимании места двухлинейных клапанов в общем контуре и об их функциональном назначении, поэтому рассматривалась простая замена существующих 4/3 распределителей на существующие распределители 2/2.
Развитие техники ставит перед гидравликами новые масштабные задачи. Для перехода на IM-технологии разработчикам систем управления гидроприводами необходимо переходить на более простые, надежные и энергоэффективные двухпозиционные гидрораспределители. Просто переход на существующие двухпозиционные распределители проблему не решит, поскольку они не отвечают заявленным требованиям ни по габаритам, ни по массе, ни по энергоэффективности.
Для реализации технических и экономических преимуществ предлагаемого перехода требуется создание новой конструкции распределителя 2/2, работающего на других принципах, отличных от существующих и обеспечивающих небольшие габаритные размеры, массу и высокую энергоэффективность, независимо от передаваемой мощности.
Постоянно развивающиеся программные продукты моделирования в настоящее время позволяют визуализировать процессы движения жидкости в любом элементе гидропривода, в том числе и в гидрораспределителях. С помощью таких программ конструктор может визуально определять конкретные зоны в гидрораспределителе, где происходят какие-либо явления, которые оказывают влияние на те или иные параметры (например, приводят к потере энергии), и принимать конструктивные решения для их устранения или снижения величины этих явлений.
Расчет ведется на основе уравнения движения Навье-Стокса (аппроксимация расчетного пространства конечными объемами — расчетными ячейками. Весь расчетный объем разбивается на параллелепипеды и многогранные ячейки у граничных условий. Затем производится вычисление потоков физических величин, входящих и исходящих через каждую грань ячейки).
В векторном виде это уравнение записывается следующим образом:
где: — оператор набла; — векторный оператор Лапласа; t — время; v — коэффициент кинематической вязкости; ρ — плотность; р — давление; = (v1 … vn) — векторное поле скорости; — векторное поле массовых сил.
Неизвестные р и являются функциями времени t и координаты x Є Ω трехмерная область, в которой движется жидкость.
Для несжимаемой жидкости уравнение Навье-Стокса дополняется уравнением несжимаемости:
В качестве примера представлено использование программы KompasFlow применительно к гидрораспределителю 2/2, принцип работы которого представлен на рисунке 3.
При положении рычага управления (рис. 3) напорная линия соединена с рабочей линией. При перемещении рычага управления вправо золотник перемещается и разъединяет каналы.
Общий вид визуализационного слоя давления потока, проходящего через гидрораспределитель, в плоскости симметрии с раскраской имеет вид, показанный на рисунке 9. Расчет проведен для массового расхода 1,42 кг/с (100 л/мин) и давления 1 МПа на выходе гидрораспределителя с диаметром условного прохода (ДУ) 10 мм.
На иллюстрации видны места сужения, расширения и поворотов потока, наличие застойных зон, а также характер изменения давления в потоке от максимального (красный) к минимальному (синий). Преодоление этих участков приводит к потерям энергии и снижению КПД.
Конструкция гидрораспределителя, имеющего минимальные потери энергии (давления), должна исключать крутые повороты потока, застойные зоны и иметь минимальное количество участков сужения и расширения потока. Конструкция существующих золотниковых распределителей этого обеспечить не в состоянии.
Очевидно, что конструкция гидрораспределителя, исключающая вышеприведенные недостатки, должна иметь новый принцип работы, отличающийся от существующего.
Результаты и обсуждение
В качестве одного из вариантов гидравлических вентилей для коммутации гидравлических линий по методу электрогидравлической аналогии рассматривается конструкция вентиля, разрабатываемая авторами (рис. 10).
Подвижный золотник в исходном положении пружиной прижат к запорному элементу и разъединяет входной и выходной каналы. Под действием механизма управления золотник отводится от запорного элемента, смещаясь в осевом направлении, сжимает пружину и соединяет входной и выходной каналы между собой.
Поскольку пустотелый золотник находится в гидравлически уравновешенном состоянии (независимо от мощности потока), усилие управления золотником невелико, поэтому механизм управления может быть ручным, электромагнитным, электромеханическим и т. п.
Запорный элемент имеет обтекаемую форму с минимальным коэффициентом лобового сопротивления движению потока. Отсутствие поворотов и наличие одной кромки с перепадом давления обеспечивают такому распределителю минимальные потери энергии и высокий КПД.
Общий вид визуализационного слоя давления, проходящего через вентиль, потока в плоскости симметрии с раскраской представлен на рисунке 11.
Расчет в программе KompasFlow был проведен с такими же данными, что и у предыдущего золотникового гидрораспределителя (рис. 8).
Необходимо отметить тот факт, что в варианте конструкции вентиля рассматривается запорный элемент, выполненный в форме сферы. Но форма сферы не является идеальной, существуют формы, имеющие меньший, чем у сферы, коэффициент сопротивления.
Изменяя расход, в программе KompasFlow для распределителей 8 и 10 были найдены потери давления и построены графические зависимости потерь давления в зависимости от расхода (рис. 12а, 12б).
Полученная расчетным путем графическая зависимость золотникового распределителя (рис. 12а) практически совпадает с экспериментальными зависимостями, представленными в каталоге компании Ponar Wadowice для золотниковых распределителей типа WE10.
Графическая зависимость (рис. 12б) распределителя предлагаемой конструкции выгодно отличается от предшествующей. При равных условиях (расходе, давлении и проходном сечении) потери давления на данном вентиле ниже, чем в рассмотренном выше золотниковом распределителе, более чем в два раза.
Необходимо отметить, что в настоящих условиях невозможно обеспечить высокую надежность и энергоэффективность систем гидропривода при использовании существующих элементов управления, характеризующихся большими массогабаритными параметрами, сложностью, малой надежностью и, главное, низкой энергоэффективностью.
Модернизация гидравлических насосов, цилиндров, моторов и линий не в состоянии дать существенного положительного результата для снижения энергетических потерь. Такая модернизация может привести только к некоторым полезным усовершенствованиям, поскольку наибольшие потери возникают именно в элементах управления — распределителях и первичных предохранительных клапанах.
Выводы
Для повышения энергоэффективности архитектуру гидропривода целесообразно создавать на основе простейших вентилей 2/2, обеспечивающих минимальные потери энергии при прохождении потока. Используемые в настоящее время вентили для таких целей не годятся, поскольку они обладают большим сопротивлением.
Для этих целей необходима разработка новых конструкций вентилей, которые обеспечат потоку жидкости, проходящему через вентиль, более благоприятные условия движения с плавным обтеканием поворотных участков, исключением участков возникновения застойных зон и минимальным количеством зон расширения и сужения потока.
Аналитические расчеты, выполненные в программе KompasFlow, разрабатываемой авторами конструкции вентиля, подтверждают возможность создания конструкции вентиля, который обеспечит значительное (более чем в два раза) снижение потерь давления (в сравнении с существующими золотниковыми, двухпозиционными, двухлинейными распределителями).
Об авторах
Дамир Едыгеулы Крамсаков1; докторант PhD кафедры технологических машин и транспорта
kramsakov.d@gmail.com; https://orcid.org/0000-0002-4504-3392
Владислав Владимирович Сургаев2; аспирант кафедры технологии металлов и ремонта машин
vladsurgaev@mail.ru; https://orcid.org/0000-0001-6861-295X
Анатолий Дмитриевич Кольга2; доктор технических наук, профессор кафедры технологии металлов и ремонта машин
kad-55@yandex.ru; https://orcid.org/0000-0002-3194-2274
Иван Никитович Столповских1; доктор технических наук, профессор кафедры технологических машин и транспорта
stolpovskih_i@mail.ru; https://orcid.org/0000-0003-2893-5070
Виктор Алексеевич Александров2; кандидат технических наук, доцент кафедры технологии металлов и ремонта машин
alexandrov_vikt@mail.ru; https://orcid.org/0000-0001-6637-7917
1Университет Сатпаева, ул. им. Сатпаева, 22А, Алматы, 050013, Казахстан
2Уральский государственный аграрный университет, ул. им. Карла Либкнехта, 42, Екатеринбург, 620075, Россия
УДК 62-82: 669.013.5
DOI: 10.32634/0869-8155-2025-391-02-150-158
