На северных территориях России эксплуатируется большой парк строительно-дорожных машин (СДМ), основная часть которых гидрофицирована. Когда температура внешней среды отпускается ниже минус 300С, гидросистема работает в тяжёлых условиях (изменяются посадки в сопрягаемых деталях, повышается вязкость рабочей жидкости), вследствие чего происходит большое количество отказов [1, 3, 4].
В ранее проведенных исследованиях указывается, что эксплуатационные испытания рабочей жидкости ВМГЗ, проведенные на экскаваторах, кранах и других машинах в Норильске при температуре воздуха до минус 53 ºС, подтвердили высокие эксплуатационные свойства [1]. Запуск машин осуществлялся без предварительного подогрева масла в гидросистеме. Однако изменение режима работы гидропривода оказывает значительное влияние на безотказность его работы. Например, при увеличении рабочего давления от 10,0 МПа до 17,5 МПа безотказность снижалась примерно в 5 раз, а уменьшение рабочего давления до 7,0 МПа приводило к уменьшению числа отказов в 3,5÷4 раза. Около 70 % отказов приходится на гидропривод вследствие износа «холодных» уплотнительных элементов гидродвигателей и образования конденсата в рабочей жидкости. Поэтому для обеспечения теплового состояния гидросистемы необходимо использовать средства предпусковой тепловой подготовки [3, 4]. Конев,
Разогрев рабочей жидкости осуществляется как от внешних источников тепла, так и прямым дросселированием [3]. Дросселирование заключается в перекачивании рабочей жидкости из гидробака по напорному трубопроводу через насос, дроссель или другое гидравлическое сопротивление обратно в гидробак. При этом способе разогрева тепло от трения подвижных частей вышеуказанных элементов гидропривода передается рабочей жидкости. Однако при таком способе разогрева рабочей жидкости происходит повышенный износ подвижных частей насоса, дросселя, а также трубопроводов. Кроме того, разогретая рабочая жидкость из гидробака при направлении ее к элементам гидропривода, не участвующих в дросселировании, быстро остывает, что снижает эффективность разогрева.
Практически все системы тепловой подготовки гидропривода, предложенные ранее, осуществляют разогрев рабочей жидкости в гидробаке. При этом гидродвигатели остаются не прогретыми и масло, которое находится в нем загущено. Это значительно затрудняет срыв с места подвижных элементов в местах уплотнения. Следовательно, необходимо уменьшить степень нагрузки в момент первого пуска гидродвигателя, что позволит снизить интенсивность износа и продлить срок службы элементов гидропривода.
Анализ средств и способов тепловой подготовки гидропривода машин показал, что с целью снижения износов в гидроприводе машин необходим локальный прогрев элементов гидропривода (гидродвигателей, гидронасосов и аппаратуры регулирования). При этом прогрев должен быть автономным, энергосберегающим и недорогим в создании и эксплуатации [4, 6].
Исследования процессов тепловой подготовки гидропривода СДМ проводятся на гидроцилиндре с электропрогревом. Передача тепла происходит от нагревательного элемента к корпусу гидродвигателя. От корпуса гидроцилиндра происходит передача тепла к рабочей жидкости, заполняющей его полости (рис. 1), [5].
Процесс теплопередачи включает перенос теплоты от нагревательного элемента к стенке теплоотдачей, затем теплопроводностью через стенку к рабочей жидкости, находящейся в гидроцилиндре.
Рис. 1 Гидроцилиндр с электропрогревом
1 - корпус, 2 - нагревательный элемент, 3 – теплоизоляция
Количество передаваемой теплоты при этом определяется основным уравнением теплопередачи [2]:
- для стационарного режима: 
, (1)
- для нестационарного режима: 
, (2)
где Q (Q') – тепловой поток (количество теплоты), переданное в процессе теплопередачи, Вт (Дж); F – поверхность теплообмена, м2; ∆tСР - движущая сила процесса теплопередачи, ºС; τ – время, с; К - коэффициент теплопередачи, 
.
Рассмотрим модель гидроцилиндра как однородную трубу (рис. 2) с теплопроводностью 
(для стали 46,5 
), внутренний диаметр 
, наружный диаметр 
, длина прогреваемой части цилиндра L. Внутри трубы находится холодная среда (рабочая жидкость) с температурой 
, а снаружи горячая среда (нагревательный элемент) с температурой 
, ql - тепловой поток Вт/м2.
Количество теплоты, переданной от горячей среды к внешней стенке трубы по закону Ньютона-Рихмана имеет вид, Дж:
, (3)
где 
– коэффициент теплоотдачи от горячей среды с температурой к поверхности стенки с температурой 
.
Количество теплоты, переданное через стенку трубы Q , Дж определяется по уравнению:
. (4)
Тепловой поток от второй поверхности стенки трубы к холодной среде определяется по формуле:
, (5)
где 
– коэффициент теплоотдачи от второй поверхности стенки к холодной среде с температурой 
.
Рис. 2. Схема теплопередачи между нагревательным кабелем и рабочей жидкости через стальную цилиндрическую стенку
Из формул (3-5), получаем:
, (6)
где 
- коэффициент теплопередачи;
- термическое сопротивление стенки; 
, 
– термические сопротивления теплоотдачи поверхностей стенки.
Коэффициенты 
и 
характеризуют интенсивность конвективного теплообмена и численно равны тепловому потоку, проходящему через единицу площади теплоотдающей поверхности при разности температур между поверхностью и средой в один градус, измеряются в 
.
Для нагревательного элемента его можно найти исходя из мощности тепловыделения гарантированного производителем:
(7)
где 
- линейная мощность тепловыделения 1 метра кабеля при различной температуре, Вт/м; b – толщина нагревательного кабеля, м.
Определим количество теплоты, передаваемой от нагревательного элемента (для саморегулирующегося кабеля 95ВТХ) к рабочей жидкости в гидроцилиндре.
Коэффициент теплоотдачи от горячей среды к поверхности стенки определяется как [2]:
, (8)
где 
- температура участка гидроцилиндра.
Коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей жидкости 
определяется по формуле:
, (9)
где Nu – безразмерный критерий подобия Нуссельта; λ – коэффициент теплопроводности (для рабочей жидкости ВМГЗ λ = 0,144, Вт/(м град)); L – определяющий геометрический размер, м.
Критерий Нуссельта в зависимости от состояния и характера движения сред определяется по различным критериальным уравнениям. Теплоотдача при свободной конвекции около вертикальных пластин и вертикальных труб при плотности теплового потока определяется так:
, (10)
где 
, значение коэффициентов C и n определяется в зависимости от режима течения жидкости.
Исходя из вышеизложенного, коэффициент теплоотдачи от стенки к рабочей жидкости определяется:
, (11)
где 
- критерий Грасгофа, определяющий процесс теплообмена при свободном движении в поле гравитации и являющийся мерой соотношения архимедовой (подъёмной) силы, вызванной неравномерным распределением плотности в неоднородном поле температур, и силами межмолекулярного трения. Критерий рассчитывается так:
, (12)
где g – ускорение свободного падения, принимаемый равным 9,8 м/с2; L – определяющий линейный размер поверхности теплообмена, м; 
- температурный коэффициент объёмного расширения теплоносителя для масла ВМГЗ – 0,00069 [1]; 
- кинематическая вязкость рабочей жидкости ВМГЗ; 
- разность температур между поверхностью теплообмена и теплоносителя 
; 
- критерий Прандтля, учитывает влияние физических свойств теплоносителя на теплоотдачу:
, (13)
где СР - удельная теплоёмкость рабочей жидкости; 
- плотность рабочей жидкости.
При определении теплового состояния экспериментального гидроцилиндра (наружный диаметр: 
, внутренний диаметр: 
, обогреваемая длина гидроцилиндра: 
) получены следующие результаты:
1. Разность температур между кабелем и гидроцилиндром, исходя из поддерживаемой кабелем 95ВТХ температуры (для – 40 
: 220 ; для - 20 : 200; для 0 : 180).
2. Расчетные значения теплового потока Q:
при - 40: 
,
при -20: 
,
при 0 : 
.
Количество теплоты, передаваемой от нагревательного элемента к рабочей жидкости, представлен на диаграмме (рис. 3). Количество теплоты в интервале температур от минус 40 до 0 изменяется в пределах 10 %. Примем тепловой поток равным 47 Дж. Процесс теплопередачи от нагревательного кабеля к рабочей жидкости при прогреве является нестационарным. Примем время прогрева 
=15 мин. (900 сек.) и коэффициент теплопередачи К = 0,248.
Тогда количество теплоты, переданное рабочей жидкости, за время 
определяется:
При работе гидропривода СДМ, как правило, используется несколько гидродвигатей, которые перед работой необходимо прогреть. При включении всех нагревательных элементов, установленных на гидродвигателях, потребляемая электрическая мощность увеличится, поэтому целесообразно устройство плавного пуска нагревательных элементов.
Рис. 3. Диаграмма количества теплоты,
передаваемого от нагревательного элемента к рабочей жидкости
В ходе проведения исследований выявлено, что при эксплуатации СДМ в условиях отрицательных температур необходимо проводить локальный прогрев гидропривода с использованием электронагревателей. При этом следует, что плотность теплового потока от кабеля к стенке и от стенки к рабочей жидкости зависит от учета факторов: вязкости и плотности жидкости, мощности тепловыделения масла, коэффициентов теплопроводности и теплоемкости, которые в свою очередь изменяются в зависимости от температуры. С целью снижения времени тепловой подготовки, необходимо увеличить скорость теплообмена от нагревательного элемента к гидродвигателю. Таким образом, обеспечивается надежный пуск гидропривода СДМ после стоянки в условиях низких отрицательных температур окружающего воздуха и не снижается наработка на отказ.
Рецензенты:
Якубовский Ю.Е., д.т.н., профессор, заведующий кафедрой «Прикладная механика» ТюмГНГУ ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень;
Карнаухов В.Н., д.т.н., профессор кафедры «Эксплуатация автомобильного транспорта» ФГБОУ ВПО «Тюменский государственный нефтегазовый университет», г. Тюмень.