Розрахункові дослідження робочого процесу в гідравлічному вібраційному контурі гідроапарата з осциляцією

Аннотация

Андренко П. М., Гречка І. П., Дмитрієнко О. В. Розрахункові дослідження робочого процесу в гідравлічному вібраційному контурі гідроапарата з осциляцією Наведені результати розрахункових досліджень робочого процесу в гідравлічному вібраційному контурі гідроапарата з гідравлічною осциляцією, збудованому на базі шунтуючого резонансного контуру. Визначено вплив його конструктивних та робочих параметрів гідроагрегата на коефіцієнт підсилення цього контуру.

Вступ.Значна частина сучасних гідроагрегатів технологічних та мобільних машин містить гідроапарати з гідравлічним керуванням. Їх використання у гідроагрегатах дозволяє підвищити експлуатаційні характеристики останніх, будувати чисто гідравлічні пристрої керування виконавчими механізмами, легко організувати внутрішні зворотні зв’язки, вони простіші в експлуатації, надійніші і дешевші. Тенденція останніх десятиліть більш широкого застосування гідроапаратів з осциляцією викликана прагненням споживачів гідроагрегатів до підвищення їх технічного рівня. Для гідроапаратів з гідравлічним керуванням розроблено інтерференційний гідравлічний вібраційний контур (ГВК) [1]. Однак, конструктивне виконання цього контуру є досить складним і значення його коефіцієнта підсилення не перевищує 2. В [2] нами запропоновано в якості ГВК гідроапаратів з гідравлічним керуванням використовувати шунтуючий резонансний контур, який забезпечує високий коефіцієнт підсилення та має просте конструктивне виконання, малі габаритні розміри.

Аналіз літературних джерел. Питання розрахунку та проектування ГВК розглянуто в досить невеликій кількість наукових робіт [3 – 9]. В [3, 4] наведено схеми шунтуючих резонансних контурів, залежності по визначенню параметрів каналів та камер. Проте, наведені залежності не дозволяють досліджувати робочий процес в цьому контурі. В статях [5, 6] наведені математичні моделі шунтуючих резонансних контурів, побудованих з використанням метода Фур’є які можуть бути використанні при визначені їх коефіцієнтів підсилення. Однак, ці математичні моделі не можуть бути використані при дослідженнях робочих процесів в ГВК. В [7] наведено результати розрахункових, а в [8] експериментальних досліджень впливу параметрів розробленого ГВК гідроапарату на його коефіцієнт підсилення, але не досліджено робочий процес в ньому. Дещо більше відображення цієї задачі знайшло висвітлення у статі [9]. Але в цій статі не досліджено вплив конструктивних параметрів ГВК та робочих параметрів гідравлічного агрегату на коефіцієнт підсилення цього контуру.

Проведений нами аналіз літературних джерел дозволив встановити, що дослідження робочих процесів в ГВК не знайшло в них належного висвітлення. Отже дослідження робочих процесів в ГВК, збудованому на базі шунтуючого резонансного контуру є актуальним науковим завданням, вирішення якого відкриває шлях до його удосконалення.

Мета статті. Метою статті є дослідження робочих процесів в ГВК гідроапарата, збудованому на базі шунтуючого резонансного контуру.

ГВК на базі шунтуючого резонансного контуру. Розроблений ГВК має таке конструктивне виконання (рис. 1): у циліндричному корпусі 1 (ємкісний елемент) розміщено внутрішній патрубок 2 (інерційний елемент), діаметр якого менше діаметру вхідного патрубку 3. Патрубок 3 з’єднує ГВК із магістраллю живлення (джерела пульсацій тиску робочої рідини), а патрубок 4 – із камерою керування гідроапарата. Ємкісний і інерційний елементи реалізують шунтуючий резонансний контур. Пульсації тиску робочої рідини надходять до ємкості через патрубки 3 та 2. Внаслідок зрушення фаз пульсуючого потоку робочої рідини та власної частоти резонатора, відбувається підсилення пульсацій тиску, який надходить до камери керування гідроапарата і його запірно-регулюючий елемент здійснює осциляційний зворотно-поступальний рух з частотою та амплітудою, яка визначається масою запірно-регулюючого елементу та жорсткістю пружин ГВК. Таким чином, ліквідується сила сухого тертя та покращуються динамічні характеристики гідроапарата.

Робочі процеси у ГВК. При дослідженні робочих процесів використовували математичну модель ГВК, яка отримана нами з загальних рівнянь гідродинаміки. При її складанні вважали, що витікання робочої рідини з камери керування гідроапарата відбувається в його проточну камеру, а режим течії робочої рідини в кільцевій щілині між золотником і корпусом гідроапарата ламінарний. Математичну модель отримали у зосереджених параметрах, зосередження проводили за Т-подібною схемою, а наприкінці труби за Г-подібною схемою.

Розрахункові дослідження робочих процесів у ГВК проводили в пакеті прикладних програм Mathcad за допомогою розробленої програми шляхом математичного моделювання пульсацій тиску робочої рідини в його каналах та камері.

Оцінку ефективності ГВК проводили за коефіцієнтом підсилення амплітуди пульсацій тиску робочої рідини на виході ГВК k_t, який дозволяє визначити на скільки збільшиться величина пульсацій тиску на виході ГВК, у порівнянні з його входом

де Δp_вх і Δр_вих – відповідно, амплітуди пульсацій тиску робочої рідини на вході і виході ГВК, МПа.

В результаті розрахунку отримали графік пульсацій тиску на вході і на виході ГВК при заданих параметрах (рис. 3). Зазначимо, що для ефективно працюючих ГВК k_t>1.

Змінювали конструктивні розміри та робочі параметри ГВК, моделювали робочі процеси в ньому та досліджували вплив конструктивних параметрів на коефіцієнт підсилення (рис. 4–8, де верхня крива – тиск на вході ГВК, а нижня – тиск на виході).

Рисунок 5 – Графіки пульсацій тиску на вході і на виході ГВК при: а – l₂=90·10^-3 м; б – l₂=22,5·10^-3 м

Рисунок 6 – Графіки пульсацій тиску на вході і на виході ГВК при p₁=6,35 МПa

Рисунок 7 – Графіки пульсацій тиску на вході і на виході ГВК при p₁=9 МПа

Рисунок 8 – Графіки пульсацій тиску на вході і на виході ГВК при: а – f=50 Гц; б – f=200 Гц

В результаті обробки графіків пульсацій тиску в ГВК отримали залежності коефіцієнта підсилення від його конструктивних та робочих параметрів (рис. 9). Проведені дослідження дозволили встановити, що для забезпечення ефективної роботи ГВК (отримання максимального значення коефіцієнту підсилення) об’єм його камери не повинен бути більшим ніж 75·10^-5 м³ (рис. 9, а). Так як, при збільшенні об’єму і довжини камери ГВК коефіцієнт підсилення зменшується (рис. 9, б). Це свідчить про те, що розроблений ГВК має раціональні конструктивні параметри, малу масу та габарити.

Встановлено, що найбільший вплив на значення коефіцієнту підсилення ГВК мають розміри внутрішнього патрубка: зменшення його діаметра та збільшення довжини приводить до підвищення коефіцієнту підсилення (рис. 9, в, г), що відповідає фізиці процесу, який відбувається в ГВК.

Рисунок 9 – Залежність коефіцієнта підсилення ГВК від його конструктивних та робочих параметрів: а – об’єму камери ГВК W₀; б – довжини камери ГВК L; в – діаметра внутрішнього патрубка ГВК d₂; г – довжини внутрішнього патрубка ГВК l₂; д – тиску в камері ГВК р₁; е – частоти пульсації робочої рідини f

Тиск у камері ГВК практично не впливає на його коефіцієнт (рис. 9, д). Установлено, що частота пульсацiй тиску на виходi з об’ємного насосу суттєво впливає на коефіцієнт підсилення ГВК (рис. 9, е), при чому, в області частот 75–100 Гц спостерігається виразне його зменшення. Значний вплив на коефіцієнт підсилення ГВК має також діаметр камери гідравлічного керування ГР, який обмежений габаритними розмірами.

За допомогою аналітичної обробки графіків (рис. 9) в пакеті прикладних програм Mathcad отримали залежніст коефіцієнта підсилення розробленого ГВК

В результатi проведених дослiджень установлено, що визначення раціональних параметрiв ГВК треба здiйснювати шляхом постановки та розв’язання оптимiзацiйної задачi.

Висновки. В результаті проведених розрахункових досліджень робочого процесу в ГВК, збудованому на базi шунтуючого разонансного контуру вперше установлено, що найбільший вплив на коефіцієнт підсилення ГВК має діаметр внутрішнього патрубку та частота пульсацій тиску робочої рідини на виході об’ємного насоса. Розроблений ГВК має масу та габаритні розміри які не перевищують аналогічні середні показники гідроапарата з аналогічним діаметром умовного проходу. Розрахунковим шляхом доведено ефективність використання розробленого ГВК для здійснення гідравлічної осциляції гідроапаратів

Список использованной литературы

1. Андренко П. Н. Принцип построения гидравлических аппаратов нового класса / П. Н. Андренко // Вісник Національного технічного університету Харківський політехнічнийінститут. – 2001. – № 129, Ч. 2. – С. 102–106.
2. Гречка І. П. Гідророзподільник з гідравлічним вібраційним контуром і експериментальний стенд для його дослідження / І. П. Гречка // Вісник Національного технічного університету Харківський політехнічний. – 2003. – № 16. – С. 29–34.
3. Kollek W., Kudzma Z., Rutanski J. Mozliwosci skutecznego tlumienia halasu ukladem filtrow akustycznych / W. Kollek, Z. Kudzma J. Mozliwosci // V Konferencja naukowo-tecniczna: Rozwoj budowy eksploatacj I badan maszyn roboczych ciezkich. Zakopane. – 1992. – P. 203–208.
4. Шорин В. П. Устранение колебаний в авиационных трубопроводах / В. П. Шорин. – М.: Машиностроение, 1980. – 368 с.
5. Андренко П. М., Дмитрієнко О. В. Математичні моделі і розрахункові дослідження гідравлічних гасителів і підсилювачів пульсацій тиску / П. Н. Андренко, О. В. Дмитрієнко // Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2004. – № 5 (11). – С. 88–93.
6. Андренко П. М., Гречка І. П. Побудова математичної моделі нового гідравлічного вібраційного контуру / П. Н. Андренко, І. П. Гречка // Вісник Сумського державного університету. – 2005. – № 12(84) – С. 78–86.
7. Дмитрієнко О. В., Гречка І. П. Дослідження впливу параметрів нового гідравлічного вібраційного контуру гідроапарату на його коефіцієнт підсилення / О. В. Дмитрієнко, І. П. Гречка // Вісник Національного технічного університету Харківський політехнічний. – 2005. – № 39. – С. 83–88.
8. Гречка І. П., Довгополий М. Д., Федоренко І. М. Експериментальне дослідження нового гідравлічного вібраційного контуру / І. П. Гречка // Вестник ХНАДУ. – 2007. – Вып. 38. – С. 257–260.
9. Гречка І. П., Клітной В. В., Мальцев Я. І. атематичне моделювання течії робочої рідини в новому гідравлічному вібраційному контурі / І. П. Гречка, В. В. Клітной, Я. І. Мальцев // Східно-Європейський журнал передових технологій. – 2009, № 2/5 (38). – С. 28–31.