Экспериментальное исследование падения давления в сопротивлениях гидроударной системы Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 622.236.234

DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-14-19

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ПАДЕНИЯ ДАВЛЕНИЯ В СОПРОТИВЛЕНИЯХ ГИДРОУДАРНОЙ СИСТЕМЫ

Леонид Владимирович Городилов

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, доктор технических наук, зав. лабораторией моделирования импульсных систем, тел. (383)205-30-30, доп. 118, e-mail: gor@misd.ru

Виталий Геннадьевич Кудрявцев

Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, научный сотрудник, (383)205-30-30, доп. 155, e-mail: vit22@ngs.ru

По экспериментальным осциллограммам предельных циклов гидроударной системы (давлениям в рабочих камерах, расходу насоса, координате бойка) рассчитаны расходы в ветвях гидравлической системы и падения давлений на местных сопротивлениях. Получены значения коэффициентов сопротивлений на золотниковом распределителе.

Ключевые слова: осциллограмма, аккумулятор, рабочие камеры, коэффициент гидравлического сопротивления, распределитель.

EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF PRESSURE DROP IN RESISTANCE OF HYDRUALIC IMPACT SYSTEM

Leonid V. Gorodilov

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, D. Sc., Head of Pulse System Modeling Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 118, e-mail: gor@misd.nsc.ru

Vitaly G. Kudryavtsev

Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Research Scientist, phone: (383)205-30-30, extension 155, e-mail: vit22@ngs.ru

Experimental oscillograms of the limit cycles of a hydraulic impact system (pressures in working chambers, pump flow, coil coordinates) are used to calculate the costs in the branches of the hydraulic system and the pressure drops at local resistances. The values of the resistance coefficients on the spool valve are obtained.

Key words: oscillogram, battery, operating chambers, hydraulic resistance coefficient, valve.

Введение

Особенность ударных систем состоит в высоких скоростях течения жидкости в их каналах и высокой интенсивности переходных процессов. Это предъявляет особые требования к проходным сечениям и местным гидравлическим сопротивлениям, так как потери энергии в них могут быть достаточно велики. Особенно значимым в этом смысле является канал, ведущий в камеру прямого хода, так как перед ударом скорость бойка и соответственно течения жидкости за ним становится достаточно большой (до 8 и выше м/с). При проектировании

ударных устройств с этим необходимо считаться. В настоящей работе сделана попытка экспериментальной оценки потерь давления в золотниковом распределителе гидроударного устройства и в решетке газожидкостного аккумулятора.

Схема эксперимента

На рис. 1, а, б представлены фото устройства и принципиальная схема гидроударной системы. Она включает насос Н, напорную и сливную линии, газожидкостные аккумуляторы Ак1 и Ак2, двухпозиционный распределитель Р, ограничитель Ог и ударный узел УУ (боек и корпус, образующие камеры обратного А и прямого В хода).

а) б)

Рис. 1. Фотография физической модели (а) и принципиальная схема (б)

гидроударной системы:

УУ - ударный узел; Ак1 и Ак2 - напорный и сливной аккумуляторы; Р - распределитель; С - управляющая линия распределителя; Р, И (Ог) - инструмент (ограничитель); ДУ - демпфирующее устройство; ДП1 и ДП2 - датчики перемещения бойка и золотника; ДД1, ДД2, ДД3 - датчики давления в аккумуляторе, камерах обратного А и прямого В хода

Это ударная система двойного действия с управляемой камерой прямого хода с задержкой движения бойка [1]. Ее рабочий цикл включает фазы обратного хода, торможения и прямого хода, задержки движения бойка. В связи с целью данного исследования особый интерес представляет фаза прямого хода, в течение которой боек разгоняется из состояния покоя до максимальной скорости, при этом расход в ветви Ак - Р - камера В также изменяется от нулевого до максимального значения. В начале этой фазы УУ изображено на рис. 1, б.

В экспериментах регистрировали следующие величины: - расход от насоса (расходомер РМ);

х^ - координату бойка (датчик ДП1), по которой дифференцированием определяем скорость V;

^Ar, Pa, Рв - давления в аккумуляторе Ак1, камерах A и B (датчики ДД1,

ДД2, дДэ);

Др4 - падение давления на решетке аккумулятора Ак1 датчик ДД4).

Для регистрации давлений в гидравлических камерах A и B использовали датчики давления MLH03 классом точности 2 с временем ответа 0,5 мс, датчик AP132DN классом точности 0,3, дифференциальным датчиком давления FDW2CV классом точности 0,3 фирмы Honeywell с временем ответа 0,5 мс; для регистрации перемещений бойка - датчик перемещений EDS-100 фирмы Microepsilon классом точности 0,3 и частотным диапазоном 0-150 Гц, расхода -расходомер DV04.7 классом точности 0,3. Перед выполнением опытов каждый раз производили калибровку датчиков MLH03. Регистрация и обработка сигналов производилась при помощи согласующего блока, аналого-цифрового преобразователя E-440, персонального компьютера с программой PowerGraph 3.3 [2].

Расчетные формулы

При анализе экспериментальных данных принимали, что зависимость между расходом Qk и падением давления Арк на к-м сопротивлении имеет квадратичный характер [3]:

ЬРк _ rkQk-

Измерив падение давления на сопротивлении Ьрк и расход через него Qk, можно определить сопротивление и, считая его местным, коэффициент сопротивления Гк, отнесенный к площади определенного проходного сечения Sk [3]:

г _ 2S2kApk Гк _ пП2 •

Р Qk

Уравнение расходов (2-й закон Кирхгофа) в узле D (рис. 1, б) гидравлической системы можно записать в виде

Qo -Q4 -Q3 -Q2 -0,5(Pa + Рв)/ryy _0,

где сопротивление r учитывает утечки в ударном узле и определяется по результатам статических экспериментов [4], Q2 _ vSA, Q3 _ vSB. Тогда расход Q4, поступающий в каждый момент времени в аккумулятор Ак1 равен

Q4 _ Qo + vSA - vSB - 0,5(Pa + Рв) / ryy.

Падение сопротивления в ветви узел D - камера прямого хода B (в распределителе) определяем по формуле

^PdB _ Рак1 -ЛР4 - Рв.

Таким образом, коэффициенты сопротивлений на решетке аккумулятора

£4 и в распределителе £3 равны

С 4 =

2£¡Ар 4

РЙ

£ з =

2^3Аров

Р((2з + Рв/ ГУУ )

(1)

где £3 - площадь проходного кольцевого сечения золотника распределителя.

Осциллограммы, результаты обработки экспериментальных данных

На рис. 2 представлен типичный фрагмент осциллограмм динамических характеристик предельного цикла гидроударного устройства, изображенного на рис. 1, а. Измерения и расчеты величин рАк1, Ар4, рв, Q0, х, Аров, V, Q3,

Q4 из удобства обработки производили на участке оси I, выделенном прямоугольником.

Рис. 2. Осциллограммы фрагмента рабочего цикла гидроударной системы:

| I - давление в аккумуляторе - р;------ давление в камере А - рА; .......... -

давление в камере В - рВ

На рис. 3, 4 представлены зависимости коэффициентов сопротивления распределителя гидроударного устройства от скорости, отнесенной к площади проходного сечения распределителя (1), и от числа Рейнольдса Re = ^ ^ /(^ V) (^ - гидравлический диаметр сечения [5]; V - кинематический коэффициент

вязкости). Отметим достаточно большой разброс данных, особенно в области малых значений числа Рейнольдса. По-видимому, исследовавшийся диапазон относится к переходной области. Зависимость £ 3 = / (Яе) с хорошей точностью описывается степенной функцией

£3 = 4 939,3 • Яе

-0,623

Как показали измерения, потери давления на решетке аккумулятора не превышают 105 Па, поэтому, учитывая значительные шумы в регистрируемых сигналах, не представлялось возможным достоверно определить для этого элемента гидросистемы коэффициент сопротивления

Рис. 3. Зависимость коэффициента сопротивления £3 от скорости течения жидкости v3

100

80

60

40

20

О

1000

2000

3000

Рис. 4. Зависимость коэффициента сопротивления £3 от числа Рейнольдса

Результаты и выводы

Таким образом, в результате проведенных исследований отработаны методики определения падения давления и расхода на распределителе гидроударной системы. В практически важном диапазоне построены зависимости коэффициента сопротивлений распределителя от числа Рейнольдса, что позволит при проектировании подобных устройств правильно подбирать его параметры.

Работа выполнена в рамках проекта ФНИ, № гос. регистрации АААА-А17-117122090003-2.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Городилов Л. В., Фадеев П. Я. Анализ и классификация эффективных конструктивных схем автоколебательных гидравлических ударных систем // Фундаментальные проблемы формирования техногенной геосреды : тр. конф. с участием иностран. ученых (10-13 октября 2006 г., Новосибирск) : в 2 т. - Новосибирск : Ин-т горного дела СО РАН, 2007. - Т. 2 : Машиноведение. - С. 71-79.

2. Городилов Л. В., Кудрявцев В. Г., Пашина О. А. Стенд и методика экспериментальных исследований гидроударных систем // Физико-технические проблемы разработки полезных ископаемых (ФТПРПИ). - 2011. - № 6. - С. 54-63.

3. Задачник по гидравлике, гидромашинам и гидроприводу / Б. Б. Некрасов и др. - М. : Высш. шк., 1989. - 199 с.

4. Городилов Л. В. Разработка основ теории гидроударных систем объемного типа для исполнительных органов горных и строительных машин : автореф. дис. ... д-ра техн. наук. -Новосибирск, 2010. - 43 с.

5. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М. : Машиностроение, 1992. - 672 с.

© Л. В. Городилов, В. Г. Кудрявцев, 2018