Изменение свойств рабочей жидкости при нестационарных режимах работы гидропривода Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Заключение

По полученным формулам произведен расчет швейной иглы по критериям жесткости, прочности и устойчивости на основе теории прочности, сопротивления материалов, устойчивости стержней.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Теория и практика нанесения защитных покрытий / П. А. Витязь [и др.]. - Минск : Белару-

ская навука, 1988. - 583 с.

2. Богкоуа, О. Ктетайскё рагатейе киИяоуёЬо ШоуёЬо а пй’оуёЬо тесИаттти рпетузеЬёИо здааеЬо Бйоуа / О. Богкоуа, О. ВагЬогак, V. Blagodamy. - 2004. - С. 4. - 8. 61-64.

3. Иосилевич, Г. Б. Прикладная механика / Г. Б. Иосилевич, П. А. Лебедев, В. С. Стреляев. -М. : Машиностроение, 1985. - 576 с.

4. Труевцев, Н. И. Технология и

оборудование текстильного производства / Н. И. Труевцев. - М. : Изд-во науч.-техн. лит-ры, 1960. - 684 с.

Белорусско-Российский университет Материал поступил 23.05.2006

O. V. Bozkova

Calculation toughness, stability and fortresses sewing needle

Belarusian-Russian University

In article on basis theories because of fortresses, toughness and stability stave have formula for engineering calculations sewing needle.

УДК 629.82

И. А. Веренич, канд. техн. наук, доц., М. А. Тини

ИЗМЕНЕНИЕ СВОЙСТВ РАБОЧЕЙ ЖИДКОСТИ ПРИ НЕСТАЦИОНАРНЫХ РЕЖИМАХ РАБОТЫ ГИДРОПРИВОДА

Рассматривается влияние частоты пульсаций давления и скорости потока на изменение свойств рабочей жидкости гидропривода при нестационарных режимах работы. Рабочая жидкость представлена вязко-упругой моделью с комплексной эффективной вязкостью. Приведены результаты расчета составляющих комплексной вязкости биологически разлагаемой жидкости МГ -46БР при пульсациях потока с безразмерной частотой от 0 до 5. На примере привода с дроссельным регулированием скорости вращения реверсивного гидромотора показано, что при гармонических пульсациях давления или подаче насоса эффективная вязкость рабочей жидкости при частоте пульсации ниже собственной частоты гидропривода, - это выражается действительной частью комплексной вязкости, а при высоких частотах - мнимой. Управляемое изменение вязкости рабочей жидкости дано на примере одного алгоритма и показано, что это позволяет увеличивать или снижать эффективную вязкость в требуемом диапазоне частот.

При функционировании гидроприводов и устройств гидропневмоавтоматики часто возникают нестационарные гидродинамические процессы, во время которых изменяется режим движения рабочей среды и ее свойства. Расчеты нестационарных процессов становятся в ряд определяющих при разработке новых образцов гидросистем мобильных и технологических машин. Это вызвано возраста-

нием рабочих давлений, повышением требований к энергосбережению, к режимам регулирования и аварийным режимам, которые являются существенно-нестационарными. Решению

проблем гидродинамической неустойчивости, снижению потерь на гидравлическое трение и нестационарным режимам течения жидкости посвящено большое число работ, опубликованных

ранее и в последние годы [1...4, 8]. В них, как правило, рассматривается жидкая среда с фиксированными вязкостью и модулем объемной упругости, т.е. используется модель «несжимаемая жидкость - абсолютно жесткая труба». Однако рабочие жидкости гидроприводов, особенно при низких температурах и нестационарных режимах работы, ведут себя как неньютоновские и для описания их поведения простых ньютоновских уравнений недостаточно. В последние годы разработаны и применяются биоразлагаемые жидкости на основе синтетических сложных эфиров с композицией присадок (Shell Naturelle Fluid HF-X, HF-E 15, HF-E 32, HF-E 46, HF-E 68), жидкости на основе глубоко-очищенного рапсового масла и присадок (Shell Naturelle Fluid HF-R, HF-M, OPTIMOL HYDO BS, BIOSTAR HYDRAULIK, МГ-46БР (ИСО-L-HLBS 46) ТУ РБ 100649721.044-2003) и др., для которых до настоящего времени нет полной и единой как молекулярностатистической, так и термодинамической теории этих жидкостей, которая бы полностью раскрыла сущность вязкости. Под действием напряжения молекулярная структура многих из этих жидкостей имеет тенденцию к анизотропии, что может заметным образом повлиять на вязкость. Существуют полуэмпирические теории, которые в той или иной мере выводят формулы для вязкости жидкостей, имеющих различную природу [5, 6]. Например, формула Пуазейля точно определяет эффективную вязкость воды, формула Ро-ландса, Флюгтера и Ваттермана — смазочных минеральных масел, формула Освальда де Вилля — неньютоновских жидкостей. Для растительных масел используются формулы различной структуры в зависимости от температуры и давления. Большинство полуэмпирических формул для коэффициента эффективной вязкости /иэф смазочных материалов получено при

анализе зависимости между тензором напряжения и тензором скоростей деформации для установившегося течения. В гид-

роприводах равновесное состояние нарушается быстрым изменением давления или скорости течения жидкости при дросселировании, изменением направления движения выходного звена и т. п., вызывая объемную деформацию среды и изменение модуля объемной упругости, температуры, вязкости жидкости, в общем случае являющихся функцией частоты колебаний, возбуждаемых в среде. Изменение этих величин происходит также с фазовым смещением, зависящим от частоты. Экспериментальные и теоретические исследования показывают, что отличие модуля объемной упругости жидкости Е и ее динамической вязкости ц в нестационарных условиях от квазистационарного расчета может достигать 3-, 4-кратной величины [3]. Основными причинами этого отличия являются: тип применяемой рабочей жидкости и характер изменения ее свойств при пульсациях давления и скорости; изменение структуры потока при смене режима течения в трубопроводах и каналах; изменение во времени характера нагрузки; особенности конструкции гидроаппаратов, гидронасосов, гидродвигателей и др. Наибольшее влияние на работоспособность гидросистем в нестационарных режимах оказывают величина давления и амплитуда пульсации давления в линии нагнетания, изменение химического состава и загрязненности жидкости, инерционность нагрузки, вибрации и другие механические и климатические воздействия. Поэтому исследование изменяющихся вязкоупругих свойств жидкостей в нестационарных режимах работы гидропривода, поиск путей и методов воздействия на поток для уменьшения сопротивления трения, разработка методики расчета энергетических характеристик привода с учетом этих изменений представляют актуальную для инженерной практики задачу и являются одним из резервов экономии энергоресурсов.

Целью работы является установление зависимости эффективной вязкости рабочей жидкости от частоты пульсаций потока при нестационарных режимах работы привода и рассмотрение способа управления вязкостью.

Методика исследования базируется на том, что существуют два основных пути уменьшения потерь на трение. Один из них традиционно базируется на ламина-ризации потока, совершенствовании поверхностей каналов и трубопроводов и выборе рабочей жидкости с оптимальной вязкостью. Второй путь снижения гидравлического сопротивления основан на использовании искусственных пассивных и активных методов управления структурой потока или свойствами жидкостей [8], в частности вязкостью и сжимаемостью жидкости. С вязкостью и модулем объемной упругости жидкости связаны объемные потери мощности на утечки Nу, потери на жидкостное трение ЫЦ ,

потери на местных сопротивлениях N и неявные потери на трение N. При расчетах и проектировании систем гидроприводов с использованием ньютоновской модели жидкости оптимальную фиксированную динамическую вязкость цопт в

установившихся режимах, при которой КПД привода будет максимальным, находят по выражению [7]:

Ар

Вп

Цопт

и V вм + В + В

(1)

где В0, ВЦ , В^, Вг - безразмерные функциональные коэффициенты; Ар - перепад давления; и - приведенная скорость выходного звена гидромашины.

Для исследования снижения сопротивления путем изменения свойств жидкости вначале рассмотрим влияние частоты пульсации потока на свойства рабочей жидкости и возможность управления этими свойствами. Примем вязкоупругую модель жидкости Кельвина-Фойгта (рис. 1), а вязкость представим зависящей от частоты

эффективной вязкости /иэф. Для линейной вязкоупругости комплексное значение динамической эффективной вязкости среды цэф определяют по выражению [9]:

Ц эф

Ц

Ц

Юцг

1 - Юг 1 + 02 г2 1 + 02 г2

=Сэф + КЭф,

(2)

где ц - исходная динамическая вязкость рабочей жидкости; г - время релаксации, г = 2ц/Е; Е - модуль объемной упругости жидкости; О - частота пульсаций; Сэф - действительная часть

Ц

комплексной вязкости, С , = —---------;

эф 1 + О2 г2

Кэф - мнимая часть комплексной вязко-

эф

сти, К ф =

7 эф

Оцг

1 + о 2г2

Модуль эффективной вязкости будет равен:

= + Сэф 2 + Кэф 2 .

(3)

Исследование будет проводиться в безразмерных параметрах. Пусть Цэф =Цэф/Ц0 - безразмерная эффек-

тивная вязкость жидкости ( ц0 - вязкость среды при 40 0С). При моделировании жидкости по модели Кельвина-Фойгта (рис. 1, а) действительная Сэф и

мнимая Кэф части Цэф будут определяться по зависимостям:

2

^ (ш) = ф + Ш ■ (4)

С эф (ш ) ф 2 + 2 ;

ф + Ш

Цэф

= т/Сэф2 + Кэ 2

эф

(6)

где ф = Сг/Спр ; С пр - приведенная упругость жидкости; С1 - упругость жидкости в 1-м участке; ш = 0/00 - безразмерная частота пульсаций; О - частота

пульсаций потока; О0 = ^Сгр/тпр - собственная частота привода; т пр - приве-

денная масса жидкости.

а)

б)

Сэф

Кэф

Рис. 1. Модели жидкости: а - по Кельвину-Фойгту; б - предлагаемая модель

Введем эквивалентный коэффициент вязкого трения <^0, определяющий падение притока энергии, вызванное уменьшением расхода жидкости, протекающей через дросселирующие каналы при увеличении амплитуды пульсации давления в гидродвигателе. Выражения для Сэф (ш) и

Кэф (ш) в этом случае будут иметь вид:

Сэф (ш) = (а + Ь)1 с; (7)

Кэф(Ш)=к (е+n), (8)

где

а = т

1 -

т

.2 V

т

0

1 - ф

т

.2 Л

т

0

Ь = ф

(1 2^0 т 2 ^ 1----------т

т

с = фА

1 2#0 т2 1---------т

0 у Л

(

т

+ т

/

\

т2 Л т

1 -ф~

т0 у

2

к = т(1 - ф) т2 -1

1 2#0 т 2 1--------т

т с

п = т2

' т2 Л

1 АШ

1-ф—Т

т {

0 у

т0 = Он/О0 ; Он = МШ ; М - коэффици-

ент, учитывающий число рабочих камер гидромашины Z (М = 1 при Z четном и М = 2 при 2 нечетном); N - частота вращения вала гидромашины.

При активном управлении эффективной вязкостью (рис. 1, б), например, впрыском присадки под высоким давлением или локальным изменением модуля упругости жидкости по результатам оценки вязкости и плотности, влияние канала управления будем рассматривать только по безразмерным постоянным времени: измерительного канала Т1; усилительного тракта Т2; исполнительного устройства Т3. Тогда эффективная вязкость определится по выражениям:

Кэф (т)

т

(ф-1)

ф - т2з] + т2г2

(9)

, (10)

где в = г + т2д2 -(1 + ф)д; ^ = ф-т25 ;

г = (1 -Г2т2); ^ = (т1 - Т3т 2

12ш Ь о = у 1 — 1 3Ш ' ).

Не учитывая вопросы управляемости и экономичности, оценим влияние постоянных времени каналов

2

2

управления Т1, Т2 и Т3 на параметры жидкости. Пусть Т1 будет представлена апериодическим звеном. Тогда Сэф при

ш = 0 равна 1/ф с увеличением частоты ш

Сэф уменьшается так, что при ш1 = фт[

она равна единице, а затем при =(ф+шх ) принимает минимальное

значение С , =1_

(1 _ф)Т

при Ш------

эф~ 1 1 +

Сэф----> 1. Отсюда следует, что при уве-

личении Т1 Сэф может принимать отрицательные значения. Функция Кэф всегда

отрицательна. Способ введения соответствующих сигналов в закон управления может быть зависим и независим по каждому измеряемому параметру жидкости (температуре, скорости потока, вязкости). При введении двух функций с постоянными времени Т1 и Т2 характер поведения функции С эф в этом случае остается

прежним, а функция Кэф достигает максимума и затем стремится к нулю. При использовании каналов управления с постоянными времени Т1, Т2 и Т3 падение функции С эф в сравнении с предыдущими случаями будет более значительным, а поведение функции Кэф по характеру

совпадает с ее поведением при управлении с Т1 и Т2.

Для примера рассмотрим изменение эффективной вязкости биологически разлагаемой жидкости МГ-46БР при использовании ее в гидроприводе экспериментальной установки, схема которой приведена на рис. 2, при следующих исходных данных: рабочий объем гидромотора

q = 40 см ; момент инерции гидромотора 3 = 0,35-10'2 Нмс2; КПД гидромотора Пт = 0,92; длина трубопроводов 11 = 22,9 м; 12 = 0,78 м; 13= 2,12 м; 14 = 0,75 м; диаметры трубопроводов ё1 = й4 = 6 мм; й2 = ё3 = 8 мм; безразмерный коэффициент демпфирования £0 = 0,5; модуль объемной упругости жидкости при нор-

мальных условиях Еж = 1550 МПа; плотность жидкости рж = 920 кг/м3; кинематический коэффициент вязкости жидкости при 40 0С; у0 = 43,5 мм2/с;

безразмерные постоянные времени канала управления Т1 = 1; Т2 = 0; Т3 = 0,5; упругость жидкости в участке С1 = 3827,5 Н/м; С2 = 199773 Н/м; С3 = 73501 б5 Н/м; С4 = 118300 Н/м; Он = 264 с"1, Ъ = 11, N = 1440 мин-1, М = 1.

Для рассматриваемого привода (рис. 2, б) согласно [2] определяем параметры : Спр = С1 + С2С3 / (С2 + С3) + С4;

2

С, = 2Еж/7V,; тпр = -4-+РжУ;

q Пт

I у ■ I у

V=У +1у + ) + У Еж - объ-

+ 13у3

емный модуль упругости жидкости; V, - объем жидкости ,-го канала; 3 -момент инерции вала гидромотора и присоединенных к нему движущихся частей; q - рабочий объем гидромотора; У - площадь поперечного сечения ,-го трубопровода; I, - длина ,-го трубопровода.

Пусть свойства жидкости изменяются в зависимости от частоты а пульсаций потока, а управляющее воздействие отсутствует. В этом случае расчет ведем по выражениям (4) и (5), которые определяют однопараметрическое семейство кривых, показанных на рис. 3. Видно, что функция изменяется от Сэф = 1/ф до Сэф = 1 при

ш------. Для модели жидкости Нью-

тона Сэф = 1 при любых Ш. Функция

Кэф всегда отрицательна и при ш = ф

принимает минимальные значения, а затем стремится к нулю при

ш------> ж . Таким образом, в рассмат-

р и в а емой постановке жидкость не способна эффективно гасить пульсации давления в системе.

а)

б)

С2

С. І2 ( С4

1і ( Сз І4 (І4

Рис. 2. Схема исследуемого гидропривода: а - схема гидравлическая принципиальная; б - эквивалентная схема привода; АТ - аппарат теплообменный; Б - бак; ГМ - гидромотор; Д1, Д2, Д3 - регулируемые дроссели; ДМ1, ДМ2 -дифференциальные манометры; КП1, КП2 - клапаны предохранительные; М - электродвигатель; МН - манометр; Н - насос; Р1, Р2 - расходомеры; РП - распределитель; ТП - порошковый тормоз; Т1 - термометр; Ф - фильтр

а) б)

Рис. 3. Зависимость составляющих комплексной вязкости С эф и Кэф от безразмерной частоты Ш без управления: 1 - ф = 0,68; 2 - ф = 0,76; 3 - ф = 0,89; 4 - ф = 0,994

Результаты расчета по зависимостям (7) и (8) с учетом эквивалентного коэффициента вязкого трения <^0 приведены на рис. 4. Из графиков следует, что введенное дросселирование £0 существенно влияет на

величину Кэф, а на упругие свойства Сэф влияет незначительно. С ростом £0 функция Кэф при Ш2 > ш0/2£0 будет принимать положительные значения.

При значениях <^0 = 0,05 и изменения безразмерной частоты ш от 0 до 5 из графиков следует, что существенные изменения величин Сэф и Кэф достигаются при ш, близких к ш 0 . Следовательно, влиянием

инерции жидкости на изменение комплексной вязкости в диапазоне интересующих нас частот можно пренебречь.

На рис. 5 представлены результаты расчета составляющих эффективной вязкости по зависимостям (9) и (10) при наличии управляющего воздействия на жидкость.

Из анализа результатов на рис. 4 с относительным демпфированием и результатов на рис. 5 с управлением следует, что введением управляющего воздействия можно существенно изменить вязкостные свойства жидкости во всем частотном диапазоне пульсации потока.

На рис. 6 приведены результаты расчета модуля безразмерной эффективной вязкости Дэф от безразмерной частоты

пульсации потока жидкости по зависимости (6). В диапазоне частот от 0 до 2,5 эффективная вязкость при наличии других

компонентов составляющих вязкости уменьшается от 1,5 до 1 по экспоненциальной зависимости и становится меньше исходной вязкости при частотах выше собственной частоты привода в 2,5 раза. Демпфирование в приводе существенно влияет на вязкость во всем диапазоне частот пульсаций.

Из результатов исследования можно сделать следующие выводы.

1. Получены зависимости изменения эффективной вязкости жидкости от частоты гармонических пульсаций потока и постоянных времени канала управления вязкостью.

2. Установлено, что при гармонических пульсациях давления или подачи насоса эффективная вязкость Дэф рабочей жидкости при частоте ниже собственной частоты гидропривода и выражается действительной частью комплексной вязкости, а при высоких частотах -мнимой.

а)

б)

Рис. 4. Зависимость составляющих комплексной вязкости сэф и КЭф от безразмерной частоты Ш без управления с учетом относительного демпфирования : 1 - ф = 0,68; 2 - ф = 0,76; 3 - ф = 0,89; 4 - ф = 0,994

а) б)

Рис. 5. Зависимость составляющих комплексной вязкости с эф и Кэф от безразмерной частоты Ш с управлением: 1 - ф = 0,68; 2 - ф = 0,76; 3 - ф = 0,89; 4 -ф = 0,994; Т1 = 1; Т2 = 0; Т3 = 0,5

а)

б)

в)

г)

Рис. 6. Зависимость эффективной вязкости дэф от частоты ш для различных значений, относи-

89; г - ф = 0,994; 1 - без управления; 2 - с демпфированием;

тельных упругости ф : а - ф = 0,68; б - ф = 0,76; в - ф = 0, 3 - с управлением

3. Влиянием инерции жидкости в диапазоне частот ниже собственной частоты привода (ш = 1) можно пренебречь.

4. Введение сигнала управления эффективной вязкостью в виде дополнительного демпфирования существенно влияет на мнимую составляющую вязкости и почти не влияет на действительную часть.

5. Введение управляющего воздейст-

вия с сигналом, пропорциональным скорости течения жидкости, позволяет

уменьшать безразмерную эффективную вязкость Дэф с 1 до 0,87 в диапазоне безразмерных частот Ш = 2,5...5, а в диапазоне безразмерных частот - Ш = 0.2,5 (эффективная вязкость Дэф изменяется от

1,125 до 1).

Таким образом, управляемое изменение вязкости жидкости позволит управлять потерями энергии на гидравлическое трение.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Зильке, В. Трение, зависящее от частоты при неустановившемся течении в трубопроводе : пер. с англ. / В. Зильке // Теоретические основы инженерных расчетов : сб. науч. тр. - М., 1968. -№ 1. - С. 120-127.

2. Цуханова, Е. А. Определение собствен-

I. A. Verenich, M. A. Tini Changing of working fluid properties of a hydro-drive at non-stationary operating regimes

Belarus National Technical University

ной частоты гидропривода для его частных случаев / Е. А. Цуханова, М. А. Яшина // Пневматика и гидравлика. Приводы и системы управления : сб. статей. - М., 1975. - Вып. 2. - С. 314.

3. Краев, В. М. Теплообмен и гидродинамика турбулентных течений в условиях гидродинамической нестационарности / В. М. Краев // Изв. вузов. Авиационная техника. -2005. - № 3. - С. 39-42.

4. Попов, Д. Н. Гидромеханика : учебник для вузов / Д. Н. Попов, С. С. Панаиотти, М. В. Рябинин ; под ред. Д. Н. Попова. - М. : Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2002. - 384 с.

5. Каминер, А. А. Гидромеханика в инженерной практике / А. А. Каминер, О. М. Ях-но. - Киев : Техніка, 1987. - 175 с.

6. Веренич, И. А. Реологические характеристики рабочих жидкостей и смазок на основе растительных масел / И. А. Веренич // Вестн. нац. техн. ун-та «Харьковский политехнический институт». - Харьков, 2001. -Вып. 129, Ч. 1. - С. 365-374

7. Кондаков, Л. А. Рабочие жидкости и уплотнения гидравлических систем / Л. А. Кондаков. - М. : Машиностроение, 1982. - 216 с.

8. Корнилов, В. И. Проблемы снижения турбулентного трения активными и пассивными методами (Обзор) / В. И. Корнилов // Теплофизика и аэромеханика. - 2005. - Т. 12, № 2. -С. 183-208.

9. Фабер, Т. Е. Гидроаэродинамика / Т. Е. Фабер. - М. : Постмаркет, 2001. - 560 с.

Белорусский национальный технический университет Материал поступил 12.04.2006

Influence of pressure pulsations frequency and a flow speed on properties of a working liquid of a hydrodrive is considered at non-stationary operating regimes. A working liquid is submitted.by visco-elastic model with complex effective viscosity. Results of calculation of components of complex viscosity of biological composed liquid Mr - 46EP are resulted at pulsations of a flow with dimensionless frequency from 0 up to 5. By the example of a drive with a throttle controlling the rotation speed of the reversible hydro-motor showed, that at harmonious pulsations of pressure or pump feeding, effective viscosity of the working liquid at frequencies of a pulsation below own frequency of a hydro-drive is expressed by the valid part of complex viscosity, and at high frequencies - imaginary. Controlled change of viscosity of the working liquid given by the example of one algorithm showed, that it allows to increase or decrease the effective viscosity in a required range of frequencies.