CC BY
18
УДК 622.236.234
DOI: 10.18303/2618-981X-2018-5-9-13
МОДЕЛИРОВАНИЕ ПЕРЕХОДНЫХ ПРОЦЕССОВ В КАНАЛАХ ГИДРОИМПУЛЬСНЫХ СИСТЕМ
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
Денис Владимирович Вагин
Институт горного дела им. Н. А. Чинакала СО РАН, 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр., 54, кандидат технических наук, научный сотрудник лаборатории моделирования импульсных систем, тел. (383)205-30-30, доп. 240, e-mail: vdv_wk@mail.ru
Приведены результаты верификации компонентов программы расчета гидроимпульсных систем, моделирующих течение жидкости в каналах (трубах) и местных сопротивлениях. Модели компонентов представлены элементами с сосредоточенными параметрами, включающими гидравлические индуктивности, сопротивления и емкости. Численно исследуются переходные процессы при внезапной остановке поршня и соединении каналов, находящихся при разных давлениях. Результаты расчетов сравниваются с экспериментальными данными, полученными на физической модели гидроударного устройства.
Ключевые слова: гидравлические элементы, сосредоточенные параметры, численное моделирование, переходные процессы.
SIMULATION OF TRANSITION PROCESSES IN CHANNELS OF HYDRO-PULSE SYSTEMS
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
Denis V. Vagin
Chinakal Institute of Mining SB RAS, 54, Krasny Prospect St., Novosibirsk, 630091, Russia, Ph. D., Researcher, Pulse System Modeling Laboratory, phone: (383)205-30-30, extension 240, e-mail: vdv_wk@mail.ru
The results of verification of the components of the program for calculating hydropulse systems simulating the flow of fluid in the channels (pipes) and local resistances are presented. Models of components are represented by elements with lumped parameters, including hydraulic inductances, resistances and capacitances. Numerical studies are made of transient processes when the piston is suddenly stopped and the channels connected at different pressures are connected. The results of the calculations are compared with the experimental data obtained on the physical model of the hydrostatic device.
Key words: hydraulic elements, lumped parameters, numerical modeling, transient processes.
Введение
В Институте горного дела СО РАН разрабатывается программа имитационного моделирования гидроимпульсных систем [1], особенностью которых является высокой интенсивность переходных процессов, сопровождаемых волновыми эффектами в жидкости. В настоящей работе, на основе расчетных формул [2-6] разработано несколько моделей гидравлических элементов. Проведены численные расчеты их динамики, результаты расчетов сравниваются с экспериментами, проведенными на физической модели гидроударного устройства.
1. Модели гидравлических элементов
1. Местное сопротивление (рис. 1, а). В общем виде зависимость между давлением р и расходом Qi при течении жидкости через гидравлическое сопротивление можно представить следующим образом [2-6]
2
Рк = Як^^к, где Як - гидравлическое сопротивление и проводимость.
(1)
Для местного сопротивления (рис. 1, а) Як
Эм , где ^м - коэффиЦиент местного сопротивления; S - площадь проходного сечения; р - плотность жидкости.
а) б) в) г)
Рис. 1. Изображения гидравлических элементов:
а) местное сопротивление (Ы); б) трубопровод ^2); в) линеаризованное местное сопротивление ^3); г) трубопровод с учетом емкостной компоненты ^4)
2. Трубопровод (рис. 1, б). Сопротивление Як в формуле (1) для этого случая может быть представлено в виде Як = ^ п -—, где <^п - коэффициент пу-
< 252
тевого сопротивления, зависит от числа Рейнольдса Re = уй/у, I - длина трубопровода; й - величина его гидравлического диаметра; у - кинематическая вязкость жидкости.
3. Линеаризованное местное сопротивление (рис. 1, в). С целью улучшения численной процедуры в [6] предложена формула для расчета расхода через дроссель с учетом его инерционной составляющей. Для этого была проведена линеаризация соответствующего дифференциального уравнения [7], после которой оно приняло вид:
(Як (г
= ш- Qk ]
где В - параметр, учитывающий инерционность жидкости;
Ок - определяется из (1).
4. Трубопровод с учетом сжимаемости жидкости и податливости стенок трубы (рис. 1г). Для этого случая использовали модель четырехполюсника, по содержанию близкую к модели [6], описываемую дифференциальным и алгебраическим уравнениями
(р
Ж
] _
1
~ (Ч
]
Чк)> Рк = Р,--р'к-.
где с - приведенная емкость жидкости и трубы [3, 6]; р'к - определяется из (1).
2. Расчетная схема моделируемого устройства
Расчетная схема моделируемой системы представлена на рис. 2 и включает ударный узел УУ (боек и корпус, образующие камеры обратного хода А, прямого хода В и управления D, соединенную с каналом управления золотника), распределитель Р (представлен набором местных сопротивлений, включенных в компоненту 3) с пружиной П, газожидкостный аккумулятор, насос Н, ограничитель Ог и гидравлические компоненты 1-5, состоящие из рассмотренных выше элементов. Это гидроударная система с задержкой движения бойка с управляемой камерой прямого хода [8].
Рис. 2. Расчетная схема фазы прямого хода гидроударного устройства (УУ) двойного действия с управляемой камерой прямого хода:
Н - насос; Ак - аккумулятор; Р - распределитель; П - пружина; А и В - рабочие камеры устройства; 1-5 - гидравлические элементы
Рассматриваются фазы прямого хода бойка, его удара об ограничитель Ог, остановки и «задержки» на Ог. В начале движения бойка (при координате .[ц) проточка D отсоединяется от сливной линии, перед ударом (при координате .[2]) соединяется с напорной линией. Золотник в течение рассматриваемого периода цикла находится в позиции 1.
В расчетах начальные условия брали из соответствующих экспериментальных данных. Гидравлические компоненты составляли из элементов Ы-И4.
3. Результаты расчетов, сравнение с экспериментом
На рис. 3, а-в представлены фрагменты экспериментальных (штриховые линии) и расчетных (сплошные линии) осциллограмм с отличающимся составом гидравлических компонентов 1-5: р.1.7.22 - давление в камере А, р.1.8.1 -давление перед камерой А, р.1.7.32 - давление в камере В, р.1.5.1 - давление перед камерой В, р.1.6.22 - давление в аккумуляторе Ак, х.1.7.1 - координата бойка, 11.0.0 - время.
В расчетах, представленных на рис. 3, а, гидравлические компоненты 1-5 состоят из элементов Ы и И4, на рис. 3, б, в, - из элементов И3 и И4.
Результаты расчетов показывают заметные различия в расчетной динамике при изменении состава гидравлических компонентов, однако средняя по периодам цикла величина давление изменяется всегда плавно и в большей части близко к среднему давлению, полученному в экспериментах. Подобным образом ведет себя система без введения в нее свойств инерционности жидкости (рис. 3, а).
Рис. 4. Расчетные (штриховая линия) и экспериментальные (сплошная линия)
осциллограммы
Введение в систему элементов h3, моделирующих инерцию жидкости в местных сопротивлениях позволяет получить сравнимую с экспериментальной динамику жидкости как в рабочих камерах системы, так и за ними. Причем в камере А генерируется высокочастотное колебание (рис. 3, б, осциллограмма р.1.7.22 - И.0.0), которое гасится уже в следующем за ним элементе (рис. 3, в, осциллограмма р. 1.8.1 - 1.1.0.0).
Выводы
Проведенные расчеты позволили верифицировать расчетные модели гидравлических компонентов сравнением их с данными, полученными в экспериментах. Установлено, что для получения в расчетах реальной динамики требуется учет инерционных составляющих. Для более точного моделирования гидравлических элементов необходимы дальнейшие исследования и уточнение расчетных моделей.
Работа выполнена в рамках проекта ФНИ, № гос. регистрации АААА-А17-117122090003-2.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Городилов Л. В., Вагин Д. В. Архитектура программы моделирования гидропривода исполнительных органов горных и строительных машин // Проблемы недропользования. -2016. - Вып. 3 (10). - С. 48-52.
2. Башта Т. М. Машиностроительная гидравлика. - М. : Машиностроение, 1971. - 672 с.
3. Бердников В. В. Прикладная теория гидравлических цепей. - М. : Машиностроение, 1977. - 192 с.
4. Альтшуль А. Д., Киселев П. Г. Гидравлика и аэродинамика: Основы механики жидкости. - М. : Изд-во лит. по стр-ву, 1965. - 273 с.
5. Идельчик И. Е. Справочник по гидравлическим сопротивлениям. - М. : Машиностроение, 1992. - 672 с.
6. Автоматизированное проектирование машиностроительного гидропривода / И. И. Бажин, Ю. Г. Беренгард, М. М. Гайнгори и др. - М. : Машиностроение, 1988. - 312 с.
7. Коробочкин Б. Л. Динамика гидравлических систем станков. - М. : Машиностроение, 1976. - 240 с.
8. 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.
© Л. В. Городилов, Д. В. Вагин, 2018
