О колебаниях ротора гидромеханического диспергатора с упругим элементом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

---------------------------------- © Л.В. Кулецкий, А.М. Балабышко,

2005

УДК 622.33.002.5

Л.В. Кулецкий, А.М. Балабышко

О КОЛЕБАНИЯХ РОТОРА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОГО ДИСПЕР-ГАТОРА С УПРУГИМ ЭЛЕМЕНТОМ

Семинар № 16

✓"Ьпыт эксплуатации горных машин, их надежность, межремонтный срок работы определяется преимущественно степенью загрязнения рабочих жидкостей (РЖ). Некачественное приготовление РЖ приводит к ухудшению ее основных эксплуатационных свойств и преждевременному износу и отказу ответственных узлов и деталей гидросистем высокого давления (ГВД). Увеличение срока службы ГВД позволяет увеличить долговечность узлов и деталей, существенно снизить затраты труда на ремонт, техническое обслуживание, а также увеличить надежность работы, а соответственно и коэффициент использования ГВД и машины в целом.

Основное повреждение гидросистем горных машин определяется дисперсностью механических примесей в РЖ, причем с увеличением дисперсности механических примесей они могут улучшить смазывающую и антизадирную способность как высокодисперсные антифрикционные присадки.

Дисперсность механических примесей при обработке в диспергирующем обору-

довании целиком и полностью зависит от диспергаторов. Их совершенствование -путь к повышению надежности гидросистем горных машин.

Наиболее продвинутыми диспергато-рами к настоящему времени являются статический [1-3] и гидромеханический дис-пергатор [4, 5]. Статический диспергатор характерен тем, что в нем гидродинамическая кавитация возбуждается после сужающегося кольцевого диафрагменного зазора и в симметричной паре цилиндрических вихревых камер (рис. 1). Статический диспергатор наиболее целесообразно использовать для дезагрегации крупных агломератов, которые возникают в отработанных маслах.

Для диспергирования крупных частиц, диаметр которых достигает 600 мкм, необходимо жесткое воздействие динамических роторных гидромеханических дис-пергаторов (ДРГМД), где основным диспергирующим фактором жесткого воздействия является кавитация, возбуждаемая отрицательными импульсами давления. Природа импульсов давления - источни-

Рис. 1. Конструктивная схема статического диспергатора:

1 - входной патрубок; 2 - корпус с конической внутренней трубой; 3 -регулятор минимального кольцевого зазора; 4 - пара цилиндрических вихревых камер; 5, 6 - выходные конфузор и патрубок; 7 - микрометрический винт

Рис. 2. Конструктивная схема динамического роторного гидромеханического диспергатора: 1 - выходной патрубок; 2 -крышка; 3 - патрубки статора; 4 - статор; 5 - ротор; 6 - патрубки ротора; 7 - входной патрубок; 8 - корпус аппарата; 9 - пластины для регулирования величины зазора д между ротором и статором; 10, 11, 12, 13 - патрубки для отбора проб обрабатываемых компонентов на различных этапах диспергирования; А - рабочая камера статора; Б - входная камера ротора

ков импульснои акустической кавитации, как показали теоретические и экспериментальные работы [5, 6], двоякая. Отрицательные импульсы давления возникают, во-первых, вследствие гидравлического удара в камере ДРГМД, а во-вторых, при вращении ротора относительно статора в боковых стенках которых выполнены отверстия-патрубки (рис. 2).

Аппарат работает следующим образом. Обрабатываемые компоненты в заданных пропорциях поступают через входной патрубок 7 в полость Б вращающегося ротора, где жидкость течет радиально, увлекается вращающимися внутренними поверхностями и периодически вытекает через модулятор, образованный подвижными патрубками ротора и неподвижными патрубками статора. Компоненты подвергаются воздействию развитого турбулентного течения, которое возникает вследствие местных сопротивлений (вход в патрубок ротора, диафрагма, образованная подвижными в

роторе и неподвижными в статоре патрубками, выход из патрубка статора, вращение компонентов в полости ротора), гидравлического удара при закрывании патрубка статора боковой стенкой ротора, импульсных акустической и гидродинамической кавитаций. С целью оценки воздействия каждого из факторов на обрабатываемые компоненты аппарат снабжен дополнительными патрубками для отбора проб на выходе l2 входного патрубка 7, в зазоре ll между ротором и статором, в патрубке З статора 4 на его выходе lO и патрубок l3 в выходном патрубке l из камеры А.

Диафрагму, образуемую подвижным и неподвижным патрубками, можно представить как трубу Вентури с переменным гидравлическим диаметром D^t) как функция времени (рис.3). Причем площадь проходного сечения S’(t’) = =S(t)/S0c (S(t) - площадь диафрагмы, образуемая патрубками в боковых стенках ротора и статора, SOc= const - площадь проходного течения патрубка статора, t’ = t/tO, t, tO -относительное время, время, характерное время соответственно) для диафрагмы изменяется в ДРГМД по известному закону. Например, в одной из последних работ [6] получена уточненная формула для радиальных отверстий-патрубков в виде:

Рис. 3. Диафрагма модулятора как труба Вентури с переменным диаметром.

0< Ґ '<,]1-г

УІ1-3

<г '<л+ 1-,/ 1-г ,1(л+1 - г о2+г '2, л+1 ^1 -г ,2 < г '< а+1; г л+1 <г '<т '.

(1)

где д ’= д/ac - относительная величина зазора между ротором и статором; д - величина зазора между ротором и статором; ас

- ширина патрубка статора; А=ар/ас; ар -ширина патрубка ротора; Т’=ТЛо, Т - относительный и абсолютный периоды модуляции площади проходного сечения диафрагмы модулятора.

В работе [5] рекомендуется уменьшать воздействие гидродинамической импульсной кавитации и увеличивать воздействие акустической импульсной кавитации путем регулирования объемного расхода через модулятор, давления жидкости на выходе аппарата и установки выходного патрубка аппарата в наивысшей точке камеры таким образом, чтобы газ (пары легколетучего компонента и преимущественно воздух) постоянно удалялся из камеры и не демпфировал кавитацию.

В работе [7] впервые предлагается использовать упругий элемент, соединяющий вал привода и вал ротора. В этом случае предполагается появление дополнительных моментов сил, действующих на вращающийся ротор: момента упругих сил сф (где с - постоянная кручения упругого элемента, ф - угловое смещение ротора относительно устойчивого равновесия во вращающейся со скоростью привода системе координат) и вынужденного момента силы, возникающего при радиальном движении жидкости в патрубке ротора -силы Кориолиса MK = mw0v(t) (где m = р1рарЬ - масса жидкости в патрубке ротора, 1р - эффективная длина патрубка в роторе, равная сумме длин патрубка в стенке ротора и присоединенной длины на его входе, h - высота патрубка ротора, р - плотность жидкости, w0 - скорость вращения привода, v(t) - переменная скорость тече-

ния жидкости). Так как v(t) = v(t+T) - периодическая функция, то и момент вынужденной кориолисовой силы является периодической функцией.

Вопрос стоит следующим образом. Являются ли колебания ротора относительно вращающейся системы коор -динат автоколебаниями, а система «ротор - упругий элемент - электродвигатель» автоколебательной. Автоколебательные системы являются неконсервативными, так как в них действуют силы сопротивления, а колебательные системы являются диссипативными. Если в диссипативных системах энергия, расходуемая на преодоление сил сопротивления, ничем не компенсируется и колебания таких систем затухают, то в автоколебательных системах расход энергии на сопротивление точно компенсируется поступлениями из некоторого входящего в состав системы неколебательного источника - поступлениями, дозировка которых по величине и времени подачи регулируется самой колебательной системой. Вследствие этого в автоколебательной системе могут возникать устойчивые периодические незатухающие колебания - автоколебания.

Способ компенсации расхода энергии является наиболее характерным свойством автоколебательной системы, по которому распознаются эти системы в отличии от систем диссипативных или систем, совершающих вынужденные колебания под действием внешних периодических сил. Особенностью автоколебательной системы является наличие в ее конструктивной схеме следующих четырех частей:

1. постоянный неколебательный источник энергии - внешний источник постоянного давления жидкости например, насос;

2. колебательная система (в данном случае состоящая из роторов аппарата и электропривода, валы которых соединены упругим элементом;

Рис. 4. Автоколебательная система

3. устройство, регулирующее поступления в автоколеательную систему энергии из источника энергии - модулятор, образованный патрубками ротора и статора, выполненными в их боковых стенках, которые определяют момент сил Кориолиса на ротор аппарата, причем момент сил пропор-ционален переменной периодической скорости течения жидкости в патрубке ротора под действием давления жидкости от источника давления;

4. обратная связь между колебательной системой и регулирующим устройством, осуществляющая управление дозировкой подачи энергии в колебательную систему (момент сил Кориолиса в процессе открывания патрубка статора ротором притормаживает вращение ротора и тем самым увеличивает время разгона жидкости через модулятор, скорость v(t) увеличивает силу Кориолиса, а в процессе закрывания v(t) резко уменьшается, уменьшается сила Кориолиса, скорость ротора возрастает, площадь проходного сечения диафрагмы резко уменьшается, ускорение торможения жидкости увеличивается, а модуль амплитуды отрицательного импульса давления жидкости возрастает, величина критерия импульсной акус-тической кавитации ха уменьшается, а ее воздействие на процесс эмульгирования и диспергирования возрастает).

Акустическое число кавитации:

Р„- Ру Т ) -

Ха =-

2ст

1

(2)

РІМ + ~ р( *2 дР + у2)2

2

где Pж - давление жидкости в камере аппарата, где возбуждается кавитация; PV( Tm)

- давление паров жидкости в пузыре при температуре Тш жидкости в камере; а - коэффициент поверхностного натяжения жидкости; R0 - начальный радиус пузыря; RР - радиус внешней рабочей поверхности ротора; vс - средняя скорость по площади проходного сечения патрубка статора; \Р\М ~ \dvjdt | - модуль отрицательной амплитуды импульса давления в жидкости, пропорциональный модулю отрицательной амплитуды ускорения жидкости в патрубке статора.

Из вышеизложенного следует, что ДРГМД с упругим элементом, соединяющим валы роторов диспергатора и привода, при обработке жидкой текучей среды удовлетворяет всем четырем условиям автоколебательной системы (рис. 4) [8].

Заметим, что без упругого элемента скорость течения жидкости в модуляторе определяется из нелинейного дифференциального уравнения первой степени, которое не решается в квадратурах. Уравнение автоколебаний ротора имеет в правой части вынуждающую силу, пропорциональную скорости жидкости в модуляторе, что еще больше усложняет решение задачи о нахождении скорости течения жидкости через модулятор ДРГМД с упругим элементом.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Кузьменко А.Л. Обеспечение качества рабочей жидкости гидрооборудования выемочных машин шахт ОАО «Воркута-уголь». - М.: МГГУ -ГИАБ, 2000 г., № 12, с.81-83.

2. Гетопанов В.Н., Кузьменко А.Л.Дис-пергирование как способ регенерации минеральных масел. - Горные машины и автоматика. -2001 г., № 7, с. 15-16.

3. Гетопанов В.Н., Кузьменко А.Л. Регенерирование методом диспергирования минерального масла проходческих и очистных комбайнов. - М.: МГГУ - ГИАБ, 2002 г., № 5, с. 151-152.

4. Кузьменко А.Л. Обоснование и выбор параметров статического диспергатора для регенерации рабочих жидкостей гидросистем очистных проходческих комбайнов. Автореферат кандидата технических наук. М.: МГГУ, 2003 г., с. 18.

5. Юдаев В.Ф. Гидромеханические процессы в роторных аппаратах с модуляцией проходного сечения потока обрабатываемой среды. Теоретические основы химических технологий, 1994 г., т. 28, № 6, с. 581-590.

6. Юдаев В.Ф., Чичева-Филатова Л.В., Алексеев В.А. Площадь проходного сечения диафрагмы модулятора роторного аппарата. Известия ВУЗ, Машиностроение, 2004 г., № 12.

7. Балабышко А.М. Разработка роторного аппарата для получения стабильных эмульсий. Автореферат кандидата технических наук. - М.: МИХМ, 1985 г., с. 16.

8. Бабаков И.М. Теория колебаний. - М.: Наука, главная редакция физикоматематической литературы, 1968, с. 559.

— Коротко об авторах

Кулецкий Л.В., Балабышко А.М. - Московский государственный горный университет.

------------------------------------- ДИССЕРТАЦИИ

ТЕКУЩАЯ ИНФОРМАЦИЯ О ЗАЩИТАХ ДИССЕРТАЦИЙ ПО ГОРНОМУ ДЕЛУ И СМЕЖНЫМ ВОПРОСАМ

Автор Название работы Специальность Ученая степень

СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ГОРНО-МЕТАЛЛУРГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ

БАЙМАТОВ Андрей Михайлович Утилизация отходов полиметаллических руд в ресурсосберегающем производстве сварочных материалов 25.00.36 к.т.н.

МЕДОЕВ Тимур Геннадьевич Исследование мельницы-классификатора мокрого размола на основе способа динамического самоизмель-чения 05.05.06 к.т.н.

ПЕКОНИДИ Александр Вячеславович Повышение эффективности процесса измельчения минерального сырья в центробежной мельнице вертикального типа 25.00.13 к.т.н.

© В.М. Наумкин, М.Н. Курганский, 2005