Вплив параметрів осциляції золотника на кавітацію в гідророзподільнику з вібраційною лінеаризацією Текст научной статьи по специальности «Экономика и бизнес»

УДК 621. 22

Канд. техн. наук П. М. Андренко, I. П. Гречка, Г. В. Крикун Нацюнальний техшчний уыверситет "Харшський пол^ехшчний шститут", м. Харкiв

ВПЛИВ ПАРАМЕТР1В ОСЦИЛЯЦП ЗОЛОТНИКА НА КАВ1ТАЦ1Ю В ГЩРОРОЗПОДШЬНИКУ З В1БРАЦ1ЙНОЮ

Л1НЕАРИЗАЦЮЮ

Наведено фгзичну модель кавiтацii. Розгянуто причини и появиу гiдророзподiльниках та границя виникнення. Проаналiзовано вшив nараметрiв осциляцИ золотника на кавiтацiю у гiдророзподiльниках з вiбрацiйною лтеаризащею. ПоданорекомендацИ, що дозволяють уникнути кавiтацiiу цих гiдророзподiльниках.

Вступ

Робота пдророзподшьнишв (ГР) з вiбрацiйною лшеаризащею супроводжуеться великими перепадами тиску на дроселюючих щшинах 1х золотников. У результат^ в 1х проточних частинах збiльшуються швид-костi руху робочоН рiдини (РР), що призводить до понижения статичного тиску, змш лiнiй струму, вихре-утворенню, i при певних умовах, розриву суцшьносп середовища. Це е причиною кавггацп, що спостерi-гаеться в ГР.

Аналiз лiтературних джерел

Виникнення кавггацп в ГР розглянуто в [1, 2, 3] i iнших. За критерш кавггацп в науково-технiчнiй лгге-ратурi прийнято число кавггацп, що обчислюеться за залежиiстю:

О =

2(р вих - Ркр )

(1)

ри

де Рвих i Ркр - идаошдао тиск у вихiдному каналi ГР та тиск насичених парiв РР; и - швидюсть течи РР у стис-неному перерiзi проточно! частини ГР; р - щшьшсть РР.

П р „ п р „ п у щ . н н I , щ о ркр /ржив ~ 0 (ржие - тиск

живлення) замiсть залежиостi (1) користуються залеж-нiстю [2]:

О = ркр ¡р.

= Р .

(2)

II, зазвичай, використовують як критерiй кавггацп. Зауважимо, що число кавггацп залежить вiд типу РР, II температури, газовмiсту, наявностi твердих часток, геометрп проточно! частини ГР та ш, i при збiльшеннi газовмiсту збшьшуеться та супроводжуеться пстере-зисним ефектом [1]. Слiд вiдзначити, що залежносп (1), (2) не враховують параметри осциляцп золотника, форму його дроселюючо! щiлини, тому !х використан-ня для визначення виникнення кавiтацii у ГР з вiбра-

цiйною лшеаризащею може призвести до значних по-хибок.

В [4, 5] установлено, що кавггащя впливае на ко-ефiцiент витрат ГР, силу, що дiе на його золотник, та його характеристики. У випадку наявносп кавиацп ГР можуть мати двi характеристики; одну стабiльну, при безкавггацшнш роботi та iншу, також стабшьну, при розвиненiй кавггацп. Однак, у цих роботах не дослщ-жено вплив осциляцп золотника на процес виникнення кавггацп, та залежшсть вiд нього числа кавггацп.

Для визначення кавггацп в ГР в [6] пропонуеться використовувати видозмiнене число кавггацп, яке доз-воляе проаналiзувати вплив на кавiтацiю величини перемщення його золотника:

О = к к

Хз- = кО Хз

d к

d к

(3)

д. кК - коефiцiент кавггацп; 6н - кут нахилу вектора швидкосп потоку РР до осi золотника; хз - перемщен-ня золотника; dк - дiаметр каналу ГР; ко - коефщент кавгтацп ГР.

Однак, i залежнiсть (3) не враховуе осцилящю золотника.

В [6] установлено, що кавггащя супроводжуеться ерозiею поверхонь проточнох частини ГР. У ГР, в яких золотник виконаний у виглядi прецгошноИ пари плун-жер-гiльза, проточна частина тддаеться ерозп в мен-шому ступеш, та ерозiя у вихiдних каналах практично не впливае на його характеристики. Але i в цш робот також не розглянуто вплив параметрiв осциляцп золотника на процес виникнення кавггацп, залежнiсть ввд них числа кавггацп.

В [7] установлеш меж1 виникнення кавггацп у ГР з золотником. При малих вщкриттях робочих щшин, межею виникнення кавггацп е найбiльший критичний протитиск - 0,04. Причому, найбiльш iмовiрним е виникнення кавггацп у вихщнш щiлинi, тому що за на-пiрною щiлиною протитиск зазвичай вище атмосферного. Однак, при максимальних негативних наванта-

н

© П. М. Андренко, I. П. Гречка, Г. В. Крикун 2006 р.

76

женнях (навантаженнях зовнiшнiх сил, напрямок дп яких спiвпадаe з рухом виконавчого мехашзму) кавь тацiя може виникнути i за напiрною щшиною. Для недопущения кавггацп пропонуеться, щоб тиск на ви-ходi зi зливних щiлин був не нижче нiж 2 % вiд тиску входу в них, а при вщ'емному навантаженнi не нижче шж 4 % [7]. Вiдзначимо, що у науково-технiчнiй лгге-ратурi проаналiзованiй нами не розглядаються питан-ня, пов'язанi з виникненням кавггацп у ГР з вiбрацiй-ною лшеаризащею, отже визначення умов виникнен-ня в них кавггацп е актуальною задачею.

Мета i задачi дослiдження

Метою статп е визначення впливу осциляцп золотника на кавггацш в ГР з вiбрацiйною лшеаризащею.

Кавггащя у ГР

Суть кавггацп - утворення в рiдинi парогазових пузирчишв при мiсцевому пониженнi тиску в потощ рiдини, що швидко рухаеться, або в полi змшного тиску [3]. Фiзична модель виникнення кавггацп, що скла-дена на основi аналiзу великого експериментального матерiалу рiзних авторiв наведена в [2]. У вадповад-ностi з щею моделлю поява в радиш кавiтацiйних буль-башок зумовлена попередньою наявшстю в нiй кавь тацшних зародк1в у якостi яких виступають розчине-ний в РР газ, насичеш газом твердi частинки, дГлянки стiнок проточних каналiв гiдроапаратiв, погано змо-ченi частинки та ш. В життi кавггацшно1 бульбашки розрiзняють двi фази - розширення та зхлопування, як1 разом утворюють повний термодинамiчний цикл. Однак змiною температури, як в бульбашцi, так i в на-вколишньому середовищi в бiльшостi практичних ви-падшв, як стверджуе [1], можна знехтувати. Основну роль у кавiтацiйному впливi на граничнi поверхнi зай-мае фаза захлопування бульбашки, коли енерпя, що порiвняно повiльно запасаеться у фазi зростання буль -башки, концентруеться та виднеться за значно мен-ший час та в дуже малому просторi [1, 2].

Вщмггимо, що в ГР зниження рiвня тиску мае ло-кальний характер i вiдбуваеться в мюцях дроселюван-ня потоку РР. Крiм цього зниження тиску в потощ рвди-ни може бути викликано iншими елементами пдрав-лiчних систем. Наприклад, раптовим ввдкриттям клапана, включенням гiдродвигуна та iн.

При кавггацп змiнюються лшп струму в проточнш частинi ГР, утворюються струменнi та вихровi течп, може порушитися суцшьшсть потоку. Все це в значнш мiрi впливае на коефiцiент витрат дроселюючо1 щши-ни, сили, що дшть на золотник i, взагал^ на характеристику ГР. На основi проведених експериментальних дослiджень у [5, 6] стверджуеться, що у випадку наяв-ностi кавггацп ГР можуть мати двi характеристики; одну стабшьну, при безкавiтацiйнiй роботi та шшу та-кож стабiльну, при розвиненш каштаци. Кавiтацiя суп-роводжуеться ерозiею поверхонь проточно1 частини ГР, що проходить, внаслщок дуже високих iмпульсних

тисков поблизу отриманих вказаних поверхонь при руйнуванш з дуже великою швидюстю бульбашок. При цьому характер та швидк1сть кавггацп залежить вiд багатьох факгорiв. Але слад вiдмiтити, що ерозп, в першу чергу, пiддаються ГР зi струйною трубкою. ГР з золотником, тддаються ерозп в меншому ступенi, та ерозiя в !х вихiдних каналах практично не впливае на !х характеристики.

При появi кавггацп можливi коливання тиску. Од-нiею з причин самозбудних коливань у пдросистемах i ГР е перюдичний зрив вихрiв iз зон вихреутворення.

Вплив осциляцп золотника на кавггащю

Для його визначення скористаемося числом кавь тацп (1) та введемо вщносне число кавггацп

О =-

О,

осц

О

(4)

де Оосц - число кавггацп ГР iз вiбрацiйною лшеари-зацiею.

Приймаючи, що тиски на входа i виходi iз ГР з вiбра-цшною лiнеаризацiею та без не1 однаков^ з урахуван-ням (1), (4) прийме вигляд

_ V

О =■ '

осц

(5)

Визначаючи швидк1сть РР через дроселюючу щГли-ну ГР з рiвняння витрат, наведеного в [8], нехтуючи опором каналiв та витоками, для ГР з осцилящею золотника та без не1, можемо записати (5) у виглядi

О =

1

/ ( 3 )п!лл / / ч | х

. / (хз ) ХОСЦ 1 + --, -+

/ ( х з )г

*осц

2 Ц 2Р ДР щ

(6)

де цгр - коефiцiент витрати ГР; /хгр) 1 /хгр)тах - вщпо-ввдно площа дроселюючо1 щiлини ГР, яка залежить ввд форми золотника, та И максимальне значення; хосц -швидк1сть осциляцп золотника ГР; Дрщ - перепад тиску на дроселюючш щiлинi ГР.

Аналiз рiвняння (6) показав, що третш член у зна-меннику на чотири порядки менше ввд другого. Отже ним можна знехтувати.

Проаналiзуемо вплив параметрiв осциляцп золотника на кавггацш у ГР (рис. 1, 2, 3).

2

V

1

2

Р

+

1607-6885 Новi матерiали i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2006

77

О

1

0,98 0,96 0,94

/ 1 / / — —■ ^

А/ '/ 1 ^2

1 1 1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Хз, мм

Рис. 1. Залежнють вщносного числа кав^ацп ГР вщ перемщення золотника при змiнi перепаду тиску на дроселюючм щiлинi при аосц = 0,1 мм i fосц = 159,23 Гц: 1 - Др = 1,0 МПа; 2 - Др = 3,0 МПа

0

1

0,95 0,9 0,85 0,8

— ' ———

¥ 2

¡1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 1

Хз, мм

Рис. 2. Залежнють вщносного числа кав^ацп ГР вщ перемщення при зм^ амплпуди осциляцп золотника при Др = 1 МПа i ц = 2 38,85 Гц: 1 - аосц = 0,05 мм; 2 - аосц = 0,1 мм; 3 - аосц = 0,2 мм

0

1

0,98 0,96 0,94 0,92 0,9 0,88

В-

\ 1

7 2

к \ 3

Г

1

0 0,2 0,4 0,6 0,8 хз, мм

Рис. 3. Залежнють вщносного числа кавггацп ГР вщ перемщення золотника при змУ частоти осциляцп золотника при Др = 1 МПа i аосц = 0,1 мм: 1 - ^=159,23 Гц; 2 - ^ц = 238,85 Гц; 3 - ^ = 286,62 Гц; 4 - ^ = 318,48 Гц

Найбшьший вплив на вщносне число кавггацп мае амплГтуда осциляцп золотника, попм частота осциляцп. Перепад тиску на дроселюючш щГлиш на ввднос-не число кавггацп впливае в меншш мГрГ (рис. 1). При-чому зГ збiльшенням вадкриття дроселюючо1 щшини ГР вплив осциляцп золотника на вщносне число кавь тацп зменшуеться.

Таким чином, для зменшення ГмовГрносп виник-нення кавггацп у ГР з вГбрацшною лшеаризащею ам-плпуда осциляцп золотника повинна бути малою. В цьому випадку для оцшки меж1 виникнення кавггацп у ГР з вГбрацшною лшеаризащею можемо використо-вувати найбГльше значення критичного протитиску ГР з золотником - плунжер-гшьза (число кавггацп) 0,04 при вщ' емному навантажет на виконавчому мехатзмГ, та 0,02 в шших випадках [7].

Висновки

АналГз фГзичних процеав виникнення та розвитку кавггацп в проточних порожнинах ГР дозволив зроби-ти наступш рекомендацп, що дозволяють уникнути каытаци.

1. Обмежити перепад тисков на дроселюючих щГли-нах ГР таким чином, щоб тиск на його виходГ не змен-шувався нижче тиску насичених парГв. При цьому да-ний перепад тисшв необхвдно вибирати з деяким запасом, який враховуе несприятливГ режими функщонування пдроагрегату.

2. Шдвищити тиск на виходГ ГР за допомогою установки тсля нього пдравлГчного опору або оргаш-зацп тиску тдпору в пдроагрегап.

3. Якщо можливо, зменшити вмГст твердих части-нок Г нерозчиненого газу в РР шляхом як1сно1 и тдго-товки та герметизацп пдравлГчно1 системи.

4. Для ГР з вГбрацшною лшеаризащею амплиуда осциляцп золотника повинна бути малою, а робочий дГапазон його перемщень знаходитися ближче до по-вного вГдкриття.

Список лiтератури

1. Пирсол Н. Кавитация. Пер. с англ. Ред. Эпштейн Л. А. -М.: Мир, 1975. - 95 с.

2. Мартынюк А. Я. Обзор исследований динамики кави-тационного пузырька. Сб. Вибрация в технике и технологиях. - Винница, 2003. - №3 (29) - С. 19-24.

3. Кнепп Р, Джейли Дж., Хеммит Ф. Кавитация. - М.: Наука, 1974. - 688 с.

4. Глазков М. М., Куренков В. Н., Тарасенко Т. В. Модель генерирования кавитационных колебаний давления. Сб. Вибрация в технике и технологиях. - Винница, 2003, -№4(30). - С. 40-43.

5. Глазков М. М., Ланецкий В. Г., Куренков В. Н. О методике кавитационного исследования элементов дроссельных устройств гидравлических систем. Сб. Вопросы надежности гидравлических систем летательных аппаратов. - К.: КИИГА, 1976.- №3. - С. 8-15.

6. Данилов Ю.А., Кирилловский Ю.Л., Колпаков Ю.Г. Аппаратура объемных гидроприводов: Рабочие процессы и характеристики. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.

7. Кавитация в жидкостных системах воздушных судов / М. М. Глазков, Н. Г. Макаренко, И. П. Челюканов. - К.: КИИГА, 1987. - 64 с.

8. Андренко П. М. Побудова математичних моделей пдро-апараив i3 гiдравлiчним вiбрацiйним контуром // Схщно-Свропейский журнал передових технологiй. -Харюв, 2004. - №2 (8). - С. 15-20.

Одержано 27.03.2006 р.

Приведена физическая модель кавитации. Рассмотрены причины ее появления в гидрораспределителях и граница возникновения. Проанализировано влияние параметров осцилляции золотника на кавитацию в гидрораспределителях с вибрационной линеаризацией. Приведены рекомендации, позволяющие избежать кавитации в таких гидрораспределителях.

The physical model of cavitation is given. The reasons of it's appearance in hydroallocators and limits of occurrence are considered. The valve oscillation parameters influence over cavitation in hydroallocators with vibrating linearization is analyzed. The recommendations that help to avoid the cavitation in hydroallocators are given.

УДК 621.81.004.62/.663

Канд. техн. наук С. Н. Попов, Т. В. Попова Нацюнальний техшчний ушверситет, м. Запорiжжя

МАТЕМАТИЧНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ЗНОСОСТ1ЙКОСТ1 НАПЛАВЛЕНОГО СПЛАВУ ЗАЛЕЖНО В1Д ФАЗОВОГО СКЛАДУ, М1КРОТВЕРДОСТ1 ОСНОВИ ТА ЗМЩНЮВАЛЬНОТ

ФАЗИ

Наведено анализ i математичне планування комплексного впливу матерiалознавчих параметрiв гетерогенних сплавiв на здатнiсть до опору зношуванню в умовах впливу напiвзакрiпленим абразивом. Запропоновано алгоритм планування на основi ортогонального некомпозицшного плану. Побудовано nросторовi дiаграми комплексного впливу параметрiв, що до^джуються. Отримано аналiтичну залежнiсть у виглядi рiвняння регреси, що вiдтворюе вплив мiкротвердостi основи Н, ГПа, змiцнюючоi фази Н. ф, ГПа та и кiлькостi К, % на зносостшюсть е.

Абразивне зношування гетерогенних сплаыв являе собою складний процес, як для теоретичного, так i для практичного вивчення. Поверхня тертя детал1 руйнуеть-ся у результат! випадкового i вкрай нерiвномiрного роз-подшу навантаження на робочш поверхт та и зосеред-женосп у мюцях контакту з окремими абразивними зернами [1, 2]. Тому дуже важливим е розгляд залежносп мшротвердосп i юлькосп фаз, яш знаходяться в сплавi у комплексному взаемозв'язку. Математичне планування експерименту спрямоване на створення рiвняння рег-респ по визначенню впливу матерiалознавчих чиннишв на зносостiйкiсть сплавiв. При абразивному спрацю-ваннi основне значення мае властивють матерiалу опи-ратися впровадженню та перемiщенню по поверхнi тер-тя абразивних часток. Цей комплекс характеристик виз-начаеться опором металу пружним i пластичним деформацiям. Показовою характеристикою при цьому е агрегатна твердiсть сплаву, а також твердiсть його ок-ремих структурних складових, початкових чи здобутих у процеа зношування. Необхiднiсть аналггачного ви-

раження твердiсть - зносостшюсть е = / (Н), насам-перед, викликана тим, що на сьогодтшшй день немае ш однiеl математично! функцц, що б№ш-менш в1дби-вала б юнування такоi залежностi, придатно! для практичного застосування [3, 4].

У зв'язку з цим був спланований повний-фактор-ний експеримент до виявлення взаемних зв'язк1в мiж твердiстю основи сплаву, надлишковоI фази та и кiлькостi на здатнiсть матерiалу чинити отр абразивному руйнуванню.

За фактори варшвання були обранi мiкротвердiсть основи Но, ГПа, мiкротвердiсть Нз , ГПа та к1льк1сть %, К змщнюючо! фази.

Вiдтворення експерименту i варшвання факторiв проводили при переведеннi некомпозицшного плану у матрицю з ортогональним композицiйним планом [5, 6]. Це пов'язано з тим, що несиметричний план ус-кладнюе його розв'язання вiдомими методами при об-численш симетричних (квадратичних) матриць. Даний план з я-стовпщв i к-рядк1в за умови, що п i к, можна

© С. Н. Попов, Т. В. Попова 2006 р.

ISSN 1607-6885 Hoei Mamepia.nu i технологи в металурги та машинобудувант №1, 2006

79