Разработка и исследование метода газогидравлической очистки внутренней поверхности непроточных гидроагрегатов Турусин Сергей Васильевич

Содержание к диссертации

Введение

1 Обзор состояния проблемы очистки внутренней поверхности агрегатов. Цель и задачи исследований 11

1.1 Влияние загрязнённости рабочей жидкости на надёжность, ресурс и характеристики гидравлических систем. Источники загрязнения рабочей жидкости в производстве и эксплуатации гидросистем 14

1.2 Требования и нормы чистоты внутренних поверхностей и рабочих жидкостей 17

1.3 Анализ существующих методов очистки

1.3.1 Гидравлические методы очистки 22

1.3.2 Двухфазная газожидкостная очистка 32

2 Теоретическое описание процесса течения жидкости при заполнении полости 36

2.1 Источник высокого давления жидкости 37

2.2 Трубопроводы и присоединительная арматура 51

2.3 Гидравлический распределитель 56

2.4 Объекты очистки 61

2.5 Выводы по разделу 62

3 Исследование гидродинамики течения жидкости при очистке полости агрегатов. Оценка влияния конструктивно-технологических параметров стендовой системы 64

3.1 Структурная схема математической модели расчёта процесса течения жидкости 64

3.2 Исследование фазы наполнения полости агрегата

3.2.1 Влияние параметров соединительного трубопровода 75

3.2.2 Влияние гидрораспределителя 82

3.2.3 Влияние уровня скачка давления 84

3.2.4 Влияние давления предварительной зарядки полости 85

3.2.5 Влияние размеров полости очищаемого агрегата 87

3.2.6 Влияние параметров пневмогидроаккумулятора на характеристики течения жидкости 88 3.2.7 Анализ компоновки агрегатов гидравлической системы стенда 94

3.3 Исследование фазы слива жидкости из полости агрегата 100

3.4 Выводы по разделу 103

4 Экспериментальные исследования 104

4.1 Визуализация процесса течения жидкости при заполнении полости агрегата 104

4.2 Исследование параметров потока жидкости при заполнении и сливе жидкости из полости агрегата 111

4.3 Оценка эффективности технологических процессов 121

4.4 Разработка принципиальной схемы технологических стендов. Практические рекомендации 123

4.5 Выводы по разделу 124

Заключение 126

Список использованных источников

• Требования и нормы чистоты внутренних поверхностей и рабочих жидкостей
• Двухфазная газожидкостная очистка
• Гидравлический распределитель
• Влияние размеров полости очищаемого агрегата

Введение к работе

Актуальность темы.

Гидравлические системы летательных аппаратов - это важнейшие функциональные системы, обеспечивающие аэродинамические, посадочные, рулевые, погрузочно-разгрузочные и другие характеристики летательных аппаратов на этапах взлёта, полёта, посадки и маневрирования на земле.

Поэтому к надёжности работы гидравлических систем предъявляются многочисленные и жёсткие требования. Такие системы должны иметь максимальный коэффициент полезного действия, минимальные габариты и массу, максимальные характеристики надёжности и ресурса.

В полной мере таким требованиям должны удовлетворять и системы топ-ливопитания и топливной автоматики самолётов и двигателей.

Одной из характеристик гидравлических и топливных систем является чистота рабочих жидкостей в системах, во многом определяющая надёжность рассматриваемых систем.

Обеспечение высокого уровня чистоты рабочих жидкостей является не только важной, но и технически сложной проблемой. Достижение необходимого уровня чистоты – это трудоёмкие, длительные и весьма затратные технологии при производстве и ремонте отдельных деталей, узлов, агрегатов и систем в целом.

Однако, до настоящего времени разработка новых более эффективных методов и технологических процессов обеспечения чистоты рабочих жидкостей авиационных систем является актуальной задачей, решение которой позволит уменьшить стоимость производства и ремонта, повысить надёжность работы авиационной техники.

Степень разработки темы диссертации

Решению данной задачи с начала 70-х годов посвящены работы крупнейших научных институтов, производственных организаций и высших учебных заведений страны и за рубежом. Среди них следует выделить работы Сапожни-кова В.М., Тимиркеева Р.Г. (НИАТ, г. Москва), Свиридова А.Н., Ваганова В.М. (МАТУ, г. Москва), Данилова В.М. (г. Воронеж), Шахматова Е.В., Санчугова В. И. (СГАУ, г. Самара) и др. авторов.

На основе исследований данных авторов в промышленности стали появляться ультразвуковые, вибрационные, двухфазные газогидравлические и гидродинамические технологии очистки внутренней поверхности агрегатов и систем. Однако, и они до сегодняшнего дня остаются весьма длительными и дорогостоящими. Например, очистка агрегатов шасси растягивается до 5…6 часов технологического времени и требует значительных затрат энергии.

Цель работы.

Разработка и исследование метода газогидравлической очистки внутренней поверхности непроточных агрегатов, основанного на возбуждении переходного процесса заполнения жидкостью полости агрегата, предварительно заполненного газом.

Задачи исследований.

1. На основе анализа гидродинамики течения жидкости при газогидравлической очистке определить структурный состав и принципиальные схемы технологических стендов для очистки непроточных агрегатов.

2. Создать математическую модель процессов газогидравлической очистки непроточных агрегатов, определить характеристики основных узлов стендовых систем.

3. Определить области применения, режимные и технологические ограничения применения газогидравлической очистки непроточных агрегатов.

4. Провести экспериментальные исследования по оценке течения жидкости при заполнении полости агрегата жидкостью и проверке адекватности разработанных математических моделей.

5. Сформировать аналитические критерии оценки эффективности процессов газогидравлической очистки агрегатов для научно-исследовательских и промышленных условий применения.

Научная новизна работы заключается в следующем:

6. Впервые разработаны математические модели газогидравлической очистки непроточных агрегатов, учитывающие переходные процессы течения жидкости в полость, предварительно заполненную газом, и учитывающие динамические характеристики агрегатов и трубопроводов стендовых систем.

7. Разработана методика расчёта параметров течения жидкости при заполнении полости жидкостью, позволяющая определить основные параметры технологического процесса очистки, области применения, режимные и технологические ограничения применения газогидравлической очистки непроточных агрегатов.

8. Сформированы критерии оценки эффективности процессов газогидравлической очистки непроточных агрегатов.

Теоретическая значимость работы заключается в том, что выполненные исследования позволяют расширить представление о параметрах переходных процессов не только при очистке агрегатов, но и при включении и изменении режимов работы гидросистем и других аналогичных ситуациях.

Практическая значимость работы состоит в том, что на основе выполненных исследований может быть создан ряд новых эффективных технологий очистки корпусных агрегатов, гидроцилиндров и трубопроводов.

Методология исследований базируется на использовании классических законов гидродинамики, современных средств и программного обеспечения вычислительной техники, теории автоматического регулирования.

Методы исследований, используемые в работе: теоретические и экспериментальные.

Теоретические методы базируются на математическом описании динамических характеристик трубопроводов и гидравлических агрегатов, использовании программного обеспеченияMatlab + Simulink.

Экспериментальные методы основаны на технологии «лазерного ножа», скоростной видеосъёмки для получения визуальной картины течения жидкости

в переходном процессе заполнения полости жидкостью, использовании специально созданной лабораторной установки с измерительной аппаратурой компании Hydac.

Положения, выносимые на защиту

9. Математические модели процессов очистки непроточных агрегатов, предварительно заполненных газом и учитывающие динамические характеристики стендовых трубопроводов, агрегатов и объектов очистки.

10. Результаты исследования влияния основных конструктивно-технологических параметров агрегатов стендовых систем для достижения максимального расхода жидкости на входе в агрегат.

11. Математические критерии количественной оценки эффективности очистки, учитывающие значительное газосодержание потока на выходе изделия и короткую длительность технологического процесса.

12. Принципиальные схемы, режимы и методики технологического процесса для использования в условиях опытного и серийного производства на предприятиях авиакосмической и других отраслей промышленности.

13. Результаты экспериментальных исследований визуализации течения жидкости и проверки адекватности разработанных математических моделей.

Степень достоверности и апробация результатов

Достоверность полученных результатов обеспечивается корректностью поставленных задач исследования, экспериментальной оценкой адекватности математических моделей на специально созданном лабораторном оборудовании.

Основные положения диссертационной работы и практические результаты исследований докладывались: на Международной молодежной научной конференции «XII Королёвские чтения», 1-3 октября 2013 г., г. Самара; 2-ой Международной научно-технической конференции «Динамика и виброакустика машин» 2014 г., г. Самара; XII Международной практической конференции «Современные концепции научных исследований», Евразийский союз учёных, 2015 г., г. Москва.

По теме диссертации опубликовано 9 статей, из них 2 в периодических и научно-технических изданиях рекомендованных ВАК РФ, 2 статьи опубликованы в изданиях, индексируемых в базе данныхScopus.Получено 2 патента на изобретения.

Структура и объём работы.

Диссертационная работа состоит из введения, четырёх разделов, заключения, списка использованных источников из 158 наименований. Основная часть диссертации изложена на 140 страницах, содержит 82 рисунка и 20 таблиц.

Требования и нормы чистоты внутренних поверхностей и рабочих жидкостей

Необходимую степень чистоты внутренних поверхностей элементов гидросистем и рабочих жидкостей устанавливают на основании изучения влияния размера, концентрации, природы и твёрдости частиц загрязнений на показатели надёжности и долговечности наиболее ответственных деталей и узлов машин. Кроме этого следует учитывать величины зазоров в сопрягаемых деталях гидроагрегатов, скорости взаимного перемещения деталей, твердость и шероховатость их поверхностей, величины рабочего давления и температуры жидкости. Это свидетельствует о том, что нормирование чистоты жидкости для каждой системы или класса является сложной задачей. Вместе с тем требования не должны быть чрезмерно жёсткими, так как увеличение чистоты жидкости приводит к увеличению затрат на фильтрацию. При повышении чистоты жидкости в два раза (при переходе к каждому последующему классу чистоты) затраты на её очистку (фильтрацию) примерно удваиваются [59]. Вместе с тем, практика обеспечения промышленной чистоты показывает, что ресурс элементов гидросистемы может быть увеличен, а затраты на её обслуживание и ремонт снижены, если для очистки рабочей жидкости применять устройства с абсолютной тонкостью фильтрации, равной 3…10 мкм [22]. Чистота жидкости регламентируется стандартами, например, ГОСТ 6370-83 [45], 10227-86 [37] и др. [39, 40, 44, 46]. В гидравлических системах общепромышленного назначения жидкость считается чистой, если при анализе пробы по ГОСТ 6370-83 загрязнения по массе не превышают 0,005%, что составляет 50 мг/л. Однако данный способ контроля не может показать, присутствуют ли в жидкости твёрдые частицы определенных размеров, опасных для данного агрегата или системы. В настоящее время разработаны стандарты, нормирующие чистоту технических жидкостей и рабочих полостей машин по гранулометрическому (дисперсному) составу. В 1971 г. был утвержден ГОСТ 17216-71 (ГОСТ 17216-2001 [38]), который устанавливает 19 классов чистоты жидкостей, каждому из которых соответствует определенное число частиц различного размера, содержащихся в 100 см3 жидкости. Кроме того, в данном ГОСТе дана и масса загрязнений, которая для 6…12 класса дана факультативно, т.е. не является обязательным контрольным параметром, а для 13…17 класса - обязательным контрольным параметром. Стандарт предусматривает подсчёт частиц загрязнений размером от 0,5 до 200 мкм в восьми размерных группах, а также волокон, толщина которых не превышает 30 мкм, а отношение длины к толщине не менее 10:1.

В первом приближении классы чистоты по ГОСТ 17216-2001 можно разбить на три группы [104]: - классы 00…2-й – жидкости для прецизионных приборов, особо точных лабораторных работ и контрольных операций; - классы 3…12-й – жидкости для контрольно-испытательных и промывочных стендов при производстве аппаратуры топливных и гидравлических систем, систем управления и топливных систем транспортных машин от поставки до эксплуатации включительно, систем прецизионных станков, смазочно-охлаждающих жидкостей на финишных операциях и т. д.; - классы 13…17-й – жидкости для силового оборудования в общем машиностроении и т. д. Для успешного использования методов контроля чистоты рабочих жидкостей по ГОСТ 17216 разработан ряд отраслевых стандартов [73…78, 89, 90].

За рубежом имеется ряд стандартов по чистоте рабочих жидкостей, применяемых в гидравлических системах: NAS-1638; SAE, ARP-598; SAE, ASTM и AIA и др. [36, 80, 81, 82, 139…148]. Так, например, стандартом NAS-1638 установлено 14 классов чистоты жидкостей, применяемых в гидравлических системах. В соответствии с этим стандартом количество частиц загрязнений для каждого последующего класса удваивается, а при переходе от каждой размерной группы к группе более мелких частиц их число в каждом классе увеличивается приблизительно в 6 раз.

Для оценки качества очистки внутренних поверхностей гидроагрегатов и систем используются непосредственные (прямые) и косвенные методы контроля. Непосредственная оценка качества очистки заключается в определении количества частиц, находящихся на внутренней поверхности (или единице площади поверхности) изделия, по результатам визуального осмотра. Непосредственная оценка осуществляется с помощью серийных или специальных приборов – эндоскопов, обеспечивающих доступ к осматриваемой поверхности. Ввиду ограниченности разрешающей способности эндоскопов применение непосредственной оценки допускает осуществление качественной оценки типа «лучше – хуже», но не позволяет осуществить количественную оценку.

Косвенные методы оценки качества заключаются в определении количества частиц, выносимых из объекта очистки вместе с промывочной жидкостью. В связи с разработкой приборов автоматического гранулометрического анализа частиц загрязнений [115, 70, 118, 54, 55, 30], косвенные методы получили наибольшее распространение. Вопросы оценки качества очистки с использованием косвенных методов контроля достаточно подробно освещены в литературе [117, 119 и др.] и нормативно-технической документации [38, 43, 46 и др.].

Основной технологической особенностью косвенной оценки качества очистки является необходимость проведения контроля (отбором проб или непосредственно в потоке) на режиме, при котором расход промывочной жидкости не ниже расчётного технологического значения. Всякое уменьшение расхода уменьшает грязесодержание промывочной жидкости и искажает объективность полученных результатов.

Однако действующие в промышленности методы контроля чистоты гидравлических систем и агрегатов базируются на анализе загрязнённости жидкостей на линии слива промывочной жидкости. Такие методы имеют не только существенные недостатки, но и в ряде случаев способствуют получению искажённой информации. Так, в производстве известны ситуации, когда из заведомо «грязного» агрегата или системы вытекает чистая промывочная жидкость, и даже случаи, когда вытекающая жидкость оказывается чище, чем жидкость, поступающая на вход изделия из промывочного стенда. Объясняется это тем, что контроль чистоты жидкости производится при уменьшенном расходе, процесс сопровождается не чисткой, а загрязнением агрегата за счёт осаждения частиц на внутренние поверхности.

Обеспечение высоких требований к чистоте рабочих жидкостей в гидротопливных системах ЛА достигается выполнением целого ряда специальных технологических процессов, основными из которых являются: - тщательная очистка рабочих жидкостей перед заправкой гидросистем воздушных судов и технологических стендов с помощью специальных установок, использующих электростатические [119], центробежные [21, 23, 24] фильтры, специальные ёмкости с избыточным давлением газа (азота) и средства закрытой заправки; - тщательная очистка наружных и внутренних поверхностей деталей трубопроводов и гидроагрегатов в производстве и ремонте; - постоянная встроенная система фильтрации рабочих жидкостей, оснащённая сигнализаторами засорённости фильтров специальными отсечными клапанами, предотвращающими утечку рабочей жидкости и т.д.

Наиболее сложной задачей обеспечения чистоты рабочих жидкостей является разработка эффективных технологических процессов очистки внутренних поверхностей агрегатов и трубопроводов в производстве и ремонте, которая объясняется тем, что разработка таких процессов должна учитывать особенности производства, исходный и необходимый уровень загрязнённости агрегатов, эффективность отрыва частиц загрязнений со стенок, условия взвешивания частиц в потоке жидкости и удаления их из внутренних полостей.

Такие процессы составляют значительную долю финансовых, трудовых и временных затрат в общей стоимости производства гидротопливных систем ЛА.

Так, например, очистка трубопроводных коммуникаций современных ЛА в цехе общей сборки превышает иногда 5 … 6 рабочих смен. При этом используется оборудование мощностью до 50 кВт. Очистка подкос - подъёмника основной стойки тоже продолжается до 5 … 6 рабочих часов.

Двухфазная газожидкостная очистка

Основная особенность разрабатываемого технологического процесса - короткая длительность подачи жидкости под высоким давлением, исчисляемая несколькими долями секунд, и высоким значением расхода жидкости.

В гидравлических системах широко известно применение пневмогидравлических аккумуляторов в качестве резервных (или дополнительных) источников гидравлической энергии. Такие устройства используют энергию сжатого газа, находящегося в замкнутой полости аккумулятора, и могут обеспечивать высокую энергию жидкостного потока в ограниченное время.

Пневмогидравлические аккумуляторы (ПГА) [68] Пневмогидравлический аккумулятор представляет собой закрытый сосуд, заполненный сжатым газом с некоторым начальным давлением рн зарядки; при подаче в этот сосуд жидкости объём газовой камеры уменьшается, вследствие чего давление газа повышается, достигая к концу зарядки (заполнения) жидкостью значения ртах Количество поданной в аккумулятор жидкости и среднее давление газа, которое приближенно для изотермного процесса может быть принято равным рср=- (рн+Ртах) определяют запас энергии (энергоёмкость), которая может быть полностью или частично использована при разрядке аккумулятора.

В аккумуляторах, применяемых в гидравлических системах машин, жидкость и газ обычно разделены поршнем или другими средствами. Разделение жидкостной и газовой сред в основном применяется для устранения возможности растворения газа в жидко 38 сти. Аккумуляторы с разделением сред можно устанавливать в любом положении. Кроме того, при их применении упрощается решение вопроса обеспечения сохранности зарядки аккумулятора газом в перерывах в работе гидросистемы.

В соответствии с типом применяемого разделителя сред различают поршневые и диафрагменные аккумуляторы, наиболее простыми из которых являются поршневые устройства (рисунок 2.3).

Поршень в цилиндре герметизируется резиновыми уплотнительными кольцами, основным назначением которых является уплотнение газовой среды с целью предотвращения потерь газа при нулевом давлении жидкости (в нерабочем состоянии аккумулятора, которому соответствует начальное давление газа). При работе же аккумулятора, т. е. когда его поршень находится по взвешенном состоянии, давления жидкости и газа фактически равны между собой.

Так как обеспечить уплотнение газовой среды значительно труднее, чем жидкостной, в некоторых аккумуляторах (рисунок 2.3, а) применяют так называемый жидкостный затвор, достигаемый заполнением жидкостью полости 2 поршня, соединенной с круговой проточкой 1 на нём. Очевидно, что указанный аккумулятор допускает лишь такую (вертикальную) установку, при которой газовая полость находилась бы в верхнем положении.

Для того чтобы устранить возможность потери газа при неработающей гидросистеме, применяют клапан самоотключения (рисунок 2.3, б), который при приходе поршня в крайнее положение, соответствующее разряженному аккумулятору, перекрывает выходное (расходное) отверстие, запирая в цилиндре аккумулятора некоторое количество жидкости. Вследствие того, что давление жидкости в этом запертом объёме будет практически равно давлению газа (даже несколько выше последнего за счёт разности площадей жидкостной и газовой камер цилиндра аккумулятора при запирании выходного канала), утечка газа будет практически устранена.

Поршневые аккумуляторы обычно выпускают на общий (конструктивный) объём до 100 л при давлении до 22,0 МПа и до 50 л при давлении до 40,0 МПа. Степень сжатия газа в аккумуляторе обычно равна 5:1. Давление в поршневых аккумуляторах можно повысить, используя принцип действия преобразователя [выбором соотношения площадей поршней газовой и жидкостной полостей] до значения 100,0 МПа и выше. Для увеличения конструктивного объёма аккумуляторов их соединяют в группы. Недостатком поршневых аккумуляторов является наличие сил трения поршня в цилиндре, которые создают гистерезис в работе. Потери давления на преодоление сил трения поршня достигают обычно 1,5…3 МПа. Кроме того, поскольку сила трения покоя поршня, уплотненного резиновыми кольцами, может превышать (в 4 раза и более) силу трения при движении (при длительном же пребывании поршня в покое это превышение может достигать десятикратного значения), возможны скачкообразные движения поршня, которые вследствие наличия упругого элемента (газа) и значительной массы и соответственно инерции поршня могут перерасти в колебания последнего. Вследствие значительного веса поршня и больших его ускорений, требующихся при работе, сила инерции поршня при этих колебаниях может достигать таких величин, которые могут вызвать значительные колебания давления в газовой камере аккумулятора и в связанной с ним гидравлической магистрали, способные послужить причиной усталостных разрушений деталей аккумулятора (узла крепления крышки) и различных гидроприборов.

К недостаткам поршневых аккумуляторов следует отнести также возможность нарушения, и в особенности в условиях низких температур, герметичности по месту посадки поршня в цилиндре, в результате при неработающем аккумуляторе может произойти утечка газа.

Эти недостатки устранены в аккумуляторах, в которых среды разделены эластичной резиновой диафрагмой (мембраной) (рисунок 2.4), зажатой между разъемными поверхностями корпуса аккумулятора. Рисунок 2.4 - Схемы аккумуляторов с резиновыми (а и б) и сильфонным (в) разделителями сред

Так как в аккумуляторе с подобной диафрагмой давление газа передается непосредственно на поверхность жидкости, последняя будет находиться под тем же давлением, что и газ. В целях предохранения резины от воздействия кислорода воздуха последний в большинстве конструкций заменен инертным газом (азотом), при применении которого срок службы значительно повышается. Широко применяются аккумуляторы с резиновыми разделителями баллонного (рисунок 2.4, а) и сферического (рисунок 2.4, б) типов. Диафрагма должна иметь такие размеры и форму, чтобы при разрядке аккумулятора на ней не образовывались складки и растяжение. Это относится в первую очередь к аккумуляторам, предназначенным для работы в условиях низких температур, при которых резина теряет эластичность. Ёмкость и внешняя работа аккумулятора

Расчёт газогидравлического аккумулятора в основном сводится к определению его конструктивной (полной) ёмкости (Vк) и полезного объёма (VJ жидкости (объём жидкости, вытесняемой газом из аккумулятора в процессе полной его разрядки, при понижении давления газа в заданном диапазоне). Произведение полезного объёма на среднее давление газа в этом диапазоне давлений определяет внешнюю работу (энергию) аккумулятора.

При выборе конструкции и рабочих параметров аккумулятора руководствуются в основном стремлением получить его минимальный вес и объём, т. е. рабочие параметры аккумулятора должны быть такими, чтобы при минимальном конструктивном объёме и заданном минимальном диапазоне давления была достигнута максимальная полезная ёмкость (объём) аккумулятора.

Гидравлический распределитель

Средняя часть схемы - вычислительный блок, осуществляющий расчёт параметров технологического процесса в соответствии с аналитическими выражениями, описывающими работу агрегатов стенда и представленными в разделе 2.

В соответствии со структурной схемой рисунка 2.2 основу модели составляет вычисление расхода жидкости, обусловленного инерционностью жидкости в соединительном трубопроводе. Этот расход определяется использованием блоков Product 4 и Integrator 1. Расчётные соотношения для вычисления инерционного расхода жидкости представлены выражениями (2.34), (2.35).

Входным возмущением для определения расхода жидкости является давление на выходе пневмогидроаккумулятора, вычисляемого по формулам (2.21), (2.22) и (2.23). Вычисление давления осуществляется блоками Product10 и Product1 1 по исходным данным (блоков Constant 8 - Constant10). Найденное давление уменьшается на величину трения разделителя сред (блок Gain4) и инерционного сопротивления разделителя (блоки Derivative 1 и Gain5). Кроме того, найденное значение давления на выходе ПГА уменьшается на величину активных потерь давления в трубопроводе и текущего значения давления в полости очищаемого агрегата.

Перепад давления, обусловленный трением жидкости, определяется суммой линейных и нелинейных потерь при ламинарном и турбулентном течении жидкости в соответствии с формулами (2.36) - (2.42). Вычисление АРШМ в разработанной модели выполнено следующим образом. По исходным данным (диаметр трубопровода, коэффициент кинематической вязкости жидкости и критическое число Рейнольдса) в блоке Product 8 определяется максимальное значение расхода жидкости при ламинарном течении:

После этого найденное значение расхода умножается на коэффициент передачи (блок Gain2), используя выражение (2.37). Но поскольку течение жидкости в процессе заполнения полости носит знакопеременный характер, вычисление АРШМ необходимо организовать с учётом изменения направления течения. С этой целью в модель введен управляемый переключатель Switch, который учитывает изменение направления течения. Переключатель настраивается на переход через нуль разницы сигналов текущего значения расхода жидкости по трубопроводу и максимального расхода при ламинарном течении. Для учёта перехода расхода через нуль дополнительно используется звено перемены знака (Gain3).

Вычисление нелинейного сопротивления трения при турбулентном течении организовано следующим образом. По формулам (2.41) и (2.42) определяется перепад давления на концах трубопровода при турбулентном течении:

Параметры, регистрируемые осциллографом Scope 1 Для расчёта параметров течения жидкости в фазе слива жидкости из полости агрегата в модель введен управляемый переключатель Switch 1, который по сигналу блока Ramp подключает полость очищаемого агрегата и магистрали слива, давление в которой отображается блоком Constant 7. Переключатель настраивается на переход через нуль сигнала Ramp. При этом из работы выключается пневмогидроаккумулятор и жидкость сливается из полости агрегата. Поскольку модель работает и после срабатывания переключателя, аккумулятор заряжается до полного значения давления блока Constant 10, что контролируется верхним лучом регистратора Scоpe 2.

Полученное значение объёма делится на величину полного объёма агрегата (блок Product 7) и умножается на значение предварительной зарядки агрегата газом. Таким образом, в соответствии с выражениями (2.40) - (2.42) определяется текущее значение давления в полости агрегата.

Течение жидкости в фазе наполнения полости агрегата определяет эффективность отрыва частиц загрязнений от стенок агрегата. Данный процесс напрямую зависит от скорости течения жидкости на входе в полость агрегата, которая в свою очередь определяется конструктивно-технологическими параметрами стендовой системы подачи жидкости. Поэтому целью настоящих исследований является оценка влияния на величину скорости течения следующих параметров: - длины и диаметра соединительных трубопроводов и гидравлического сопротивления распределителя; - геометрических параметров и характеристик пневмогидроаккумулятора; - давления предварительной зарядки полости агрегата газом; - величины объёма полости очищаемого агрегата; - компоновки агрегатов гидравлической системы стенда.

С целью получения более наглядных данных исследования проводились на упрощенной математической модели, представленной на рисунке 3.7. Она отличается от полной модели, представленной на рисунке 3.2, тем, что свойства ПГА заменены ступенчатым изменением давления на входе в трубопровод, реализуемым блоком Step.

Влияние параметров соединительного трубопровода Исследовалось изменение длины трубопровода от ПГА до полости агрегата, которая принимала значения тр-да = 03; 0,4; 0,5; 0,6; 0,8; 1,0 и 1,5 м. При этом диаметр трубопровода оставался постоянным и равным 110-2м. Сопротивление гидрораспределителя не принималось во внимание.

Влияние размеров полости очищаемого агрегата

Для обеспечения оптической прозрачности очищаемого агрегата была разработана и изготовлена модель-имитатор. Имитатор внутренним объёмом 780 см3 имел три прозрачных окна в вертикальной плоскости, два из которых были установлены напротив друг друга, а третье окно - напротив глухой стенки. Окна, установленные напротив друг друга, использовались для введения световой полосы – лазерного «ножа» толщиной примерно 0,2 мм. Через третье окно производилась регистрация рассеиваемого из плоскости лазерного «ножа» излучения.

Непрерывный Nd: YAG – лазер 2 типа KLM-532-30 2 с мощностью излучения 30мВт и длиной волны 532 нм с помощью оптической системы 4 обеспечивал расположение луча посредине модели агрегата. Скоростная видеокамера типа FastVideo-250 обеспечивала съемку процесса с частотой от 200 до 1000 кадров в секунду. Пространственное разрешение видеокамеры составляло 640480 pix. С помощью короткофокусного объектива фокусное расстояние настраивалось на плоскость лазерного «ножа». Эксперименты проводились сериями при различном давлении зарядки ПГА и скорости съёмки. Лучшие результаты дают записи процесса на скорости 300 кадров в секунду. Для примера на рисунке 4.6 приведена структура течения потока жидкости при давлении 0,5 МПа и скорости съёмки 300 кадров в секунду.

На представленной фотографии потока структура выглядит осесимметричной, т.к. световой поток распространяется слева направо и правая часть потока на фотографиях оказывается менее освещенной за счёт рассеивания потока.

На рисунке 4.7 приведены последовательные кадры развернутого во времени t процесса формирования структуры двухфазного потока при прохождении жидкости через нормированное входное отверстие диаметром 10 мм. За начало процесса принято появление на входе ореола высокодисперсной структуры (t = 0). Данная туманообразная структура находится на пределе разрешения применявшейся видеокамеры. В следующий момент времени (t = 3,3 мс) на фоне продвинутой высокодисперстной структуры визуализируется появление первичных разрозненных пузырьков воздуха. При t = 6,6 мс зарегистрировано сечение формирующейся струи в виде периферийной каплеобразной структуры с высокодисперсной составляющей в приосевой области. На следующем кадре (t = 9,9 мс) дано сечение расширяющейся двухфазной струи в момент распада каплеобразной составляющей. При этом ещё можно выделить высокодисперстную приосевую область. Далее струя приобретает вид более-менее однородного двухфазного потока, продвигающегося со скоростью 3-4 м/с. Характерным для следующих моментов времени является выделение в потоке зон, отличающихся по интенсивности рассеянного излучения (t = 13,2 мс), а также имеющих ступенчатые переходы (t = 16,5 мс).

Эксперименты проводились двумя сериями: - эксперименты при различном давлении зарядки ПГА (от 0,2 до 0,7 МПа) и при полностью слитой жидкости из полости агрегата; - эксперименты при разных уровнях несливаемой из полости жидкости (от 10 до 80 мм), что составило от 5 до 15% объёма полости. Расчёт скорости движения потока жидкости осуществляется на основе фиксации траектории перемещения частиц воздуха, находящихся в потоке с учётом тарировочного коэффициента, представляющего собой отношение ширины прозрачного окна модели на экране монитора (158 мм) к физической ширине окна (46,5 мм). При этом время перемещения частиц соответствовало времени экспозиции кадра (от 1/300 до 1/1000 с).

1. Процесс течения жидкости при заполнении полости представляет собой высокоскоростную струю, которая достигает противоположной стенки полости и затем разбивается на отдельные вихри с воздушными пузырьками с размерами до нескольких микронов в диаметре. Затем по мере уменьшения скорости истечения пузырьки воздуха начинают укрупняться и устремляются вверх. Скорости вихрей жидкости уменьшаются и стремятся к нулю.

2. Процесс истечения жидкости состоит из двух фаз: - первоначального разгона жидкости, обусловленного падением давления и расширением жидкости в гидравлической полости ПГА; - последующего разгона жидкости, обусловленного расширением газа в ПГА.

3. Скорость истечения жидкости в процессе заполнения полости достигает 3….6 м/с при зарядке ПГА давлением 0,3 …0,6 МПа. При этом скорость жидкости фиксировалось в левой части сечения потока, так как в центральной части сечения зафиксировать скорость течения не представлялось возможным.

4. Увеличение первоначального уровня жидкости в полости перед началом заполнения значительно снижает скорости течения ввиду сопротивления слоя покоящейся жидкости. Об этом наглядно свидетельствует значительное расширение струи истекающей жидкости.

5. Реализуемые скорости потока жидкости близки к расчетным значениям, определяемым по разработанной математической модели.

Целью экспериментальных исследований явилась проверка адекватности разработанной математической модели процесса заполнения жидкостью полости промываемого агрегата. Проверка проводилась сравнением изменения давления в полости в результате расчёта по модели и физического эксперимента.

В качестве модели использовалась полость агрегата (гидравлического фильтра) объёмом 0,5410-3м3. Принципиальная гидравлическая схема экспериментальной установки представлена на рисунке 4.8. магистраль подачи жидкости; 2, 10, 14, 16 – вентили; 3, 13 – обратные клапаны; 4 – манометр гидравлической линии; 5-7 – пневмогидроаккумуляторы (3 шт.); 8 - быстродействующий распределитель; 9 - соединительный трубо провод; 11 - полость агрегата, 12 - датчик давления; 15 – магистраль подачи воздуха; 17 – манометр пневматической линии; 18 – персональный компьютер