Снижение загрязненности агрегатов гидропривода машин и механизмов на основе гидродинамической очистки

Использование пульсирующих потоков жидкости является эффективным средством обеспечения чистоты рабочих жидкостей систем гидравлического привода машин и механизмов.

В Самарском государственном аэрокосмическом университете сформулированы основные принципы создания гидродинамических технологий ускоренных эквивалентных испытаний и очистки внутренней поверхности агрегатов [1].

Они заключаются в следующем:

• 1.    Использование высокоамплитудного течения жидкости должно базироваться на учёте динамических характеристик основных элементов стендовых систем: трубопроводов, соединительных элементов и полостей.

• 2.    В качестве источников пульсирующего течения жидкости целесообразно использовать быстродействующие двухпозиционные, одно- и двухканальные дросселирующие и полнопроходные распределители золотникового типа с внешним электрическим или гидравлическим приводом.

• 3.    В структуры стендового технологического оборудования должны вводиться специальные устройства акустической развязки и граничных условий, предназначенные для локализации пульсирующих потоков на определенных участках системы, защиты стендового оборудования, снижения энергетических затрат на возбуждение колебаний и удобства управления режимами течения жидкости.

Применительно к очистке непроточных агрегатов (гидроаккумуляторы, гидроцилиндры) разработана схема гидродинамической очистки [2], представленная на рис. 1.

Схема включает в себя баллоны высокого и низкого давления (БВД и БНД), установленные в магистралях подачи и слива жидкости. Двухпозиционный двухканальный распределитель, выполняющий функции генератора колебаний (ГКЖ), периодически подключает объект очистки (ОО) к магистралям высокого и низкого давления с установленными пробоотборниками ПО1 и ПО2.

Принцип действия гидравлической системы иллюстрируется циклограммой срабатывания генератора и течения жидкости, представленной на рис. 2.

Полный цикл возбуждения колебаний состоит из фазы нагнетания, при которой объект очистки соединяется с магистралью высокого давления (рис. 2а), и фазы слива (рис. 2б). При соответствующем выборе параметров стендовой системы в полости объекта очистки развивается гидроударный процесс повышения давления (рис. 2в), сопровождающийся забросом давления и последующими затухающими колебаниями. При этом расход жидкости может достигать весьма значительных значений (рис. 2г). Происходит отрыв частиц загрязнений со стенок агрегата, которые переходят во взвешенное состояние в потоке жидкости. При подключении полости объекта очистки к магистрали слива происходит удаление частиц из полости агрегата (рис. 2д).

Исследования параметров течения жидкости, выбор геометрии магистралей стенда были проведены на модели процесса в среде Matlabe-SimuLink, представленной на рис. 3.

Модель включает в себя источники постоянного давления и слива Constant1 и Constant2, отражающие свойства баллонов высокого и низкого давления. Генератор колебаний моделировался переключателями Switch1 и Switch2 с временными сопротивлениями Rate Limiter 1 и 2.

Рис. 1. Схема возбуждения гидроударных колебаний при очистке непроточных агрегатов БВД, БНД – баллоны высокого и низкого давления; ДР – регулируемый дроссель; ГКЖ – генератор колебаний жидкости; М – привод; ПО – пробоотборник; О.О. – объект очистки

Рис. 2. Циклограмма течения жидкости и срабатывания генератора колебаний при возбуждении гидроударных колебаний

Рис. 3. Модель исследования колебаний жидкости при очистке непроточных агрегатов

Динамические свойства объекта очистки со- мальных значений давления. В противном слу- вместно с прилегающими магистралями моделировались колебательными звеньями второго порядка [3, 4] Transfer Fcn. Поскольку в геометрии магистралей в фазах нагнетания и слива различна, использовались два звена с соответствующими переключателями, работающими от общего управляющего генератора Sine Wave1. Регистрация вычисляемых параметров осуществлялась с использованием осциллографов. На осциллографе Scope регистрировались давление в полости объекта очистки, расход жидкости в полости и объём порций жидкости на входе и выходе.

Проверка адекватности расчетной модели проводилась сравнением результатов расчёта по приведенной модели с результатами физических экспериментов в стендовой системе с соответствующими параметрами.

В процессе исследований параметры стендовой системы варьировались в следующих диапазонах:

. Объём полости агрегата от 0,5 до 10 литров . Давление в магистрали нагнетания до 20 МПа . Давление в магистрали слива 0,5 МПа . Частота циклов нагнетания и слива от 20 до 200 Гц

. Диаметр соединительных магистралей от 4 до 12 мм

. Длина соединительных магистралей ограничивалась условием сосредоточенности пара меров £ <--, где X — длина волны колебаний.

2я

Основные результаты выполненных исследований заключаются в следующем:

• 1.    В процессе возбуждения колебаний на входе жидкости в полости агрегата скорость потока достигает 250 м/с и более (рис. 4)

• 2.    Переключение гидролиний нагнетания и слива целесообразно производить в моменты неподвижной жидкости в магистралях стенда, то есть при достижении максимальных или мини-

• чае происходит резкое изменение направления и скорости потока жидкости, значительной силы гидроудары и кавитация в потоке жидкости.

• 3.    Значения максимальных расходов жидкости повышаются с увеличением добротности стендовой системы в цикле нагнетания и в 7-10 раз могут превышать среднее значение расхода, реализуемое в процессе очистки (рис. 5). В то же время высокая добротность стендовой системы на линии слива нарушает устойчивость течения жидкости, вызывая в конце фазы слива кавитацию жидкости в полости агрегата. Именно поэтому гидравлические характеристики систем нагнетания и слива должны быть различными.

• 4.    Продолжительность фаз нагнетания и слива жидкости определяется следующими условиями. Начало фазы слива должно совпадать с максимумом давления в фазе нагнетания. Продолжительность фазы слива должна обеспечивать возможно полный слив жидкости из агрегата и падение давления до значений, близких к нулевому значению. Соотношение объёма вытекающей из полости агрегата жидкости (V_ож) и объема магистрали от полости до генератора колебаний (V_{магистр}) определяет эффективность выноса частиц загрязнений из условия: К >  V

• 5.    Продолжительность фазы нагнетания должна определяться с учетом геометрических размеров трубопроводов между баллоном высокого давления, проточной части генератора и соединительного канала от генератора до полости очищаемого агрегата. Время открытия магистрали нагнетания не должно превышать периода собственных колебаний стендовой системы T_о, образованной магистралью подачи и полостью агрегата (рис. 6). Инерционные свойства магистрали слива между генератором колебаний и баллоном низкого давления должны быть минимальными.

  

  Рис. 4. Достижимые скорости течения жидкости на входе в объект очистки (V_п=1·10^-3 м³/с; f_цн=50 Гц) при P_нагн=10 МПа (–––– ) и P_нагн=20 МПа (– – –)

  
  
  

  Рис. 5. Влияние добротности стендовой системы на относительный максимальный расход жидкости в полости агрегата объёмом V_ОО=1 . 10^-3 м³

  
  

ож магистр

Проверка количественных показателей процессов очистки агрегатов с использованием выполненных исследований показала высокую эффективность в условиях производства агрегатов за счёт сокращения длительно- сти очистки в 2-3 раза при одновременном увеличении числа удаляемых частиц загрязнений. Наибольшая эффективность была достигнута для частиц мелких размерных фракций 5-10 мкм и 10-25 мкм.

Рис. 6. Влияние времени открытия магистрали нагнетания на максимальный расход жидкости в полости ОО