ПРОБЛЕМЫ МАШИНОСТРОЕНИЯ И НАДЕЖНОСТИ МАШИН
№ 2, 2012
УДК 621.752.2
© 2012 г. Гордеев Б.А., Горсков В.П., Осмехин А.Н., Охулков С.Н.
ВЛИЯНИЕ ГАЗОВЫХ ВКЛЮЧЕНИЙ НА ХАРАКТЕРИСТИКИ ГИДРАВЛИЧЕСКИХ ВИБРООПОР1
Рассматриваются вопросы повышения демпфирующих характеристик гидравлических виброопор. Показано, что при наличии в рабочей жидкости нерастворенных в ней пузырьков воздуха демпфирующие характеристики не ослабляются, а в ряде случаев значительно улучшаются. Испытания гидравлических виброопор проводились на вибрационном стенде в частотном диапазоне от 20 до 55 Гц. Частота вибрации платформы вибростенда изменялась дискретно с шагом 5 Гц. Поскольку входной вибросигнал стенда не был чисто гармоническим, в его спектре присутствовали гармонические составляющие от 0,5 до 100 Гц. Этот диапазон частот подвергался спектральной и кепстральной обработке. Выяснено, что эффективное гашение вибраций при наличии газовых полостей общим объемом 5 мл происходит во всем диапазоне изменения гармоник.
Физика возникновения явлений вихреобразования потоков жидкости в гидравлических виброопорах обусловлена наличием неоднородностей в ламинарном потоке, внешними вибрационными полями и температурными градиентами в рабочей жидкости. Известно, что нарушение ламинарного режима наступает в тех случаях, когда число Рейнольдса составляет для каналов цилиндрической формы число порядка 1200—1400. Однако при этом не принимаются в расчет центростремительное и корио-лисово ускорения жидкости, обусловленные геометрией каналов и воздействием внешних вибросигналов, не учитываются температурные градиенты, которые, в свою очередь, изменяют вязкость в некоторых случаях более, чем на порядок. Экспериментально установлено, что создание "вихревых шнуров" в компенсационной и рабочей камерах способствует повышению демпфирующих свойств гидроопоры в целом, так как все области жидкости в обеих камерах входят в режим вращательного движения при условии тангенциальных вводов потоков в камеры [1].
Поскольку в транспортном машиностроении снижение уровней шума и вибрации является актуальной проблемой, то повышение демпфирующих характеристик гидроопор приобретает решающее значение [2].
Большинство работ, посвященных изучению условий перехода от ламинарного режима к турбулентному, связано с движением жидкости в гладких трубах бесконечной протяженности. В данном случае при движении жидкости в дроссельных каналах, где длина канала одного порядка с радиусом, модели этого процесса будут иные. Практика построения моделей для изучения турбулентных движений показывает, что способы введения средних характеристик движения несущественны для составления полной системы уравнений движения, но являются главной основой для разработки методов экспериментальных исследований.
1Работа выполнена при частичной финансовой поддержке РФФИ (Грант № 08-08-97055-Р_Поволжье).
Для проведения экспериментальных исследований турбулизации рабочей жидкости и ее влияния на характеристики гидроопор в рабочий объем гидроопоры вводили от 5 до 10 мл воздуха при атмосферном давлении. При действии на гидроопору внешнего вибросигнала рабочая жидкость насыщалась дополнительно растворенным воздухом при повышении давления. При понижении внутреннего давления ниже атмосферного возникали явления кавитации и, как следствие, возрастание турбулизации. В настоящее время разработаны различающиеся между собой теории турбулентных течений в трубах, атмосфере и в системе реактивного двигателя, но отсутствует строгая теория турбулизации рабочей среды при работе гидроопоры, поэтому в первом приближении используется модель турбулизации предложенная в работе [6].
Рассмотрим турбулентное движение несжимаемой вязкой жидкости. Полная система уравнений в этом случае состоит из уравнения неразрывности и уравнений импульса, которые в декартовой системе координат имеют вид
д^ = о, рГ^' + = -др + ^+р^ (1)
д*- Г д' дхк) дх дХ '
где тк — компоненты тензора вязких напряжений; р = р(х, у, г) — поле плотности рабочей жидкости; = ^ Гу, — проекции плотности внешних массовых сил, включающие в себя плотность сил инерции на оси координат; и — скорость рабочей жидкости.
Для вязкой изотропной жидкости по закону Навье—Стокса
Тк = 2 е1к = 2 Г — + —
2 дх дх
где ц — динамический коэффициент вязкости; екк — тензор скоростей деформации.
При теоретических исследованиях турбулентных движений исходят из предпосылки о справедливости уравнений (1) для неустановившегося пульсирующего движения. В настоящее время не существует общей математической постановки задачи о произвольных турбулентных движениях и не выяснена возможность такой формулировки задачи.
Выходы дроссельных каналов в компенсационную и рабочую камеры можно считать источниками рабочей жидкости. Поэтому поле скоростей рабочей жидкости в этих камерах можно определить по заданным источникам и вихрям
е = &уу = V кик, ю = 1 гЛу.
2
Если поле скоростей известно, то с помощью операций дифференцирования легко вычислить е и ю. Инвариантные характеристики е и ю можно вывести для любого векторного поля.
При отсутствии дросселирования, в моменты перемены направлений действия силы на опорную плату гидроопоры Шу V = 0, уравнение распространения вихревых шнуров в вязкой несжимаемой жидкости примет следующий вид [6]:
^ = у + vAю, (2)
дг
где V — кинематический коэффициент вязкости.
Векторное уравнение (2) в проекции на ось г декартовой системы координат имеет вид
дЮ дю , я , л
—* = юх дх + юудю + ^юг (3)
Аналогичные уравнения получаются в проекциях на оси х и у.
4* 99
Уравнение (3) совпадает с уравнением диффузии или теплопроводности в неподвижной среде.
Таким образом, в переходных режимах проекции вихревого шнура выравниваются в общей массе жидкости по законам, аналогичным законам выравнивания температуры в неравномерно нагретом теле. В вязкой жидкости вихревые потоки рассеиваются по всему объему среды с общей тенденцией к равномерному распределению [3].
При длительной работе гидроопоры рабочая жидкость нагревается до 80°, что влечет снижение динамической вязкости на порядок, поэтому рабочая среда приобретает дисперсионные свойства. Входной вибросигнал можно интерпретировать как нестационарный случайный процесс с широким спектральным составом.
В случае рабочей среды с дисперсией фазовые скорости волн на различных частотах различны, вследствие этого фазовые соотношения между гармониками изменяются в пространстве весьма быстро. Отличительной чертой нелинейного распространения волнового пучка является асимметрия формы возмущения: периодический сигнал искажается несимметрично, фаза сжатия сокращается по длительности, а фаза разрежения растягивается. Сокращение фазы сжатия при равенстве площадей полупериодов приводит к тому, что пиковое значение положительного возмущения больше отрицательного.
Нелинейность изменяет ближнее поле излучателя: она сглаживает осцилляции амплитуды на оси в ближней зоне, наблюдаемые в однородных пучках с резко выраженной границей. В гидравлической виброопоре роль излучателя выполняет поверхность опорной платы, направленная в сторону рабочей камеры [1]. При наличии движения среды, в которой распространяются акустические сигналы, явления усложняются. В общем случае очень трудно отделить акустические явления от сугубо нелинейных процессов, имеющих место в движущейся среде [4]. Возможны также искажения фазовой скорости из-за турбулентности перемещающихся потоков в реологических средах. Экспериментально выяснено, что нелинейность гидроопоры при наличии газовых полостей в рабочей жидкости возрастает. Однако при этом усиливаются трбулент-ные потоки рабочей жидкости во всех полостях гидроопоры, что приводит к увеличению диссипации энергии внешнего вибросигнала. В уравнении (2) присутствует кинематический коэффициент вязкости V, который оказывает существенное влияние на турбулизацию потока рабочей жидкости и, следовательно, на диссипатив-ные характеристики гидроопоры. Коэффициент V зависит от многих факторов: градиентов температур в рабочей жидкости, ее плотности, насыщенности газами и т.д., поэтому следует ожидать, что диссипативные характеристики гидроопоры при наличии в рабочей жидкости растворенных газов будут изменяться.
Были проведены следующие экспериментные исследования. В центре платформы вибростенда устанавливали гидроопору с нагруженной инерционной массой в 90 кг (рис. 1). Измерительные преобразователи устанавливали в четырех контрольных точках, расположенных в углах инерционной массы прямоугольной формы. Такое расположение преобразователей позволило оценить ошибку измерений, возникающую вследствие изменения моментов инерции нагрузочной массы при работе вибростенда. Ошибка измерений виброперегрузок при тщательной центровке гидроопоры относительно инерционной массы не превышала 0,5%.
Испытания гидроопоры проводили в трех режимах: гидроопора без наличия газового пузырька; при наличии газового пузырька объемом 5 мл; при наличии газового пузырька объемом 10 мл. Частоту работы вибростенда задавали от 20 до 55 Гц в зарезо-нансном режиме с шагом 5 Гц. Входной вибросигнал измеряли на платформе вибростенда (рис. 1).
Оказалось, что входной сигнал, кроме основной частоты, на которую был настроен вибростенд, содержит множество гармоник, из которых превалировала гармоника частотой 0,5 Гц. Причины ее появления в спектрах входных вибросигналов достоверно не выяснены. Однако в выходном сигнале, после гидроопоры, она всегда ослаблялась, но только при наличии в гидроопре пузырьков воздуха.
Датчики Датчики
Рис. 1. Схема размещения вибродатчиков на вибростоле и плите-нагрузке
/, Гц
Рис. 3
На рис. 2 приведен график затухания вибросигнала при работе вибростенда на частоте 20 Гц при различных объемах воздуха растворенного в рабочей жидкости гидроопоры. Видно, что гашение вибросигнала наиболее существенно происходит с объемом воздушной камеры в гидроопоре 5 мл (кривая 2) составляет 10 дБ, по сравнению с гидроопорой без растворенного воздуха (кривая 1). При отсутствии растворенных газов в рабочей жидкости на низкочастотных гармониках от 0,5 до 3 Гц происходит усиление колеба
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.