автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.13, диссертация на тему:Разработка и совершенствование характеристик крупномасштабных вихревых клапанов

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫ;]; ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

Семян Дмитрий Александрович

I

РАЗРАБОТКА И СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК КРУШСМАИТАБНЫХ ВИХРЕВЫХ КЛАПАНОВ /

05.04.13 - гидравлические малины и гидролневкоагрегаты

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 1992

Работа выполнена на кафедре гидропривода и гидропневмоавтоматики Луганского машиностроительного института.

Научный руководитель кандидат технических наук,

доцент, | СУ-ПЭТА В.И. |

Официальные оппоненты: доктор технических наук,

профессор, Королёв В.А.

кандидат технических наук, доцент Спрудэ К.К.

Ведущая организация: Украинский научно-исследовательский и проекно-конструкторский институт по обогащению и брикетированию углей - УкрНИИуглеобогацение.

Защита состоится 1992 г. в

часов на васедании специализироьанного'совета К 063.30.01 , в Санкт-Петербургском государственном технического университе

те. (195251, г. Санкт-Петербург, ул.Политехническая, 29

С диссертацией можно ознакомиться ь библиотеке Санкт-Петербургского государственного технического университета

Автореферат разослан " ^^______^^__, 1992 г.

С а

/

Ученый секретарь специализированного совета

Грлнко Л.П.

Г С-л |{ду.| ? ,,... •

г>>: !>*-'<■ г лунная!

БИБЛИОТЕКА 3

ОБ^дн характеристика РАБОТЫ

А:-:туаа:-.:юсть тру:;. Использование эдакеитов струйной мз.ч-ротехшгки вместо устройств с механическими подежкш.;:! частями для целей упревлзкия силот^мл потока?.::-: кндхостей :: газов, с цехом ряде гидрязлипеснпх и пнегматилеских систем, маллл; и агрегатов пооиоллет супрстпслло лс:;л:нс:> ж надежность.

Особую 1нсг.:г.!Ост1> эта арсблс-1/л пркоЗрегаэт" в оСсгатлтоль-кой п?с*.а:2лс!п:00?и. Тех г. углссС-зггсз:*::::. где \\3zr.v. 1:р:е;-э:!гхто результат!: продстгс^енякх г. дхссертгхц:;! исслегсвсц::*, саше ¿ОХ доо:;Еае:,:ого уг.п: ебоиацаетсл в г::„рзькпос:с!Х отсадочных мгхипгач (С.0 • В нйзто.:^-; г зр-л-я ьксплуг-гируятся СМ сскжлшие Ротсрко-еосогиккреу::;:. ьк'.^ра.чигст и кеэтзншсди пульскгаракц -одшзи из ка::3сл.-е отлесстЕеилкх углсп ¡:£.т:.1-:а. Н&ягкга г^рлзи-вов и пыли з рг.:сч;:х средах приводит Систрсму изисгт/ трущихся дета-сй, поручений оспинст работы и г-ыходу из строл пульсаторов.

Анализ харглссернстн:: еле:.:е;;:св струйной теипнпи псзсолл-ет говорить о принципиальной гос:,:с:-;::остл сссдапил пульсаторов ¡•а бане вихрет^х илап-гнов ¡.ЬК). т.::. они способны дросселировать проходлцне через лих по токи нипних сред. Однако затраты га поллсо г.лслансз сссгазхлзг 15-СО % от ссноькзй

кощюстл. что л:::::) в стрельних случаях жкно считать прк««&-дли упратленил поток:;,:л в дсолтип :;лло::атт.

1 _пьллотсл сэьсрг.лютЕОваяио характернст;::;

зихрешх л методов ::.■: расчета.

Научна'! аанл.мчгетсл в тс:.;, что:

- р..траОо;а!га мате^тпчсс-гт! модель течения нсслимасмои ьягксй йлцности г. глл:срто:.: ;псгл БК с гладки:.:;! ¡1 ¡терохосать::.:;:-стонка:.!:1 длл чисел Ее > 10&;

- уссеннплепо на соискании рог-мим жтогратьких уравнений для попрании:.-:>го слои на стеккгч впхрепол камеры, что кзкене-ш;--' циркуллрип гдэль радиуса ¡пл;ер:! епродедлетсл единственны.! конплс нос:,:, составлен;::::: пп гео:,:этр;п°с:-;:х параметров клапана, числа 1ч..:::о.::;,;:са и о:поеитольпсй 1;;ер:~хо?атости стенок замерь:;

- олро;:".'.;:::: с-кспсг^^слтагь^путем апанснил кот'М-пд,:ен-р:.;ходл для ¡:ла:;а;:о:, с трспл тил:^:: подводов потока питания к ыя^/И каперу: р^зазыагл (СК-Р), рлдиалыю-кодьцез!.:.! (ЗК-ГК) ;: осев;,:;,! СЗК-О):

- установлены области геометрических размеров, обеспечивающих оптимальные значения давления, расхода и мощности потока запирания.

- определены на оскоЕе экспериментальных данных динамические свойства ВК с диаметрами вихревых камер до одного метра;

- разработан клапан ВК-Р с проточной частью стабилизирующей поток питания в вихревой камере и более чем вдЕое повышающей быстродействие клапана;

- разработана инженерная методика расчета крупномасштабных ВК;

- показана перспективность использования вихревых макроклапанов (В!.К) для управления силовыми потеками жидкостей и газов.

Практическая ценность. На основе полученных данных, с использованием разработанной методики расчета крупномасштабных ВК, спроектированы струйно-вихревые пульсаторы для пневматического привода гидравлических отсадочных машин.

Составлена математическая модель совместной работы отсадочной машины и системы ее воздухообеспечения, позволившая рассчитать вариант наиболее экономичной схемы привода.

Реализация работы. По результатам исследований спроектирован, испытан, освоено серийное производство и ЕВеден в промышленную эксплуатацию пневматический струйный привод отсадочных машин на углеобогатительных фабриках Донбасса.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены: на X Международной конференции по струйной технике "ЯБЛОННА -86", г.Москва, 1986 г.; Всесоюзных симпозиумах, конференциях и совещаниях по пневмо- и гидроавтоматике и приводам (г. Львов, 1985г., г. Пенза, 1938, 1990г., г.' Суздаль, 1990г., г. Тула, 1991г.); конференциях Ассоциации специалистов промышленной гидравлики и пневматики (г.Киев, 1991, 1992 г.); на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Луганского машиностроительного института (1983-1992г.); на научно-технических семинарах лабораторий автоматики и гравитационных методов обогащения института "УкрНИИуглеобогаще-ние", (г. Луганск, 1983-1988гг., 1992 г.), лаборатории обогатительных аппаратов института обогащения твердых 'горючих ископаемых -"ШТТ" (г.Москва, 1990 г.), кафедры "Обогащение полезных ископаемых" Санкт-Петербургского горного , института (г.

Санкт-Петербург, 1°35г.) ¡¡др.

Пубяикзрта. Пэ рс-сл-ьтйта-м работ:,! спуб.тккосано 10 статей, получено 7 авторских свидетельств на изобретение.

Структура п объем_Диссертационная рсОота

состоит из ьбодовя, пят;: глав, ькюдоз и сридоюш, изложенных на 203 стр. машинописного текста, 51 рисунках, 3 таблицах, перечня литературы из 97 канчевогадпй.

С02ЕЕ?ЛЕ:2 РАБОТЫ.

Ез рзег-чп-ц псказзка ьз «есть и необходимость" совервенс-твованил характеристик гнчр-зеих к-лапаноз и разработки метод;!!'::! расчета круппсмпсзтсЗлых Ел как едкого кз элементов струйной макротехникп, предназначенного для управления сиговкми потеками г:идкостей п газов.

Пзстазлеи вопрос о возгло.чпсстк практического использования БМХ дш создак::я ¡1а ;:х Сазе пульсаторов для пнесмзтическо-го струпного привода гидравлических отсадочных мапин обогадао-езк уголь. Обоснованы цел:; и направление выполненных исследований.

В первой глав? выполнен аналитический обзор эдхгесвешя ВК в технике, основных результатов теоретических и гкеперикеи-талыпл исследований ЕН, а такче мгтодкк их расчета с мвмента перкнх публикаций, отпеоллчпел к 1507г., по настоящее время.

Первое прп:кне::пе ш получил;; в авиации, ракеткой технике и космонавтике, сдеркей энергетике для целей управления потоками рабочих сред в различных установках. "спольс.сЕание ВК в техник? носит практически едшшчиий характер. Это, с одной стороны, >.:о:<:;о сСтпсккть их главными недостатками:

- необходимостью затрат ысгнсстл па управление, соизмеримых с мсгаэстыэ садового потока;

- требованием поЕыпеш'.ого, по отношению к гштасгему, давления управленкл;

- невозможность?*) полной отсечки расхода через клапан.

С другой стороны, ограниченность применения ВК сдергивает исследования по совершенствованию кх характеристик и сведение отрицательных свойств к ¡ягагелуму.

В публикациях. связанных о изучением вихревых г.тд.'.'окоз, следует особо выделить работы г.втепов Уот1су П., .

G

Kvshck E., Мельникова B.K., Сухогича Б.П., &5бгорсйного Б.А., Владимирова B.C., Лебедева И. В., Куокз. Иго Д:-:и Тьена и Су Линя, Мао Gregor 3., Syred N., lörklard Е-. Richardccn Н. Al-Shsmma К., Royle J., Eouch-зг R.. Asauith R.. Fitt v., Лебедева К. В., Владимирова b.c., Попова Л.К., Еульпша В.В., Федотова В. А., Рогекцвейга М.. Лсвеллена В., Росса Д., Wormley D., Лебедева И.В., Bauer A., Kins С., Епчара Р. , Оркор П. и др., установивших распределение полей скоростей и давлений в коротких цилиндрических вихревых галерах и позеопйякж сформировать модель течения в клапанах, используемую в настоящее время многими исследователями, а такхв предяшавкщх ряд методик расчета ВХ. Одними из первых исследова-ш крупноыаептабнш ВК проводили Brombach Н., Neumayer И., King С.

Большинством исследователей качества ВК оценисагись близкими к принятым в настолдей диссертационной работе относительными парамераии: давлением - Р3, расходом - Q3 и ыоцноствю -Na потока гагарания, на основе соотношений:

Рэ - (Рз-Рв)/(Рп-Рв); Qs - Q2/Q0; пг - Рз- Q3 , (1)

где P3,Q3 - соответственно, полное давление и расход в каналах •управления, при которых расход через какая питания становится равным нулю; Рв - давление на выходе клапана; Рп - давление питания; Qo - расход через клапан при отсутствии расхода управления.

На основании рассмотренных в сбзоре работ сделан вывод о том, что исследование вихревых мзкроклапанов с целью, совершенствования их характеристик к методик расчета представляет актуальную задачу для 'решения которой необходимо:

- разработать математическую модель течения несжимаемой вязкой жидкости в запертом ВК с гладкими и шероховатыми стенками для чисел Рейнольдса Re > Ю5;

- произвести оценку адекватности модели на основе комплекса экспериментальных исследований ВК;

- установить взаимосвязь между геометрическими размерами проточных частей ВК и его статическими характеристиками;

- определить области соотношений геометрических размеров, обеспечивающих оптимальные параметры запирания ВК;

- установить влияние типа подвода потока питания в вих-

ревуа К£»'.СРУ ла х:.ллхт?: :: ;:г::л л\:л;

- олредоллтв длла- хл-;-с:-:л; :-::- рахтсрлстлхл П.";.

На ослов-:; :.редлох;:л:сл :/.;Тодлхд ■■ рсзультатсв лсслсдова-нил рсслть л р :: :-: л а д :; о зад з ■

вых. пульсатора.:! отсодол; :-:ч !,г.::.л:

- разр^оотать ;,:а7см;п::я'с:;у.з модель л лролрл!.-лу расчета гидродлла:.л:хескхх лар:.:-::-':';.1з раСол-зго глсд'ссз в стсадоллсл каалле л инстсг.е со взодулоовззль'^-ллл сэ со-улло-влхровк.л: пульсагсра.7л:

- прохгз.:стл ел1/лллвял::::! лз олергсо:,:':сс~-х струлло-глхро-вого прхвсдз на по.т.":скисЛ кггагл.

___"лсос-ртадла рззразоталз :.:ато!:лтдл1-сг:лл

модель тенил в гж-г^зч ь-крясгу. г: гл.тлз л на ее ослсве произведен расчет г.г.р,'_•!:-рзв 1'Л с различав::.:.! гешотрп-ческллл размер::::: чаезл.

Усталззлелл с слзллазвлю; зхзчзнлл параметров зллл--

ранлл л полулела а.л:рвхс;.::лру:х.-.ло зазлслассл. езлзкв алдло гез-метряч'.ску разлорл глада:-: а с -г-го олглмлльлллл пар;«хтрз::л зз-пкранлл.

Пролзледелл тссрстллгслл; лзол.дов;зл:я влллллл схрохоза-тости ст'.нс:: зллровзл 1:з:.;рл ;:а пазат-три заллраллл Сл. Результата сравнлвадзл с еллтлзлл даллалл.

Сделка он. рг-:'Тлл;с::лл зазззг на заллрандо ЕХ ¡трелзвздптед нна основе сооткскнкЛ получехлдх лз (1) и £ор::ул лстечонлл для несалмаомол хлххсовл:

Р3 - (Р3 - Р-)/(Рп - Р8) , С, - |:у/;;0-1:у2У (Г» - 1) ,

!Ь - Г.у/|!о- •:у2-Рг*»/ (Р4 - 1) • (2)

Одесь ?з - лоллсе дазлзллз в калазах управдеадл, прл ¡га-тором расход через кэ:тл ллзаллл сггс:э. агся разлам нугл: Рл -давление па гсвеодо ¡слалала; иУ) ,:о - хоъ:' лцлелтп расхода уп-разлл:а:;вго солла и открытого ¡в:алала, сзозветствслло; >4' - ДЛ-аметр солла упрагллл:; . отл-:ллал ¡; длалзтру захода »!,, .

Из (2) 1л,л:о> что д:ллс:л:з зал .ранлд ¡к лп.тсл од чей лз основных характорлстл:; Ел и сс-млло с 'ко:-^лдлзлл .ал расхода клалаиа, улравлльдог'о сопла и - го отлозлте-л лгл тге*!, ел-

ределяет все остальные параметры запирания. Произвести расчет Рэ можно рассмотрев математическую модель течения в запертом ВК. С этой целью использованы уравнения, огшсывзэдяе турбулентное течение несжимаемой, вязкой .у.идкости е коротких вихревых камерах.

В соответствии с принятой в работе схемой (Рис.1), течение в ВК при наличии потока управления условно разбито на следующие' зоны: I - центральную часть или несязкое ядро потока; 11 - пограничные слои на торцевых крысках; III - зону истечения . Несмотря на то, что схема течения является приближенной и не в полной мере отражает реальную картину, математические модели составленные на ее основе, даот хорошее совпадение с экспериментом.

В качестве исходных , описызасщи закрученное течение в вихревой камере, взяты уравнения Рейнольдса вместе с уравнением неразрывности, записанные в цилиндрических координатах для пограничных слоев на торцевых крышках камеры (зона II) и для ядра потока (зона I).

Однако, течение в запертом клапане характеризуется высокими значениями закрутки потока, при которых область Б (Рис.1), представляюая собой потенциальный вихрь, занимает практически всю 1-ю зону. Интегрирование уравнений по толщине пограничного слоя , в котором распределение радиальной и тангенциальной скоростей описывается функциями с произвольным показателем степени "1/п":

Y/V6 - 51/n , U/Umax - o1/n (1 - 5)2 , (3)

после преобразований и приведения к безразмерной форме дает: ( _ _ _ _

I dP/dr - Г2/г3; (4)

< - _

I dr/dr - ai-A-D/2I!-C'f-Г2 ; (5)

V

Здесь ai коэффициент, определяемый профилями скоростей в пограничном слое ; C'f - местный коэффициент трения о стенки вихревой камеры; Г - циркуляция тангенциальной составляющей скорости Vr. Граничные условия при этом имеют вид:

г -. 1 : Р - Pr , Г - 1 , 5 - О

(6)

Уравнения (4),(5) вместе с (6) определяют течение в запертом вихревом клапане и могут быть проинтегрированы при известном законе трения о стенки камеры.

Исходя из принятого степенного закона (3) получено решение для циркуляции в гладких и шероховатых вихревых камерак:

Г - С 1 + «о ( 1 - г™ )к Гь , (7)

названное, в работе обобщенной функцией распределения циркуляции, т.к. она объединяет также и виды распределений Г полученные другими авторами. Из (7) и (4) следует, что распределение циркуляции и давления по радиусу вихревой камеры зависит только от одного комплекса:

«о - СсеКи-(D/dy)z , (8)

где Са - коэффициент, определяемый законом трения и оноситель-ной шероховатостью стенок вихревой камеры, Ни - коэффициент снижения скорости потока управления после его входа в камеру, аппроксимирующая зависимость для которого получена в виде:

К„ - dyt0;17+°'033D)-(l - 0,056 V Ш2 . (9)

Для гладких камер:

Ca - 2 (п + 1)/(п + 5) ai-B-Re<T2/(n+3) , (10)

а для шероховатых камер:

С«Л 2n/(n - 1) ai-ca-(ü/R )1/п • (11)

Считая, что максимальное давление потока питания, который может быть заперт потоком управления, в точности равно давлению Pr на внешнем радиусе вихревой камеры, а перепад давления на клапане складывается из перепадов давлений на внхрегой камере и выходном отверстии, получено выражение для давления запирания Б'МК:

Рэ - 1 + (2ср2уК2и-Л + З^у^у)-1 . (12)

Здесь

1 _ _

3 - I Г2т"3с1г , (13)

го

<Ру - коэффициент скорости управляющего сопла.

■ Расчет давления запирания ВК с гладкими камерами дал результаты, характерная часть которых приведена на рис.2. Из рисунка видно, что при малых йу существуют четко выраженные оптимумы по давлению запирания. С уменьшением с1у возрастает давление запирания, а значения оптимального диаметра смещаются в сторону меньших Б. Если установить 5" интервал отклонений Р= от оптимальных значений (линии а и б на рис.2), то его ширина увеличивается с ростом с!у и риск не попасть в зону оптимума снижается.

Для оценки адекватности результатов расчета полученных на математической модели, были специально проведены испытания вихревых диодов, т.к. течение в них близко к течению в запертых ВК. Совпадения расчетных и опытных значений давления запирания удалось добиться за счет почти двойного увеличения коэффициента трения для гладкой плоской пластины.

Расход (Зэ и мощность Мэ потока запирания также имеют оптимумы, но связь их с диаметром с1у сопла управления прямо пропорциональная, в отличие от Ру.

Зависимость (12) для Р3 найдена без учета влияния типа подвода потока питания в вихревую камеру и шероховатости ее стенок. Поэтому в дальнейшем были проведены теоретические, на основе разработанной.модели, и экспериментальные исследования влияния однородной шероховатости стенок вихревой камеры на давление запирания клапана. Исгштывалась камера с размерами И- 5 , Н - 1 и диаметрами сопла управления с)у - 0.33 ; 0,46 ; 0,5 ; 0,75 ; 0,83. На внутреннюю поверхность камеры нгюеива-лась шлифовальная шкурка различной зернистости. Получено хорошее совпадение теоретических и опытных результатов, позволяющее распространить разработанную математическую модель течения и на шероховатые клапаны, а также констатировать, что шероховатость стенок вихревой камеры и вызванное ею приращение дав-

ления запирания связаны линейно, в виде следующей аппроксимирующей зависимости:

Р3Д - Р3 + ¡<Д-Л , (14)

Влияние типа подвода потека питания в вихревую камеру на характеристики ВК подробно рассмотрено в гл.4.

В третьей главе описаны экспериментальная установки для проведения статических и динамических исследований вихревых клапанов, исследуемые модели клапанов трех типов (ВК-Р, ВК-РК, ВК-0) методики проведения испытаний, погрешности измерений и вычислений опытных величин.

■ Основная часть экспериментальных исследований проводилась в лабораторных условиях на стенде. Стенд оборудован приборами и аппаратурой, позволяющими исследовать как статические так и динамические характеристики вихревых клапанов при давлении до 20 кЛа и расходе воздуха до 0,05 м^/с. В опытно-промышленных условиях, при испытаниях крупнемздтабных ВК и их моделей источником воздуха служили воздуходувки ТВ 80-1,6 и ТВ 200-1,4.

При статических испытаниях ВК снимались три вида его характеристик:

1)- коэффициент расхода открытого ЕК ро;

2)- параметры запирания Р=, 0?, N3,-

3)- рабочая характеристика СН'(Ру),

описывающие клапан в открытом, закрытом и промежуточных состояниях, соответственно. Одной из особенностей определения параметров запирания являлся предложенный в работе метод "пассивной" продувки ВК. При этом методе канал питания закрывайся механически , а расход подавался только в сопло управления. Созданное им давление в канале питания принималось за давление, которое может быть заперто потоком управления. Данный способ определения параметров запирания дал совпадение со значениями, найденными из рабочей характеристики ВК, однако он значительно проще и менее энергоемок.

При динамических испытаниях клапанов снимались кривые переходных процессов открытия и закрытия ВК.

Обработка результатов опытов проводилась на основе статистических методов. Аппрокснмацпопные зависимости получены с

использованием метода '^меньших квадратов и критерия Фишера. Относительная погрешнослч. определения основных параметров ВК составляла:

бдо*±0,005; 5Р3*±0,01; 50з*±0,005; 6МЭ*±0,015.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований вихревых диодов с искусственной шероховатостью стенок, универсальных моделей ВК трех типов, а также результаты динамических испытаний клапана ВК-Р с диаметром вихревой камеры до 1 м. На основе проведенных исследований предложена методика инженерного расчета ВМК.

Поочередное нанесение искусственной шероховатости на боковую и торцевые стенки вихревой камеры позволило установить, что основные потери, связанные с трением, приходятся на торцевые стенки, а влияние боковой цилиндрической стенки на порядок меньше.

Исследования статических характеристик ВК трех типов дали следующие результаты.

Продувка ВК-Р потоком питания показала, что при отсутствии управляющего сигнала, в вихревой камере возможны три различных вида течений : I- симметричное ,11- автоколебательное и Ш- самозакрученное . Первый вид течения неустойчив и очень чувствителен к асимметрии конструкции. Это имеет особо важное значение для крупномасштабных клапанов, изготавливаемых из листового металла методом сварки. Второй и третий режимы течения, если они не используются специально, являются нежелательными, т.к. снижают коэффициент расхода клапана. (1о.

Исследование влияния соотношений ширины В и высоты Н радиального канала питания прямоугольной формы на пропускную способность клапана позволило установить, что что простое увеличение площади входа для вихревого клапана не приводит однозначно к увеличению коэффициента расхода. Эффект монотонного возрастания Цо наблюдался только для значения В/О - 1/6 . Во всех остальных случаях величина и характер изменения Мо не предсказуемы, что можно1 объяснить изменением видов течения в вихревой камере. I -

Основные результаты, относящиеся к статическим .характеристикам ВК-Р приведены на рис.4'и 5. ,

Одним из факторов, способствующих возникновению автоколебательного или самозакрученного режимов течения, является расположение сопла управления 1 (см.рис.4) рядом с каналом питания. Выбор других положений сопла в наших исследованиях осуществлялся исходя из стремления создать в Еихревой камере симметричное течение. Для всех трех сопел (2,3,4), в отличие от первого, рабочие характеристики клапана имеют монотонный характер без релейной ветви в их начале. Левая ветБь кривой 1 (пунктирная линия на рисунке) соответствует самозакрученному потоку в сторону сопла управления. С увеличением давления управления осуществляется скачкообразный переход к симметричному режиму течения, а дальнейшее поведение характеристики при увеличении Ру аналогично полученным при других соплах управления. Т.о. расположение сопла управления практически не влияет на давление запирания клапана, однако, влияя на цо. вызывает изменение Оз и N3. Характеристики ВК с соплом 4 круглой и прямоугольной формы практически одинаковые.

Увеличение отношения ширины канала питания к диаметру вихревой камеры приводит к возрастанию Рэ. На рисунке приведен относительный прирост Рэ, позволяющий оценивать негативное влияние на него отношения В/О . Рост мо и увеличение расхода запирания имеют разные градиенты, что приводит к наличию минимума у кривых зависимостей (Зэ = Га (В/П) и N3 - Гц(В/О) близ значения В/О * 1 / 3 , которое можно брать за основу при проектировании клапанов данного типа.

В работе были исследованы два типа конструкций ВК с осе-симметричным входом потока питания в вихревую камеру: осевым кольцевым ВК-0 и радиальным кольцевым ВК-РК каналами питания. Течение потока питания в вихревых камерах клапанов этих типов устойчиво и при Рп - 3-4 они имеют высокие значение коэффициента расхода Но - 0,94 (Рис.5,6). По виду рабочие характеристики клапанов близки и имеют два участка - линейно-усилительный и релейный с гистерезисом. Линейный участок позволяет дросселировать до 402 расхода питания ВК-0 и 502 ВК-РК; ширина петли ДРГ гистерезиса, определяемая как разность между давлениями запирания и открытия клапана, изменяется пропорционально площади канала питания. Изменение это происходит за счет увеличения давления запирания Рч , в то время как давление открытия Р0 - 1,17 (для ВК-РК Р0 - 1.23) остается практически неиз-

менным. Здесь же, на рис.4.9, приведены графики экспериментальных зависимостей коэффициента расхода Цо. расхода Оз и мощности N3 потока запирания от площади канала питания Рп. Рост коэффициента расхода, с одной стороны, и увеличение давления запирания, с другой, приводят к появлению экстремумов (минимумов) по расходу и мощности запирающего потока. Минимальные значения С>3 и достигаются при относительной площади входного канала Гп- 2-2,5. Пунктирной линией на рисунке отмечено значение давления запирания Р20 соответствующие нулевой площади входного канала.

Т.о. тип канала питания оказывает заметное влияние на статические характеристики ВК, которые должны Сыть учтены при их расчетах. При одинаковых площадях входного каната большим коэффициентом расхода обладает конструкции типа'ВК-РК и ВК-0 по отношению к БК-Р.

Изменения коэффициента расхода и давления запирания в функции от площади канала питания для всех трех конструкций может быть описано следующими аппроксимирующими зависимостями:

До -• < и + (1 - Р„/Гвк)?'1 ?п2 + Сьых + 1 >"1/2.

Р3 - Р30 + А-Гп + ВТ2п .

где коэффициенты с,, А и В определены для каждого типа клапанов на основе использования метода наименьЕих квадратов. Увеличение площади входа приводит к возрастания давления запирания, а при одинаковых геометрических размерах проточной части, в порядке роста Р3 клапаны располагаются так: ВК-О, ВК-Р, ВК-РК.

Рассмотренные три типа клапанов могут быть использованы для управления силовыми потоками жидкостей и газов в зависимости от свойств систем и предъявляемых к клапану функциональных и конструктивных требований.

Экспериментальные исследования динамических свойств клапанов были проведены для ВК-РК с диаметра.»! вихреЕой камеры Б - 0,06-1 м. Замечено, что переходной процесс открытия .'«алана начинается не сразу после снятия сигнала управления, а с запаздыванием г . Время запаздывания полностью определяется отношением Ру/Рэ и при равенстве его единице, запаздывание практически отсутствует.

Т.о. время открытия клапана модно представить суммой времени запаздывания и "чистого" открытия То* :

Т0 - X + Т0Ж .

На закрытии клапана превышение давления управления над давлением запирания сказывается гораздо в меньшей степени, уменьшая его пропорционально своему росту. Соотношения между диаметром вихревой камеры и временем открытия клапана, установленные экспериментально имеют вид линейной аппроксимации:

То* - Кт-0 .

Динамические храктеристики исследованных Б!.К описаны передаточной функцией инерционного звена первого порядка с запаздыванием (при открытии клапана в случае Ру/Рэ ) и без запаздывания при Ру/Рэ, а также при закрытии БК.

Статические и динамические характеристики ВК-Р существенно улучшены за счет установки цилиндрического обтекателя на верхней крышке вихреЕой камеры.

На основе полученных теоретических и экспериментальных данных предложена инженерная методика расчета вихревых макроклапанов и с ее помощью спроектированы ВК для струйно-вихревых пульсаторов отсадочных машин.

В пятой главе изложены результаты практического использования Еихр^вых макроклапанов как основного элемента струй-но-вихревых пульсаторов отсадочных машин.

Разработана математическая модель совместной работы отсадочной машины и системы ее воздухообеспечения, состоящей из воздуходувки, трубопроводов, ресиверов, задвижек и пульсаторов, обеспечивающих впуск воздуха в ОМ и его выпуск по определенному закону. Описание элементов пневмосистемы произведено на основе метода сосредоточенных параметров, а общая математическая модель представляет собой систему из 33 обыкновенных нелинейных алгебро-дифферециальпых уравнений. Программная реализация модели проведена на ЭЦВМ ЕС-1040 на алгоритмическом языке РогЬг;и1-1У; интегрирование проводилось методом Рун-ге-Кутта с модификацией Мерсонл. Результаты расчетов этой модели сравниваются с экспериментом, проведенным в промышленных

условиях углеобогатительных фабрик. Адекватность модели дала возможность использовать ее для расчета эффективности работы привода с тремя возможными вариантами его реализации: с одним, тремя и шестью пульсаторами. Для серийного производства рекомендован привод с шестью струкно-вихревыми пульсаторами.

В заключении формулируются основные результаты и выводы диссертационной работы:

1. Разработана математическая модель течения. несжимаемой вязкой жидкости в запертом клапане. Получены ее аналитические решения для параметров запирания --давления, расхода и мощности, с использованием найденной обобщенной функции распределения циркуляции. Решение позволяет установить .взаимосвязь между геометрическими размерами вихревых клапанов и параметрами потока запирания, а также определить для каздого из последних диапазон оптимальных геометрических соотношений.

2. Для оценки адекватности модели проведены экспериментальные исследования вихревых клапанов с различными соотношениями размеров проточкой части. Получено удовлетворительное согласование теоретических и экспериментальных данных.

3. Установлено опытным путем влияние типа подвода потока питания в вихревую камеру на характеристики клапана, не учитываемое моделью. Исследованы клапаны с тремя типами подводов: радиальным, радиально-кольцевым и осеЕым каналами.

4. Определены динамические характеристики вихревых клапанов с учетом особенностей их работы в условиях, когда давление управления превышает давление запирания. Найдены эмпирические зависимости для определения постоянных времени.

5. Разработан и исследован клапан с проточной чгютью стабилизирующей поток питания в вихревой камере при отсутствии сигнала управления. Конструкция, защищенная авторским свидетельством на изобретение, позволяет также более чем вдвое повысить быстродействие клапана.

6. Разработана методика расчета крупномасштабных вихревых клапанов.

7. Спроектированы, с использованием разработанной методики, струйно-вихревые пульсаторы для гидравлических отсадочных машин. Конструкции защищены авторскими свидетельствами.

8. Разработана математическая модель и программа расчета гидродинамических параметров процесса в отсадочной мгоднне и

системе ее Еоздухообеспечения с учетом полученных характеристик вихревых клапанов. Произведена оптимизация на математической модели различных вариантов компоноеки привода по их энергоемкости.

9. Осуществлена разработка, проведены испытания, освоено серийное производство и Еведен в промышленную эксплуатацию на углеобогатительных фабриках Донбасса струйный пневмопривод гидравлических отсадочных мащин. Основными элементами привода являются струпно-вихревые пульсаторы, управляющие потоком еоз-духа с расходом до 3,5 м3/с и мощностью 50 кВт.

10. Экономическая эффективность от Енедрения струйного привода достигается за счет снижения потерь угля вследствие повышения надежности пульсаторов. Объем Енедрения на 1992 г. составляет б комплектов.

11. Результаты работы могут быть использованы при проектировании различных гидропневмосистем управляющих потоками жидкостей и газов, а также для создания пульсирующих потоков, способствующих интенсификации процессов разделения в других обогатительных машинах и аппаратах. "

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Вихревой аналоговый элемент : A.C. 1317193 СССР / В.И. Сулига, Д.А. Семин, A.B. Вялых, A.A. Пильтенко, 1987.

2. Пневмопривод отсадочной.машины : A.C. 1258481 СССР / В.И. Сулига, Д.А. Семин, A.B. Вялых, A.A. Пильтенко, 1985.

3. Пневмопривод отсадочной мамины : A.C. 1258482 СССР / В.И. Сулига, Д.А. Семин, A.B. Вялых, А.П. Бондаренко, 1985.

4. Пневмопривод отсадочной машины : A.C. 1461495 СССР / Д.А. Сёмин, A.B. Вялых, A.A. Пильтенко, В.А. Перепечаенко, 1988.

5. Пульсатор отсадочной машины : A.c. 1563758 СССР / В.И.Сулига, Д.А. Семин, A.B. Вялых и др., 1936.

6. Пульсатор отсадочной машины : A.c. 1051949 СССР / Д.А. Сёмин и др., 1991.

7. Семин Д.Д., Вялых A.B. Исследование динамических свойств крупномасштабных Еихревых клапанов. //Гидравлика реологически сложных сред и гидропривод в маыиностроении. Тез. докл., Киев. 22-24 окт. 1991..-Киев, 1991. - С. 53.

8. Семин Д.А., Вялых А.Р.. Пильтенко A.A. Математическая

модель струйно-вихревого пневмопривода отсадочпо;. ь'зз$ши.//б-б Всесоюзный симпозиум по пнеьиатичезкш (ггсозш) привода;.: и системам управления. Тез. докл., Тула, 4-6 ikkk 1991, -".-Тула, 1991. - С. SO.

9. Сомин Л./,.., Еллых A.B. , Плльтзкко A.A. , Гпчко А.Б. Исследование взхревсго клапана с радкальнь;;,! каналом пптаакя. // ПНсьмоезтсизгска. Тег. докл. XV Бссссшн. ccs-э'д., - Львов, септ. 1925,- М.:Наука, 1935. - 4.1, - С. 17-18.

10. C'i.YHH Л.Д., Вялых А.З. Разработка и исследование вихревых клапанов для управления с;:логл:::л потока;,:;! хкдкостей и газов. // Пневмоавтоматика в система:-: автоматизации производственных процессов. Тез. дс::л.. Пенза, 19-23 с>:-нт.1983, - Пенза, 1933. - С. -М.

11. Сшг.а Л.А. Расчзт и оитакгаихл впхр^ы;;; клапанов. //Проекгкрованве, производство и зксплуатгцня систем гндроп-неьмолривода, гидюппг^сг^тсмгткю!. пзроваешжзхкн и их компонентов. Тез. докл., Клов. 11 -12 ::;олл 1951. .-Киев, 1831. -С. 19.

12. Семин Д.А. Расчет характеристик запирания крупномасштабных вихревых клапанов. -Ьгрсшкловград, 1933.- 20 с. £ея. в УКРН1ШТЛ, К2754-УК.

13. Семин Д.Д., Стс-льмах В.А. Мзттакззическзл модель одектропневмопреобразоватедл длл силовых потоков // Ккуьмьтк-ческие средства контроля и упразлеллл Тег. докл., Пеква. 3-9 окт. 1990., - Пенза, 1930. - С. С7-33.

14. Струйное управляющее устройство : A.c. 1546735 СССР/ Д. А. Сёмин,- A.B. Вялых, 1&Р9.

15. Сулпга В.К., Семин Д. А., Вллпх A.B., Ллвзю» А.П. Струйный пневмопривод отсадочной машкл;.;. // ¡Моделирование гид-роаэродинамичеекпх процессов в транспортных машинах и технологическом оборудовании. - Ворошиловград. 193-1. - С. СЭ-1СЭ. Деп. в УкрИКПНта, N 2180-УК.

10. СулигаВ.И., Семин Д.А., Вялых В.А., Цильтепко A.A. Пневматический струпно-импульсный привод отсадочной машины. // Пневматические и гидравлические устройства я системы управления. Сб. докл. X Международной конференции "Я0лслна-Со", - !.'. Знергоатомнздат, 1986, - С. 219-222.

17. Шульгин Л,И., ССшш Л. Д., Внлих A.B. Пневматический струйный привод .отсадочных машин, 1089. - С. 10. Дел. в ДШ-ЖУГОЛЬ, N4792/0.

Рис.2 . График зависимости относительного давления запирания ЕК от основных геометрических размеров проточноЛ части о, а ,«,о, - экспс^жсит ; - - теория .

при различных положениях п фермах сопел управления О - прямоугольные (головые) сопла 1,2,3,4; о - круглое сопло 4

и параметры запирания вихревого клапана типа ВК-Р х - Н = 0,75; о - Н = 0,9

0.7 0,9 _ /./ —/,3 А,

Рис.5. Приведенная рабочая характеристика вихревого клапана типа ВК-0 ?„ = 2,34; =» 0,43; Н - 0,9

0.5

Рис. 6. илшшно плР'цаци'кимплп питпиия на коэффициент расхода' и парамзтпи яапи? г аи клапана типа В:{-0