Технічні науки / 3. Галузеве машинобудування

К.т.н. Савицький Ю.В.

Хмельницький національний університет

мОДЕЛЮВАННЯ динамічних процесів

гідропульсаторів вібраційного типу

В процесі виробництва, зберігання та експлуатації виробів виникають різноманітні забруднення, що негативно впливають на кінцеву якість виробів, викликають передчасне зношування окремих деталей, погіршення параметрів приладів, вихід з ладу цілих агрегатів та систем. Це призводить до різкого падіння надійності машин, зростання експлуатаційних та ремонтних витрат, що в цілому відбивається на конкурентоспроможності виробів. Підвищення промислової чистоти машин та збільшення на цій основі їх надійності та ресурсу призводить до зростання якості виробів, тому розробка та впровадження в промисловість способів та засобів інтенсифікованої очистки, що дозволяють отримувати добру якість очистки при незначних витратах, набувають в сучасних умовах важливого значення.

У багатьох галузях промисловості знаходять застосування вібраційні технологічні процеси [1], у яких використовуються багатофазні системи [2]. Це можуть бути суспензії твердих часток та газових пухирців у рідині. Як показали попередні дослідження [3,4,5] динамічних явищ у багатофазних середовищах, на які накладаються коливання, багато з них можна з успіхом використовувати як для інтенсифікації вказаних процесів, так і при розробці та проектуванні принципово нових конструкцій устаткування. Авторами [3] досліджено великий об¢єм технологічних процесів із застосуванням впливу низькочастотних коливань на багатофазні середовища в ємкості, яку містили на вібраційному стенді. Проведені також дослідження коливань посудини та тіл, занурених у посудину. Усі тіла мали трубку, у якій спостерігався значний підйом рідини, але це досягалось на дуже інтенсивних режимах коливань (А=5¸6 мм, f=45 Гц.). При реалізації промислових зразків на таких режимах виникали складності з довговічністю роботи такого устаткування.

Розроблено ряд конструкцій очисної техніки із застосуванням гідропульсаторів, при роботі яких виникають необхідні явища, тобто отримується струмінь двохфазної суміші (рідина – газові пухирці) [6,7].

В установці [6] під дією змушуючого зусилля, яке накладається на мембранний вузол (поршень) відбувається переміщення рідини через насадок пульсаційної камери. При протіканні рідини через насадок з гострими крайками на вході мають місце складні гідродинамічні процеси, пов'язані з різкими перепадами гідравлічних діаметрів, по яких рухається рідина. В результаті відбувається розрив суцільності потоку, який супроводжується явищами кавітації - виділенням газових пухирців, що утворюються з повітря, розчиненого в рідині, і на виході з насадка отримується пульсуючий газорідинний потік. На рідину накладаються періодичні коливання з певною частотою та амплітудою. Отже в результаті отримується зворотно - поступальний рух рідини через насадок.

Для виявлення якісної картини зворотно - поступального руху рідини через насадок була розроблена реологічна модель руху рідини у вібраційному гідропульсаторі (рис.1). На поршень, який має масу , діє збуджуюче зусилля . Поршень з циліндром (зведена маса якого ) з’єднаний дроселем з характеристикою . При складанні моделі було прийнято, що рідина рухається без розриву суцільності потоку, а газорідинна суміш замінена механічним пружним еквівалентом і демпфером з характеристиками і відповідно. Елемент сухого тертя, що утворює силу , необхідний з таких міркувань. При значенні збуджуючого зусилля , що прикладається до поршня, меншому за силу тертя , корпус циліндра не переміщується і відносне переміщення системи залежить тільки від характеристики , яка залежить від в’язкості рідини, співвідношення площин циліндра і насадка. Ця схема характеризує режим протікання чистої рідини (без утворення газових пухирців ). Коли до поршня прикладається зусилля, що перевищує силу тертя в зоні прижиму, корпус циліндра починає рухатись і в результаті цього амплітуда відносного переміщення зменшується на величину переміщення циліндра. Цей режим характеризує появу газових пухирців в рідині. В результаті появи газових пухирців зменшується пружність рідини і через насадок починає протікати менша кількість рідини.

До поршня масою прикладені дві сили і , до циліндра - сили , , , де - переміщення поршня, - переміщення циліндра.

Рис. 1. Реологічна модель

Сила тертя при гармонічних коливаннях (рис. 2) змінюється по закону , де - кутова частота вимушоючої сили.

Отже отримаємо диференціальні рівняння руху:

, (1)

Модуль амплітудно- фазо- частотної характеристики (амплітудно- частотна характеристика) відносного переміщення :

, (2)

де , , ,

, , ,

де .

Помноживши вираз (2) на отримаємо залежність швидкості відносного переміщення від частоти пульсацій:

, (3)

Х, мм

Рівняння (2) і (3) дозволяють оцінити при заданій частоті пульсацій вплив різних характеристик системи на амплітуду і швидкість відносного переміщення, а відтак і на амплітуду і швидкість переміщення потоку на виході з насадка пульсаційної камери (рис. 3,4). З графіків видно, що амплітуда пульсацій має нелінійний екстремальний характер. Збільшення співвідношення зведених мас поршня до циліндра (рис. 3) призводить до збільшення амплітуди пульсацій. З появою газової фази зменшуються максимальні значення швидкості руху рідини (рис.4), так як проявляються демпфуючі властивості газової фази.

f,Гц

Аналіз реологічної моделі дозволив встановити закономірності протікання процесів при рухові рідини через насадок з гострими крайками на вході, базуючись на яких можна розробляти устаткування, яке крім процесів очистки виробів від забруднень має великі технологічні можливості. Зокрема, таке устаткування може знайти широке застосування в галузях переробки сільськогосподарського та харчового виробництв для інтенсифікації перемішування рідких мас продукції, для поліпшення умов тепломасообміну в процесах екстрагування, кристалізації та розчинення.

Література

1.Повидайло В.А., Силин Р.И., Щигель В.А. Вибрационные устройства в машиностроении. К.: Машгиз., 1962.-111с.

2. Попов Г.Н. Нестационарные гидромеханические процессы. М.:Машиностроение, 1982.-240с.

3. Колебательные явления в многофазных средах и их использование в технологии/ Р.Ф. Ганиев, Н.И. Кобаско, В.В. Кулик и др.; под ред. Р.Ф. Ганиева.- К.:Техніка, 1980.-142 с.

4. Свиридов А.И., Балашов П.В. Исследование и расчет процесса очистки трубопроводов пульсирующим газожидкостным потоком. Вестник машиностроения. 1985. № 11, с.33-35.

5.Гордєєв А.І. Дослідження процесу взаємодії пульсуючого газорідинного потоку з технологічними забрудненнями. Вісник ТУП, серія технічних наук, Хмельницький, 1997.-№1.-с. 55-60.

6. А.с. 880519 (СССР) / Устройство для промывки деталей / Р.И.Силин, В.П.Кошель, А.И.Гордеев / Опубл. в Б.И. №42,1981,МКИ В08В 3/10, УДК 621.7.024

7. А.с. 1130422 (СССР) / Устройство для мойки мелких деталей / А.И.Гордеев, Р.И.Силин и Сивченко Н.А. / Опубл. в Б.И. №38,1984,МКИ В08В 3/10, УДК 621.7.024