Май 2020
Пн Вт Ср Чт Пт Сб Вс
« Апр    
 123
45678910
11121314151617
18192021222324
25262728293031

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АМОРТИЗАТОРА НА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЕ

При наличии газа в жидкости давление в рабочей камере возни­кает в результате процессов сжатия и вытеснения рабочей среды через дросселирующую систему. Давление в рабочей камере в каж­дый момент времени практически одинаково как для жидкости,
так и для газа х. Компоненты смеси — жидкость и газ — под действием возрастающего давления сжимаются по-разному: объем жидкости изменяется ничтожно мало, а объем газа — весьма зна­чительно. При снижении давления газ и жидкость расширяются в той же мере, как и сжимаются. Главные особенности работы амор­тизатора на газо-жидкостной среде определяются именно разной сжимаемостью компонентов смеси, которая обладает так назы­ваемыми реологическими свойствами [38, 56].

Сопротивление дросселирующей системы зависит от объемного веса газо-жидкостной среды усм и ее вязкости vCM, определяющей режим течения. Положим, что объем камеры сжатия VK при нор­мальных условиях заполнен жидкостью в объеме У. ж и газом

В объеме Ve, т. е. VK = Уж + Ve. Отношение %ж = назовем

‘ Ж

Коэффициентом объемной концентрации газа в жидкости, а Хсж = = ^ парциальным коэффициентом концентрации. При этом

Имеем Хсж = т±г— • Величина %ж в общем случае переменна и

1 т %ж

Зависит от абсолютного давления в рабочей камере. В то же время весовое соотношение компонентов при равномерном распре­делении газа в смеси одинаково и независимо от сжатия и истече-

Ния, т. е. %ж = = const. Ввиду того что уж1000уг, объем­

Ный вес смеси

= <123> С увеличением давления величина %ж уменьшается, а вели­чина усм стремится к объемному весу чистой жидкости уж. В ис­правных телескопических амортизаторах максимальная вели­чина %ж не превышает 0,3, а в большинстве случаев ограничена величиной Хжтах < 0,2; при этом х™ < 0,16. Выражение (123) определяет таким образом минимальную величину усм э» 0,857^..

Вязкость воздуха v„ = (0,15 ч-0,20)-10-4 м2/сек в диапазоне положительных температур, характерных для работы амортиза­тора, сопоставима с вязкостью амортизаторной жидкости, поэтому

Чсм^чж. (124)

Если жидкость, находящаяся в камере, имеет одинаковый по величине коэффициент объемной концентрации в любом месте камеры, то из нее будет вытекать смесь такой же концентрации.

1 Скорость распространения давления не ниже скорости звука в газе. При длине рабочей камеры 0,1 м время установления давления не превышает 0,1 мсек.

В этом случае уравнение неразрывности движения для цикличе­ского процесса можно записать в следующем виде:

DVK __ дУж dv’e дУг

Dt ~ dt + dt ± dt ’

Где Ve и Ve — объемы газа, соответственно вытекающего из камеры и сжимаемого в ней.

Знак плюс соответствует >0, а знак минус соответствует

-|j — < 0; при = 0 и = 0. С учетом принятых обозначе­ний Vй = ХЖУЖ и

^=(1 + Х,)^±^- (126)

Таким образом, объем газа в камере изменяется и в абсолютном, и в относительном отношениях. Полная механическая энергия жидкости и газа в камере определяется давлением и складывается из потенциальной энергии давления АПр, потенциальной энер­гии АПп, изменение которой несущественно при значительных дав­лениях, и кинетической энергии жидкости и газа непосред­ственно в рабочей камере А/С, которая пренебрежимо мала. Учи­тывая малую сжимаемость капельной жидкости, можно принять средний объем жидкости в каждый момент времени

Т/ _________ @ж

" Ж Ср Л, *

Уж ср

Где ужср = Ужо ~^2Yжрт———— средний объемный вес жидкости.

Объемные веса у^ и ужрт при соответствующих давлениях определяются по закону Гука, из которого следует:

АПвж = —— • (127)

РЖ Ужср V ‘

При небольших перепадах давлений до 500 am ужр уж, и Ужср ^

Прирост энергии давления газообразной части смеси АПрг равен определенному интегралу функции Ve dp.

При изотермическом сжатии х, обусловливающем минимальный к. п. д. амортизатора, имеем pVs — const = GeRTe (R 260 ч — ч-280 дж!(кг-град) — газовая постоянная, а Тг— абсолютная температура газа).

1 Исследования Л. Г. Подвидза показали, что в мелкодисперсной газо­жидкостной системе вследствие интенсивного теплообмена разность температур жидкости и газа при сжатии сравнительно невелика.

При повышении абсолютного давления от р’го до р’

АПрг = } ОгЯТг ^ = ОДТе 1п К-,

А при понижении давления

(129)

подпись: (129)АП^^ОДТ^пЛ-

Рщ

Изменение состояния двухфазной среды и давление в рабочей

Камере определяется сум­мой АПрж и АПрг: р =р0-+Ар ^ (1-— у! см) Ар +

+ %смУсм[21]Тг]П-^-

* О

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АМОРТИЗАТОРА НА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЕ

У.,

подпись: у.,Где

См Уж

Вая концентрация газа в рабочей смеси.

Потенциальная энер­гия газовой составляющей смеси однозначно опреде­ляется логарифмической функцией абсолютных дав­лений, представленной на рис. 71 штрих-пунктирной линией. При увеличении

Давления >0^ функ­ция положительна, а при ^- < 0 — отрицательна.

Таким образом, жидкость вытесняется через дроссе­лирующую систему не только под действием поршня, но и вследствие расширения газа. В то же время влияние энергии давления газообразной части смеси АПрг на максимальные величины давлений, возни­кающих в рабочей камере, несущественно (%’Л %см • 10_3). Следовательно, величину Ар можно определять с помощью уравнения Бернулли, например, в виде уравнения (86), прини­мая уж усм. При этом становится ясной только одна из

Причин уменьшения энергоемкости амортизатора, связанная с уменьшением объемного веса смеси усм < уж.

Для выяснения влияния газовой составляющей на энергети­ческие показатели амортизатора следует подробнее рассмотреть уравнение (126), которое можно привести к виду

^. = 0 +1Ж)УЖ±У;,

Фв±’чгг І (131)

1 ~Г ‘/.Ж

Где W, = F, Vn — расход рабочей смеси, зависящий от переме­щения вытеснителя;

УРЖ — расход жидкости через дросселирующую си­стему;

We — расход (изменение объема вследствие сжатия или расширения) газо-жидкостной смеси. Закон We (t) связан с изменением объема газовой составляющей

В рабочей камере при сжатии (расширении), т. е. при >0

И <4 0. Прирост давления Ар уменьшает объем газа в рабочей

Камере на величину AVa = V# — Уг; если Gs = const, то при изотермическом процессе

TOC o "1-5" h z ДУг = GaRT; Ар. (132)

Г г г Ро (Ро + Лр) v ‘

Изменение Ga определяется кинематическими параметрами

Ог = Ge0 — tcMyCMxnFe (1 — cos at). (133)

Из выражений (132) и (133) при Ge = inv получим

ДУг = Ь<Зг0ЯТг . , (134)

Г г г г Ро (Ро + АР) ‘ ‘

колебаний, при уменьшении площади вытеснителя и при увеличе­нии начального объема рабочей камеры и количества газа в ней.

Более подробное исследование показывает, что для анализа колебательного процесса с амортизатором, работающим на газо­жидкостной смеси, приемлемую точность обеспечивает функция вида

ТаД sin (2<of — т„), (135)

Где тб — угол сдвига фазы, определяемый экспериментально.

Величина хб, являющаяся функцией частоты, ускорения коле­баний и инерционности жидкости, по имеющимся данным не пре­вышает величины

О наличии в амортизаторе газо-жидкостной смеси можно узнать по искажениям рабочей диаграммы и характеристики (при условии высокой точности регистрирующей аппаратуры). Приближенные рабочие диаграммы и характеристики с учетом выражений (132)— (134) могут быть построены графо-аналитическим методом (рис. 72). С этой целью рабочую диаграмму и характеристику рас­полагают рядом, а под ними строят соответственно косинусоиду, которая является графиком перемещения поршня по времени, и синусоиду, которая отражает соответствующее изменение скорости поршня. Построение рабочей диаграммы по характеристике пока­зано стрелками, а построение характеристики по рабочей диа­грамме может быть выполнено в обратном порядке. Примем для простоты, что односторонний амортизатор, показанный на рис. 73, не имеет дроссельных отверстий, а клапан обеспечивает полную разгрузку. В этом случае до момента начала открытия клапана смесь никуда не перетекает из рабочей камеры, и ее объем умень­шается от VK0 до (VK — AVa) только за счет сжатия газовой ком­поненты по закону (128) — линия 1—2′. В точке 2′ начинает от­крываться клапан, который поддерживает давление на одном уровне Дркл до остановки поршня в крайнем левом положении (точка 4). После этого поршень начинает двигаться вправо, и дав­ление в рабочей камере быстро снижается до р0, что отображает линия расширения 4—5′. Линия сжатия 1—2′ «отрезает» от пол­ной диаграммы, определяемой точками 1, 2, 3, 4, 5, заштрихо­ванную площадку 1,2 и 2′, которая соответствует «недопоглощен — ному» количеству энергии. Коэффициент энергоемкости (в данном случае он равен отношению площадей рабочей диаграммы) умень­шается с уменьшением амплитуды при vn max = idem и отражает снижение эффективности амортизатора:

Нетрудно убедиться, что площадка £4,5,5′ эквивалентна энер­гии, возвращенной амортизатором колебательной системе при ходе

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АМОРТИЗАТОРА НА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЕ

Рис. 72. Построение рабочей диаграммы и характеристики с помощью графиков скорости и перемещения поршня

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АМОРТИЗАТОРА НА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЕ

Рис. 73. Схема работы амортизатора с «весовым» клапаном (без по стоянных дросселей) при значительной эмульсации жидкости

Сжатия. Следовательно, при колебаниях действительная энерго­емкость будет еще меньше:

^==-^^-<^<1. (136)

^1. 2, 4, 5

Кроме того, амортизатор создает так называемое отрицатель­ное затухание, увеличивает энергию колебательной системы, «раскачивает» ее на длине хода сжатия от точки 5 до точки 5′. Этот нелинейный эффект оценивается коэффициентом автогенера­ции [22]

Ч<137>

1, 2′, 4, 5

На рис. 74, а показаны диаграмма и характеристика бездрос- сельного амортизатора, но с вполне реальной клапанной харак­теристикой. Как видно из графика, участки 2’—3’, 3’—3" и 3"—4′ имеют некоторые особенности построения. Первый участок обра­зуется смещением точек рабочей диаграммы, построенной без учета сжимаемости (штриховые линии), на величину АУг при дан­ном перепаде давлений. Участок З’—З", характеризуемый усло­вием = 0 и УРг = 0, отражает неопределенность функций рас-

Ди

Хода через клапан при <0 и Д р <С Артах и газового состоя­ния, характеризуемого выражением (129). Для этого участка характерны неустойчивость равновесия в двухфазной системе и большая вероятность вибрации клапана. Участок 3"—4′ полу­чается в результате смещения точек рабочей диаграммы на вели­чину ДУг2 — газа, который начинает расширяться от точки 3", соответствующей условно Ар = Ар"кл и № = ^”г. Расширение газа отражает кривая 3’—г2. В точке 4′, когда поршень уже до­стиг крайнего положения и меняет направление движения, дав­ление газа не равно нулю, как и в предыдущем случае. Линия рас­ширения газа от точки 4′ до точки 5′ аналогична линии, показан­ной на рис. 73.

На рис. 74, б даны рабочая диаграмма и характеристика одностороннего бесклапанного амортизатора с квадратичным за­коном сопротивления, а на рис. 74, в — диаграмма и характери­стика двухстороннего амортизатора. В точке 5′ давления в про­странстве под поршнем и в пространстве над поршнем обратно пропорциональны площадям У7,, и (/•’„ — /ш); при этом Ра = 0. Линия сжатия газа 5’—г3 более полога, чем соответствующая ей линия сжатия при отдаче, ввиду малой площади вытеснителя жидкости /ш.

На основании представленных графиков и данных, полученных при испытаниях амортизаторов, можно сделать следующие основ­ные выводы. Величина энергии, возвращаемая газом при расши-

ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АМОРТИЗАТОРА НА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЕ

Рис. 74. Рабочие диаграммы и характеристики сопротивления амортизаторов при значительной эмульсации жидкости:

А — бездроссельных; б — бесклапанных; в — обыкновенных. Штриховые линии — без учета сжимаемости жидкости; штрих-пунктирные линии — сжатие и расширение газовой

Компоненты

Рении (на рис. 74 — площадки с горизонтальной штриховкой), мала сравнительно с потерями при сжатии газа; энергоемкость амортизатора обратно пропорциональна частоте и амплитуде колебаний в степени 1,5—2.

Характеристика амортизатора претерпевает значительные из­менения, получается петлеобразной, причем петлеобразность тем больше, чем выше коэффициент сопротивления амортизатора: наибольшая — у бездроссельного, наименьшая — у бесклапан­ного с квадратичным законом сопротивления. Усиливается не­линейность на начальном уча­стке: линейные характеристики становятся прогрессивными (по­чти квадратичными), а квадра­тичные приближаются к куби­

Рис. 75. Схемы амортизаторов с газо­жидкостной рабочей средой:

подпись: рис. 75. схемы амортизаторов с газо-жидкостной рабочей средой:

А — неправильная: упругая газовая ком­понента заменена упругим элементом, включенным параллельно амортизатору; б — правильная: с «последовательным

Включением» всестороннее сжатых упру* гих газовых пузырьков; 1 — газовые пузырьки; 2 — жидкость

подпись: а — неправильная: упругая газовая компонента заменена упругим элементом, включенным параллельно амортизатору; б — правильная: с «последовательным
включением» всестороннее сжатых упру* гих газовых пузырьков; 1 — газовые пузырьки; 2 — жидкость
ОСОБЕННОСТИ РАБОТЫ АМОРТИЗАТОРА НА ГАЗОЖИДКОСТНОЙ РАБОЧЕЙ СРЕДЕ

ПРИІГ<0)-

подпись: приіг<0)-Ческим ^при На обрат

(

Ной ветви

Оборот, все характеристики при­обретают вид регрессивных.

Главным в этих изменениях остается все же наличие отри­цательного сопротивления на участках 6—5′ и 10—Г (см. рис. 74, в), что обусловливает дополнительную нелинейность колебательной системы, при­дает ей автоколебательный ха­рактер. Вместе с тем нетрудно видеть, что отрицательная сила сопротивления может нейтрали­зовать в определенной мере действие постоянного трения в подвеске, т. е. суммарная сила

Рас~ Рт Рай И Рао = ^т ^*010

Может оказаться уменьшенной и в частном случае равной ну­лю, — в начале хода сжатия или отдачи. Однако в конце хода сжатия и отдачи имеем соответ­ственно Рас = Ра10 И Рао =

= /’т + Рай, Т. е. тормозное действие суммарной силы силь­нее в конце хода, чем в начале. Из теоретического анализа сле­дует, что в некоторых условиях это может оказаться благо­приятным для колебательной системы.

Исследование рабочего процесса амортизатора показывает, что известная по работам И. Б. Скиндера [45, 46] замена «эмульсиро­ванного» амортизатора механической системой (рис. 75, а), отлича­ющейся параллельным включением упругого элемента большой жесткости и гидравлического амортизатора, является, к сожале­
нию, ошибочной. Неоправданным является и введение параметра жесткости в качестве одного из оценочных для амортизатора. Наи­более близким механическим аналогом амортизатора с двухфазной газожидкостной рабочей смесью является гидравлический «ре­лаксационный» амортизатор, т. е. гидравлический амортизатор, включенный последовательно с упругим элементом. Заметим, что подобная же система возникает при испытаниях амортизатора на динамометрических стендах с мягкими упругими элементами, применяемыми в качестве силоизмерительных, а также при зна­чительной инерционности регистрирующей системы. Это приводит к систематическим погрешностям при испытаниях амортизаторов (см. ниже) и тоже проявляется в виде петлеобразности характери­стик.

Следует иметь в виду, что работа на газо-жидкостной смеси крайне вредна для амортизатора из-за:

1) нарушения масляной пленки в трущихся парах проникаю­щими в зазоры воздушными пузырьками, что приводит к интен­сификации износов;

2) усиления струйной и объемной кавитации, которая ведет к вибрациям клапанов и эрозии деталей дросселирующих систем;

3) выделения газовой компоненты в виде больших каверн, вследствие чего возникают условия для увеличения инерционного сопротивления жидкости;

4) возникновения резких перепадов давлений, что снижает усталостные характеристики деталей амортизатора (клапанов, кор­пусных деталей и др.).

Для предотвращения кавитационной эмульсации жидкости в амортизаторах есть пока только одно радикальное средство — повышение начального давления р0 во всем объеме жидкости. Удачная попытка решения этой частной задачи была в свое время предпринята Де Карбоном, и созданный им в конце 40-х годов однотрубный амортизатор остается до сих пор единственным в сво­ем роде и получает все более широкое применение.

Комментарии запрещены.