Для стальных труб и применяющийся в авиационных гидросистемах масляной смеси АМГ-10 можно при Г= 20|ОС принимать а=1290 м/сек. Для трубы с абсолютно жесткими стенками (Е=оо) скорость распро­ странения ударной волны равна скорости распространения звука в дан­ ной жидкой среде с плотностью Qи объемным модулем упругости К, т. е.

Подсчеты показывают, что упругая деформация стенок распростра­ ненных в гидросистемах стальных трубопроводов снижает скорость ударной волны в них по сравнению с расчетным ее значением при абсо­ лютно жестких стенках практически на 9%, причем это снижение будет тем больше, чем выше при всех прочих равных условиях отношение d/s. В равной мере заброс давления в стальных трубах превышает примерно на 8—10% при тех же условиях заброс давления в медных и дуралюминовых трубах.

Результаты опытов показали, что скорость а для труб с размерами 3<d/s<20 и деаэрированного масла зависит от его вязкости, уменьша­ ясь с увеличением ее. Результаты опытов с минеральными маслами при­ ведены в табл. 7.

Гидравлический удар в отводах

Повышение давления при гидравлическом ударе в каком-либо тру­ бопроводе гидросистемы вызывает в результате возмущения давления гидравлический удар в тупиковых отводах от него. Этот эффект обуслов­ лен тем, что давление, возникшее в трубопроводе при гидравлическом ударе, распространяясь по отводу, развивает в нем вследствие деформа­ ции его стенок и жидкости движение последней к тупику, в результате

8 5

создаются аналогичные условия для развития волнового процесса, как и в случае мгновенного перекрытия трубы с движущейся в ней жид­ костью.

Эффект гидравлического удара наблюдается также при мгновенных (скачкообразных) подключениях тупиковых отводов или иных жестких емкостей, заполненных жидкостью, к источнику давления (к рабочей ма­ гистрали, пневмогидравлическому аккумулятору и пр.) с более высоким давлением. В том случае если время t открытия крана при подключе­ нии тупиковой трубы меньше периода рассматриваемого отрезка трубо­ провода т, давление, развивающееся в результате гидравлического удара в тупике превышает возмущающее давление (давление перед краном) практически в два раза.

5)

Рис. 31. Схема (а) и график (б) колебаний давлений, иллюстрирующие гидроудар в тупиковом отводе

На рис. 31 представлен график колебаний давлений по времени, на­ блюдавшихся в тупиковом отводе стальной трубы <?, заполненной жид­ костью при нулевом давлении, при почти мгновенном сообщении ее при помощи быстродействующего электромагнитного переключателя 2 (вре­ мя открытия ~5 мксек) с пневмогидравличееким аккумулятором Д за­ ряженным до давления р0 = 210 кГ/см2. Процесс затухания колебаний давления длился в этом случае 0,25 сек при общем числе колебаний ~15. Давление в первом цикле колебаний повысилось за 0,04 сек до

Руд= 420 кГ/см2.

Рассмотренный эффект гидравлического удара имеет большое прак­ тическое значение, поскольку любой из недействующих в какой-либо момент времени участков гидравлических магистралей разветвленного напорного трубопровода может рассматриваться как тупиковый отвод, в котором затвор создается присоединением на его конце какого-либо агрегата. К тупиковым отводам можно также отнести линии питания различных измерительных и контрольных приборов (манометров, инди­ каторов и пр.). При мгновенных подключениях этих линий к магистра­ лям с более высоким давлением или при резких колебаниях давления в этих линиях показания приборов могут значительно превышать факти­ ческое давление, что может вызвать разрушение прибора или быть при­ чиной ложных сигналов в системе гидроавтоматики.

Г и д р а в л и ч еск и й у д а р в си л о в ы х ц и л и н д р а х

Большой практический интерес представляет гидравлический удар в силовых цилиндрах и в других подобных им жестких емкостях. Удар­ ные давления в таких агрегатах могут привести к разрушениям их, а так­ же нарушить герметичность соединений в результате выдавливания уп­ лотнительного кольца в уплотняемый зазор.

Анализ опытных данных показывает, что максимальные значения ударных давлений, (возникающие при волновом переходном процессе в силовом цилиндре с весовым поршнем, могут при определенных усло­

8 6

виях значительно превышать ударное давление при прямом гидравли­ ческом ударе в трубе, определяемом по уравнению (96). Так, например, испытания показали, что ударные давления при мгновенной остановке поршня силового цилиндра с помощью жесткого упора (или путем мгно­ венного перекрытия его сливного трубопровода) могут достигать четы­ рехкратного значения рабочего давления в системе.

На рис. 32 приведены кривые изменения максимальных ударных дав­ лений в цилиндре в зависимости от скорости щ движения жидкости в пи­ тающем трубопроводе, полученные при разных объемах V полости ци­ линдра. Верхни-е кривые (сплошные линии) характеризуют максималь­ ную величину ударного давления /?уД= Д/?уД+ рдв и нижние (пунктирные линии) — давление рдв в цилиндре к моменту прихода поршня к упору (давление, соответствующее сопротив­ лению поршня при установившейся его скорости).

Нетрудно видеть, что ударное по­ вышение давления Друд, развиваю­ щееся в цилиндре в этих условиях, ха­ рактеризуется отрезками ординат

ДРуд=Руд—Рдв- Следует иметь в виду, что указанные отрезки ординат вклю­ чают в себя также и давления, обу­ словленные характеристикой и инер­ ционностью переливного клапана и его сливного трубопровода.

Наблюдающаяся на рис. 32 зави­ симость максимального ударного дав­ ления в цилиндре от объема V жидко­ сти в нем, обусловлена тем, что соот­ ношение между относительным изме­ нением объема рабочей жидкости и ее давлением зависит в рассматриваемой упругой системе от приведенного мо­

дуля ее объемной упругости, комплексно учитывающего упругие свой­ ства как жидкости, так и стенок цилиндра.

Аналогичные ударные забросы давления были получены при остановке поршня путем мгновенного перекрытия сливного трубопро­ вода цилиндра. На рис. 33, а представлена кривая колебаний давления жидкости в месте ввода ее в силовой цилиндр, наблюдавшихся при мгновенном перекрытии сливного трубопровода цилиндра при движу­ щемся в нем поршне. Давление при движении поршня равно 50 кГ\см2, что соответствует рабочему давлению источника питания. В точке а поршень цилиндра путем мгновенного перекрытия сливного трубопро­ вода, по которому отводилась жидкость из нерабочей полости цилиндра, был заторможен. При этом давление в месте ввода жидкости в цилиндр возросло за отрезок времени, равный ^0,025 сек, до величины 160 кГ/см2, что соответствует превышению ударного давления относительно источ­ ника питания в 3,2 раза. По достижении максимального значения дав­ ление резко (за отрезок времени ~ 0,01 сек) понижается до нуля и после затухающих колебаний устанавливается в течение 0,3 сек на уровне давления источника питания.

На рис. 33, б представлена кривая первой фазы ударного давления в сливной трубе на выходе из рассматриваемого цилиндра (перед перекрывным краном). После перекрытия сливного трубопровода (точка Ь) давление в нем (перед перекрывным краном) ударно повышается за от­ резок времени 0,008 сек с 15 кГ]см2, соответствующем давлению в слив­ ной магистрали, до 175 кГ/см2.

87

Впрактике распространены также случаи гидравлического удара

вцилиндре при возмущении давления путем мгновенного подсоединения

цилиндра к источнику питания с давлением, превышающим давление в цилиндре. В частности, подобное условие будет иметь место при мгно­ венной подаче питания в силовой цилиндр с неподвижным весовым поршнем, или в цилиндр, расположенный на отводном трубопроводе, при условии, что движение поршня ограничивается каким-либо упором.

с жидкостной емкостью на конце, в соответствии с чем механизм гид­ равлического удара для этого случая будет таким же, как описанный выше в схеме тупика (см. рис. 31), но с учетом величины присоединен­ ной емкости.

Как и в рассмотренном простом тупиковом трубопроводе, возмуща­

На рис. 34 приведена кривая, характеризующая ударное давление Руд при подключении цилиндра с нулевым давлением и заторможенным поршнем к источнику питания (аккумулятору) с давлением ро. Подклю­ чение цилиндра осуществлено с помощью электромагнитного распреде­ лителя (^0,006 сек). Цилиндр дуралюминовый 0 = 4 2 мм\ объем поло­

88

сти цилиндра V=241 см3; толщина стенки 3,75 мм; длина трубопровода питания L = 4 м и сечение 10X8 мм. Величина Друд заброса давления при гидравлическом ударе выражается в этом случае разностью

Д р у д = Руд Ро-

Очевидно механизм действия гидравлического удара в рассмотрен­ ном случае справедлив и для случаев, когда на конце тупикового от­ вода будут находиться иные относительно жесткие емкости (мано­ метры или прочие контрольно-измерительные приборы и аппаратура).

Г и д р а в л и ч е с к и й у д а р в н а с о с а х

Гидравлический удар в насосах может возникнуть вследствие раз­ личных причин, однако особого внимания заслуживают удары, наблю­ даемые при работе насоса в кавитационном режиме. Удар в последнем случае обусловлен тем, что при соединении недозаполненной жидкостью рабочей камеры насоса с нанегательной линией гидросистемы возникает обратный поток жидкости в эту камеру, сопровож­ даемый ударными забросами давления в ней. Поскольку при этом возможны вследствие высоких перепадов давления между нагнетательной линией и рабочей камерой насоса большие скорости обрат­ ного потока жидкости, ударные забросы давления в камерах насоса могут дости­ гать значений, способных вывести насос из строя. Кроме того, поскольку волны повышенного ударного давления, возни­ кающие при гидравлическом ударе в на­ сосе, распространяются по всей развет­ вленной сети трубопроводов, они могут вызвать значительные колебания давле­

ния даже в местах, удаленных от источника гидравлического удара, и могут быть причиной выхода из строя различной гидроаппаратуры.

На рис. 35 приведен график колебаний давления в поршневом на­ сосе, работающем в кавитационном режиме. Величина ударных давле­ ний в этом случае достигала ^ 386 кГ[см2 при рабочем давлении в си­ стеме 210 кГ/см2. Частота колебаний равна произведению числа цилинд­ ров на число оборотов насоса.

СПОСОБЫ СНИЖ ЕНИЯ ВЕЛИЧИНЫ УДАРНОГО ДАВЛЕНИ Я

Снизить величину гидравлического удара можно либо соответствен­

ным увеличением времени t переключения распределителя до значения 2/,

t^> — , либо уменьшением периода т трубопровода за счет применения

а

различных компенсаторов (гасителей) гидравлического удара. Регулирование времени переключения распределителя обычно

осуществляется с помощью дроссельных реле, при применении которых можно обеспечить заданное время t. Схема одного из реле, предназна­ ченного для плавного выравнивания давления при быстром соединении магистралей а и Ь с большим перепадом давления, представлена на рис. 36.

После открытия перекрывного крана 7 эти магистрали будут со­ единены сначала лишь узкой щелью, образованной конусной частью клапана 2 и его корпусом, сечение которой по мере перемещения кла­ пана вправо увеличивается. Соединение же этих магистралей полным

8 9

сечением проходных каналов произойдет лишь после того, как клапан 2 переместится на заданный путь вправо, выталкивая при этом жидкость из полости 3 через дроссельное отверстие 5. При закрытии перекрывного крана 7 клапан 2 возвращается под действием пружины 4 в исходное (крайнее левое) положение, вытесняя жидкость через жиклерное отвер­ стие клапана 1 и обратный шариковый клапан 6.

ЧЧЧЧЧЧЧЧЧЧ

Рис. 36. Дроссельный клапан (реле) для регулирования вре­ мени переключения распределителей

Очевидно, путем выбора соответствующей величины сопротивле­ ния дросселя 5 и конусности клапана 2 можно обеспечить требуемую плавность соединения магистралей а и Ъ, а следовательно, обеспечить плавное безударное выравнивание давления в этих магистралях.

Реле подобного типа не допускает больших частот переключения, которые при положительной температуре обычно не превышают 2—3 переключения в секунду.

Требуемое время t закрытия (или открытия) задвижки, при кото­ ром будет обеспечен заданный заброс удельного давления А м о ж е т быть определено из выражения (100):

с перепадом давления 220 кГ/см2 надежно обеспечивается при ^ 0 ,1 сек.

К о м п е н с а т о р ы г и д р а в л и ч е с к о г о у д а р а

Компенсатор (гаситель) гидравлического удара обычно представ­ ляет собой соединенный с трубопроводом сосуд (резервуар) (рис. 37) с упругим элементом, обладающим более высокой сжимаемостью, чем жидкость в трубопроводе.

Действие подобного компенсатора основано на том, что поток жидкости, соответствущий приращению скорости в ударной волне над начальной скоростью, поступает в резервуар компенсатора, благодаря чему поглощается энергия ударной волны.

Распространены поршневые компенсаторы с пружинным (рис. 37, а) и газовым (рис. 37, б) упругими элементами. Эти компенсаторы разме­ щаются вблизи защищаемого агрегата или участка магистрали или устанавливаются непосредственно на последней.

Поскольку снижение ударного давления в компенсаторе происходит в результате поглощения при деформации упругого элемента части энергии ударной волны, доля поглощаемой энергии будет тем большей,

9 0

чем больше будет деформация упругого элемента компенсатора, упру­ гость которого в пределах возможного сжатия должна быть по возмож­ ности постоянной. Для этого объем газовой камеры компенсатора сле­ дует выбирать таким, чтобы изменение давления газа в процессе погло­ щения ударной волны было минимальным. Практический объем газовой камеры такого компенсатора обычно выбирается равным 2-секундному расходу жидкости в трубопроводе, а начальное давление зарядки га­ зом — равным максимальному рабочему давлению в системе.

Недостатком поршневых компенсаторов является большая инерци­ онность, обусловленная в основном массой поршня, а также инерцион­ ностью столба жидкости в канале (трубке) а, соединяющем жидкостный резервуар компенсатора с рабочей магистралью гидросистемы. Вслед­ ствие этого поршень компенсатора может вступить под действием удар­ ной волны и колебаний давления в системе в гармонические колебания,

которые приведут к асинхронному по отношению к действию ударной волны изменению знака направления движения жидкости в этом канале (к появлению «отрицательной» скорости). При этом давление в ка­ нале а может превысить давление ударной волны в защищаемой маги­ страли, в результате чего подобный компенсатор не только не будет поглощать энергию волны, а усугублять ее действие, что приведет к уве­ личению ударных давлений.

Колебания поршня в значительной мере усугубляются силами тре­ ния его в цилиндре и, в частности, разницей в трении покоя и движе­ ния, которая для поршня с резиновыми уплотнительными кольцами может достигать четырехкратного и более значения. Разница в трении вызывает вследствие упругости газа и инерционности поршня повыше­ ние амплитуды колебаний движения поршня сверх величины, обуслов­ ленной рассматриваемым волновым процессом, которое сопровождает­ ся, в свою очередь, нежелательным увеличением амплитуды колебания давления в газовой полости компенсатора и увеличением «отрицатель­ ной» скорости жидкости в соединительном канале.

Указанный недостаток можно частично устранить путем уменьше­ ния массы поршня и объема жидкости, находящейся в соединительном канале а. Кроме того, поскольку инерционные свойства жидкости в переходных процессах проявляются особенно заметно при малых сече­ ниях трубопроводов, сечение этого канала должно быть возможно боль­ шим, а длина — малой. Для этого резервуар компенсатора рекомен­ дуется размещать непосредственно на защищаемом трубопроводе, а сечение канала доводить до размера, близкого к размеру сечения трубо­ провода.

Однако при всех указанных мерах не устраняется инерционность поршня и трение его в цилиндре, ввиду чего эти компенсаторы не могут быть рекомендованы в качестве гасителя гидравлических ударов и пульсации давления в гидросистеме.

91

Для уменьшения инерционности подвижного элемента компенса­ тора жидкостную и газовую среды разделяют с помощью эластичной: резиновой мембраны (рис. 38, а). На рис. 38,6 приведен подобный га­ ситель гидравлических ударов и пульсаций давлений, примененный на самолетах; в качестве разделителя применена плоская резино-тканевая

12x10 мм; газовый объем резервуара компенсатора ~250 см3). Резуль­

не оказывал. Более того, при применении его появились дополнительные всплески давления, вызванные указанной выше асинхронностью дейст­ вия компенсатора по отношению ударных волн. Однако при правильной установке аккумулятора заброс ударного давления у перекрывного крана (заслонки) при прямом гидроударе не превышает 10% значения давления зарядки аккумулятора.

К л а п а н н ы е г а с и т е л и г и д р а в л и ч е с к о г о у д а р а

Для ограничения величины ударного давления применяют также предохранительные клапаны (см. рис. 37, в), действие которых при обеспечении известных условий равноценно действии рассмотренного выше диафрагменного компенсатора с каналом, ведущим в жидкостную среду с постоянным давлением. Для того чтобы максимально устранить прохождение ударной волны по магистрали за предохранительный кла­ пан, т. е. максимально поглотить энергию ударной волны, необходимо уменьшать инерционность клапана, которая зависит от массы подвиж­ ных его частей и сечений проходных каналов, а также от длин трубо­ проводов, с помощью которых клапан присоединяется к рабочей маги­ страли и соединяется с баком.

Очевидно, наиболее эффективной, при всех прочих равных условиях, будет установка клапана непосредственно на рабочей магистрали со сбросом жидкости при срабатывании клапана непосредственно в атмосферу (без применения сливного трубопровода). Испытания показали, что при установке клапана на отводном трубопроводе большой длины (более 0,5—0,8 ж), а также при большой длине сливных (дренажных) трубопроводов эффективность гашения удара будет снижена или даже полностью нарушена.

9 2