7.1. Скорость ударной волны

Входящая в приведенные выражения скорость а ударной волны (импульс давления) в упругой жидкости, заключенной в упругий трубопровод, определяется по уравнению

где - плотность жидкости;

d и s – внутренний диаметр и толщина стенки трубы;

К – объемный модуль упругости жидкости; для деаэрированного минерального масла можно принять К = 1,6 · 10⁴ кГ/см²;

Е – модуль упругости материала трубы; для труб из стали 1Х18Н9Т можно принимать Е = 2 · 10⁶ кГ/см².

Эта скорость для воды (плотность =10² кгм^-4 сек²; модуль объемной упругости К = 20,87 · 10⁶ кГ/см²) в стальных трубах с отношением равна а = 1445 м/сек; для деаэрированного минерального масла а = 1320 ÷ 1440 м/сек; для применяющийся в гидросистемах масляной смеси АМГ-10 при С а = 1290 м/сек.

При наличии в масле нерастворенного воздуха в последнюю формулу подставляется вместо объемного модуля упругости жидкости значение приведенного объемного модуля упругости смеси жидкости с воздухом. В соответствии с этим скорость ударной волны, а следовательно, и величина ударного давления будут ниже, чем при деаэрированной жидкости.

Для трубы с абсолютно жесткими стенками (Е = ~) скорость распространения ударной волны равна скорости распространения звука в данной жидкой среде с плотностью р я объемным модулем упругости К:

Подсчеты показывают, что упругая деформация стенок распространенного стального трубопровода снижает скорость ударной волны по сравнению со скоростью в случае абсолютно жестких стенок практически на 9%, причем это снижение будет тем больше, чем выше при всех прочих равных условиях отношение . Из приведенного примера также следует, что величина ударного давления в стальных трубах превышает при тех же условиях ударное давление в медных и дюралевых трубах, Практически величина ударного давления в последних трубах на 8-10% ниже, чем в стальных при тех же условиях.

Заброс ударного давления в трубопроводе уменьшается с повышением местных гидравлических потерь, которые вызывают также затухание (демпфирование) колебании и уменьшают их длительность. Учитывая демпфирующий эффект местных сопротивлений, их часто используют для гашения гидравлического удара. Для этой цели в трубопровод устанавливают одну или несколько дроссельных шайб, с помощью которых достигается сглаживание фронта ударной волны и смягчение эффекта гидравлического дара на участке после дросселя.

Действие такой шайбы обусловлено как местным гидравлическим сопротивлением, так и инерционным эффектам течения жидкости через дроссельный канал. Ввиду этого чем меньше сечение этого канала по сравнению с сечением магистрали и чем больше длина этого канала, тем более высокими будут инерционные его свойства, а следовательно, и эффективность гашения гидравлического удара.

7.2. Гидравлический удар в отводах

Повышение давления при гидравлическом ударе в каком-либо трубопроводе гидросистемы вызывает в результате возмущения давления эффект гидравлического удара во всех отводах от него, в том числе и тупиковых.

Это обусловлено тем, что давление, возникающее в трубопроводе при гидравлическом ударе, распространяясь по отводу, развивает в нем вследствие деформации его стенок и жидкости движении последней к тупику. В результате создаются условия для развития волнового процесса, что и в случае перекрытия трубы с движущейся жидкостью, с той лишь разницей, что началу этого процесса предшествует полное перекрытие трубы и что возмущающим давлением здесь является ударное давление, действующее у начала тупика.

Аналогичный эффект гидравлического удара наблюдается также при мгновенных (скачкообразных) подключениях жестких тупиковых отводов и емкостей, заполненных жидкостью, к источнику более высокого давления {к рабочей магистрали гидросистемы, пневмогидравлическому аккумулятору и пр.). В том случае, если время t открытия крана при подключении тупиковой трубы (отвода) меньше периода трубопровода τ, то давление, развивающееся в результате гидравлического удара в тупике, превышает возмущающее давление (давление перед краном) почти в 2 раза.

На рис. 23 представлен график колебаний давления в тупиковой стальной трубе 3, заполненной жидкостью при нулевом давлении, при мгновенном соединении с помощью быстродействующего крана 2 с электромагнитным управлением (время переключения ~5 мсек) с газогидравлическим аккумулятором 1, заряженным до давления р₀ = 210 кГ1см^г. Затухание колебания давления длилось в этом случае 0,25 сек с общим числом колебаний ~ 15; давление; при первом цикле колебания повысилось (за 0,04 сек) с нулевого до р_уд = 400 кГ/см^г, т. е. заброс ударного давления был равен

Рис. 23. Схема, иллюстрирующая гидроудар

в тупиковом отводе:

а – тупиковая труба; б – график колебания давления

Эффект гидравлического удара в тупиковом отводе имеет большое практическое значение, поскольку любая из недействую­щих в какой-либо момент гидравлических магистралей разветв­ленного напорного трубопровода может рассматриваться как тупиковый отвод, затвор в котором создается присоединенным на его конце каким-либо агрегатом, перекрывающим этот отвод. К тупиковым отводам могут быть также отнесены линии питания различных измерительных и контрольных приборов: манометров, индикаторов и прочих реле. При скачкообразных подключениях этих линий к магистралям с более высоким давлением или при резких колебаниях давления в этих источниках показания при­боров могут значительно превышать фактическое давление в си­стеме, что может вызвать разрушение приборов или быть при­чиной ложных сигналов в системе гидроавтоматики.

7.3. Гидравлический удар в силовых гидроцилиндрах

Большой практический интерес представляет гидравлический удар в силовых цилиндрах и в других закрытых жестких емкостях, ударные давления в которых могут нарушить, в результате выдавливания уплотнительного кольца в уплотняемый зазор, герметичность соединений, а также вызвать разрушение самих емкостей и их элементов. Опыт показывает, что максимальные значения ударных давлений при волновом переходном процессе в системе силового цилиндра с весовым поршнем могут при определенных условиях значительно превышать ударное давление при прямом гидравлическом ударе в трубе. Так, например, испытания показывают, что ударные давления при мгновенной остановке движущегося поршня силового цилиндра с помощью жесткого упора могут достигать при распространенных скоростях (~ 12 м/сек) движения жидкости в подводящем трубопроводе трех- и четырехкратного значения рабочего давления в системе (в источнике питания).

Рис. 24. Колебания давления в силовом цилиндре

при мгновенной остановке его поршня (а) и в насосе,

работающем в режиме кавитации (б)

Аналогичные ударные забросы давления наблюдаются также при остановке поршня путем. мгновенного перекрытия слив­ного трубопровода. На рис. а показана кривая колебания давления жидкости в месте ввода ее в силовой цилиндр при мгно­венном перекрытии сливного трубопровода цилиндра с движу­щемся поршнем. Давление при движении поршня 42 кГ/см², что соответствует рабочему давлению в питающем газогидравлическом аккумуляторе. В точке а поршень цилиндра путем мгновенного перекрытия сливного трубопровода, по которому отводилась жидкость из нерабочей полости цилиндра, был заторможен. При этом давление у ввода в цилиндр возросло за отрезок времени, равный ~0,025 сек, до величины 120 кГ/см², что соответствует превышению ударного давления над давлением источника питания примерно в 3 раза. По достижении максимального значения давле­ние резко (за ~ 0,01 сек) понижается до нуля и после затухающих колебаний в течение 0,3 сек устанавливается на уровне давления источника питания (аккумулятора).