Добавил:

ivanov666 Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.

Вуз:

Башкирский Государственный Аграрный Университет

Предмет:

[НЕСОРТИРОВАННОЕ]

Файл:

Электрогидроимпульсный эффект для динамических испытаний вагонов. Монография

.pdf

Скачиваний:

Добавлен:

08.09.2026

Размер:

2 Мб

Скачать

☆

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 124 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

В связи с высокой плотностью тока в канале разряда возникает большая эрозия электродов, существует необходимость защиты изоляции от ударных волн, а при давлении газа свыше 10 атм при наличие неровностей на поверхности электродов и загрязнения их продуктами разряда разрядные напряжения оказываются низкими, только после длительных тренировок разрядами полированной поверхности электродов токами 1–100 А разрядное напряжение повышается почти вдвое за счет уменьшения неровностей, в эксплуатации такая подготовка электродов неприемлема, поэтому данный тип разрядника не подходит для постоянного использования в электрогидроимпульсных установках.

Разрядники при атмосферном давлении

Существующие искровые разрядники делятся по способу инициирования разряда: разрядники с подсветкой, тригатроны, каскадные разрядники, разрядники с прямым перенапряжением и другие.

Искровые разрядники при атмосферном давлении имеют простую конструкцию и большие возможности управления их срабатыванием. Из-за большой плотности тока и высокой температуры канала искры возникает интенсивное разрушение электродов. Недопустимо возникновение неровностей на электродах, приводящее к неравномерности электрического поля и снижению разрядного напряжения, поэтому данный тип разрядника не является оптимальным для использования в электрогидроимпульсных установках.

Коммутаторы низкого давления

Вакуумный разрядник представляет собой цилиндрическую камеру из изолирующего материала с металлическими торцевыми фланцами, которые служат электродами. Несмотря на собственную малую индуктивность, большую пропускную способность по току, отсутствия мощных ударных волн и бесшумность, вакуумные разрядники имеют ряд недостатков: сложность конструкции в связи с необходимостью обеспечения вакуума, при коммутации больших токов материал, испаряющийся со стенок камеры приводит к повышения давления газов внутри камеры, и разрядник не удерживает рабочее напряжение, данный тип разрядника требует длительного времени для подготовки к работе по сравнению с другими типами разрядников, в связи с этим эксплуатация данного типа разрядника осложняется.

Коммутаторы с пробоем жидкого диэлектрика

Применение жидкостных коммутаторов с пробоем жидкого диэлектрика ограничивается тем, что при многократных разрядах жидкость загрязняется и требует очистки или замены, ударные волны, возникающие при мощных разрядах, разрушают механические узлы коммутаторов.

Разрядники с твердым диэлектриком

Данный тип разрядников имеет предельно низкие значения длины и индуктивности искрового промежутка. Твердая изоляция позволяет осуществить весьма компактные конструкции разрядников, основные элементы которых: сменная изоляция, устройство для пробоя или прокалывания изоляции и электроды, подвергающиеся довольно сильной эрозии и механическим разрушениям из-за ударных волн и высокой плотности тока в разрядном промежутке.

Для реализации импульса наносекундной длительности рациональнее прочих использовать коммутаторы с пробоем в твердом диэлектрике, так как они обладают следующими качествами: коротким разрядным промежутком в связи с высокой электрической прочностью твердого диэлектрика, следовательно, наиболее низкими индуктивностью и активным сопротивлением при пробое, это обеспечивает крутой фронт импульса тока и напряжения.

Коммутация в наносекундном диапазоне осуществляется мощными импульсными тиристорами с повышенным быстродействием. Работа устройства основана на заполнении хорошо проводящей электронно-дырочной плазмой области, которая до этого не содержала в значительном количестве свободных носителей заряда и вследствие этого блокировала приложенное к прибору внешнее напряжение. Тиристор является полупроводниковым управляемым прибором, имеет четырехслойную структуру типа p–n–p–n-перехода. Быстро- действие прибора обеспечивается режимом включения и конструктивными особенностями.

В настоящее время используются тиристоры и созданные на их основе коммутаторы, класс рабочего напряжения которых от 3 до 24, среднее значение допустимого (коммутируемого) тока в открытом состоянии от 100 до 9 000 А.

1.4.5. Разрядная камера

Разрядная камера — это часть электрогидроимпульсной установки, в которой происходит разряд в жидкости, совершающей работу. В разрядной камере монтируется система электродов. Установлено, что коэффициент преобразо-

вания энергии в работу зависит от формы и размеров разрядной камеры [78]. Применяемые типовые схемы разрядных камер классифицируются по конструктивному признаку (рис. 1.4) [20].

Разрядные камеры

Камеры закрытые Камеры открытые

С водным промежутком С инициатором

Двухэлект

родная

Одноэлект

родная

С неподвижным

электродом

С подвижным

электродом

С внутренним

расположением

электродов

С наружным

расположением

электродов

С продольным

разрядом

С поперечным

разрядом

С автоматической

подачей

проволоки

С ручной сменой

проволоки

разового действия

Рис. 1.4. Классификация разрядных камер

1.4.6. Рабочий промежуток

Рабочим промежутком — промежуток между электродами, в нем возникает канал при подводном искровом разряде. Канал частично заполнен ионизированным газом, начальная температура которого 104 К. В связи с разогревом плазмы давление в канале повышается, он расширяется, образуя парогазовую полость.

Разрядный канал подводной искры является потребителем энергии электрического поля заряженного накопителя, и его электрические характеристики зависят от электрических параметров разрядной цепи.

Запаздывание зажигания разряда является одной из основных составляющих времени разряда [40]. Для каждой жидкости оно определяется геометрией электрода и скоростью роста напряжения на разрядном промежутке. Геометрия электродов оказывает большее влияние при сокращении длины разрядного промежутка, понижении неоднородности поля, увеличении скорости возрастания напряжения.

Системы электродов классифицируются по конструктивному признаку и подразделяются на: линейной геометрии со стержневыми противостоящими электродами; стержневые параллельной геометрии; коаксиальной геометрии; специального назначения, в которых используются различные сочетания геометрий электродных систем [56, 59].

Различают электродные системы свободного разряда и инициируемые, разовые и постоянные [20].

Электроды должны обеспечивать герметичность в местах их ввода в разрядную камеру, что обуславливает требования к техническим характеристикам изоляции электродов и конструктивному исполнению.

Оптимальное значение длины разрядного промежутка по амплитуде давления ударной волны определяется из выражения [20]:

LCU101,14l

-3

опт

=

, (1.30)

где U0 — напряжение на конденсаторной батарее к началу разряда;

L — индуктивность разрядной цепи;

С — емкость разрядной цепи.

В электрогидроимпульсных установках с энергией в импульсе 80 кДж и более рационально применять инициирование взрывающейся проволочкой, но в связи со сложностью исполнения механизма подачи инициирующей проволочки к разрядному промежутку этот способ ограничен в использовании.

1.4.7. Рабочая жидкость

В качестве рабочей жидкости применяется жидкий диэлектрик, либо слабопроводящий водный раствор. Наиболее приемлемая среда — вода [57]. Ряд характеристик разряда и его КПД зависит от удельной проводимости среды. Она изменяется при реализации в ней разрядов.

При исследовании воды, используемой в качестве диэлектрика при воздействии импульса длительностью 10-8 с [40, 81] показали, что ее электрическая прочность не ниже, чем у трансформаторного масла, и увеличивается с уменьшением длины разрядного промежутка, оставаясь в пределах (2-3)  106 В/см. Исследования электрической прочности воды в неоднородных [61] и однородных [41] полях показали, что она увеличивается при уменьшении длительности импульса. Например, электрическая прочность воды в сантиметровом проме-

жутке в однородном поле при tИ = 10-8 с составляет 2  106 В/см, а при tИ = 3 мкс и таком же промежутке — только 3  105 В/см [72].

Для жидкостей, в том числе и для воды, характерна сильная зависимость электрической прочности от степени неоднородности поля на электродах (острые кромки, микровыступы и т. д.)

Выводы

1. Существует необходимость в улучшении технологии динамических

испытаний вагонов в связи с тем, что настоящий способ испытания вагонов на соударение на стенде-горке имеет повышенную трудоемкость, сложность исполнения, требует длительных временных затрат, большой площади, отводимой под стенд-горку, погрешность получения заданной силы достигает 10 %.

2. Для улучшения технологии динамических испытаний вагонов возмож-

но применение электрогидроимпульсного стенда, в котором ударное воздействие будет реализовываться с помощью импульсных гидродинамических сил, возникающих при электрическом разряде в жидкости.

3. Электрогидроимпульсный стенд для создания механического воздей-

ствия на испытуемый вагон должен включать генератор импульсных токов, разрядную камеры с подвижным поршнем и систему соосных электродов, расположенных параллельно плоскости поршня, в качестве рабочей жидкости следует использовать воду, так как она обладает необходимыми физикохимическими свойствами, дешевизной и доступностью.

4. Существует необходимость разработки математической модели, пред-

назначенной для численного исследования гидродинамических процессов, происходящих при электрическом разряде в жидкости, и оценки составляющих ударного воздействия для определения условий для создания требуемого значения импульса силы.

ГЛАВА. 2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

ЭЛЕКТРОГИДРОИМПУЛЬСНЫХ ПРОЦЕССОВ,

ОБУСЛОВЛЕННЫХ ДЕЙСТВИЕМ

ПАРОГАЗОВОЙ ПОЛОСТИ

2.1. Оценка параметров системы получения

импульсно-периодических механических нагрузок

с передаваемым механическим импульсом

(2-4)105 Н·м на основе электрогидравлического эффекта

В настоящее время прочностные испытания грузовых вагонов в продольной плоскости производят на стенде-горке. Стенд-горка имеет рельсовый путь с уклоном спуска, на котором находится испытуемый вагон. Вагон-боек через трос связан с лебедкой, с помощью которой он поднимается на уклон. На испытуемом вагоне со стороны вагона-бойка монтируется тензометрическая автосцепка. Под уклоном устанавливается устройство измерения скорости.

Испытуемый вагон (масса 94 т) стоит свободно на рельсах и на него с стенда-горки спускают вагон-боек (масса 94 т), который бьет первый по тензометрической автосцепке с силой (до 3,5 МН). Скорость вагона-бойка в момент удара варьируется от 2 км/ч до 12 км/ч.

Недостатки данной методики следующие:

1) большие площади, отводимые под горку;

2) необходимость в лебедках (чтобы затащить вагон-боек на горку),

наличие механических передач сказывается на надежности работы стенда;

3) деформация вагона-бойка при испытаниях.

В связи с этим было предложено данные прочностные испытания делать с помощью электрогидроимпульсного эффекта.

При участии автора был предложен и разработан стенд для проведения ударных испытаний грузовых вагонов [29], новизна которого закреплена патентом на полезную модель [55].

Схема стенда приведена на рис. 2.1. Стенд содержит испытуемый вагон 1, снабженный тензометрической автосцепкой 2, в которую упирается толкатель 3, состоящий из штока 4 и поршня 5, раму 6, заделанную в железобетонный устой тупика 7, на раме 6 боковой стенкой жестко закреплен стакан 8 (разрядная камера) с ограничителями хода 9 поршня 5 на краях, внутри стакана 8 расположен поршень 5, снабженный уплотнительным элементом 10, между порш-

нем 5 и днищем стакана 8 находится жидкость, на внутренней поверхности боковой стенки стакана 8 жестко закреплены два электрода 11, один из которых соединен с выводом разрядника 12, второй вывод которого соединен с выводом конденсатора 13 и отрицательным выводом трансформатно-выпрямительного блока 14, на который подается переменное напряжение, второй электрод 11 подключен ко второму выводу конденсатора 13 и положительному выводу трансформаторно-выпрямительного блока 14.

Работа устройства осуществляется следующим образом, испытуемый вагон 1, снабженный тензометрической автосцепкой 2, подается на стенд, тензометрическая автосцепка 2 упирается в конец штока толкателя 4. Поршень 5 толкателя 4 задвигается внутрь стакана 8, пока жидкость, например вода, не заполнит все пространство. Через трансформатоно-выпрямительный блок 15, на который подается переменное напряжение, заряжается конденсатор 13, который после срабатывания разрядника 12 разряжается на электроды 11, жестко закрепленные внутри стакана 8 на боковых стенках. В результате искрового разряда в жидкости возникает ударная волна и парогазовая полость (пузырь), которые двигают поршень толкателя 3 до стопоров 9 на стакане 8 и через шток 4 толкателя удар передается через автосцепку на тензометрическую автосцепку 2 испытуемого вагона 1.

Как можно заметить, что кроме устранения недостатков, перечисленных выше, использование предложенного стенда приводит не только к уменьшению времени подготовки и проведения испытания вагона, но и к возможности более точного регулирования ударной силы. Данное регулирование можно производить дискретно путем изменения емкости конденсаторной батареи или плавно, изменяя величину напряжения конденсаторной батареи.

Следует отметить, что до проведения испытания в автосцепке испытуемого вагона поглощающий аппарат заменяется на однородный металлический цилиндр, который имеет такую же форму и такие же габариты, что и поглощающий аппарат. Целесообразность данной операции обусловлена: во-первых, необходимостью более полной передачи ударной силы на конструкцию вагона и, во-вторых, близкодействием электрогидроимпульсного эффекта (силовые параметры искрового разряда в воде, имеющие большую амплитуду, быстро уменьшаются по мере удаления от канала разряда), что налагает определенные ограничения на величину хода поршня.

Рис. 2.1. Общая схема испытания грузового вагона

с использованием электрогидроимпульсного эффекта

Таким образом, задачей работы является изучение возможности формирования импульсного воздействия, имитирующего процесс столкновения испытуемого вагона и вагона-бойка по описанной выше схеме.

Исходный материал для анализа ситуации и разработки гидравлической камеры определяется сформулированной задачей замены двигающегося со скоростью V от 2 км/ч до 12 км/ч вагона-бойка массой 94 т, устройством, имитирующем процесс соударения бойка с испытуемым вагоном. Кинетическая энергия вагона-бойка, соответствующая указанным скоростям, составляет 14,5 и 520 кДж.

Приведенные данные позволяют определить импульс силы, воздействующий на испытуемый объект исходя из соотношения

FtmV =

, величина кото-

рого варьируется в соответствии с исходными данными от 52,2 кН·с до 313,3 кН·с. При заданном значении силы взаимодействия на уровне F = 3,5 МН длительность импульса составляет 0,01–0,09 с.

2.2. Описание модели

Электрогидравлический эффект [18, 20, 39] давно используется для получения высоких давлений в различных технологических целях. При этом требуемое механическое воздействие на обрабатываемый объект, как правило, сосредотачивается в ударной волне, формирующейся вокруг разрядного канала. В отличие от характерных времен при ударно-волновой нагрузке в анализируемой электрогидроимпульсной системе сообщение механического импульса

объекту массой около 100 тонн происходит в течение примерно 0,1 с. Если исходить из размеров L активной части установки порядка 1–2-х метров, то время пробега ударной волны:

cL /=

=10-3 c,

где c — скорость ударной волны, оказывается весьма малым по сравнению временем передачи механического импульса. Поэтому для данного процесса целесообразно использовать силы, возникающие в процессе образования и пульсации парогазовой полости в области разряда, расширяющейся по мере перемещения подвижных элементов системы (рис. 2.2). На данном рисунке введены следующие обозначения: C — конденсаторная батарея,

— зарядное напряжение конденсаторной батареи,

, LR

— активное сопротивление, индуктивность разрядного контура, a —

радиус парогазовой полости, форма которой принимается сферической, l — длина разрядного промежутка (расстояние между электродами), H — длина разрядной камеры, D — диаметр разрядной камеры, d — диаметр цилиндра поршня,

stop

максимальное значение хода поршня, K — пружина, M — про-

межуточная масса,

начальное расстояние, представляющее собой сумму всех

продольных технологических зазоров в автосцепках,

— испытуемый вагон,

далее под этой же буквой будет пониматься и его масса, 1 – разрядная камера, 2 — электроды, 3 — поршень, 4 – шток, 5 — стопор.

В этих условия для анализа течения жидкости вне пределов разрядной полости целесообразно использовать модель несжимаемой жидкости, течение которой контролируется расширением газовой полости.

stop

H2O

Рис. 2.2. Схема электрогидроимпульсной установки

для нагружения вагона механическим импульсом

Разрядный промежуток, образован двумя электродами, располагаемыми на расстоянии 1–2 см друг от друга. При этих условиях обеспечивается быст-

рый электрический пробой воды, и формирование хорошо проводящего плазменного канала. Относительно стабильное значение сопротивление разрядного канала является желательным, поскольку позволяет более надежно оптимизировать передачу энергии из накопителя (конденсаторная батарея) в нагрузку (разрядный канал). Поэтому электроды за исключением фронтальных поверхностей целесообразно изолировать.

Принимая во внимание, что выбранная длина разрядного промежутка мала по сравнению с характерными размерами водной камеры, можно принять для парогазовой полости, образующейся в процессе разряда, форму сферы (рис. 2.3).

d/2

Рис. 2.3. Электродный узел электрогидроимпульсной системы

Механический импульс от поршня диаметром d передается испытуемому вагону (М2) через промежуточную массу (М) и пружину (К), которая своими концами прикреплена к поршню и промежуточной массе. При этом конструктивные особенности автосцепки испытуемого вагона предусматривают свободный ход нагружающей системы длиной h0 = 10 см. Ограничение движения поршня обеспечивается стопором, установленным на расстоянии h

stop

от

начального положения поршня.

Поскольку масса нагружаемого объекта намного порядков превосходит массу воды в камере, можно отказаться от детального анализа течения жидкости в камере, поскольку инерционные эффекты этого течения не сопоставимы с инерцией объекта. Массовая доля жидкости, поступающая в цилиндр, из разрядной камеры оценивается выражением:

<<< < Предыдущая 1 2 34 / 124 5 6 7 8 9 10 11 12 > Следующая >>>

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]