Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Одним из перспективных направлений в области обработки конструкционных материалов является использование высоких гидравлических давлений. Среди таких технологий наибольшее применение находят гидроструйная резка, гидродинамическая листовая штамповка, гидростатическое и гидродинамическое прессование порошков.
Для реализации указанных технологических процессов в качестве источника сверхвысокого давления (0.1 ... 1 ГПа) применяются поршневые агрегаты: механические насосы, гидромультипликаторы, гидродинамические машины - пневматические и пороховые пушки. Давление рабочей жидкости этих агрегатов используется или непосредственно для обработки материалов в замкнутом объёме (гидродинамическая штамповка, гидростатическое и гидродинамическое прессование порошков), или для создания высоконапорной струи технологического назначения (гидроструйная обработка).
Сложность анализа гидродинамических процессов и проектирования поршневых насосных агрегатов высокого давления заключается в необходимости комплексного учёта зависимостей физических характеристик рабочей жидкости - плотности и вязкости от давления и температуры, нагрева жидкости при её утечках через поршневые зазоры, радиальных деформаций деталей поршневых пар, наличия вредных объёмов, нестационарности гидродинамических процессов. Необходимость оптимального проектирования конструкций требует создания математических моделей, определяющих гидродинамику этих агрегатов и их основные технические характеристики. Существующие методы расчёта агрегатов высокого давления используют, как правило, некоторые упрощающие предположения и не учитывают взаимосвязанные изменения физических характеристик рабочих жидкостей и деформации деталей поршневых пар при течении жидкостей в узких поршневых зазорах.
В связи с этим анализ сравнительно мало изученной гидродинамики поршневых агрегатов представляет собой актуальную проблему в технике высоких гидравлических давлений. Особо важным является исследование и разработка отсутствующих в настоящее время серийных механических насосов с рабочим давлением 0.4 ... 0.6 ГПа и щелевым уплотнением поршневых пар для гидроструйной резки листовых материалов.
В настоящей работе исследуются гидродинамические процессы в поршневых насосных агрегатах, необходимая герметичность рабочих полостей которых обеспечивается щелевыми уплотнениями - малыми зазорами в поршневых парах. При этом учитываются все вышеперечисленные факторы, определяющие сложность и особенность расчёта гидросистем высокого давления. Основное внимание уделяется насосным агрегатам для водоструйной резки листовых материалов.
Целью работы является исследование гидродинамических процессов в рабочих полостях насосных агрегатов сверхвысокого давления (0.1...0.6 ГПа), предназначенных для гидроструйной обработки материалов, с разработкой методики расчета технических характеристик и обоснованием рациональных конструктивных решений поршневых насосов с щелевыми уплотнениями.
Методы исследований. Теоретические исследования выполнены путем математического моделирования с использованием интегральных тождеств и применением известных схем численного интегрирования. В экспериментальной части применялись методы компьютерного моделирования.
Достоверность научных положений и выводов, содержащихся в работе, определяется использованием фундаментальных уравнений механики жидкостей (Навье-Стокса, неразрывности, энергии, состояния), теорий упругости и теплообмена с применением методов вычислительной математики, подтверждением полученных результатов (там, где возможно) с результатами других авторов.
На защиту выносятся:
решение задачи о расходе утечек маловязкой жидкости, в частности воды, через щелевые уплотнения поршневых пар насосных агрегатов сверхвысокого давления (0.1...0.6 ГПа) с учетом радиальных деформаций щелеобразующих деталей, зависимостей сжимаемости, плотности, вязкости жидкости от давления и температуры, условий теплообмена;
разработанные математические модели гидродинамических процессов в рабочих полостях насосных агрегатов сверхвысокого давления, предназначенных для гидроструйной обработки материалов, и методика расчета основных технических характеристик агрегатов: рабочего (среднего) давления, неравномерности давления, объемного КПД, индикаторной мощности;
результаты определения оптимальных и обоснования рациональных конструктивных решений для повышения объемного КПД насосных агрегатов сверхвысокого давления с щелевыми уплотнениями.
Научная новизна:
решена задача о расходе утечек маловязкой жидкости, в частности воды, через щелевые уплотнения поршневых пар насосных агрегатов сверхвысокого давления (0.1...0.6 ГПа) с учетом радиальных деформаций щелеобразующих деталей, зависимостей сжимаемости, плотности, вязкости жидкости от давления и температуры, условий теплообмена, конструктивных особенностей деталей поршневых пар;
разработаны математические модели гидродинамических процессов в рабочих полостях насосных агрегатов сверхвысокого давления, предназначенных для гидроструйной обработки материалов, и методика расчета основных технических характеристик агрегатов: рабочего (среднего) давления, неравномерности давления, объемного КПД, индикаторной мощности;
определены оптимальные и обоснованы рациональные конструктивные решения для повышения объемного КПД поршневых насосов сверхвысокого давления с щелевыми уплотнениями.
Практическая значимость работы:
предложен способ щелевого уплотнения подвижного соединения деталей поршневой пары насосных агрегатов сверхвысокого давления с использованием высокомодульных, например, вольфрамокобальтовых сплавов для указанных деталей и применением поршня с внутренней полостью; указанные технические предложения позволили обеспечить объемный КПД насосов в диапазоне 0,7...0,8 при рабочем давлении 0,4...0,6 ГПа;
разработана инженерная методика расчета основных технических характеристик насосных агрегатов для гидроструйной обработки;
даны практические рекомендации для проектирования рациональных конструкций насосных агрегатов сверхвысокого давления для гидроструйной обработки материалов.
Реализация результатов исследований.
Результаты работы реализованы в конструкции насоса высокого давления на 80 МПа с регулируемой подачей за счет изменения вредного (мертвого) объема на предприятии ООО НПФ «Гидромеханика», г. Новосибирск.
Апробация работы. Основные положения работы обсуждались на Всероссийских научных конференциях молодых ученых «НТИ-2007» и «НТИ-2008» (Новосибирск), на Всероссийских научно-практических конференциях «НПО-2008» и «НПО-2009» (Новосибирск), на объединённом семинаре аспирантов факультета летательных аппаратов НГТУ (Новосибирск, 2008), на научно-техническом семинаре факультета летательных аппаратов НГТУ (Новосибирск, 2011), на III научно-практической конференции молодых специалистов и ученых СибНИА им. С.А.Чаплыгина (Новосибирск, 2011), на Международном инновационном молодежном форуме «Интерра-2011».
Личный вклад автора заключается в формулировке общей идеи и цели работы; в обосновании и разработке методики исследования; реализации и анализе разработанной математической модели.
Публикации. Всего по теме диссертации опубликованы 8 научных работ, в том числе: 3 статьи в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, рекомендованных ВАК РФ; 5 статей в материалах всероссийских конференций.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, списка использованных источников из 137 наименований. Объем диссертации 126 страниц, включая 28 рисунков и 6 таблиц.
