Колебания клапанов

Клапаны в переходных режимах работы могут вступать в колебания, которые в условиях резонанса вызывают пульсации давления в системе и приводят к разрушению пружин и седел клапанов. В частности, при внезапном увеличении расхода жидкости через клапан затвор вследствие инерции и трения открывается с запаздыванием, что вызывает заброс давления, который выводит его за пределы равновесного положения, соответствующего измененному расходу, чрезмерное открытие щели клапана вызывает резкое понижение давления, что приводит к излишне большому перемещению на закрытие. В результате, если собственное демпфирование недостаточно, клапан может вступить в автоколебания, происходящие с высокой частотой. Если частота возмущающих импульсов совпадает или кратна частоте собственных колебаний клапана, последний вступит в резонансные колебания.

Источником колебаний клапанов могут быть пульсации потока жидкости, создаваемые насосом. Возникновению и поддержанию колебаний клапанов способствует воздух, находящийся в жидкости в виде пузырьков, который повышает сжимаемость рабочей среды. Чрезмерно высокая чувствительность клапанов прямого действия с малым подъемом, особенно при высоких давлениях, приводит к потере динамической устойчивости.

Теоретические исследования устойчивости клапанов проводятся на основе анализа системы дифференциальных уравнений, описывающих их работу. Обобщенное дифференциальное уравнение движения затвора клапана получают в результате совместного решения уравнения сил и уравнения расхода. После соответствующей линеаризации исходной системы уравнений обобщенное уравнение движения затвора клапана может быть сведена к линеаризованному дифференциальному уравнению третьей степени вида:

; (1.1)

; ;

; ; ;

; ; ; ,

где – переменная составляющая перемещения клапана относительно начального подъема ; – возмущение по расходу; – площадь живого сечения канала, отделяющего напорную полость клапана от системы; – приведенная жесткость пружины с учетом действия гидродинамической силы; – коэффициент демпфирования; – площадь клапана; – приведенная масса подвижных частей клапана, включая 1/3 массы пружины и присоединенную массу жидкости; – давление настройки клапана; – приведенный модуль упругости жидкости с учетом деформации конструкции; – периметр дроссельной щели клапана.

Условие устойчивости в форме неравенства Гурвица для линейных дифференциальных уравнений третьего порядка имеет вид:

, (2)

Неравенства (1.2) показывают, что ввиду сложности выражений коэффициентов уравнения (1.1) через физические величины влияние каждого из них на устойчивость клапана предсказать невозможно.

При построении границ областей устойчивости в функции указанных физических величин последовательно варьируют одним из параметров при прочих равных условиях. Искомым параметром при построении границ устойчивости является коэффициент демпфирования.

Используя критерий устойчивости Гурвица (1.2), определяют значения коэффициента демпфирования на границе устойчивости:

, (3)

.

На рис. 1.23 показаны границы областей устойчивости (границы критических значений коэффициентов демпфирования), построенные по формуле (1.3) в безразмерном виде. Безразмерные величины даны в долях значений, условно принятых за единицу сравнения.

Анализ рис. 1.23, а, б показывает, что существуют такие значения площади клапана и присоединенного объема , при которых требуется наибольшее демпфирование. Влияние таких параметров клапана, как , и , на его колебательность однозначно, рост этих параметров требует увеличения минимального демпфирования (рис. 1.23, г, д, е). Снижение чувствительности клапана к подъему затвора существенно уменьшает потребное демпфирование (рис. 1.23, в).

Рис. 1.23. Положение границ устойчивости клапанов прямого действия в зависимости от площади седла клапана (а), присоединенного объема жидкости (б), высоты подъема затвора (в), массы подвижных частей (г), периметра щели (д), давления настройки клапана (е)

Для предупреждения резонансных колебаний клапанов применяют гидравлические демпферы. Принцип действия гидравлического демпфера состоит в следующем. При смещении затвора 1 клапана (см. рис. 1.14, а) на открытие жидкость вытесняется из камеры А или заполняет ее при обратном движении через дроссельное отверстие а, гидравлическое сопротивление которого при резонансных колебаниях достаточно для рассеивания энергии колебаний (энергии возмущенных импульсов). Значение коэффициента демпфирования зависит от размеров дроссельного отверстия, диаметр которого обычно подбирается экспериментально.

В связи с возможными колебаниями для работы а качестве переливных (постоянно действующих) клапанов рекомендуется использовать клапаны с золотниковым затвором (см. рис. 1.14, б). Перекрытие с окна затвором должно быть несколько больше амплитуды колебаний затвора, чтобы при колебаниях он не ударялся о свой упор.

Дата добавления: 2015-07-17