5. Identyfikacja czynników oddziałujących na elementy mikrohydrauliczne. Badanie
5.6. Badania doświadczalne określające warunki powstawania kawitacji w elementach
5.6.1. Badania doświadczalne zjawiska kawitacji w mikroelemencie
Badania doświadczalne przeprowadzono na stanowisku, którego schemat hydrau-liczny przedstawiono na rysunku 5.19. Zmianę prędkości w kryzie pomiarowej, wy-konanej ze szkła organicznego, w celu wizualizacji i fotograficznej rejestracji po-wstawania początku kawitacji, dokonano poprzez zmianę nastawy zaworu dławiącego (sterowanie dławieniowe równoległe).
Rys. 5.19. Schemat układu hydraulicznego do badania zjawiska kawitacji w mikroelemencie hydraulicznym: 1 – silnik elektryczny, 2 – pompa, 3 – zawór bezpieczeństwa, 4 – zawór dławiący, 5, 6 – manometry, 7 – badany
Rys. 5.20a. Przepływ bez kawitacji:
Q = 0,00033 m3/s, ∆pkryzy = 1,6 MPa
Rys. 5.20b. Przepływ z rozwiniętą kawitacją:
Q = 0,00083 m3/s, ∆pkryzy = 6,5 MPa
Dodatkowo przeprowadzono pomiary hałasu w trakcie zmiennych parametrów przepływu w kryzie (przepływ bez kawitacji i początek kawitacji). Jako miernika uży-to sonometru Brüel & Kjær typ 2250. Pomiary akustyczne przeprowadzono w celu uzyskania sygnału diagnostycznego informującego o początku kawitacji.
Wizualizacja powstawania i rozwoju kawitacji na kryzie, której wlot jest stożkowy a d = 2,5 mm, przedstawiona zastała na podstawie badań własnych autorów.
Na rysunkach 5.20a i 5.20b zaprezentowano kryzę, przez którą przepływa olej hydrauliczny HL 68 o temperaturze 20 °C.
Towarzyszący efekt akustyczny przedstawiony został na rysunku 5.21 w postaci widma tercjowego ekwiwalentnego poziomu dźwięku LA. Na rysunku 5.21a brak jest kawitacji, na rysunku. 5.21b kawitacja widoczna jest w kryzie.
Analiza widm tercjowych (rys. 5.21a i 5.21b) wskazuje, że w wypadku przepływu bez kawitacji dominuje częstotliwość 250 Hz, dla której poziom ekwiwalentny LA
wynosi w przybliżeniu 75 dB(A). Natomiast dla przepływu z kawitacją dominująca częstotliwość wynosi około 10 kHz, LA ponad 100 dB(A).
W zakresie niskich i średnich częstotliwości charakter widm z rysunków 5.21a i 5.21b jest zbliżony. Można w nich wyróżnić dwie dominujące częstotliwości tonalne, tj. dla około 250 i 2 kHz. Dodatkowo dla kawitacji w widmie wyraźnie wzrastają po-ziomy dla wysokich częstotliwości w paśmie od około 8 do 20kHz. Zakres szumu wąskopasmowego oraz jego poziom zależy w głównej mierze od intensywności zjawi-ska kawitacji.
Wyznaczono ponadto współczynnik oporów miejscowych ξ dla tego rodzaju opo-ru. Na tej podstawie określono umowną krytyczną liczbę Reynoldsa, [5.12] równą 895. Na rysunku 5.22 zaprezentowano zmianę wartości współczynnika ξ w funkcji rosnącej liczby Reynoldsa, przy czym w zakresie przepływu uwarstwionego współ-czynnik ξ silnie zależy od liczby Reynoldsa, a w obszarze przepływu burzliwego jest on inwariantny od liczby Reynoldsa.
Wykres na rysunku 5.22 może posłużyć do wyznaczenia krytycznego, ze względu na charakter przepływu, natężenia przepływu, powyżej którego przepływ staje się burzliwy, lub prędkości przepływu.
Rys. 5.21a. Analiza tercjowa ekwiwalentnego poziomu dźwięku w trakcie przepływu przez kryzę bez objawów kawitacji
Rys. 5.21b. Analiza tercjowa ekwiwalentnego poziomu dźwięku w trakcie przepływu przez kryzę w momencie powstawania kawitacji
Rys. 5.22. Zmiana wartości współczynnika oporów miejscowych ξ w funkcji liczby Reynoldsa (Re) dla przepływu przez kryzę
Jako przykład wizualizacji kawitacji na oporze miejscowym w układzie hydrau-licznym podano przypadek przepływu przez kryzę o stożkowym otworze wlotowym. Początek powstawania kawitacji (pojawienie się pęcherzy powietrza) wyznaczono na podstawie obserwacji przepływającej strugi. Obserwacja była możliwa dzięki temu, że kryza dławiąca była wykonana ze szkła organicznego i odpowiednio podświetlona. Geometria przepływu w kryzie (kąt rozwarcia stożka, średnica kanału) były dobrane w taki sposób, aby zapewnić możliwe podobieństwo geometryczne do przepływów w układzie zawierającym element zamykający i gniazdo mikrozaworów typu wznio-sowego (zawór maksymalny, dławiący, zwrotny). Jak wynika z przeprowadzonych badań doświadczalnych, początek powstawania kawitacji w takim elemencie oporo-wym, jakim jest kryza, występuje dla średniej wartości v = 106 m/s. Odpowiada to charakterowi przepływu turbulentnego, a liczba Reynoldsa dla tych parametrów (lep-kość oleju = 200 cSt) wynosi 1100. W celu uniknięcia kawitacji w mikrozaworach nie powinno się przekraczać podanych prędkości przepływu w szczelinach dławiących. Z analiz zamieszczonych w pracy wynika, że podczas przepływów w zakresie kawita-cyjnym dominujące są wyższe składowe harmoniczne widma hałasu. Stwierdzenie to może być wykorzystywane jako sygnał diagnostyczny pozwalający określić początek powstawania kawitacji, w wypadku gdy nie ma możliwości bezpośredniej obserwacji przepływu.
WYKAZ WAŻNIEJSZYCH OZNACZEŃ
Re – liczba Reynoldsa Eu – liczba Eulera Du – średnica hydrauliczna
S – pole powierzchni przepływu w szczelinie dławiącej Qz – natężenie przepływu
Fp – siła od ciśnienia statycznego
Ft – siła tarcia Fs – siła sprężyny v – prędkość przepływu d – średnica gniazda rH – promień hydrauliczny p – ciśnienie
z – wznios grzybka zaworu
l – długość tworzącej gniazdo zaworu
zα – kąt rozwarcia grzybka stożkowego
µ – współczynnik przepływu ν – lepkość kinematyczna ∆p – różnica ciśnień ρ – gęstość oleju η – lepkość oleju τ – naprężenie styczne
LITERATURA
[5.1] Domagała T., Kollek W., Kudźma Z., Wibroakustyczna diagnostyka zasilacza hydraulicznego, Napędy i sterowania hydrauliczne ’96. Konferencja naukowo-techniczna. Sekcja Hydrauliki i Pneumatyki przy Oddziale SIMP we Wrocławiu, Szklarska Poręba, 11–13 czerwca 1996, Oficy-na Wyd. PWr., Wrocław 1996, s. 194–201.
[5.2] Byung-Phil M., Mi-Young S., Ho-Seung J., Chul-Ju K., Fabrication of a No-Leakage Micro-Valve
with a Free-Floating Structure for a Drug-Delivery System, Journal of the Korean Physical
Socie-ty, Vol. 43, No. 5, November 2003.
[5.3] Dindorf R., Wołkow J., Mikroukłady płynowe. Mikrohydraulika. X Ogólnopolska Konferencja CYLINDER 2000, Szczyrk, 27–29 września 2000, s. 62–69.
[5.4] Dindorf R., Wołkow J., Mikroukłady płynowe. Warunki podobieństwa, IX Konferencja Badanie, Konstrukcja, Wytwarzanie, Eksploatacja Układów Hydraulicznych CYLINDER 1999, Zakopane 1999.
[5.5] Kasprzak W., Lysik B., Analiza wymiarowa. Algorytmiczne procedury obsługi eksperymentu, WNT, Warszawa 1988.
[5.6] Prosnak W., Równania klasycznej mechaniki płynów, WNT, Warszawa 2006. [5.7] Poradnik inżyniera: Mechanika. Zasady teorii podobieństwa, WNT, Warszawa 1968. [5.8] Baszta T.M., Mašinostroitelnaja gidravlika, Izdatelstwo Mašinostroenie, Moskva 1971.
[5.9] Kudźma Z., Ocena właściwości dynamicznych jednostopniowych zaworów maksymalnych na
podstawie charakterystyk statycznych, Sterowanie i Napęd Hydrauliczny, 1989, nr 6, s. 3–8.
[5.10] Kudźma Z., Częstość drgań własnych zaworu maksymalnego i układu hydraulicznego, Sterowanie i Napęd Hydrauliczny, 1990, nr 3, s. 27–30.
[5.11] Kudźma Z., Wpływ ukształtowania układu grzybek–gniazdo na własności statyczne zaworów
maksymalnych, Maszyny i Ciągniki Rolnicze, 1990, nr 2/3, s. 12–15.
[5.12] Kollek W., Kudźma Z., Osiński P., Palczak E., Stosiak M., Zagrożenia kawitacyjne w maszynach
z napędem hydrostatycznym, [w:] Badanie, konstrukcja, wytwarzanie i eksploatacja układów hy-draulicznych. Praca zbiorowa, A. Klich (red. nauk.), E. Palczak, A. Meder, Centrum Mechanizacji
Górnictwa KOMAG, Gliwice 2008.