Visualization of hydrodynamic processes in a two-pipe hydraulic shock absorber in the study of the cavitation transfer phenomenon

Abstract

The work processes that occur in the chambers of a double-tube hydraulic shock absorber during its operation are considered, such as the flow of working fluid through the piston valve, which is caused by the pressure difference between the working chambers. When the working fluid was flowing in the valve-throttle tract, in throttle operation, where only calibrated holes are used, hydrodynamic cavitation was poorly developed, which corresponds to a piston speed of about 0,25 m/s. It should be noted that when operating in a valve mode of operation, when the liquid flows through the open valves, at critical and close to critical operating modes of the hydraulic shock absorber, developed hydrodynamic cavitation occurs. In this regard, the operating characteristic changes, due to the occurrence of a two-phase flow, which is due to the presence of air, which leads to a decrease in the resistance force and a deterioration in the efficiency of vibration damping by a hydraulic shock absorber. To ensure the expansion of the range of effective operation, the operating modes were precise in which hydrodynamic cavitation occurs. One of the effective methods for fixing the occurrence of hydrodynamic cavitation is the visualization of working processes in the chambers of a hydraulic shock absorber. An experimental stand was developed and a prototype was manufactured made it possible to carry out the necessary experimental studies and establish the operating modes and the depth of the occurrence of cavitation. The study of the piston valve operation by visualizing the flow in the "rebound" mode made it possible to obtain the dependences of the flow rate on the Reynolds number and temperature, presented in the pressure range of 1–4 MPa. The experimental study also takes into account the change in the viscosity of the liquid in the temperature range from 20 °C to 50 °C. The results of the experimental study showed the weakest elements of the piston valve, and their analysis made it possible to determine the critical parameters at which hydrodynamic cavitation occurs in the shock absorber. Research in the future will make it possible to modernize the design of the valve-throttle tract to prevent the premature occurrence of hydrodynamic cavitation, taking into account changes in the viscosity of the working fluid and operating conditions. As a result of expanding the range of effective operation and the development of a control law for the conductivity of the throttles, taking into account cavitation phenomena and changes in the rheological properties of the hydraulic shock absorber fluid, it will be possible to develop a technical solution that will significantly improve the efficiency of vibration damping and stabilize its performance.В статті розглянуто робочі процеси, які виникають в камерах двотрубного гідравлічного амортизатора під час його роботи, такі як потік робочої рідини через поршневий клапан, викликаний перепадом тисків між робочими камерами. При протіканні робочої рідини через клапанно-дросельний тракт в дросельному режимі роботи, де задіяні лише калібровані отвори, гідродинамічна кавітація проявлялася в нерозвиненій формі, що відповідає швидкості руху поршню приблизно 0,25 м/с. Слід відмітити, що при роботі в клапанному режимі, коли рідина перетікає через відкриті клапани у критичних та наближених до критичних режимах роботи гідравлічного амортизатора, виникає розвинена гідродинамічна кавітація. В зв'язку з цим виникає двофазний потік, який обумовлений наявністю повітря, що призводить до зниження зусилля опору та погіршення ефективності гасіння коливань гідравлічним амортизатором. Для забезпечення розширення діапазону ефективної роботи уточнено режими роботи при яких виникає гідродинамічна кавітація. Одним з ефективних методів фіксації виникнення гідродинамічної кавітації є візуалізація робочих процесів в камерах гідравлічного амортизатора. Розроблений експериментальний стенд та виготовлений дослідний зразок дозволили провести необхідні експериментальні дослідження та встановити режими роботи і глибину виникнення кавітації. Дослідження роботи поршневого клапана шляхом візуалізації потоку в режимі «відбій» дозволили отримати залежності коефіцієнта витрати від числа Рейнольдса та температури, представлені в діапазоні тисків 1–4 МПа. Експериментальне дослідження враховує і зміну в'язкості рідини в інтервалі температур від 20 °С до 50 °С. Результати експериментального дослідження показали найбільш слабкі елементи поршневого клапана, також їх аналіз дозволив визначити критичні параметри, при яких виникає гідродинамічна кавітація в амортизаторі. Дослідження в подальшому дозволять модернізувати конструкцію клапанно-дросельного тракту для запобігання передчасному виникненню гідродинамічної кавітації з врахуванням зміни в'язкості робочої рідини та умов експлуатації. В результаті розширення діапазону ефективної роботи та розробки закону керування провідністю дроселів з урахуванням кавітаційних явищ та зміни реологічних властивостей рідини гідравлічного амортизатору дозволить розробити технічне рішення, що дозволить стабілізувати робочу характеристику гідравлічного амортизатора.