2020-05-12
963Федеральное агентство железнодорожного транспорта
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
Высшего профессионального образования
"Петербургский государственный университет путей сообщения
Императора Александра I"
(ФГБОУ ВО ПГУПС)
Кафедра " Методы и приборы неразрушающего контроля "
Отчет
практической работы на тему:
«Расчет оптимального расхода контактирующей жидкости под вагон-дефектоскоп. Анализ полученных данных»
| Проверил: к.т.н доцент Николаев С.В. | Выполнил: Студент гр. ПМ-906з Юдин А.А. |
Санкт-Петербург
2020
Цель работы: вычислить оптимально потребляемое количество контактирующей жидкости (воды) при работе вагона-дефектоскопа ВД-1МТ и провести соответствующий анализ измерений.
Наиболее актуальной проблемой по повышению качества и надежности дефектоскопирования рельсового хозяйства вагоном-дефектоскопом является обеспечение стабильного и устойчивого акустического контакта блоков пьезоэлектрических преобразователей (далее блоков ПЭП) с поверхностью контроля рельса. Проблема обусловлена тем, что рабочая скорость вагона-дефектоскопа (в отличие от дефектоскопов локального и сплошного контроля) варьируется от 25 км/ч до 50 км/ч (в зависимости от состояния пути), что придает дополнительные трудности в обеспечении стабильного контакта с поверхностью контроля рельса.
Важнейшим условием проведения дефектоскопии является обеспечение акустического контакта ультразвукового преобразователя с контролируемым объектом, для чего применяют различные контактные жидкости, наносимые на поверхность объекта перед измерением. Контактирующей жидкостью при работе вагона-дефектоскопа служит вода. Поэтому рассмотрим наиболее детально зависимость качества акустического контакта от физических свойств воды и особенностями конструкции для подачи воды на рельс из-под вагона.
Для начала вспомним некоторые гидравлические особенности воды:
- вода практически несжимаема
- плотность воды равна 1000 кг/м3
- из воды выделяется воздух (при нагревании)
- разбрызгивается (при сильном напоре)
Вследствие чего, рассмотрим влияние гидравлических свойств воды на качество контроля рельса.
Уравнение неразрывности
Для жидкости, текущей в трубе, этот закон используют в такой форме (называемой уравнением неразрывности):
v⋅S = const
Где v - скорость жидкости, S - площадь сечения трубы, по которой течёт жидкость. Сформулировать этот закон можно и так:
Сколько вливается жидкости в ёмкость, в данном случае в трубу, столько должно и выливаться, если условия течения не изменяются. Скорость в узких участках трубы должна быть выше, чем в широких.
Уравнение Бернулли
Одно из важнейших уравнений гидромеханики было получено в 1738 г. швейцарским учёным Даниилом Бернулли (1700 - 1782). Ему впервые удалось описать движение идеальной жидкости, выраженной в формуле Бернулли.
Идеальная жидкость - жидкость, в которой отсутствуют силы трения между элементами идеальной жидкости, а также между идеальной жидкостью и стенками сосуда.
Уравнение стационарного движения, носящее его имя, имеет вид:
P +ρ⋅v²/2 + ρ⋅g⋅h = const
где P - давление жидкости, ρ − её плотность, v - скорость движения, g - ускорение свободного падения, h - высота, на которой находится элемент жидкости.
Смысл уравнения Бернулли в том, что внутри системы заполненной жидкостью (участка трубопровода) общая энергия каждой точками всегда неизменна.
Это уравнение объясняет, почему в узких участках трубы растёт скорость потока и падает давление на стенки трубы. Максимальное давление в трубах устанавливается именно в месте, где труба имеет наибольшее сечение.
Явление кавитации
Кавита́ция (от лат. cavita s — пустота) — физический процесс образования пузырьков (каверн) в жидких средах, с последующим их схлопыванием и высвобождением большого количества энергии (ударная волна), возникающий в результате внешних физических воздействий.
Кавитация – это процесс образования в жидкости полостей (кавитационных пузырьков), заполненных газом и/или паром.
Скорость потока жидкости
Скорость потока воды – удельная механическая энергия потока жидкости в данной точке, отображает скорость движения водяного потока.
V=1000*Q/S
где Q – расход жидкости, л/с; S – площадь поперечного сечения столба жидкости, мм2
Сила давления струи воды на препятствие
Сила напрямую зависит на разбрызгивание воды при столкновении с препятствием.
где ρ – плотность воды, кг/м3; S – площадь поперечного сечения трубы, м2;
υ – скорость потока поды, м/с
Потеря напора
H=λ*L/D*V2/2g
где L – длина трубы, м; D – диаметр трубы, м; V – скорость потока, м/с;
g = 9,811м/с2
Система подачи воды
Рассмотрим конструкцию подачи воды на рельс из-под вагона (рис.1)
Рис.1
Итак, система подачи контактирующей жидкости под вагон-дефектоскоп выглядит следующим образом:
Из бака объемом 2000м3 под вагон при помощи насоса подачи (рис.1) подается вода (максимальная производительность которого 0,6МПа=6,1кг/см2). При помощи кранов (рис.2) регулируется напор подачи жидкости в рабочем салоне вагона и далее по соединенным между собой элементами (шлангами и трубкам), вода направляется под акустические блоки ПЭП.
Рис.1 Рис.2
Рис.3 а) Рис.3 б)
Рис.3 в) Рис.3 г)
Рис.3 д) Рис.3 е)
рис.3 ж)
Согласно фото, изображенных на рис.3 а,б,в,г,д,е,ж, видно, как вода из бака по соединительным шлангам направляется под вагон, при этом диаметр шлангов и трубок заметно уменьшается. Так, из шланга d=20мм (рис.3 б) вода перетекает в трубку d=15мм (рис.3 в) далее в шланг d=8мм (рис.3 г) и на выходе в штуцер с отверстием d=3,5мм (рис.3 е) направляется под блок ПЭП (рис.3 ж)
Учитывая явление кавитации, с увеличением потока воды под вагон, при прохождении большого количества воды через узкое отверстие (рис.3 е) из воды выделяются газы и соответственно происходит процесс пузырения жидкости, что в свою очередь негативно влияет на прохождение ультразвука в контролируемое изделие (возникает необходимость увеличения усиления ультразвука для выявления дефектов малой площади). Следовательно, расход воды необходимо подобрать таким образом, чтобы максимально снизить явление кавитации при потоке воды.
Качество контроля также зависит от того, насколько равномерно вода течет под все искательные блоки с оптимальным напором, потому как сильный напор вызывает эффект разбрызгивания воды и соответственно происходит процесс пузырения поды, что также в свою очередь негативно сказывается на качестве акустического контакта.
Опытным путем, при помощи установленных на вагоне счетчиков подачи воды (рис.2), определим оптимальный расход воды под вагон, который будет обеспечивать стабильный акустический контакт и на экране ПК будет отображаться качественная дефектограмма (при снижении потока воды на B-развертке видны потери донного сигнала (рис.4))
Рис.4
Таблица.1 – Опытные значения оптимального расход воды под вагон
| № | Путь, км | Скорость, км/ч | Коридор, м3 | Купе, м3 |
| 1 | 3,487 | 36 | 0,009 | 0,010 |
| 2 | 4,167 | 40 | 0,010 | 0,011 |
| 3 | 3,595 | 35 | 0,009 | 0,010 |
| 4 | 2,068 | 30 | 0,007 | 0,007 |
| 5 | 3,134 | 35 | 0,011 | 0,010 |
| 6 | 5,450 | 33 | 0,018 | 0,019 |
| 7 | 5,988 | 35 | 0,018 | 0,019 |
| 8 | 1,985 | 18 | 0,011 | 0,013 |
Значения расхода приняты в период работы с февраля по март 2020г.
Далее рассчитаем расход воды в единицу времени (м3/мин):
T=S/V=3.487/36=0.096ч=5,8мин
Qкор = 0,009м3/5,8мин = 0,0015м3/мин = 0,025 л/с
Qкупе = 0,010м3/5,8мин = 0,0017м3/мин = 0,028 л/с
Таблица. 2 - расход воды в единицу времени Q (л/мин)
| № | T(часы) | Т(минуты) | Qкор,м3/мин | Qкупе, м3/мин |
| 1 | 0,096861 | 5,8116667 | 0,001549 | 0,001721 |
| 2 | 0,104175 | 6,2505 | 0,0016 | 0,00176 |
| 3 | 0,102714 | 6,1628571 | 0,00146 | 0,001623 |
| 4 | 0,068933 | 4,136 | 0,001692 | 0,001692 |
| 5 | 0,089543 | 5,3725714 | 0,002047 | 0,001861 |
| 6 | 0,165152 | 9,9090909 | 0,001817 | 0,001917 |
| 7 | 0,171086 | 10,265143 | 0,001754 | 0,001851 |
| Qср | 0,002 | 0,002 | ||
| Qсум | 0,004 | |||
Таким образом, при многократных проездах на различных скоростях движения определено, что при средней скорости контроля V=35км/ч, в среднем уходит под вагон 3,8 – 4,2 литра в минуту.
Далее выполним некоторые расчеты:
Скорость потока воды:
d=20мм – диаметр трубы
V=1000*Q/S = 1000*0,06/314 = 0,019108м/с
Таблица. 3 – расчет скорости потока воды
| d,мм | Q, л/с | S, мм2 | V, м/с |
| 20 | 0,06 | 314 | 0,191083 |
| 15 | 0,06 | 176,625 | 0,339703 |
| 8 | 0,06 | 50,24 | 1,194268 |
| 3,5 | 0,06 | 9,61625 | 6,239438 |
С уменьшением диаметра трубы d увеличивается скорость потока V (при условии одинакового расхода воды Q)
Сила давления струи воды на препятствие
= 1000*314*0,0127392 = 50,95
Таблица. 4 - расчет силы давления струи на препятствие
| p, кг/м3 | S, мм2 | V, м/с | F, н |
| 1000 | 314 | 0,012739 | 50,95541 |
| 1000 | 176,625 | 0,022647 | 90,5874 |
| 1000 | 50,24 | 0,079618 | 318,4713 |
| 1000 | 9,61625 | 0,415963 | 1663,85 |
Даже с незначительным увеличением скорости потока V сила F значительно возрастает, увеличивая процесс пузырения.
Потеря напора
d=20мм – диаметр трубы L=2м - длина трубы
H=λ*L/d *V2/2g = 1*2/0,02*0,019*0,019/2*9,81=0,1839
Таблица. 5 - расчет потери напора
| L, м | d,м | V,м/с | g, м/с2 | H, м/с |
| 2 | 0,02 | 0,19 | 9,81 | 0,183996 |
| 0,5 | 0,015 | 0,34 | 9,81 | 0,196398 |
| 0,5 | 0,008 | 1,19 | 9,81 | 4,511022 |
| 0,03 | 0,0035 | 6,25 | 9,81 | 17,06531 |
Согласно выполненных расчетов с увеличением диаметра трубы d уменьшается потеря напора H и соответственно снижается явление кавитации.
Данные значения являются оптимальными, так как при увеличении расхода жидкости под вагон, по законам гидравлики, увеличивается напор воды, что в свою очередь приводит к увеличению силы давления струи на поверхность рельса, поэтому эффект разбрызгивания будет значительно увеличиваться. Также, с увеличением потока жидкости, по закону Бернулли, увеличивается и явление кавитации воды, которое также снижает качество акустического контакта блоков ПЭП с поверхностью контроля рельса. Соответственно при уменьшении расхода, вода не успевает равномерно попадать под все блоки ПЭП, что в свою очередь приводит к кратковременной потере акустического контакта и пропаданию донного сигнала на В-развертке.
