CC BY
31
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
НЕСТЕРЕНКО Григорий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ. КУЖБАНОВ Акан Каербаевич, ассистент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ. КАЛАШНИКОВ Борис Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ.
БЛИНОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ.
ПАРАМОНОВ Александр Михайлович, доктор технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» ОмГТУ.
ОВЧАРЕНКО Сергей Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения.
АЛТЫНЦЕВ Михаил Поликарпович, доктор технических наук, главный инженер ОАО «АК «Омскагре-гат».
СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой физики ОмГТУ.
БАРЫШЕВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Гидравлика и гидропневмосистемы» Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск.
Адрес для переписки: scherba_v_e@list.ru
Статья поступила в редакцию 20.02.2012 г.
© В. Е. Щерба, Г. А. Нестеренко, А. К. Кужбанов,
Б. А. Калашников, В. Н. Блинов, А. М. Парамонов,
С. М. Овчаренко, М. П. Алтынцев, В. И. Суриков, В. И. Барышев
УДК 621.65 Л. В. ГРИГОРЬЕВ
В. Е. ЩЕРБЛ Б. Л. КЛЛЛШНИКОВ В. Н. БЛИНОВ Л. М. ПЛРЛМОНОВ С. М. ОВЧЛРЕНКО М. П. АЛТЫНЦЕВ В. И. СУРИКОВ В. И. БЛРЫШЕВ
Омский государственный технический университет Омский государственный университет путей сообщения ОЛО «ЛК «Омскагрегат» Южно-Уральский государственный университет, г. Челябинск
ЭКСПЕРИМЕНТЛЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВЛНИЯ ПРЯМОЗУБОГО РОТОРНОГО НЛСОСЛ___________________________
В работе описываются опытная установка, ее гидравлическая схема, схемы включения датчиков давления. Рассматривается методика измерения крутящего момента на приводном валу насоса. Приводятся результаты настоящих исследований. Ключевые слова: роторный насос, эксперимент, опытная установка.
Практически все современные исследования достаточно сложных агрегатов сопровождаются экспериментами, в процессе которых, как правило, уточняются основные положения математических моделей рассматриваемых устройств, а также выясняются особенности протекания рабочих процессов, которые не могут быть на данный момент развития теории в рассматриваемой предметной области достоверно описаны математически [1, 2].
Одной из основных целей проведения опытов является подтверждение адекватности математической
модели, и в основном — справедливость принятых при ее построении допущений.
В данном случае, кроме того, испытаниям должна быть подвергнута конструкция, сведения об использовании которой в настоящее время отсутствуют.
Конструктивная схема насоса с приводом, в соответствии с необходимыми требованиями, показана на рис. 1.
Агрегат приводится во вращение от электродвигателя посредством ременной передачи через сменные шкивы 7. Далее крутящий момент передается на
Рис. 1. Конструктивная схема опытного образца прямозубого роторного насоса с приводом: 1. Цилиндр. 2. Стойка агрегата. 3. Ведомая полумуфта. 4. Ведущая полумуфта.
5. Стойка привода. 6. Подшипники привода. 7. Сменный шкив. 8. Токосъемное низкоомное устройство.
9. Тензорезисторы. 10. Измерительная балка. 11. Торцевая крышка в сборе с направляющей втулкой. 12. Крышка уплотнительного диска. 13. Ротор с зубом. 14. Корпус. 15. Уплотнительный диск. 16. Приводной вал. 17. Полость цилиндра. 18. Стяжные болты. 19. Ведомый вал. 20. Коническая зубчатая передача. 21. Постоянный магнит. 22. Геркон. 23. Болты крепления крышки. 24. Патрубок слива утечек жидкости. 25. Гайки крепления. 26. Подшипники ротора
ведущую полумуфту 4 и через измерительную балку 10 — на ведомую полумуфту 3. На этой полумуфте неподвижно закреплен приводной вал 16. Вал 16 вращается на двух подшипниках качения, установленных в корпусе насоса 14 и торцевой крышке 11 с направляющей втулкой. Направляющая втулка, исключающая перекос вала 16, смазывается консистентной смазкой, закладка которой осуществляется через пробку во втулке.
Вал 16 приводит во вращение ведомый вал 19 через коническую зубчатую передачу 20 с передаточным числом 1:1.
На валах 16 и 19 с помощью шпоночного соединения установлены: ротор с зубом 13, имеющий диаметр 134 мм, толщину 20 мм, высоту зуба 16 мм, и уплотнительный диск 15 диаметром 210 мм и толщиной 20 мм соответственно. Диск 15 фиксируется на ведомом валу 19 с помощью двух гаек и закрывается герметизирующей крышкой 12. В этой крышке изготовлен штуцер, к которому крепится патрубок 24 слива утечек жидкости. Рабочий диаметр цилиндра 1 равен 166 мм.
Зазор между наружной поверхностью зуба ротора 13 и внутренней поверхностью цилиндра 1, равен 15 мкм, а между торцовыми поверхностями ротора 13 и торцами боковых стенок 11 и 14 — 20 мкм.
Зазор между нижней поверхностью диска 15 и стенкой корпуса 14 выдержан в пределах 10 мкм, форма впадины под зуб в диске 15 получена методом секущих плоскостей.
В качестве материала деталей насоса использована сталь 45 по ГОСТ 1050 74, не подверженная термообработке.
Ввиду того, что все детали насоса изготовлены из одного материала, имеющего одинаковый коэффициент температурного расширения, а рабочие полости постоянно омываются жидкостью и, таким образом, интенсивно охлаждаются, изменениями зазо-
ров в процессе работы агрегата можно пренебречь.
В качестве низкоомного токосъемного устройства 8 (рис. 1) использовались закрепленные на стойке 5 подпружиненные графитовые щетки, прижатые к контактным кольцам, установленным на ведущей полумуфте 4, к которым выведены проводники от тен-зорезисторов 9.
В соответствии с поставленными перед экспериментом задачами, при проведении опытов, прежде всего, следует фиксировать индикаторную диаграмму рабочей полости насоса и его производительность, т.к. эти параметры могут ответить на основной вопрос — соответствует ли математическая модель рабочих процессов их фактическому протеканию.
Для построения индикаторной диаграммы необходимо регистрировать мгновенные значения давления в обеих полостях насоса в зависимости от положения зуба ротора, а для определения производительности насоса — измерять расход жидкости, прошедшей через насос.
Для регистрации давления в рабочих полостях машин объемного действия чаще всего используются нашедшие широкое использование в различных областях техники тензометрические датчики, имеющие высокую чувствительность и малую инерционность [1, 3, 4].
Схема включения датчиков давления показана на рис. 2. В качестве датчиков давления использовались два тензодатчика типа УВ1 фирмы 2БМ1С с погрешностью до 3 %.
Для ориентации по углу поворота ротора получаемых на компьютере индикаторных диаграмм давлений, поступаемых с тензодатчиков, служит отметчик положения приводного вала (по существу—ротора), выполненный в виде постоянного магнита, закрепленного на ведомой полумуфте 3 (рис. 1) и ответного геркона (герметичного контакта), закрепленного на стойке насоса. При прохождении магнита мимо геркона контакты последнего замыкаются, и в цепи геркона
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
5 -4 '
3 \
12 3 11
Рис. 2. Схема включения датчиков давления:
1. Корпус насоса. 2. Ротор. 3. Торцовая крышка.
4. Отверстие под нагнетательный клапан или впускное окно. 5. Рабочая полость цилиндра. 6. Цилиндр.
7. Уплотнительный диск. 8. Герметизирующая крышка.
9. Прокладка. 10 и 11. Датчики давления, установленные один напротив нагнетательного клапана, другой-напротив впускного окна. 12. Многоканальный АЦП (аналогоцифровой преобразователь). 13. Шина данных.
14. Источник питания АЦП. 15. Компьютер
Рис. 3. Схема измерения расхода жидкости:
1, 11, 12. Мерная емкость с жидкостью. 2. Вентиль регулировки давления жидкости. 3. Воздушный колпак. 4. Манометр. 5. Нагнетательный клапан. 6. Всасывающее окно. 7. Цилиндр. 8. Ротор. 9. Уплотнительный диск. 10. Штуцер слива утечки жидкости
2
Рис. 4. К определению текущего значения крутящего момента на валу ротора
появляется ток, наличие которого фиксируется с помощью АЦП, который посылает пикообразный сигнал на компьютер.
Для измерения расходов жидкости в настоящее время используются различные методы и приборы, однако, наиболее наглядный объемный метод.
Объемный метод очень прост, не требует применения дорогостоящей аппаратуры, а также позволяет наглядно контролировать количество жидкости, находящейся в полупрозрачных мерных емкостях. Схема измерения представлена на рис. 3.
При работе насоса жидкость из емкости 11 поступает под колпак 3 при перекрытом вентиле 2 до тех пор, пока манометр 4 не покажет давление, близкое к желаемому давлению нагнетания. Объем колпака 3 составляет 5 литров. После этого вентилем 2 регулируется сопротивление нагнетательной магистрали таким образом, чтобы давление в ней, показываемое манометром 4, достигло желаемой величины. Далее производится измерение производительности и утечек (последнее — с помощью емкости 12).
Процесс измерения протекал следующим образом. Перед пуском насоса емкость 11 заполнялась маслом марки АМГ-10 до верха, а емкости 1 и 12 практически опорожнялись. Затем производился пуск насоса и установка с помощью вентиля 2 нужного давления в нагнетательном трубопроводе. За это время часть жидкости из емкости 11 перетекала в емкости 1 и 12, уровень жидкости в емкости 11 понижался. При достижении в емкости 11 уровня первого от верха деления включался секундомер и замечался уровень масла в емкостях 1 и 12.
Работа насоса продолжается до тех пор, пока уровень масла в емкости 11 не достигнет нижней отмет-
ки, когда секундомер останавливается и засекается уровень масла в емкостях 1 и 12.
Во время экспериментов использовались емкости объемом 50 л (поз. 1 и 11) и емкость 10 л (поз 12), что обеспечивало низкую скорость изменения уровня жидкости и возможность его точной фиксации.
Ориентировочная погрешность такого метода измерения оценивается в 3 5 %, она зависит от времени наполнения емкости (порядка 120 с), погрешности секундомера (0,1 с) и ценой деления емкости (0,5 л).
Кроме регистрации давления и производительности измерялся крутящий момент на приводном валу насоса. В принципе, величину крутящего момента в каждый момент времени можно определить, как произведение текущего давления р. на площадь зуба і и на расстояние Я3 от центра вращения ротора до оси продольной симметрии зуба (рис. 4).
Однако, индикаторное давление р; фиксируется датчиком, имеющим собственную погрешность. Кроме того, интерес представляют потери на трение в механизме самого насоса. В этом случае измерение крутящего момента следует проводить на входном элементе насоса, т.е. измерять его на приводном валу.
Как показано на рис. 1, для этого в конструкции насоса предусмотрена измерительная балка 10 с тен-зорезисторами 9. Под действием крутящего момента балка прогибается, что приводит к удлинению рабочего тензорезистора.
Экспериментально установлено, что изменение сопротивления АЯр тензорезистора пропорционально изменению А1т его длины 1р в большом диапазоне линейных деформаций и выражается зависимостью [5]
АЯт
А1
= КпР ,
1
(1)
где КпР — коэффициент пропорциональности, или коэффициент чувствительности, который для обычных металлов и сплавов в упругой области составляет 0,6 — 5,5, а в пластической области при коэффициенте Пуассона |1П = 0,5 для всех металлов КпР = 2.
Полупроводниковые монокристаллические тен-зорезисторы типа КМ имеют гораздо большую чувствительность, их КпР колеблются в пределах 110 — 130.
С конструктивной точки зрения наиболее реально в данном случае использование тензорезисто-ров фольгового типа ПКФ4 с чувствительным элементом из константановой фольги на полимерной
л =
И ■ 13
3 ■ E ■ I
(2)
В данном случае известно, что длина l балки НВ' равна дуге прогиба НВ.
Если предположить, что длина дуги НВ примерно равна длине хорды НВ, то из рисунка мы получим два подобных треугольника НАВ и ОМН.
Теперь, учитывая, что НМ = 0,5 НВ, получим соотношения сторон:
HA _ HM НВ OH
OH _
нв ■ нм 0,5т2 0,5і2
на
на
-. (3)
Таким образом, радиус прогиба балки Я = ОВ = = ОН становится известным, соответственно, становится известным и радиус поверхности балки ОК = = Я + 0,5ш, где т — толщина балки.
Рн, бар 4.0 -
3,0
2.0
1.0
Г
I
пленке. Их КпР колеблются в пределах 2,3 — 2,4, часовая ползучесть при максимальной рабочей температуре не превышает 2 %, максимальная относительная деформация (отношение деформации петли тен-зорезистора к ее длине) составляет еТр = ±3 . 10-3.
Таким образом, например, при длине петли тен-зорезистора 10 мм можно допустить его удлинение или укорочение до 30 . 10-3 мм, то есть до 30 мкм.
Данное обстоятельство очень важно при конструировании упругой балки, т.к., с одной стороны, желательно для увеличения сигнала, снимаемого с тензорезистора при реально действующих силах, получать максимально возможное его удлинение.
С другой стороны, при ограниченных габаритах деформируемой части, рост удлинения поверхности, на которой наклеен тензорезистор, сопряжен с требованием одновременно увеличить, как прогиб, так и поперечное сечение упругого участка, что является очевидным противоречием.
Основной задачей расчета упругой балки является получение величины еТр в пределах ±3 . 10-3.
Рассмотрим схему нагружения упругой балки (рис. 5).
Защемление происходит по торцу Н, нагружение — по торцу В. Средняя линия — штриховая Н-В', ее прогиб — штриховая кривая Н-В, верхняя линия (линия растяжения) — штриховая кривая Н-К. Под действием нагрузки балка прогибается на величину И, которая рассчитывается по ранее приведенному уравнению (2), которое в данном случае приобретает вид
360 ф, ...
Рис. 6. Индикаторная диаграмма насоса Рв = 1 бар, Рн = 4 бар, пОБ = 450 мин1. Сплошная линия - эксперимент, пунктирная - расчет
Для того, чтобы определить длину поверхности балки после прогиба, нужно знать угол НОВ = 5, равный двум углам НОМ = ф, т.е. 5 = 2ф.
атіїдф _ -
нм
0,5 ■ 1
ом
(4)
л
- 0,2514
Теперь можно определить длину верхней (растянувшейся) части балки как
1 + Л1 _ 2к(Я + 0,5т)— (5)
360
и, соответственно, определить само удлинение А1
Л1 _ 2к(Я + 0,5т)— - 1. (6)
360
Относительное полное удлинение Ер поверхности балки на длине 1 определится соотношением
Л1
Ер _ -
(7)
1
а относительное удлинение части поверхности балки, занятой тензорезистором, уравнением
I ■ Л1
-ТР
1
2
(8)
где Ь — длина тензорезистора.
Уравнения (2 — 8) и условие еТр= ±3 . 10-3 позволяют выбрать сечение измерительной балки. Вариантные расчеты позволили назначить следующие размеры при длине тензорезисторов 10 мм и их номинальном сопротивлении 100 Ом: длина 1 = 60 мм, высота т=10 мм, толщина 8 мм, материал балки — сталь 45.
Мощность, подводимая к приводному электродвигателю, измерялась универсальным прибором КА-50, предназначенным для измерения электрической мощности в трехфазных цепях. Это позволяло оценивать общий электромеханический КПД всей установки.
Подтверждение адекватности математической модели реально протекающим физическим процессам, происходящим в рабочих полостях насоса, проведено на следующем режиме работы: давление нагнетания Рн = 4 бар, частота вращения приводного вала пОБ = 450 мин-1.
О
л
ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ
МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №2 (110) 2012
Рис. 7. Зависимость относительных утечек от давления нагнетания при разной частоте вращения приводного вала
Рис. 8. Зависимость КПД насоса от частоты вращения приводного вала при давлении всасывания Рв = 1 бар и разных давлениях нагнетания Рн
п
и
На рис. 6 показана полученная опытным путем индикаторная диаграмма по углу поворота приводного вала и ее сравнение с расчетом.
Из приведенных графиков видно, что в целом результаты расчетов соответствуют опытным данным, расхождение составляет не более 10 процентов, что можно считать вполне удовлетворительным.
На рис. 7 показана зависимость удельных утечек д0т = Оут/Он, где Оут — измеренные объемные утечки через щель между уплотнительным диском и корпусом, Он — измеренная действительная объемная производительность (подача) насоса, от давления нагнетания.
Из графиков хорошо видно, что с увеличением частоты вращения относительные утечки заметно уменьшаются, т.к. сокращается время истечения при одном и том же изменении объема в единицу времени.
Кроме того, очевидно, что увеличение давления приводит к росту утечек, а нелинейность этой зависимости может быть объяснена как видом уравнения истечения через щель, так и прогрессирующим при росте давления отжимом уплотнительного диска от корпуса насоса.
КПД насоса определялся по формуле [6]:
Ли =■
Он • Рн Ми ■ т
(9)
2. Болдин, А. П. Основы научных исследований и УНИРС / А П. Болдин, В. А. Максимов. — М. : Изд-во МАДИ (ГТУ), 2002. - 276 с.
3. Фарзане, Н. Г. Технологические измерения и приборы / Н. Г. Фарзане, Л. В. Илясов, А. Ю. Азим-Заде. — М. : Высшая школа, 1989. — 456 с.
4. Измерение электрических и неэлектрических величин / Н. Н. Евтихеев [и др.]. — М. : Энергоатомиздат, 1990. — 352 с.
5. Клокова, Н. П. Терморезисторы. Теория, методики расчета, разработки / Н. П. Клокова. — М. : Машиностроение, 1990. — 224 с.
6. Гидравлика, гидромашины и гидроприводы / Т. М. Ба-шта[и др.]. — М. : Машиностроение, 1982. — 423 с.
где МН — крутящий момент на приводном валу, <в — угловая скорость вращения приводного вала.
Величина МН находилась, как средняя за цикл, измеренная с помощью тензодатчика величина, фактическая угловая скорость <в — датчиком положения 21, 22 (рис. 1) по индикаторной диаграмме.
На рис. 8 показана зависимость КПД от частоты вращения приводного вала при разных давлениях нагнетания.
Как видно из графиков, а также из их сравнения с результатами, изображенными на рис. 7, изменения КПД зависят в основном от роста утечек через щель между уплотнительным диском и корпусом насоса.
Библиографический список
1. Болштянский, А. П. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня / А. П. Болштянский, В. Д. Белый, С. Э. Дорошевич. — Омск : Изд-во ОмГТУ, 2002. — 406 с.
ГРИГОРЬЕВ Александр Валерьевич, старший преподаватель кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ.
ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ. КАЛАШНИКОВ Борис Александрович, доктор технических наук, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ.
БЛИНОВ Виктор Николаевич, доктор технических наук, профессор кафедры «Авиа- и ракетостроение» ОмГТУ.
ПАРАМОНОВ Александр Михайлович, доктор технических наук, доцент кафедры «Теплоэнергетика» ОмГТУ.
ОВЧАРЕНКО Сергей Михайлович, доктор технических наук, профессор кафедры «Локомотивы» Омского государственного университета путей сообщения.
АЛТЫНЦЕВ Михаил Поликарпович, доктор технических наук, главный инженер ОАО «АК «Омскагре-гат».
СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой физики ОмГТУ.
БАРЫШЕВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор (Россия), профессор кафедры «Гидравлика и гидропневмосистемы» Южно-Уральского государственного университета, г. Челябинск. Адрес для переписки: scherba_v_e@list.ru
Статья поступила в редакцию 20.02.2012 г.
© А. В. Григорьев, В. Е. Щерба, Б. А. Калашников,
В. Н. Блинов, А. М. Парамонов, С. М. Овчаренко,
М. П. Алтынцев, В. И. Суриков, В. И. Барышев
