Двухцилиндровый пневмодвигатель с активным управлением газораспределения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.51:629.12

Г. С. АВЕРЬЯНОВ В. Н. БЕЛЬКОВ Д. Ф. ЗЕЛОВ Р. Н. ХАМИТОВ

Омский государственный технический университет

ДВУХЦИЛИНДРОВЫЙ ПНЕВМОДВИГАТЕЛЬ С АКТИВНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ГАЗОРАСПРЕДЕЛЕНИЯ_

В работе рассмотрены газодинамические и термодинамические процессы, протекающие в рабочих цилиндрах пневмодвигателя, и построена модель системы »пневматическое распределительное устройство — пневмодвигатель». Построенная модель является основой для расчета пневматических приводов и позволяет на ее базе исследовать влияние различных параметров (давление, температура и плотность газа) на закон движения поршня в рабочих цилиндрах пневмодвигателя.

Ключевые слова: цилиндр, поршень, расход газа, газораспределение, движение поршня.

В настоящее время существуют различные подходы к построению и использованию поршневых пневмодвигателей. Введение в систему газораспределения пневмодвигателей самодействующих клапанов расширяет область их применения |1). Самодействующие клапаны, обладая малой инерционностью, позволяют повышать частоту вращения коленчатого вала пневмодвигателя до уровня частот современных высокооборотных поршневых компрессоров, но при этом затруднен первоначальный запуск двигателя, что значительно снижает эффективность его работы. Дальнейшее повышение эффективности работы пневматических двигателей возможно при использовании двухцилиндрового пневматического двигателя со следящей системой.

Характерной особенностью следящей системы является изменение знака момента М и скорости й выходного вала привода в процессе управления. В поршневых пневмоприводах это достигается расчленением входного газового потока О, па два

потока С, и С2 и перераспределением энергии рабочего тела между ними за счет пневматического распределительного устройства (ПРУ), которое в значительной мере определяет характеристики управления пневматического двигателя (ПД). Принципиальная схема двухцилиндрового ПД представлена на рис. 1.

Привод состоит из двухцилиндровой) поршневого двигателя, струйной трубки, которая перемещается электромеханическим преобразователем (ЭМП), преобразуще-суммирующего устройства (ПСУ), выход которого согласуется со входом ЭМП с помощью усилителя мощности (УМ). Сжатый газ па вход привода поступает через штуцер с обратным клапаном. Доступ сжатого газа на вход ПД осуществляется через нормально закрытый электропневмоклапан (ЭПК). Для поддержания постоянства давления на входе ПРУ передЭПК установлен регулятор давления.

Наполнение сжатым газом рабочих полостей цилиндров пневмодвигателя V, или происходят из воздушно-арматурного блока (ВАБ), давление в кого-

ч . -I - г -

Пдяа воздуха

Рис. I. Принципиальная схема лвухцилиндрово! о пневматического днигателя с активным укреплением газораспределения

107

ром принимаем постоянным (Рм = const). Газодинамические процессы н рабочих полостях цилиндров ПД (рис. 1). н первом приближении рассматриваются как квазистационарные, т.е. такие, при которых во всех точках объема полости предполагаются одинаковые параметры (давление, температура и плотность газа) 11,2]. Для упрощения задачи, сначала пренебрегаем теплообменом с окружающей средой. Рабочие полости ПД имеют соответственно индексы I и 2. Согласно первому законутермодинамики, вся подведенная с газом в рабочую полость первого цилиндра тепловая энергия dOM расходуется на изменение внутренней энергии dU, и на работу расширения газа dL.

dOM = dU,

+ dL,

(1)

Имея в виду, что количество тепловой энергии, поступившее в рабочую полость с газом равно произведению его массы тП1 на удельную энтальпию (dOm = = ¡mdrnJ, а внутренняя энергия U, и совершаемая им работа L, равны соответственно dU, = d(u, m,) и dL, = p,dV,, представим уравнение (I) в следующем виде:

'mdmrn " U.dmi + nlldUl + P.dVl'

(21

где и, — удельная внутренняя энергия. Выразим в уравнение (2) значения энтальпии и внутренней энергии через произведение температуры на теплоемкость соответственно при постоянных давлении Ср и объеме Су:

С„Ттатт = с.Т.ат, + Сут,ат, + р.ЛУ,. (3)

Рассма тривая воздух как идеальный газ, опишем его состояние с помощью уравнения Клайперона:

р ,V, = m,RT,,

14)

где R — газовая постоянная, R =287 Дж/ (кг-К) для воздуха при (Т„ = 290 К).

Подставляя в уравнение (3) значение ш,, dT|P полученное из уравнения (4), полагая в нем Cp/Cv = k и С — Cv=R, где к — показатель адиабаты, после несложных преобразований получим следующее выражение:

kRTdm,,, = V,dp, + kp,d

(5)

Заменим в уравнении (5) массу сжатого воздуха dmM, поступающего в полость V, в течение времени dt, соответствующим значением СЛ| расхода dmM= =GM-dt и выразим полученное уравнение относительно давления

. kCMRT„dt . dV,

dp. = —-—---кр, —L

v V

(6)

i ».i ■

2 к 1 м к

к-\ RTM \Рм; IpJ

■ (7)

Подставив в уравнение (6) значение расхода См из выражения (7), получим уравнение (8) для определения давления в рабочей полости наполнения в общем виде:

dp, к\х, , .fcp, dV,

dt V¡ W '' V, dt '

(8)

Расход GM воздуха из неограниченного объема (магистрали) определяют чаще всего по формуле Сен-Вепанаи Венцеля:

где ф(aj — расходная функция.

При перемещении второго поршня давление сжа того газа в выхлопной полости может повышаться вследствие уменьшения её объема. В этом случае происходит истечение воздуха в магистраль. Здесь также может быть применен первый закон термодинамики, но в этом уравнении (9) следует поставить знак минус в левой части, так как происходит истечение воздуха:

-dO, = dUj+dLj.

(9)

Соответственно, изменяем иидекс 1, относящийся к рабочей полости, на индекс 2 выхлопной полости:

-kRT,dma = V.¿dpj + kp,dV,.

(10)

Имея в виду, что dm.1 = ^(\Л/и.,) = - получаем:

+ кр/1 = 0

или после интегрирования и потенцирования этого выражения — р.^и, = сопк1 — уравнение адиабаты. Таким образом, в выхлопной полости как при переменном, так и при постоянном объеме происходит адиабатические изменение состояния воздуха, если пренебречь теплообменом с окружающей средой. Это объясняется тем, что воздух, вытекающий из полости, имеет такие же параметры, как и воздух, остающийся в ней. Параметры воздуха, поступающего в рабочую полость из магистрали, отличаются от параметров воздуха, находящегося в этой полости, поэтому процесс в ней не описывается ни одним из элементарных термодинамических процессов. Расход воздуха из ограниченного объема в магистраль описывается также формулой Сен-Венана и Ван целя, однако в ней следует положить Тм = ТгСч = С,и рв = рг имея при этом в виду, что все эти величины являются переменными:

2 k 1 к-\ RT,

(11)

Подставив в уравнении (10) dm, = Gjdl и G3 получим уравнение (12) для определения давления в выхлопной полости, соединенной с магистралью:

dP, Д ,Кр.1У[Щ (1> dt F,(z + xat - х) V

*Р, dx

z + x0I-x dt (121

где ц, — коэффициент расхода; Г, — площадь входного отверстия; Тм—температура воздуха в магистрали.

где г — рабочий ход поршня.

Уравнение движения двустороннего привода в общем случае имеет вид:

тй2х/йР = р,Б - р.^ - Р ± спх ± с

Р = Р, ± Р., ± Р„ (13)

где р,, р7 — текущее давление соответственно в рабочей и выхлопной полостях; 5— площадь поршня; см, сс — коэффициенты пропорциональности сил,

зависящих от перемещения и скорости поршня и сила трения, перемещающихся частей привода.

Уравнение (13) записано для общего случая нагружения привода, как переменными, так и постоянными силами. Последние характеризуют результирующую всех сил сопротивления, кроме давления сжатого воздуха. Переменные силы для упрощения приняты пропорциональными перемещению и скорости поршня. Могут быть учтены и другие зависимости, например,сила трения, пропорциональная квадрату скорости, однако методика расчета при этом остается неизменной. Все постоянные составляющие входят в результирующую силу Р. Все силы, кроме силы трения, всегда имеющей направление, обратное скорости, могут иметь различные направления в зависимост и от конкретных случаев. Вес Рз включается в уравнение только при вертикальном положении привода. Для упрощения расчетов рассмотрим сначала уравнение движения при постоянных силах сопротивления (сп = с, = 0).

Для определения времени ^движения поршня, в течение которого он соверши т свой рабочий ход выпишем систему этих расчетных уравнений в виде, удобном для интегрирования, принимая ц, !х = /¡', ц/2= уравнение давления в рабочей полости первого цилиндра

к :;крНУ[Щ- <р(о,)

/•(*,„ + х)

кр,

х

+ х

(14)

'«и

уравнение давления в выхлопной полости второго цилиндра

к >Кр» VfiV<p(o,/q,) kPi

•X (15)

Г?

где <р(о,) = \jof -о,' при0,528< о/ < 1, ф(о/) = <р(о) =

= 0,2588 при 0< о/ <0,528; ai=pi /рм.

Решение нелинейных дифференциал!,иых уравнений (14) -(16) производится численным методом интег рирования с помощью ЭВМ. Построенная модель системы «пневматическое распределительное уст ройство — пневмодвигатель» является основой для расчета пневматических приводов и позволяет на се основе исследова ть влияние различных параметров (давление, температура, плотность газа и др.) на закон движения поршня.

Библиографический список

1. Калекнн B.C. Рабочие процессы поршневых компрес-сорно-расшнрительных агрегатов с самодействующими клана-иами:дис....л-ратехн. наук. - Омск, 1999. - 450с.

2. Герц E.U. Динамика пневматических систем машин. - М Машиностроение, 1985. — 256 с.

3. КузнецовЛ.Г., Иванов Д.Н., МолодоваЮ.И., Верболоз А.П Обобщенная математическая модель рабочих процессов ступени машин объемного действия // Компрессорная техника и пневматика - 1998 - Вып. 2. - С. 23-26.

Z + Х,„ - X

Уравнение движения поршня поддействием постоянных сил Р:

т = p,S — PjS —Р,

116)

АВЕРЬЯНОВ Геннадий Сергеевич, доктор технических паук, профессор, заведующий кафедрой «Авиа- и ракетостроение».

БЕЛЬКОВ Валентин Николаевич, кандидат технических наук, профессор кафедры «Детали машин», декан ФТНГ.

ЗЕАОВ Дмитрий Федорович, аспирант кафедры «Авиа- и ракетостроение».

ХАМИТОВ Рустам Нуримановнч, кандидат технических наук, доцент кафедры «Авиа- и ракетостроение», докторант.

Статья поступила в редакцию05.12.08г.

® Г. С. Апсрьянов, В. II. Бельков, Д. Ф. Зелов, Р. II. Хамитов

Книжная полка

Промышленная безопасность магистрального трубопроводного транспорта [ Текст): учеб. пособие для вузов по специальности 130501 «Проектирование, сооружение и эксплуатация газонефтепроводов и газонефтехранилищ» направления подгот. дипломир. специалистов 130500 «Нефтегазовое дело» / В. С. Аванесов [и др.]; под ред. А. И. Владимирова, В. Я. Кершенбаума; Нац. ии-т нефти и газа [и др.]. - 2-е изд. - М.: [б. и.], 2006. - 594 с.: рис., табл. - (Конкурентоспособность и управление качеством в нефтегазовом комплексе). - Ьиблиогр.: с. 47-48. - ISBN 5-93157-073-Х.

В первом разделе учебного пособия рассмотрены причины аварий и инцидентов на объектах магистрального трубопроводного транспорта нефти и газа.

Второй раздел посвящен декларированию промышленной безопасности опасных производственных объектов магистрального трубопроводного транспорта.

В третьем разделе систематизированы требования промышленной безопасности, содержащиеся в действующих нормативных документах (СНиП, РД ВСП и т.п.).

Учебное пособие предназначено для студентов нефтегазовых вузов.