Экспериментальный стенд по проверке характеристик маловибрационного поршневого компрессора с комбинированным приводом Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 62І.5 i 2:53G. i G

Е. Ю. НОСОВ Ц Г. А. НЕСТЕРЕНКО L--

Омский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЙ СТЕНД ПО ПРОВЕРКЕ ХАРАКТЕРИСТИК МАЛОВИБРАЦИОННОГО ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА

С КОМБИНИРОВАННЫМ ПРИВОДОМ

В статье рассматривается экспериментальный стенд по проверке характеристик маловибрационного поршневого компрессора с комбинированным приводом. Описаны: общая схема стенда, компоновочная схема привода компрессора, вопросы обеспечения точности сборки и изготовления отдельных узлов привода, а также фрагмент технологического процесса изготовления наиболее ответственных деталей. Это дает представление о трудоемкости изготовления рассматриваемого привода.

Ключевые слова: поршневой компрессор, привод поршня, точность, маловибрационный.

Ресурс работы и экономичность поршневых компрессоров в большой степени зависит от величины боковых сил и вибрации, действующих на поршень [1, 2].

Снижения боковых сил в ЦПГ поршневых компрессоров добиваются различными способами. Наиболее простой из них — применение крейцкопфа в направляющем механизме поршня. Это техническое решение было использовано еще в 30-х годах прошлого столетия для бессмазочных лабиринтных компрессоров, сжимающих чистые газы [3], и продолжает предлагаться в различных вариантах.

Другой способ состоит в применении А-образных механизмов рычажного типа (например, кривошипнокулисных [4], наиболее современная интерпретация подобного механизма предложена фирмой «Бауэр» [5]), двухвальных приводов и орбитального механизма С. С. Баландина [6], который был успешно реализован в крупных холодильных компрессорах. Однако в этих машинах в связи с неизбежной погрешностью изготовления сложного коленчатого вала так и не удалось осуществить полного устранения боковых сил действующих на поршень [7, 8]. Предпринимались также попытки применения линейных двигателей (электромагнитных, пневматических и гидравлических). Однако, в силу многочисленных широко известных сложностей, связанных с использованием таких конструкций в приводах компрессорных машин, их применение ограничено.

Обычно снижение вибрационных нагрузок на поршневые машины производят за счет оптимального распределения масс в элементах конструкции и введением дополнительных противовесов и виброгасящих устройств, однако это требует усложнения конструкции [9].

Одновременное решение проблем исключения боковых усилий в ЦПГ и вибрации со стороны неуравновешенных масс возможно в схеме поршневой машины с комбинированным приводом [10], в которой действующие силы и моменты инерции дви-

жущихся масс теоретически полностью уравновешены. Впервые попытки анализа работы этой конструкции на основе математической модели, учитывающей термодинамику рабочих процессов и динамику механизма привода, приведены в [11 — 13].

Анализ существующих конструкций привода компрессоров позволил сформулировать принципиальную схему конструкции привода малошумного безвибрационного компрессора. Конструкции, описанные в [14, 15], имеют большие габариты и требуют изготовления большого числа оригинальных деталей с высокой точностью. В связи с этим большой интерес представляет использование серийных образцов малорасходных компрессоров, объединенных в схему с комбинированным механизмом привода.

На рис. 1 изображена расчетная схема одноступенчатого двухцилиндрового компрессора с комбинированным механизмом привода, образованного из двух серийных образцов одноступенчатых поршневых компрессоров МСВ 190/1,50-1 фирмы «Aiken», привод которых объединен единой рамкой (кулисой) 6.

Условие динамического равновесия такой механической системы определяется выражением:

Fm + Fn 2 + Fxpi + Fkp2 + Feh.k + G Fин.кш 2 = 0 ,

где Fnl 2 — газовые силы от перепада давления на поршне, FKP1 2—силы давления кривошипа на кулису, F^Kmi 2—сумма сил инерции вращательного движения кривошипа и противовеса, G — суммарный вес подвижных частей механизма движения и поршней со штоками.

При назначенных геометрических размерах, материалах деталей и режима работы (частоты вращения приводных валов, давления всасывания и нагнетания) данное уравнение позволяет произвести расчеты противовесов и выполнить условия прочности деталей.

Для проведения экспериментальных исследований был рассчитан, спроектирован и изготовлен модельный образец компрессора со следующими основ-

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА

ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Рис. 1. Расчетная схема комбинированного привода компрессора: 1-цилиндр; 2-поршень; 3-уплотнительные кольца; 4-направляющие опорные кольца; 5-шток; 6-кулиса (рамка); 7-кривошип; 8-противовес

Рис. 2. Общая компоновка стенда:

1 -жесткая плита; 2 компрессор; 3-всасывающие фильтры; 4-линия нагнетания; 5-манометр нагнетаемого давления; 6-расходомер (газовый счетчик); 7-вентиль для регулировки давления нагнетания; 8-ресивер; 9-вентиль для слива конденсата; 10-вибродатчик; 11-цилиндр; 12-электродвигатель; 13-корпус; 14-рамка (кулиса)

ными параметрами: диаметр цилиндра 50 мм, ход поршня 24 мм, давление нагнетания 8 бар. Привод компрессора осуществляется от двух одинаковых электродвигателей, имеющих противоположное вращение валов.

Назначение компрессора — проверка основных положений математической модели и получение сведений, расчет которых затруднен или на данном этапе исследований невозможен или не рационален.

На рис. 2 показана общая компоновка стенда для исследования характеристик компрессора. Компрессор зафиксирован на общей плите 1 с помощью штатного болтового соединения. Единая плоскость крепления получена фрезерованием поверхности плиты с допуском плоскостности 0,01 мм.

Для оценки амплитуды и частоты вибрации применяется вибродатчик 10 индукционного типа, установленный на плите.

При вращении валов двигателей с установленными на них кривошипами, подшипники, размещенные на кривошипах, совершая вращательное движение относительно оси вала двигателя и прокатываясь по кулисе, преобразуют это движение в возвратнопоступательное движение кулисы с закрепленными на ней штоками. Это обеспечивается прокатыванием наружной обоймы подшипника по верхней и нижней

направляющим, которые являются частью рамки (кулисы).

Для обеспечения уравновешивания компрессора использовались как штатные противовесы готовых изделий, так и дополнительные противовесы. Для более точного расчета последних было произведено точное взвешивание всех подвижных частей.

В модельном компрессоре требуется обеспечить плавное перемещение эксцентриков кривошипов 7 (рис. 1) по рамке 6 без проскальзывания, что в свою очередь позволит снизить шумность работы и нагрев рабочих поверхностей направляющих рамки и подшипников кривошипов. Это условие было выполнено с применением специальных конструктивных и технологических методов.

Для обеспечения заданных характеристик работы компрессора требуется обеспечить минимальный зазор (порядка 0,5 мм и менее) между поршнем и гильзой цилиндра. Заданная точность обеспечивается обработкой указанных деталей. Для точного центрирования поддерживающего пояска (направляющих колец 4, рис. 1) необходимо обеспечить его соосность с поршнем, как по наружному диаметру, так и по внутреннему. Точность центрирования обеспечивается обработкой за одну установку из проката круглого сечения (рис. 3). На первом технологическом

Первый переход Второй переход

V V

CS 3

> § > $

L

а) б)

Рис. 3. Фрагмент технологического процесса изготовления поршня и крейцкопфа

переходе обрабатывается наружная цилиндрическая поверхность заготовки в размер 049,75_ОО2 (рис. 3а). На втором переходе обрабатывается 049,25^2 на заданную длину (рис. 3б). На третьем переходе прорезаются канавки для установки компрессионных колец (рис. 3в). На четвертом переходе сверлится, зенкеруется и развертывается отверстие 08-о 005 (рис. 3г) и затем производится отрезка крейцкопфа и поршня от заготовки (рис. 3д).

Пробные пуски компрессора позволили подтвердить его работоспособность и возможность стенда измерять основные параметры компрессора, в том числе его производительность, давление нагнетания, частоту и виброускорение колебаний конструкции.

Библиографический список

1. Болштянский, А. П. Особенности проектирования бессма-зочного поршневого вакуумного насоса / А. П. Болштянский,

В. Е. Щерба // Вакуумная техника и технология. — 1999. — Т. 9, № 2. - С. 31-36.

2. Болштянский, А.П. The influence of the accuracy of fabrication of main geometric parameters on features of piston forvacuum pump with gas support of piston / А.П. Болштянский, В.Е. Щерба // Вакуумные технологии и оборудование: сб. докл. 4-го Междунар. симпозиума. — Харьков, 2001. — С. 222-224.

3. Angst, R. A. The labyrinth piston compressor // S. Afr. Mech. Eng. — 1979. — 29, №8. — Р. 262 — 270.

4. Геронимус, Я.Л. Очерки о работах корифеев русской механики. — М.: Гос. изд-во технико-теоретич. лит., 1952. — 519 с.

5. Kompressorenbau тії Gelenk-Gerade-ausfuhrung// Metallhandwerk + Technik. — 1980. — №2. — Б. 124— 129.

6. А. с. 118471 СССР, МКИ4 Р 01 В 9/02. Двигатель внутреннего сгорания с бесшатунным механизмом / С. С. Баландин. — № 591328/24-06 ; заявлено 4.11.58 ; опубл. 10.12.73, Бюл. №47.

7. Линдберг, А.Ф. Эффективность применения холодильных компрессоров без смазки / А. Ф. Линдберг, Ф. Д. Голиков, С. И. Федулов // Рыбное хозяйство. — 1981. — № 7. — С. 66 — 68.

8. Линдберг, А. Ф. Характеристики бесшатунного холодильного компрессора / А. Ф. Линдберг, С. А. Путилин, А. Е. Семенов // Интенсификация производства и применения искусственного холода : тез. докл. Всесоюз. науч.-практич. конф. — Л., 1986. —

С. 10.

9. Пластинин, П. И. Поршневые компрессоры. Т. 1. Теория и расчет. — М. : Колос, 2000. — 456 с.

10. Пат. № 2098662 РФ, МКИ6 Р 04 В 25/00, 35/00. Бесконтактный компрессор / А. П. Болштянский, В. Е. Щерба; заявитель и патентообладатель Омский гос. техн. ун-т. — № 95114243/06; заявл. 08.08.1995; опубл. 10.12.1997, Бюл. № 34.

11. Болштянский, А.П. Поршневой насос с комбинированным приводом / А. П. Болштянский, В. Е. Щерба, Е. А. Лысенко // Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке: тр. Международной НТК. — СПб, 2003.

- С. 386-388.

12. Болштянский, А. П. Влияние погрешности изготовления кривошипов на динамические характеристики поршневого форвакуумного насоса с комбинированным приводом / А. П. Болштян-ский, Е. А. Лысенко, В. Е. Щерба // Вакуумная техника и технология: Материалы XIII Науч.-технич. конф. с заруб. участием.

- М.: МГИЭМ, 2006. - С.110-114.

13. Болштянский, А. П. Поршневая машина объемного действия с уравновешенным механизмом привода / А.П. Болштянский, В. Е. Щерба, Е. А. Лысенко // Гидрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы: тр. Междунар. науч.-техн. и науч.-методич. конф. - М. : МЭИ, 2006. - С. 153- 156.

14. Пат. № 2296241. Российская Федерация, МКП Р04В 25/00. Поршневой компрессор / Болштянский, А.П., Щерба В.Е., Лысенко Е.А.; заявитель и правообладатель ОмГТУ. - № 2005129839/ 06; заявл. 26.09.2005 ; опубл. 27.03. 2007, Бюл. №9. - 9 с. : ил.

15. Пат. № 2334877. Российская Федерация, МКП Р01В 1/10, Р16Н 21/36. Машина объемного действия / Болштянский, А. П., Щерба В.Е., Лысенко Е.А.; заявитель и правообладатель ОмГТУ. -№2006139729/06; заявл. 09.11.2006 ; опубл. 27.09. 2008, Бюл. №27, 6 с.: ил.

НОСОВ Евгений Юрьевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры гидромеханики и транспортных машин.

НЕСТЕРЕНКО Григорий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры гидромеханики и транспортных машин.

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 30.06.2010 г.

© Е. Ю. Носов, Г. А. Нестеренко

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 ЭЛЕКТРОТЕХНИКА. ЭНЕРГЕТИКА