CC BY
24
УДК 621.512:530.10
Е.А.ЛЫСЕНКО
Омский государственный технический университет
ХАРАКТЕРИСТИКИ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
С ГАЗОВОЙ ПОДДЕРЖКОЙ ПОРШНЯ И КОМБИНИРОВАННЫМ МЕХАНИЗМОМ ПРИВОДА
В статье рассмотрена целесообразность применения упругой конструкции кулисы в компрессоре с комбинированным механизмом привода. Сам механизм представляет собой комбинацию кривошипно-кулисного и двухвального приводов и теоретически обеспечивает отсутствие как боковых сил на поршне, так и сил инерции, вызывающих колебания конструкции. Исследования проведены на математической модели, описывающей термодинамические процессы, протекающие в контрольных объемах компрессора, и силовые процессы в механизме привода.
Установлено, что применение упругой кулисы позволяет существенно расширить допуски на изготовление и сборку машины.
Ресурс работы и экономичность поршневых машин существенно зависят от величины боковых усилий, действующих в цилиндропоршневой группе (ЦПГ). Кроме того, отрицательное воздействие на элементы ЦПГ оказывает вибрация, возникающая от неуравновешенных элементов компрессора, которую стараются уменьшить также и из экологических соображений [1,2].
Снижение боковых сил в ЦПГ поршневых машин достигается различными методами. Наиболее простой из них — применение крейцкопфа в направляющем поршень механизме. Это техническое решение было использовано еще в 30-х годах прошлого столетия специалистами фирмы «СегЬги<1ег — Би1г-ег» (Швейцария) для бессмазочных лабиринтных компрессоров, сжимающих чистые газы [3], и продолжает предлагаться в различных вариантах для
внедрения унаследовавшей этот принцип фирмой «Maschinenfabrik Sulzer-Burckhardt AG» [4-6].
Другим методом является применение 1-образ-ных механизмов рычажного типа (например, кри-вошипно-кулисных [7], наиболее современная интерпретация подобного механизма предложена фирмой «Бауэр» [8]), двухвальных приводов и орбитального механизма С. С. Баландина [9]. Последний был успешно реализова?1 в крупных холодильных компрессорах. Однако в этих машинах в связи с неизбежной погрешностью изготовления сложного коленчатого вала так и не удалось осуществить полного спрямления траектории движения поршней [10, 11]. Известны также попытки применения линейных двигателей (электромагнитных, пневматических и гидравлических). Однако в силу многочисленных широко известных сложностей, связанных
а. ±
x Направление Ftpi движения
Рис. 1. Полу конструктивная схема поршневого с газовым подвесом поршня и оппозитнымц поршнями и силы, действующие на подвижные элементы: ГИН(Д - сила инерции, возникающая от неравномерного движения блока поршней; Рг - газовая сила от давления в цилиндре, - реакция газовой опоры поршня; Ртр - сила трения, С»пор - вес блока поршней, РИН(1| - сила инерции, возникающая при вибрации насоса в вертикальной плоскости, Рпр - сила со стороны механизма привода, г„ - радиус кривошипа, А - несовпадение оси симметрии привода и общей оси цилиндров
W,,, max. H
Рис. 3. Расчетная зависимость максимальной боковой нагрузки на поршень ШЛ| шах от жесткости рычагов кулисы при Ь = 4мм при согласованных характеристиках приводных электродвигателей, А = 2мм и одинаковых радиусах кривошипов
Wn,, max, Н
-г
> 2
" 0,01 0,02 0,03 Аг„, мм
Рис. 4. Зависимость максимального бокового усилия \УП1 шах на поршне от разности радиусов кривошипов Дгк для жесткой кулисы (линия 1) и для упругой кулисы (линия 2) при А = 0, согласованных характеристиках электродвигателей и Ь=й=6 мм
с использованием таких конструкций в приводах компрессорных машин, их применение чрезвычайно ограничено.
Снижение вибрационных нагрузок на поршневые машины производят за счет оптимального распределения масс в элементах конструкции и введения дополнительных противовесов и виброгасящих устройств, однако это требует значительного усложнения конструкции (12].
Одновременное решение проблем исключения боковых усилий в ЦПГ и вибрации со стороны неуравновешенных масс возможно в схеме поршневой машины с комбинированным приводом [13], в которой действующие силы и моменты инерции движущихся масс теоретически полностью уравновешены. Впервые попытки анализа работы этой конструкции на основе математической модели, учитывающей термодинамику рабочих процессов и динамику механизма привода, описаны в [14, 16]. В частности, было установлено заметное влияние точности изготовления и сборки механизма привода на боковые усилия, действующие на поршень. При этом выявлено, что наибольшее влияние оказывает разность радиусов кривошипов приводных валов гК[ и гК2 (рис. 1) и несколько меньшее — несовпадение оси валов приводов и оси блока цилиндров.
При расчетах полагалось, что оба приводных вала вращаются независимо и один относительно
другого (соединены с двумя идентичными по характеристикам электродвигателями) в противоположном направлении. Даже незначительное различие в радиусах кривошипов в предположении об отсутствии упругих перемещений кулисы приводит к появлению боковых усилий, аналогичных при использовании обычного кривошипно-шатунного механизма.
В связи с этим представляет большой интерес анализ работы механизма привода с разомкнутой конструкцией кулисы, которая обладает соответствующей размерам (поперечное сечение, длина) упругостью (рис. 2).
Полагая в этом случае, что свободное плечо кулисы представляет собой защемленную балку, ее прогиб определяется по формуле:
7 41"nr;U)BU ,J" E-bV ■
Для детального анализа влияния жесткости кулисы на боковую нагрузку на поршень был проведен численный эксперимент, в котором жесткость кулисы изменялась путем варьирования статического момента инерции сечения свободных рычагов кулисы (изменяется размер h при b = const). Исследовался проект микрорасходного компрессора с диаметром поршней 21 мм и ходом 14 мм. Результаты
расчетов приведены на рис. 3 и 4. При проведении численного анализа полагалось, что оба приводных электродвигателя имеют абсолютно одинаковые характеристики, вращаются с частотой 25 Гц. Давление нагнетания равно 0,3 МПа.
Результаты расчетов позволяют сделать вывод о том, что использование в конструкции механизма привода компрессора упругой кулисы позволяет существенно снизить боковые усилия на поршне даже при значительных отклонениях геометрических размеров, получаемых при изготовлении и сборке компрессора.
Библиографический список
1. Болштянский А.П., Щерба В.Е. Особенности проектирования бессмазочного поршнечого вакуумного насоса// Вакуумная техника и технология. — 1999, Т. 9, № 2. — С. 31-36.
2. Болштянский А.П., Щерба В.Е. The influence of the accuracy of fabrication of main geometric parameters on features of piston forvacuum pump with gas support of piston// Вакуумные технологии и оборудование. Сб. докл. 4-го Междунар. симпозиума «Вакуумные технологии и оборудование».— Харьков, 2001,- С. 222-224.
3. Angst R. A. The labyrinth piston compressor//S. Afr. Mech. Eng.. - 1979. - 29, №8. - P. 262-270.
4. Пат. 674399 Швейцарии, МКИ4 F 04 В 39/04. Поршневой несмаэываемый газовый компрессор = Kolbenkompressor zum olfreien Verdichten eines Gases/ Muller E.; Maschinenfabrik Sulzer-Burckhardt AG; - № 1175/88; Заявлено 28.03.88; Опубл. 31.05.90.
5. Пат. 674550 Швейцарии, МКИ5 F 04 В 39/04. Компрессор с тронковым поршнем = Tauchkolbenkompressor/ Muller Е.; Maschinenfabrik Sulzer-Burckhardl AG. - № 1312/88; Заявл. 08.04.88; Опубл. 15.06.90.
6. Пат. 674664 Швейцарии, МКИ1 F 04 В 39/04. Компрессор с тронковым поршнем = Tauchkolbenkompressor/ Muller Е.; Maschinenfabrik Sulzer-Burckhardt AG. - № 1312/88; Заявл. 08.04.88; Опубл. 29.06.90.
7. Геронимус Я.Л. Очерки о работах корифеев русской механики. — М.: Государственное издательство технико-теоретической литературы, 1952. - 519 с.
8. Kompressorenbau mit Gelenk-Gerade-ausfuhrung// Metallhandwerk + Technik. - 1980, № 2. - S. 124-129.
9. A.c. 1 18471 СССР, МКИ' F 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. N»47.
10. Линдберг А. Ф. Голиков Ф. Д., Федулов С. И. Эффективность применения холодильных компрессоров без смазки//Рыбное хозяйство. - 1981. — № 7. - С. 66-68.
11. Линдберг А Ф„ Путилин С. А., Семенов А. Е. Характеристики бесшатунного холодильного компрессора//Интенси-фихация производства и применения искусственного холода: Тез. докл. Всесоюз. науч.-практич. конф. — Л., 1986. — С. 10.
12. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет. - М.: Колос, 2000. — 456 с.
13. Патент РФ № 2098662, МКИ6 F 04 В 25/00, 35/00. Бесконтактный компрессор/ А.П. Болштянский, В.Е. Щерба; Омский государственный технический университет. -№95114243/06; Заявл. 08.08.1995; Опубл. 10.12.1997. - Бюл. № 34.
14. Болштянский А.П., Щерба В.Е., Лысенко Е.А. Поршневой насос с комбинированным приводом./ Современное состояние и перспективы развития гидромашиностроения в XXI веке. Труды международной НТК: СПб, 2003. - С. 386-388.
15. Болштянский А.П., Лысенко Е.А., Щерба В.Е. Влияние погрешности изготовления кривошипов на динамические характеристики поршневого форвакуумного насоса с комбинированным приводом/ Вакуумная техника и технология. Материалы XIII науч.-технич. конф. с заруб, участием. М.: МГИЭМ, 2006. - С. 110-114.
16. Болштянский А.П., Щерба В.Е., Лысенко Е.А. Поршневая машина объемного действия с уравновешенным механизмом привода / Гидрогаэодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы. Труды междунар. научно-технич. и научно-методич. конференции. М.: Изд-во МЭИ, 2006. — С. 153-156.
ЛЫСЕНКО Евгений Алексеевич, старший преподаватель кафедры ГМиТЭ.
Статья поступила в редакцию 01.12.06 г. © Лысенко Е. А.
Книжная полка
Коваленко Л. В. Нанодисперсные металлические материалы с биологически активными свойствами / Л. В. Коваленко, Г. Э. Фолманис; Ин-т металлургии и материаловедения им. А. А- Байкова. -М.: Наука, 2006, - 11 л.
В монографии изложены результаты многолетних исследований, посвященных выбору оптимального способа получения функциональных нанопорошковых металлических материалов, обладающих биологической активностью. Выбран способ низкотемпературного водородного восстановления металлосодержащего сырья. Разработан технологический процесс и его аппаратурное оформление. Проанализирован процесс восстановления нанокристаллического металлосодержащего сырья. Разработан способ прямого получения биологически активных сред импульсным лазерным облучением массивного металлического образца. Приведены результаты влияния нанопорошков металлов на биологические объекты. Рассмотрено использование нанокристаллических металлических материалов в растениеводстве, животноводстве, птицеводстве, рыбоводстве, кормопроизводстве.
Для ученых, инженерно-технических специалистов в области материаловедения и биологов, работающих в сельскохозяйственных отраслях агропромышленное™.
