CC BY
16
МЕХАНИКА, МАШИНОСТРОЕНИЕ
УДК 621 512 513:542 78 62 762.62 Т. А. ИВАХНЕНКО
О. А. МАМАЕВ А. П. БОЛШТЯНСКИЙ
Омский танковый инженерный институт
Омский государственный технический университет
К ВОПРОСУ
О РАЦИОНАЛЬНОМ РАСПРЕДЕЛЕНИИ ГИДРАВЛИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ В ПИТАЮЩЕЙ ЩЕЛИ
ГАЗОСТАТИЧЕСКОГО ПОДВЕСА_
В статье идет речь о применениии псевдопористых питателей вместо дроссельных отверстий и варьировании шероховатостью контактирующих поверхностей, что позволяет существенно повысить жесткость и экономичность гаэостатического подвеса.
Подавляющее большинство потребителей сжатого воздуха в таких отраслях, как медицина, точное машиностроение и приборостроение, пищевая, фармацевтическая, парфюмерная промышленность предъявляют к его качеству высокие требования, которые, в частности, касаются практически полного отсутствия в воздухе следов смазки и различных твердых частиц.
Первое условие в настоящее время реализуется путем использования в компрессорных машинах уз-
лов трения, изготовленных с применением самосмазывающихся материалов.
Выполнение второго условия требует либо тщательной очистки воздуха после сжатия его бессмазочным компрессором путем фильтрации продуктов износа самосмазывающихся материалов, из которых изготовлены уплотнения рабочих полостей, либо применения бесконтактных уплотнений.
Одним из вариантов конструкций, реализующих эти требования, являются компрессоры с газоста-
тическим центрированием поршня (ПКГЦП), в которых последний представляет собой радиальную газовую опору. Питание этой опоры (газового подвеса) может осуществляться газом, который сжимает сам компрессор, или от постороннего источника давления, и может подаваться как через полость поршня, так и через гильзу цилиндра. Достаточно подробно работа такого компрессора описана в [ 1 ].
Существует достаточно много конструктивных схем ПКГЦП, в том числе и защищенных авторскими свидетельствами СССР и патентами России.
Теоретические и экспериментальные исследования этого компрессора выявили некоторые проблемы его реального проектирования, одной из которых является значительный расход газа на центрирования поршня, что особенно актуально для малорасход-пых компрессоров бытовой, холодильной и микрокриогенной техники. Этот расход по данным исследований [1,2] для мало- и микрорасходных компрессоров может составлять до 30 % его производительности, что связано в основном с масштабным и технологическим факторами, не позволяющими реально изготавливать питающие подвес дроссельные отверстия диаметром менее 0,1 мм при обеспечении отклонения в расходе газа через каждый из них не более 10 % (в одном поясе наддува). Данная ситуация только усугубляется при попытке увеличения степени повышения давления в ступени компрессора.
Снижения расхода газа на газостатическое центрирование поршня можно добиться путем использования щелевых подвесов, выполненных в виде псевдопористых питателей, образованных при контакте шероховатых поверхностей, образующих питающую щель. В этом случае часть цилиндрической образующей поршня или гильзы цилиндра представляют собой набор шероховатых дисков (рис. 1).
В изображенном на рис. 1 конструктивном варианте предполагается, что сжатый компрессором газ через обратный клапан, установленный в полом поршне, и далее через отверстие 6 и паз 7 поступает к внутреннему диаметру шероховатых дисков 2, проникает через зазор, образовавшийся при контакте их шероховатых поверхностей (при этом происходит дросселирование газа) и истекает в зазор 5, создавая несущий газовый слой, обладающий такими характеристиками, как жесткость Сп и несущая способность \УП.
На рис. 2 изображено принятое абсолютным большинством исследователей газовых подвесов (см., например, [3, 4] и др.) «классическое» распределе-
Рис. 1. Фрагмент цилиндропоршневой группы компрессора
с псевдопористой поверхностью щелевых питателей газового подвеса через полость поршня: 1,4-тело поршня, 2 - диски с шероховатыми торцовыми поверхностями, 3 - цилиндр, 5 зазор 8 между поршнем и цилиндром, 6 - отверстие, 7 - паз, 8 - полость поршня, 9 - центрирующая втулка, 10 - ось поршня, Рп - давление в полости поршня (давление наддува), Рл - давление в зазоре газового подвеса, Р> - давление окружающей среды.
ние давления и направление течения газа (показано стрелками) в его смазочном слое с щелевыми питателями, когда эксцентриситет е, равен нулю (газовая опора не нагружена, ее несущая способностьМп = 0), и при эксцентриситете, отличном от нуля, когда > 0. Расчеттакого подвеса производится с использованием гипотезы о существовании «линии наддува»,
На рис. 3 схематично показан фактический характер течения газа в зазоре щелевого питателя газового подвеса при эксцентриситете, отличном от нуля, когда к подвесу приложена нагрузка в радиальном направлении.
На рисунке видно, что увеличение давления в зоне уменьшившегося зазора воздействует на характер течения газа в щели питателя, вызывая его отклонение от радиального направления, в связи с чем в самой щели питателя появляются круговые перетечки из зоны более высокого в зону более низкого давления. Эти перетечки отрицательно влияют на несущую способность подвеса, вызывая ее снижение примерно, как отмечают большинство исследователей, на 10 %.
Если в широко применяющихся газовых подвесах с питателями в виде отверстий малого сечения отсут-
Рис. 2. Характер течения газа в щели питателя газового подвеса и распределения давления Р11(8) при допущении об отсутствии влияния давления в зазоре подвеса на характер течения газа в зазоре щелевого питателя (а - без нагрузки, б - с нагрузкой): 1. Питающая щель в теле поршня. 2. Номинальный зазор 8.3. Зеркало цилиндра. 4. Полость питания подвеса (полость поршня).
Рис. 3. Характер течения газа в щели питателя газового подвеса и распределение давления Ра(5) в эксцентричном зазоре подвеса с учетом влияния давления в зазоре подвеса на характер течения газа в зазоре щелевого питателя: 1. Питающая щель в теле поршня. 2. Эксцентричный зазор 8.3. Зеркало цилиндра. 4. Полость питания подвеса (полость поршня). 5. Направление круговых перетечек в щели питателя. 6,7. Соответственно теоретическое и фактическое распределение давления в зазоре подвеса.
ствие аналогичных круговых перетечек гарантируется дискретностью самих питающих устройств, то в выше описанной конструкции организовать дискретные источники наддува газа чрезвычайно сложно.
В связи с этим представляется целесообразным использовать одно- или многократное прерывание потока газа в дросселирующем устройстве (в данном случае — в щели), суть которого поясняется на рис. 4.
На первом этапе газ преодолевает гидравлическое сопротивление щели на участке В,, при этом его давление падает от Рп до некоторого промежуточного давления Рв, затем газ свободно распределяется по
объему канавки и далее снова входит в щель, преодолевая ее гидравлическое сопротивление на участке В2, его давление падает до величины Pd, после чего газ распределяется в смазочном зазоре г, создавая несущий газовый слой, предотвращающий контакт поршня со стенкой цилиндра.
В расчете такого подвеса поршня давление питания Рп определяется при математическом моделировании работы компрессора, или может быть задано, если рассчитывается обычный газовый подвес, конструкции которого широко используются в прецизионной технике.
Давления Рв и Pd следует определять из условия неразрывности потока, т.е. из равенства массовых расходов через оба участка щели опоры (В, и В2) и через зазор г подвеса:
nG,=nG2=G,, (1)
где л — количество одинаковых щелей в одном поясе наддува, G, и G2 — соответственно расход газа через щель высотой hml на участке В, и hm2Ha участке В2, G3 — расход газа через зазор 8 подвеса. В конструкции, изображенной на рис. 1, число л = 4.
Пренебрегая кривизной щелей питателя и полагая изотермическое ламинарное течение питающего потока, можно записать:
к-^ + ВОХ.К-Рв). (2)
' 24ц R Т В,
G K-(d + 2B,+2b + B2).h3m2H-P2d) (3) 2 24ц R Т В2
rAej — коэффициент динамической вязкости газа, R иТ — соответственно газовая постоянная и температура газа, причем последняя, как правило, принимается равной средней температуре деталей, образующих питающую щель, т.е., в данном случае — средней температуре стенок поршня.
Давление Pd несущего слоя в зоне истечения газа из питателей определяется из условия массового баланса ( 1 ), где расход G3 определяется уравнением
Рис. 4. Предполагаемый характер течения газа в щели питателя газового подвеса и распределения давления Ра(8) в эксцентричном зазоре подвеса при использовании промежуточной выравнивающей давление круговой канавки (а)
и распределение давления вдоль питающей щели, образованной шероховатыми поверхностями (б): 1. Питающая щель со средней высотой Ьш в теле поршня. 2. Выравнивающая давление круговая канавка шириной Ь. 3. Эксцентричный зазор 8.4. Зеркало цилиндра. 5. Полость питания подвеса (полость поршня) диаметром (1.6. Распределение давления в зазоре подвеса. 7,8. Соответственно направление течение газа в питающей щели подвеса до и после промежуточной
выравнивающей канавки. 9. Гильза цилиндра.
~ 0,86 • (RZ| + RZ2 ) ,
(6)
Рис. 5. Схема газостатического подвеса с псевдопористыми питателями, образованными при контакте шероховатых поверхностей: 1. Вал подвеса. 2. Линии наддува в виде кольцевых щелей. 3. Втулка подвеса.
' 12ц R Тст L '
(4)
где Б — диаметр цилиндра, Т^ — средняя температура внутренней поверхности цилиндра и наружной поверхности поршня, Ь — расстояние от щелевого питателя до торца подвеса (уравнение (4) справедливо только для симметричного подвеса, в котором расстояния I, одинаковы).
Для расчета величины среднего зазора Ьш можно воспользоваться уравнением [5]:
h„»
1-3,3
(R
PI +Rp2
(5)
где и Кг2 - соответственно параметры шероховатости «первой» и «второй» контактирующих поверхностей.
При определении характеристик радиальной газовой опоры большое значение имеет параметр, называемый относительным давлением наддува:
(7)
где 2 — соответственно расстояние от линии вершин микровыступов до средней линии профиля шероховатости поверхностей, образующих щель, обычно принимают Нр=(2,5-3,0№а (индексы «,» и «2» здесь указывают на принадлежность к контактирующим «первой» и «второй» шероховатым поверхностям, образующим питающую щель), Рс и Рг - соответственно среднее контурное и фактическое давление в упругом контакте, определяются в соответствии с [1,5].
При проектировочном расчете удобно также использовать уравнение [6]:
где Рн — давление в полости наддува, т.е. в полости, находящейся непосредственно перед дросселирующим устройством, установленным перед рабочим зазором подвеса.
При отсутствии разгрузочной канавки в качестве Рн, очевидно, необходимо использовать величину Рп, а в случае использования разгрузочной канавки достаточно большого объема — Рв. Это очень важное обстоятельство, т.к. установлено [3, 4 и др.], что оптимальные характеристики газового радиального подвеса, с точки зрения его экономичной работы (максимальная жесткость при минимальном расходе газа на питание) .обеспечивается при Р„, находящемся в пределах 0,6 — 0,8.
Таким образом, задача проектирования газового подвеса поршня при использовании псевдопористых питателей, образованных шероховатыми дисками и имеющих разгрузочную канавку достаточно большого объема, сводится к выполнению следующих действий:
1. Имея диапазон реальных геометрических размеров ЦПГ и используя уравнение (4), нужно найти расход газа на центрирование поршня G3, который удовлетворяет экономическим требованиям проектировщика (минимальный расход газа на центрирование поршня при обеспечении работоспособности конструкции). При этом статические и динамические характеристики подвеса можно определить, используя методику, изложенную в [ 1 ]. В результате вычислений, очевидно, станет известной величина Pd и должна быть «назначена», т.е. принята величина Р„,, которая, исходя из уравнения (7), однозначно определяет величину Рн = Рв.
2. Решая совместно уравнения ( 1 -3) с использованием выражений (5) или (6), следует определить необходимые геометрические параметры и шероховатость щели для обеспечения ранее найденной величи-
Мп, кг/с-105 2,0
1,6
1,0
0,5
'1(2) /2(2)
1,0
2,0
3,0
4,0
0,8
0,6 3(2) 3(1)
0,4 /
0,2- 1(1)
Сп, Н/мкм 25
20 15 10
0
Rz, мкм
Рис. 6. Сравнительные характеристики газостатических подвесов с псевдопористыми питателями т и с питателями в виде дроссельных отверстий щ: 1. Расход газа на центрирование Мп. 2. Относительное давление наддува Рл . 3. Жесткость центрирования Сп.
ны Рв. Как уже отмечалось выше, при этом предпочтительно использование уравнения (6), т.к. на данном этапе вычислений трудно задать параметры, определяющие величины контурного и фактического давления в стыке шероховатых поверхностей.
Вышеприведенные рассуждения справедливы при условии бесконечно большого объема выравнивающей разделительной канавки, что на практике не может быть реализовано. Однако опыт экспериментальных исследований газовых подвесов различных конструкций дает возможность утверждать, что практически давление в этой канавке окажется постоянным по окружности, если размеры ее поперечного сечения будут примерно на два порядка больше соответствующих параметров питающей щели. Т.е., например, если средний зазор Ьш = 5 мкм, то глубина и ширина канавки должны быть более 0,5 мм.
Кроме того, принятое допущение о ламинарном и изотермическом течении газа в капиллярах, образовавшихся при контакте шероховатых поверхностей, требует выполнения условия (В/Ьт) > 500, где В -длина щели в направлении потока.
Изложенная методика позволяет в первом приближении рассчитать основные характеристики газового радиального подвеса с псевдопористыми питателями и разгрузочной канавкой, обеспечивающей повышение жесткости несущего газового слоя.
В качестве примера, иллюстрирующего преимущество использования таких питателей, рассмотрим характеристики газостатического подвеса со следующими параметрами (см. также рис. 5):
— I = 20 мм (расстояние от оси симметрии подвеса до линий наддува);
— 1, = 40 мм (расстояние от оси симметрии подвеса до его торцов);
— Рп = 0,3 МПа, Ра = 0,1 МПа; рабочее тело -воздух, Т = 300 К;
— Б = 40 мм, (1 = 30 мм, В,=В2 = 2,2мм,Ь = 0,6мм, 5=10 мкм;
—1121 = 11г2, переменная величина, мкм.
Сравнение проведем с газостатическим подвесом, имеющим такие же геометрические размеры, но питание которого осуществляется через дроссельные отверстия диаметром 0,1 мм, расположенные в двух поясах наддува в количестве 6 отверстий в каждом ряду (количество отверстий определяется необходимостью обеспечить равномерное распределение несущего газового слоя в зазоре подвеса, их диа-
метр — технологическими возможностями изготовления отверстий с минимальным одинаковым диаметром).
Результаты расчета, проведенного с использованием выше описанной методики, уравнения (6) и уравнений для расчета жесткости центрирования Сп, описанных в [ 1 ], представлены на рис. 6.
Как видно из сравнения графиков, применение псевдопористых питателей вместо дроссельных отверстий и варьирование шероховатостью образующих питатетли контактирующих поверхностей позволяет существенно повысить такие важные характеристики газостатического подвеса, как жесткость и экономичность.
Библиографический список
1. Болштянский А.П., Белый В.Д., Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002, - С. 406.
2. АбакумовЛ,Г.,Денъгин В.Г., Кулиш Л.И. Исследование конструктивных схем газостатического поршневого подвеса компрессора//Химич. и нефтяное машиностр. — 1993.-№5. — С. 12-14.
3. Шейнберг С. А., Жедъ В. П., Шишеев М. Д. Опоры скольжения с газовой смазкой/ Под ред. С. А. Шейнберга - М,: Машиностроение, 1979.-С. 336.
4. Пинегин С.В., Табачников Ю.В., СипенковИ.Е. Статические и динамические характеристики газостатических опор. М,: Наука, 1982. - С. 265.
5. Трение, изнашивание и смазка: Справочник/ Под ред. И.В. Крагельского.В.ВАлисина. — М.: Машиностроение, 1978. — Кн. 1. 1978. - С. 400.
6. Уплотнения и уплотнительнаятехника: Справочник/ Л А Кондаков, А.И. Голубев, В.Б. Овандер и др. — М.: Машиностроение, 1986. - С. 464.
МАМАЕВ Олег Алексеевич, кандидат технических наук, проректор Омского танкового инженерного института.
ИВАХНЕНКО Тарас Алексеевич, командир батальона Омского танкового инженерного института. БОЛШТЯНСКИЙ Александр Павлович, доктор технических наук, доцент кафедры гидромеханики и теплоэнергетики Омского государственного технического университета.
У наших коллег
Институт экологических проблем Севера УрО РАН (г. Архангельск) разработал две композиции водосме-шиваемых СОЖ марки СиБол (СиБол-1, СиБол-2). Композиции СОЖ включают в себя вторичные продукты ЦБП, зачастую сжигающиеся в качестве котельного топлива. СОЖ позволяют повысить чистоту обработки металлов, увеличить стойкость инструмента и обеспечивают антикоррозионную защиту металлоизделий.
Проведены лабораторные и промышленные испытания опытной партии СОЖ, создан регламент и ТУ на их производство. Планируются широкие промышленные испытания на машиностроительных предприятиях различного профиля. Оборудование и производственные мощности для производства СОЖ серии СиБол имеются на ООО "ХимТехноСервис -Талойл", г. Новодвинск Архангельской области.
Ожидаемые результаты: повышение параметров обработки металлов резанием и давлением. Композиции не уступают по технологическим показателям обработки металлов известным отечественным СОЖ серии Укринол и Аквол, превосходят их по стабильности. Снижается степень загрязнения окружающей среды по сравнению с СОЖ на основе нефтяных масел.
http://www.uran.ru/rasrabotki/2005/section4/s4_6_2005.htm
119
