CC BY
60
- © М.Л. Хазин, С.А. Волегов, 2015
УДК 621.512
М.Л. Хазин, С.А. Волегов
ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ КЛАПАНА ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
Рассмотрены вопросы обоснования конструктивных параметров самопружинящих
клапанов, в частности, материалу замыкающего органа последних.
Ключевые слова: поршневые компрессоры, клапан, материал замыкающего органа.
В горнодобывающей, угольной и других отраслях промышленности широко используются поршневые компрессоры, работу которых, тепловой режим, производительность и удельный расход электроэнергии определяют, в основном, клапаны. Надежность работы клапана существенно зависит от качества материала замыкающего органа.
Потому необходимо обоснованно выбирать материал замыкающего органа, наиболее подходящий к конкретному клапану и обеспечивающий его максимальную наработку на отказ в заданных условиях эксплуатации. К основным конструктивным параметрам замыкающего органа (ленты) относятся материал и геометрические характеристики ленты.
Для выбора матери замыкающего органа (ленты), который можно использовать, при заданных конструктивных параметрах клапана, предложено условие [1]:
|стс
СТобш < -
К ]
(1)
где стк - предел выносливости; [сти] -допускаемое напряжение изгиба.
Неравенство (1) описывает три возможных варианта.
1) Если текущее напряжение удовлетворяет условию сти < стк; то замыкающий орган, выполненный из принятого материала, в данной конструкции
клапана может работать практически бесконечно, т.к. соблюдается условие упругой деформации материала.
2) Если текущее напряжение сти удовлетворяет условию стобщ > [сти], то замыкающий орган разрушается, как только текущее напряжение превышает значение [сти]. Следовательно, при заданных конструктивно-технологических параметрах клапана, применять выбранный материал замыкающего органа не рационально.
3) Если текущее напряжение удовлетворяет условию стк < стобщ < [сти], то в этом случае материал ленты подвергается циклической упругопластиче-ской деформации. При наличии циклической деформации в материале происходит накопление усталостной пластической деформации, что приводит к зарождению усталостных микротрещин. В процессе эксплуатации клапана микротрещины в материале растут, сливаются, образуя усталостные трещины, что и приводит к разрушению детали.
В машиностроении, где детали могут подвергаться многим миллионам перемен нагрузки, необходимо знать предел усталости данного материала в условиях данных машины и детали (при конкретном виде нагружения, концентрации напряжений, состоянии и способе упрочнения поверхности, и др.). Кривые усталости в этом случае не столь важны, но обязательна уверенность, что перегрузок, вызыва-
ющих напряжения выше предела усталости, нет в «истории» нагружения.
Чаще всего для многоцикловой усталости применяется аппроксимация Баскена (Ваэяшп, 1910):
N (Б) = С / Бш; (2)
где 5 - размах напряжений в цикле нагружения 5 = сттах -стт1п , С - константа, относящаяся к конкретному материалу или его состоянию, т - параметр, характеризующий угол наклона кривой N(5) (в логарифмических координатах). Эта величина имеет порядок т = 3...8. Меньшие значения т = 3.5 отвечают деталям машин и конструкций со сварными соединениями, канавками и надрезами, а более высокие - образцам и деталям машин с гладкой (и полированной) поверхностью.
Для материалов, у которых при испытаниях обнаруживается предел усталости (например, для сталей) и характер эксплуатационного нагру-жения конструкции позволяет принимать его во внимание, то (2) может формулироваться в виде [3]:
N (а) = N0 (а-а/аа )т = ^К , (3)
Схема деформации разрезного кольца (ленты) в клапане: 1 - клапан закрыт; 2 - клапан открыт, Оо - диаметр ограничителя клапана (внутренний диаметр паза седла клапана), О - наружный диаметр паза седла клапана
где N0 - число циклов нагружения, отвечающее пределу усталости ст_а (при симметричном циклическом нагружения), ста - амплитуда напряжения.
Сопротивление усталости образцов и конструкций из одного и того же материала зависит от состояния поверхности (грубо обработанная или тщательно отполированная), от вида нагружения и вида напряженного состояния (осевое растяжение-сжатие или циклический изгиб, изгиб при вращении), от присутствия в составе нагрузки постоянного компонента (асимметрии нагру-жения), роли среды, температуры и т.п.
Максимальное напряжение в цикле нагружения, увеличивающееся благодаря среднему растягивающему напряжению, способствует преодолению трещиной структурных барьеров, границ зерен и развитию микротрещин в соседние зерна, подрастанию трещин.
Для сталей в машиностроении используется следующее соотношение С.В. Серенсена:
ctr = - Wm (4)
где - коэффициент «чувствительности материала к среднему напряжению», ст0 - предел усталости при R = 0, т.е. при пульсирующем растяжении. Для сталей невысокой прочности: у = 0,1 -0,2; а для сталей повышенной прочности: у = 0,2 - 0,3.
Рассмотрим замыкающий орган клапана поршневого компрессора, выполненный в виде разрезного кольца (ленты) прямоугольного сечения.
Для поршневых компрессоров замыкающие органы клапанов должны иметь характеристики, которые обеспечивали бы их высокую работоспособность и оптимальные технико-экономические параметры. К таким параметрам относятся как толщина пластины (пружины) замыкающего органа клапана компрессора, так и материал, из которого она изготовлена. Особенно важны высокая долговечность кла-
пана и ремонтопригодность, так как они чаще, чем другие узлы компрессора, выходят из строя.
Замыкающий орган клапана подвергается действию напряжения изгиба при циклическом нагружении с постоянной величиной амплитуды и продолжительностью цикла нагружения.
В поршневых компрессорах общего назначения применяются клапаны с диаметрами пазов от 100 до 320 мм и толщиной ленты 0,3^0,5 мм.
Рассмотрим замыкающий орган (ленту) установленный в паз клапана с наружным диаметром 100 мм и выполненный из стали 65Г. Для стали 65Г после закалки с охлаждением в масле ст , = 340 МПа и [ст ] = 210 МПа. Лен-
-1 1 и
та имеет гладкую поверхность, сталь
среднепрочная, поэтому принимаем
у = 0,2. Тогда по соотношению Се-
ренсена (4) стк = 340 - 0,2 ■ 135 =
= 313 МПа.
Геометрические параметры замыкающего органа можно выразить через коэффициент прочности х = Dк /Ь (Dк = D - диаметр кольца из ленты перед установкой в клапан) [2].
Сравним два конструктивных варианта запорных органов, отличающихся
значением коэффициентов прочности Х1 = 100 и Х2 = 50.
В первом случае, в процессе работы замыкающий орган подвергается напряжению изгиба, которое можно рассчитать по формуле (1) [1].
стобщ = 238 МПа, следовательно, выполняется условие стобщ < стк , а число циклов работы составит
N = | — | • N = 18N, ' 210 '
0'
где значение N0 соответствует симметричному циклу.
Во втором случае, при х2 = 50, значение ст , = 532 МПа, т. е. выпол-
общ '
няется условие стк < стобщ < [сти] и число циклов работы будет
N =
340 532
• No = 0,07 No
т.е. запорный орган проработает непродолжительное время - в 257 раз меньше, чем в первом случае (18/0,07).
Таким образом, предложенное условие позволяет оценить ресурс замыкающего органа клапана поршневого компрессора.
1. Волегов С.А., Хазин М.Л. Выбор конструктивно-технологических параметров запорного органа клапана поршневого компрессора // Известия вузов. Горный журнал. - 2010. - № 4. - С. 78-81.
2. Заплетохин В.А. Конструирование деталей механических устройств: Справочник. - Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1990. - 669 с.
_ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
3. Кочетов В.Т., Кочетов М.В., Павленко А.Д. Сопротивление материалов. - СПб.: БХВ, 2004. - 544 с.
4. Серенсен С. В. Сопротивление материалов усталостному и хрупкому разрушению. - М.: Машиностроение. 1975. - 448 с.
5. Тимошенко С.П. Сопротивление материалов. Т. 2. - М.: Наука, 1956. - 624 с. ЕЛИ
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Хазин Марк Леонтьевич - доктор технических наук, профессор, Волегов Сергей Александрович - кандидат технических наук, Уральский государственный горный университет, e-mail: office@ursmu.ru.
UDC 621.512
IMPROVEMENT OF RELIABILITY OF PISTON-TYPE COMPRESSOR VALVE
Khazin M.L.1, Doctor of Technical Sciences, Professor, Volegov S.A.1, Candidate of Technical Sciences,
1 Ural State Mining University, Ekaterinburg, Russia, e-mail: office@ursmu.ru.
Article devoted piston compressor design investigation. The rational constructive-technological parameters of the valve and the material of closing unit is discussed.
Key words: piston compressors, closing unit.
REFERENCES
1. Volegov S.A., Khazin M.L. Izvestiya vuzov. Gornyi zhurnal. 2010, no 4, pp. 78-81.
2. Zapletokhin V.A. Konstruirovanie detalei mekhanicheskikh ustroistv: Spravochnik (Engineering of parts of mechanisms: Handbook), Leningrad, Mashinostroenie, 1990, 669 p.
3. Kochetov V.T., Kochetov M.V., Pavlenko A.D. Soprotivlenie materialov (Strength of materials), Saint-Petersburg, BKhV, 2004, 544 p.
4. Serensen S.V. Soprotivlenie materialov ustalostnomu i khrupkomu razrusheniyu (Fatigue and brittle failure resistance of materials), Moscow, Mashinostroenie, 1975, 448 p.
5. Timoshenko S.P. Soprotivlenie materialov. T. 2 (Strength of materials, vol. 2), Moscow, Nauka, 1956, 624 p.
A
УМНАЯ КНИГА - ПРЕДМЕТ ПЕРВОЙ НЕОБХОДИМОСТИ.
ИНВЕСТИЦИОННАЯ ПРОРАБОТКА ИЗДАТЕЛЬСКОГО ПРОЕКТА
Финансирование издательского проекта из одного источника быстро приведет к его истощению и охлаждению отношений между меценатом и издателем.
Если выпуск книги финансируется из нескольких источников, непременно возникает подозрение в том, что издатель обеспечивает себя книгами за счет отдельных сторонних инвесторов. Для того чтобы избежать недоразумений, нами разработан специальный документ: инвестиционный проект издания. Его задача - продемонстрировать все источники финансирования и распределение тиража пропорционально вложенным инвесторами средствам.
Сметно-инвестиционная группа готовит следующие документы:
- калькуляцию затрат на выпуск книги;
- инвестиционный проект по предполагаемым затратам на выпуск книги;
- финансовый отчет о фактических затратах, затратах на выпуск одного экземпляра книги (себестоимость) и распределении тиража между инвесторами;
- расчет продажной цены книги.
Предварительные инвестиционные вложения в издательский проект дают право на получение части тиража по себестоимости, а покупка книги после ее выхода возможна только по розничной издательской цене, которая на 30-35% превышает себестоимость. Все данные из перечисленных документов можно проверить, и это снимает недоверие к издателю.
Продолжение на с.
Спонсоры книгоиздания подходят к концу
