Способы экспериментального определения параметров изделий регулирующей пневмоарматуры систем газоснабжения Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

Describes the development of a method of forecasting the thermal state of oil-filled power transformers in extreme operating conditions for two thermal imaging surveys to determine the maximum allowable load. The estimation of the accuracy of predicted values.

Key words: power transformer, thermal control, forecasting thermal condition, cooling system, power dissipation, operating mode.

Soldatov Vladimir Ivanovich, competitor of the department gas dynamics, [email protected], Russia, Tula, Tula State University,

Zaychikov Igor Vyachislavovich, candidate of technical science, docent, zi-gorwm a.mail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Lavrov Igor Vladimirovich, general director of "EAC PROMEXPERT",

prom expamail. ru, Russia, Tula.

УДК 62-552.7:001.891.55

СПОСОБЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИЗДЕЛИЙ РЕГУЛИРУЮЩЕЙ ПНЕВМОАРМАТУРЫ СИСТЕМ ГАЗОСНАБЖЕНИЯ

С.К. Тусюк, Е.М. Халатов

Рассматриваются способы экспериментального определения силы сухого трения на подвижных звеньях регулирующей пневмоарматуры. Приводятся схемы и методики измерений, дается сравнительный анализ и результаты экспериментов по измерению сил трения конкретных образцов изделий.

Ключевые слова: регулирующая пневмоарматура, сила сухого трения, способ и методика эксперимента.

Одним из наиболее важных обобщенных параметров, входящих в математическое описание функционирования и условия работоспособности изделий регулирующей пневмоарматуры и оказывающих влияние на их статистические и динамические характеристики, является сила «сухого трения» на подвижных звеньях. Значение силы «сухого трения» зависит от множества параметров: геометрических размеров, шероховатости и физико-механических свойств контактирующих поверхностей, наличия или отсутствия смазки и ее свойств, температуры, скорости движения, давления, времени «выстоя», наработки (времени работы) и т.п.

Установление аналитических зависимостей силы «сухого трения» от перечисленных параметров и факторов представляет значительные трудности. Один из путей получения модели силы «сухого трения» - про-

ведение статистических экспериментальных исследований на партии изделий с целью получения эмпирических данных технологического и эксплуатационного разбросов силы сухого трения конкретных образцов.

В связи с этим возникает необходимость разработки методик, схем и приспособлений определения силы «сухого трения» на подвижных звеньях.

Методики экспериментальных исследований силы «сухого трения» в этом случае должны отвечать определенным требованиям, а именно: измерения силы «сухого трения» должно проводиться в реальных условиях работы объекта и не допускать внесение изменений в конструкцию объекта. Кроме того, так как исследования предполагается проводить на партии изделий, то методики измерения силы «сухого трения» должны обеспечивать минимум затрат и времени на их проведение.

Первое требование диктуется необходимостью проведения испытаний с наработкой всеми изделиями ресурса, второе, значительным объёмом измерений.

Существует ряд методик [1,2,3,4], позволяющих измерять силу сухого трения регуляторов давления. Однако они не удовлетворяют приведённым требованиям.

Например, сущность методики [2] сводится к принудительному перемещению подвижных частей изделий регулирующей пневмоарматуры с помощью специального приспособления на доработанной конструкции изделия и определение силы «сухого трения» по величине «недохода» подвижных частей изделия. Методика имеет следующие недостатки: необходимость доработки конструкции изделия и применение специальных приспособлений для измерения необходимых параметров.

Рассмотрим несколько способов и схем экспериментальных исследований, в основу которых положены авторские свидетельства [5,6,7].

Способ [5] использует метод косвенных измерений силы «сухого трения» по величине зоны неоднозначности статических характеристик изделий регулирующей пневмоарматуры.

Статической характеристикой регулятора при работе с расходом газа является зависимость выходного давления регулятора от изменения входного давления при постоянном расходе газа через изделие.

Статические характеристики регуляторов давления имеют зону неоднозначности, определяемую силой сухого трения. Величина зоны неоднозначности статических характеристик определяется следующими выражениями:

- статическая характеристика при работе с расходом газа

Д1 =р1*-р,

вых

(1)

№

статическая характеристика при работе без расхода газа

^2 Рвых Рвых

2 F

- _ гпр

S

(2)

Н

где Ai, А2 - величина разности выходного давления при повышении (рвых)

и понижении (рвых) входного давления при работе с расходом и без расхода газа; *Sh - площадь чувствительного элемента; Ць Ц2 - коэффициенты расхода клапана и выходного дросселя соответственно; Sj - площадь выходного дросселя; Г| - суммарная жесткость клапанной и настроечной пружин; рвх - входное давление; Ь - периметр дросселируемого сечения клапана; Y\q - газодинамическая функция.

Схема для измерения статических характеристик регулятора давления имеет вид представленный на рис. 1.

МН1 МН2

регулятора давления

На рис.1, изображено: ВН - вентель, МН1 - манометр для измерения входного давления, МН2 - манометр для измерения выходного давления, Е1 - емкость на входе, Е2 - емкость на выходе, ПК - предохранительный клапан, ДР - дроссель постоянного сечения.

Методика определения силы «сухого трения» в этом случае состоит в следующем. Регулятор давления при максимальном значении входного давления Рвх.макм настраивают на определенную величину выходного давления рвыХ'Н из диапазона его работы. Снимают статическую характеристику при работе с расходом газа при понижении входного давления регулятора до минимально возможного рвхмт, определяя при установленных

значениях входного давления значения выходного давления рвых. Аналогичным образом снимают статическую характеристику при повышении входного давления от минимально возможного до максимального (процедура осуществляется при помощи блока регулирования входного давления, подключенного на вход схемы, представленной на рисунке 1, определяя

172

при установленных значениях входного давления значения выходного давления РеЫХ. Затем находят величину разности значений выходного давления Дь используя которую рассчитывают силу «сухого трения» на подвижных частях изделия по выражению:

г -_________________НЛ_А

тР 2- п -V 1 ^

^ Увх Ло

Значения входного и выходного давлений при снятии статической характеристики регулятора определяют с помощью средств измерения давления, включенных на входе и выходе изделия.

Дополнительные расчетные данные находятся из первичных и обобщенных параметров регуляторов давления.

Апробация рассмотренной методики определения силы «сухого трения» на подвижных частях проводилась на газовом регуляторе АР-004 при настройке на выходное давление рвых,н =1 кгс/см и расходе до 20 г/с при следующих исходных данных: рвх.макм=230 кгс/см2; рвх.мин=25

кгс/см2; £#= 28,2 см2; /Л2 <$2 = 0,04 см2; |И1= 0,8; Ъ= 0,42 см; Г| = 308 кгс/см.

Результаты измерений и расчетов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Результаты измерений и расчетов силы сухого трения _________________в регуляторе АР-004_________________________

Входное давление, кгс/см2

230 200 150 100 50 25

Выходное давление регулятора при понижении вход- — 2 ного давления Рвых, кгс/см 1,000 1,123 1,250 1,383 1,443 1,367

Выходное давление регулятора при повышении входного давления Рвых, кгс/см2 1,120 1,233 1,363 1,560 1,630 1,530

Величина разности выходных давлений Аі, кгс/см2 0,120 0,110 0,113 0,177 0,187 0,163

Величина силы «сухого трения» на подвижных частях регулятора Етр, кгс 1,73 1,51 1,55 2,61 2,89 2,79

Следует отметить, что рассмотренная методика имеет ряд недостатков:

- низкая точность определения величины силы «сухого трения» за счет необходимости измерения выходного давления в динамическом ре-

жиме, а также за счет погрешностей большого числа контролируемых параметров, входящих в расчетную формулу;

- необходимость предварительных измерений площади выходного дросселя, периметра дросселирующего сечения в клапане, жесткости упругих элементов, коэффициентов расхода;

- значительные потери сжатого газа, необходимого для проведения измерений, т.к. измерения проводятся в динамическом режиме (изменение входного давления проводят путем сброса излишков газа в дренаж).

Для снижение трудоемкости и повышение точности определения силы сухого трения в изделиях регулируемой пневмоарматуры может быть использована следующий метод [6].

Метод также основан на косвенных измерениях и состоит в перемещении подвижных частей регуляторов давления в разных направлениях и расчете силы сухого трения. Отличие состоит в том, что измеряют выходное давление в установившемся режиме при настройке регулятора на заданный расход после его увеличения или уменьшении при постоянном входном давлении.

Определение силы сухого трения производится следующим образом. Настраивают регулятор давления на заданное выходное давление рвых.л и расход при фиксированном входном давлении рвх . Плавно увеличивая расход газа через регулятор (за счет увеличения сечения выходного дросселя), перемещают подвижные части от седла. Затем, уменьшая проходное сечение дросселя (расход газа), возвращают подвижные части к положению равновесия (к седлу), установив заданный расход через регулятор.

Значение выходного давления рвых1 фиксируется.

Аналогичным образом изменяют расход в другую сторону и фиксируют выходное давление рвых.2, вновь установив заданный расход через регулятор. Определяется разность давлений Ар по выражению:

Ф = Рвых.1 - Рвых 2 (4)

Разность значений выходного давления при настройке регулятора на заданный расход после его увеличения и уменьшения является основным параметром, определяющим силу сухого трения, которая рассчитывается по формуле

Р = 1АР|

тр 5 (5) где - площадь чувствительного элемента регулятора, на которую действует выходное давление.

При этом в формуле используется расчетное значение площади £#, получаемое непосредственно по чертежам, поскольку максимальное отклонение её расчетных параметров и действительных значений составляет

174

менее 0,5% (допуски на геометрические размеры подвижных частей назначаются по Н7, Н8).

Таким образом, предлагаемый способ позволяет исключить измерения первичных и обобщенных параметров регуляторов, повышает точность в определении силы сухого трения и исключает необходимость применения для измерений специальных приспособлений.

Принципиальная схема установки для определения силы сухого трения в регуляторах давления приведена на рис. 2.

Рассмотренная методика была использована при определении силы сухого трения в агрегатном регуляторе давления АР-037.

Результаты измерений силы сухого трения в АР-037 при входном давлении рвх =40 МПа, Бн =648,8 см2 и расходе 1 кг/с для различных значений выходного давления приведены в таблице 2.

Рис. 2. Принципиальная схема установки для определения силы сухого трения в регуляторах давления

На рис.2. изображено: ВН - вентель, МН1 - манометр для измерения входного давления, МН2 - манометр для измерения выходного давления, Е1 - емкость на входе, Е2 - емкость на выходе, РД - регулятор давления, ПК - предохранительный клапан, РДР - регулируемый дроссель, УИР

- устройство измерения расхода.

Таблица 2

Выходное давление, МПа 10 20 25 30

Ар, МПа 0,0318 0,0325 0,033 0,04

р Н 1 тр п 103,8 105,4 108,2 111,9

Результаты измерений показали работоспособность и высокую эффективность предлагаемой методики измерения.

В тоже время, рассмотренный метод определения силы сухого трения на подвижных частях изделий регулирующей пневмоарматуры также не лишен ряда недостатков. К ним можно отнести:

1. Необходимость применения специальных расходомерных установок (стендов) для контроля расхода газа через регулятор давления особенно при работе с большими давлениями и расходами.

2. Сложность в настройке, тарировке и обслуживании расходомерных устройств, т.к. расход газа является наиболее сложной характеристикой потока с точки зрения измерений и передачи информации.

3. Недостаточно высокая точность определения положения равновесия подвижных частей ГРД, которая определяется погрешностью средств контроля расхода.

Рассмотрим еще один метод [7] определения силы сухого трения изделий регулирующей пневмоарматуры. Эта метод также основан на перемещении подвижных частей регулятора в разных направлениях, определении разности измеренных значений выходных давлений и расчете силы сухого трения по формуле.

Отличие состоит в том, что для контроля положения равновесия подвижных частей используется проточная камера с регулируемым дросселем на входе, постоянным калиброванным жиклером на выходе и образцовым манометром, а выходное давление в регуляторе измеряют при его настройке на заданное давление в камере после его увеличения или уменьшения.

Принципиальная схема стенда для определения силы сухого трения данным способом приведена на рис. 3.

Е

Рис. 3. Принципиальная схема стенда для определения силы сухого трения

На рис.3. изображено: ВН - вентель, РД - испытываемый регулятор, Е - проточная камера, МН1, МН2, МО3 - манометры, ПК - предохранительный клапан, РДР - регулируемый дроссель, Ж - калиброванный жиклер.

Методика экспериментального определения силы сухого трения в этом случае производится следующим образом:

- настраивают регулятор давления на заданное выходное давление при заданном давлении в камере и фиксированном входном давлении и положении регулируемого дросселя;

- регистрируют значения выходного давления и давление в камере;

- увеличивают (уменьшают) проходное сечение регулируемого дросселя, в результате этого давление в проточной камере увеличивается (уменьшается), а подвижные части регулятора перемещаются от положения равновесия;

- плавно уменьшая (увеличивая) проходное сечение дросселя, устанавливают исходное значение давления в проточной камере, при этом подвижные части регулятора возвращаются к положению равновесия;

- регистрируют значение выходного давления и определяют разность значений выходных давлений;

- проводят расчет силы сухого трения по формуле (5).

Поскольку класс точности образцовых манометров составляет 0,16

- 0,4, точность в определении положения равновесия, а, следовательно, и силы сухого трения в регуляторе давления значительно возрастает. При этом необходимо отметить, что упрощается работа оператора и значительно снижается стоимость стенда для определения силы сухого трения в изделиях регулирующей пневмоарматуры.

При расходе газа 1кг/с и тех же значениях параметров входного и выходного давлений приведены в табл. 3.

Таблица 3

Результаты определения силы сухого трения в регуляторе АР-037

Входное давление, МПа 1.0 2.0 2.5 3.0

Ар, МПа 0,0281 0,0288 0,0294 0,0308

Р н ± тр > п 91,16 93,43 95,20 99,92

По сравнению с результатами, приведенными выше, точность в определении силы сухого трения увеличилась на 10%.

Таким образом, в настоящем статье рассмотрены методики определения силы сухого трения в изделиях пневмоарматуры. Каждая из методик обладает своими достоинствами и недостатками. Однако все они отвечают поставленным выше требованиям, а именно: определение силы сухого трения осуществляется в реальных условиях работы на серийно выпускаемых образцах регуляторов давления, без внесения изменений в конструкцию изделия. Кроме того, их реализация не требует изготовления специальной оснастки и приспособлений и может быть проведена с применением стандартных стендов для снятия статических характеристик и расхода газа, используемых для проведения приемо-сдаточных испытаний регулирующей пневмоарматуры.

Список литературы

1. Крейнин Г.В., Солнцева К.С. Экспериментальное определение

силы трения в пневмоцилиндре. В кн.: Пневматические приводы и системы управления. М.: Наука, 1971. С. 215-219.

2. Малиованов М.В. О влиянии сил сухого трения на статику и динамику пружинного редуктора давления. - В кн.: Вопросы оптимизации конструкторских работ. Тула: ТПИ, 1972. Вып. 14. С. 122-124.

3. Голубев М. Д. Газовые редукторы давления. М.: Машиностроение, 1964. 152 с.

4. Фролов В.Н., Халатов Е.М., Артемов В.П. Экспериментальное определение характеристик трения в агрегатном редукторе. - В кн.: Динамика и точность функционирования тепломеханических систем. Тула: ТПИ, 1974. Вып. 4, С. 168-176.

5. А.с. 183477 /СССР/, М.В. Опарин, С.К. Тусюк, В. Н. Фролов, А.П. Артемов, Е.М. Халатов. Способ определения силы сухого трения на подвижных частях ГРД, 1983.

6. А.с. 197419 /СССР/, В.П. Артемов В.П., С.К. Тусюк, И.В. Могильников, Е.М. Халатов. Способ определения силы сухого трения в газовых регуляторах давления, 1984.

7. А.с. 225130 /СССР/, А.П. Артемов, Е.М. Халатов, С.К. Тусюк. Способ определения силы сухого трения газового регулятора давления, 1985.

Тусюк Сергей Константинович, канд. техн. наук, доцент, проф., tsk46 a niail.ni, Россия, Тула, Тульский государственный университет

Халатов Евгений Михайлович, д-р техн. наук, проф., нач. отдела, khaarc.ru Россия, Ковров, КБ «Арматура» ГКНПЦ им. М.В. Хруничева

METHODS OF EXPERIMENTAL DETERMINA TION OF PARAMETERS PRODUCTS REGULATORY PNEUMATIC VALVES GAS SUPPLY SYSTEMS

S.K. Tusyuk, E.M. Khalatov

The methods of experimental determination of the dry friction force on the movable member governing pneumatic valves. Of arrangements and measurement techniques, and provides a comparative analysis of the results of experiments to measure the friction of specific samples of products.

Key words: regulatory pneumatic valves, dry friction force, the method and the experimental method

Tusyuk Sergei Konstantinovich, candidate of technical science, Associate Professor, Professor, tsk46a.mail.ru. Russia, Tula, Tula State University

Khalatov Eugene Mihalovich, doctor of technical science, professor, manager of department, khaq.rc.ru, Russia, Kovrov, KB "Armatura" GKNPCM.V. Khrunichev