CC BY
2
2018 года. Курск: Закрытое акционерное общество "Университетская книга", 2018. С. 178-184. EDN VPOFVM.
7.D.D. Medvedev, V.I Grishhenko, V.V. Martynov, E.A. Ivliev, Y.V Korol'kov. E3S Web of Conferences, 279, 01009 (2021).
Медведев Денис Дмитриевич, ассистент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Грищенко Вячеслав Игоревич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Ивлиев Евгений Андреевич, ассистент, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет,
Сидоренко Валентин Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет
MATHEMATICAL MODELLING OF A LOW-FLOW HYDRAULIC PLUNGER PUMP D.D. Medvedev, V.I. Grishchenko, E.A. Ivliev, V.S. Sidorenko
This paper is devoted to developing a mathematical model of a small displacement eccentric shaft radial plunger pump to evaluate its dynamic performance. The mathematical model includes equations of pressure, flow rate, motion of shut-off and control valve elements. By computational experiment on the mathematical model of the pump its dynamic characteristics are obtained. To confirm the adequacy of the mathematical model, a test bench for a plunger pump of the induction steam superheater system has been developed and static characteristics have been taken that meet the requirements for water supply systems of steam generators.
Key words: plunger pump, low flow, mathematical model, Simintech, induction steam superheater.
Medvedev Denis Dmitrievich, assistant, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical
University,
Grishchenko Vyacheslav Igorevich, candidate of technical sciences, docent, head of chair, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University,
Ivliev Evgeny Andreevich, assistant, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical
University,
Sidorenko Valentin Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, [email protected], Russia, Rostov-on-Don, Don State Technical University
УДК 681.2.082
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-342-343
ВЕСОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ УСТРОЙСТВА С КОЛЬЦЕВЫМ УПРУГИМ ЧУВСТВИТЕЛЬНЫМ ЭЛЕМЕНТОМ И ВТОРИЧНЫМ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕМ
И.В. Антонец, Л.А. Нигматуллина, А.А. Милашкин
В статье рассмотрено весовое оборудование, предназначенное для учёта и измерения массы нефтепродуктов. Исследован опытный образец принципиально нового весоизмерительного устройства на основе кольцевого упругого чувствительного элемента (УЧЭ) с использованием источника и приемника излучения в качестве датчика линейных перемещений при измерении деформации. Данное решение позволяет повысить точность результатов измерения и работоспособность, а также уменьшить инерционность весоизмерительного устройства.
Ключевые слова: весоизмерительное устройство, упругий чувствительный элемент, источник излучения, приемник излучения, деформация.
Весовое оборудование - измерительная система, которая предназначена для поверки массовым методом счётчиков жидкости, топливораздаточных колонок, узлов учёта и других устройств, для измерения массы нефтепродуктов в момент их выпуска из производства или периодической поверки устройств на месте их эксплуатации. Оборудование так же может использоваться для определения плотности среды. Большинство современных весов работает на основе тензорезистивных датчиков - чувствительных элементов, способных изменять собственное сопротивление при деформации. Следует отметить [1] принципиальные ограничения тензорезистивного преобразователя - неустранимую временную нестабильность градуировочной характеристики и существенные гистерезисные эффекты от давления и температуры. Это обусловлено неоднородностью конструкции и жесткой связью мембраны с конструктивными элементами датчика. Поэтому, выбирая преобразователь на основе тензорезистивного преобразователя, необходимо обратить внимание на величину основной погрешности с учетом гистерезиса и величину дополнительной погрешности.
Нами было разработано [2] весоизмерительное устройство, лишенное вышеперечисленных недостатков и отвечающее требованиям минимального времени регулирования. Базовая конструкция рычажного силоизмеритель-ного устройства, показана на рис. 1.
Устройство содержит датчик нагрузки, состоящий из упругого элемента (например, в виде кольца 3), упоров 5, нижнего 6 и верхнего 2 оснований, а также источника 11 и приемника 12 излучения, двуплечих рычагов 9 с отверстиями 10, оси 8, пружины 4. Поверхности 1 и 7 являются местами приложения сил (нагрузки). Работа сило-измерительного устройства начинается с момента приложения сил растяжения или сжатия к поверхностям 1 и 7. Воспринимая нагрузку, упругий элемент датчика нагрузки деформируется, при этом расстояние между основаниями уменьшается или увеличивается. Упоры, установленные на нижнем основании, воздействуют на короткие плечи рычагов, которые поворачиваются на некоторый угол вокруг осей. Рычаги, перемещаясь, например, навстречу друг другу, уменьшают площадь сечения отверстия и, следовательно, приемник воспринимает меньший поток излучения от источника. Приемник излучения может быть настроен как на полное перекрытие канала, образованного отверстиями, так и на частичное изменение площади его сечения. В обоих случаях приемник излучения выдает в цепь управления сигнал, пропорциональный величине усилия, прилагаемого к упругому элементу.
С целью еще большего повышения чувствительности устройства источник и приемник излучения могут быть закреплены соответственно на нижнем и верхнем основаниях. Тогда на поток излучения будут влиять не только перемещение рычагов, но и смещение источника относительно приемника на величину, равную величине деформации упругого элемента. Благодаря суммарному воздействию необходимого числа рычагов только на один поток излучения, существенно повышается точность функционирования устройства. Наличие четырех рычагов позволяет учитывать не осевое приложение нагрузки, при которой деформация упругого кольца может осуществляться по винтовой траектории. К недостаткам [3] данного устройства следует отнести низкую точность, определяемую, в частности, наличием зазоров в подвижных опорах рычагов.
Зависимость влияния вне осевого приложения нагрузки [4] к кольцевому упругому элементу проводилось экспериментально. Экспериментальное исследование производилось на специально разработанном и изготовленном стенде, схема конструкции которого приведена на рис.2. Стенд для измерения деформации УЧЭ кольцевой формы представляет собой раму 2, приваренную к основанию 1, на которой закреплен крюк 3. Кольцевой УЧЭ 5 через рым болт 4 подвешивается на крюк 3. Приложение нагрузки производится через крюк 9, закрепленный гайкой 7 через пластину 8 на приливе УЧЭ кольцевой формы 5. Индикатор часового типа 6 посредством гаек через ушко на корпусе закрепляется на рым-болте 4 на высоте, необходимой для создания в механизме индикатора необходимого предварительного натяжения при контакте его измерительного наконечника с пластиной 8.
Рис. 2. Принципиальная схема стенда для измерения деформации УЧЭ кольцевой формы: 1 - основание; 2 - рама; 3 - крюк; 4 - рым-болт; 5 - исследуемый УЧЭ; 6 - индикатор часового типа;
7 - гайка; 8 - пластина; 9 - крюк
Для регистрации деформации УЧЭ от приложенной нагрузки использовался индикатор с ушком 2 МИГ-1 ГОСТ 9696-82, с основными техническими характеристиками, указанными в табл. 1.
Таблица 1
Основные технические характеристики индикатора с ушком 2 МИГ-1_
Диапазон измерений, мм 2,0
Цена деления, мм 0,002
Пределы допускаемой погрешности, дел.: на участке 200 делений на всем диапазоне 4.0 5.0
Размах показаний, дел. 2/3
Вариация показаний, дел. 1,5
Измерительное усилие, Н, не более 2,0
Колебание измерительного усилия, Н, не более 0,5
Перед началом работы шкала индикатора часового типа устанавливается в нулевое положение и производится несколько циклов приложения нагрузки (тренировки) к УЧЭ, после чего положение шкалы индикатора окончательно корректируется.
Для проведения эксперимента были изготовлены (Рис.3) втулки, с эксцентриситетом их наружных поверхностей по отношению к внутренним отверстиям, которые устанавливались в отверстия верхнего и нижнего приливов УЧЭ (рис. 4) и обеспечивали смещение осей верхнего и нижнего отверстий в диапазоне от 0,8 до 3,3 мм.
Поставим задачу описания зависимости показателя деформации от среднего радиуса кольца х1, отношение толщины кольца (Ь) к ширине кольца(Ь) х2, силы хз, эксцентриситета х4. В качестве математической модели принимаем неполную квадратическую функцию:
Щу} = Д) + Р1Х1 + Р2 Х2 + Р3 Х3 + А х4 + Р12 Х1Х2 + Р13Х1Х3 + Р14 Х1Х4
+ Р23Х2 Х3 + Р24 Х2 Х4 + Р34Х3 Х4 + Р123Х1Х2 х3 + Р124Х1Х2 х4 + Р234Х2 Х3 х4 + + Р134х1х3х4 + Р1234Х1Х2 Х3 х4
(1)
п ш а
Рис. 3. Втулки, с эксцентриситетом их наружных поверхностей по отношению к внутренним
Рис. 4. Упругие чувствительные элементы кольцевого типа
Для получения оценок коэффициентов этого уравнения можно использовать полный факторный эксперимент типа 24. Выберем основные уровни факторов близкие к используемым на практике, а интервалы варьирования — исходя из реальных пределов колебаний значений факторов (табл. 2). Эксперименты выполняем в соответствии с заданной матрицей планирования.
Уровни факторов и интервалы варьирования
Таблица 2
F(Н) е(мм)
Х3 Х4
46,105 2,05
24,525 1,25
70,63 3,3
21,58 0,8
Уровни факторов
Обозначение
R(мм) Ь/Ь
Х1 Х2
59,755 0,1875
1,62 0,0625
61,38 0,25
58,13 0,125
Основной
Интервал варьирования
Верхний Нижний
0
Дxi
+1 -1
Уравнение регрессии после ряда вычислений по полученным в таблице данным имеет вид: Л
у = 0,183+0,040- х1 +0,036- х2 - 0,135- х3 +0,066- х4 - 0,002- х1х2 + 0,018- х1 • х3 +
+0,008- х1 - х4 - 0,035- х2 - х3 -0,007-х2 - х4 - 0,066- х3 - х4 +0,002- х1 - х2 - х3 -
—0,029- х1 - х2 - х4 - 0,011- х1 - х3 - х4 - 0,008- х2 - х3 - х4 - 0,043- х1 - х2 - х3 - х4 (2)
Эта модель адекватна объекту при изменении значения выходного параметра почти в три раза и обеспечивает точность аппроксимации не хуже 10%. Анализируя значения коэффициентов эластичности, можно заметить, что наибольшее влияние на величину деформации оказывает величина силы, прилагаемой к УЧЭ. При увеличении этого фактора на 1%, деформация в среднем увеличивается на 1,065 %. Дисперсия величины деформации на 24 % (о = 0,246116) может быть признана удовлетворительной.
Сравнение экспериментальных результатов определения статических характеристик УЧЭ без учета и с учетом отклонения от соосности отверстий (рис. 5), расположенных в верхнем и нижнем приливах УЧЭ, выявило расхождение, не превышающее 1,7% для одиночных кольцевых УЧЭ. Установленная величина расхождения позволяет сделать вывод о несущественном влиянии несоосности установочных отверстий и возможности разработки конструкций силоизмерительных устройств, измеряющих только осевую составляющую внешней нагрузки.
Нами разработано [5] такое весоизмерительное устройство (рис.6), в котором жесткое крепление шторок исключает люфты, являющиеся существенными источниками погрешности; кроме того, отсутствие трения об упоры также существенно снижает дополнительную погрешность.
Весоизмерительное устройства содержит датчик нагрузки, состоящий из упругого элемента, например в виде кольца 1, нижнего и верхнего оснований 2 и 3, источника 4 и приемника 5 излучения, шторок 6 и 7, мест 8 и 9 приложения сил (нагрузки).
Работа весоизмерительного устройства начинается с момента приложения сил растяжения или сжатия к местам 8 и 9 (рис.6). Воспринимая нагрузку, упругий элемент датчика деформируется, расстояние между основаниями 2 и 3 уменьшается или увеличивается. До приложения нагрузки вторые концы шторок 6 и 7 касаются друг друга. Под действием нагрузки шторки расходятся, и световой поток, исходящий из источника излучения, 4 фиксируется приемником излучения 5. При увеличении расстояния между вторыми концами шторок растет световой поток, величина которого мгновенно фиксируется приемником излучения. Приемник излучения 5 выдает сигнал в цепь управления, например подъемным краном, пропорциональный величине нагрузки, прилагаемый к упругому элементу. В качестве источников излучения могут быть использованы источник света, в том числе инфракрасные, радиоактивные, ультразвуковые и т.п., а в качестве приемников устройства и приборы, реагирующие на перечисленные виды излучения.
Экспериментальное определение деформаций кольца от приложенной нагрузки производилось на разрывной машине РМ-5. Исследовалось кольцо (рис.7) (1, 2, 3 - опасные сечения) с параметрами: высота приливов Н = 40 мм, ширина кольца В = 60 мм, средний радиус кольца Яср = 88 мм, толщина кольца ! = 4 мм, а = 30°.
Рис. 5. Влияние нагрузки на величину деформации д кольцевого УЧЭ №5 по результатам эксперимента с учетом отклонения от соосности (1) и без отклонения от соосности (1)
3 9
1, ; X >' V/. '' /7 X, V" / \ \ ' \ /
1 \ : \ .. 1 V 1' 3 Н (1 - 'Т ■ ■ | !
11 1 Я ! ; 1 ¥\ 1 4 ■;}
'V ; ::
Рис. 7. Геометрические параметры кольца
Материал - 40Х. Нагрузки, прилагаемые к кольцу, изменялись в диапазоне от 1000 до 30 000 Н с шагом 1000 Н. Экспериментальные значения деформации кольца у1, у2, уз, у4 от нагрузки ¥ содержатся в табл. 3. Там же приведены значения, соответствующие выходу фотоприемника ут.
Результаты экспериментальных исследований обрабатывались с помощью пакета прикладных программ «StatgrapЫcs». Была выбрана линейная модель У=Л+БХ. Значимость модели оценена с помощью статистики Фишера.
¥1-а(I, п -2) = 5,32 - критическое значение статистики Фишера; ¥ = 138,95 - опытное значение статистики Фишера; ¥ > ¥1 -а > регрессионная модель значима.
Я = 0,97 - коэффициент корреляции.
В' = 0,000146 -значение наклона линии регрессии на выходе (рис. 8). В = 0,000141 - опытное значение наклона линии регрессии (рис. 8).
i / -
щ -3
А é €1
У у
4.2
Рис. 8. Регрессионная модель, полученная с помощью ППП «Stat Graphics»
1 - линия регрессии, построенная по опытным данным (регрессионная модель), 2 и 3 - границы доверительной области
Доверительный интервал для параметра В':
В-Бй^а (п - 2) < Б'<Б+81г1-а (п - 2); В+Бй-а (п - 2) = 0,000163, где п - 2 = 8 - число степеней свободы; Б1 = 0,00012 - стандартная ошибка параметра В; 11-а (п - 2) - квантиль Стьюдента; То,9з (8) = 1,86 - находится по таблице ПЗ [8]; В-Ба1-а (п - 2) = 0,000119; 0,000119 < 0,000146 < 0,000163. Т = 11,79 - статистика Стьюдента.
Таблица 3
Экспериментальные и теоретические значения деформации кольца__
F,H У1 У2 У3 Y4 Ду утеор
1000 0,085 0,08 0,11 0,13 0,101 0,116
6000 0,65 0,52 0,57 0,56 0,575 0,588
9000 0,97 0,81 0,84 0,85 0,867 0,898
12 000 1,205 1,201 1,40 1,31 1,279 1,257
15 000 1,46 1,43 1,5 1,49 1,470 1,491
18 000 1,73 1,74 1,8 1,78 1,762 1,756
21 000 2,03 2,03 2,20 2,21 2,117 2,125
24 000 3,1 3,25 2,53 2,49 2,842 2,756
27 000 3,70 3,80 3,78 3,80 3,771 3,691
30 000 4,260 4,310 4,30 4,32 4,297 4,354
Линия регрессии вошла в доверительный интервал, что доказывает адекватность и значимость
модели.
Как показали результаты опытной проверки, при использовании предлагаемого весоизмерительного устройства обеспечивается достижение следующих показателей: работоспособность, малая инерционность, высокая функциональная надежность.
Список литературы
1. Коновалов, Р.С. Тензорезистивные датчики давления на основе поликристаллических структур с диэлектрической изоляцией / Р.С. Коновалов, А.А. Львов // Проблемы управления, обработки и передачи информации: сб. тр. III Междунар. науч. конф.: в 2 т. Саратов: Изд-й дом «Райт-Экспо», 2013. - Т.3.- С.127-132.
2. Авторское свидетельство 840003, СССР, МКИ В66С 15/00. Ограничитель грузоподъемности / И.В. Ан-тонец, Ю.А. Филатов. N 2817351/29 11. Заявл. 17.09.79; Опубл. 23.06.81. Бюл. № 23.
З.Осадчий Е.П. Проектирование датчиков для измерения механических величин. - М.: Машиностроение, 1979. - 147 с.
4. Антонец, И.В. Весоизмерительные устройства с кольцевым упругим элементом и вторичным фотодатчиком. / И.В. Антонец, В.П. Табаков, Д.Э. Финогенов // Сборка в машиностроении и приборостроении. - 2006. - №12. - с. 21- 25.
5. Левшина, Е.С. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи) / Е.С. Левшина, П.В. Новицкий. - Л.: Энергоатом- издат, 1983. - 320 с.
6. Пат. 177302 МПК G01G 13/04 Весоизмерительное устройство / Антонец И.В., Лушников Д.Е., Черто-рийский А.А., опубл. 15.02.2018г.
7. Антонец, И. В. Динамические модели силоизмерительных устройств кольцевого типа / И. В. Антонец, А. В. Демокритова // Труды 2-й международ. конф. «Математическое моделирование систем и процессов». Ульяновск: УлГТУ, 1999. С. 43 -45.3 с.
8.Валеев С.Г. Регрессионное моделирование при обработке наблюдений. М.: Наука, 1991. 275 с.
9.Милашкина, О.В., Милашкин, А.А. Особенности работы системы освещения аэродромов с помощью солнечной энергии (S4GA). научные революции как ключевой фактор развития науки и техники: Сборник статей по итогам Международной научно-практической конференции (Казань, 24 июня 2022 г.). Стерлитамак: АМИ, 2022. С. 125-130.
10. Milashkina O., Zlobin V. Mproving quality of ac electric power supply of autonomous power sources using гп_§£Г1си1|игеВ сборнике: E3S Web of Conferences. Сер. "International Conference on Modern Trends in Manufacturing Technologies and Equipment, ICMTMTE 2020" 2020. С. 01024.
Антонец Иван Васильевич, д-р техн. наук, профессор, Россия, Ульяновск, Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б.П. Бугаева,
Нигматуллина Лилия Ауфатовна, старший преподаватель, Россия, Ульяновск, Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б.П. Бугаева,
Милашкин Алексей Александрович, аспирант, Россия, Ульяновск, Ульяновский институт гражданской авиации имени Главного маршала авиации Б.П. Бугаева
WEIGHT MEASURING DEVICES WITH ANNULAR ELASTIC SENSITIVE ELEMENT AND SECONDARY TRANSDUCER
I.V. Antonets, L.A. Nigmatullina, A.A. Milashkin
The article discusses weighing equipment designed to take into account and measure the mass of petroleum products. A prototype of a fundamentally new weight measuring device based on an annular elastic sensing element (PDE) using a radiation source and receiver as a linear displacement sensor during deformation measurement has been investigated. This solution allows you to increase the accuracy of measurement results and operability, as well as reduce the inertia of the weight measuring device.
Key words: weight measuring device, elastic sensitive element, radiation source, radiation receiver, deformation.
Antonets Ivan Vasilievich, doctor of technical sciences, professor, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk Institute of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation B.P. Bugaev,
Nigmatullina Lilia Aufatovna, senior lecturer, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk Institute of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation B.P. Bugaev,
Milashkin Alexey Alexandrovich, postgraduate, Russia, Ulyanovsk, Ulyanovsk Institute of Civil Aviation named after Chief Marshal of Aviation B.P. Bugaev
УДК 621.928.37
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-12-347-348
ИССЛЕДОВАНИЕ КАЧЕСТВА ПЫЛЕРАЗДЕЛНИЯ В ПЫЛЕКОНЦЕНТРАТОРЕ ЦИКЛОННОГО ТИПА
Ю.М. Фадин, О.М. Шеметова, С.Ю. Лозовая, И.В. Щендрыгина
В современном производстве развитие многих отраслей промышленности часто оказывается неразрывно связано с проблемой разделения пылесодержащих потоков. Актуальность решения этого вопроса возрастает с увеличением количества промышленных предприятий. Рост мировой промышленности в последние годы значительно увеличил уровень загрязнения окружающей среды пылевыбросами всех возможных предприятий. По данным ООН ежегодно в атмосферу выбрасывается до 200 - 400 млн. т пыли. По мнению американских экологов количество пыли, образующейся в промышленности, будет увеличиваться ежегодно на 4% за счет общего роста промышленного производства. Самым простым используемым оборудованием, с помощью которого решаются проблемы снижения промышленных выбросов и экономии сырья и энергоносителя, напрямую влияющие на себестоимость конечного продукта являются аппараты пылеочистки. В статье рассмотрена актуальность применения пылевоздушных циклонов в промышленности и движения потока «частица-воздух».
Ключевые слова: циклон, движение частицы, очистка воздуха, моделирование.
Предприятия, оснащённые аппаратами для очищения воздуха от пыли, должны удовлетворять гигиеническим и технологическим требованиям. Применяемое пылеочистное оборудование (циклоны, тканевые фильтры, электрофильтры и т.д.) по некоторым параметрам соответствует мировому уровню развития техники, но, к сожалению, есть параметры, где получаемые значения значительно ниже требуемых [1-2, 10].
Центробежный пылеуловитель - самый распространенный вид механических пылеуловителей, использующих центробежную силу для улавливания пыли и применяемых в пищевой, химической, горнодобывающей и других отраслях промышленности. Их основным преимуществом является недорогая стоимость, высокая производительность, простота механизма и не затратная эксплуатация. Так же они обладают такими преимуществами, как надежная работа при высокой температуре и давлении, отсутствие движущихся частей, а также возможность использования их для улавливания абразивных частиц. Самыми популярными центробежными пылеуловителями являются циклоны [3-5].
На основании проведенного анализа пылеконцетратов, направления их развития, последних предъявляемых требований по очищению загрязненного воздуха предложена новая конструкция пылеконцетрата циклонного типа с цилиндрической вставкой. Наряду с увеличением объёмов выводимого пылегазового концентрата, разработано вариативное исполнение цилиндрической вставки пылеуловителя и предусмотрен ряд технических решений, способствующих повышению сепарационной способности и снижению уровня гидравлического сопротивления [6-8, 12].
Первое предлагаемое исполнение, это простая цилиндрическая вставка (рисунок 1, а). Преимуществом данной конструкции является простота изготовления детали и регулирования ее высоты, а недостатком угловатость верхней и нижней частей формы детали, что может не обеспечивать в достаточной мере ее обтекаемость. Второе исполнение вставки, это ступенчатая цилиндрическая вставка (рисунок 1, б). Преимуществом данной конструкции является форма высокой обтекаемости, а недостатком сложность изготовления данной детали. Третий вариант, это цилиндрическая вставка со спиральной направляющей (рисунок 1, в). Преимущество этой вставки в дополнительном раскручивании газового потока при входе в улитку вывода пылегазового концентрата, а недостаток заключается в сложности изготовления.
