Экспериментальное определение истечения газа в псевдопористых питателях газостатического подвеса поршня

УДК 621512 Т. А. ИВАХНЕНКО

Омский государственный технический университет

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ИСТЕЧЕНИЯ ГАЗА В ПСЕВДОПОРИСТЫХ ПИТАТЕЛЯХ ГАЗОСТАТИЧЕСКОГО ПОДВЕСА ПОРШНЯ________________________________________

В статье рассматривается течение газа в плоских псевдопористых питателях газового подвеса поршня, образованных при контакте реальных шероховатых поверхностей. Показано, что лучшие характеристики по равномерности истечения имеют поверхности, шероховатости которых получены лазерным облучением. Приведены простые зависимости, позволяющие в первом приближении оценить средний зазор между сжатыми шероховатыми поверхностями.

Ключевые слова: газостатический подвес, поршневой компрессор, газовая смазка.

Одним из наиболее перспективных вариантов создания несущего газового слоя в газостатических подвесах является использование щелевых питателей в качестве ограничителей расхода рабочего тела [1], которые могут быть выполнены в виде щелей, образованных при контакте плоских шероховатых поверхностей (псевдопористые питатели) [2]. Расчет расходных характеристик таких ограничителей сложен в связи с тем, что в литературе нет данных по определению средних зазоров между реальными контактирующими поверхностями (метод создания поверхности, параметры шероховатости и т.д.).

Таким образом, исследование реальных расходных характеристик псевдопористых питателей, и особенно неравномерность истечения газа по окружности щелей, является актуальной задачей.

Исследование расходных характеристик, прежде всего, требует измерения расхода газа, используемого в опытах. Очевидно, что при течении газа его секундный расход должен быть достаточно большим, чтобы его можно зафиксировать, т.к. достаточно точное измерение очень малых расходов газа (менее 0, 1 см3/с) представляет известные трудности. В то же время желательно, чтобы диапазон расхода газа был достаточно узким, чтобы его можно было измерять одним выбранным способом и использовать для этого один метод. Для этого, прежде всего, необходимо выбрать диапазон перепадов давления и плотности газа, а также наиболее вероятные размеры щели питателя.

Известно, что расход газа через щель питателя пропорционален кубу зазора щели, диаметру дисков, образующих щель, разности квадратов давлений на входе и выходе из щели, и обратно пропорциональна длине щели, т.е. разности между наружным и внутренним диаметром диска питателя.

В первом приближении можно считать, что зазор щели, образованной парой шероховатых торцовых поверхностей при их контакте равен удвоенной величине Лг. На выходе из щели можно использовать атмосферное давление, что избавит от необходимости его точного измерения, а на входе в щель — давление от минимально превышающего атмосферное до давления порядка 3 — 4 бар, чтобы не быть связанными с изготовлением сложных уплотнительных узлов. Для измерения расхода газа удобно использовать

мерный способ, который легко организуется путем вытеснения выходящим из щели воздухом жидкости, находящейся в герметичном сосуде, и измерением расхода этой жидкости в мерную емкость. В этом случае критичным, с точки зрения погрешности метода, является величина мерной емкости, цена ее деления и точность устройства для измерения времени.

Полагая цену деления емкости 1 мл и ее объем 300 — 500 мл, цену деления обычного серийного секундомера 0,2 с и суммарную погрешность метода не более

5 % при максимальном расходе газа (максимальный перепад давления, зазор между дисками 20 мкм, температура воздуха 293К), используя формулу для течения через гладкую щель в виде

м = пФп + )'$щ{рп -Р<2)

Щ 24тк-ГстФп -dп) ,

где Мщ — массовый расход газа через щель, БП и ^ — соответственно больший и меньший диаметр испытываемых дисков с шероховатыми торцовыми поверхностями, 5щ—зазор между дисками, обусловленными их шероховатостью, РП и Рй— соответственно давление на входе в щель и на выходе из нее, т—динамическая вязкость, Я — газовая постоянная, ТСТ — температура поверхностей щели, получим, что можно испытывать контактирующие по торцовой поверхности диски с внутренним диаметром ^=30 мм и наружным диаметром БП = 60 мм. В этом случае номинальная площадь контакта между торцами дисков составит АНОМ = 21,195 см2.

Данное уравнение расхода через псевдопористый питатель ГСП полагает допущение об изотермическом и безинерционнм характере ламинарного течения газа через щель, в связи с чем встает вопрос о предельной высоте щели при принятой величине перепада давлений, которая может участвовать в экспериментах, обеспечивая применимость упомянутых допущений. Так, например, авторы [3] дают рекомендации, в соответствии с которыми при низких и средних давлениях гарантированно такой режим истечения должен наблюдаться при отношении высоты щели к ее длине не менее 500. Этот результат получен ими экспериментально. Автор [4] аналитически

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

Рис. 1. Схема контакта шероховатых поверхностей дисков, образующих псевдопористый питатель, и возникновения несущей способности (реакции газового слоя) Шк плоской круглой газовой опоре, образованной в зоне контакта

показывает, что ламинарным режим истечения через щель гарантирован, если соблюдается следующее условие (в обозначениях данной работы):

рп. £ 1 +12-т- 0,5(дд - ^ )• 4к-к-т р

*п/

2

'Щ

= Р

р3 - р3

гп га

р2 -р2

1 п 1 и

где к — показатель адиабаты.

Расчеты, сделанные с использованием данного уравнения, дали возможность сделать вывод о том, что во всех случаях в псевдопористой щели будет наблюдаться ламинарный режим течения воздуха.

Очевидно, что для сжатия шероховатых поверхностей дисков с целью образования псевдопористой щели необходимо приложение некоторого усилия для создания контурного давлением РС, которое определяет величину сближения поверхностей, т.е. зазор в псевдопористом питателе 5щ .

Учитывая, что, исходя из особенностей конструкции псевдопористого питателя, требующего высокой точности при изготовлении, неплоскостность дисков, образующих питатель, должна быть очень мала и не будет превышать долей микрометра. В этом случае можно полагать, что номинальная площадь контакта равна контурной, и нормальная сила N с которой торцовые поверхности дисков будут прижаты друг к другу, равномерно распределена по поверхности контакта. При использовании зазора между контактирующими поверхностями в качестве питателя, через который подается газ под давлением, для определения контурного давления необходимо учитывать распределение давления газа в зазоре, т.к. щель питателя выполняет в данном случае две функции — питающего устройства и зазора плоской круглой газостатической опоры (ГСО). Этот случай изображен на рис. 1.

Пренебрегая кривизной поверхности контакта, несущую способность ГСО №К можно определить из выражения, записанного в соответствии с [2, 5], как

Таким образом, для вычисления контурного давления РС в данном случае необходимо использовать не силу сжатия дисков N, а разность между этой силой и реакцией газового слоя ШК.

Для придания величине РС разных значений необходимо устройство для варьирования величины N. Очевидно, что самым удобным таким устройством

Рис. 2. Схема установки для продувки псевдопористых питателей ГСП: 1-баллон со сжатым воздухом, 2-вентиль баллона, 3-грубый манометр высокого давления, 4-редуктор давления, 5-грубый манометр давления РН подачи, 6-дополнительный регулятор давления подачи, 7-точный манометр давления подачи, 8-регулятор давления Ра истечения, 9-емкость с жидкостью, 10-мерная емкость, 11-точный манометр для измерения давления истечения, 12-приспособление для крепления элементов щели

является пружина сжатия или комплект таких пружин, деформируя которые можно варьировать величиной N в достаточно большом диапазоне.

Здесь следует также отметить, что в реальной конструкции не должны создаваться контурные давления, близкие к давлению, при котором в контакте наступает пластическая деформация. Это обстоятельство связано с тем, что при сборке высокоточных изделий не следует использовать большие усилия, т.к. это приводит к искажению формы изделия. В то же время, как отмечает большинство исследователей, погрешности формы газовой опоры не должны превышать 1—2 мкм для обеспечения заданных параметров по расходу газа, жесткости и устойчивости.

Кроме того, как было указано выше, значительный интерес представляет получение возможности наблюдать за направлением течения газа в зазоре и выбор метода получения шероховатости, обеспечивающего равномерное течение газовой среды в окружном направлении.

Очевидным способом, который позволяет это сделать, является нанесение на шероховатые поверхности, вступающие в контакт, некоторого очень мелкодисперсного вещества, хорошо удерживаемого во впадинах шероховатостей для обеспечения манипуляций при сборке и разборке и которое при протекании газа будет частично уноситься потоком. Поскольку проведение подобных опытов на настоящий момент из технической литературы неизвестно, постольку разработка такого способа наблюдения выливается в самостоятельную задачу, выходящую за рамки настоящего исследования.

Другой возможностью косвенного наблюдения за направлением потока газа в зазоре является фиксация энергии выходящего из зазора потока. В этом случае один из дисков должен иметь больший диаметр, а на выступающую его часть можно нанести любое сухое и достаточно «липкое» вещество, которое будет сравнительно легко уноситься потом выходящим из щели газом.

Предварительные эксперименты показали, что таким веществом может являться сажа, нанесенная

2

1

Рс = [Сгя • кг - р - рл ) • /л - wк ]/^

(равна площади внутренней выточки малого диска), Рк — номинальная площадь контакта, — реакция

газового слоя в круговой щели, образованной при контакте двух дисков, определяется в соответствии с (3).

Из уравнения (1) можно получить выражение для определения величины 5щ по известным геометрическим параметрам дисков, образующих этот микрозазор, и режиму продувки:

8„

А

Рис. 3. Приспособление для крепления элементов щели: 1-корпус, 2-прижимной диск, 3-нижний стакан пружины, 4-тарированная пружина сжатия, 5-натяжные шпильки, 6-верхний стакан пружины, 7-болты крепления крышки, 9-заглушка, 10-эластичные уплотнительные кольца, 11-штуцер подвода давления, 12-штуцер отвода газа, 13-крышка, 14-прокладка, 15-большой диск, 16-малый диск, 17-манометр для измерения давления Рл,

18 и 19-гайка и шайба крепления диска 15, А - свободная поверхность для контроля направления потока

на поверхность коптящим пламенем, в связи с чем данный метод может быть рекомендован для проведения такого рода исследований.

В соответствии с выше изложенными требованиями, была изготовлена установка для продувки псевдопористых питателей ГСП (рис. 2 и 3).

Установка работает следующим образом. Сжатый газ (воздух) из баллона 1 через редуктор 4 и регулятор

6 подается к приспособлению 12, проходит через него и стравливается через регулятор давления истечения 8 в герметичную емкость с жидкостью 9. Пренебрегая давлением водяного столба жидкости в емкости 9, можно считать, что в ней воздух находится под атмосферным давлением. Далее воздух вытесняет жидкость в мерную емкость 10. Измеряя объем жидкости и время, в течение которого этот объем наполнился, можно определить расход воздуха через приспособление 12.

В самом приспособлении воздух под давлением РП проходит через отверстие в большом диске 15 и далее движется по микрозазору 5щ между торцовыми поверхностями большого и малого дисков в пределах их перекрытия. Затем воздух выходит в полость корпуса 1, где поддерживается давление Рл и далее через штуцер 12 истекает из приспособления.

Усилие, с которым пружина 4 сжимает контактирующие поверхности, создавая контурное давление РС, регулируется величиной ее натяжения за счет изменения расстояния I.

Пренебрегая силой веса дисков 16 и 15, а также весом стакана 6 в связи с их очевидно небольшой величиной по сравнению с усилием пружины 4, можно определить контактное давление в щели между дисками следующим образом:

где СРК — жесткость пружины, Ър — ее натяжение, ^ — площадь внутреннего диаметра большего диска

Перед проведением опытов изготовленные 20 пар дисков с притертыми рабочими поверхностями (высота микронеровностей Кг менее 0,1 мкм, непло-скостность менее 0,2 мкм по данным заводской лаборатории) были проверены на герметичность стыка.

Отработка экспериментов проведена на двух парах дисков. При этом изучалась возможность наблюдения за распределением потока выходящего из щели с помощью предложенного метода покрытия свободной поверхности А (рис. 3) сажей. Слой сажи наносился после сборки дисков с пружиной 4 и прижимным диском 2 с помощью коптящего пламени.

На диски наносились однонаправленные шероховатости мелкой наждачной бумагой, измерения параметров шероховатости как в этом, так и во всех других случаях нанесения шероховатости, производилось профилографом-профилометром типа «Аб-рис-ПМ7.4».

После нанесения шероховатости, диск протирался ацетоном, устанавливался в приспособление со своим парным диском, зажимался пружиной с измерением степени ее предварительного натяжения, и на поверхность А наносился относительно равномерный слой сажи. Равномерность слоя контролировалась визуально по степени почернения поверхности.

Далее приспособление собиралось полностью и подключалось к пневматической схеме. Затем производилось ступенчатое увеличение давления РПпри давлении Ра, равном атмосферному. При каждом зафиксированном давлении подключалась система измерения расхода.

Установлено, что способ исследования равномерности направления потока через щелевой питатель, основанный на наблюдении за сносом сажевого слоя, дает удовлетворительные результаты. Оценку неравномерности истечения потока газа предложено производить планиметрическим методом, для чего на изображении диска нужно выделить концентричную его отверстию зону и зону, вышедшую за пределы концентричной окружности. Отношение площадей этих зон и можно считать мерой неравномерности (рис. 4). В последующем изображение увеличивалось в 5 раз, на него наносилась планиметрическая равномерная сетка и производился подсчет «квадратиков», находившихся в одной зоне почернения. Погрешность такого метода можно оценить в 2 — 3%.

В соответствии с ранее описанной методикой были проверены все изготовленные пары шероховатых дисков, т.е. пары, в которых обе поверхности были покрыты шероховатостями и каждый из шероховатых дисков с гладким диском. В целом установлено следующее:

1. Неравномерность истечения при первом контакте двух поверхностей, обработанных обычной шлифовкой достигает 25 — 30% в том случае, когда обе поверхности отшлифованы, и направления микронеровностей совпадают. При повторных

13

14

15

2

16

1

17

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК №3 (93) 2010

а) б) в)

Рис. 4. Схема метода определения неравномерности истечения потока газа через щель питателя: а-изначальная установка дисков; б-диски в сборе после проведения эксперимента; в-измерение неравномерности по отпечатку:

1, 2-диски, 3-поверхность А, 4-зона сноса сажи, 5-диаметр малого диска, 6-окружность, концентричная окружности малого диска, 7-площадки, характеризующие неравномерность потока

нагружениях этот показатель улучшается и достигает 12—15% при 3-м — 4-м нагружении, после чего улучшение прекращается.

При контакте двух шлифованных поверхностей с перпендикулярно расположенными микронеровностями происходит аналогичная, но более благоприятная картина, однако при 3-м — 4-м нагружении неравномерность потока не снижается менее 10%.

Установлено, что максимальная неравномерность проявляется при наиболее грубых обработанных поверхностях с Кг = 6 мкм и более. При Кг = 2 4 мкм (наименьшие полученные использованным способом шлифования микронеровности) и перпендикулярном положении следов шлифовки минимальная неравномерность при повторных нагружениях может составлять 6 — 8%. Произвольное положение направлений микронеровностей практически не сказывается на описанных выше результатах. Попытка улучшить данный показатель легкой притиркой шероховатых поверхностей «нулевой» пастой не приводит к улучшению результата, а в отдельных случаях даже ухудшает его на 2 — 3%.

2. Неравномерность истечения при первом контакте поверхностей, полученных пескоструйной обработкой составляет не более 10— 12% при любом относительном окружном положении поверхностей и при любых Кг. Увеличение количества нагружений несколько улучшает этот показатель, доводя его до 3 — 4%. При этом, если еще до испытаний произвести легкую притирку поверхностей «нулевой» пастой, этот показатель при повторных нагружениях снижается до 2 — 3%, что является, по существу, пределом точности оценки неравномерности истечения.

3. При испытаниях поверхностей, полученных лазерной обработкой и при любом относительном окружном положении шероховатых дисков, установлено, что количество нагружений практически не влияет на результат, а неравномерность расхода по окружности находится в пределах погрешности измерения 2 — 3%.

Для аппроксимации результатов испытаний в диапазоне контурных давлений 20 — 200 бар предложено использовать уравнение вида

8щ = Л-+ Ъ2)м,

где Кг1 и Кг2 соответственно высота микронеровностей «первой» и «второй» контактирующей поверхности.

При этом получены следующие уравнения:

— для шлифованных поверхностей: Лш»0,9(Кгг+Кг2)5/6;

— для опескоструенных поверхностей: Лш»0,95(Кгг+Кг2)0,8;

— для поверхностей, обработанных лазером: кт *1,2(Кг+Кг2Г

Основные выводы:

1. С точки зрения обеспечения наиболее равномерного истечения газа через псевдопористые щели предпочтение следует отдать лазерной обработке поверхности при создании микронеровностей. Кроме того, лазерная обработка позволяет получить более стабильные микрозазоры, высота которых мало зависит от силы сжатия поверхностей.

2. Полученные зависимости позволяют в первом приближении оценить зависимость высоты щели псе-вдопористого питателя от высоты микронеровностей создающих его поверхностей.

Библиографический список

1. Коднянко, В.А. Технология и компьютерная среда автоматизации моделирования, расчета и исследования газостатических опор: дис. ...д-ра техн. наук / В. А. Коднянко. — Красноярск, 2005. — 331 с.

2. Болштянский, А.П. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня / А.П. Болштянский, В.Д. Белый, С.А. Дорошевич. — Омск : ОмГТУ, 2002. — 406 с.

3. Пинегин, С.В. Статические и динамические характеристики газостатических опор / С.В. Пинегин, Ю.Б. Табачников, И.Е. Сипенков. — М. : Наука, 1982. — 265 с.

4. Шейпак, А.А. Математические модели течения жидкости и газа через щели / А.А. Шейпак // Г идрогазодинамика, гидравлические машины и гидропневмосистемы: тр. Междунар. науч.-техн. и науч.-метод. конф. — М.: Изд-во МЭИ, 2006. — С. 46 — 49.

5. Новиков, И.И. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах / И.И. Новиков, В.П. Захаренко, Б. С. Ландо. — Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1981. — 238 с.

ИВАХНЕНКО Тарас Алексеевич, аспирант кафедры «Г идромеханика и транспортные машины».

Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 21.06.2010 г.

© Т. А. Ивахненко