Синтез перспективного механизма движения поршневого компрессора

Выводы

1. Целесообразность организации ремонта НКТ и штанг обусловлена необходимостью повторного их использования при добыче углеводородного сырья.

2. Структура предприятия — технологического комплекса по контролю, ремонту и восстановлению насосно-компрессорных труб и штанг к насосам, применяемых при добыче углеводородного сырья, сформирована по традиционной схеме организации автоматизированного производства.

3. Решение технологических задач основано на использовании современного металлообрабатывающего, контрольно-диагностического и подъёмнотранспортного оборудования.

Библиографический список

1. Аверьянов, О.И. Агрегатно-модульный принцип построения гибких автоматических линий и оптимизация их струк-

турно-компоновочных схем / О.И. Аверьянов, А.И. Дощенко, Ю.М. Золоторевский // Проектирование оптимальных технологических систем машин: сб.статей; под ред. А.И. Дощенко, Я. Буды. — М. : Машиностроение, 1989. — 344 с.

2. Замятин, В.К. Контроль сборки изделий / В. К.Замятин // Машиностроитель, — 1999. — № 1. — С. 36 — 41, 63.

ПЕННЕР Виктор Андреевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Метрология и приборостроение».

МОРГУНОВ Анатолий Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Технология машиностроения».

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

Статья поступила в редакцию 30.04.2010 г.

© В. А. Пеннер, А. П. Моргунов

УДК 62-82:622.6 Е. А. ЛЫСЕНКО

Омский государственный технический университет

СИНТЕЗ ПЕРСПЕКТИВНОГО МЕХАНИЗМА ДВИЖЕНИЯ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА___________________________________________________

В статье рассматриваются алгоритм поиска перечня конструктивных признаков для синтеза окончательного варианта конструкции ПКГЦП, подлежащего исследованию. Приводится схема полностью динамически уравновешенного привода, не создающего боковых усилий на поршне компрессора, что дает возможность отказаться от жидкой смазки цилиндропоршневой пары или существенно снизить расход газа на газостатическое центрирование поршня.

Ключевые слова: поршневая машина, привод, динамика, газовый подвес.

На данный момент поршневые компрессоры с газостатическим центрированием поршня (ПКГЦП) являются объектом техники, не нашедшим, по ряду объективных причин, широкого применения. Как указывают авторы [1], известно лишь несколько случаев реального применения этого компрессора. Причем в одном из этих случаев [2] в качестве привода использовался линейный электромагнит, теоретически не создающий боковых усилий на поршне, т.к. всегда создатели ПКГЦП вынуждены стремиться к уменьшению боковых усилий, действующих на поршень.

На рис. 1. изображены наиболее простые конструктивные схемы ПКГЦП с внутренней (рис. 1а) и наружной (рис. 1 б) подачей газа в несущий слой подвеса поршня. Уплотняющая часть поршня может быть гладкой или содержать лабиринтные канавки. Пройдя уплотняющую часть, поток газа сбрасывается мимо зоны действия газового подвеса поршня через канал 11. Это необходимо, чтобы отсечь посторонние газовые потоки от несущего газового слоя для обеспечения нормальной работы газового подвеса.

При внутреннем наддуве (рис. 1а) сжатый компрессором газ в процессе сжатия-нагнетания попадает в полость 12 питания газового подвеса через обратный клапан 10. При этом в полости 12 образуется некоторое давление питания РП. Газ из полости 12

через дроссели истекает в зазор 4 газового подвеса, его давление падает до давления в несущем газовом слое Рй, окружающем поршень, при этом образуется газовый слой с несущей способностью и жесткостью СП.

Условие бесконтактной работы поршня компрессора определяется равенством = РБОК при относительном эксцентриситете 8П = е/50 положения поршня в цилиндре значительно меньшем единицы, где е — абсолютный эксцентриситет (отклонение оси поршня от оси цилиндра), 50 — номинальный радиальный зазор в цилиндропоршневой паре. Обычно принято считать, что газовый подвес работоспособен, если расчетная величина8 8П не превышает 0,5 [1].

В то же время хорошо известно, что в обычных системах питания газовых подвесов (пассивные и поэтому наиболее простые системы) высокая жесткость несущего газового слоя может быть достигнута только за счет увеличения расхода газа на центрирование [3-7].

В связи с выше сказанным, повышение эффективности работы ПКГЦП может быть достигнуто за счет снижения боковых нагрузок на газовый подвес поршня, которое при прочих равных условиях может обеспечить снижение расхода газа, требуемого на центрирование поршня.

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

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

Рис. 1. Конструктивные схемы ступеней ПКГЦП с внутренним (а) и наружным (б) наддувом газа (крейцкопфный вариант): 1-цилиндр, 2-шток, 3-нижний и верхний пояс (пояс наддува) равномерно расположенных по окружности дроссельных отверстий, 4-зазор газового подвеса, 5-отделительная канавка, 6-уплотняющая часть поршня, 7-камера сжатия, 8-всасывающий клапан, 9-нагнетательный клапан, 10-клапан питания полости поршня, 11 -канал сброса уплотняемого потока газа, 12-полость питания газового подвеса, 13-полость картера, 14-отверстия для сброса уплотняемого потока газа,

15-канал наружного наддува

Рис. 2. Схема поиска перечня конструктивных признаков для синтеза окончательного варианта конструкции ПКГЦП,

подлежащего исследованию

Как уже указано ранее, величина боковых усилий, действующих на поршень, зависит от конструкций механизма привода, в связи с чем целесообразно рассмотреть их на предмет целесообразности использования в ПКГЦП.

Синтез перспективной конструкции привода ПКГЦП

В настоящее время имеется достаточно литературных источников, в которых описаны процедуры синтеза технических решений, обладающих необходимыми для проектировщика свойствами [8 — 14]. Все авторы утверждают, что основой синтеза является выделение целей, которые преследует проектировщик, определение накладываемых ограниче-

ний, создание базы данных о проектируемом объекте (проведение информационного поиска).

Целью исследования является поиск и подготовка к реализации технических решений, снижающих боковые и вибрационные нагрузки на газовый подвес поршня ПКГЦП. Ранее была создана информационная база, которая может стать основой для дальнейшего поиска удовлетворяющей цели конструкции компрессора. Для ее корректного использования следует, прежде всего, определить систему поиска, которая может выглядеть как метод последовательного исключения конструкций, принципиально не обладающих необходимыми свойствами (рис. 2). Последовательное выполнение нумерованных

с двухвалным электромагнитным приводом: 1-цилиндр, 2-поршень, 3-общий шток, 4-корпус, 5-обмотка статора, 6-якорь, 7-выступ, 8-неподвижная ось, 9-обмотка якоря, 10-впадина

процедур 1—8 позволяет выбрать те конструктивные признаки из всех рассмотренных ранее технических решений, которые могут в дальнейшем участвовать в синтезе окончательного варианта компрессора с газовым подвесом поршня. При этом процесс «исключения» конструкции при переходе процедуры от низшего номера к высшему сопровождается выделением этих конструктивных признаков.

Процедура 1. Создание базы данных.

Создана база конструкций и их конструктивных признаков.

Процедура 2. Анализ возможности исключения боковых усилий на поршне.

Невозможно принципиально исключить боковые усилия в следующих конструкциях привода: кривошипно-шатунный бескрейцкопфный; кривошипно-кулисный; кривошипно-ползунный; традиционный кулачковый.

Перспективные конструктивные признаки этих механизмов: возможность полного уравновешивания сил инерции в кривошипно-ползунном приводе; возможность варьирования законом перемещения поршня в традиционно кулачковом приводе.

Процедура 3. Перечень конструкций, в которых возможно исключение боковых усилий на поршне: двухвальный, в т.ч. двухвальный электромагнитный (рис. 3), механизм Баландина; многозвенный шарнирный; кулачковый с вращающимся поршнем (рис. 4); электромагнитный.

Процедура 4. Анализ технологических сложностей, возникающих при реализации конструкции.

Невозможно изготовить ПКГЦП малой и особо малой производительности со следующими механизмами привода: механизм Баландина; многозвенный шарнирный; кулачковый с вращающимся поршнем.

Перспективные конструктивные признаки этих механизмов: возможность полной компенсации сил инерции в кулачковом механизме с вращающимся ротором (рис. 4).

Процедура 5. Конструкции, обладающие необходимыми технологическими свойствами: двухвальный, в т.ч. двухвальный электромагнитный (рис. 3); электромагнитный.

Процедуры 6-7. Перечень конструкций, в которых возможна полная компенсация сил инерции:

1 2 3 4 5 6 10 11 14 15 16 17 11

Рис. 4. Конструктивная схема ПКГЦП с кулачковым приводом, выполненным в виде кулачка с синусоидальной канавкой:

1-цилиндр, 2-поршень с газовым подвесом, 3-верхний шарнир крепления поршня, 4-шток, 5-корпус направляющей, 6-нижний шарнир крепления поршня, 7-верхний кулачок, 8, 13-комплект шариков (сепараторы условно не показаны), 9-«прямая» синусоидальная канавка, 10-круговая канавка, 11-шлицевой вал, 12-нижний кулачок со шлицевым отверстием, 14-«ответная» синусоидальная канавка, 15-круговая канавка, 16-короткозамкнутые обмотки ротора асинхронного двигателя, 17-обмотки статора асинхронного двигателя

двухвальный электромагнитный (рис. 3); электромагнитный с двумя поршнями, движущимися в проти-вофазе.

Однако, как уже указывалось выше, применение электромагнитного привода осложнено необходимостью использования достаточно сложных электронных устройств, обеспечивающих как подачу рабочих импульсов на обмотки электромагнита, так и остановку поршня (или поршней) в крайних мертвых точках.

Процедура 8. Выбор конструктивных признаков и синтез механизма привода.

Рассматривая результаты поиска, следует выделить следующие технологически возможные для ПКГЦП малой и особо малой производительности конструктивные признаки, обеспечивающие поставленные цели:

— отсутствие боковых усилий и прямолинейное движение поршня обеспечивается встречным движением элементов, передающих усилие на поршень;

— полная компенсация сил инерции, вызывающих вибрационные нагрузки, возможна за счет организации движения элементов конструкции привода в про-тивофазе, при этом силы инерции второго порядка должны отсутствовать.

Первый признак присутствует в двухвальном механизме, второй (частично)-в кривошипно-ползунном. Соединение этих механизмов в единый может обеспечить поставленную цель.

Такой механизм был предложен и запатентован в 2008 г. в ОмГТУ, его схема приведена на (рис. 5), где схематично изображено продольное сечение поршневого компрессора с двумя оппозитными поршнями (блоком поршней), один из которых (верхний по рисунку) находится в верхней мертвой точке (в верхнем цилиндре заканчивается процесс нагнетания), а другой (нижний по рисунку) находится в положении нижней мертвой точки (в нижнем цилиндре заканчивается процесс всасывания).

На рис. 6 изображено поперечное сечение компрессора (вид в направлении стрелки «А» на рис. 5), а на рис. 7 — этот же вид при среднем (относительно корпуса машины) положении поршней, когда они оба движутся вниз (в верхнем цилиндре идет процесс всасывания, в нижнем — процесс нагнетания).

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

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

13 17 19 14 18 20 16

7

9

10

Рис. 5 Схема продольного сечения конструкции оппозитного компрессора с совмещенными электродвигателями

Рис. 7. Схема поперечного сечения конструкции оппозитного компрессора с совмещенными электродвигателями

Компрессор (рис. 5 — 7) состоит из первого 1 и второго 2 цилиндров, снабженных всасывающими, соответственно 3 и 4, и нагнетательными, соответственно 5 и 6 клапанами. В цилиндрах 1 и 2 размещены соответственно поршни 7 и 8, образующие блок поршней, соединенные с общим механизмом привода, выполненным в виде кулисы 9 с пазом 10. В пазу 10 установлены первый 11 и второй 12 кривошипы, жестко соединенные с первым 13 и вторым 14 валом приводных двигателей (в данном примере — электродвигателей) , причем вал 13 имеет сквозное отверстие 15, через которое проходит вал 14.

Оба электродвигателя (первый и второй) имеют общий корпус 16, статорные обмотки соответствен-

Рис. 6. Схема поперечного сечения конструкции оппозитного компрессора с совмещенными электродвигателями

но 17 и 18, соединенные с источником напряжения, и роторные обмотки 19 и 20, например, коротко замкнутого типа (оба двигателя асинхронного типа), сидящие неподвижно, соответственно на валах 13 и 14. Валы 13 и 14 установлены в корпусе 16 на подшипниках качения соответственно 21 и 22. Направление движения (вращения) магнитного поля в статорных обмотках 17 и 18 противоположное, в связи с чем валы 13 и 14 совершают синхронное противоположное вращение.

Компрессор работает следующим образом.

При подаче переменного напряжения к статорным обмоткам 17 и 18 в них возникает вращающееся противоположно направленное магнитное поле, возбуждающее магнитные поля в соответствующих роторных обмотках 19 и 20. Взаимодействие магнитных полей вызывает появление крутящего момента, который направлен противоположно в обеих роторных обмотках, в связи с чем валы 13 и 14 начинают вращение в противоположных направлениях с одинаковой частотой и одинаковым крутящим моментом благодаря идентичности электромагнитных характеристик статорных 17 и 18 и роторных 19 и 20 обмоток. При этом кривошипы 11 и 12 совершают синхронное противоположное вращение в пазу 10 кулисы 9, придавая ей возвратно-поступательное движение вдоль совместной оси первого 1 и второго 2 цилиндров. Перемещающиеся вместе с кулисой 9 поршни 7 и 8 также совершают возвратно-поступательное движение, изменяя рабочий объем цилиндров 1 и 2. При этом, в связи с наличием всасывающих 3 и 4 и нагнетательных 5 и 6 клапанов рабочее тело (газ, смесь газов, например, воздух) всасывается в цилиндры, сжимается в них и подается потребителю.

Синхронное противоположно направленное и практически полностью соосное вращение валов 13 и 14, а также закрепленных на них кривошипов 11 и 12 обеспечивает отсутствие значительных боковых усилий на блоке поршней 7 и 8.

Выполнение одного общего корпуса для обоих приводных двигателей при наличии в валу одного двигателя (в данном примере —13) сквозного отверстия, через которое проходит вал второго двигателя (в данном примере 14) позволяет идеально совместить оси обоих приводных валов 13 и 14, одновременно сократить массу и габариты компрессора при обеспечении минимальных боковых усилий, действующих на поршни.

Применение такой конструкции позволяет практически полностью исключить боковые силы действующие на поршень, что позволит значительно снизить затраты газа на центрирование поршня и повысить производительность всего компрессора в целом.

Библиографический список

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

2. СотргеББеиг т^аШтБе// Ште поиу. — 1991 / Барр1: 1'аппее 1есЬпо1. 1991. — Р. 45.

3. Шейнберг, С. А. Опоры скольжения с газовой смазкой / С. А. Шейнберг, В. П. Жедь, М. Д. Шишеев.—М.: Машиностроение, 1979. - 336 с.

4. Грэссэма, Н.С. Подшипники с газовой смазкой / Н.С. Грэссэма, Дж. У. Пауэлла. — М.: Мир, 1966. — 423 с.

5. Пешти, Ю.В. Газовая смазка / Ю.В. Пешти. — М.: Изд-во МГТУ, 1993. — 381 с.

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

7. Kонстантинеску, B.H. Газовая смазка / B.H. Kонстантинеску: пер. с польского. — М.: Машиностроение», 1968. — С. 709.

8. A. с. 1767216 СССР, М^ F04 B 25/04. Поршневой компрессор с электромагнитным приводом / A. П. Болштянский, B. С. Демиденко, Ю. З. ^валев, B. Е. Щерба. — № 4661904/29; заявлено 13.03.89; опубл. 07.10.92. — Бюл. № 37.

9. A. с. 848909 СССР, М^ F25 B 9/00. Холодильно-газовая машина / АП. Болштянский, Ю.Д. Терентьев, Ю. И. Гунько. — № 2688129/23-06 ; заявлено 04.01.80; опубл. 23.07.81. — Бюл. № 27.

10. Curwen P.W., Hurst R. Development of an oil-free resonant piston compressor for helium liquefaction // Adv. Cryog. Eng: Proc. Cryog. Eng. Conf. [San Diego, Calif., 11-14 Aug., 1981]. — New York; London — 1982. — Vol. 27. P. 628-629.

11. Джонс, Дж. K. Методы проектирования / Дж. K. Джонс. — М.: Мир, 1986. — 326 с.

12. Половинкин, АИ. Основы инженерного творчества / АИ. Половинкин. — М. : Машиностроение, 1988. — 368 с.

13. Дворянкин, АМ. Методы синтеза технических решений / АМ. Дворянкин, АИ. Половинкин, A.H.Соболев. — М.: ^ука, 1977. —104 с.

14. Справочник по функционально-стоимостному анализу / АП. ^валёв [и др.]. — М. : Финансы и статистика, 1988. — 431 с.

ЛЫСЕНКО Евгений Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины».

Адрес для перписки: е-таД: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 28.06.2010 г.

© Е. А. Лысенко

Книжная полка

629.7/Ш96 3

Шумилов, И. С. Системы управления рулями самолетов [Текст]: учеб. пособие для вузов по направлению «Системы управления движением и навигация» специальности «Системы управления летательными аппаратами»/ И. С. Шумилов.-М.: Изд-во МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2009.-469 с.: рис.-Библиогр.: с. 468-469.-ISBN 978-5-7038-3085-7.

В учебном пособии рассмотрен круг вопросов, решение которых обосновывает структуру бортовых систем управления рулями самолетов, их параметры, принципы работы и конструкцию основных агрегатов и узлов. Приведены требования к системам управления рулями современных самолетов. Показана перспектива развития систем управления, а также возможные решения по повышению надежности и безопасности воздушных судов.

629.7/Н19 3

Наземное технологическое оборудование для подготовки изделий ракетно-космической техники [Текст]: учеб. пособие / В. Н. Блинов [и др.]; ОмГТУ, ПО «Полет»- фил. ФГУП «ГКНПЦ им. М. В. Хруничева».-Омск: Изд-во ОмГТУ, 2010.-247 с.: рис., табл.-Библиогр.: с. 240-247.-ISBN 978-5-8149-0850-6.

В учебном пособии представлены краткие сведения о составе и конкретном применении наземного технологического оборудования, используемого при транспортировке изделий ракетно-космической техники с завода-изготовителя на космодром, их последующей подготовке на техническом и стартовом комплексах космодрома, а также о строительных сооружениях и инфраструктуре космодрома.

Кроме того, дана информация о существующей испытательной базе предприятий ракетно-космической техники и космодромах России.

Приведены примеры патентования разработок в области наземной эксплуатации изделий ракетно-космической техники и их использования при реализации космических программ.

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