Снижение утечек и перетечек в поршневых узлах газовых криогенных машин с газостатическим центрированием

2. Для обеспечения работоспособности привода канавки 9 должны иметь высокую твердость. Следовательно, элементы поршня и вытеснителя в зоне канавок должны изготавливаться из специальных шарикоподшипниковых сплавов (например, ШХ-15), имеющих большой удельный вес, что ухудшит массо-габаритные показатели машины.

3. Количество шариков 10 в одном поясе не может быть меньше трех для надежного центрирования поршня и вытеснителя. Соответственно, развертка канавки должна обеспечивать не менее трех полных циклов машины, что ставит под сомнение возможность реального создания малогабаритных ГКМ.

4. В подобных ГКМ используются осушенные газы, а система шарик — опорная канавка практически неработоспособна в такой среде. Следовательно, необходимо применение, например, сепараторов из самосмазывающихся материалов, что потребует увеличения зазора между поршнем и вытеснителем в зоне канавок 9 и заставит увеличить длину конструкции, чтобы вывести эту зону за пределы обмоток статора.

5. Требует значительной конструктивной переработки узел сопряжения шлицевой шток — поршень, т.к. надежно уплотнить шлицевое соединение нереально. Кроме того, сам принцип передачи крутящего момента обычным шлицевым соединением с одновременным относительным скольжением в среде осушенных газов порочен и не может быть реализован на практике.

Таким образом, несмотря на многообещающие положительные свойства описанных конструкций, их

реализация в ранге даже опытных образцов потребует проведения НИОКР в том смысле, какой дан этому виду работ авторами [4].

Библиографический список

1. Криогенные газовые машины/А.Д. Суслов, Г.А. Гороховский, В.Б. Полтораус, А.М. Горшков. — М.: Машиностроение, 1982. - 213 с.

2. Криогенные машины/В.Н. Новотельнов, А.Д. Суслов, В.Б. Полтораус. — Спб: Политехника, 1991. — 335 с.

3. А.с. 1767216 СССР, МКИ F04 В 25/04. Поршневой компрессор с электромагнитным приводом/ А.П. Бол-штянский, В.С. Демиденко, Ю.З. Ковалев, В.Е. Щерба. — Заявка № 4661904/29; Заявлено 13.03.89; Опубл. 07.10.92. — Бюл. № 37.

4. А.с. 848909 СССР, МКИ F 25 B 9/00. Холодильно-газо-вая машина/А.П. Болштянский, Ю.Д. Терентьев, Ю.И. Гунь-ко. — Заявка № 2868129/23-06; Заявлено 04.01.80; Опубл. 23.07.81. - Бюл. № 27.

5. Болштянский А.П., Белый В.Д., Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. — Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. — 406 с.

БАЛАКИН Павел Дмитриевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Теория

механизмов и машин».

Дата поступления статьи в редакцию: 19.10.2007 г. © Балакин П.Д.

УДК 621.56:621.59 В. И. СУРИКОВ

Омский государственный технический университет

СНИЖЕНИЕ УТЕЧЕК И ПЕРЕТЕЧЕК В ПОРШНЕВЫХ УЗЛАХ ГАЗОВЫХ КРИОГЕННЫХ МАШИН С ГАЗОСТАТИЧЕСКИМ ЦЕНТРИРОВАНИЕМ

Для снижения утечек и перетечек в поршневых узлах газовых криогенных машин, имеющих поршни с газостатическим центрированием, предложено использовать уплотнения из неразрезных колец, изготовленных из материала с коэффициентом линейного расширения большим, чем материала поршня или цилиндра. Дано соотношение, позволяющее определять размеры колец. Приведены результаты исследований свойств композиционных материалов на основе ПТФЭ для изготовления колец.

При проведении теоретических и эксперимен- узлов (ПУ) величины потерь газа через уплотняющую тальных исследований [1-3] был установлен факт часть поршня при увеличенных размерах радиального заметного влияния на экономичность поршневых зазора в газостатическом подвесе (ГСП) или при ра-

Рис. 1. Схема ПУ с плавающим уплотнением в виде антифрикционного кольца [3]: 1. Цилиндр. 2. Поршень. 3. Полость питания ГСП.

4. Рабочая полость цилиндра. 5. Обратный клапан.

6. Крышка. 7. Дроссель ГСП. 8. Плавающее неразрезное антифрикционное кольцо. 9. Кольцевая выточка

боте поршневого узла со значительным перепадом давления на поршне. Последнее характерно для ПУ, работающих в составе МКС, которые осуществляют рабочий процесс по циклу Гиффорда — Мак-Магона. При использовании в ПУ материалов, имеющих сравнительно большой температурный коэффициент линейного расширения (ТКЛР), нет возможности изготовления ГСП с минимальными (несколько микрометров) зазорами, т.к. достаточно высокий градиент температуры между поршнем и цилиндром не позволит ПУ успешно выйти на установившийся тепловой режим.

Эти обстоятельства заставляют искать пути снижения утечек через уплотняющую часть поршня в том случае, когда предъявляются жесткие требования по экономичности, имеет место высокий перепад давления на поршне или нет возможности изготавливать детали цилиндропоршневой группы (ЦПГ) из материалов с низкими ТКЛР.

Одним из наиболее тривиальных решений проблемы может быть использование дополнительных кольцевых уплотнений на поршне (рис. 1).

Это техническое решение может быть использовано при условии, что эти уплотнения во время работы ПУ практически не будут изнашиваться, т.е. не будет осуществляться их активный контакт со стенками цилиндра (лабиринтно-щелевое уплотнение).

На рис. 1 слева от осевой линии показано сечение цилиндропоршневой группы в исходном состоянии, справа от осевой линии - после выхода компрессора на стационарный тепловой режим.

Неразрезное кольцо 8 выполнено из материала, обладающего антифрикционными свойствами по отношению к материалу цилиндра 1, и имеющее ТКЛР больший, чем у материала цилиндра и поршня. Так,

например, если цилиндр 1 выполнен из чугуна, а поршень 2 из стали, то кольцо 8 может быть сделано из композита на основе политетрафторэтилена (ПТФЕ).

В период запуска ГКМ, когда тело поршня 2 и цилиндра 1 не нагрето, а в полости 3 нет давления, достаточного для центрирования поршня 3, поршень 2 под действием боковых сил, возникающих в связи с появлением на нем перепада давления, при неизбежном наличии зазоров и перекосов в механизме привода, а также под влиянием инерционных нагрузок, возникающих в связи с вибрацией ГКМ или существующих в связи с вибрациями объекта, на котором она установлена, периодически прижимается к поверхности цилиндра 1. В этот период кольцо 8 не препятствует поперечным перемещениям поршня 2, так как его диаметр меньше или равен диаметру наружной поверхности поршня 3, в связи с чем последний имеет возможность не перекашиваться и контактировать с цилиндром 1 вдоль всей образующей своей боковой поверхности. Данное обстоятельство позволяет избежать повреждений точно обработанных поверхностей поршня и цилиндра.

Кроме того, отсутствие в этот период работы ПУ существенного уплотнения поршня (уплотняющая верхняя часть сравнительно коротка) позволяет иметь достаточно большие утечки, что способствует медленному увеличению конечного давления в камере 4. Последнее обстоятельство обеспечивает в период запуска ГКМ более плавное и равномерное по длине поршня 2 и цилиндра 1 изменение теплонапряженнос-ти конструкции без значительных искажений формы деталей ЦПГ и тем самым дает возможность использовать технологически минимально достижимый зазор, повышая экономичность установки.

В дальнейшем конечное давление в камере 4 вырастает до номинального, и полость 3 получает газ под давлением, необходимым для организации бесконтактной работы поршня 2. В то же время происходит прогрев цилиндра 1, поршня 2 и крышки 6, температура кольца 8 повышается, и вследствие того, что ТКЛР материала, из которого оно изготовлено, выше ТКЛР материала цилиндра 1, диаметр кольца 8 увеличивается больше, чем диаметр цилиндра 1, и наружная поверхность кольца приближается к его поверхности, создавая таким образом нормальное кольцевое уплотнение.

В общем случае увеличение диаметра кольца 8 ограничено максимальным диаметром цилиндра 1, который он приобретает при полном прогреве, и дальнейшее увеличение диаметра кольца 9 приводит к его приработке путем износа, который происходит до тех пор, пока процесс увеличения диаметра кольца 8 не закончится. В результате приработки диаметр полностью прогретого кольца 8 оказывается меньше диаметра полностью прогретого цилиндра 1 на величину удвоенного максимального эксцентриситета ГСП, с которым поршень движется вдоль оси цилиндра.

Последнее обстоятельство послужило основанием для вывода уравнения (1), которое получено из условия максимального приближения диаметра кольца 8 к диаметру цилиндра 1 после их полного прогрева с учетом неизбежного наличия эксцентриситета поло-

Таблица 1

Триботехнические и механические характеристики ПКМ

Материал Состав, % J-105, г/ч О , МПа р £ ^ %

ПТФЭ УВ/кокс БП/PbO Mo/MoS,

Криолон-5 82 12/0 5/0 0/1 3,8 24,0 60

Криолон-3 80 5/0 12/0 0/3 3,0 22,0 120

М8В10Б7Д3 72 10/0 7/0 8/3 3,2 20,5 62

М20В5К5Д3 67 5/5 — 20/3 3,4 20,0 28,5

М20В10Б7Д3 60 10/0 7/0 20/3 2,2 21,0 30

Ф4К20 80 0/20 — — 6,6 12,5 120

В25Д3 72 25/0 — 0/3 12,8 15,8 25

В30Б15Д5 50 30/0 15/0 0/5 8,3 12,0 32

В30Б10Д3 57 30/0 10/0 0/3 5,5 6,0 хрупкое разрушение

КВН-3 82 — 8/7 0/3 2,4 21,0 175

Б48Д3 49 — 48/0 0/3 2,8 12,0 40

жения поршня 3 в цилиндре 1.

ОС —

Du (1+ац -А{ц)-Рц-2ея

где: аК и аЦ- ТКЛР соответственно материалов уплотнительного кольца и цилиндра, ВЦ и ВК - внутренний диаметр цилиндра и внешний диаметр кольца до запуска компрессора (в состоянии изготовления); Д^, Д^ - абсолютная разность температуры стенок цилиндра и поршня соответственно до пуска ГКМ (температура окружающей среды) и после выхода на установившийся тепловой режим; e - максимальная

J 1 max

величина абсолютного эксцентриситета положения поршня в цилиндре.

При реализации соотношения (1) процесса приработки не происходит, и имеется возможность получения сразу минимально возможного зазора в кольцевом уплотнении, что весьма ценно при использовании сравнительно твердых материалов для кольца 8, т.к. в процессе приработки в этом случае может произойти заметный износ зеркала цилиндра 1, что отрицательно скажется на характеристиках газового подвеса поршня.

Безусловно, описанное техническое решение может быть реализовано и в конструкции ПУ с наружным наддувом газа в зазор ГСП.

Таким образом, описанная конструкция позволяет, на первый взгляд, обеспечить неопределенно большой ресурс работы ПУ, т.к. при нормальной работе ГСП не должно происходить износа уплотняющей поверхности кольца.

Однако, как следует из самого описания работы, уплотнительное кольцо совершает в своей канавке радиальные микроперемещения, как в процессе температурного расширения, так и в процессе неизбежной перекладки при колебаниях поршня. То есть осуществляется процесс трения торцевой поверхности кольца о канавку поршня с малыми перемещениями, при котором возникает такое отрицательное явление, как фретитинг-процесс, приводящий к активному разрушению поверхности трения.

Таким образом, при выборе материала кольца необходимо обращать внимание не только на его ТКЛР, но и на прочностные свойства. Но в первую очередь

внимание должно быть уделено такому параметру, как сопротивление изнашиванию.

Безусловно, наиболее перспективными антифрикционными материалами для изготовления такого рода уплотнений являются полимерные композиционных материалов (ПКМ) на основе ПТФЭ (см., например, [4]).

Исследование свойств ПКМ на основе ПТФЭ проведено на примере модельной системы ПТФЭ-УВ, где УВ — измельченное углеродное волокно, указывает на существование корреляционной связи с довольно высоким коэффициентом корреляции между скоростью изнашивания и характеристиками механических свойств: начальным модулем Юнга, пределом прочности и деформацией при разрушении. Это обстоятельство может быть использовано для установления закономерностей по влиянию наполнителей на износостойкость наполненного ПТФЭ и прогнозированию этого важнейшего эксплуатационного параметра модифицированного полимера.

Аппроксимирующее уравнение выбрано в виде

у= bt + Ъ2xt + .... + Ъ.x .

, + .... + Ъ x ,,

- i r r — i'

где у — 7; х1 - д; х2 - к; х3 - дк; х4 - д2; х5 - к2 и т.д.; г — количество факторов, включая х0 = 1; для комбинации выборок (Е, ор) д = Е, к = ор, а для комбинации

(£ , о ) д = е , к = о .

р р р р

Проверка статистической значимости уравнения регрессии определена по критерию Фишера путем сравнения расчетного значения Р с табличным значением Рт(у1 у2 р) для числа степеней свободы у1 = N - 1, V2 = N - г и выбранном уровне значимости р. Оценка статистической значимости коэффициентов регрессии Ь. проводена по критерию Стьюдента. Вычисленное значение коэффициента Стьюдента { сравнивали с табличным ^ р) при числе степеней свободы V = N и заданном уровне значимости р.

Как показывают расчеты, для уравнения (2) уже первой степени коэффициенты корреляции для выборок (д, Н) достаточно высоки. Так для выборки (Е, ор) значения критерия Фишера Р и коэффициента корреляции Д составили 649 и 0,992, а для выборки (е р,

о ) — 679 и 0,999, соответственно. Табличное значение

р

критерия Фишера Рт/5 3 1% = 28,24. Коэффициенты

Таблица 2

Результаты нелинейного регрессионного анализа связи скорости износа с прочностными характеристиками

1 Ь1 1 р

1 -3,38 1,07 0 0

2 - 0,287-10 - 1 2,03 0 1

3 1,63 4,40 1 0

4 0,827-10 - 3 1,13 1 1

5 - 0,588-10 - 1 5,56 2 0

Примечание: Р(о ) и Р(е ) — степени уравнения по

Стьюдента t. значительно превышают табличное значение ^^ 005%! = 6,87. При этом наиболее значимыми являются коэффициенты регрессии, связывающие скорость изнашивания с пределом прочности

= 92,6 для (Е, ор) и 12 = 62,9 для (£р, ор ). Последнее свидетельствует о высокой корреляционной взаимосвязи скорости изнашивания с пределом прочности.

Соображения, касающиеся взаимосвязи структурно-фазового состояния полимерной матрицы и свойств композитов с их триботехническими характеристиками, а также результаты регрессионного анализа, полученные для материалов модельной системы ПТФЭ-УВ, позволяют проследить эту взаимосвязь и установить общие закономерности по влиянию состава на износостойкость ПКМ с матрицей ПТФЭ на примере большой группы многокомпонентных материалов триботехнического назначения.

В табл. 1 приведены триботехнические и механические характеристики ПКМ, используемых для изготовления различных деталей узлов трения, а также опытных образцов. Из данных таблицы видно, что коэффициент трения многокомпонентных материалов плохо согласуется с механическими характеристиками. Поэтому для установления корреляции механических параметров с триботехни-ческими характеристиками была выбрана скорость изнашивания. Расчеты коэффициента корреляции Д, коэффициентов полинома J = f (ор, £р), а также критериев Фишера и Стьюдента осуществляли по той же методике, что и в случае композитов модельной системы. Был проведен линейный и нелинейный множественный регрессионный анализ.

Уравнение линейной регрессии, которое получается в результате расчетов, имеет вид:

J (£ , о) = 12,1 - 0,142е - 0,347о .

V р' р1 р р

11,3. Табличное значение 005% = 4.59, т.е. найденные значения коэффициентов регрессии статистически значимы при 0,05 %-ном уровне значимости.

Результаты нелинейного регрессионного анализа связи скорости износа J с прочностными характеристиками ор и е р приведены в табл. 2.

Значения коэффициента корреляции Д и критерия Фишера Р составили 0,892 и 4,87, соответственно. Эти значения незначительно отличаются от соответствующих значений для линейной регрессии. Увеличение степени уравнения по переменным ор или е р к увеличению Д и Р не приводит.

Обращают на себя внимание невысокие коэффициенты Стьюдента для переменной е по сравнению с таковыми для переменной ор. Тем не менее линейный парный регрессионный анализ для выборки Ц, ор) также приводит к невысоким значениям Д и Р (Д = 0,687, Р = 1,90). При расчетах не учитывались данные для материалов В25Д3 и Б48Д3, так как согласно процедуре отсева они попадают в разряд аномальных значений.

Таким образом, наиболее подходящим регрессионным уравнением для прогнозирования износостойкости многокомпонентных ПКМ на основе ПТФЭ является уравнение (3), которое может быть использовано при выборе того или иного материала для изготовления плавающего кольца поршневого узла ГКМ.

Библиографический список

1. Болштянский А. П. Щерба В. Е. Определение области энергетически эффективного применения бессмазочного компрессора с газостатическим центрированием поршня (БК с ГСЦП)// Повышение эффективности холодильных машин: Межвуз. сб. трудов. - Л., 1983. - С. 112-117.

2. Абакумов Л. Г., Деньгин В. Г., Кулиш Л. И. Влияние параметров газостатического поршневого уплотнения на работоспособность компрессора/НПО «Криогенмаш». - Балашиха, Моск. обл., 1991. - 16 с. - Деп. в ЦИНТИхимнефтемаш 02.08.91, № 2205-ХН91.

3. Болштянский А.П., Белый В.Д., Дорошевич С.Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. - 406 с.

4. Макушкин А. П. Полимеры в узлах трения и уплотнениях при низких температурах: Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - 228 с.

Расчетные значения коэффициента корреляции Д и критерия Фишера Р равны 0.88 и 4,55 соответственно. Табличное значение Р1^ 7 5%) = 3.68, т.е. регрессионное соотношение (3) статистически значимо при пяти процентном уровне значимости. Коэффициенты Стьюдента имеют значения t¡ = 21,6, t2 = 5,2 и t3 =

СУРИКОВ Валерий Иванович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой физики.

Дата поступления статьи в редакцию: 08.11.2007 г. © Суриков В.И.

переменным о и е соответственно

г р р