автореферат диссертации по энергетическому, металлургическому и химическому машиностроению, 05.04.06, диссертация на тему:Рабочие процессы поршневых пневмодвигателей с самодействующими клапанами на повышенном давлении сжатого воздуха

004693613

ОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

КАЛЕКИН ДМИТРИЙ ВЯЧЕСЛАВОВИЧ

Рабочие процессы поршневых пневмодвигателен с самодействующими клапанами на повышенном давлении сжатого воздуха

Специальность 05.04.06 - Вакуумная, компрессорная техника и пневмосистемы

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 0 июн 2010

Омск-2010

004603618

Работа выполнена в государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Кабаков А.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, доцент

Аверьянов Г.С.;

кандидат технических наук Михайлец С.Н.

Ведущая организация: ЗАО «Барренс. Компрессоры и комплектующие», г. Санкт - Петербург

Защита диссертации состоится » 2010 г. в'7 часов на

на заседании диссертационного совета Д 212.178.02 в Омском государственном техническом университете по адресу: 644050, пр. Мира 11, корпус 6, ауд. 6-340.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью организации, просим направлять в адрес диссертационного совета.

Автореферат разослан «¿V» 2010г.

Ученый секретарь диссертационного совета д.т.н., доцент

Болштянский А.П.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Основным направлением обеспечения безопасности работ, проводимых в пожаро-взрывоопасных производствах химической, нефтехимической, газовой и горной промышленности, является использование силового пневмопривода вместо электрического, допускающего искрообразование.

Применение пневмодвигателей в горных машинах и комплексах при разработке глубоко залегающих полезных ископаемых связано не только с повышенной опасностью взрыва газа и пыли, но и наличием холодильного эффекта, роль которого существенно возрастает с увеличением глубины разработок и повышением температуры атмосферы в подземных выработках.

На предприятиях горнодобывающего комплекса для привода лебедок, тельферов стволовых машин, буровых кареток, породопогрузочных и погрузочно-транспортных машин самое широкое распространение получили поршневые пневмодвигатели (ПД), рабочая камера которых имеет достаточно высокую степень уплотнения за счёт поршневых колец; угечки сжатого воздуха в них невелики, поэтому КПД поршневых пневмодвигателей выше в сравнении с другими типами.

Кроме того, поршневые ПД обладают хорошей пусковой характеристикой, допускают перегрузку, просты по конструкции и в эксплуатации. В качестве источника для ПД в настоящее время используется сжатый воздух с давлением на входе 0,4-0,6 МПа. Интенсификация работ, производимых пневмооборудованием, может быть достигнута за счёт дальнейшего повышения давления сжатого воздуха на входе. Известно, что увеличение рабочего давления ПД на каждые 0,1 МПа позволяет повысить их мощность на 15-25% и более.

В нашей стране исследовательские и проектно-конструкторские работы по увеличению давления сжатого воздуха на входе ПД для подземных потребителей выполнялись в ИГД РАН, ИГД СО РАН, НИГРИ, НИПИГМ им. М.М. Фёдорова, а также в СПГГУ, КГРУ и других организациях. Проведёнными исследованиями под руководством А.В. Докукина, Я.Г. Каплуна, Г.Т. Ямковского, В.Д. Зиневича, А.Н. Кабакова и других учёных показано, что кардинальным решением в достижении высокой производительности труда в горном деле при широком использовании сжатого воздуха как энергоносителя, является перевод основных подземных потребителей на повышенное давление.

В свою очередь увеличение давления на входе поршневых ПД сдерживается наличием принудительного золотникового газораспределения, ограничивающего частоту вращения вала. Кроме того, в поршневых пневмодвигателях с принудительным газораспределением из-за вращения золотника, на котором расположены выхлопные окна, сечения выхлопных каналов меняется непрерывно, что является причиной роста энергетических потерь.

Одним из путей повышения эффективности работы поршневых ПД является замена принудительного газораспределения на самодействующие клапаны, в результате чего ожидается: снижение потерь на трение; обеспечение эффективного функционирования с практически неизменным КПД на нерасчетных режимах;

увеличение частоты вращения коленчатого вала; уменьшение и даже практически исключение утечек рабочей среды.

Увеличение частоты вращения коленчатого вала позволит производить агрегатирование ПД с поршневым компрессором (пневмодвигательно-компрессорный агрегат), насосом или электрическим генератором в одном корпусе.

Разработка и создание поршневых ПД и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов (ПДКА) на унифицированных компрессорных базах может способствовать сокращению сроков внедрения и изготовления машин и агрегатов нового типа.

Отсутствие достаточного количества экспериментальных данных по исследованию процессов в поршневых ПД с самодействующими клапанами и надёжных методов их расчёта, не позволяют проектировать ПД на повышенном давлении с высокими удельными энергетическими и массогабаритными показателями.

В связи с вышесказанным вопросы, связанные с разработкой и созданием поршневых ПД с самодействующими клапанами на повышенное давление сжатого воздуха, разработкой методов их расчёта и математических моделей процессов, оптимизацией рабочих процессов и конструкций являются весьма актуальными.

Связь темы диссертационного исследования с общенаучными государственными программами. Работа выполнена в рамках фундаментальных исследований по аналитической целевой ведомственной программе Федерального агенства по образованию Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала Высшей школы на 2006-2008 г.г.» №.. 1054 от 01.01.06 «Рабочие процессы поршневых пневмодвигателей и пневмодвигатель-компрессорных агрегатов».

Цель диссертационной работы. Разработка методов расчёта поршневых пневматических двигателей с нормально открытыми самодействующими клапанами на повышенном давлении сжатого воздуха и практических рекомендаций по их рациональному конструированию.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать математические модели термо-газодинамических процессов с учётом динамики механизмов движения поршневых ПД с самодействующей системой газораспределения с учётом изменения внешней нагрузки и при работе в составе ПДКА.

2. Разработать экспериментальные стенды для исследования рабочих процессов поршневых ПД с самодействующими клапанами с использованием современных автоматизированных средств измерения и обработки результатов эксперимента.

3. Провести исследования ПД при различных типах и конструктивных характеристиках нормально открытых самодействующих клапанов, геометрических и режимных параметрах работы двигателя.

4. На основании обобщения результатов натурных и численных экспериментов и численных исследований дать рекомендации по расчёту и конструированию поршневых ПД и ПДКА с самодействующей системой воздухораспределения.

5. Уточнить имеющиеся инженерные методики расчета и математические модели поршневых ПД с самодействующей системой воздухораспределения.

6. На основании уточнённых инженерных методик и математических моделей процессов предложить рекомендации по созданию типоразмерных рядов ПД на современных компрессорных базах с поршневыми усилиями 2,5...16 кН.

Научная новизна состоит в создании математизированных основ построения конструкций поршневых ПД, работающих на повышенном давлении воздуха.

В том числе:

1. Создании математических моделей термо-газодинамических процессов с учётом динамики механизмов движения поршневых ПД и ПДКА, особенностей конструкций нормально открытых самодействующих клапанов и кривошипно-шатунных схем механизмов движения;

2. Исследовании физических моделей поршневых ПД и ПДКА с различными типами и конструктивными характеристиками нормально открытых самодействующих клапанов, получении экспериментальных данных по влиянию конструктивных и режимных параметров поршневых ПД на характеристики их работы;

4. Обобщении результатов натурных и численных экспериментов с выдачей рекомендаций по рациональному конструированию поршневых ПД и ПДКА с самодействующей системой газораспределения при работе на повышенном давлении сжатого воздуха (до 1 МПа);

5. Уточнении инженерных методик расчета поршневых ПД и ПДКА с самодействующими клапанами с применением методов физического и геометрического подобия.

6. Выдаче рекомендаций по созданию типоразмерных рядов ПД на современных компрессорный базах с поршневыми усилиями 2,5... 16 кН.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов, выводов и рекомендаций подтверждается обоснованными расчетными схемами, применением методов теории подобия, математическими моделями процессов ПД и ПДКА, основанными на фундаментальных законах физики, механики, термодинамики, газодинамики, теплопередачи, метрологическими характеристиками, используемого оборудования и приборов, удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментом.

На защиту выносятся:

- математические модели термо-газодинамических процессов, совмещённых с динамикой механизмов движения ПД и ПДКА с самодействующей системой газораспределения;

- результаты экспериментальных и численных исследований физических и математических моделей поршневых ПД и ПДКА с самодействующей системой газораспределения при работе на повышенном давлении сжатого воздуха;

усовершенствованные конструкции поршневых ПД и ПДКА с самодействующими клапанами;

- уточнённая инженерная методика расчёта поршневых прямоточных ПД с самодействующей системой газораспределения, основанная на полученной

обобщённой безразмерной зависимости, дополнительно учитывающей размеры выхлопных окон, а также зависимостей для осреднённых значений коэффициентов расхода и давления для нормально открытых самодействующих клапанов.

Практическая ценность. Математические модели и программы расчета на ЭВМ, уточнённая инженерная методика могут быть использованы при разработке и создании ПД и ПДКА с самодействующими клапанами для взрыво-пожароопасных производств горнодобывающей, химической и нефтехимической промышленности. Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Машины и аппараты химических производств» ОмГТУ в качестве материала для курсового и дипломного проектирования, при проведении лабораторных и практических занятий.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на 57-й Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ-2003, Москва, 2003г.; Всероссийской научно-практической конференции «Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города», Красноярск, 2006 г.; Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров», Стерлитамак, 2006 г.; «XIV Международной научно-технической конференции по компрессорной технике», Казань, 2007 г.; VI Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2007 г.; «3-й Мевдународной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», Омск, 2007 г.; 18th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2008, Praha, Czech Republic, 2008; Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая, передовые технологии в промышленность», Омск, 2008 г.; VIII Международной научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин», Казань, 2009 г.; VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2009 г; научно-методических семинарах кафедры «Машины и аппараты химических производств», Омск, ОмГТУ, 2007-2009 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 10 статей, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 тезисов докладов, 2 патента РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель.

Объем работы. Работа состоит из введения, 5-х глав, заключения, списка литературы, изложенных на 168 страницах машинописного текста, поясняется 70 рисунками, 6 таблицами. Список литературы включает 160 наименований.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, сформулированы научная и практическая значимость работы, приведено краткое содержание работы по главам.

В первой главе перечисляются достоинства и недостатки пневмопривода, основные тенденции его развития. На техническое совершенствование отечественных конструкций поршневых ПД с принудительным газораспределением,

теорию рабочих процессов значительное влияние оказали научные работы И.И. Артоболевского, Б.И. Бежанова, A.A. Боровкова, A.A. Германа В.П., Е.В. Герца, В.Д. Зиневича, И.И. Корабелыцикова, А.Г. Холзунова. Основы развития пневмопривода на высоком давлении сжатого газа были заложены A.B. Докукиным, О.Д. Алимовым, В.А. Ямковым, А.Н. Кабаковым и другими.

Приводится обзор конструкций поршневых ПД и ПДКА с различными типами самодействующих клапанов, дается краткий анализ основных работ по теоретическому и экспериментальному исследованию рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и агрегатов на их основе.

Особое внимание обращено внимание на работы, посвященные исследованию пневмодвигателей, детандеров и детандер-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами И.К. Прилуцкого, А.Н. Кабакова, B.C. Калекина, А.Д. Ваняшова, Е.Г. Бычковского, С.В. Коваленко, В.В. Калекина, А.И. Прилуцкого, Ю.И. Молодовой, Л.Г. Кузнецова, развитию методов теории подобия - М.В. Кирпичёва, A.A. Гухмана, Ю.Н. Попова и других исследователей.

Отмечается, что в математических моделях рабочих процессов ПД и ПДКА с самодействующими клапанами не учитывается динамика механизма движения, указывается на недостаточное количество экспериментальных данных по исследованию рабочих процессов поршневых ПД с самодействующими клапанами, ограниченность в этой связи применения инженерных методик расчёта, особенно на повышенном давлении сжатого воздуха (до 1,0 МПа).

Анализ литературных данных позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей Термогазодинамических процессов, совмещённых с динамикой механизмов движения поршневых ПД и ПДКА с самодействующей системой газораспределения.

В основу математических моделей положены основные уравнения: энергии тела переменной массы; состояния; расхода; динамики самодействующих клапанов; динамики кривошипно-шатунных механизмов движения.

При разработке моделей рабочих процессов использовались допущения: процессы в цилиндрах и примыкающих к ним полостях квазистационарны и равновесны; рабочий газ однороден и подчиняется законам идеального газа; масса подвижных частей клапана сосредоточена в одной точке (одномассовая система); течение газа через клапан и каналы рассматривается как адиабатное через круглое отверстие с той же эквивалентной площадью.

Уравнения движения для ПД и ПДКА с кривошипно-шатунными механизмами получены из дифференциального уравнения Лагранжа

где т - время; Т — кинетическая энергия механизма; <р - текущий угол поворота коленчатого вала двигателя; Q - обобщённая работа.

Рассмотрена оппозитная схема ПД, для которого динамика механизма движения описывается уравнением вида:

(1)

[j, +(jj Л2 +0,5m-r)cos2 (3+2 {т+М)-г2 sin2 <p[-ip+ +\м+Q,15-m)-r2-J2X2\ътЪр-ft =

f

-M^+lpyF* -P»„, •SMsin^j-rsinp- 1 +

Л ■ Cosqt

Оппозитная схема ПДКА - уравнением вида:

[/, +(72Я2 +0,5т-г2)'cos2<р+2{т+М)-гг •sinV]-^+ +[(M+0,75-w)T2 ^гЯ\$т2(р-(рг =

[р pn„S'g4-™i4г-sirup-

1 +

Л ■ Cos<p siivV

/l-Я2-si

(3)

где т, М - массы шатуна и поршня; - моменты инерции маховика с кривошипом и шатуном, соответственно; Я = г/Ь, г, Ь - радиус кривошипа и длина шатуна; рд , Рк , р, рк - площади поршней и давления на поршень со стороны

тр

момент

двигательной и компрессорной ступеней, соответственно; М,шг внешней нагрузки и сила трения поршня о стенки цилиндра.

Дифференциальное уравнение термо-газодинамической математической модели рабочего процесса изменения давления в цилиндрах ПД имеет вид:

± dr

%

•А ■ p„-k-р-Fn

dS_ ' dr

V +F

*0 т д

(4)

S = r-(l-cosiz>)+A/2-(l-cos2^))

s

где AK = k-E-yjR-Tn ; r„ - температура газа в рабочей полости; R -

индивидуальная газовая постоянная; к - показатель адиабаты; F0, S - площадь поршня двигателя, текущий ход, соответственно; V0 - мёртвый объём цилиндра двигателя; crl=plpll\ Е = ^2к/(к-\); = //,/,; /¿,,/5 - коэффициент расхода и площадь проходного отверстия впускного клапана; tr2 = pjpi ра , ри - давление и давление на входе в пнемодвигатель, соответственно; = p1f1 - коэффициент

расхода и площадь выхлопных окон двигательной ступени; <p(cri) = /<х21к - cr^*l>lk

при о0 < 0, < 1; ф(0/) = 0,528 при 0 < О/ < о0 = 0,528.

Дифференциальные уравнения дополнены начальными условиями: т = 0, 5 = 0, dS/dx = 0, р = рнач , Т = Гиач.

На математических моделях с применением пакета Matlab изучено влияние внешних нагрузок, начального давления сжатого воздуха, жесткости пружин, высот подъёма запорных элементов клапанов, площадей сечений и расположения выхлопных окон по ходу поршней, соотношений площадей поршней двигательной и

компрессорной ступеней на параметры процессов и динамические характеристики ПДиПДКА.

Меньший удельный расход сжатого воздуха ПД соответствует началу закрытия впускного клапана при 0,55 относительного хода поршня; повторное открытие впускного клапана при обратном ходе поршня наиболее целесообразно производить не более чем за 0,25 хода поршня до ВМТ, иначе поток свежего сжатого газа, поступающего в цилиндр, будет способствоть торможению и снижению частоты вращения коленчатого вала;

Сравнивалась работа ПД с оппозитными поршнями и с последовательной работой поршней. При этом установлено, что ПД с последовательной работой поршней в отличие от оппозитной схемы при повышенных давлениях позволяет увеличить индикаторную мощность и частоту вращения коленчатого вала до 25%, снизить удельные заграты сжатого воздуха до 7 % и амплитуду колебаний угловой скорости более чем в два раза; при снижении начального давления до 0,4 МПа обе схемы по мощности и удельному расходу практически не отличаются друг от друга.

Третья глава посвящена разработке и созданию автоматизированных экспериментальных стендов, методике эксперимента, оценке погрешностей результатов эксперимента.

Для проведения . исследований были разработаны и созданы! Два экспериментальных стенда. Схема конструкции физической модели однорядного вертикального прямоточного ПД (диаметр цилиндра - 60 мм; ход поршня - 38 мм; с частота вращения до 3000 об/мин) приведена на рис.1.

Рис.1. Поршневой прямоточный пневмодвигатсль: 1-штуцер подачи сжатого воздуха; 2-ограничиягель

подъема; 3-крышка клапана; 4-кольцевой запорный элемент; . 5-пружина сжатия; 6- крышка цилиндра; 7-цилиидр; 8-поршень; 9-выхлопные окна

Принцип работы ПД состоит в следующем. Через штуцер 1, ввёрнутый по резьбе в ограничитель подъема 2, во впускную полость двигателя подаётся сжатый воздух. Внутри впускной полости размещён ограничитель подъёма с возможностью перемещения по резьбе относительно крышки 3 для регулирования высоты подъема кольцевого запорного элемента 4, отжимаемого пружиной 5 от седла клапана,

таким образом, чтобы клапан в определённых условиях мог оставаться нормально открытым. Крышки клапанной полости и цилиндра 3,6 присоединены шпильками к цилиндру 7. Газовая сила, действующая на поршень 8, создаваемая разностью давлений в цилиндре и картере двигателя, заставляют его перемещаться при прямом ходе, обеспечивая вращение коленчатого вала кривошипно-шатунным механизмом. При открытии поршнем выхлопных окон 9, выполненных в нижней части по периметру цилиндра ПД, отработанный воздух выводится в выхлопную камеру. При обратном ходе поршня вначале происходит выталкивание воздуха до закрытия поршнем выхлопных окон, затем сжатие воздуха, оставшегося в цилиндре, до начального давления р„. При подходе к ВМТ давление в цилиндре повышается и запорный элемент отжимается пружиной 5, клапан при этом вновь становится открытым. Обратный ход поршня к ВМТ в однорядной схеме выполняется за счёт момента инерции маховика, установленного на валу.

В качестве нагрузки на двигатель использовался электрогенератор постоянного тока с регулируемым блоком реостатов и автотрансформатором, соединенный с валом двигателя ременной передачей.

Кольцевой клапан с параметрами: диаметр и ширина кольца - 45 мм, 11 мм, соответственно; толщина кольца - 0,5 мм; количество отверстий в седле - 6 с диаметром 6,7 мм; относительный «мертвый» объем пневмодвигателя с клапаном -0,31. Было изготовлено несколько комплектов пружин различными жесткостями от 370 до 8200 Н/м.

Лепестковый клапан с параметрами: диаметр отверстия в седле клапана - 16 мм, изменение высоты перемещения конца лепестка в пределах 0,5-5,0 мм; толщина лепестка - 0,25 мм; номинальная величина относительного мёртвого пространства пневмодвигателя с клапаном - 0,26

Экспериментальный стенд пневмодвигательно-компрессорного агрегата был разработан и создан на базе 3-х рядного, Ш-образного компрессора (диаметры цилиндров -: 90 мм; ход поршня - 68 мм; частота вращения до 3000 об/мин). Два боковых цилиндра,представляли собой прямоточные пневмодвигатели с нормально открытыми кольцевыми впускными клапанами.

Центральный цилиндр агрегата оставался компрессорным и за счёт регулирования давления нагнетания выполнял функции внешней нагрузки.

В однорядной схеме исследовались рабочие процессы с самодействующими впускными клапанами с кольцевым (с одной и тремя пружинами сжатия) и лепестковым (упругим) запорными элементами. В Ш-образном пневмодвигательно-компрессорном агрегате в крышках двигательных цилиндров были размещены нормально открытые впускные клапаны с тремя пружинами сжатия. В нижних частях в районе НМТ пневмодвигательных цилиндров двигателя и агрегата были выполнены выхлопные окна для выпуска отработанного воздуха.

Схема экспериментального стенда однорядного пневмодвигателя приведена на рис.2. Пневмодвигатель и двигательная часть агрегата приводились во вращение сжатым воздухом от компрессорной установки 1, состоящей из двух У-образных компрессоров с конечным давлением до 1,0 МПа, производительностью по 1 м3 /мин каждый, установленных на ресивере 2.

Рис.2. Принципиальная схема экспериментального стенда: 1 - Компрессоры; 2 - Ресивер; 3 -Манометр; 4 - Газовый редуктор; 5 - Запорный вентиль; 6 - Расходомер; 7- Ротационный счетчик; 8 - Манометр давления на входе; 9 - Запорный элемент; 10 - Цилиндр и поршень; 11 -Ременная передача; 12 - Электродвигатель (электрогенератор) постоянного тока; 13 -Нагрузочные реостаты; И1 - Термопара температуры на входе; И2 - Измеритель температуры на входе; ИЗ - Датчик давления во всасывающей полости; И4 - Контактный датчик касания ограничителя подъема; И5- Датчик давления в цилиндре;

И6 - Термопара температуры на выходе; И7- Измеритель температуры на выходе; И8 -Индуктивный отметчик ВМТ; И9 - Блок преобразования токовых сигналов датчиков давления в сигналы напряжения дифференциальных входов АЦП; И10-АЦП; И11 -ЭВМ.

В качестве внешней нагрузки однорядного пневмодвигателя использовался электрогенератор постоянного тока 12, соединенный с валом двигателя ременной передачей, с регулируемым блоком реостатов 13 и автотрансформатором.

Сжатый воздух из ресивера 2 компрессорной установки в цилиндры пневмодвигателей подавался через газовый редуктор 4, давление контролировалось

образцовым манометром 3 класса 0,5. Температуры на входе и выходе измерялась при помощи хромель-копелевых термопар. Регистрация мгновенного объёмного расхода осуществлялась поплавковым ротаметром 5 (Н250 фирмы «KROHNE») с диапазоном измерения расхода газа 12-250 м3/ч.

Измерение среднего объёмного расхода воздуха' производилось измерительным комплексом, снабженным ротационным счетчиком 7 (RVG-G-16 с диапазоном измерения расхода газа при рабочих условиях 8-160 м3/ч, максимальным давлением до 5,0 МПа) и электронным корректором объёма газа до параметров окружающей среды ЕК260 со встроенными датчиками абсолютного давления и платиновым термометром сопротивления.

Для автоматизации экспериментальных исследований использовался измерительный комплекс, совместимый с ЭВМ. В качестве универсального интерфейсного преобразователя выбран модуль Е14-440, являющий универсальным программно-аппаратным устройством со стандартной шиной USB, позволяющим фиксировать быстроменяющиеся параметры (до 100 МГц) с выводом их на экран. Поддержку модуля осуществлял программный продукт PowerGraph, представляющий собой многоканальный осциллограф.

На осциллограф производилась запись быстроменяющихся давлений в цилиндрах и клапанных полостях, отметок ВМТ и НМТ, фиксировались углы закрытия и повторного открытия запорных элементов клапанов контактным способом.

Для изучения влияния «мертвого» пространства на работу однорядного ПД использовались вставки различной толщины под клапанные крышки, что позволяло регулировать относительное «мертвое» пространство пневмодвигателя от номинальных значений до 2,0.

Изучения влияния проходного сечения седла fc производилось заглушиванием части отверстий в седле кольцевого клапана. Высота подъёма запорного элемента изменялась в пределах от 0,125 мм до 4,0 мм. Для исследования влияния параметров выхлопа на рабочий, процесс в однорядном ПД выхлопные окна рассверливались с диаметра 3 до 5 мм с шагом 0,5 мм.

Программное обеспечение измерительного комплекса позволяло осуществлять настройку сценариев эксперимента, хранение и поиск нужного сценария в базе данных, проводить измерения в реальном масштабе времени с одновременной архивацией- и визуализацией экспериментальных данных, просматривать и анализировать результаты. Для вторичной обработки и визуализации результатов измерений было разработано специальное программное обеспечение.

В четвёртой главе приведены результаты численных и экспериментальных исследований.

Показана связь рабочих характеристик (индикаторной мощности, расхода сжатого воздуха, крутящего момента, частоты вращения коленчатого вала, удельных затрат «свободного» воздуха на единицу получаемой мощности) с начальным давлением сжатого воздуха, относительной величиной мёртвого пространства, высотой подъёма запорного элемента, жёсткостью и величиной предварительного поджатая пружин, размерами и положением выхлопных окон.

На основании исследований поршневого ПД с самодействующим впускным клапаном установлено, что наиболее широкий диапазон функционирования поршневых ПД на повышенных давлениях определяется наименьшей величиной относительного мёртвого пространства и достаточно высокой жёсткостью пружин.

При увеличенных высотах подъёма и достаточно «жёстких» пружинах закрытие впускного клапана происходит после открытия поршнем выхлопных окон, т.е. при относительных ходах поршня Сг й 0,92 (рис.3). Работа за цикл в таких режимах имеет максимальное значение. Однако запаздывание в закрытии после прохождения поршнем выхлопных окон приводит к тому, что при одновременно открытом клапане и выхлопных окнах происходит «проскок» газа в атмосферу, способствующий увеличению удельных затрат «свободного» воздуха на единицу индикаторной мощности воздуха без соответствующего увеличения работы.

С увеличением высоты подъёма и жёсткости пружин с увеличением давления на входе закрытие впускного клапана происходит до открытия поршнем выхлопных окон. Рабочий цикл в этом случае сопровождается процессом расширения. Как следует из рис.4 наиболее рациональный режим работы по минимальному удельному расходу воздуха соответствует моментам закрытия клапана впускного клапана 0,55-0,65 относительного хода поршня от ВМТ.

Ч, (мЗ/мии) / кВт

0.35 0.4 0,45 0,5 0,55 0,6 0,65 0.7 0,75 0,8 Рн, Мпа Рис.3. Зависимость относительного хода поршня в момент закрытия впускного клапана от давления сжатого воздуха на входе при различных высотах

01, мм) перемещения запорного элемента: 1) Ь=0,25; 2) 11=0,75; 3) Ь=1; 4) Ь=2. (Пунктиром

обозначено расположение выхлопных окон по ходу поршня)

0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 С2 Удельный расход воздуха в зависимости от относительного хода поршня в момент отсечки наполнения при различных параметрах жесткости пружины (Спр, Н/м) и высоты подъема (Ь, мм):"1) Спр=1050, 11=0,75; 2) Спр=1050, Ь=0,5; 3) Спр=2300, Ь=0,7э; 4) Спр=2300, Ь=0,5; Спр=2300, Ь=0,25.

В результате экспериментальных и теоретических исследований было установлено, что при рациональной организации рабочего процесса пневмодвигатель с самодействующим впускным клапаном может не уступать по удельным показателям современным зарубежным и отечественным образцам, использующим принудительное газораспределение. Удельный расход воздуха в этом случае может составлять порядка 0,8-1,2 (м3/мин)/кВт.

Увеличение жесткости пружин и высоты подъёма запорного элемента способствует увеличению частоты вращения вала двигателя и индикаторной мощности при повышенных давлениях сжатого воздуха (рис.5,6).

0.3 0,4 0.5 0.6 0.7 0.« 0,5 Ри.МПа

Рис.5. Зависимость частоты вращения от давления на входе в пневмодвигатель при различных жесткостях пружин (Спр, Н/м) и высот подъема запорного элемента (И, мм): 1) Спр=2300, Ь=0,5; 2) Спр=2300,11=0,75; 3) Спр=2300,11=1,25; 4) Спр=2300, Ь=2,0; Г) Спр=4910,11=0,5; 2') Спр=4910,11-0,75; 3') Спр=4910,11=1,25; 4') Спр=4910, Ь=2,0. Пунктиром показаны расчетные данные. Вт......................Г...........................|........................................................

! 0.4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 Рн, МПа Рис.6. Зависимость индикаторной мощности от давления сжатого воздуха на входе в пневмодвигатель при различных жесткостях пружин (Спр, Н/м) для высот подъема запорного элемента [0,75; 1,00] мм (штрихом обозначены расчетные данные): 1) Спр=400; 2) Спр=2300; 3) Спр=2300 с поджатием 3 мм; 4) Спр=4100; 5) Спр=4900; 6) Спр=8500.

Достоинство циклов с укороченным процессом расширения в том, что в этих случаях не происходит резкого снижения температуры отработанного воздуха. По этой причине влага, содержащаяся в воздухе, не замерзает в выхлопных каналах

(окнах), как это зачастую происходит в пиевмодвигателях с принудительным газораспределением.

Подбором жесткости пружины, регулированием начального давления, высоты подъёма запорного элемента или величины относительного мёртвого пространства при соответствующей внешней нагрузке, можно организовать такой рабочий цикл, при котором могут быть обеспечены наилучшие показатели эффективности работы пневмодвигателя.

Обратное открытие впускного клапана оказывает влияние на расход сжатого газа, частоту вращения и потребляемую мощность пневмодвигателя. При раннем открытии клапана до прихода поршня в ВМТ натекающий в цилиндр сжатый газ «тормозит» двигатель. Частота вращения вала и мощность пневмодвигателя при этом уменьшается, а удельный расход сжатого воздуха увеличивается. Раннее завершение процесса обратного сжатия при открытии клапана до 0,25 относительного хода от ВМТ может привести к прекращению функционирования пневмодвигателя. Отсечка обратного сжатия (начала наполнения) зависит от тех же параметров, как и отсечка конца наполнения: начального давления, жесткости пружин, высоты подъёма запорного элемента клапана, величины относительного мёртвого пространства.

Полученные в результате эксперимента схематизированные циклы, классифицировалась на две группы: циклы с процессом расширения и циклы без расширения с преобладающим процессом выхлопа (рис.7).

Рис.7. Рабочий цикл прямоточного пневмодвигателя с самодействующим клапаном: а) с процессом расширения 2-3; б) без процесса расширения; процессы: 6-1-2 - наполнения; 3-4 -выхлопа; 4-5 - выталкивания; 5-6 - обратного сжатия; т.2 -закрытие впускного клапана; т.6 -обратное открытие впускного клапана

При закрытии клапана до прохождения поршнем выхлопных окон в цикле двигателя (первая группа) имеется процесс расширения (рис.7 а). Во второй группе

закрытие клапана связано с открытием поршнем выхлопных окон и наступлением процесса выхлопа, в связи с чем процесс расширения отсутствует (рис.7 б).

Массовый расход т„ сжатого газа на входе пневмодвигателя рекомендуется вычислять по формуле

где X - коэффициент производительности; р„ - плотность воздуха на входе в ПД; V/, - объём, описываемый поршнем за один оборот коленчатого вала; п - частота вращения коленчатого вала; г - число параллельно работающих цилиндров.

Коэффициент производительности по формуле

Л = ЛуЛт-{Сг+С6)-(уу-у„р),

где Х,> - коэффициент давления; Хт - коэффициент температуры; С2, С6 -относительный ход поршня в моменты закрытия и обратного открытия клапана, соответственно; у,,, у„р - коэффициенты относительных утечек и протечек воздуха через неплотности клапана и поршневого уплотнения, соответственно.

В формуле Хт ~ 1, поскольку при коротких процессах неполного расширения сжатого воздуха охлаждение стенок цилиндра практически не происходит даже при продолжительной работе двигателя.

При нормально выполненных уплотнительных узлах и элементах впускного клапана и поршневом уплотнении относительные утечки \у и протечки гпр примерно одинаковы, поэтому их можно исключить. Тогда коэффициент производительности примет вид

Л = ЛУ(С2+С6), Лй=рг1рн.

Регулирование характерисик пневмодвигателя изменением высоты подъёма запорного элемента представляется одним из технически простых способов. При повышенных давлениях удельные затраты сжатого воздуха на единицу мощности существенно уменьшаются и приближаются к показателям работы современных пневмодвигателей, работающих при номинальных давлениях порядка 0,63 МПа (рис.8).

В пятой главе предложены безразмерные симплексы и комплексы физического и геометрического подобия поршневых пневмодвигателей с самодействующими клапанами, оказывающие наибольшее влияние на рабочий процесс, уточнённая методика расчёта прямоточного пневмодвигателя с учётом безразмерных зависимостей, составленных из симплексов и комплексов физического и геометрического подобия, типоразмерные ряды поршневых пневмодвигателей, выполненных на унифицированных У- и Ш- образных базах поршневых компрессоров с номинальным поршневым усилием 2,5... 16 кН.

В результате экспериментов (обработано более 1,5 тысяч режимов) было установлено, что индикаторная мощность Щ и частота вращения вала п пневмодвигателя при неизменной внешней нагрузке зависит от следующих режимных и конструктивных параметров: начального давления рн, диаметра цилиндра Д хода поршня 5, величины относительного мёртвого пространства а, площади сечений выхлопных окон /0, максимальной высоты подъёма запорного элемента клапана А и суммарной жесткости пружин С„р.

q, (мЗ/мин)/кВт

0,4 0,5 0,6 Рн, Мпа

Рис.8. Изменение удельных затрат сжатого воздуха на входе при различных высотах перемещения (Л, мм) запорного элемента: 1) 11=0,25; 2) 11=0,75; 3) Ь=1; 4) 11=1,25

После обработки полученных экспериментальных данных и данных, полученных ранее Е.Г. Бычковским для пневмодвигателей и А.Д. Ваняшовым для детандеров детандер-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами, для принятого определяющего размера пневмодвигателя - диаметра цилиндра безразмерная зависимость, предложенная ранее Е.Г. Бычковским, модернизированная и дополненная симплексами геометрического подобия, в наибольшей степени оказывающими влияние на рабочий процесс, приобрела следующий вид:

\0.95 , , / „

С^-п-й1 _22-= 7,7.

И, -А

Л -л

0,25

(7)

Полученная зависимость может быть использована для расчёта индикаторной мощности пневмодвигателя при заданной частоте вращения в инженерной методике при следующих безразмерных соотношениях:

!(Ри • А) = 3,3 -16,5; /0/£>2 =0,0375-0,105; 5/£>==0,633-3,125; а = 0,31-2,0.

Для расчёта средних за цикл коэффициентов давления £д и расхода ц. для нормально открытого самодействующего кольцевого клапана были также предложены эмпирические зависимости в виде:

г * V1-15 £,=0,13-^

/с

(8)

В результате сопоставления экспериментальных и расчётных данных при работе пневмодвигателей на различных режимах с различными конструктивными параметрами машины было установлено их удовлетворительное соответствие. Расхождения по индикаторной мощности не превышали 2,4-3,7%, по объёмному расходу «свободного» (при параметрах окружающей среды) воздуха в пределах 3,24,8%.

С учетом результатов теоретических и экспериментальных исследований была уточнена инженерная методика расчета основных параметров ПД. На основании результатов расчетов по инженерной методике с последующей оптимизацией на математических моделях предложены типоразмерные ряды ПД на унифицированных У- и Ш- образных базах компрессоров общепромышленного назначения с номинальным поршневым усилием 2,5...16 кН.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработаны и экспериментально подтверждены математические модели рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами, основанные на уравнениях: сохранения энергии, сохранения массы, состояния, расхода, динамики самодействующих клапанов и динамики кривошипно-шатунных механизмов движения. Модели адекватно описывают процессы. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных указывает на удовлетворительное совпадение их как с количественной, так и с качественной стороны. Расхождение эксперимента с расчётом по индикаторным мощностям составило в 2,4-3,7%, расходу сжатого воздуха - 3,2-4,8%;

2. Созданы экспериментальные стенды для исследования рабочих процессов физических моделей пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами с использованием современных автоматизированных средств измерения и обработки результатов эксперимента.

3. Предложены конструкции поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами, новизна которых подтверждена патентами России на изобретения и полезные модели.

4. На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований поршневого прямоточного пневмодвигателя установлено, что:

- перемещение запорного элемента относительно седла клапана (крышки цилиндра) представляется наиболее экономичным, простым и конструктивно выполнимым способом регулирования. Наиболее рациональный рабочий процесс прямоточных поршневых пневмодвигателей с наименьшими удельными затратами может быть обеспечен путём регулирования высоты подъёма запорного элемента при закрытии впускного клапана при относительном ходе поршня около 0,55-0,65 от ВМТ;

- форсированный режим работы пневмодвигателя при жёстких пружинах сжатия достигается увеличением высоты подъёма запорного элемента, обеспечивающим закрытие нормально открытых впускных клапанов в момент прохождения поршнем выхлопных окон;

для нормального функционирования пневмодвигателя необходимо обеспечивать открытие впускного клапана при достижении не более 0,25 обратного относительного хода поршня до ВМТ;

- для обеспечения запуска пневмодвигателя и его функционирования без применения дополнительных конструктивных средств наиболее целесообразно использовать схему с двумя оппозитно расположенными цилиндрами;

- разработанная конструкция лепесткового клапана работоспособна в широком диапазоне нагрузок и повышенных давлений сжатого воздуха.

5. Уточнена инженерная методика расчёта прямоточных пневмодвигателей с учётом предложенных безразмерных зависимостей.

6. На основании расчётов по математической модели рабочих процессов и уточнённой инженерной методике предложены типоразмерные ряды поршневых пневмодвигателей, выполненных на унифицированных У- и Ш- образных базах поршневых компрессоров с номинальным поршневым усилием 2,5... 16 кН.

7. Рекомендации по созданию типоразмерных рядов пневмодвигателей, выполненных на унифицированных базах поршневых компрессоров, могут быть использованы при разработке и изготовлении опытных и серийных образцов на предприятиях по производству компрессорной техники и, в частности, на моторостроительном предприятии им. П.И. Баранова (г. Омск), ЗАО «Барренс» (г. Санкт-Петербург).

Основные научные результаты диссертации представлены в следующих

работах:

1. Бурьян Ю.А., Загородников А.П., Калекин B.C., Калекин Д.В., Силков М.Б., Исследование динамики пневмодигатель-компрессорного агрегата // Материалы VI Межд. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин».- Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.- с. 14-18.

2. Аристов В.В., Калекин B.C., Калекин Д.В. Методика автоматизированных исследований рабочих процессов поршневых машин // Материалы VI Межд. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин».-Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007.-с.3-6.

3. Калекин B.C., Калекин Д.В., Загородников А.П. Экспериментальное исследование поршневого пневмодвигателя с самодействующими" клапанами // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 11. - с. 26-29.

4. Калекин B.C., Силков М.В., Калекин Д.В., Загородников А.П. Математическая модель динамики поршневого пневмодвигательно-компрессорного агрегата // Химическое и нефтегазовое машиностроение. - 2008. - № 11. - с. 30-32.

5. Kalekin V.S., Kalekin D.V., Zagorodnikov А.Р. Research and development of pneumatic engine and piston machines with auto-triggering valves /18th International Congres of Chemical and Process Engineering. CH1SA-2008 // Czech Republic. Praha.-Vol.5.- p. 1780.

6. Калекин B.C., Калекин Д.В., Загородников А.П. Экспериментальное исследование поршневого пневмодвигателя с самодействующим клапаном // Компрессорная техника и пневматика. - № 1.- 2009. -с. 19-22.

7. Калекин Д.В. Поршневой газовый двигатель с самодействующим впускным клапаном // Тезисы докладов VIII Межд. науч.-техн. конф. Молодых специалистов

«Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин».- Казань: Изд-во «Слово». 2009. - с.57-60.

8. Kalekin V.S., Kalekin D.V., Zagorodnikov A.P. Working process of forward flow reciprocating gas engine with new gas distribution system. International conference Biofuels for energetic 2009.- Prague. Chezh Technical University in Prague.- 2009. Ceska republika. - c.12.

9. Калекин Д.В. Поршневой газовый двигатель с принципиально новой системой газораспределения // Материалы VII Межд. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин».-Омск: Изд-во ОмГТУ, Кн.2.- 2009.- с.24-27.

10. Аристов В.В., Калекин Д.В. Экспериментальный стенд и методика испытаний поршневого пневмодвигателя // Материалы VII Межд. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин».-Омск: Изд-во ОмГТУ, Кн.2.- 2009.- с.54-58.

11. Загородников А.П., Калекин Д.В. Реализация математической модели рабочих процессов пневмоагрегатов // Материалы VII Межд. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин».-Омск: Изд-во ОмГТУ, Кн.2.- 2009.- с.83-86.

12. Калекин Д.В., Аристов В.В. Некоторые результаты экспериментальных исследований рабочих процессов поршневого пневмодвигателя // Материалы VII Межд. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин».-Омск: Изд-во ОмГТУ, Кн.2.- 2009,- с.96-100.

13. Поршневая расширительная машина. Патент на полезную модель № 38852, Россия, МКИ F 04 В 39/10, 53/10. // Калекин B.C., Калекин В.В., Калекин Д.В. Опубл. 27.05.2007 Бюл. № 15.

14. Поршневой пневмодвигатель. Патент № 2330962, МПК F01B 17/02, F01B 25/10, FOIL 11/02 // Калекин B.C., Калекина Н.Н., Калекин Д.В., Ильин А.В. 0публ.10.08.2008 Бюл. №22.

15. Поршневой расширительно-компрессорный агрегат. Патент на изобретение № 2321803, МПК F 25 В 9/00 (2006.01) // Калекин B.C., Калекина Н.Н, Калекин Д.В., Калекин В.В., Ильин А.В. Опубл. 10.04.2008 Бюл, №10.

Публикации 3,4,6 отнесены, а 14, 15 приравнены к изданиям из Перечня ВАК, рекомендуемых для публикаций содержания диссертаций.

Печатается в авторской редакции Подписано в печать 19.05.2010г. Формат 60x84/16. Бумага офсетная. Гарнитура «Тайме». Усл.п.л. 1,5. Уч.-издл. 1,5. Тираж 100 экз. Тип.зак. 25

Отпечатано на дупликаторе в полиграфической лаборатории кафедры «Дизайн и технологии медиаиндустрии» Омского государственного технического университета 644050,0мск-50, пр. Мира, 11

Введение.

1.Анализ литературных данных. Постановка задач исследования.

1.1. Пневматический привод в промышленности.

1.2. Поршневые пневмодвигатели с принудительным газораспределением.

1.3. Конструкции пневматических двигателей и агрегатов с самодействующими клапанами.

1.4. Теоретические процессы поршневых пневматических двигателей.

1.5. Теоретические и экспериментальные исследования рабочих процессов и динамики механизмов движения поршневых двигателей.

2. Математические модели рабочих процессов и динамики механизмов движения поршневых машин и агрегатов с самодействующими газораспределительными органами.

2.1. Моделирование газового состояния в рабочих камерах.

2.2. Моделирование динамики механизмов движения пневмодвигателя и пневмодвигательно-компрессорного агрегата.

2.3. Результаты численных исследований динамики механизмов движения.

Выводы.

3. Экспериментальные исследования. Методика эксперимента.

3.1. Экспериментальные стенды.

3.2. Автоматизация экспериментальных исследований поршневых машин.

3.3. Методика измерения динамических характеристик поршневого пневмодвигателя.

3.4. Погрешности измерений.

Выводы.

4. Результаты экспериментальных исследований поршневых пневмодвигателей.

4.1. Особенности запуска пневмодвигателей с самодействующими клапанами.

4.2. Функционирование пневмодвигателя в установившемся режиме.

Выводы.

5. Применение методов теории подобия для обработки результатов эксперимента и расчёта поршневых машин.

5.1. Подобие рабочих процессов прямоточных пневмодвигателей с самодействующими впускным клапанами.

5.2. Подобие газодинамических процессов при течении газа через нормально открытые самодействующие клапаны.

5.3. Подобие тепловых процессов в поршневых машинах.

5.4. Инженерная методика расчёта поршневого пневмодвигателя с впускным самодействующим клапаном.

5.5. Типоразмерный ряд поршневых пневмодвигателей на унифицированных компрессорных базах.

Основные результаты работы.

Компрессоры и пневмодвигатели получили самое широкое распространение в различных отраслях промышленности. В качестве привода компрессоров, как правило, применяются электродвигатели. В пневмодвигателях используется энергия сжатого воздуха (пневматическая энергия) для получения механической работы, работа которых невозможна без компрессоров.

На привод компрессоров расходуется около 15% электроэнергии, вырабатываемой электростанциями России. Наибольшее распространение во многих отраслях промышленности получили воздушные компрессоры общепромышленного назначения с конечным давлением 0,9-1,3 МПа [1-3]. Потребителями энергии сжатого воздуха компрессоров общепромышленного назначения являются пневмодвигатели с номинальным давлением на входе 0,63 МПа.

Разработка и создание высокоэффективных компрессоров и потребителей пневматической энергии следует отнести к одному из важнейших направлений развития современной науки и техники.

Пневматическая энергия не имеет альтернативы при использовании ее для привода машин и механизмов пожаро- и взрывобезопасных производств, к которым следует отнести, в первую очередь, предприятия горнодобывающей промышленности.

Метан остается одним из самых опасных спутников шахтеров при разработке многих угольных месторождений. Реальная и высокая вероятность аварий (угроза) загорания метана, вспышки или взрывы на шахтах имеется в результате появления источников открытого огня (искры). В основном искру «дают» кабели подвода электроэнергии взрывозащищенных электродвигателей, не обеспечивающие безопасного привода механизмов и машин шахтного оборудования, вследствие повышения концентрации метана в отдельных угольных выработках.

Потребители пневматической энергии наиболее широко представлены поршневыми пневмодвигателями. Потребность только горных предприятий в поршневых пневмодвигателях составляет несколько десятков тысяч в год.

Перспективны применения поршневых пневмодвигателей (ПД) для горных машин и комплексов при разработке глубоко залегающих полезных ископаемых связаны не только с повышенной опасностью взрыва газа или пыли, но и с наличием холодильного эффекта, роль которого существенно возрастает с увеличением глубины разработок, повышением температуры атмосферы в подземных выработках. При этом холодопроизводительность поршневых ПД, принципиально не отличающихся от детандеров (энергетических машин для расширения и снижения температуры газов), тем выше, чем выше давление сжатого воздуха на входе.

Поршневые ПД с кривошипно-шатунным механизмом имеют ряд преимуществ по сравнению с ПД других типов: допускают перегрузку, имеют меньшие утечки сжатого воздуха, обладают хорошей пусковой характеристикой.

Одним из существенных недостатков поршневых ПД является наличие принудительного золотникового газораспределения, от которого во многом зависит не только экономичность, но и надежность их работы [4].

Золотниковый механизм, приводимый в движение от вала ПД для управления впуском и выпуском сжатого воздуха, представляет дополнительный узел трения, способствует повышенному потреблению сжатого воздуха и вследствие этого обладает невысоким КПД. Эксплуатационная надежность поршневого пневмодвигателя обусловлена частым выходом золотникового механизма газораспределения из строя [5].

Освобождение конструкции от воздухораспределительного механизма, замена его самодействующими клапанами обеспечит определенные предпосылки к повышению экономичности работы поршневых пневмодвигателей.

Введение в систему газораспределения ППД самодействующих клапанов позволит:

- упростить конструкцию путём исключения части деталей, подвергающихся трению, значительным механическим нагрузкам и износу;

- обеспечить эффективную работу особенно на нерасчетных режимах;

- сократить и даже исключить утечки рабочей среды. 7

Самодействующие клапаны, обладая малой инерционностью, способствуют значительному повышению частоты вращения коленчатого вала ПД, что позволит объединять его в один агрегат с поршневым компрессором, насосом, электрическим генератором с размещением их на одном валу и в одном корпусе.

Разработка и создание поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов на основе унифицированных компрессорных баз будет способствовать сокращению сроков внедрения и изготовления машин и агрегатов нового типа [6].

В связи с упрощением конструкций поршневых пневмодвигателей может быть расширена область их применения для энергосбережения потенциальной энергии газообразных сред (отходов, побочных и промежуточных продуктов) в химической и газовой промышленности, покидающих технологическое оборудование при повышенном избыточном давлении и требующих в этой связи редуцирования [7].

Поршневые ПД с принципиально новой системой газораспределения, использующие энергию предварительно сжатых или сжиженных, инертных по отношению к окружающей среде и биосистемам газов, могут также найти применение при разработке и создании экологически чистых двигателей автомобильного транспорта [8,9].

Отсутствие достаточного количества экспериментальных данных по исследованию процессов в поршневых пневмодвигателях с самодействующими клапанами повышенного давления сжатого воздуха, а вследствие этого надёжных методов их расчёта, не позволяют проектировать пневматические двигатели и агрегаты на их основе с высокими удельными энергетическими и массогабаритными показателями.

В связи с вышесказанным задачи, направленные на разработку и создание поршневых ПД с самодействующими клапанами на повышенное давление сжатого воздуха и агрегатов на их основе, оптимизацию рабочих процессов и конструкций, разработку методов их расчёта и математических моделей процессов являются весьма актуальными.

Связь темы диссертационного исследования с общенаучными государственными программами. Работа выполнена в рамках фундаментальных исследований по аналитической целевой ведомственной программе Федерального агенства по образованию Министерства образования и науки Российской Федерации «Развитие научного потенциала Высшей школы на 2006-2008 г.г.» № 1054 от 01.01.06 «Рабочие процессы поршневых пневмодвигателей и пневмодвигатель-компрессорных агрегатов».

Цель диссертационной работы. Разработка методов расчёта поршневых пневматических двигателей с нормально открытыми самодействующими клапанами на повышенном давлении сжатого воздуха и практических рекомендаций по их рациональному конструированию.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Создать математические модели термо-газодинамических процессов с учётом динамики механизмов движения поршневых ГТД с самодействующей системой газораспределения с учётом изменения внешней нагрузки и при работе в составе ГТДКА.

2. Разработать экспериментальные стенды для исследования рабочих процессов поршневых ПД с самодействующими клапанами с использованием современных автоматизированных средств измерения и обработки результатов эксперимента.

3. Провести исследования ПД при различных типах и конструктивных характеристиках нормально открытых самодействующих клапанов, геометрических и режимных параметрах работы двигателя.

4. На основании обобщения результатов натурных и численных экспериментов и численных исследований дать рекомендации по расчёту и конструированию поршневых ПД и ПДКА с самодействующей системой воздухораспределения.

5. Уточнить имеющиеся инженерные методики расчета и математические модели поршневых ПД с самодействующей системой воздухораспределения.

6. На основании уточнённых инженерных методик и математических моделей процессов предложить рекомендации по созданию типоразмерных рядов ПД на современных компрессорных базах с поршневыми усилиями 2,5.16 кН. 9

Научная новизна состоит в создании математизированных основ построения конструкций поршневых ПД, работающих на повышенном давлении воздуха.

В том числе:

1. Создании математических моделей термо-газодинамических процессов с учётом динамики механизмов движения поршневых ПД и ПДКА, особенностей конструкций нормально открытых самодействующих клапанов и кривошипно-шатунных схем механизмов движения;

2. Исследовании физических моделей поршневых ПД и ПДКА с различными типами и конструктивными характеристиками нормально открытых самодействующих клапанов, получении экспериментальных данных по влиянию конструктивных и режимных параметров поршневых ПД на характеристики их работы;

4. Обобщении результатов натурных и численных экспериментов с выдачей рекомендаций по рациональному конструированию поршневых ПД и ПДКА с самодействующей системой газораспределения при работе на повышенном давлении сжатого воздуха (до 1 МПа);

5. Уточнении инженерных методик расчета поршневых ПД и ПДКА с самодействующими клапанами с применением методов физического и геометрического подобия.

6. Выдаче рекомендаций по созданию типоразмерных рядов ПД на современных компрессорных базах с поршневыми усилиями 2,5. 16 кН.

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов, выводов и рекомендаций подтверждается обоснованными расчетными схемами, применением методов теории подобия, математическими моделями процессов ПД и ПДКА, основанными на фундаментальных законах физики, механики, термодинамики, газодинамики, теплопередачи, метрологическими характеристиками, используемого оборудования и приборов, удовлетворительным совпадением результатов расчета с экспериментом.

На защиту выносятся:

- математические модели термо-газодинамических процессов, совмещённых с динамикой механизмов движения ПД и ПДКА с самодействующей системой газораспределения;

- результаты экспериментальных и численных исследований физических и математических моделей поршневых ПД и ПДКА с самодействующей системой газораспределения при работе на повышенном давлении сжатого воздуха; усовершенствованные конструкции поршневых ПД и ПДКА с самодействующими клапанами;

- уточнённая инженерная методика расчёта поршневых прямоточных ПД с самодействующей системой газораспределения, основанная на полученной обобщённой безразмерной зависимости, дополнительно учитывающей размеры выхлопных окон, а также зависимостей для осреднённых значений коэффициентов расхода и давления для нормально открытых самодействующих клапанов.

Практическая ценность. Математические модели и программы расчета на ЭВМ, уточнённая инженерная методика могут быть использованы при разработке и создании ПД и ПДКА с самодействующими клапанами для взрыво-пожароопасных производств горнодобывающей, химической и нефтехимической промышленности. Результаты исследований используются в учебном процессе на кафедре «Машины и аппараты химических производств» ОмГТУ в качестве материала для курсового и дипломного проектирования, при проведении лабораторных и практических занятий.

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на 57-й Межвузовской студенческой научной конференции «Нефть и газ-2003, Москва, 2003г.; Всероссийской научно-практической конференции

Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города», Красноярск, 2006 г.;

Всероссийской научно-практической конференции «Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров», Стерлитамак, 2006 г.; «XIV

Международной научно-технической конференции по компрессорной технике»,

Казань, 2007 г.; VI Международной научно-технической конференции «Динамика

11 систем, механизмов и машин», Омск, 2007 г.; «3-й Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт», Омск, 2007 г.; 18th International Congress of Chemical and Process Engineering CHISA 2008, Praha, Czech Republic, 2008; Всероссийской научно-технической конференции «Россия молодая, передовые технологии в промышленность», Омск, 2008 г.; VIII Международной научно-технической конференции молодых специалистов «Исследование, конструирование и технология изготовления компрессорных машин», Казань, 2009 г.; VII Международной научно-технической конференции «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2009 г; научно-методических семинарах кафедры «Машины и аппараты химических производств», Омск, ОмГТУ, 2007-2009 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 10 статей, из них 3 статьи в журналах, рекомендованных ВАК, 2 тезисов докладов, 2 патента РФ на изобретение, 1 патент РФ на полезную модель.

Объем работы. Работа состоит из введения, 5-х глав, заключения, списка литературы, изложенных на 168 страницах машинописного текста, поясняется 70 рисунками, 6 таблицами. Список литературы включает 160 наименований.

В первой главе приводится обзор конструкций поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами, краткий анализ основных работ по теоретическому и экспериментальному исследованию рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и агрегатов на их основе. Анализ литературных данных позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Вторая глава посвящена разработке математических моделей рабочих процессов и термо-газодинамических процессов, совмещённых с динамикой механизмов движения поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующей системой газораспределения; анализу результатов численных исследований.

Третья глава посвящена разработке и описанию экспериментальных стендов для исследования физических моделей, методике автоматизированного эксперимента, оценке погрешностей полученных экспериментальных данных.

В четвёртой главе приведены результаты экспериментальных исследований рабочих процессов физических моделей пневмодвигателя и пневмодвигательно-компрессорного агрегата, сравнение с численными исследованиями .

В пятой главе предложены безразмерные зависимости, которые могут быть использованы при разработке и проектировании прямоточных поршневых пневмодвигателей, приводится уточнённая инженерная методика расчёта поршневого прямоточного пневмодвигателя, типоразмерные ряды поршневых пневмодвигателей с нормально открытыми самодействующими клапанам, выполненными на унифицированных У- и Ш- образных базах поршневых компрессоров с номинальным поршневым усилием 2,5. 16 кН.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей работе проведено исследование рабочих процессов поршневых пневмодвигателей с самодействующими клапанами на повышенном давлении сжатого воздуха.

Основные теоретические и практические результаты проведенных исследований состоят в следующем:

1. Разработаны и экспериментально подтверждены математические модели рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами, основанные на уравнениях: сохранения энергии, сохранения массы, состояния, расхода, динамики самодействующих клапанов и динамики кривошипно-шатунных механизмов движения. Модели адекватно описывают процессы. Сопоставление расчетных и экспериментальных данных указывает на удовлетворительное совпадение их как с количественной, так и с качественной стороны. Расхождение эксперимента с расчётом по индикаторным мощностям составило в 2,4-3,7%, расходу сжатого воздуха - 3,2-4,8%;

2. Созданы экспериментальные стенды для исследования рабочих процессов физических моделей пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами с использованием современных автоматизированных средств измерения и обработки результатов эксперимента.

3. Предложены конструкции поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами, новизна которых подтверждена патентами России на изобретения и полезные модели.

4. На основании результатов экспериментальных и теоретических исследований поршневого прямоточного пневмодвигателя установлено, что:

- перемещение запорного элемента относительно седла клапана (крышки цилиндра) представляется наиболее экономичным, простым и конструктивно выполнимым способом регулирования. Наиболее рациональный рабочий процесс прямоточных поршневых пневмодвигателей с наименьшими удельными затратами может быть обеспечен путём регулирования высоты подъёма запорного элемента при закрытии впускного клапана при относительном ходе поршня около 0,55-0,65 от ВМТ;

- форсированный режим работы пневмодвигателя при жёстких пружинах сжатия достигается увеличением высоты подъёма запорного элемента, обеспечивающим закрытие нормально открытых впускных клапанов в момент прохождения поршнем выхлопных окон; для нормального функционирования пневмодвигателя необходимо обеспечивать открытие впускного клапана при достижении не более 0,25 обратного относительного хода поршня до ВМТ;

- для обеспечения запуска пневмодвигателя и его функционирования без применения дополнительных конструктивных средств наиболее целесообразно использовать схему с двумя оппозитно расположенными цилиндрами;

- разработанная конструкция лепесткового клапана работоспособна в широком диапазоне нагрузок и повышенных давлений сжатого воздуха.

5. Уточнена инженерная методика расчёта прямоточных пневмодвигателей с учётом предложенных безразмерных зависимостей.

6. На основании расчётов по математической модели рабочих процессов и уточнённой инженерной методике предложены типоразмерные ряды поршневых пневмодвигателей, выполненных на унифицированных У- и Ш- образных базах поршневых компрессоров с номинальным поршневым усилием 2,5 .16 кН.

7. Рекомендации по созданию типоразмерных рядов пневмодвигателей, выполненных на унифицированных базах поршневых компрессоров, могут быть использованы при разработке и изготовлении опытных и серийных образцов на предприятиях по производству компрессорной техники и, в частности, на моторостроительном предприятии им. П.И. Баранова (г. Омск), ЗАО «Барренс» (г. Санкт-Петербург).

1. Галеркин, Ю.Б. Состояние и перспективы развития компрессорной техники в России Текст. / Ю.Б. Галеркин // Компрессорная техника и пневматика. 2006. № 5. -С.2-18.

2. Калекин, B.C. Компрессорная техника в химической промышленности. Состояние и перспективы Текст. / B.C. Калекин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2008. № 9.- С.23-26.

3. Чупраков, Б.К. Основы гидро- и пневмоприводов Текст. / Б.К. Чупраков. М.: Машиностроение, 1966.-160 с.

4. Кусницын, Г.И. Пневматические ручные машины. Справочник Текст. / Г.И. Кусницын, С.Б. Зеленецкий, С.И. Доброборский и др.- JL: Машиностроение, 1968.376 с.

5. Калекин, B.C. Рабочие процессы поршневых компрессорно-расширительных агрегатов с самодействующими клапанами Текст. /B.C. Калекин // Дисс. доктора техн. наук.- Омск.- 1999.- 450 с.

6. Прилуцкий, А.И. Применение поршневых расширительных машин в установках утилизации энергии сжатого природного газа Текст. /А.И. Прилуцкий // Химическое и нефтегазовое машиностроение. —2008.-№ 3. — С.26-30.

7. Туренко, А.Н. Экологически чистый криогенный транспорт: современное состояние, проблемы Текст. / А.Н. Туренко, А.И. Пятак,, И.Н. Кудрявцев и др. // Вестник ХГАДТУ. Сб: науч. Тр., Харьков. 2000. Вып. 12-13. С. 42-47.

8. Кабаков А.Н. Разработка научных основ совершенствования процессов выработки и снабжения подземных потребителей сжатым воздухом номинального и повышенного давления: Дис. . д-ра техн. наук.- Омск.- 1984.- 484 с.

9. Хлумский В. Поршневые компрессоры. М.: Гос. научн.-техн. изд. машиностр. литературы, 1962.-403 с.

10. Герман А.П. Применение сжатого воздуха в горном деле. НКТП-ЩНТИ, 1933.-224 с.

11. Иванов А.В. и др. Пневматический привод горных машин / А.В. Иванов В.К. Лаблайкс, Е.Д. Рябков.- М: ЦИНТИАМ, 1963. 59с.

12. Зиневич В.Д., Иванов В.П. Повышение момента шестеренных пневмодвигателей уменьшением числа зубьев роторов // Изв. Вузов, Горный журнал. -1966. -№ 4. -С.72-82.

13. Зеленецкий С.Б. и др. Ротационные пневматические двигатели. JI: Машиностроение, 1976.—239с.

14. Зиневич Е.Д., Рябков В.Д. Рациональный ряд пневмодвигателей //Записки ЛГИ. -T.XLVII. -выпуск 1. С.37-41.

15. Ярмоленко Г.З. Пневматический привод горных машин. М: Недра, 1967. -163с.

16. Кауфман М.С. Новые аксиально-поршневые пневмодвигатели //Угольное и горнорудное машиностроение. Рудничный транспорт НИИИНФОРМТЯЖМАШ 1968.-№21.-57с.

17. Зиневич В.Д. Теоретические и экспериментальные исследования пневматических двигателей погрузочных машин: Автореф. кан. техн. наук. -Л., 1955.-13 с.

18. Фролов Ю.Д. К вопросу применения роторного детандера в качестве пневмодвигателя //Изв. Вузов, Горный журнал. —1970. -№ 19. -С. 100.

19. Прудников С.Н. Расчет управляющих устройств пневматических систем М: Машиностроение, 1987. -152с.

20. Герасименко Г.П. Комплексное исследование при отработке глубоких месторождений. -М.: Недра, 1971.- 128 с.

21. Моисеев Л.Л. Перспективы развития компрессорного хозяйства глубоких шахт / Сб. науч. тр. КузПИ.-Кемерово, 1969.- № 13. С. 65-68.

22. Моисеев Л.Л. Моделирование и оптимизация режимов работы компрессорных станций горных предприятий.- Кемерово.: КузПИ, 1979.- 118 с.

23. Шафаренко И.А. Научно-технический прогноз развития техники и технологии добычи и обогащения железных руд II Горный журнал.- 1971.- № 3.- С. 34-36.

24. Зиневич, В. Д. Проектные параметры поршневых пневмомоторов для ковшовых породопогрузочных машин Текст. / В.Д. Зиневич, А.А. Демченко // Изв. Вузов, Горный журнал. 1980. -№ 8. -С.80-82.

25. Зиневич В.Д., Гешлин Л.А. Поршневые и шестеренные пневмодвигатели горно-шахтного оборудования.- М.: Недра, 1982,- 199 с.

26. Уравнение динамики и термодинамики поршневых пневмодвигателей //Изв. Вузов, Горный журнал. -1969. -№ 9. -С.103-109.

27. Зиневич В. Д. К расчету индикаторных диаграмм и энергетических характеристик пневматических поршневых двигателей /Изв Вузов, Горный журнал. -1965. -№11.-С.83-88.

28. Зиневич В.Д. Исследование рабочих процессов пневматических двигателей горных машин: Автореф.д-ра техн. наук.- Сталино., 21 стр.

29. Мурзин В.А. Эффективность использования работоспособности потока сжатого воздуха в поршневых пневмодвигателях //Изв. Вузов, Машиностроение. -1965. -№7. -С. 153-160.

30. Артоболевский И.И., Герц Е.В., Кобринский А.Е. и др. К динамике пневматических устройств //Труды семинара по ТММ/ М., Изд. АН СССР. -вып. 56. -1955.-С.67.

31. Герц Е.В. К расчету пневматического поршневого с золотниковым распределителем //Изв. АН СССР, ОТН. -1955. -С.83-89.

32. Бежанов Б.Н. Пневмоавтоматика в производственных машинах Л.: ЛПИ, 1950. -111 с.

33. Бежанов Б.Н. Пневматические механизмы JL: Машгиз, 1957. -252 с.

34. Бежанов Б.Н. Пневматические системы автоматизации технологических процессов JL: Машгиз, 1963. -197с.

35. Боровков А. А. К теоретическому исследованию рабочих процессов поршневого пневматического двигателя //Изв. Вузов, Горный журнал. -1964. -№ 11. -С. 104-110.

36. Березовец Г.Т., Дмитриев В.Н., Наджафаров Э.М. О допустимых упрощениях при расчете пневматических регуляторов //Приборостроение. -1957. -№ 4. -С.11-18.

37. Холзунов А.Г. Основы расчета пневматических приводов. M.-JL: Машиностроение, 1964.-268 с.

38. Подчуфаров Б.М. Некоторые вопросы теории пневматических сервомеханизмов при учете теплообмена в рабочих полостях привода и трубопроводах //Из. вузов., Машиностроение. -1964. -№6. -С.134-146.

39. Корабельщиков Н.И. К расчету адиабатных процессов при переменной теплоемкости //Изв. Вузов, Машиностроение. -1966. -№2. -С.88-92.

40. Корабельщиков Н.И. К определению политропных процессов //Изв. Вузов, Машиностроение. -1966. -№4. -С. 107-111.

41. Turnquist R.O. Comparing gas flow formulas for control. Valve sizing //IZA Journal.-1961. 6. -C.71-86.

42. Герц E.B., Крейнин Г.В. Некоторые вопросы динамики устройств управления пневматических систем машин-автоматов //Пневмо- и гидроавтоматика. -М.: Наука, 1964г. С.67-75.

43. Крейнин Г.В. К расчету пневматических устройств в безразмерных параметрах //Анализ и синтез машин автоматов. -М.: Наука, 1964. -С. 103-112.

44. Бычковский, Е.Г. Разработка и исследование поршневых пневматических двигателей с самодействующими клапанами. Текст. / Е.Г. Бычковский // Дис. канд. техн. наук.- Омск.- 2001.

45. Калекин, B.C. Поршневой пневмодвигатель с самодействующим впускным клапаном Текст. / B.C. Калекин, В.А. Плотников, Е.Г. Бычковский, В.В. Калекин // Вестник Кузбасского государственного технического университета. 2002,- № 3.- С. 46-48.

46. Прилуцкий И.К. Разработка, исследование и создание компрессоров и детандеров для криогенной техники: Дис. д-ра. техн. наук. -JL, 1991г.

47. Прилуцкий И.К. и др. Состояние и перспективы создания прямоточных поршневых детандеров с самодействующими клапанами. // Криогенная техника -науке и производству: Тез. докл. МНПК. ЩЕНТИХимНефтеМаш, НПО «Криогенмаш», 1991.

48. Прилуцкий И.К., Прилуцкий А.И. Расчет и проектирование поршневых компрессоров и детандеров на нормализованных базах. Учебное пособие для ВУЗов, СПб.: СПГАХиПТ, 1995.-193 с.

49. Прилуцкий А.И. . Совершенствование систем газораспределения компрессорных и расширительных машин: Дис. . канд. техн. наук., СПб., 1997.

50. Молодова Ю.И. Анализ работы поршневой расширительной машины // Компрессорная техника и пневматика.- 1998.- № 18-19.- С. 37-41.

51. Л.Г. Кузнецов, Д.Н. Иванов, Ю.И. Молодова, А.П. Верболоз Обобщенная математическая модель рабочих процессов ступени машин объемного действия //Компрессорная техника и пневматика. -2000. -№ 1. -С.23-26. .

52. Ваняшов А.Д. Разработка и исследование поршневых детандер-компрессорных агрегатов с самодействующими воздухораспределительными органами: Дис.канд. техн. наук. Омск, 1999 г.

53. Калекин B.C., Ваняшов А.Д., Плотников В.А. Расчет поршневых многоступенчатых компрессорных машин и детандер компрессорных агрегатов методом математического моделирования // Вестник КузГТУ. -1999.-№5. -С.10-13.

54. Ваняшов А.Д., Калекин B.C., Кабаков А.Н. Разработка и исследование детандер-компрессорных агрегатов, выполненных на унифицированных компрессорных базах //Омский научный вестник. -Омск: ОмГТУ, 1999. -вып. 6. -С.47-51.

55. Калекин B.C., Калекин Д.В. Процессы поршневых пневмодвигателей с самодействующими клапанами // Энергоэффективность систем жизнеобеспечения города. Материалы VII Всероссийской научно-практической конференции.-Красноярск: КГТУ, 2006.- С. 56-64.

56. Калекин B.C., Калекин Д.В. Поршневые пневмодвигатели с самодействующими клапанами // Актуальные проблемы химической технологии и подготовки кадров. Материалы Всероссийской научно-практической конференции. Уфа: УГНТУ,-2006. С. 253-258.

57. Бурьян, Ю.А. Перспективы создания поршневых пневматических двигателей и агрегатов с самодействующими клапанами Текст. / Ю.А. Бурьян, B.C. Калекин, А.П. Моргунов // Компрессорная техника и пневматика.- 2007.- № 2.- С. 31-35.

58. Бурьян, Ю.А. Перспективы создания поршневых пневматических двигателей и агрегатов с самодействующими клапанами Текст. / Ю.А. Бурьян, B.C. Калекин,

59. A.П. Моргунов // Труды XIV Межд. науч.-техн. конф. по компрессорной технике — Казань: Изд-во «Слово», 2007. Т.1. С.204-214.

60. Поршневой пневмодвигатель: Патент на изобретение № 2097576, МКИ FOIL 9/02, 25/00, F 01 В 25/02 / Антропов И.А., Ваняшов А.Д., Кабаков А.Н., Калекин

61. B.C., Прилуцкий И.К. Заявл. 08.08.1995, опубл. 27.11.1997.158

62. Поршневой детандер: Свидетельство на полезную модель № 11312, МКИ F 25 В 1/02 / Ваняшов А.Д., Кабаков А.Н., Калекин B.C. Заявл. 31.12.1998, опубл.1609.1999,

63. Поршневая расширительная машина. Патент на изобретение № 2183288, МКИ F 04 В 39/10, 53/10 / Калекин B.C., Бычковский Е.Г., Ваняшов А.Д., Кезь Д.Н. Заявл.1505.2000, опубл. 10.06.2002.

64. Поршневая расширительная машина. Патент на полезную модель № 38852, МКИ F 04 В 39/10, 53/10 / Калекин B.C., Калекин В.В., Калекин Д.В. Заявл. 03.03.2004, опубл. 10.07.2004.

65. Поршневая расширительная машина. Патент на изобретение № 2151302, МКИ F 01 L 9/02, F 01 В 25/02, F 03 С 1/08 / Ваняшов А.Д., Кабаков А.Н., Калекин B.C., Прилуцкий И.К. Заявл. 13.04.1998, опубл. 20.06.2000.

66. Поршневая расширительная машина. Свидетельство на полезную модель № 16379, МКИ FOIL 9/02, F 01 В 25/02 / Калекин B.C., Ваняшов А. Д., Коваленко С.В. Заявл. 27.06.2000, опубл. 27.12.2000.

67. Поршневая расширительная машина. Свидетельство на полезную модель № 13060, МКИ FOIL 2/02, F 25 В 1/02 / Ваняшов А. Д., Калекин B.C., Коваленко С.В. Заявл. 28.09.1999, опубл. 20.03.2000.

68. Поршневая расширительная машина. Патент на изобретение № 2206791, МКИ F 04 В 39/10, 53/10 / Ваняшов А.Д., Калекин B.C., Коваленко С.В., Калекин В.В. Заявл.0908.2001, опубл. 20.06.2003.

69. Поршневой пневмодвигатель. Патент № 2330962, МПК F01B 17/02, F01B 25/10, FOIL 11/02 //Калекин B.C., Калекина Н.Н., Калекин Д.В., Ильин А.В. Опубл. 10.08.2008 Бюл. №22.

70. Болштянский, А.П. Экспериментальное исследование поршневого компрессора с газостатическим уплотнением поршня Текст. / А.П. Болштянский, B.JI. Гринблат, В.Г. Громыхалин, И.М. Грицив // Холодильные машины. -Новосибирск, 1978. —С.94-97.

71. Гринблат, B.JI. Математическое моделирование и экспериментальное исследование ступени компрессора с газостатическим подвесом поршня Текст. /159

72. B.JT. Гринблат, А.П. Болштянский, В.Г. Громыхалин // Криогенные машины: Сб. трудов.- Омск, 1980.- С.50-61.

73. Абакумов, Л.Г. Исследование конструктивных схем газостатического поршневого подвеса компрессора Текст. / Л.Г. Абакумов, В.Г. Деньгин, Л.И. Кулиш // Химическое и нефтяное машиностроение.- 1993.-№ 5.-С.12-14.

74. Болштянский, А.П. Теоретические основы расчета и проектирования поршневых компрессоров с газостатическим центрированием поршня Текст. / А.П. Болштянский //Автореферат дис. . докт. техн. наук.- Омск, 1999.

75. Расширительно-компрессорный агрегат. Свидетельство на полезную модель № 23669, МКИ F 25 В 9/00 / Бычковский Е.Г., Ваняшов А.Д., Калекин B.C., Кабаков А.Н. Заявл. 03.07.2000, опубл. 27.06.2002.

76. Поршневой расширительно-компрессорный агрегат. Патент на изобретение № 2321803, МПК F 25 В 9/00 (2006.01) //Калекин B.C., Калекина Н.Н, Калекин Д.В., Калекин В.В., Ильин А.В. Опубл. 10.04.2008 Бюл. № 10.Калекин B.C., Калекин Д.В.

77. Калекин B.C., Ваняшов А.Д., Бычковский Е.Г. Перспективы создания поршневых пневматических двигателей с самодействующими клапанами / Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2002. - № 12. - С. 22-24.

78. Kalekin V.S., A.D. Vanyashov, E.G. Bychkovskii. Prospects of building piston pneumatic motors with self-acting valves / Chemikal and petroleym engineering. New York: Kluver academic / Consultantants bureau 2002. - Vol. 38, Nos. 11-12. - p. 739742.

79. Калекин, B.C. Экспериментальное исследование поршневого пневмодвигателя с самодействующими клапанами Текст. / B.C. Калекин, Д.В. Калекин, А.П. Загородников // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2008. - № 11.-е. 2629.

80. Калекин, B.C. Поршневой пневмодвигатель с самодействующим клапаном Текст. / B.C. Калекин, М.В. Силков, Д.В. Калекин, А.П. Загородников //ч

81. Нестационарные, энерго-и ресурсосберегающий процессы и оборудование в химической, нано-и биотехнологии. Материалы третьей научно-практической конференции.- М: МГУПБ.-2008,- с.133-135.

82. Френкель М.И. Поршневые компрессоры — Л: Машиностроение, 1969-740с.

83. Фотин Б.С., Штейнгарт Л. Расчет рабочего процесса ступени поршневого компрессора // Исслед. в обл. компрессор, машин. Тр. 3-й Всес. конф. по компрессоростр. -Казань., 1974. С. 5-12.

84. Фотин Б.С. Рабочие процессы поршневых компрессоров: Дис. . д-ра техн. наук.- Л., 1974.

85. Твалчрелидзе А.К. Исследование влияния основных геометрических соотношений на экономическую эффективность поршневых компрессоров общего назначения: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- М., 1975.

86. Петров В.В. Исследование, рабочего процесса многоступенчатого компрессора: Дис. . канд. техн. наук.- Л., 1975.

87. Федоренко С.В. Исследование изменения температуры газа в цилиндрах поршневых компрессоров: Автореф: дис. . канд. техн. наук.- М., 1977.

88. Plastinin P. Fedorenko S. Simulation of transient gas temperatures in cylinders of reciprocating compressors using identification techniques with mathematical model // Proceedings of the 1978 Purdue Compressor Technology Conference. West Lafayette.161

89. Purdue Compressor Technology Conference. West Lafayette. Purdue University.- 1978.-p. 380.

90. Калекин B.C., Прилуцкий И.К., Фотин Б.С. Исследование рабочих процессов поршневых компрессоров общепромышленного назначения / Тр. ЛПИ им. Калинина.- Тема № 3540.- Л.: 1978.- 216 с.

91. Ивашнев Е.А., Калекин B.C., Карапетян Р.Н., Прилуцкий И.К. Пути оптимизации конструкции компрессора ВУ-2,5/12 // Промышленность Армении.-1978.-№ 11.- С. 35-38.

92. Калекин B.C. Исследование рабочих процессов поршневых компрессоров общепромышленного назначения: Дис. . канд. техн. наук,- Л., 1978.

93. Зозуля В.И. Исследование рабочих процессов поршневого компрессора при его интенсификации: Автореф. дис. . канд. техн. наук.- М., 1979.

94. Прилуцкий И.К. Исследование математического моделирования при разработке, исследовании и создании ряда высокооборотных поршневых компрессоров малой производительности / Сб. науч. тр. № 370.- Л.: ЛПИ им. Калинина.- 1980.

95. Ивашнев Е.А. Разработка и исследование поршневых компрессоров малой производительности с воздушным охлаждением: Дис. . канд. техн. наук.- Л., 1981.

96. Бойко А.Я. Рабочие процессы высокооборотных поршневых компрессоров: Дис. . канд. техн. наук. Л., 1982.

97. Чекушкин, Г.Н. Исследование динамики и прочности пластин кольцевых самодействующих клапанов поршневых компрессоров. Текст. / Г.Н. Чекушкин // Автореферат дис. . канд. техн. наук.-Л., 1966.

98. Исаков, В:П. Исследование динамики и прочности самодействующих дисковых клапанов поршневых компрессоров. Текст. / В.П. Исаков // Автореферат дис. . канд. техн. наук.- Л., 1969.

99. Спектор, Б.А. Исследование динамики и прочности самодействующих клапанов поршневых компрессоров Текст. / Б.А. Спектор // Автореферат дис. . канд. техн. наук.- Л., 1970.

100. Игнатов, Б.И. Исследование работы ленточных клапанов с механическим демпфированием на седле. Текст. / Б.И. Игнатов // Автореферат дис. . канд. техн. наук.-Л., 1972.

101. Мясников, В.Г. Исследование влияния динамических процессов на рабочий цикл самодействующих прямоточных клапанов поршневого компрессора Текст. / В.Г. Мясников // Автореферат дис. . канд. техн. наук.- Л., 1974.

102. Хрусталев, Б.С. Исследование работы группы клапанов поршневого компрессора. Текст. / Б.С. Хрусталев // Автореферат дис. . канд. техн. наук.- JL, 1974.

103. Поска, А.А. Исследование новых конструкций прямоточных и кольцевых клапанов и разработка методов их расчета. Текст. / А.А. Поска // Автореферат дис. . канд. техн. наук.-JI., 1974.

104. Brablic J., Computer simulation of the working process in the cylinder of a reciprocating compressor with piping system Текст. / Purdue Compressor Technology Conferencs.- 1974.- C. 151-158.

105. Лебедев, C.A. Исследование динамики и прочности пластин самодействующих клапанов поршневых компрессоров. Текст. / С.А Лебедев // Автореферат дис. . канд. техн. наук.- Л., 1980.

106. Touber S. Zuiger compressoren computer simulatie big het optimal ontweppen vankleppen Текст. / Constructeur.- 1982.- № 4.- C. 21.

107. Барышников, Г.А. Математическое моделирование газодинамических процессов у запорного органа клапана поршневого компрессора Текст. / Г.А. Барышников, В.П. Левшин // Извстия ВУЗов. Машиностроение.- 1982,- № 11,- С. 8690.

108. Кондратьева, Т.Ф. Клапаны поршневых компрессоров. / Т.Ф. Кондратьева, В.П. Исаков // Л.: Машиностроение, 1983.- 158 с.

109. Копелевич, А.С. Расчет потерь давления в клапанах поршневого компрессора Текст. / А.С. Копелевич // Хим. и нефт. машиностр.- 1984,- № 3.- С. 27-30.

110. Пирумов, И.Б. Разработка методов газодинамического, динамического и прочностного расчетов, моделирование работы и оптимизация самодействующихклапанов поршневых компрессоров. Текст. / И.Б Пирумов // Автореферат дис. . д-ра техн. наук.- JL, 1984.

111. Петраш, В.И. Математическое моделирование работы и оптимизация кольцевых клапанов с газовым демпфером для поршневых компрессоров. Текст. / В.И. Петраш // дис. . канд. техн. наук.- JL, 1986.

112. Matsumura Masayoshi, Kato Minocu, Hirata Toshiaki. Behavior and analysis of reciprocatiny compressor valve / KOBELCO Technol. Rev.-1992.

113. Шпигель, М.Я. Метод расчета динамики и потерь давления в самодействующих клапанах компрессоров Текст. / М.Я. Шпигель // Химическое и нефтегазовое машиностроение.- 1993.-№ 12.-С. 11-15.

114. Исаков, В.П., Хрусталев Б.С. Самодействующие клапаны поршневых компрессоров для различных областей применения Текст. / В.П. Исаков, Б.С. Хрусталев // Химическое и нефтегазовое машиностроение 1995.- № 11.- С. 67-70.

115. Хрусталев, Б.С. Математическое моделирование рабочих процессов в объёмных компрессорах для решения задач автоматизированного проектирования. Текст. / Б.С. Хрусталев // Дис. . д-ра техн. наук.- Л.: СПбГПУ, -2000.

116. Карапетян Р.Н., Прилуцкий И.К., Хрусталев Б.С., Фотин Б.С. Газодинамические характеристики элементов поршневых компрессоров // Пром-ть Армении.- 1975.- №11.- С.42-44.

117. Карапетян Р.Н., Прилуцкий И.К., Хрусталев Б.С. Выбор клапанов с упругим ограничителем подъема // Пром-ть Армении.- 1976.- №8.- С.38-40.

118. Прилуцкий И.К., Петраш В.И., Ивашнев И.А., Прихожай Е.П. Математическая модель полосового клапана с упругим ограничителем // Расч. и эксперим. исслед. холод, и компр. машин.- М,- 1982.- С. 38-98.

119. Поршневой детандер. Патент № 2029911, МКИ F 25 В 1/02 / Прилуцкий И.К., Антонов Н.М., Исаков В.П., Мовчан Е.П., Деньгин В.Г., Меркель Н.Д., Прилуцкий1641. А.И.

120. Ваняшов А.Д, Калекин B.C., Кабаков А.Н. Детандер-компрессорный агрегат с самодействующими клапанами // Криогенное и холодильное оборудование: Сб. науч. трудов.- Омск: Сибкриотехника, 1999.- ч. 2 С.216-224.

121. Ваняшов А.Д, Калекин B.C., Кезь Д.Н. Новые конструкции поршневых детандер-компрессорных агрегатов // Перспективные материалы, технологии, конструкции: Тез. докл. 5-й Всерос. науч.-техн. конф. Красноярск, 1999.- С. 363364.

122. Ваняшов А.Д, Калекин B.C., Коваленко С.В. Исследование поршневого детандер-компрессорного агрегата с самодействующими органами газораспределения // Химическое и нефтегазовое машиностроение. -2001.-№ 9. -С.28-31.

123. Калекин B.C., Бычковский Е.Г., Ваняшов А.Д., Калекин В.В. Поршневой пневмодвигатель с самодействующим впускным клапаном / Химическая техника. -2002. № 1. - с. 27-29.

124. Коваленко С.В. Комбинированная система воздухораспределения с самодействующими клапанами поршневых детандер-компрессорных агрегатов: Дис.канд. техн. наук. -Омск, 2003 г.

125. Калекин В.В. Разработка и исследование поршневых пневмодвигателей и пневмодвигатель-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами: Дис.канд. техн. наук. Омск.- 2005.

126. Калекин B.C., Бычковский Е.Г. Применение безразмерных зависимостей для расчета и проектирования поршневых расширительных машин // Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2003. - № 7. - с. 28-29.

127. V.S. Kalekin, E.G. Bychkovskii. Dimensionless relations for calculating and designing reciprocating expansion engines // Chemikal and petroleym engineering. New York: Kluver academic / Consultantants bureau 2003. - Vol. 39; Nos. 7-8. - p. 416-420.

128. Пластинин П.И., Твалчрелидзе A.K. Введение в математическое моделирование поршневых компрессоров: Учебное пособие.- М.: МВТУ им. Баумана, 1976.- 78 с.

129. Пластинин П.И. Расчет и исследование поршневых компрессоров с использованием ЭВМ // Итоги науки и техники. Серия насосостроение и компрессоростроение.-М.-1981,-т.2.- 168 с.

130. Захаренко С.Е. К вопросу о протечках газа через щели, Тр. J11Ш им.М.И.Калинина, Ленинград, 1953, №2.

131. Калекин B.C., Калекин Д.В. Применение метода подобия для исследования и расчета конвективного теплообмена в поршневых машинах // Труды XIV Межд. науч.-техн. конф. по компрессорной технике-Казань: Изд-во «Слово», 2007. Т.1. -с.258-270.

132. Калекин B.C., Калекин Д.В. Применение метода подобия для исследования и расчета конвективного теплообмена в поршневых машинах // Химическое и нефтегазовое машиностроение.— 2007. № 6. - с. 34-39.166

133. Мордвинцев А.В., Пирумов И.Б., Хрусталев Б.С. Исследование аэродинамического демпфирования пластин клапанов //Депонированная рукопись, М.: ЦИНТИХИМНЕФТЕ-МАШ, 355/77,9.03.1977// Указ.ВИНИТИ. Депонированные рукописи. 1977.№10.с.17.

134. Пластинин П.И. Теория и расчет поршневых компрессоров. — М.: Агропромиздат, 1987.- 271 с.

135. Поршневые компрессоры / Б.С. Фотин, И.Б. Пирумов, И.К. Прилуцкий, П.И. Пластинин; Под ред. Б.С. Фотина.- Л.: Машиностроение, 1987.- 372 с.

136. Пластинин П.И. Поршневые компрессоры. Том 1. Теория и расчет /2-е изд., перераб. И доп. -М.:Колос, 2000.-456с.

137. Герц Е.В. Динамика пневматических систем машин. М.: Машиностроение, 1985. -256с.

138. Невенчанная, Т.О. Концепция комплексного расчета механизмов: от расчетной схемы до вопросов прочности Текст. / Т.О. Невенчанная, В.Е. Павловский, Е.В. Пономарева // М., ИПМ им. М.В.Келдыша РАН, 2003.

139. Аристов, В.В. Автоматизированный измерительный комплекс для исследования рабочих процессов поршневых машин. Текст. /В.В. Аристов, B.C.

140. Калекин Н В кн.: Тезисы докладов. Матер. XIV Междунар. Науч.-техн. Конф., Казань: ООО «Слово», 2007, С. 38-39.

141. Кирпичев М.В. Теория подобия. М.: Мир, 1953.

142. Woschni G. Beitrag zum Problem des Warmeuberganges im Verbrennungsmotor // MTZ. 1965. №4. S. 128-133.

143. Кавтарадзе Р.З. Локальный теплообмен в поршневых двигателях: Учеб. пособие для вузов. М.: Изд-во МГТУ им.Н.Э. Баумана, 2001. - 592 с.

144. Vogel Ch. Einflus von Wandablagenmgen auf den Warmeubergang im Verbrennungsmotor: Dissertation. 1995. TUMunchen. 119 s.

145. Калекин B.C., Прилуцкий И.К., Фотин Б.С. К вопросу расчета многоступенчатых поршневых компрессоров методом математического моделирования // Холодильные и компрессорные машины. Новосибирск. 1978. С. 115-121.

146. Ивашнев Е.А., Калекин B.C., Карапетян Р.Н., Прилуцкий И.К. Пути оптимизации конструкции компрессора ВУ-2,5/12 // Промышленность Армении.-1978.-№ Ц. С. 35-38.

147. Науменко А.И. Исследование теплообмена в поршневых компрессорах. Дис. . канд. техн. наук,- Л., 1974.

148. Петриченко P.M., Петриченко М; Р. Конвективный теплообмен в поршневых машинах.-Л.: Машиностроение.- 1979.- с.