автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Разработка и совершенствование методов расчёта рабочих процессов поршневых расширительных машин и агрегатов с самодействующими клапанами

Омский Государственный Технический Университет

На правах рукописи

005006636

Загородников Антон Павлович

-<3

Разработка и совершенствование методов расчёта рабочих процессов поршневых расширительных машин и агрегатов с самодействующими клапанами

05.02.13 - Машины, агрегаты, процессы (в промышленности)

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

- 8 ДЕН 2011

Омск-2011

005006636

Работа выполнена на кафедре «Машины и аппараты химических производств» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор

Калекин Вячеслав Степанович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Аверьянов Геннадий Сергеевич

доктор технических наук, доцент

Сыркин Владимир Васильевич

ЗАО «Барренс», Компрессоры без смазки, г.Санкт-

Петербург

Ведущая организация:

Защита состоится 29.12.2011 в 15 часов в аудитории 6-340 на заседании диссертационного совета Д212.178.10 при Омском Государственном Техническом Университете, расположенном по адресу: 644050, Омск, проспект Мира, 11

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Омского государственного технического университета..

Автореферат разослан 28.11.2011

Отзывы и замечания по автореферату в двух экземплярах, заверенные печатью, просьба высылать по вышеуказанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

к.ф-м.н., профессор Суриков Вадим Иванович

1. Общая характеристика работы

Актуальность рассматриваемой проблемы. Поршневые пневматические двигатели (ПД) получили самое широкое распространение в пожаро-взрывоопасных производствах нефте-газо-горнодобывающих отраслей промышленности для привода погрузочных, погрузочно-транс-портных, стволовых машин, лебедок, тельферов, буровых ключей, других механических устройств и инструментов.

Рабочая камера поршневых ПД отличается достаточно высокой степенью уплотнения за счет поршневых колец утечки в них сравнительно невелики, поэтому эффективный КПД поршневых пневмодвигателей выше в сравнении с другими типами двигателей. Кроме того, поршневые ПД могут создавать больший крутящий момент, допускают перегрузки, просты в эксплуатации и обладают хорошей пусковой характеристикой.

В качестве источника для поршневых ПД в настоящее время используется сжатый воздух с давлением на входе 0,4-0,6 МПа. Интенсификация работы шахтного оборудования и инструмента может быть достигнута повышением давления сжатого воздуха на входе. Известно, что увеличение рабочего давления в поршневых ПД на каждые 0,1 МПа позволяет повышать их мощность более чем на 15%.

В настоящее время в поршневых пневмодвигателях широко используется золотниковое газораспределение, которое имеет ряд недостатков, а именно: снижает КПД на режимах, отличающихся от номинальных, способствует росту объемных и энергетических потерь, ограничивает частоту вращения до 1000-1500 об/мин, усложняет конструкцию.

Замена принудительного газораспределения на самодействующие клапаны является одним из направлений совершенствования конструкций поршневых ПД. Поршневые пневмодви-гатели с самодействующими клапанами по показателям эффективности могут составить конкуренцию пневмодвигателям с принудительным газораспределением, особенно на режимах функционирования с переменным и (или) повышенным давлением сжатого воздуха на входе.

Повышать давление сжатого воздуха непосредственно у пневмоприемников горнопроходческого оборудования в шахтах, снижение которого происходит вследствие гидравлических потерь и утечек в трубопроводах большой протяженности, возможно созданием агрегатов нового типа - так называемых пневмодвигательно-компрессорных агрегатов (ПДКА), являющимися трансформаторами давления. ПДКА, включающие пневмодвигательную и дожимную компрессорные ступени с самодействующими клапанами, совмещенные в одном корпусе, отличающиеся низкой металлоемкостью и габаритами, смогут найти применение для эффективного пневматического привода современного высокоинтенсивного шахтного оборудования.

С упрощением конструкций поршневых ПД и созданием агрегатов нового типа может быть расширена область их применения для химической, нефтехимической и газовой отраслей промышленности в целях сбережения потенциальной энергии газообразных сред, снижение

высокого давления которых перед последующим применением в соответствии с технологическим процессом ранее производилось редуцированием.

Кроме того, применение самодействующих клапанов в детандерах и детандер-компрессорных агрегатах, работающих на воздухе в холодильной технике, способствует созданию экологически чистых холодильных машин, в соответствии с Монреальским Протоколом 1987 года о прекращении использования озоноразрушающих хладагентов.

Исследования, направленные на разработку и создание расширительных машин и агрегатов с улучшенными технико-экономическими показателями, имеют прикладное значение. Сроки разработки и внедрения машин и агрегатов нового типа в производство во многом определяются совершенствованием методов проектирования и математического моделирования путем использования широких возможностей современной вычислительной техники и развитого программного обеспечения.

Вопросы, связанные с разработкой и совершенствованием высокоэффективных расширительных машин и агрегатов с самодействующими клапанами, методов их расчета, математических моделей, программного обеспечения, позволяющих проводить оптимизацию рабочих процессов с последующим выходом на их конструктивное исполнение, являются весьма актуальными.

Объекты исследования: поршневые пневмодвигатели, пневмодвигательно-компрессор-ные агрегаты с самодействующей системой газораспределения.

Предмет исследования: рабочие процессы, в том числе неустановившиеся, совмещенные с динамикой механизмов движения поршневых машин и агрегатов с самодействующей системой газораспределения.

Методы исследования: экспериментальные и численные с применением многофакторной оптимизации.

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».

Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами на основе математического моделирования и оптимизации рабочих процессов.

Для достижения цели поставлены и решены задачи:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных исследований, связанных с повышением энергетической эффективности рабочих процессов поршневых расширительных

машин и агрегатов на основе методов математического моделирования и оптимизации рабочих процессов.

2. Создать математические модели рабочих процессов поршневых машин и агрегатов с самодействующими клапанами, совмещенные с динамикой механизмов движения.

3. Создать экспериментальные стенды для исследования рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами. Провести экспериментальные исследования рабочих процессов при различных режимных и конструктивных параметрах пневмодвигателей и агрегатов.

4. На основе математических моделей разработать программное средство расчета с учетом неустановившихся (нестационарных) режимов работы поршневых машин и агрегатов с самодействующими клапанами и многофакторной оптимизации рабочих процессов.

5. Выполнить параметрический анализ влияния конструктивных и режимных параметров на энергетическую эффективность рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и пневмо-двигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами с прямоточной, непрямоточной и комбинированной системой газораспределения.

6. Провести анализ качества моделирования. Сравнить результаты, полученные на моделях, с экспериментальными данными и результатами других авторов.

7. Дать рекомендации по рациональному конструированию поршневых расширительных машин и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующей системой газораспределения.

Научная новизна работы состоит в:

1. Разработке математических моделей рабочих процессов, совмещенных с динамикой механизмов движения для неустановившихся режимов работы пневмодвигателей и пневмодви-гательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами для прямоточной, непрямоточной и комбинированной схем газораспределения.

2. Модульном представлении поршневых машин (компрессор, детандер, пневмодвига-тель) и компрессорно-расширительных агрегатов (детандер-компрессорный, пневмодвигатель-но-компрессорный), алгоритма преобразования его в математические модели, методы численного анализа моделей и установления рациональных конструктивных и режимных параметров поршневых машин и агрегатов с учетом неустановившихся режимов работы и различных схем газораспределения;

3. Установлении диапазонов функционирования и влияния конструктивных параметров пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с различными схемами газораспределения, элементов нормально открытых самодействующих клапанов и режимных параметров (внешней нагрузки, давления и температуры сжатого газа) на частоту вращения, мощность и удельный расход сжатого газа.

4. Рекомендациях по рациональному конструированию поршневых пневмодвигателей и

агрегатов с самодействующей системой газораспределения и предложенных типоразмерных рядах поршневых ПД на унифицированных компрессорных базах с поршневым усилием от 2 до 16 кН.

Практическая ценность. Созданное программное средство может быть использовано для расчета рабочих процессов поршневых машин и агрегатов с самодействующими клапанами организациями, занимающимися проектированием поршневых компрессоров, пневмодви-гателей, детандеров и агрегатов на их основе.

Даны рекомендации по рациональному конструированию поршневых пневмодвигателей и агрегатов с самодействующей системой газораспределения, предложены типоразмерные ряды поршневых ПД на современных У- и Ш-образных унифицированных компрессорных базах с поршневым усилием от 2 до 16 кН.

Результаты исследований используются в учебном процессе в ОмГТУ при проведении лабораторных и практических занятий, в курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам «Системы автоматизированного проектирования», «Машины и аппараты химических производств», «ЭВМ в инженерных расчетах».

Достоверность полученных результатов Достоверность полученных в работе научных положений, выводов и рекомендаций подтверждается обоснованными допущениями, математическими моделями процессов пневмодвигателей и компрессорно-расширительных агрегатов, основанными на фундаментальных законах физики, термодинамики, механики, а также поверенными метрологическими характеристиками, используемого оборудования и приборов, удовлетворительным совпадением результатов математического моделирования с экспериментом.

На защиту выносятся следующие основные результаты и положения:

1. Математические модели рабочих процессов ПД и ПДКА для прямоточной, непрямоточной и комбинированной схем газораспределения пневмодвигательной части, учитывающие динамику механизмов движения и неустановившиеся режимы их работы.

2. Алгоритм модульного построения математических моделей поршневых компрессоров, пневмодвигателей и компрессорно-расширительных агрегатов, методы численного расчета с учётом неустановившихся процессов и оптимизации конструктивных и режимных параметров.

3. Результаты экспериментальных и численных исследований по влиянию конструктивных (мертвого пространства, отношения хода поршня к диаметру цилиндра, максимальной высоты подъёма запорного элемента и жесткости пружин нормально открытого кольцевого клапана, диаметра и расположения выхлопных окон) и режимных (начального давления, температуры сжатого газа и внешней нагрузки) параметров поршневых пневмодвигателей и пневмо-двигательно-компрессорных агрегатов на характеристики их работы;

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на VI, VII Международных научно-технических конференциях «Динамика систем, ме-

ханизмов и машин», Омск, 2007 г., 2009 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.; International Conference «Biofuels for energetics», Praha, Czech Republic, 2009; научно-методических семинарах кафедры «Машины и аппараты химических производств», Омск, ОмГТУ, 2007-2011 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 12 статей, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для материалов диссертаций, 3 тезисов докладов.

Личный вклад автора. Содержание диссертации и основные положения, выносимые на защиту, отражают персональный вклад автора в опубликованные работы. Подготовка к публикации полученных результатов проводилась совместно с соавторами, причем вклад диссертанта был определяющим. Все представленные в диссертации результаты получены лично автором.

Объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, изложенных на 170 страницах машинописного текста, поясняется 72 рисунками, 6 таблицами. Список литературы включает 120 наименований.

2. Содержание работы

Во введении обоснована актуальность диссертационной работы, сформулирована цель и аргументирована научная новизна исследований, показана практическая значимость полученных результатов, представлены выносимые на защиту научные положения.

В первой главе рассматривается пневматический привод, его достоинства и недостатки, технический уровень, тенденции его развития, состояние вопроса математического моделирования, разработки и создания систем проектирования.

Значительный вклад в направлении совершенствования поршневых машин с применением методов математического моделирования в нашей стране внесли: Штейнгарт Л.А., Фотин Б.С., Пластинин П.И., Твалчрелидзе А.К., Прилуцкий И.К., Пирумов И.Б., Хрусталев Б.С. и др. (компрессоры); Герман В.П., Холзунов А.Г., Боровков A.A., Зиневич В.Д. и др. (пневмо-двигатели); Архаров A.M., Новотельнов В.Н., Бумагин Г.И. и др. (детандеры). Исследованиям и моделированию рабочих процессов поршневых расширительных машин и агрегатов с самодействующими клапанами посвящены работы Прилуцкого И.К., Кузнецова Л.Г., Кабакова А.Н., Калекина B.C. и др.

Рабочие процессы поршневых машин и агрегатов моделировались только для установившихся (стационарных) режимов работы.

Используемые в математических моделях эмпирические зависимости для коэффициентов давления и расхода, полученные методами статических продувок, не учитывают физики процессов в проточной части самодействующего клапана.

В математических моделях рабочих процессов ПД и ПДКА с самодействующими клапанами не в полной мере учитывается динамика механизмов движения. Не моделировались рабочие процесы в ПД и ПДКА с непрямоточной и комбинированной системами газораспределения. Не проводилась оптимизация рабочих процесов ПД и ПДКА с учетом возможных систем самодействующего газораспределения.

Проблемой разработки единого программного средства, невозможностью обеспечения их преемственности является то, что известные математические модели различаются степенью сложности и программно реализованы на различных языках программирования.

Анализ литературных данных позволил сформулировать цель и задачи исследований.

Во второй главе приведены уравнения для математических моделей рабочих процессов поршневых ПД и ПДКА, уравнения динамики механизмов движения, набор компонентов, из которых строится модульное представление поршневых ПД и ПДКА, алгоритм построения математических моделей, способы их расчета.

Математическая модель поршневой машины или агрегата имеет модульную структуру с вариацией количества, расположения, функционального назначения цилиндров, их соединений в ступени, совмещенную с динамикой механизмов движения с учетом неустановившихся режимов работы.

Приведены возможности разработанной программной системы визуального проектирования пневматической машины или агрегата.

При разработке моделей рабочих процессов принимались следующие 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 адиабатическое через круглое отверстие с той же эквивалентной площадью. Угловая скорость вращения вала непостоянна (ш ф const).

В основу математических моделей положены основные уравнения термодинамики для идеального газа, состояние газа в рабочих полостях вычисляется согласно следующей системе уравнений:

<Ш = у аАТ(1Р^ йт - р<1У + ^ к]гп] - ^Г Л.т.^ Л",

и = и„ + йи, т — ти + йт, р = ~ * V, Т = >1 = (и + рУ)/т,

и тн

где переменные с индексами г, ] обозначают параметры газа, притекающего в некий объем и вытекающего из него; т, т„, II„, и, Уи, V, Ти, Т, р„, р - начальные и текущие значения массы, внутренней энергии, объема, температуры, давления газа; а - коэффициент теплоотдачи; Я - индивидуальная газовая постоянная; ? - поверхность теплообмена; С„ - теплоемкость газа при постоянном объеме; к = Ср/С„ - показатель адиабаты; Н - индивидуальная газовая постоянная, г - время.

Массовый расход газа вычисляется по формуле Сен-Венана-Ванцеля с учетом сжимаемости газа.

Изменение объема цилиндра по углу поворота вала <р можно записать как:

„, ж-О2 5 , . А . „ . , 6У = —---— 'и' (51П Р + 2 "5Ш •

уравнение движения запорного элемента клапана как одномассовой системы:

сРИ

™пл. = Ар- /пл. - 2пр. • С„р. • (/гто1 - /г + /¡о) + тш. -д-СОБ/Ч,

где £> - диаметр цилиндра; А - отношение радиуса кривошипа к длине шатуна; 5 - ход поршня; Тощ.. - приведенная масса движущихся частей клапана; Л - текущее перемещение контрольной точки запорного органа клапана; кгпах - максимальная высота перемещения запорного элемента Ар - перепад давления над и под запорным элементом клапана, вычисляемый методом конечных элементов; /г0 - предварительное поджатие упругих элементов; /3 - угол между направлением действия силы тяжести и направлением движения запорного элемента.

Расчет динамики механизма движения. Уравнения движения для ПД и ПДКА с кривошипно-шатунными механизмами строятся из дифференциального уравнения Лагранжа второго рода:

с1 (ЬТ\ 6Т „ Уравнение кинетической энергии «маховик-вал-кривошип-шатун-поршень»:

2

\кривошип шатун

по всем цилиндрам

Моменты инерции маховика, кривошипа и шатуна:

m„rj _ 1 2 _4 2 J.\t = 2 ' кР — ш

где т„, ткр, тш — массы маховика, кривошипа и шатуна; г„, г17, — радиусы маховика и кривошипа, 1,„ — длина шатуна.

Так как механизм имеет одну степень свободы, то за обобщенную координату принят угол поворота вала <р. Для определения обобщенной силы Qv, задается сумма возможных работ активных сил на перемещении Sip:

• <V = £ SAK - £6A - Y, SAp - J2 SAM - J2 ÓA«»>

где SAP - работа силы тяжести, SA^ - работа газовых сил, 6АИ - работа момента нагрузки, &Атр - работа сил трения.

Работу сил тяжести (для одного цилиндра) можно определить как:

SAp = 5Apv + SAPm + SAp„ где

<5 Л p¡p — 0,5 • m,pgr,:p sin ipSp — работа сил тяжести над кривошипом, SAPm = т„,д ■ [гкр • sin (<р + а) + §/,„ COS /3) 6<р — работа сил тяжести над шатуном, SAp„ = sin а • т„д ■ (гкр • sin + а) + yjll - r?p ■ COS2 (<p + a)) Sip — работа сил тяжести над поршнем (а — угол отклонения цилиндра от вертикали). Работа газовых сил для одного цилиндра:

&Ап = pS„ ■ (rKp ■ sin {ip + о) + - г% • COS2 (<р + «)) íyj,

где р — давление в цилиндре, S„ — площадь поршня, гкр — радиус кривошипа, 1Ш — длина шатуна.

Совмещение расчета рабочего процесса с динамикой механизма движения. Решение дифференциального уравнения динамики кривошипно-шатунного механизма выполняется численно, совместно с уравнениями, описывающий термодинамический процесс в рабочих полостях.

Шагом расчета является dr, поэтому для численного интегрирования дифференциального уравнения движения через обобщенную координату 6¡p ставится в соответствие вычисляемое малое значение dip = <1т ■ и.

Для обеспечения хорошей сходимости выбирается шаг расчета dip < ev (c.f). При больших скоростях вращения вала, когда dip > ev, производится уменьшение шага расчета dr.

Пороговое значения ev является одним из атрибутов точности расчета и задается в программном средстве, как и начальное значение dr.

В третьей главе дано описание экспериментальных стендов, методика и оценка погрешностей эксперимента. Представлены результаты численных продувок клапанов с использованием метода конечных элементов.

Разработаны два экспериментальных стенда на базе вертикального поршневого однорядного автомобильного компрессора и 3-х рядного Ш-образного компрессора производства немецкой фирмы ALMIG.

Поршневые компрессоры за счет конструктивных изменений крышек цилиндров и установки нормально открытых самодействующих впускных клапанов были переделаны в:

1. Прямоточный однорядный пневмодвигатель (диаметр цилиндра 60 мм; ход поршня 38 мм; номинальная частота вращения до 3000 об/мин),

2. Ш-образный трехрядный пневмодвигатель и двигательно-компрессорный агрегат с двумя крайними пневмодвигательными и одним компрессорным цилиндром (диаметр цилиндра 90 мм; ход поршня 70 мм; номинальная частота вращения до 3000 об/мин).

Однорядный пневмодвигатель был снабжен однокольцевым нормально открытым клапаном (с пружиной сжатия).

В Ш-образном ПД и ПДКА в пневмодвигательных цилиндрах устанавливались двухколь-цевые нормально открытые клапаны с пружинами сжатия. Для выпуска отработанного воздуха пневмодвигательные цилиндры для реализации прямоточной схемы газораспределения имели круглые выхлопные окна в районе нижней мертвой точки (НМТ) по ходу поршней.

Пневмодвигатель и двигательная часть агрегата приводились во вращение сжатым воздухом от компрессорной установки, состоящей из двух поршневых У-образных двухступенчатых компрессоров с конечным давлением до 1,0 МПа, производительностью по 1 м3/мин каждый, установленных на ресивере.

Сжатый воздух из ресивера компрессорной установки в цилиндры пневмодвигателей подавался через газовый редуктор. Температуры на входе и выходе измерялись при помощи хромель-копелевых термопар. Регистрация мгновенного объемного расхода осуществлялась поплавковым ротаметром (Н250 фирмы «KROHNE») с диапазоном измерения расхода газа 12-250 мЗ/ч.

Измерение среднего объемного расхода воздуха производилось измерительным комплексом, снабженным ротационным счетчиком (RVG-G-16 с диапазоном измерения расхода газа при рабочих условиях 8-1600 м3/ч, максимальным давлением до 5,0 МПа) и электронным корректором объема газа до параметров окружающей среды ЕК260 со встроенными датчиками абсолютного давления и платиновым термометром сопротивления.

Для автоматизации экспериментальных исследований использовался измерительный комплекс, подключаемый к ЭВМ. В качестве аналогово-цифрового преобразователя применялся модуль I.-CARD Е14-440 с подключением по шине USB 1.1, позволяющий фиксировать быстроменяющиеся параметры (до 16 дифференциальных каналов с 14-битной точностью и частотой

до 400 КГц, использовалась частота дискретизации 10 КГц). Мониторинг данных в реальном времени и их регистрация осуществлялись с помощью программного обеспечения Ро\уеЮгарЬ 3.3, представляющего собой многоканальный пишущий осциллограф.

Производилась запись быстроменяющихся давлений в надклапанной полости и в цилиндре с помощью потенциометрических датчиков давления ДМП-бА (диапазон измерения до 0,6 МПа) и ДМП-15А (до 1,5 МПа). Контактным способом регистрировались в реальном времени отметки прохождения поршнем верхней и нижней мертвых точек, углы открытия и закрытия клапанов.

Для изучения влияния относительного мертвого пространства цилиндра на работу ПД в однорядном стенде использовались вставки различной толщины под клапанные крышки, что позволяло регулировать относительное мертвое пространство от 0,3 до 2,0.

Изучение влияния проходного сечения седла /с производилось заглушиванием части отверстий в седле кольцевого клапана. Высота подъема запорного элемента изменялась для однорядного ПД в пределах от 0,125 мм до 2,5 мм, для Ш-образного от 1 до 3 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. В Ш-образном ПД выхлопные окна заглушивались пробками.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных и численных исследований, выполнен их анализ, произведена проверка на адекватность моделей, даны рекомендации по рациональному конструированию поршневых ПД и ПДКА, разработан и предложен типо-размерный ряд поршневых ПД на унифицированных компрессорных базах с поршневым усилием от 2 до 16 кН.

Функционирование ПД с самодействующими клапанами возможно при соотве-внешней нагрузки определенному диапазону начальных давлений сжатого воздуха. С ростом внешней нагрузки растет, соответственно, и начальное давление. При значительных давлениях и небольших внешних нагрузках впускной клапан закрывается, и ПД в момент запуска останавливается. В таких случаях при запуске давление должно снижаться.

Во время разгона ПД имеет место переходный процесс состоящий в том, что относительный ход поршня при отсечке наполнения цилиндра С2, при котором происходит закрытие впускного клапана, смещается по ходу поршня от момента открытия поршнем выхлопных окон (С2 = 0,925 для однорядной схемы) в направлении ВМТ (С2 «0,3-0,8), в зависимости от начального давления при установленных параметрах клапана (С„р, кпрс<), и др.). При закрытии клапана до момента открытия выхлопных окон в рабочем цикле ПД имеет место процесс расширения газа (рис. 1). Такие режимы названы «экономичными», в отличие от «форсированных», в которых впускной клапана закрывается в момент открытия поршнем выхлопных окон.

При численном исследовании и оптимизации важно устанавливать такие наборы исход-

Рис. 1 - Рабочие циклы одноцилиндрового ПД в разные моменты времени при работе в неустановившемся режиме (разгоне): рабочие циклы при разгоне ПД: а) 1-ый такт после запуска, длительность цикла 0,16с; б) 22-й такт, длительность цикла 0,145с.

ных данных (конструктивных и режимных параметров), для которых ПД оставался бы работоспособным (функционирующим). Для выявления случаев неработоспособности ПД был предложен критерий отсекания таких наборов.

Критерием «не запуска» является последовательное удаление (увеличение значения относительного хода поршня С) поршня от ВМТ (поршня любого цилиндра, если двигатель многоцилиндровый) во время смены знака угловой скорости вала (обозначим эти моменты времени íi, ¿2, ...): если С« < Са < С<з, то вал двигателя не раскручивается при данных конструктивных и режимных параметрах (рис. 2). Если Ct, > 0, но Ctl > С(2, то двигатель запустился в реверсном режиме (вал вращается в противоположную сторону).

ы, Рад/сек

20 10 о

■10 -20 •30"

А Л

0 с to t V t 1,0 j 1,5 2,0 t,c t3

а).

Рис. 2 - Определение нерабочего режима: а). Мгновенная скорость вала, рад/сек; б). Относительный ход поршня С.

Интегральные показатели работы ПД определялись для стационарных (установившихся) режимов работы по максимальным относительным изменениями частоты вращения и индикаторной мощности, отклонение которых не превышало заданной точности (е = 0,005).

На рис. 3 представлены графики различных интегральных показателей 1-цилиндрового

ПД после разгона и выхода на стационарный режим в засимости от момента нагрузки на валу.

Для одной и той же нагрузки, в зависимости от начального давления, могут иметь место как «форсированные», так и «экономичные» режимы работы. Нагрузка и начальное давление должны определенным образом соответствовать друг другу.

При увеличении давления клапан начинает закрываться раньше, чем открываться выхлопные окна, при появлении в рабочем цикле процесса расширения значительно снижается расход газа, растет мощность и частота вращения.

Для ПД с самодействующими клапанами существует предельное значение давления на впуске, при котором впускной клапан закрывается сразу же и ПД не функционирует.

Оптимизация. Оптимизация ограничивается только конструктивно выполнимыми вариантами (в частности, в отношении 5/ ДI и других).

Оптимизация (целевой функцией которой является нахождение минимума или максимума любого интегрального параметра ПД, например, поиск минимального удельного расхода) выполняется численно в два этапа.

На первом этапе производится построение полной карты интегральных параметров с индивидуальным шагом для каждого варьируемного параметра. Пусть всего входных параметров т, для каждого параметра ... Ат задается диапазон (вектор) входных значений {а],..., а„,} длиной щ (векторы входных значений могут быть различной длины), после чего вычисляются значения интегральных параметров Р для всех вариантов (наборов) входных параметров

..., Ат> («режимов работы»). Общее количество вариантов для расчета к = П "ь

£=1. ..т

поэтому для т > 3 4 шаг параметров выбирается достаточно большим. После завершения такого расчета выбираются начальные значения параметров, соответствующие точке с лучшим значением целевой функции. Далее выполняется оптимизация методом покоординатного спуска.

На рис. 4 приведена карта мощности от двух параметров (т=2): расположения центра выхлопных окон (диапазон 0,55 -=- 1,0 с шагом 0,05) и отношения диаметра окон к диаметру цилиндра (0,01 -г 0,05 с шагом 0,002), к = 900. Расчет каждого варианта включает расчет выхода на стационарный режим с учетом разгона и подключения нагрузки, определяется также работоспособность машины с этими параметрами (на рис. 4 им соответсвуют точки, где Л^ = 0). В общем случае, для каждого интегрального параметра пневмоагрегата Р строится «скалярное поле» Р = /(Л,,..., Ат) размерностью т с дискретным набором значений по каждой координате пт.

Проводился анализ работы прямоточной, непрямоточной и комбинированной схем газораспределения и сравнение их друг с другом по показателям мощности и удельного расхода.

Даны рекомендации по рациональному конструированию машин относительно конструктивных параметров: 5/Д Ьтах, С„р, (10КМ/о, а.

Cpr-- 800 H/M —1000 Н/м —1200 Н/м .....1400Н/М —1600Н/М --1800 Н/М

Рис. 3 — Интегральные показатели стационарного режима при различных начальных давлениях, жесткостях пружины и постоянной нагрузке на валу 1,0 Н/м. а) угол поворота вала, соответствующий отсечке наполнения (закрытию впускного клапана); б) объемный расход воздуха, нм3/мин; в) индикаторная мощность, Вт; г) частота вращения, об/мин. (I) - область «форсированных» режимов; (II) - область «экономичных» режимов; (III) - область нерабочих режимов.

Рис. 4 — Зависимость индикаторной мощности Ш-образного 3-х цилиндрового (в. = 90 мм, з = 70 мм) ПД Д; от положения центра выхлопных окон (по относительному ходу поршня) и отношения диаметра окон к диаметру цилиндра.

Основные результаты работы

1. Выполнен анализ теоретических и экспериментальных исследований, связанных с повышением энергетической эффективности рабочих процессов поршневых компрессорных и расширительных машин на основе методов математического моделирования и оптимизации рабочих процессов. Показана целесообразность их применения и выявлены основные направления исследований.

2. Созданы и апробированы математические модели рабочих процессов поршневых машин и агрегатов, учитывающие газодинамику самодействующих клапанов (с использованием метода конечных элементов) и динамику механизмов движения.

3. Разработаны алгоритмы численного расчета и оптимизации математических моделей рабочих процессов, совмещенных с динамикой механизмов движения поршневых машин (компрессоров, ПД) и агрегатов (ПДКА, ДКА) различных конфигураций по количеству, расположению, функциональному назначению цилиндров.

4. Создано универсальное программное средство моделирования рабочих процессов поршневых машин и агрегатов с динамикой механизма движения, неустановившихся режимов работы и возможностью многофакгорной оптимизации.

5. Созданы экспериментальные стенды пневмодвигателя и пневмодвигательно-компрес-сорного агрегата. Проведены экспериментальные исследования рабочих процессов пневмодвигателя, 3-х цилиндрового Ш-образного пневмодвигателя и пневмодвигательно-компрес-сорного агрегата.

6. Проведен анализ качества моделирования. Сопоставление результатов, полученных на модели, с результатами экспериментальных исследований указывает на хорошее совпадение. Расхождение в индикаторных мощностях и частотах вращения не превышает 24-14%.

7. Выполнен параметрический анализ влияния конструктивных и режимных параметров на показатели работы ПД и пневмодвигательной ступени. Установлено, что:

- непрямоточная схема газораспределения может быть рекомендована для применения в условиях строго определенного подбора конструктивных параметров впускного и выпускного клапанов для определенных номинальных давлений сжатого воздуха;

- для повышенных давлений от 0,8 МПа отношение хода поршня к диаметру цилиндра в поршневых ПД с самодействующим газораспределением должно составлять 0,8 4- 0,85, для меньших давлений Й/Г» следует принимать порядка 0,6-гО, 7. Отклонение З/И от рекомендованных значений на 0,1 в меньшую сторону приводит к увеличению удельного расхода сжатого воздуха на 60 4- 70%, в большую сторону - на 20 4- 30%;

- минимальный удельный расход сжатого воздуха для прямоточной и комбинированной схем газораспределения имеет место при расположении нижнего края выхлопных окон, соответствующего положению поршня в нижней мертвой точке. Смещение положения окон на на 0,2 (С = 0,8) относительного хода поршня в сторону ВМТ приводит к увеличению удельно-

го расхода на 10%, при размещении окон на С = 0,9) имеет место максимальное значение мощности;

- величина относительного мертвого пространства для прямоточной и комбинированной схемы должна составлять а = 0,3 - 0,4. При уменьшении а до 0,2 удельный расход возрастает в 2-^2,5 раза. Увеличение о до 0,6 приводит к уменьшению мощности на 7 -г 10%;

- для комбинированной схемы суммарная площадь щели выпускного нормально открытого клапана в сумме с площадью выхлопных окон должна примерно соотвествовать величине оптимальной площади выхлопных окон в ПД с прямоточной схемой газораспределения;

- взаимное влияние конструктивных и режимных параметров на рабочий процесс нелинейно, оптимизация при этом должна быть многофакторной;

- установлено что поршневые ПД с самодействующим газораспределением способны развивать в 2 -г 2,5 раза более высокую частоту вращения вала, чем поршневые ПД с принудительным газораспределением;

- наиболее целесообразными для многоцилиндровых схем является оппозитное и звездообразное расположение цилиндров пневмодвигателя;

- комбинированная и прямоточная схема сопоставимы по удельному расходу сжатого воздуха, причем комбинированная схема является более устойчивой с увеличением диапазона начальных давлений до 30% в большую и меньшую стороны;

- пневмодвигатели с самодействующими клапанами не уступают зарубежным и отечественным образцам поршневых ПД с принудительным газораспределением. При номинальных давлениях 0,63 удельный расход сжатого воздуха у ПД с самодействующим газораспределением может быть снижен на 20-25%.

7. На основании расчетов предложены типоразмерные ряды 5-цилиндровых звездообразных ПД с самодействующей системой газораспределения и ПД, выполненных на унифицированных У- и Ш- образных базах поршневых компрессоров с номинальным поршневым усилием от 2,5 до 16 кН.

Осповные научные результаты диссертации представлены в следующих работах:

Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. 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.

2. 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.

3. 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.

4. Калекин B.C., Загородников А.П., Калекин Д.В. Программное средство для рационального конструирования поршневых пневмодвигателей и агрегатов (статья) // Компрессорная техника и пневматика. - 2011. - № 6. - с.6-12.

Публикации в научных изданиях

5. Калекин B.C., Загородников А.П., Калекин Д.В., Исаев А.Г., Поршневые пневматические двигатели и пневмодвигатель-компрессорные агрегаты с самодействующими клапанами // Тез. докл. XIV Междунар. науч.-техн. конф. по компрессорной технике - Казань: Изд-во «Слово», 2007. - с.37-38.

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

7. Калекин В.В., Калекин B.C., Калекин Д.В., Загородников А.П., Математическая модель поршневого пневмодвигатель-компрессорного агрегата с самодействующими клапанами // Материалы VI Междунар. науч.-техн. конф. «Динамика систем, механизмов и машин».-Омск: Изд-во ОмГТУ, 2007,- с.34-37.

8. Калекин ВВ., Калекин B.C., Загородников А.П., Калекин Д.В., Исаев А.Г., Поршневые пневмодвигатели и агрегаты с самодействующим газораспределением //Тр. 3-й междунар. Науч.-техн. конф. «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт: 4.1. -Омск: Иртышский филиал ФГОУ ВПО «Новосибирская государственная академия водного транспорта». -

2007,- с.160-167.

9. Силков М.В., Калекин B.C., Калекин Д.В., Загородников А.П., Исследование поршневой расширительной машины с самодействующим клапаном // Третья Междунар. науч.-практ. конф. «Современные энергосберегающие тепловые технологии СЭТТ-2008». Т.2.-М: МГУПБ,

2008,- с.240-248

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

11. V.S.Kalekin, D.V.Kalekin, A.P.Zagorodnikov. Experiments on a piston pneumatic motor with self-acting valve // Chemical and Petroleum Engineering, Vol. 44, Nvs. 11-12,2008

12. 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. - p. 12.

13. 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.

14. Загородников А.П. Динамика поршневых пневмоагрегатов с самодействующими клапанами // Материалы VII Межд. науч.-техн. конф. "Динамика систем, механизмов и машин",-Омск: Изд-во ОмГТУ, Кн.2,- 2009,- с.86-88.

15. Загородников А.П., Калекин Д.В., Калекин B.C., Моделирование и оптимизация рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и агрегатов II Труды XV Междунар. науч.-техн. конф. по компрессорной технике. Т. 1 / ЗАО «НИИтурбокомпрессор им. В.Б. Шнеппа».-Казань: Изд-во «Слово», 2011. - с. 185-197.

Подписано в печать 26.10.2011. Формат 60x841/16. Бумага дпя лазерной печати. Печать лазерная. Тираж ЮОэкз. Отпечатано на принтере Xerox Workcentre 5645. Омск, ООО «Печатный двор Филипп», улЛенина, д.22

Омский Государственный Технический Университет

На правах рукописи

Загородников Антон Павлович

Разработка и совершенствование методов расчёта рабочих процессов поршневых расширительных машин и агрегатов с самодействующими

клапанами

05.02.13 - Машины, агрегаты, процессы (в промышленности)

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель д. т. н., проф.

Калекин Вячеслав Степанович

Омск-2011

1. Список обозначений

Приведенные обозначения распространяются на всю диссертационную работу. Некоторые обозначения, которые имеют силу только в пределах одного раздела, описываются в соответствующем разделе. а - относительное мертвое пространство; а - коэффициент теплоотдачи, Вт/м2-К; А - коэффициент теплопроводности, Вт/м-К; С - упругая постоянная клапана (жесткость), Н/м; Ср - удельная теплоемкость при постоянном давлении, Дж/кг-К; Си - удельная теплоемкость при постоянном объеме, Дж/кг-К; Л - диаметр, м; ¥ - площадь поверхности, м2; g - ускорение свободного падения, м/с2; к - показатель адиабаты; I - длина, м; Ь,А - работа, Дж; М - масса, кг;

т - массовый расход газа, кг/с; ^ - коэффициент расхода; п - частота вращения, с-1; р - давление газа, Н/м2; Р - сила, Н; р - плотность, кг/м ; Я - газовая постоянная, Дж/кг; 5 - ход поршня, м; Т - температура газа, К; и - внутренняя энергия, Дж;

к - высота подъёма запорного элемента клапана, м; удельная энтальпия, Дж/кг;

т - время, с;

ю - угловая скорость, рад/с;

V - объём, м3;

V - производительность (объемный расход), м3/с;

Ун - объем, описываемый поршнем за один оборот, м3;

Ф - угол поворота коленчатого вала, рад ;

О - теплота, Дж;

г - количество элементов;

£д - коэффициент давления.

Индексы:

вс - всасывание; г - газ; к - компрессор; кл - клапан; н -начальное; пд -пневмодвигатель; пр - пружина; п - поршень; пл - пластина; с - седло; ст -стенка; тр - трение; уп - уплотнение; ут - утечка; ц - цилиндр; ш - шатун.

Содержание

1. Список обозначений................................................2

Введение........................................................................6

Глава 1. Литературный обзор. Постановка задач исследований . . 13

1.1. Поршневые расширительные машины............................13

1.2. Применение самодействующих клапанов в поршневых расширительных машинах..................................................19

.3. Теоретический рабочий процесс поршневой расширительном

машины ..............................................................23

1.4. Исследования динамики самодействующих клапанов............25

1.5. Расчет коэффициентов давления и расхода ......................29

1.6. Математические модели рабочих процессов поршневых пнев-модвигателей........................................................39

1.7. Исследование расширительных машин с самодействующими клапанами ................................................................43

1.8. Агрегатирование поршневых машин..............................45

1.9. Цели и задачи исследований........................................50

Глава 2. Построение математических моделей поршневых машин и

агрегатов. Разработка программного средства......................52

2.1. Состояние газа в рабочих камерах ................................52

2.2. Динамика кривошипно-шатунного механизма....................55

2.3. Реализация расчёта математической модели......................66

2.4. Архитектура программного средства построения и расчёта математических моделей рабочих процессов поршневых машин и агрегатов ..............................................................76

Глава 3. Конструкции экспериментальных стендов, методика экспе-

римента ....................................................................88

3.1. Одноцилиндровый стенд............................................89

3.2. Многоцилиндровый стенд..........................................92

3.3. Проведение эксперимента..........................................97

3.4. Моделирование продувки трехмерных моделей клапанов . . . 109

Глава 4. Применение программного средства для численного исследования поршневых машин и агрегатов.................116

4.1. Анализ характеристик одноцилиндрового ПД....................116

4.2. Многоцилиндровые пневмодвигатели ..............................142

4.3. Пневмодвигательно-компрессорный агрегат......................150

Заключение..................................171

Литература..................................175

Введение

Поршневые пневматические двигатели (ПД) получили самое широкое распространение в пожаро-взрывоопасных производствах нефте-газо- горнодобывающих отраслей промышленности для привода погрузочных, погрузочно-транс-портных, стволовых машин, лебедок, тельферов, буровых ключей, других механических устройств и инструментов.

Рабочая камера поршневых ПД отличается достаточно высокой степенью уплотнения за счет поршневых колец утечки в них сравнительно невелики, поэтому эффективный КПД поршневых пневмодвигателей выше в сравнении с другими типами двигателей. Кроме того, поршневые ПД могут создавать больший крутящий момент, допускают перегрузки, просты в эксплуатации и обладают хорошей пусковой характеристикой.

В качестве источника для поршневых ПД в настоящее время используется сжатый воздух с давлением на входе 0,4-0,6 МПа. Интенсификация работы шахтного оборудования и инструмента может быть достигнута повышением давления сжатого воздуха на входе. Известно, что увеличение рабочего давления в поршневых ПД на каждые 0,1 МПа позволяет повышать их мощность более чем на 15%.

В настоящее время в поршневых пневмодвигателях широко используется золотниковое газораспределение, которое имеет ряд недостатков, а именно: снижает КПД на режимах, отличающихся от номинальных, способствует росту объемных и энергетических потерь, ограничивает частоту вращения до 10001500 об/мин, усложняет конструкцию.

Замена принудительного газораспределения на самодействующие клапаны является одним из направлений совершенствования конструкций поршневых ПД. Поршневые пневмодвигатели с самодействующими клапанами по показателям эффективности могут составить конкуренцию пневмодвигателям с

принудительным газораспределением, особенно на режимах функционирования с переменным и (или) повышенным давлением сжатого воздуха на входе.

Повышать давление сжатого воздуха непосредственно у пневмоприемни-ков горнопроходческого оборудования в шахтах, снижение которого происходит вследствие гидравлических потерь и утечек в трубопроводах большой протяженности, возможно созданием агрегатов нового типа - так называемых пневмодвигательно-компрессорных агрегатов (ПДКА), являющимися трансформаторами давления. ПДКА, включающие пневмодвигательную и дожимную компрессорные ступени с самодействующими клапанами, совмещенные в одном корпусе, отличающиеся низкой металлоемкостью и габаритами, смогут найти применение для эффективного пневматического привода современного высокоинтенсивного шахтного оборудования.

С упрощением конструкций поршневых ПД и созданием агрегатов нового типа может быть расширена область их применения для химической, нефтехимической и газовой отраслей промышленности в целях сбережения потенциальной энергии газообразных сред (отходящие, побочные и промежуточные продукты), снижение высокого давления которых перед последующим применением в соответствии с технологическим процессом ранее производилось редуцированием.

Кроме того, применение самодействующих клапанов в детандерах и детандер-компрессор- ных агрегатах, работающих на воздухе в холодильной технике, способствует созданию экологически чистых холодильных машин, в соответствии с Монреальским Протоколом 1987 года о прекращении использования озоноразрушающих хладагентов.

Исследования, направленные на разработку и создание расширительных машин и агрегатов с улучшенными технико-экономическими показателями, имеют прикладное значение. Сроки разработки и внедрения машин и агрегатов нового типа в производство во многом определяются совершенствованием

методов проектирования и математического моделирования путем использования широких возможностей современной вычислительной техники и развитого программного обеспечения.

Вопросы, связанные с разработкой и совершенствованием высокоэффективных расширительных машин и агрегатов с самодействующими клапанами, методов их расчета, математических моделей, программного обеспечения, позволяющих проводить оптимизацию рабочих процессов с последующим выходом на их конструктивное исполнение, являются весьма актуальными.

Объекты исследования: поршневые пневмодвигатели, пневмодвигательно-компрессорные агрегаты с самодействующей системой газораспределения.

Предмет исследования: рабочие процессы, в том числе неустановившиеся, совмещенные с динамикой механизмов движения поршневых машин и агрегатов с самодействующей системой газораспределения.

Методы исследования: экспериментальные и численные с применением многофакторной оптимизации.

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 пнев-модвигатель-компрессорных агрегатов».

Целью диссертационной работы является повышение энергетической эффективности рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и пневмо-двигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами на основе математического моделирования и оптимизации рабочих процессов.

Для достижения цели необходимо решить следующие задачи:

1. Выполнить анализ теоретических и экспериментальных исследований,

связанных с повышением энергетической эффективности рабочих процессов поршневых расширительных машин и агрегатов на основе методов математического моделирования и оптимизации рабочих процессов.

2. Создать математические модели рабочих процессов поршневых машин и агрегатов с самодействующими клапанами, совмещенные с динамикой механизмов движения.

3. Создать экспериментальные стенды для исследования рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами. Провести экспериментальные исследования рабочих процессов при различных режимных и конструктивных параметрах пневмодвигателей и агрегатов.

4. На основе математических моделей разработать программное средство расчета с учетом нестационарных режимов работы поршневых машин и агрегатов с самодействующими клапанами и многофакторной оптимизации рабочих процессов.

5. Выполнить параметрический анализ влияния конструктивных и режимных параметров на энергетическую эффективность рабочих процессов поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами с прямоточной, непрямоточной и комбинированной системой газораспределения.

6. Провести анализ качества моделирования. Сравнить результаты, полученные на моделях, с экспериментальными данными и результатами других авторов.

7. Дать рекомендации по рациональному конструированию поршневых расширительных машин и пневмодвигательно-компрессорных) агрегатов с самодействующей системой газораспределения.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Разработаны математические модели рабочих процессов, совмещенные

с динамикой механизмов движения пневмодвигателей и пневмодвигательно-комрессорных агрегатов с самодействующими клапанами с учетом неустановившихся (нестационарных) режимов работы, с прямоточной, непрямоточной и комбинированной схемами газораспределения;

2. Разработан и апробирован алгоритм преобразования модульного представления поршневых машин (комрессор, детандер, пневмодвигатель) и агрегатов (детандер-компрессорный, пневмодвигательно-компрессорный) в математические модели, а также методы численного расчета моделей и оптимизации конструктивных и режимных параметров с учетом нестационарных режимов работы и различных схем газораспределения;

3. Получены экспериментальные данные по влиянию конструктивных и режимных параметров поршневых ПД и ПДКА на характеристики их работы;

4. На основании результатов экспериментальных и численных исследований даны рекомендации по рациональному конструированию поршневых пнев-модвигателей и агрегатов с самодействующей системой газораспределения, предложен типоразмерный ряд поршневых ПД на унифицированных компрессорных базах с поршневым усилием от 2 до 16 кН.

На защиту выносятся

1. Математические модели рабочих процессов ПД и ПДКА, совмещенные с динамикой механизмов движения с учетом неустановившихся режимов их работы с прямоточной, непрямоточной и комбинированной схемами газораспределения в пневмодвигательной части, с одним и более цилиндрами;

2. Алгоритм модульного построения математических моделей рабочих процессов поршневых комрессоров, пневмодвигателей, детандеров и агрегатов на их основе с учетом динамики механизмов движения, методы численного расчета и оптимизации с учетом неустановившихся режимов работы для различных схем газораспределения;

3. Экспериментальные данные по влиянию конструктивных и режимных

параметров поршневых пневмодвигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов на характеристики их работы;

4. Рекомендации по рациональному конструированию поршневых пневмодвигателей и агрегатов с самодействующей системой газораспределения, разработке типоразмерного ряда поршневых ПД на современных унифицированных компрессорных базах с поршневым усилием от 2 до 16 кН.

Практическая ценность. Созданное программное средство может быть использовано для расчета рабочих процессов поршневых машин и агрегатов с самодействующими клапанами организациями, занимающимися проектированием поршневых компрессоров, пневмодвигателей, детандеров и агрегатов на их основе.

Результаты исследований используются в учебном процессе в ОмГТУ при проведении лабораторных и практических занятий, в курсовом и дипломном проектировании по дисциплинам «Системы автоматизированного проектирования», «Машины и аппараты химических производств», «ЭВМ в инженерных расчетах».

Апробация работы. Результаты работы по теме диссертации докладывались и обсуждались на VI, VII Международных научно-технических конференциях «Динамика систем, механизмов и машин», Омск, 2007 г., 2009 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.; International Conference «Biofuels for energetics», Praha, Czech Republic, 2009; научно-методических семинарах кафедры «Машины и аппараты химических производств»,

Омск, ОмГТУ, 2007-2011 г.г.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе 12 статей, из них 4 статьи в журналах, рекомендованных ВАК для материалов диссертаций, 3 тезисов докладов.

Объем работы. Работа состоит из введения, 4 глав, заключения, списка литературы, изложенных на 170 страницах машинописного текста, поясняется 72 рисунками, 6 таблицами. Список литературы включает 120 наименований.

В первой главе Рассматриваются пневматический привод, его достоинства и недостатки, технический уровень, тенденции его развития, состояние вопроса математического моделирования рабочего процесса поршневых машин и агрегатов, моделирования динамики самодействующих клапанов, реализации расчетов на ЭВМ математических моделей.

Во второй главе приведены уравнения для математических моделей рабочих процессов поршневых ПД и ПДКА, уравнения динамики механизмов движения, набор компонентов, из которых строится модульное представление поршневых ПД и ПДКА, алгоритм построения математических моделей, способы численного решения.

В третьей главе дано описание экспериментальных стендов, методика и оценка погрешностей эксперимента. Представлены результаты численных продувок клапанов с использованием метода конечных элементов.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных и численных исследований, выполнен их анализ, произведена проверка на адекватность моделей, даны рекомендации по рациональному конструированию поршневых ПД и ПДКА, разработан и предложены типоразмерные ряды поршневых ПД на унифицированных компрессорных базах.

1. Литературный обзор. Постановка задач

исследований

1.1. Поршневые расширительные машины

Поршневые расширительные машины можно условно разделить на детандеры и пневмодвигатели — у первых целью их функционирования является получение холода, у вторых — получение крутящего момента на валу.

Поршневые пневмодвигатели. К пневмодвигателям объемного действия