автореферат диссертации по химической технологии, 05.17.08, диссертация на тему:Совершенствование поршневых компрессоров высокого давления для химической технологии и автотранспорта

31

ХАРЬКОВОШ ОРДЕНА ЛЕНИНА И ОРДЕНА, ОКТЯБРЬСКОЙ

РЕВОЛЮЦИИ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ ИМЕНИ В.И.ЛЕНИНА

Роговой Евгений Дмитриевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПОРШНЕВЛ КОМПРЕССОРОВ ВЫСШОГО ДАВЛЕНИЯ ДЕД ЖМЧЕСШ ТЕХНОЛОГИИ И АВТОТРАНСПОРТА

05.17.08 - Процессы и аппараты химической технологии 05,04.06 - Вакуумная и которессорнал техника, пневмосистекц

Диссертация в форма научного доклада на соискание ученой степени кандидата ясхнячесттих наук

На. правах рукописи

-Харьков - 1331

V,

Работа выполнена в Сумском машиностроительном научно-производственном объединении имени И.0.Фрунзе

Научный руководитель - Заслуженный изобретатель Украины,

доктор технических наук, профессор Ткач Г,А.

Официальные оппоненты -доктор технически наук,

профессор Пономаренко 0.Г.

- доктор технтческих наук, профессор Прилуцкий И.П.

Ведущее предприятие - Харьковское научно-производственное

объединение (ХШО)"Карбонат"

Задата состоится" $ " , с? 199/г. в /3 часов

на заседании специализированного Советах 068.39 при Харьковском политехническом институте (310002, Харьков, ГСП, ул. йрукэе, 21 )

С диссертацией в форме научного доклада можно ознакомиться в библиотеке института

Диссертация в форме научного'догслада разослана" Ученый секретарь

специализированного Совета / Якименко Т.Е.

В научном докладе обобщены работы, связанные с соверпенс-гзованием бессмазочных поршневых компрессоров высокого давления (ПКВД) для химической технологии и автомобильных газонаполни-гельныя компрессорных станций (АГНКС).

Актуальность решаемой проблемы обусловлена значительной зотребностъю многих химических производств в бессмазочнчх компрессорах, поскольку эти нашгага незаменимы при сжатии агрессивных, летучих, взрыво- и пожароопасных газов, так как обеспечивает их чистоту и могут эксплуатироваться а -чироком диапазоне тем-тератур (от минусовых до ^100 С).

На базе бгссмапочных г.овиневых компрессоров возможно также создание современных автомобильных газонаполнительных станций, •оскольку при этом исключаются замасливание компримируемого газа связанное с этим существенное снижение эксплуатационных зарак-•«чистик двигателей автомобилпй. Таким образом, применение бес-гмапочных компрессоров позволит решить задачу экономии жидких неФтяних топлкв, вследствие замены их природным газом и проблему ¡апита окружающей среди, вследствие уменьшения количества вредных выбросов с выхлопными газами автотранспорта.

Однако а настоящее время кет надгхной конструкции таких машин. Это связано в первую очередь с тем, что работоспособность поршневых бессназочныж компрессоров во многой определяется на-дехногтью работы уплотнения. Попытка использования бессназочгыа уплотнений из жестких материалов (графнтопластиковых, текстолитовых и др. ), разработанных для компрессоров низкого и среднего давления, показала их низкую эффективность в условиях работы ПХГ)Д. когда происходят резкий разогрев уплотнений и разрушение антифрга-аионного материала. В этой связи необходимо проведение специальных теоретических и.экспериментальных исследований с целью выявления влияния различных режимных Факторов на процесс работы бессназочно-го уплотнения штока в компрессоре высокого давления.

Весьма актуальной является задача разработки инженерной че-госики расчета температурного состояния деталей многоэлекентного уплотнения штока, а также создание математической нодели глбочего юог.есса бессмазочного уплотнения с /четом закономерностей течения '"аЗс*. теплообмена, термонапряяенного состояние детален сопряжении, гидтяинамики протечек в михроэаэорах гоппяжпний.

Одной из причин, препятстнуимх С'^тчетв а короткие сроки

современных автозаправочных станции, является также полное отсутствие в стране технических разработок такта станций в блочно-кон-тейнерном исполнении (ЕКИ).

В связи с изложенным целью работы являлось:

1. Создание и освоение серийного производства бессмазочного ПКВД высокого технического уровня.

2, Изучение основных закономерностей рабочего пропесса бессмазочного уплотнения штоков НКВД с использованием новых композиционных материалов и создание методики их расчета, позволяющей на стадии проектирования предусмотреть рациональную конструкцию уплотнения.

Для достижения поставленной цели решали<£> следующие задачи:

- комплексный анализ Физических процессов, протекающих в бессмазочном уплотнении (НУ), разработка структурной схемы и математической кодели ЕУ, составление программы и проведение численного эксперимента на ЗВН с целью разработки рекомендаций по проектировали» БУ ПлВД;

- создание стенда на базе ПКВД для проведения исследований по изучению основных закономерностей рабочего процесса в уплотнении бессмазочной машины на давление до 25.НПа;

- проведение серии экспериментов для определения контактных температур в зоне трения предложенной конструкции НУ ПКВД и определение коэффициентов и зависимостей, необходимых для натема-тической модели;

- проведение эксплуатационных испытаний НУ ПКВД на базе компо-з-.гдиоиных полимерных материалов для определения их работоспособности в данной машине;

- разработка технического и рабочего проекта АГНКС БКИ-г50.

Нетоды исследований

В процессе теоретических и экспериментальных исследований автором изучены и обобщены результаты научных разработок я области теплообмена к гидродинамики потоков в уплотнителъных элементах, трения, Физики механических и триботехническик спойсти уплрттггельного материала, динамики износа, кинетики взаимодействия нигсроконтактов сопряжения.

При разработке и исследовании бессмазочиого уплотнения ТТКВД испсльэовап системный подход к изучении псех значимы* Факторов, Бдюпэтзга на ксследуекые параметры. Эксперименты осушест-

- г -

влялись путем реализации разработанных обшей л «астаил методик проведения теоретически; и экспериментальных исследований. Исследования проводились на зкспер:!ментальном стенде на базе компрессора 41752,5-1,2/10-250, а затем на серийная компрессорах того ге типа.

На экспериментальном стенде проведены комплексные исследования по изучению основных закономерностей рабочего процесса бессмазочной мапяоты. При этом контролировались объемные утечки через уплотнительные элемент, температура в зоне контакта гатоков с уплотаительнкми элементами, распределение контактных температур по элементам уплотнений, определялась интенсивность тепловых, потоков по штоку и корпусу уплотнения.

В экспериментах применены современные методы исследований и контроля. Ведение эксперимента, контроль параметров и.предварительная обработка данных осуществлялись с помоиыэ управлявшего вычислительного комплекса на базе УТЛ СК-2Н. Проводились измерения температуры всасызанпя и нагнетания газл. озлгздаюгей жидкости, давления псапгеания и нагнетания по ступеням мастны, температуры наела а картере и целого ряда других параметров. Всего контролировалось л обрабатывалось 140 точек измерения. Результата экспериментов обработаны на ЭБН методами математической статистики.

На серийных компрессорах проверялась работоспособность раз-работазннз рациональны? конструкций эяенентон уплотнения.

Достоверность научных положений. еыеодоз и рекомендаций подтперхяается большим объемом экспериментальных исследований п лабораторных и проишленпых условиях, озшатываюянБ ясе познохиые реззтц работа упяотаитеяьиыя устройств, всесторонней цромшшенной апробацией результатов исследований на серийных компрессорах в составе станции АГНЗС БК1:-250.

На загзтту выносятся:

- новая конструкция уплоткительного узла бессмазочного сетевого компрессора; ,

- основные закономерности рабочего процесса в многоэлементных *>ессмаэочныя уплотнениях ПКВД;

- методика доводки и совершенствования углов утшоттеняя ком-аапссоров без смазки;

математическая модель рабочего пролегсл ч уплотнительнчх уз-

ьрсснаэочного ПКВД;

методика расчета контактных температур в зоне трения уплотни-WbHoro узла;

кгитерик выбора упяотнительного материала, в зависимости от ?еилокассообменных процессов, протекающих в БУ.

Представленная работа является комплексной и выполнена на --•тыке йеух специальностей.

Основной является специальность 05.17. 08 - процессы и аппараты химической технологии, поскольку изучение основных законо-чериостей процессов тепломассообмена и гидродинамики, лежащих в основе рабочегг процесса бессмазочных уплотнений ПКВД. позволило репить главные задачи исследования: определить критерии выбора упяотнительного материала, разработать рациональную конструкцию бессмазочного уплотнения и математическую модель рабочего процесса BV ПКВД.

Второй является специальность 05. 04. 06 - вакуумная и компрессорная техника, пневмосистемы, т. к. результаты первой части исследования положены в основу разработки методов доводки и совершенствования узлов уплотнения компрессоров без смазки; повышения технического уровня производства и совершенствования компрессоров высокого давления с бессмазочными уплотнениями; принятие оптимальных технических решений по вопросу создания АГНКС.

К а у ч и г я яовиэна

Впервые проведено комплексное исследование работы много-зленентного бессмазочного уплотнения ПКВД на базе новых композит онкых полинерных материалов (карбопластиков) на различных режима: выявлены основные закономерности рабочего процесса. Установлены : экспериментально подтверждены критерии выбора уплотнительного ма териала, определяющиеся глапным образом процессами тепломассообмена и гидродинамики в узле трения; средней поверхностной температурой трения колец, величиной температурной вспышки, пределон экструзионной прочности,- зависящем от температурнок состояния и нагрузки на элемент.

Разработана математическая модель рабочего процесса бесска зочнего уплотнения, основанная на принципиально новых представяе яиях о механизме происходящих б уплотнении тепломассообменных процессов. Экспериментально определены константы математической модели.

Практическая ценность Получены расчетные соотношения и разработали рекоменлешш 1еобходикые для проектирования многоэлементныя бессмазочных гп-ютнений атока поишневых компрессоров высокого давления. Раэрабо гала рациональная конструкция эленен"">в бассказочных уплотнений шя компрессоров 4ГИ2. 5-1. 2/10-250. Предло*? ia методики доводки и :овертпенствоваяия узлов уплотнения компгессоров без сказки. Разра-5отан пакет программ для ЭВК, позволяющий создать элементы САПР ялл грибоуплотнителъных систем порпневкх кочпрпссоров без подачи сказки. Реализации и промышленное г к Предложенные методы разработки, освоения и ускоренного внедрения серийной продукции, оперативного управления созданием но- _ вой техники и технологической подготовкой производства внедрень иа Сумском машиностроительном IfflO им. Фрунзе при создании специализированного производства по выпуску серийной продукции. Под руководством автора для АГНХС разработана конструкция компрессора, работающего без смазки. Конструкции бессназочкых уплотнитель-Hbis узлов внедрены на компрессорах 16, 25 и 40-тонных баз АГШС. Экономический эФФект от внедрения состднил 4 млн. рублей. Апробация работы '

Результаты исследований докладывались на 1-й Всесоюзной научно-технической конференции по надежности оборудования, произ-*

воде*. г:енныз и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности (г. УФа,- 1987г. ), на V Всесоюзной натчло-технкчес-ком совещании по уплотнительной технике (г. Сумн, ^бЗг ), на VIII Всесоюзной научно-технический конференции по компрессоро-строенкю-(г. Сумы, 1989г.).

Основное содержание работы изложено а 25 публикациях. В настояием научном докладе излагаются результаты .чзмп.текса научно-исследовательских и конструкторских разработок, выполненных при,непосредственном участии и под руководством автора или лично автором.

3 разделе 1 приведен теоретический анализ процессов з уплотнении ПКВД из полимерных композиций и описаны ос эбенно-.ти предложенной математической модели.

Раздел 2 посвяпен экспериментальным исследя.члиюм раэдтч предложенных конструкций EV ПКВД и сравнению теоретич«';"'1'.* f опытных дантгя.

В разделе 3 предложен метод расчета бессмазочных уплотнений ргсработанных конструкций и результаты численного исследования на Ж.

В разделе 4 обобщены результаты эксплуатационных испытаний спроектированных и используемых уплотнений, основные выводы и результаты научных исследований.

1. ОГЛСЛНИЕ РАБОЧЕГО ПРОЦЕССА БЕССКАЗОЧНОГО УПЛОТНЕНИЯ ПКВД НА БАЗЕ ПОЛИНЕРНЫХ КОМПОЗИЦИИ

Компрессорная установка АГНКС, на которо^ проводилось экспериментальное исследование новых уплотнительных элементов из полимерных материалов, включает в себя 4-ступенчатый 4-рядный поршневой компрессор на оппозитной базе производительностью 12,3 нмЗ/мин, давлением всасывания 10 атм,' давлением нагнетания 250 атм и мощностью двигателя .132 кВт.

Первая и вторая ступени имеют по одному цилиндру двойвого действия диаметром 140, и 95 ми, третья и четвертая - два цилиндра диаметром 52 им, конструктивно совмещающих в себе обе полости нагнетания в каждом цилиндре.

Сальниковые уплотнения находятся на первой, второй и четвертой ступенях, причем на первой и четвертой ступенях они состоят из 9 уплотнительных элементов, расположенных, в трех и пяти сальниковых камерах соответственно. На второй ступени уплотни-тельные элементы располагаются в четырех сальниковых камерах. .

Теоретическое описание процессов, протекающих в нногозле-ментнон уплотнении поршневого компрессора, определяв гея кинетикой взаимодействия никрокоятактов в вероковатом подвижном сопряжении, характером протечек газа, теплообменом между деталями трибоуплотнительного узла и контактной температурой в зоне трения, а также свойствами антифрикционного материала уплотнительных элементов, физические особенности указанных явлений во многом зависят от типа антифрикционного материала. Сушествуютаие методики расчета многоэлементного уплотнения применимы для достаточно жестких материалов (углеродные граФитированные пористые и пропитанные. граФитопластовые, текстолитовые и др. ). В этом случае -Фгаикс-мзтгматическая модель рабочего процесса строится на

г Л -

предположении преииушественно пласпгческого характера деФормирэ-вания мнкроконтактов сопряжения, незначительного влияния нзаин-ного движения трущихся поверхностей на протечки газа, возможного пренебрежения упругостью антифрикционного материала и его реологической вязкостью, а также слабого влияния контактной температуры в зоне трения (обычно этот параметр не Фигурирует в расчетах) на Физико-механические и триботехнические свойства. Существующие модели не позволяют сФормулировать критерии работоспособности применяюяихся антифрикционных материалов.

Анализ опыта эксплуатации уплотнительных систем ПКВД без смазки показал.наиболее высокую перспективность использования з качестве уплопг.тгельных элементов полимерных композиций и, осо- 4 бенно. антифрикционных карбопластиков. Своеобразие свойств полимерных композиций (зависимость Физико-неханических и триботехни-ческих характеристик от температуры, существенное проявление реологической вязкости и особенности соотношения твердости к жесткости) , предопределяющих Физику явлений в шероховатых подвижных сопряжениях, требует создания принципиально нового подхода в описании рабочего процесса нногоэлекентных уплотнений ПКВД (рис. 1).

Проведенный анализ кинетики контактирования подвижного сопряжения "полотер-стальное контртело" показывает, что деформации на микрокоитактах носят лреимушествечно упругий характер, а взаимное перемещение труиихся поверхностей в силу реологические вяз-коупругих характеристик полимеров обусловливает протечки газа через сопряжение и определяет значение контактных напряжений в уплотнении.

Построение замкнутой системы уравнений, пригодной для моделирования рабочих прочесов в уплотнительных система* ТТКВД, требует также нахождения температур деталей, образующих камеру переменного обьена. Решение этой задачи распадается на задачи, соя-занные ,с оценкой интенсивности теплообмена на внешних поверхностях камеры переменного обьема и с определением собственно температур поршня, штока, втулки, крышки, уплотнительных колец и т. д. Граничные условия передачи теплоты уплотнительных колец язляются одним из определяющих для расчета температурного состояния деталей узла уплотнений.

Для правильного определения разнеров уплотнительных колец при проектировании необходимо учит.лвать их действительную темпе-

___-Р1

Расчетная схема

Чш, 1 * ' ^

НттттттТ 11;;!; Мтттл

Л :го

/ /

рис.1

Технические характеристики ТУС

'„ ©с;НВ,МПа

Е, МП а

400 500 600 1Г,К рис. 2

300 4СС 600 600 Т. К рис.3

- в -

ратуру в рабочих условиям и коэффициента линейного расширения материалов поршня, штока и цилиндра, а также те^моФрикпионную характеристику материала уплотнктельных колец (рис. 3).

Установлено, что процесс теплообмена газа с деталями уплотнения в значительной степени зависит от обшего перепада давления на уплотнения к его распределении по отдельный кольцам. Величина внешних утечек газа более всего зависит от числа колец, среднего перепада давления на уплотнении, зависящего, в свою очередь, от гсавлепия газа в рабочей полоста и противодавления за уплотнением, а также от площади проходных сечений в пестах неплотности колец.

Теплообмен в зоне контактирования трущихся деталей поршневого компрессора является составной частью обшего процесса тепло-иассообмена в рабочей камере поршневого компрессора. Однако существуют« до сих пор методики расчета бессмазочных поршне- ых уплотнений опираются, в основном, на процессы контактирования, трения и, в какой-то степени, течения газа, не учитывая температурного состояния деталей многоэлементного уплотнения штока конпрес;ора.

Кожду тем, температура в зоне трения, определяющая свойства антифрикционного полимера, является основным критериен работоспособности уплотнительной системы. Так, для Флубона 15/50 рабочий интервал температур составляет 100-250 С. Снижение температуры по отношению к рабочему интервалу приводит к росту коэффициента трения f. Повывиниз температуры - к экструзии полимерного материала за.счет появления пластичности и росту износа. Следовательно, контактная температура t в зоне трения является определяющим критерием работоспособности рассматриваемого узла трения (рис. 2,3).

Расчет контактной температуры нозможен путем создания математической модели рабочего процесса, наиболее полно отражахяей указанные.Физические особенности явленчй, к построения инженерной методики расчета многоэлементных уплотнений ПКВД без подачи смазгся.

Интенсивность разогрева деталей в зоне трения, величины и характер тепловых потоков определяются моделью двютзегося теплового источника за счет генерируемой мощности трения и энергетическим балансом процесса трения.

Численные значения критерия Пекле, характеризующего интенсивность двкжеькя теплового источника: Vs 1 2 5

р ------... 10 (1.1)

¿ а

- о -

где Уз - скорость скольхения; 1 - характерный размер; а - температуропроводность детали, позволяют использовать модель быстро-двихушегося полосового источника. Поэтому с высокой точностью справедлив принцип суперпозиции для температуры в зоне трения 1-го элемента:

Чг1 + (1-г>

* 4

где -1л - средняя поверхностная температура в зоне трения; избыточная температура поверхности." связанная с движением источников и остыванием свободной части штока (гильзы цилиндра); ^ ■ температурная вспышка на контактирующих никровчступах сопряхсни: Анализ решения задачи Фурье для быстродвижущегося поло ов< го источника ч с нулевыми граничными условиями показывает малую толщину нестационарного прогрева на поверхностях детали и возможность определения поверхностной температуры t в стационарном приближении из энергетического баланса. Предлагается избыточные температуры в зависимости (1.2) определять по Формуле:

Здесь вреня действия полосового источника ч на выделенной

площади поверхности трения,

Энергетический баланс в зоне трения позволяет лайти темп ратуру го, :

. П Л

Уз '= ^Гб.} ♦ й X т + £ УК (1.4)

1 ги п

где Уз = --- ! У ( Ч. ) <2 *» р(сгА1 > ~ мощность трени;

и ] . - 1ч

О

^ц- вреня цикла; V - скорость скольжения порптя (итока); Рк; контактное давление и 1-ом элементе; А1 - номинальная площадь 1-го элемента в сопряжении; - тепловой поток п 3-ю петель трения; Д 1 - избыточная энгдльпия газа, протекающего через у

отненпе; и - массовые утечки; ^Уц - сумма энергий, затрачива-

/Г-/

кых на структурные изменения поверхностного слоя, на разрушение [икронеропностей и их деформирование к т. д. Анализ трибоуплотнн-•ельлой скстег г показывает незначительность вклада третьей состав-гаюиеЛ э балансе (1.4).

Расчет контактной температуры а датой постановке должен >азироваться на известных механизмах контактирования, течения в вероховатом сопряжении и трения. Анализ теории контактирования и >бобшение опыпгых данных, приведенных а литературе, позволяет зрогнозироватъ относительную плоиадь контакта в виде модифицированного уравнения Бартенева-Лаврентьева

f2 [ 1 - ехр (-ер. Рк/ Е\[Д*)] (1.5)

где Р - параметр реологической вязкости полимера, зависящий от соотношения времени контакта 1j = ( drj / W3 ) на ¿-ом микрофон-такте и времени релзжсаякл « = (JJ.?/ Е ); d^ - средний диаметр пятна контакта; j^tp - реологическая вязкость; Д = (RmaxV <г>) -критерий шероховатости; Нтах я <т> -максимальная высота уступа перряоязтостя н радиус ■ закругле:;ия мгжровыступоп.

Из аналогичной завнсхэтоста для относительного сблзкеготл 6 = (у / Нзах) следует вид опорной кривой (рис.4)

1

= 1 - (1 -i)^ (1.0)

где ^ - параметр опорной кривой (для нормального распределения высот сер'охопатости ^ - 1/5).

При скольжении поверхностей (за счет днихения порпня нпи ггтокл и торцевого их биения) параметр Р резко снижается и поэтому появление сквозных микрозазороп в сопряжении позволяет -.-ополь-зозать гидродтшамический подход а описании протечек газа к увести понятие -кззтвалентного гидравлического зазора

(

.1 - ^ (2)3 <¡2/(1 (1. 7)

Баланс сил,, действтааиж на уппотнителышй элемент,

1

PK = Ра - (1

I

f<x) öx (1. в)

и значение критерия Рейнольдса газовой пленки в эквивалентной зазоре (ламиварность и "ползучесть" -течения газа в сопряжении) позволяют искать решение в изотермическом приближении

3

э а 1 hp др

-г-- (Ph) ♦ ---- <— №h------------) = о (1. 9)

№ fa г izjjl Э*

Здесь Ра - номинальное давление на элемент; р (s, Т) - текущее давление газа в зазоре.

Решение системы (1.5) - (1.9) и квазистационарном приближении (длина уплотнителызого элеиента намного меньше хода поршня или вггока) позволило найти распределение' давления газа в зазоре р(х), утечки газа m и замкнуть баланс (1.4! для расчета контактной температуры.

Теоретический анализ кинетики контактирования, течения, трения и теплообмена для единичного элеиента, проведенный с Поповы» представленной Физико-математической иодели, позволяет сде-, дать следующие выводы:

1) Контактная температура в зоне трения определяется прежде всего процессами теплообмена нежду материалом штока или поршш к сжинаемым газон, а также величиной температурной вспышки.

2) На никроконтактах преобладают упругие деформации, и поя! ление пластичности связано с недопустимый температурным разогревом полимера за счет трения.

■ 3) Фактическое напряжение бу на микроконтакте, обусловливавшее работоспособность сопряжения, зависит от нагрузки практически только через контактную температуру tr и определяется свойствами полимера и шероховатостью поверхностей:

бгяЕ иг) (1.ю:>

4) Характер распределения давления Р(х) газа в зазоре в чзна-читедьной степени зависит от взаимного скольжения трущихся поверхностей. При скоростях Уз и шероховатостях Л приработанных поверхностей, характерных для ПХВД, влияние взаимного скольжения на среднее давление гэзовой пленки <р> и протечки и становится доминирующим.

2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ И ПОВЫШЕНИЕ НАДЕЖНОСТИ БЕССНАЗОЧНЫХ ПОРШНЕВЫХ КОМПРЕССОРОВ

Для определения Фкзихо-мехаяичеехиж и трнботехнических характеристик применяемых антифрикционных материалов, типа контактирования, реологии материала в зависимости от времени михрохои-такта, возможности применения гидродинамического подхода для пЬ-двияшыз шероховатых соединений, выявления плияния контактных температур и нагрева материала на его работоспособность созданы стенды для моделирования Физических процессов, протег^аляиз в уплотни-тельном узле.

В результате серии проведенных экспериментов были получегш новые данные, характеризующие механизм контактирования трущихся поверхностей и доказывающие возмозность гидрод.ламического подхода описания процесса, а также значения*,величин» определяющих трнбо-технические и Физико-механические характеристики материала {рис. 2,3). Полученные экспериментальные данные о кинематическом воздействии никроконтактов в шероховатом подпюшои сопряжении, характере протечек газа позволяют раскрыть Физические особенности работы трибоуплотнительного узла и показыпают перспективность использования п качестве уплотнительнык элгчентол ПКВД полимерны* композиций, я частности, антифрикционных карбопластмков.

Необходимость изучения основных закономерностей рабочего иропссса БУ ПКВД на базе новых композиционных материалов я разработки методики их расчета потребовало создания второго стенда на базе компрессора 4ГМ2,5-I,2/10-250. На данной стенде был проведен комплекс научно-исследопательских работ по изучению основных закономерностей рабочего процесса бессмлзочной мдикиы. В процессе исс челопалкй замерялись объемные утечки через уплотнитель-

ные элементы» температуры в зоне контакта штоков с уплотнител1$ш-ми элементами, распределение контактных температур по элементам уплотнений, характер распределения температуры в уплотнительных" элементах, определялась интенсивность тепловых потоков по штоку и корпусу сальникового уплотнения. На стенде было ;:роведено ин-дицирование ступеней компрессора с одновременной записью распре-. делеЬкя давления в камерах сальникового уплотнения, определялась мощность на валу конпрессора. Ведите эксперимента, получение данных и их предварительная обработка осуществлялись с помощью управляющего вычислительного комплекса на базе УВК СК-2И. Данный комплекс проредил измерения температуры всасывания и нагнетания

С

газа, охлдждаюшеи жидкости, давления всасывания к нагнетания по ступеням машин, температуры масла в картере и целого ряда пара-' метров. Всего контролировалось и обрабатывалось во время эксперимента 140 точек измерения. Результаты экспериментальных дамных были обработаны методами математической статистики. Проперка надежно'-™ полученных результатов осуществлялась по критерию Сть»-дента для доверительной вероятности О, 95.

Согласованием опытных данных с результатами численных расчетов на ЭВМ удалось построить метод расчета мнегоэлементного уп-лоп.ения ПКЕД без смазки, адекватный реальным гроцессан. протека-ПМ1 в рассматриваемой трибоуплотнительиой системе.

На основании теоретического анализа и иСследогчлпй уста;:опо лено следуюпге:

1. Величина температурной вепшки зависит главней образом от свойств антифрикционного нате риала, ки..еткки контактирования и характеристик поверхностного слоя трения. Для расчета 0"г впервые получена зависимость: ___о

А 4 г V/ з Ктах

иг~ £ ' * 1 ■

^де, ^ - коэффициент Формы пятен микроконтактоп (4^1,0), а индексы 1 и 2 соответствуют элементам пары трения.

2. Разница между средним- температурами втока и колеп { ^¡1) ^ составляет при использовании Флубона 15/20 примерно г.. . 5°С. .Такие или чуть меньшие значения получены расчетом для температурной вспьшки . С ростом жесткости (Е) уплотиительного материала величина существенно возрастает и для граФелона составляет десятки градусов.

- 1Ч -

3. Распределение теплоЕых потоков из зоны трения прижг-лю составляет: в сжимаемый газ - 16. ..21%, в картер - 11... И-х, íi систему охлаждения - 63... 70*, с утечкой газа - до Г/. . Обнаружен эффект значительной интенсификации теплоотдачи в нежкольпегах объемах ( £.»20.. . 30). Поэтому, несмотря на пренебрежимо малый от-

г .

вод теплоты через уплотнителыше кольца (доли процента), через монтажный зазор в систему охлаждения отводится до 70z теплоты трения.

Полученные данные использованы длг определения корректирующих коэффициентов и зависимостей, необходимых для орппедеиия серии численных экспериментов Яа ЗЙН с целью разработки рекомендаций по проектированию БУ ПКЯЯ.

г 3. ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТЫ БЕССМАЗОЧШХ

УПЛОТНЕНИЙ ПКПД С ПОНОЩЬЮ НАТЕНАТИЧЕСКОИ МОДЕЛИ

Анализ предложенной математической модели покапывает, что контактная температура tr, определяющая работоспособность уплотнения, зависит от среднего контактного давления <ГК> в уплотнении и максимального контактного давления max РК1 ка отдельном элементе, определяющем температурную вспышку Ûri к нестационарный всплеск температуры при движении полосового источника. Поэтому для табора антифр/кционного полинерного композита i :я уплотнительных элементов и проектирования уплотнений ПХЕД необходимо прежде лсе-го знать предельные распределения давления газа по ходам п межкольцевых объемах при установившейся работе компрессора. Это позволяет оценить величины <РК> и max <РК> услопия стационарности утечек за цикл через 1-й уплотиительный элемент: , % Г2Я

m; (Ч>) df ) = const <3. 1)

t

<т>;_ = — ( т^ С Ч">- ¿Ч'*

2 ^

о $

где т ^ - массошлй расход газа через 1-е уплотнение, соот-

ветстпуютий углу У поворота коленчатого пала.

Кпалисгапио71йр»ое pememe системы (2. 5) - (?. 9) позволяет искать значение величины ст (Ч7) в пиле.

п и - £>о р

--- 1п ( --------) - (1-Р) = Бо-Х (3.2)

Бо Ш - 8о

?

где и - относительный расход; Бо = (б^А 1 № / Ь р ) - критерий Зокиерфельда газовой опенки; р = (р/р^); р^ - давление газа на входе в зазор; х = (х/1); 1 - длина уплотнительного элемента.

Програмна, разработанная на ЭШ СН14-20, позволяет определять с помошью расчетных зависимостей натематической модели расходы газа на положительных (зн^ки расхода за счет градиента давления расходов противоположны) ходах поршня или штока, а также прогнозировать основные характеристики рабочего процесса в многоэлементном уплотнении НКВД

Машинным эксперимент проводился по классической схеме для дожинавшей ступени компрессора. Под этой независимо изучалось влияние давления нагнетания Рн, шероховатости трущихся поверхностей числа г и длины 11 колец в уплотнении, интенсивности охлаждения НУ (Е^), скорости скольжения УК, вида антифрикционного материала й других определявших процесс Факторов. Установлено следувшее:

о

1. Герметичность уплотнителытах элементов с перекрытыми спасают высокая. При давлении нагнетания Рн = 25 НПа и г = 3 относительный (от цикловой подачи) расход протечек С для приработанных поверхностей (Кг/2= 1 ккм) не превышает 1И.

2. Относительные потери за счет трения в БУ со<$тавляют 5. ..гг.

3. Уменьшение длины 11 уплопгительпых элементов снижает контактную темпера!/ру 1г и мощность трешя Уз. При этом незначительно возрастают износ I (относительная величина изнашивания I = (Д Н/Ук • *Ср)") и утечки г*за через уплотнение в (рис.5).

4. Наиболее благоприятным для работоспособности БУ ПКВД является увеличение числа достаточно узких колец (И = 60 . 8 мм) а уплотнении (р.х. 5).

5. Критериями табора уплотнктельного материала, определяющими надежность и долговечность работы уплотнител- ныя элементов, являются средняя поверхностная температура трения 1а. I колец, ве-

о

с

,/■0 ¡г

1*10

1,0

0,5 О

Механизм контактирования 'полимер-твердое контртело"

I

У- 0,2 1 1

1 1 !

' __1, —— !

0,5

ОИС.4-

с

Результаты численного ' эксперимента на ЭВМ

Сг, аС 1У51 кВ: 250

гоо

150 !

]

4

! 100 !

1,5

1,0

50

■ и.'.'

15 1,мм рис. 5

личина температурной вспышки Щ- и предел экструэионной прочности 1ЭК , зависящий от температурного состояния и нагрузки на элемент. Величина зависит от коэффициентов теплопередачи Кг. Кг, Kw соответственно а газ, картер и систему охлаждения, и определяет величину трения f и ношность тренкя уплотнения W3 (рис.5).

б. Разработанный пакет программ для ЭВН позволяет подойти к созданию элементов САПР для трибоуплотпительных систем поршневых компрессоров без смазки.

4. ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ ОБОРУДОВАНИЯ АГНКС•

• По результатам исследований работы бессмазочных уплотнений ПКВД с помошью математической модели были разработаны и изготовлены конструкции эленентов уплотнения, которые прошли испытания на стенде компрессора 4ГН2. 5-1, 2/10-250 в течение 500 часов для определения их работоспособности.

ч

В зависимости от надежности и долговечности испытанных уплотнений разработаны рекомендации по проектирован!® конструкций ПКВД из антифрикционных карбопластихов.

Изготовленные по разработанным рекомендациям оптимальные конструкции элементов БУ ПКВД после многократйрй проверки на стенде были установлены на серийных компрессорах 4ГН2, 5-1,2/10-1 -250, входящих в состав станций АГНКС БКИ-250.

В результате проведённых испытаний опытного образца ПКВД произведена корректировка технический документации и разработан оперативный график изготовления опытной серии подобных компрессоров.

Уплотнительные узлы ПКВД, разработанные по результатам проведенной под руководством автора работы, внедряются в настоящее время на компрессорах 16-ти, 25-ти и 40-тонных базах с целью проведения последующих промышленных испытаний.

ВНЕДРЕНИЯ

На основе результатов исследований и опытно-конструкторских проработок созданы -и -внедрены:

1. Экгг:г:риментапьний стенд на; базе компрессора 4ГМ2,5-1,2/ C-2'.O по изучению основных характеристик бессмазочного уплотне-

ния,

2. Методика доводки и совершенствования узлов уплотнений поршневых бессмазочных компрессоров высокого давления.

3. Рекомендации по проектированию многоэлементных бессказочных уплотнений П2ВД на базе перспективных антифрикционных материалов с использованием полученных расчетных соотношении.

4. Нетоды расчета контактных температур в зоне трения и их зависимости от основных конструктивных.и эксплуатационных характеристик уплотнительного узла ПКВД.

5. Опытный образец компрессора 4ГК2,5-1, 2/10-250, снабген-ный бессмазочными уплотнениями новых конструкций. Освоен серийный енпуск автомобильных станций АГНКС БКК-250 и АГНКС-320, оснашепных этими компрессорами.

Экономический зФФект от внедрения результатов исследования и разработок, выполненных на их основе, составит не менее 4,О млн. рублей

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ РАБОТЫ

1. Проведен алализ с позиций систенного подхода современного состояния вопроса проектирования бе../мазочных уплотнений порсневого компрессора высокого давления, обоснованы основные направления исследований по повыяенга» работоспособности уплот-нителышх устройств. ' • .

г. Создан экспериментальный стенд яа базе компрессора 4ГН2, 5-1,2/10-250 для проведения исследований по изучению рабочих процессов, протекают« в бессмазочном уплотнении поршнрвого компрессора высокого давления.

3. На основании теоретических и экспериментальных исследований впервые установлены критерии выбора уплотнительного млгр риала для бессмазочных уплотнений ПКВД на основе алтифриксиониыя карбопластиков, разработана рациональная конструкция аленентов уплотнений для компрессора 4ГН?.. 5-1. 2/10-250.

4. Разработана математическая модель рабочего ш=оцег.-.а бессказочного уплотнения. основанная на принципиально новой положении о том, что процессы тепломассообмена я уплотнении должны рассматриваться происходяпдаи.че в стапдонагион геометрическом

зазоре, а и нели. параметры которой определяются реологическими свойствами полимеров н упругими деформациями на никроконтактах. Предложенная математическая модель учитывает массовый расход газа через уплотнение, кинетику взаимодействия никроконтактов сопряжения, теплообмен, трение, Физико-механические и триботехнические свойства материала, динамику износа и др..

3. Установлено, что основным Фактором, характеризующим работу бессмазочного уплотнения, является контактная тенпература в зоне трения. На микроконтактах единичного уплотнения преобладают упругие деформации, и появление пластичности связано с недопустимым температурным разогревом, а контактная температура в зоне трения определяется прехде всего топлоотподом через материал штока.

в. На основании положительных результатов эксплуатационных испытаний уплотнительных узлов, спроектированных с использованием экспериментальных данных, аналогичные конструкции бессмазочных уплотнений внедрены на компрессорах 1С-тк. 25-тк и '»О-тонных баз с целью проведения -промышленных испытаний.

7. Разработан пакет программ для ЭВМ. составивший основу САЙР для трибоуплотнительных систен поршневых компрессоров без смазки.

-РАБОТЫ, ОПУБЛИКОВАННЫЕ ПО ТЕКЕ ДОКЛАДА

1. Будних А. ф. , Вихров С. Н. . Роговой Е. Д. Применение композиционных материалов в узлах трения технологического оборудования • с целью повышения его долговечности и' надежности// I Всесоюзная научно-техническая конференция НХП-1-87. Надежность оборудования, производственных и автоматизированных систем в химических отраслях промышленности: Тез. докл. - УФа. 1987, с. 53-54.

2. Карченко К., Роговой Е. Д. Опорная кривая к гидравлический зазор в контактных уплотнениях на основе полимерных материалов// V Всесоюзное научно-техн. совещание по уплотнительной технике:

Тез. докл. - Сумы, 1986, с. 126-127.

3. Карченко В. Н. , Роговой Е. Д. Оценка герметичности уплотнений поршневых компрессоров без подачи смазки// V Всесоюзное научно-техн. совешание по уплотнительной технике: Тез. докл. - Сумы,

! 485, с. 128.

4. Попов В. П. , Роговой Е. Д., Зозуля В. И. , Сидоревк- 4 кспердаентальное исследование уплотнений АГНКГ из композитны? (атериалов// V Всесоюзное научно-техн. совеиание по уплотните .с; юй технике: Тез. докл. - Суны, 1988, с. 157.

5 Нарченко В. Н., Роговой Е. Д. Закономерности течения v -еплообнена в подвижных ис-рохопатых сопряжениях уплотнений поте 1евых компрессоров// Деп. в ЦИНТИхимнеФтемаш 14.03.89 г. Н198С->П* :умы, 1988, с. 5.

6. Марченко В. Н. , Роговой Е. Д. Опорная кривая и гидравлг 1есккй зазор в контактных уплотнениях из полимерных конпозкпиор-зых материалов// Деп. п ЦИНТИхимнеФтемаш 14.03.89. г. Н 1980-ХН ^умы, 1988, с. 5.

Т. Будник А. Ф. , Нарченко В. Н. , Роговой Е. Д. Критерий работоспособности уплотнительных элементов из композиционных полимерных материалов// Деп. в ПИНТИхиннеФтемая 14.03.89 г. Я 1980-ХН Сумы, 1988, с. 6.

8. Роговой Е. А, Гардт В. А., Черепов Л. В. Учет протечки газа через уплотнения проточной части компрессоров// Деп. в ГОШТИхки-неФтемаш 06. Об. 89, Н 2017-ХН89, Сумы, 1988, 17 с.

9. Федоренко Н. Д., Налюпенко В. В. , Роговой Е. Д. Современное газоперекачивающее оборудование в блочно-контейнернон исполнении Сумского НПО им. Н.В.Фрунзе// VIII Всесоюзная научно- техн. конференция по компрессоростроению: Тез, -докл. - Сунн, 1989, ч. I, с. 144.

10. Нарченко В. Н., Роговой Е. Д. Прогнозирование температурного режима работы контактных уплотнений бессмазочных поршневых компрессоров// VIII Всесоюзная научно-техн. конференция по компрессоростроению: Тез. докл. - Сумы, 1989. ч. II, с. 10.

11. Нарченко В. Н., Роговой Е. Д. Ослопы расчетов трибоуп-лотннтельных систем поршневых компрессоров без подачи смазки// VIII Всесоюзная научно-техн. конференция по компрессоростроению: Тез. докл. - Сумы, 1989, ч. II, с. 10-11.

12. Апсеньеп В. М. , Будник А. Ф. , Роговой Е. Д. , Шаповалов С. Л Выбор оптимального состава материала износостойких уплотнений компрессорные машин и установок// VIII Всесоюзная научно-техн. у.онф-ренпия по компрессоростроению: Тез. докл. - Сумы, 1939, ч. II, V-

13. Кобзистый В. И. , РогопойЕ. Д. . Черепон Л. В. Оптимально., проектирование технологических схем установок для интенсиФикацю-

процессов нефтегазодобычи. // Всесоюзное совещание "Повыкение эффективности и надежность кашкн и аппаратов в основной химии*, Химтехнгека-89. Тез. кокп. - Сумы, 1909. с. 184.

14. Голубков О. Г.. Роговой Е. Д., Черепов Л. В. Проведение вычислительного эксперимента для блочно-коиилектных установок нефтедобывающей промышленности// Всесоюзное совещание "Повышение эффективности и надежность машш и аппаратов в основной химии". Химтехннка-89, Тез. докл. - Сумы, 1989. с. 1SS.

15. Роговой Е. Д. , Черепов Л В. Совершенствование конструкций -'хчопогкческих схем АГНКС // Деп. в ЦИНТИхикнеФтемаш

31. 01. 90, Я 20Й8-ХН, Сумы, 1990, 8 с.

16. Роговой Е. Д. Списание рабочего процесса бессмапочпого узлотаепия ПХВД на базе полимерных композиций // Дгп. в ЩНГГИхим-неФтенаш 04.08.90, N 2035-ХМ. Сумы, 1990, 8 с.

17. Рогопой Е. Д. Исследование работа бессмазочних уплотнении ПКЗД с помощью математической модели //Деп. п ЦШТИхимнеФтемаа 01.08.90, N гОйб-ХН, Сумы, 1990, 7 с.

!9. Андренко П. Н. , Черепов Л. В.. Нардинисгсклй B.C., Рогопой Е. Д. Контактные уплотнения с погашенной не сущей способностью. Гидравлические нашшы.// Сб. научн. трудов.-Харьков. : Основа, 1990, с. Vl2-116.

19. Роговой Е. Д., Разработка бсссмазонного поршневого компрессора высокого давления, "Химическое я нефтяное машиностроение". 1991. H 12.

20. Роговой Е. Д. Влияние процессов тепломассообмена на работоспособность бессмазочного уплотнения bcpsshse'hx коипрессороп высокого давления // Деп. в ЦИНТИгшнеФтемаа 21.06.91.

H 2198-ХН 91, Сумы, 1991, 8 с.

21. А. с. СССР Б 1576754, ИГО FlfiJ 15/44, Уплотнение врапаю-иегося вала // Роговой Е. Д. и др. .

22. А. с. СССР H 1589663. НТО F16J 15/10, Уплотнение вала / ?эговой Е. ?.. и др.

£3. Яогояок Е. Д. . Пшик В. Р. , Карпинкопский П. С. , Черепов Л. В. уплотнение оала. Решение о выдаче А. с. от 29. 08. 89 по заявке Ч 4495975/24.

¿4. Роговой Е. Д. , Маршшковскик В. С. , Салий В. К. , Черепов Л. В. Газоперекачивающий агрегат. Решение о выдаче Л. с. от 30.01.90 по