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

Поршневые пневматические двигатели (ПД) получили самое широкое распространение в пожаро-взрывоопасных производствах нефте-газогорнодобывающих 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 10 001 500 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-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-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.

Заключение

.

В настоящей работе проведено исследование поршневых газовых (пневматических) двигателей и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами. Разработаны и созданы автоматизированные экспериментальные стенды, разработаны математические модели рабочих термогазодинамических и динамических процессов в механизме движения пневмо-двигателей и двигательно-компрессорных агрегатов с самодействующими клапанами с кривошипно-шатунным механизмом, выполнены экспериментальные и теоретические исследования. Предложены и апробированы методы расчета поршневых машин (газовых двигателей, детандеров и компрессоров) с учётом нестационарных (неустановившихся) режимов их работы.

Работа направлена на совершенствование рабочих процессов поршневых машин и агрегатов, создание новых более экономичных конструкций, обладающих улучшенными эксплуатационными качествами, низкими удельными показателями, такими как затраты мощности и удельная металлоемкость.

Основные теоретические и практические результаты проведенных исследований состоят в следующем:

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, нестационарных режимов работы и возможностью многофакторной оптимизации.

5. Созданы экспериментальные стенды пневмодвигателя и пневмодвига-тельно-компрессорного агрегата. Проведены экспериментальные исследования рабочих процессов пневмодвигателя, 3-х цилиндрового Ш-образного пневмо-двигателя и пневмодвигательно-компрессорного 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 2¹⁴%.

7. Выполнен параметрический анализ влияния конструктивных и режимных параметров на показатели работы ПД и пневмодвигательной ступени. На основании математических моделей рабочих процессов даны рекомендации по рациональному конструированию поршневых двигателей с самодействующими клапанами и пневмодвигательно-компрессорных агрегатов.

— В результате расчетов рабочих процессов ПД можно сделать вывод о том, что чем точнее конструктивные параметры (С, Нтах, расположение и размер выхлопных окон) подобраны в результате оптимизации под режимные параметры (Рнач, момент нагрузки на валу), тем менее устойчивой является конструкция ПД к изменению начального давления и нагрузки.

— 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 0,8⁰, 85, для меньших давлений S/D следует принимать порядка 0,6⁰, 7. Отклонение S/D от рекомендованных значений на 0,1 в меньшую сторону приводит к увеличению удельного расхода сжатого воздуха на 60⁷⁰%, в большую сторону — на 20³⁰%;

— 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 удельного 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 2², 5 раза. Увеличение, а до 0,6 приводит к уменьшению мощности на 7¹⁰% и увеличению удельного расхода на 5¹⁰%;

— 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 ^ 2,5 раза более высокую частоту вращения вала, чем поршневые ПД с принудительным газораспределением;

— наиболее целесообразными для многоцилиндровых схем является оппо-зитное 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%;

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