CC BY
53
УДК 621.512
А. Ю. КОНДЮРИН В. Е. ЩЕРБА Е. А. ЛЫСЕНКО И. С. НЕСТЕРЕНКО А. Н. ЗИМНИЦКИЙ
Омский государственный технический университет
К ВОПРОСУ О ПОЛУЧЕНИИ ПРОФИЛЯ ЩЕЛЕВОГО УПЛОТНЕНИЯ ДЛЯ ПОРШНЕВОЙ ГИБРИДНОЙ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОЙ МАШИНЫ ОБЪЕМНОГО ДЕЙСТВИЯ_
В работе описаны основные особенности проектирования и изготовления щелевого уплотнения поршневой гибридной энергетической машины объемного действия (ПГЭМОД). На основе расчетов с использованием математической модели определены оптимальные размеры, согласно которым и была изготовлена цилиндро-поршневая группа ПГЭМОД. Ключевые слова: компрессор, насос, поршень, уплотнение.
Прикладные научные исследования проводятся при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований RFMEFI57414X0068.
В настоящее время широкое распространение имеют поршневые компрессоры и поршневые насосы. В результате объединения поршневого компрессора и насоса в единый агрегат, получивший название поршневая гибридная энергетическая машина объемного действия [1], улучшается охлаждение компримируемого газа, уменьшается работа сил трения, улучшаются массогабаритные размеры и повышается кавитационный запас насоса. В случае низких давлений нагнетания в насосной секции и высоких давлений нагнетания в компрессорной секции для повышения эффективности работы компрессора путем присутствия охлаждающей жидкости в рабочей полости компрессора в процессе сжатия и частично в процессе нагнетания необходимо выполнять поршневое уплотнение в виде гидродиода. В этом случае сопротивление щелевого уплотнения при течении из насосной полости в компрессорную — минимальное, а из компрессорной в насосную — максимальное. Изготовлению данного щелевого уплотнения и посвящена настоящая статья.
На работоспособность уплотнения влияют эксплуатационные, конструктивные, технологические, технико-экономические и экологические факторы. Наиболее значимыми являются:
— свойства рабочей и окружающей сред;
— свойства материалов герметизируемого соединения и уплотнителя;
— режим работы;
— допускаемые пределы утечек;
— ресурс и общий срок эксплуатации;
— токсичность и химическая агрессивность сред.
В соответствии с принципом действия и отраслевой принадлежностью используется следующая классификация уплотнений по категориям:
1. Классы — контактные, бесконтактные, разделительные;
2. Подклассы (в соответствии с основными эксплуатационными особенностями, определяемыми свойствами уплотнителя) — проточные, динамические, эластомерные, механические, набивочные, диафрагменные и т.д.;
3. Типы — по назначению герметизируемого соединения;
4. Группы — по особенностям механизма герметизации;
5. Виды — по конкретным конструкциям;
6. Внутривидовые группировки.
В статье рассматривается бесконтактное уплотнение пары цилиндр — поршень. Классификация бесконтактных уплотнений приведена на рис. 1.
Объектом исследования является концентрическое щелевое уплотнение, выполненное в виде гидродиода, имеющего геометрические параметры, приведенные на рис. 2.
В качестве геометрических параметров в работе рассматривались следующие величины: И — высота выступов на поршне (3 мм); 50 — зазор между внутренней поверхностью цилиндра и поверхностью выступов на теле поршня (0,075 мм); а — угол наклона передней кромки выступа (15 0); в — угол наклона задней кромки выступа (60 0); Ц — длина цилиндрической поверхности выступа (4 мм); Ц — расстояние между концом предыдущего выступа и началом последующего выступа на теле поршня
Рис. 1. Классификации бесконтактного уплотнения
Рис. 2. Кольцевое щелевое уплотнение, выполненное в виде гидродиода
(2 мм); dпор — диаметр поршня (89,85 мм); Lпор — общая длина поршня (129 мм).
При получении фасонных поверхностей на станках применяют различные режущие инструменты: резцы, фрезы, шлифовальные круги и другой фасонный инструмент. Токарные резцы являются наиболее распространенным инструментом, применяемым для обработки цилиндрических фасонных поверхностей.
Если формообразование детали рассматривать только с геометрической точки зрения, то форма обработки поверхности будет зависеть от формы поверхности резания, так как обработанная фасонная поверхность детали образована несрезанными участками поверхности резания [2].
Очевидно, что результаты измерения расхода жидкости через зазор лабиринтно-щелевого уплот-
нения зависят в основном от четырех параметров: величины радиального зазора, перепада давления на уплотнении, формы лабиринтной канавки, эксцентриситета положения осей вала и втулки.
Эксцентриситет положения осей вала 2 и внутренней поверхности втулки 1 (рис. 3) целиком зависит от несовпадения осей наружной и внутренней центрирующих поверхностей диска.
Для того, чтобы это несовпадение практически равнялось нулю, окончательная обработка центрирующих поверхностей этого диска производилась за одну установку с использованием специального приспособления.
Сопряжение диска 4 с деталями 1 и 2 производилось с небольшим натягом (переходные посадки и h4/M4), что обеспечивало их точное взаимное положение.
о
го
Рис. 3. Конструктивный вариант приспособления для монтажа щелевого уплотнения: 1 — цилиндрическая втулка; 2 — сменный вал с лабиринтными канавками; 3 — крышка; 4 — центрирующий диск с отверстиями
Индикатор-нутромер вводится в отверстие втулки 5, и в произвольных десяти сечениях измеряется отклонение диаметра втулки 5 от диаметра вала 1. Результат каждого измерения фиксируется наблюдателем
На зафиксированном микрометре настраивается " индикатор-нутромер на произвольное деление
Рис. 4. Схема измерения зазора между втулкой 1 и валом 5: 1 — вал; 2 — микрометр; 3 — винт фиксатора положения измерительного стержня микрометра; 4 — индикатор-нутромер; 5 — втулка
В качестве материала для упомянутых трех деталей использовался алюминиевый сплав марки Д16Т ГОСТ 4784-97.
Механическая обработка велась по стандартной для такого типа деталей обработке: заготовительная операция, создание баз, черновое точение и сверле-
ние отверстий в дисках 4, восстановление баз, финишная обработка.
В связи со сложностью контроля «поднутрен-ного» профиля лабиринтных канавок особое внимание было уделено изготовлению режущих поверхностей фасонного резца для чистового точения
канавок. Заточка резца производилась на прецизионном пятикоординатном шлифовальном станке для производства и заточки режущего инструмента фирмы TOP WORK (Тайвань), модель TG-5 + . Контроль и ручная доводка режущих кромок и углов резания — с использованием инструментального бесконтактного микроскопа модели ИМЦЛ 150х50Б. При этом заданные размеры режущих кромок, соответствующих профилю канавки, были выполнены практически с нулевой погрешностью. Точение канавок производилось на прецизионном токарно-винторезном станке с ЧПУ модели SHAUBLIN 125. Верхняя режущая кромка резца устанавливалась ниже оси вращения детали на 0,1 мм, резец имел передний угол у, равный нулю, что позволяло практически без погрешностей воспроизвести профиль режущей линии резца на детали.
Измерение фактического зазора между внутренней поверхностью втулки 1 и цилиндрической поверхностью вала 2 с лабиринтными канавками производилось по методике, описанной в [3] и использовавшейся для измерения зазора между поршнем и цилиндром компрессора с газостатическим центрированием поршня.
Методика основана на измерении разности между диаметром вала и втулки без измерения диаметра последних и состоит из двух этапов.
На первом этапе путем нескольких (6—10) измерений в произвольных плоскостях, охватывающих всю длину сопряжения, определяется необходимое число замеров N, удовлетворяющих заданной погрешности общего измерения. На втором этапе производится N измерений разности между диаметрами вала и втулки в максимальном количестве плоскостей сопряжения деталей, после чего высчи-тывается среднеарифметическое этих разностей и определяется среднеквадратическое отклонение от среднеарифметического.
На рис. 4 показана последовательность каждого измерения разности между внутренним диаметром втулки 1 и наружным диаметром вала 2.
Измерения производились с помощью гладкого микрометра ГОСТ 6507-90 с пределом измерения 75—100 мм и индикатора-нутромера НИ-100м ГОСТ 868-82 с индикатором часового типа 801-01 (цена деления 0,001 мм).
Всего было произведено 80 циклов измерений. Ножки микрометра сводились и фиксировались один раз на каждом лабиринтном выступе вала 1 (рис. 4), и затем в десяти произвольных сечениях
отверстия втулки фиксировалось отклонение диаметра отверстия втулки 5 от диаметра вала 1 с помощью индикатора-нутромера. Задавалась погрешность измерения 0,5 мкм. В итоге был получен результат измерения зазора 2Д = 89,852 + 0,5 мкм.
В результате проделанной работы была спроектирована и изготовлена поршеневая пара с концентрическим щелевым уплотнением, позволяющая повысить эффективность работы поршневой гибридной энергетической машины.
Библиографический список
1. Щерба, В. Е. Насос-компрессоры. Рабочие процессы и основы проектирования / В. Е. Щерба, А. П. Болштянский, В. В. Шалай, Е. В. Ходорева. — М. : Машиностроение, 2013. — 388 с.
2. Бобров, В. Ф. Основы теории резания металлов /
B. Ф. Бобров. — М. : Машиностроение, 1975. — 344 с.
3. Болштянский, А. П. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня / А. П. Болштянский, В. Д. Белый,
C. Э. Дорошевич. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2002. - 406 с.
КОНДЮРИН Алексей Юрьевич, соискатель по кафедре «Гидромеханика и транспортные машины» Омского государственного технического универ-ситтета (ОмГТУ); заместитель генерального директора Научно-производственного предприятия «Прогресс», г. Омск.
Адрес для переписки: [email protected] ЩЕРБА Виктор Евгеньевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ. Адрес для переписки: [email protected] ЛЫСЕНКО Евгений Алексеевич, кандидат технических наук, доцент кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ. Адрес для переписки: [email protected] НЕСТЕРЕНКО Ирина Сергеевна, старший преподаватель кафедры «Гидромеханика и транспортные машины» ОмГТУ.
Адрес для переписки: [email protected] ЗИМНИЦКИЙ Александр Николаевич, магистрант гр. ЭТМм-141 факультета «Элитное образование и магистратура».
Адрес для переписки: [email protected]
Статья поступила в редакцию 15.02.2016 г. © А. Ю. Кондюрин, В. Е. Щерба, Е. А. Лысенко, И. С. Нестеренко, А. Н. Зимницкий
Книжная полка
621.74/Г37
Герасимов, И. Я. История литейного производства / И. Я. Герасимов. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2015. -1 о=эл. опт. диск (CD-ROM).
Изложена история развития литейного производства с VII века до н.э. и до наших дней. Содержатся сведения о литье в бронзовом веке, художественном статуарном литье, технологии изготовления колоколов и орудий в России. Описаны методы формообразования, плавки металлов, а также перспективы развития литейного производства. Для студентов специальности 12.03.00 «Машины и технология литейного производства».
