CC BY
14
Секция 5
ДИНАМИКА ТЕПЛОВЫХ II НИЗКОТЕМПЕРАТУРНЫХ ПРОЦЕССОВ
УДК 621.512
*П.Л. Болиапянский, P.A. Bolshtyansky, e-mail: [email protected]
*Е.Л. Лысенко, Е.А. Lysenko, e-mail: [email protected]
Д.Б. Нечаев, D.B. Nechaev
НПО «ЕСМ (1985-Ltd)» Кирьяг Бялик, Израиль
ЕСМ (1985-Ltd), Qiryat Bmlik Israel
Омский государственный технический университет, г. Омск, Россия Omsk State Technical University, Omsk, Russia
К ВОПРОСУ О РАЦИОНАЛЬНОМ АЛГОРИТМЕ УПРАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫМИ КЛАПАНАМИ ПОРШНЕВОГО КОМПРЕССОРА
ТО A QUESTION ABOUT RATIONAL ALGORITHM OF C ONTROL OF ELECTROMAGNETIC VALVES OF THE PISTON COMPRESSOR
В статье рассматривается способ электромагнитного управления работой клапанов поршневого компрессора. в котором алгоритм управления основан на определении времени задержки срабатывания клапана в самодевствующем режиме. Приведена схема управления, дано ее описание.
In paper the way of electromagnetic control is considered by work of valves of the piston compressor in which the algorithm of control is ba>ed oil definition of time of a delay of operation of the valve in an automatic mode. The scheme of management is resulted, its description is given.
Ключевые слова: поршневой компрессор, клапан, управление, электромагнит
Keywords:piston compressor, valve, control, electromagnet
Одной из современных тенденций совершенствования поршневых компрессоров является повышение их быстроходности, т.е. частоты вращения коленчатого вала, т.к при этом снижается общая материалоемкость компрессора и стоимость его изготовления, сокращается время цикла, из-за чего уменьшаются относительные утечки (отношение массы уте чех к массе вытесненного из цилиндра газа). Последнее повышает коэффициент подачи и КПД компрессора.
Однако при повышении частоты работы компрессора возникает проблема обеспечеши: своевременного открытия и закрытия самодействующих клапанов, работа которых связана с наличием сил инерции, действующих на запорные элементы и пружины в случае применения последних.
Наиболее очевидным способом снижения сил инерции является снижение массы подвижных элементов клапанов, что достигается как конструктивными мероприятиями, так и применением материалов, имеющих относительно малый удельный вес
Очевидно, что такой подход имеет свой предел, определяемый как свойствами материалов, которые принципиально могут использоваться дтя изготовления запорных элементов в зависимости от условий их работы, так и масштабным фактором
Проблему обеспечения работы клапанов с высокой частотой можно решить путем электромагнитного управления их запорными элементами В работе [1] предложено производить электромагнитное управление клапанами пул ем использования метода математического моделирования процессов, происходящих в рабочей камере поршневой машины При этом на каждом ходе поршня производится фиксация момента его прохождения характерной точки цикла, по математической модели, заложенной в систему управления, опреде-
Основная идея этого способа управления клапанами состоит в том, что при известном времени запаздывания срабатывания клапана под действием перепада давления на нем, полученном в реально протекающем процессе, а также при известном времени запаздывания срабатывания запорного элемента клапана под действием электромагнитного поля, всегда можно определить момент времени, в который нужно подать напряжение на катушку электромагнита. чтобы своевременно открыть клапан, или снять это напряжение, чтобы своевременно закрыть клапан.
Эта и дел реализуется следующим образом.
1 В течение произвольно выбранного цикла производят измерение отрезка времени от момента прохождения рабочим органом выбранной контрольной точки до момента начала самостоятельного (без воздействия электромагнитного по.ля) открытия н (или) закрытия клапана ¡ОР-
2. По формуле
¡01 = ?ОР ~ ¡ш ~ 'и
производится расчет момента времени, в который нужно подать сигнал на открытие (закрытие) клапана.
В этом уравнении помимо 1ор - - время срабатывания механизма принудительного открытия и (или) закрытия клапана, - время запаздывания открытия и (или) закрытия клапана, определяемое силами инерции, действующими на запорный элемент.
3. В течении наперед заданного количества циклов, во время которых предполагаются неизменные условия работы компрессора, на обмотки электромагнитов, управляющих подъемом и отпусканием клапанов, подают со ответе гвующие сигналы в расчетный момент времени.
4. Снова производят определение момента времени (см. п 1) и т.д.
При вращении приводного вала 5 кривошип 4 и шатун 3 преобразуют это вращательное движение в возвратно-поступательное движение поршня 2, в результате чего происходит попеременное изменение (уменьшение и увеличение) объема рабочей камеры 6. При увеличении ее объема происходит всасывание газа через всасывающий самодействующий клапан (поз. 10-12). а при уменьшении объема - сжатие газа с последующим его нагнетанием потребителю через самодействующий нагнетательный клапан (поз. 13-15).
При пуске компрессора приводной вал 5 начинает движение из любого положения, а в счетчик количества оборотов 22 записывается ноль, который передается прерывателю 23, разрывающему1 связь преобразователя сигнала 24 с дальнейшей схемой управления, и всасывающий и нагнетательный клапаны работают в режиме самодействующих. После первого срабатывания датчика 21 в счетчике 22 записывается единица, которая передается прерывателю 23. и он подключает преобразователь сигнала 24 к таймеру' 25 и одновременно подает сигнал на коммутатор 26. который подает на катушки 16 и 13 контрольное измерительное (небольшое) переменное напряжение. При этом в катушках 17 и 19 индуцируется некоторое опорное напряжение, соответствующее наличию зазора между поверхностями запорных элементов 11 и 14 и сердечниками обмоток 16,17 и 18.19. Эти напряжения подаются на сравнивающее устройство 27.
Приводной вал 5 вращаясь, перемещает поршень 2 в направлении от НМТ (в ней сработал датчик 21) к верхней мертвой точке (ВМТ), сжимая газ до тех пор, пока давление в рабочей камере б не достигнет давления в полости нагнетания 9, после чего с некоторым запозданием запорный элемент 14 нагнетательного клапана начинает движение вверх, отрываясь от седла 15. При этом в самом начале движения зазор между1 поверхностью запорного элемента 14 и сердечниками обмоток 18 и 19 уменьшается, что вызывает увеличение коэффициента трансформации между обмотками 18 и 19. и напряжение в обмотке 19 начинает увеличиваться, что фиксируется в сравнивающем устройстве 27, которое выдает сигнал на таймер 25, в котором определяется тем самым время Гор прошедшее от момента прохождения контрольной точки (НМТ) до открытия нагнетательного клапана, работающего в самодейст-
вуюшем режиме. Эта величина подается на вход А оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) 28 и хранится в нем отдельно для каждого действия (открытие - закрытие) каждого клапана.
Аналогичная процедура производится при закрытии нагнетательного клапана (соответствующее время Гор подается на вход Б ОЗУ), открытия и закрытия всасывающего клапана (сигнал подается на входы В и Г). Одновременно сигналы с таймера 25 направляются на счетчик 29, при переполнении которого (количество сигналов больше четырех) он посылает сигнал на отключение прерывателя 23 и включения прерывателя 30, соединяющего преобразователь сигнала 24 с вычислителем 31 через ключ 32. В постоянном запоминающем устройстве (ПЗУ) вычислителя 3 L хранятся данные о запаздывании движения запорных элементов 11 и 14 fe и Г££).
При следующем срабатывании датчика 21 (второй полный рабочий пикл работы насоса) сигнал с датчика 21 через преобразователь 24, прерыватель 30 попадает на ключ 32, который последовательно соединяет выходы ОЗУ 28 с вычислителем 31. Вычислитель 31 формирует выходные управляющие сигналы для каждого действия каждого клапана и своевременно подает их на коммутатор 26. который гакже своевременно включает и выключает питание постоянным током обмоток 16,17 и 18,19, соединяя каждую пару' обмоток последовательно для обеспечения ее работы в качестве обычного электромагнита.
При этом в конце процесса сжатия (поршень 2 движется вверх) запорный элемент L4 притягивается своим электромагнитом (обмотки 18,19 подключаются параллельно) вверх, своевременно открывая седло 15 для прохода сжатого газа в процессе нагнетания, после чего, в конце процесса нагнетания электромагнит своевременно отключается, и запорный элемент 14 перекрывает седло 15, двигаясь под действием пружины 13.
В начале процесса всасывания (поршень 2 движется вниз) запорный элемент 11 своевременно отжимается своим электромагнитом (параллельно подключенные обмотки 16 и 17) вниз, открывая седло 12 для осуществления процесса всасывания, а в конце этого процесса электромагнит своевременно отключается, давая возможность запорному элементу 11 перекрыть седло 12.
По прошествии наперед заданного числа циклов с управляемым движением клапанов (например, числа 100) происходит переполнение счетчика 22, который посылает сигнал на отключение прерывателя 30, обнуляет свое значение, что приводит процесс управления в первоначальное состояние. Снова в течение одного полного цикла производится определение моментов открытия и закрытия клапанов, работающих в самодействующем режиме, после чего снова компрессор отрабатывает заданное число циклов с принудительным оптимальным угоравлением работой клапанов. Это необходимо для того, чтобы постоянно учитывать изменение давления нагнетания.
Время запаздывания открытия и закрытия запорных элементов 11 и 14 клапанов 1т, зависящее от сил инерции определяется экспериментально, или путем интегрирования известного уравнения динамики запорного элемента самодействующего клапана [2,3].:
Время срабатывания íel механизма принудительного открытия электромагнитного привода запорных элементов 11 и 14 (время :<страгивяния>>) может быть определено по формуле:
/ \
4L
R
1
\
L
где 1У =(Г>Л), V - напряжение, подаваемое на обмотку электромагнита. Я - активное сопротивление этой обмотки, I - индуктивность обмотки, ¡тр - ток «страгнвания», определяется экспериментально.
Время срабатывания tEL механизма принудительного закрытая электромагнитного привода запорных элементов 11 и 14 (время «отпускания») зависит от силы пружины (поз. 10 и 13) и явлений статочного магнетизма, определяется экспериментально.
Описанный способ работы поршневого компрессора позволяет организовать своевременное, близкое и идеальному, открытие и закрытие клапанов, увеличить их эффективное проходное сечение, практически избавиться от колебаний запорных элементов, что дает возможность снизить потери механической работы цикла в процессах всасывания и нагнетания (повысить КПД), а также увеличить быстроходность машины, что влечет за собой снижение ее материалоемкости и, соответственно, стоимости. Все это вместе взятое позволяет снизить удельные затраты на производство сжатого воздуха.
Библиографический список
1. Bolshtyansky, А. Р. Automation of wank of valves of tlie piston compressor l A P Bolihtyamky, P.A. Bolshtyansky, E A Lisenko ii "Tlie collection papers Sworld 011 materials of tlie international scientifically-practical conference. -2013. - T. 2. - № 2. - P. 84-87.
2. Поршневые компрессоры / Б. С. Фотин, И. Б. Пируыов. И. К. Прилуцкий. П. И. Птастинин / под общ. ред. Б. С. Фотина. — Л.: Машиностроение. 1987. - 372 с.
3. Щерба, В. Е. Рабочие процессы компрессоров объемного действия / В. Е. Щерба. -М.: Наука, 2008. - 319 с.
