CC BY
51
Библиографический список
1. Болштянский А. П., Белый В. Д., Дорошевич С. Э. Компрессоры с газостатическим центрированием поршня. Омск: Изд-во ОмГТУ, 2002. -406 с.
2. Шейнберг С. А., Жедь В. П., Шишеев М. Д. Опоры скольжения с газовой смазкой/ Под ред. С. А. Шейнберга - М.: Машиностроение, 1979. - 336 с.
3. Демкин Н.Б. Расход газа через стык контактирующих поверхностей// Н. Б. Демкин, В. А. Алексеев, В. Б. Ламберский, В. И. Соколов/ Известия высших учебных заведений. Машиностроение. № 6. - М.: МВТУ им. Баумана, 1976. - С. 40-44.
4. Ивахненко Т. А. Болштянский А. П. Определение фактического зазора псевдопористых питателей гидро- и газостатических подвесов.// Динамика машин и рабочих процессов. ЮУрГУ. 2009. -С. 62-66.
5. Трение, изнашивание и смазка: Справочник/ Под ред. И. В. Крагельского, В. В. Алисина.-М.: Машиностроение, 1978. - Кн. 1. - 400 с.
GAS BEARING PISTON WITH ARTIFICIAL POROUS FEEDERS FOR COMPRESSORS OF AUTOMOBILE REFRIGERATORS
Е. A. Lysenko, A. P. Bolshtyansky, G. S. Averyanov, V. I. Kuznecov
In clause the opportunity and expediency of application of pseudo-porous feeders of gas bearing piston a little account automobile refrigerators is considered. Pseudo-porous feeders are formed at contact of two flat rough surfaces. The technique and results of calculation of gas bearing piston, the equations for definition of an aver-
age backlash between contacting rough surfaces, the analysis of advantage of application of pseudo-porous feeders in comparison with throttles of type «a simple diaphragm» in of gas bearing piston with small diameter are resulted.
Лысенко Евгений Алексеевич - к.т.н,_доцент. Основные направления научной деятельности: компрессорная и автомобильная техника. Общее количество опубликованных работ: 32. [email protected].
Болштянский Александр Павлович - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины», ОмГТУ. Основные направления научной деятельности: Криогенная и компрессорная техника и технология, эксплуатация транспортных средств Общее количество опубликованных работ: более 300. e-mail:_ [email protected]
Аверьянов Геннадий Сергеевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Авиа- и ракетостроение». Основные направления научной деятельности:Управляемые пневматические виброзащитные системы амортизации крупногабаритных объектов. Общее количество опубликованных работ: более 150. e-mail: [email protected].
Кузнецов Виктор Иванович - Д.т.н., профессор. Основные направления научной деятельности: Теория эффекта Ранка, теория газотурбинных двигателей, исследования трубы Гартмана-Ширенгера, летательные аппараты на воздушной подушке. Общее количество опубликованных работ: более 200.e-mail:_ [email protected]
УДК 629.114:621.512
РАСЧЕТ СИЛ И РАБОТЫ ТРЕНИЯ В ПОРШНЕВОМ УПЛОТНЕНИИ ХОЛОДИЛЬНОГО КОМПРЕССОРА БЕЗ СМАЗКИ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНОГО
РЕФРИЖЕРАТОРА
Е. А. Лысенко, А. П. Болштянский, В. И. Кузнецов, Г. С. Аверьянов,
Ю. А. Бурьян
Аннотация. В статье рассматривается методика расчета поршневого уплотнения без смазки, которая позволяет рассчитать силы, которые действуют в уплотнении. Это дает возможность обоснованно назначать время между ремонтами поршневого холодильного компрессора.
Ключевые слова: холодильный компрессор, автомобильный рефрижератор, ресурс работы, потери мощности.
Введение
В автомобильных рефрижераторах, как правило, используются холодильные паро-компрессионные машины с поршневыми компрессорами. В последние годы в качестве таких компрессоров все чаще применяются бессмазочные машины объемного действия с поршневыми уплотнениями из композиционных материалов в связи с тем, что они позволяют до 17% повысить холодопроизводитель-ность машины при той же потребляемой мощности, что весьма важно для экономичной работы автономных устройств.
При проектировании поршневых машин
объемного действия очень важно иметь математический аппарат, позволяющий рассчитывать уплотнительный узел цилиндропорш-невой пары. Это позволяет оценить такие параметры, как затраты работы на трение и собственно силы трения, что в совокупности с путем пробега уплотнения позволит рассчитать в первом приближении и износ уплотняющих элементов и обоснованно назначать межремонтный пробег.
На рис. 1 изображена схема сечения поршневого кольца, имеющего наиболее часто встречающееся прямоугольное сечение.
Рис. 1. Сечение цилиндропоршневой пары в зоне действия поршневого кольца: 1 - цилиндр, 2 - поршень, 3 - поршневое кольцо, 4 - пружина экспандера, 5 - распределение давления в зазоре между кольцом и зеркалом цилиндра, 6 - зазор между поршнем и цилиндром, 7 - фактический средний зазор между кольцом и зеркалом цилиндра, 8 - кольцевая канавка
Запишем уравнение для определения величины работы трения —км в кольцевом уплотнении:
Lti Fj)dS,
(1)
j=i
где Z - число колец в поршневом уплотнении, FrPj(S) - функция зависимости силы трения FTPj j-го кольца от хода поршня, которая по [1] может быть определена в виде
FdPj(S)= fTP [Wj(S)+ PyjJ, (2)
где Wj-(S) - функция зависимости усилия Wj, действующего на j-е уплотнительное поршневое кольцо в направлении контакта с зеркалом цилиндра под действием переменного перепада давления на кольце, от хода поршня S, Pyj - усилие пружины (экспандера) j'-го поршневого кольца или усилие упругости самого кольца, Pyj = const для каждого кольца и не зависит от положения поршня во время его
движения, ТТР - коэффициент трения кольца о зеркало цилиндра.
При этом предполагается, что в результате приработки кольца его радиальный износ компенсируют силы собственной упругости или экспандер. Количество колец в поршневом комплекте можно определить по рекомендациям [1]:
л/10 • АР > Z > V5 АР, (3)
где АР - максимальный перепад давления на комплекте колец в МПа, результат расчета округляется до целого числа в большую сторону.
В уравнении (2) неизвестной величиной является Wj(S), которую для кольца наиболее простого, прямоугольного, сечения можно с учетом [1] выразить следующим образом: W¡(5)= р^)-Лнв -Р1(ср)()[[ -А6 ()], (4)
где Pj{S) - функция зависимости давления Pj в закольцевом объеме от хода поршня, Pj^СР)(S) - функция зависимости среднего давления
Р(ср) в зазоре между 7-тым поршневым кольцом и зеркалом цилиндра от хода поршня, АН - номинальная (общая) площадь контакта поверхности кольца, контактирующая с зеркалом цилиндра, АФ(Э) - зависимость фактической площади контакта АФ от хода поршня, АНВ - площадь поверхности кольца, обращенная в сторону канавки поршня. Разность площадей АН и АФ(Э), умноженная на среднее давление в зазоре между кольцом и зеркалом цилиндра, дает усилие, отжимающее кольцо от зеркала цилиндра.
В том случае, когда имеет место пластическая деформация в зоне трения поверхностей кольца и зеркала цилиндра, фактическая площадь контакта может быть определена по формулам [1, 2]:
НВ
(5)
где сэ и оэ - коэффициент упрочнения и предел текучести материала кольца, аь - коэффициент, учитывающий напряженное состояние в зоне контакта и особенности взаимодействия поверхностей (при скольжении аь = 0,5 и для неподвижного контакта аь = 1), НВ -твердость по Бринеллю.
Тогда усилие, действующее на кольцо в направлении его контакта с зеркалом цилиндра, с учетом сопротивления газостатического слоя, возникающего при течении рабочего тела через микрозазор между рабочей поверхностью кольца и зеркалом цилиндра, выражается зависимостью [1]
, ч АН • с* • а, [р (*)• АН -Р.(ср)(*)|
Ф (*) = Н * * I Л^ Н ,(срл п (6) А [ - Р<ср> (*)
воспроизводиться микрорельеф, близкий по своим характеристикам к микрорельефу зеркала цилиндра. Можно также предположить, что если условия контакта близки к упругим, и в результате приработки трущихся поверхностей фактическая площадь контакта становится максимальной, то при малых и средних давлениях и повторных нагружениях будет иметь место в основном упругое взаимодействие поверхностей, на что, в частности, указывает автор [3]. Тогда можно использовать методику [4] для определения фактического давления Ргу при упругом контакте двух поверхностей, имеющих одинаковые параметры шероховатости:
(
ру (* ) =
0,61
Я
N 0,43
V г* у
[[ (* )Ю14
1 -М
О \0,86
1 -МР>2 ^
(8)
Е1 Е 2 ,
где Рс. (*) - функция, описывающая зависимость контурного давления рг. от хода
сЛ
поршня, и гэ - среднеарифметическое отклонение профиля микронеровностей поверхности зеркала цилиндра и радиус закругления выступов микрорельефа, ^Р1,2 и Е1г2 - коэффициенты Пуассона и модули упругости материалов поршневого кольца и гильзы цилиндра.
Учитывая, что после приработки колец и зеркала цилиндра макроискажения в зоне контакта становятся пренебрежимо малыми, можем записать равенство
рс. (* ) =
(* )
(9)
р (*) (*).!3 -.[р . ' ) (*)]3 I (7)
При работе на низких и средних давлениях газа, наиболее часто применяемых в промышленности и бытовых установках, а также при использовании достаточно широких (вдоль образующей цилиндра) колец деформация в контакте не доходит до пластического состояния и носит упругий или упругопласти-ческий характер. В этом случае при расчете фактического давления между двумя трущимися шероховатыми поверхностями можно допустить, что они имеют одинаковый микрорельеф, поскольку на рабочей поверхности кольца, изготовленного из менее твердого по сравнению с цилиндром материала, будет
Поскольку величину АФ при упругом контакте определяют как произведение числа пятен контакта на их площадь [3-5], будет справедливо следующее выражение:
. (* ) . р„ (* ) ) (10)
В работе [2] приведены зависимости, которые более точно определяют фактическую площадь контакта в паре полимер-металл. Однако расчеты, сделанные для наиболее часто применяющихся в отечественных конструкциях кольцевых уплотнений трибосопря-жений при достаточно высокой чистоте их обработки (средняя высота микронеровностей -доли микрометра) показывают, что отклоне-
Н
ние результатов расчетов по (10) от вычислений по методике [2] не превышают 10 %.
Теперь в соответствии с (10) и (4) можно записать уравнение для определения усилия, действующего в направлении упругого контакта:
> ( )]
/ ч АН Р (в)- Р ^ (в Ь н 1 А/ (
1
1(СР)
1(СР)1
ФГ
(11)
РГУ1(В )
Принимая во внимание (4), (10), (11), определение величины 1/У/(5) можно производить путем решения следующего нелинейного алгебраического уравнения:
4-РВ-Рср(В] (12)
1-{
1,6
N0,86
4 4 J
/ N043
Л)
щ
-014
АН
Р >
ГУ~ • /
(13)
^ J Оо
где к5 - коэффициент, принимающий значения от 1,0 до 3,0.
Полученная методика позволяет рассчитать индикаторную работу сил трения в поршневом уплотнении.
Кроме того, имеется возможность оценить средний зазор Лт между наружной поверхностью кольца и зеркалом цилиндра с использованием уравнений [4, 9], как зазор между двумя контактирующими шероховатыми поверхностями:
К; (В Н1 - 1,33
РС1 (В )
РЖ)
1/3]
( 1 + ^ 2),(14)
или с учетом того, что ЯР~ (2,5-3,0)Яа и 11а1 = Яа2:
(в )« ( 5 - 6 )Ял
1 - 3,3
Рс;(В ) Ру; (В )
1/3 ~
(15)
При реализации на ЭВМ уравнение (12) удобно решать методом половинного деления.
В соответствии с данными работ [6-8] переход к пластическому состоянию в зоне неподвижного контакта начинается при значениях с5 > 2-2,5. Экспериментальные и теоретические исследования [9-11] показали, что результаты, полученные для неподвижного контакта, всего лишь на 10-15 % отличаются от результатов при скользящем контакте при относительно малых коэффициентах трения.
При значительном трении, которое наблюдается в поршневых уплотнениях, сжимающих осушенные газы, появляется необходимость учета дополнительных напряжений, возникающих вслед за единичной скользящей поверхностью, и условие перехода контакта из упругого состояния в пластическое следует записать в виде [10]
где ЯР - расстояние от линии вершин микровыступов до средней линии профиля шероховатости.
Уравнения (14), (15) справедливы для неподвижного контакта, в то время как при определении по ним среднего зазора между двигающимися относительно друг друга поверхностями рассчитанную величину Лт необходимо уменьшать примерно в 2 раза [2].
Для большинства поверхностей с чистотой обработки 6-8 класса (Яа~ 1,5-0,3 мкм, г3 = 10-20 мкм) в диапазоне контурных давлений РС = 0,05-1,5 МПа, характерных для компрессоров, сжимающих газы до низких и средних давлений, для материалов колец с Е = (0,6-40)103 МПа (от Ф4К20 до Графе-лон-20) расчеты по формуле (15) с учетом двукратного уменьшения результата дают значения радиального зазора между наружной поверхностью кольца и зеркалом цилиндра в пределах 0,4-1,35 мкм. Это позволяет сделать вывод о том, что в новом неизношенном уплотнении утечки через поршневой уплотнение практически должны отсутствовать.
Заключение
Использование предложенной методики расчета поршневого самосмазывающегося уплотнения позволяет рассчитать силы, действующие на уплотнитель, и при известной закономерности износа от сил и пробега уплотнения определить сроки межремонтного обслуживания рефрижератора.
Библиографический список
1. Новиков И. И. Бессмазочные поршневые уплотнения в компрессорах/ И. И. Новиков, В. П. За-харенко, Б. С. Ландо. - Л.: Машиностроение, 1981.238 с.
2. Макушкин А. П Полимеры в узлах трения и уплотнениях при низких температурах: Справочник. - М.: Машиностроение, 1993. - 228 с.
3. Курапов П. А. О количественной оценке параметров трения в развитие положений молеку-лярно-механической теории// Машиноведение.-1989. - № 1.-С. 28-34.
4. Трение, изнашивание и смазка: Справочник / Под ред. И. В Крагельского, В. В. Алисина.- М.: Машиностроение, 1978. - Кн. 1. - 400 с.
5. Михин Н. М. Механизм внешнего трения твердых тел// Трибология: Исследования и приложения: Опыт США и стран СНГ. - М., 1993. - С. 2951.
6. Фрэнсис Х. А. Феноменологический анализ пластического вдавливания сферы// Тр. амер. об-ва инж.-механиков. Сер. Д. - 1976. - № 3. - С. 81-91.
7. Демкин Н. Б. Контактирование шероховатых поверхностей. - М.: Наука, 1970. - 228 с.
8. Демкин Н. Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. - М.: АН СССР, 1962. - 111 с.
9. Чеповецкий И. Х. Основы финишной алмазной обработки. - Киев: Наук. Думка, 1980. - 468 с.
10. Крагельский И. В. Трение и износ. - М.: Машиностроение, 1968.- 480 с.
11. Umweg uber Filter kostet Energie: Die beiden Varianten zur Erzeugund olfreier Druckluft im Ver-gleich// Produktion. - 1996, № 9. - Р. 24.
CALCULATION OF FORCES AND WORKS OF FRICTION IN CONDENSATION OF THE PISTON OF THE REFRIGERATING
COMPRESSOR WITHOUT GREASING FOR THE AUTOMOBILE REFRIGERATOR
Е. A. Lysenko, A. P. Bolshtyansky, V. I. Kuznecov
In clause the design procedure of piston condensation without greasing which allows to calculate forces which operate in condensation is considered. It enables correctly to fix time between repairs of the piston refrigerating compressor.
Лысенко Евгений Алексеевич - к.т.н,_доцент. Основные направления научной деятельности: компрессорная и автомобильная техника. Общее
количество опубликованных работ: 32. [email protected].
Болштянский Александр Павлович - доктор технических наук, доцент, профессор кафедры «Гидромеханика и транспортные машины», Ом-ГТУ. Основные направления научной деятельности: Криогенная и компрессорная техника и технология, эксплуатация транспортных средств Общее количество опубликованных работ: более 300. e-mail: [email protected]
Кузнецов Виктор Иванович - Д.т.н., профессор. Основные направления научной деятельности: Теория эффекта Ранка, теория газотурбинных двигателей, исследования трубы Гартмана-Ширенгера, летательные аппараты на воздушной подушке. Общее количество опубликованных работ: более 200.e-mail:_ [email protected]
Аверьянов Геннадий Сергеевич - доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой «Авиа- и ракетостроение». Основные направления научной деятельности:Управляемые пневматические виброзащитные системы амортизации крупногабаритных объектов. Общее количество опубликованных работ: более 150. e-mail: [email protected].
Бурьян Юрий Андреевич - Д.т.н, профессор. Основные направления научной деятельности: динамика сложных механических систем, вибрационные системы. Общее количество опубликованных работ: более 150.
УДК 629.113.001
МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ИЗМЕНЕНИЯ НОРМАЛЬНОЙ РЕАКЦИИ КОЛЕСА ДИАГНОСТИРУЕМОЙ ОСИ АВТОМОБИЛЯ
НА ВИБРОСТЕНДАХ
А. И. Федотов, А. Н. Доморозов, Нгуен Ван Ньань
Аннотация. Представлена математическая модель процесса изменения нормальной реакции на колесах диагностируемой оси автомобиля на опорных платформах вибростенда. Выявлены закономерности влияния технического состояния подвески на параметры колебаний нормальной нагрузки на колёсах автомобиля при испытаниях на вибростендах.
Ключевые слова: диагностика подвески автомобиля, вибростенд, процесс колебания нормальных реакций, математическая модель и техническое состояния амортизатора.
В статье рассмотрена математическая акции на колесах диагностируемой оси автомодель процесса изменения нормальной ре- мобиля на опорных платформах вибростенда.
